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1、操作工艺条件对挤压膨化燕麦玉米粉的影响Y. Liu1, F. Hsieh H* 2, Heymnn 2, AND H.E. Huff 21. Sunpower营养食品有限责任公司，加利福尼亚州，美国2. 密苏里哥伦比亚大学食品科学与生物工程学院，MO65211，密苏里州，美国摘要：本实验研究了膨化工艺参数的变化对挤压膨化产物物理性质（包括膨胀度，体积密度，结构剖面），以及感官品质的影响。工艺参数主要包括：螺杆转速（200，300和400rpm），水分含量（18%，19.5%和21%），以及四种燕麦粉含量（55，70，85和100%）。随着燕麦粉含量的增高，膨化产物的规定长度降低，体积密度增加，
2、亮度降低，红度增加，黄度降低，硬度增加，弹性、粘性和咀嚼性降低。除了100%的燕麦膨化粉，提高水分含量可以降低膨化度。螺杆转速对体积密度、规定长度和膨胀比没有显著影响。主成分分析显示，降低水分含量，提高螺杆转速会引起产品温度的升高，继而使得产品的亮度、酥脆性、反光度升高，产品的胞状结构更为开放。随着螺杆转速提高，产品温度的提高，玉米中的风味物质变得更易挥发。研究发现，膨化产品的物理性质和感官性状之间有着很高的关联性。关键词：燕麦；玉米；膨化挤压；感官品质1. 引言 虽然燕麦作为世界第六大禾谷类种植作物排在小麦、玉米、水稻、大麦、高粱之后（Matz 1991），对于牲畜和家禽饲料来说是一种极其重
3、要的谷物，但只有7%的燕麦被人类所消费（Oomah 1983）。但因为最近发表的一系列关于燕麦可以促进健康的报道（Van Horn and others 1991; Welch 1994）这种现状马上就会发生改变。此外，美国食品药品监督局已经发表声明，称燕麦中的可溶性纤维（-葡聚糖）可以降低血液中胆固醇的含量，防止冠心病的发生（Anonymous 1999）。挤压膨化机械具有很多设计上的优势，可以在生产过程中节约时间、能量消耗以及费用。在生产零食和即食性淀粉谷物早餐等方面，高温短时挤压膨化技术日益发挥着越来越大的作用。直接由挤压膨化生产出的产品零食叫做第二代零食。(Huber and Roke
4、y 1990)这些零食的体积密度很低，且具有高纤维、低卡路里、高蛋白质、营养丰富的特点。产品的物理性质和感官性状通常受到挤压膨化过程中各个操作流程和原料的配比参数的影响。为了优化膨化工艺流程，提升产品特性，针对改变工艺参数的研究正在紧锣密鼓的进行。(Chen and others 1991;Hsieh and others 1989, 1990; Jin and others 1994; Berglund and others 1994)。 应用膨化技术生产全谷物的、基于燕麦的、即食性的方便早餐是很困难的，这可能因为燕麦中含有过多的脂肪和可溶性的胶(Chang and Sosulki 1985
5、)。但将玉米面粉与燕麦粉相混合，通过挤压膨化技术，就可以生产出理化性质与感官性状俱佳的零食或早餐粉。这将使得燕麦在人类饮食中所占的比重大大上升。本研究的目的是研究膨化过程中的三个工艺参数对于膨化玉米-燕麦粉物理性质和感官性状的影响，并综合数据进行分析，得出最佳工艺参数。2.材料与方法2.1生原料：从ConAgra (Omaha, Neb.,U.S.A.)购买的燕麦粉，以及从Lauhoff Grain Co. (Danville, Ill.,U.S.A.)购买的黄色玉米粉，这些原料使用霍巴特混合仪(Model A200F, Hobart Corp., Troy, Ohio,U.S.A.)以期望比
6、率混合10分钟，以保证膨化前物料的均一性。玉米粉和燕麦粉中的近似营养物质测量结果见表一。 表1玉米粉和燕麦粉中的相似营养元素测量表2.2挤压膨化机械 本实验使用的挤压机室共轴相连APV Baker (APV Baker, Grand Rapids, Mich., U.S.A.)，MPF50/25,28.0-kW双螺旋可交换螺杆挤压机，机器内外径比为15:1,。总电动机为29.8kW的直流电动机。通过在室温（23）条件下使用泵将水注入挤压机内可以控制物料中的水分含量。钢模对面带有以330rpm的速度转动的叶片可调整切割机，以切割膨化产物。仪表盘上显示产品温度、钢模压力、扭矩百分比、扭动和切割速度
7、等工艺参数，这些参数已被保存在电脑里。若至少五分钟内在产品温度和扭矩百分比中没有出现可见的错误，则可认为膨化机处于稳定运转状态。收集样品然后通过65流化床干燥至水分含量为6%7%。2.3实验设计： 本实验为433因素一重复设计。本研究选取了螺杆转速（200,300和400rpm）、水分含量（18%，19.5%和21%）、四种燕麦粉含量（55,70,85和100%）四个因素对挤压膨化产物物理性质（颜色、质构、尺寸规格和体积密度）和感官性状的影响。其他一些独立影响因素，如加料速度（45kg/h）、螺旋剖面、芯片尺寸（3.8mm）都已根据Hu等在1993年的研究确定下来，在整个实验过程中保持不变。2
8、.4物理性质的测量方法2.4.1规定长度和膨胀比的测定 随机收集50块经过各种处理的膨化产物，用游标卡尺测量各产物的直径和长度(500-215,Mitutoyo Co., Tokyo, Japan)。记录几次测量的平均值。将膨化产物的直径与钢模的直径（3.8mm）比定义为膨胀比。将每克膨化产物的长度定义为膨化产物的规定长度。2.4.2体积密度的测定 体积密度的测定方法是沙位移法（Park,1976），重复测量三次，取平均值。2.4.3质地多面剖析法 膨化物的质构分析是根据Halek等人1989年提出的方法，采用TA-XT2质构分析仪测得(Texture Technology Corp., Sc
9、arsdale, N.Y., U.S.A.)。使用刀片将膨化产物切割为10mm长得圆柱形样本，附着在分析仪机械臂上的圆柱形探针以25mm/min的速度挤压样品。样品被挤压至原来长度的70%，分析仪会记录挤压力与样品扭曲程度的相关性曲线。每种处理后的膨化物将重复六次测量，分析仪将记录样品脆性、粘性、粘结力等质构参数。(Bourne 1987)2.5感官鉴评测定方法2.5.1鉴评人员训练本实验中参与感官鉴评的人员均招募于密苏里-哥伦比亚大学的食品科学、农业机械与生物学院。在感官训练的第一阶段，所有的参评人员编为一组，根据提供的10种膨化玉米-燕麦产品的各种性状，共同确定感官鉴评指标。参评者们在第二
10、次训练时确定了感官鉴评标准，并根据膨化产品的不同感官品质为产品分组，训练了评定小组的评分准确性。修订完全的感官鉴评标准如表2所示，三次实践表明该感官鉴评标准是可行的，评定小组的评定是有效且准确的。2.5.2综合评价除去控制样品（100%燕麦粉），本实验对三种燕麦粉-玉米粉混合膨化产物（55%,70%和85%）进行了综合评价。选取每种样品的10个小样，分别放在3个随机编码的密封塑料袋中。参评者会对每个样品重复测量两次，得到四个感官指标。每次测量将提供9个样品，一共进行12次测量。生燕麦粉、生玉米粉、烤制燕麦粉、烤制玉米粉可以作为风味参考物。(General Mills, Minneapolis,
11、 Minn.,U.S.A.)。每次评价前参评者需用清水漱口，每位参评者在室温条件（23）、分隔小间内进行鉴评。评价质构和风味时采用红色灯光，评价产品外观时采用白炽灯光。表2 膨化产物的感官鉴评标准2.6数据分析本实验中数据采用SAS(Statistical Analysis System)软件进行分析，软件版本为6.11（SAS 1997）。实验中的方差分析是用PROC GLM对数据平均值和工具变量的附属样本以及感官鉴评的附属样本进行分析。影响因素有：旋转速度、燕麦粉添加量、水分百分比、和各因素之间的相互影响。主成分分析包括对膨化产物感官鉴评结果和生产工艺参数（旋转速度、燕麦粉添加量、水分百分
12、比）的分析，以确定各工艺参数对感官性状的影响。使用PROC FACTOR和相关矩阵可以分析感官鉴评结果与工具变量数据集，以便得知这些这些参数之间的相互关系。使用SAS PROC PLS和最小二乘估计法可以分析膨化产物感官性状与物理性质之间的联系。感官鉴评数值作为反应变量，其余所有工具和产品参数最初作为独立参数。3结果与结论3.1膨化对产品物理性质的影响 方差分析显示，与旋转速度相比，燕麦粉含量和水分含量会显著影响膨化产物的体积密度、规定长度和膨胀比。所以，此处使用燕麦粉的含量来表达膨化产物的体积密度、规定长度和膨胀比的反应曲面，而不是处于中等旋转转速的水分含量。提高燕麦粉的含量，膨化产物的体积
13、密度上升，规定长度下降。与添加玉米粉的膨化产物相比，控制配方（燕麦粉含量为100%）下膨化产物的体积密度很高（LSD=0.039,P=0.05），规定长度很小（LSD=2.66,P=0.05）。符合预期的是，膨化产物的膨胀比随着玉米粉添加量的增加而升高。当玉米粉添加量为15%时，可以显著提升膨化产物的膨胀比，而当燕麦粉添加量为70%和85%时，均对膨胀比没有影响。高燕麦添加量的谷类产品通常很难制得，这是由于燕麦种含有过多脂肪和纤维。(Gordon and others 1986. Kumagai 等人在1987年发现，与未经处理的米粉（含有0.765%脂肪）相比，脱脂干燥的米粉经膨化后体积会增
14、大50%。Colonna 和 Mercier在1983年木薯淀粉膨化实验中也证实了脂肪在膨化过程中的润滑作用。脂肪在膨化过程中的作用可能是：（1）降低了生面团与螺杆间的摩擦；（2）通过降低剪切力防止淀粉降解。(Lin and others 1997)。纤维颗粒之所以可以降低膨化程度，是由于纤维可以在气泡膨胀至最大之前破碎细胞壁。( Jin and others 1994)。综上所述，高纤维含量的膨化产品通常结构紧密、坚硬、不脆，以及含有其他一些不良的质构特性。在所有的配方处理结果中，当物料含水量处于中等水平时（19.5%），膨化产物的体积密度处于最低水平。（LSD=0.039，P=0.05）。
15、当燕麦粉含量为70%，水分含量为19.5%时，体积密度处于最低水平。（图1-a）。提高水分含量会引起膨化产物规定长度的下降。水分含量对膨化比的影响在不同的配方中呈现出不同的结果。在控制配方（0%玉米粉）中提高水分含量，膨胀比会升高。但在高玉米粉含量的配方中提高水分含量会降低膨胀比。（图1-c）在中等玉米粉含量的配方中，水分含量对膨胀比的影响不明显。（LSD=0.138，P=0.05，图1-c）。一些研究者发现，在不同产品的膨化过程中，提高水分含量会导致淀粉凝胶化程度的降低，(Kokini and others 1992)，当水分含量升高时，膨化程度会迅速降低。原始含水量的升高会降低生面团的温度
16、，这是因为水分降低了生面团与旋转螺杆之间的摩擦，抑制淀粉的凝胶化作用，降低产品的膨化程度。在控制配方（100%燕麦粉）下，旋转速度对体积密度、规定长度、膨胀比没有明显的影响，这也许是因为燕麦粉中的脂肪有润滑作用。Colonna等人在1989年的研究中发现，当有脂肪存在时，淀粉分子间粘连性降低。在含有玉米粉的配方中提高旋转速度，体积密度降低，规定长度和膨胀比有所增加。在膨化过程中，产品颜色的改变可以用于测量热处理程度的大小。(Chen and others 1991)。颜色也是膨化产品的一项特殊属性。方差分析表明，与旋转速度相比，水分含量对膨化产品的颜色影响更为明显。水分和燕麦粉含量的增加会导致膨化产物亮度的降低，（图2a）这是因为膨化程度有所降低。在控制配方中，当水分含量较高时，膨化产物的亮度剧烈降低。在控制配
