挤压处理对全谷物理化和功能特性影响研究进展

胡薇薇, 张治国, 杨 开, 步婷婷, 吴卫成

(浙江省农业科学院食品科学研究所1,杭州 310021) (浙江工业大学食品科学与工程学院2,杭州 310014)

1 全谷物及其营养组成

全谷物(Whole Grains, WGs)是指整粒或破碎的颖果,包括胚乳、胚芽、皮层等组成部分,且各部分比例与完整的颖果一致。相比精加工谷物,全谷物保留了皮胚层,富含维生素、矿物质、膳食纤维等营养素。全谷物食品在国际上发展较早,但目前尚缺乏公认的定义。美国谷物化学家协会提出“制作谷物食品原材料(包含皮层、胚乳和胚)的相对比例与天然谷物籽粒构成相当时即可认为是全谷物食品”[1]。

全谷物的主要成分为淀粉和蛋白质。淀粉的营养特性与其消化率有关。其中,快速消化淀粉(RDS)可导致餐后血糖升高,从而诱导氧化应激,但慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)有利于控制餐后血糖[2]。谷物中的蛋白质具有平衡的氨基酸组成,且易于人体消化和吸收。此外,全谷物还包含多种生物活性物质,例如膳食纤维(DF)主要存在于麸皮中,膳食纤维可吸水膨胀,在肠道内产生容积作用,增强饱腹感;也可被肠道微生物组完全或部分发酵,改善肠道微生物群组成,预防便秘[3]。全谷物大量的膳食纤维还与改善心血管健康和胃肠道健康,以及维持葡萄糖稳态等多种健康益处相关[4]。全谷物中多酚的健康益处包括抗氧化和抗炎作用,以及对慢性病有预防作用[3]。植物源多酚作为自由基清除剂,具有较强的抗氧化活性,可以减少氧化应激并抑制DNA和蛋白质的氧化损伤[5]。全谷物在糊粉层部分含有大量B族维生素,可以改善维生素缺乏症状。常见的全谷物中营养成分如表1所示[6,7]。

《中国居民膳食指南(2022)》写入了全谷物内容,膳食宝塔的第1层也列出了该项目[8]。然而,皮层赋予全谷物丰富营养的同时也带入了高含量的纤维素类成分,这些成分会造成全谷物食品口感粗糙,降低消费者接受度[9]。因此,应用物理、化学和生物处理被广泛研究,如挤压、水热处理、超细研磨、发酵和酶技术等,以改善全谷物的质地、口感和营养质量。

2 挤压技术概述

挤压加工是指经预处理(粉碎、均匀、调湿)后的物料,在机筒内同时受到热和机械作用,发生熔融变形,然后通过特定构造的模孔,形成具有一定形状和组织结构化制品的过程。挤压兼具了输送、混合、剪切、高压、加热等多种基础操作单元,具有多重优势,多种操作单元一体化完成、混合效果强烈易于品质调控、模头形状多样可自由控制产品形状和尺寸[10]。全谷物原料丰富,其可以单独或与其他成分一起挤压,然后进一步加工或直接制成成品。

螺杆挤压是常用的高效挤压技术形式。螺杆挤压中,可塑性的物料在挤压机中受螺杆推力及机筒内器具的阻滞作用,使筒内物料发生高温高压剪切并最终从桶端模具挤出,产品固形[11]。根据螺杆数量的不同,常用的螺杆挤压机可以分为单螺杆和双螺杆[12]。单螺杆挤出机在金属筒中只有一个螺杆,主要依靠螺杆和筒壁的摩擦产生推力。物料在进料段不发生变化,但在过渡段被压缩和加热。由于剪切和混合,物料发生一系列熔化、捏合和组织化变化。当物料被输送到模具时,压力突然释放,水分迅速蒸发,导致产品膨胀。单螺杆挤压机操作简易、造价低廉,但其成品及其特性的控制流畅性低、机动性和加工原料范围有限。双螺杆挤压机由2个共同旋转或反向旋转的螺杆组成[11]。与单螺杆挤压机相比,双螺杆挤压机具有混合物料更彻底、适宜高水分和高黏性物料输送并减少停滞时间、参数(时间、温度和螺杆速度等)控制灵活的优点。但存在设备及生产成本高、机械复杂的不足。此外,螺杆挤压机还可作为一个预处理过程,以消除不良风味、灭酶、预糊化和改性淀粉等[13],具有广泛的加工应用前景。

3 挤压处理对全谷物理化性质的影响

3.1 基本营养成分

在挤压过程中,全谷物淀粉、蛋白质、脂肪、维生素、膳食纤维等组成的理化性质均有不同程度的改变。首先,挤压过程中淀粉的分解会使总淀粉含量降低,而由于还原糖的释放使得碳水化合物含量增加。陈凤香等[14]发现挤压膨化后藜麦粉直链淀粉含量有所提高,其原因可能为支链淀粉被降解,支链淀粉部分侧链断裂导致较短的直链淀粉比例增加。同时,研究发现挤压后小麦麸皮粉颗粒的破损,粒径降低,颗粒表面粗糙,证明了挤压处理对淀粉颗粒的裂解作用[15]。在蛋白质和脂肪方面,张婷等[16]采用挤压膨化改性藜麦粉并分析其品质,发现膨化后藜麦粉蛋白质组分质量分数由15.09%降低至12.44%,氨基酸组成未改变,但各氨基酸含量有不同程度的下降。这可能是由于挤压膨化过程中受高温、高压、高剪切力的综合作用,蛋白质分子间氢键和二硫键等次级键部分断裂,导致蛋白质变性;同时氨基酸与原料中一些还原糖等化合物发生反应,造成氨基酸损失。类似地,挤压过程通常会导致脂肪质量分数降低。挤压燕麦和高粱的脂肪质量分数分别从8.78%、3.08%降至7.75%、0.40%[17]。其主要原因是高温高压作用下脂肪存在氧化、氢化作用,易与淀粉聚集形成复合物淀粉-脂质复合物,以及固体脂质的熔融流失。维生素A、维生素E、维生素C、硫胺素(B1)和叶酸(B9)对高温敏感,而维生素D、维生素K、B2、B6、B12、烟酸和泛酸在挤压过程中基本稳定。因此,使用温和的挤压温度(<80 ℃)可以有效地保留不耐热的维生素,并减少维生素损失[18]。总膳食纤维(TDF)含量的变化取决于全谷物的类型和挤出条件。例如,大麦的TDF质量分数在加工前为17.84%,经机筒及蒸煮挤压后分别降至13.96%～14.21%和13.86%～14.46%[19]。相反,Rashid等[20]观察到,在机筒温度130 ℃、水质量分数为26%,螺杆转速为400 r/min的加工条件下时,麦麸的不可溶性膳食纤维含量减少,可溶性膳食纤维含量增加,总膳食纤维含量显著增加。一方面,由于挤压过程的剪切机械作用,高剪切和低含水量破坏了谷物富含纤维的细胞壁,使得不可溶性膳食纤维转变为可溶性膳食纤维的,从而减少了不可溶性膳食纤维的含量。另一方面,可溶性膳食纤维的降解溶出也会导致其含量在不同原料类型及挤出条件下产生不规则变化[21]。

表1 常见全谷物的营养成分

3.2 水合特性

挤出物的水合特性反映了淀粉的溶胀能力、持水能力以及淀粉颗粒内部的相互结合能力,通常用水溶性指数(WSI)、吸水性指数(WAI)、膨胀势(SP)来表征。表2总结了在不同全谷物挤压后WAI、WSI、SP值的变化。水合特性受多种因素影响,包括原料类型、含水量、挤出温度和其他因素等。挤压小米的水合特性随着物料含水量的增加,其WAI增加、SP降低。这可能是因为较高的含水量在挤压过程中起到了一定的润滑作用,减弱了物料在机筒内的剪切作用,淀粉的糊化和降解程度降低,故WAI增加、WSI降低[22]。在挤压参数方面,申瑞玲等[7]发现挤压出料模头温度180 ℃,螺杆转速为220 r/min,导致了青稞粉较高水合能力。而Sandrin等[23]发现,在一定温度范围内,WAI随温度升高而升高,但温度进一步升高会导致WAI降低。前者可归因于青稞粉中较高的蛋白含量水分子被保留在聚集体中。后者的部分原因是可溶性蛋白质或淀粉的高温解聚变性。类似地,李云龙等[24]也观察到挤压导致的淀粉糊化和亲水基团暴露,水分子通过氢键与游离羟基结合,使得WAI、SP增大。此外,挤压糯小麦的WSI(30%～60%)高于挤压天然小麦(<20%),这可能是由于糯小麦的支链淀粉含量较高。与直链淀粉相比,支链淀粉更易溶于水,在挤出过程中更容易分解[25]。淀粉在挤压过程中被破坏,导致破碎的淀粉颗粒中具有羟基的有序分子相易于与水结合,因此,挤压全谷物面粉的持水能力通常高于其未处理原面粉。

3.3 糊化特性

挤压加工对淀粉糊化特性具有促进作用,具体表现在淀粉黏度、糊化温度、崩解值以及糊化焓的改变等方面。表2总结了在不同全谷物挤压后糊化特性值。Ramirez等[17]比较了挤压剪切作用对不同种类全谷物的影响,发现大多数谷物(如大米、藜麦)的峰值黏度在挤压后与它们的原始形态相比消失了。挤压导致淀粉颗粒分解和破碎,从而影响加热条件下的膨胀能力。挤压燕麦粉仍可显示出高峰值黏度,但其值比未处理燕麦粉低2.8倍。挤压燕麦粉峰值黏度的存在可能与挤压后未凝胶化淀粉有关。燕麦粉中的油脂成分和淀粉成分经挤压处理形成了脂质-淀粉复合物,抑制淀粉糊化,导致挤压物中存在未胶凝淀粉。此外,挤压处理还影响全谷物在初始和冷却阶段的黏度。王盼等[26]发现随挤压温度升高,挤压苦荞粉的谷值黏度、回生值降低;随螺杆转速升高,谷值黏度、衰减值稍降低,但均高于未挤压苦荞。Sandrin等[23]发现冷却后挤压混合燕麦-米粉的黏度低于未处理燕麦粉、米粉。这主要是由于分解的淀粉链在冷却后会逐渐形成部分有序结构,而该结构与天然淀粉颗粒结构差异较大。

表2 不同全谷物挤压后水合、糊化特性的变化

3.4 质构特性

挤压过程显著影响挤压全谷物食品的硬度、附着力、嚼劲、脆度和弹性[33]。在硬度方面,研究发现全荞麦面[34]和米-荞麦意面[35]的制备中高温和螺杆速度的增加会显著提高挤出物硬度。这可能是因为随着温度和螺杆速度的增加,物料和机筒之间的摩擦随之增加,进一步促进了淀粉的糊化和网络结构的形成,从而限制了淀粉的膨胀。孙周亮等[27]在双螺杆挤压膨化糙米粉中也发现了类似的硬度增加现象。同时,硬度也会随着物料含水量的增加而发生劣变。过高的水分会使得挤压产品含水量增多,物料流出模口时不成型,从而影响挤出物的品质[36]。此外,不同组分的含量也是影响硬度的关键因素。膳食纤维含量与挤出物的硬度呈正相关,而蛋白质和脂肪含量与挤出物的硬度呈负相关[37,38]。在脆度方面,Shukri等[39]发现添加交联玉米淀粉(交联度为1%)会显著降低燕麦粉混合挤出物的断裂强度,挤出物显示出较大的空隙和较高的脆度。在黏弹性方面,杨庭等[29]发现适当的挤压条件可以使糙米面团内部形成致密的网络结构,增强全麦面条强度和质构特性。

3.5 形貌特征

挤压全谷物制品的形貌特征包括微观结构以及外观颜色。图1显示了不同挤出物的显微电镜图[40-42]。挤压前的不同原料粉质表面光滑、平实、颗粒分散、规则,而挤压处理后多呈现表面粗糙、富有层次感、并且存在空穴。这可能是因为物料粉在高温、高压及剪切联合作用下形成一种凝胶状态,当突然释放至常压时,凝胶状态物料内部的水分突然汽化散失,体积迅速膨胀变大,使物料形成疏松多孔的海绵。同时,挤出物粉末表面的这种结构有利于水分吸收和渗透,也使得物料中有效成分的溶解溢出,改善有效成分的传质方式和速率。在外观颜色方面,较高的挤压温度会促进美拉德反应和色素氧化,导致小麦粉L*(亮度)降低,红色和黄色增加;而螺杆速度的增加,会减少物料在机筒中的滞留时间,减少能量接受量,从而降低了显色反应,增加了L*值[43, 44]。此外,颜色还与全谷物的组成相关。例如,玉米-荞麦混合挤出物的a*值(红色-绿色)随着荞麦比例的增加而增加[45]。在小麦-玉米混合挤出物中,随着全麦粉比例的增加,挤出物的L*值降低,a*值增加,这可能是由于麦麸中多糖含量高,促进了美拉德反应[46]。

图1 挤压全谷物制品的微观结构

4 挤压处理对全谷物功能特性的影响

4.1 减肥降糖

肥胖、糖尿病等代谢性疾病高发,全谷物在碳水化合物摄入方面至关重要。通常而言,挤压加工对全谷物减肥降糖功能特性的影响主要通过餐后血糖反应的程度,即血糖生成指数(GI)进行调控[47];其具体作用方式包括2个途径:1)挤压处理影响淀粉结构以及不同消化特性淀粉含量。Brahma等[48]发现300 r/min的螺杆速度导致挤压燕麦SDS含量增加和RDS含量降低,低含水量也导致其RS含量增加。在低湿度下,淀粉的碎裂程度增加,较短的淀粉聚合物在冷却后由于分子流动性增加而重新结合,从而抑制酶水解,有利于降低GI值。Fu等[49]用挤压荞麦替代部分大米,发现挤压荞麦-大米产物的RS质量分数从32%增加到59%,并且随着荞麦质量分数从0%增加到60%,预测GI从85减少到67。推测高直链淀粉含量促进了挤压过程中RS的形成,直链淀粉分子之间通过氢键形成淀粉网络,以抵抗酶水解并减缓消化和吸收。2)挤压处理影响全谷物中酚类、膳食纤维等组分,这些组会通过抑制α-糖苷酶和胰淀粉酶(水解淀粉的酶)进一步产生降血糖作用[50]。Gong等[51]将与全玉米粉中游离多酚和结合多酚的活性相比,发现膨化-发芽玉米挤出物中游离多酚的抗α-葡萄糖苷酶活性分别增加了221%和40%,抗α-淀粉酶活性分别增加105%和108%。De Sousa等[52]通过动物实验研究了高脂肪饮食(HFD)中挤压高粱粉(ESF)对肝脏脂肪生成的影响。结果显示挤压过程可以将高分子质量原花青素转化为具有更高生物利用度的低分子质量化合物。低分子量的原花青素与碳水化合物和蛋白质结合形成不易吸收的复合物,有助于减少饮食热量,从而降低大鼠的肝脏总质量和体重指数。霍瑞等[28]制备了燕麦-玉米挤压膨化粉,通过组分分析发现经过挤压加工处理后,原料中脂肪含量和快消化淀粉含量显著降低。冯进等[53]通过消化特性研究发现挤压膨化可以促进不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转变,降低原料粉的碳水化合物水解指数(HI)、预估血糖生成指数(EGI)、预估血糖负荷指数(EGL)指标,使挤出物达到了低血糖生成指数产品标准,延长饱腹感。此外,挤压全谷物制品也可模拟脂肪口感,作为脂肪替代品,从而减少脂肪摄入。例如,挤压小麦粉可以部分替代蛋糕中的油,或作为蛋黄酱中的脂肪替代品,降低这些产品的脂肪含量[54]。

4.2 其他功能特性

由于全谷物保留了皮层和胚,富含膳食纤维、维生素、酚类物质等营养物质和植物化学素,具有其他多种功能活性。其中,天然酚类和黄酮类化合物可以清除羟基初始自由基,并将初级氧化产物分解成非自由基产物。挤压加工可将抗氧化物质释放到全谷物基质食品中,起到增加抗氧化能力作用[55]。Cattaneo 等[56]发现挤压膨化处理后黑麦、燕麦、大麦籽粒的体外消化产物的抗氧化(ABTS 和 FRAP)活性显著上升。Julieta等[57]报道挤压增加了高粱麸中增加了总酚和肉桂酸的含量,这对其抗氧化能力和抑制生巨噬细胞产生的一氧化氮产生有积极的影响。挤压全谷物还表现出抗炎、抑制癌细胞增长的功能,挤压高粱粉主要通过酚类物质改善高脂饮食肥胖大鼠的肠道微生物群,减少炎症和氧化应激,从而减少肥胖大鼠的炎症;挤压处理后的黑小麦麸中酚类化合物促进结肠癌细胞凋亡的作用显著增强[58]。

5 总结与展望

挤压技术在全谷物制品的生产中发挥着越来越重要的作用。挤压处理可以调整全谷物制品的感官特性,包括挤出物的膨胀程度、质地和颜色;还可以改善其营养品质特性,包括调节RDS含量、降低产品的GI,以及通过降低脂肪含量可以降低热值。然而,热不稳定的维生素可能在挤压过程中被高温破坏。这主要归因于原料的种类、成分和挤压处理的挤出参数(如螺杆速度、温度和进料含水量)控制。因此,后续研究可集中在调整挤出参数以生产具有所需性质的产品。其次,优化工艺参数及挤压原料本身的性质,以生产高品质且具有高附加值的新型挤压产品。最后,还可以探索结构和功能之间的关系,研究原料和加工条件对产品风味的影响及其机理。