紫甘薯营养价值高,除富含淀粉、蛋白质、维生素、氨基酸和矿物质等多种营养成分外,还富含纤维素,有助于加快消化道蠕动和预防癌症的发生；此外,其富含的花青素类色素和硒元素具有抗癌、抗氧化性、抗衰老、抗突变和降血压等生物学功效[1]。紫甘薯全粉作为紫甘薯精加工后的产物,不仅保留了紫甘薯除皮之外的所有营养物质及其色泽和风味,且具有良好的加工特性,是一种应用广泛的食品原辅料[2]。

米粉作为主食,在我国的南方消费者中占有重要的地位[3]。随着我国经济的发展,人民的饮食也开始向营养健康的方向转变。甘薯主食化既有利于甘薯营养的充分有效利用,也有利于居民膳食结构由解决温饱向营养健康的方向转变,同时还开辟了保障国家粮食安全的新途径。在大米粉中添加紫甘薯全粉能够在一定程度上解决米粉营养结构单一的问题,对改善居民的膳食结构具有重要的意义。

然而,将紫甘薯全粉添加到大米粉中,得到的紫甘薯米粉存在易糊汤、韧性差和表面不够光滑等问题,导致其加工品质和食用品质相对较差。XIE等[3]研究发现,魔芋胶可以防止米粉的老化,且能延长米粉的货架期；卫萍等[4]研究发现,魔芋胶可以提高马铃薯米粉的硬度和拉伸性能、降低蒸煮损失率；SRIKAEO 等[5]研究发现,瓜尔豆胶可以改善天然发酵米粉的质地和蒸煮品质;陈洁等[6]研究发现,磷酸盐不仅可以降低米粉的蒸煮损失率,还可以增强米粉筋力和弹性。

本研究以紫甘薯全粉和大米粉为原料,利用双螺杆挤压工艺加工紫甘薯米粉,考察不同工艺参数对其品质的影响；同时选取了魔芋胶、瓜尔豆胶和Na2HPO4 这3种食品改良剂对其品质进行改良,以期解决紫甘薯米粉易糊汤、韧性差和表面不光滑的问题。并分别利用二次回归正交旋转组合和响应曲面设计对其加工工艺参数进行优化,以期为紫甘薯米粉的工业化生产提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

紫甘薯全粉,河南天豫薯业股份有限公司；瑞田精制水磨粘米粉,河南黄国粮业股份有限公司。

1.2 仪器与设备

DS32双螺杆挤压机,济南赛信机械有限公司；B5A变频调速搅拌机,广州威尔宝酒店设备有限公司；DHG—9245A鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司；TA-XT plus质构仪,英国Stable Micro System公司；FA3204B电子天平,北京科瑞科学器材有限责任公司；XY-100MS全自动智能水分测定仪,常熟市幸运电子设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 紫甘薯米粉的制作

称取一定质量的紫甘薯-大米混合粉,加入一定比例的食品改良剂在搅拌机中搅拌混匀,加入定量的水并以一定的转速搅拌20 min,将调好水分的混合粉放入自封袋平衡水分12 h,在双螺杆挤压机内进行糊化、挤压成型制得紫甘薯米粉。

1.3.2 紫甘薯米粉工艺优化及品质改良

1.3.2.1 紫甘薯米粉双螺杆挤压制备工艺优化

设定双螺杆挤压机Ⅰ区温度为40 ℃,Ⅱ区温度为70 ℃,分别改变紫甘薯全粉的添加量、螺杆转速III区温度和物料含水量(物料自身水分和加水量之和),以考察对紫甘薯米粉品质的影响,具体方案如下：固定紫甘薯全粉的添加量(质量分数，下同)为35%,螺杆转速170 r/min,物料含水量40%,分别设定Ⅲ区温度为80、85、90、95和100 ℃；固定Ⅲ区温度为95 ℃,紫甘薯全粉的添加量35%,物料含水量40%,分别设定螺杆转速为110、130、150、170和190 r/min；固定Ⅲ区温度为95 ℃,螺杆转速170 r/min,物料含水量40%,分别设定紫甘薯全粉的添加量为25%、30%、35%、40%和45%；固定Ⅲ区温度为95 ℃,螺杆转速170 r/min,紫甘薯全粉的添加量35%,分别设定物料含水量为32%、34%、36%、38%和40%。

选取Ⅲ区温度、螺杆转速、紫甘薯全粉添加量和物料含水量为自变量,以蒸煮损失率和感官评分为评价指标进行二次回归正交旋转组合试验,对紫甘薯米粉双螺杆挤压制备工艺进行优化。

1.3.2.2 紫甘薯米粉品质改良

采用1.3.2.1中优化的双螺杆挤压工艺,选定魔芋胶、瓜尔豆胶和Na2HPO4为改良剂,对紫甘薯米粉品质进行改良,具体方案如下：固定瓜尔豆胶的添加量为0.4%,Na2HPO4的添加量0.4%,设定魔芋胶的添加量为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%；固定魔芋胶添加量为0.3%,Na2HPO4添加量0.4%,设定瓜尔豆胶添加量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%；固定设定魔芋胶添加量为0.3%,瓜尔豆胶的添加量0.4%,设定Na2HPO4添加量为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。

选定魔芋胶添加量、瓜尔豆胶添加量和Na2HPO4添加量为主要变量,以感官评分和蒸煮损失率为响应值,利用Box-Behnken进行响应面优化,得到紫甘薯米粉品质改良的最优方案。

1.3.3 紫甘薯米粉品质评价方法

蒸煮损失率参照陈志瑜等[7]的方法进行测定；感官评价方法参照高晓旭等[8]的方法进行分析；总淀粉含量按酸水解法测定；抗性淀粉含量的测定参考马雨洁等[9]的方法并加以改进；血糖生成指数(glycemic index,GI)的测定参考文献[10-11]的方法略做修改;质构特性采用孟亚萍[12]的方法进行分析。

1.4 数据处理

实验数据采用 Excel 2016、SPSS 16.0 以及 Design-Expert V.8.0.6 软件进行处理并分析。

2 结果与分析

2.1 工艺参数变化对紫甘薯米粉品质的影响

双螺杆挤压机螺杆转速、紫甘薯全粉添加比例、III区温度及物料含水量对紫甘薯米粉品质影响结果如表1所示。在Ⅲ区温度从80 ℃上升到95 ℃,蒸煮损失率逐渐下降,感官评分、硬度和咀嚼性逐渐增加；而当Ⅲ区温度从95 ℃上升到100 ℃时,蒸煮损失率反而上升,感官评分、硬度和咀嚼性下降；在95 ℃时,蒸煮损失率最小,感官评分、硬度和咀嚼性则达到最高值。双螺杆挤压机挤压产品在揉和区螺杆的剪切、搅拌和混合作用下,部分淀粉会发生糊化。随着Ⅲ区温度的进一步升高,紫甘薯米粉发生膨化,在一定程度上破坏了淀粉颗粒的内部结构,使淀粉分子更易溶于水中,紫甘薯米粉的凝胶特性也开始减弱[12]。在Ⅲ区温度增加和熟化区压力的共同作用下,原料中的淀粉进一步糊化,蛋白质变性程度增大,整个物料形成了熔融的非晶体化质地,进而使产品的最终品质发生变化。

随着螺杆转速增加,紫甘薯米粉的蒸煮损失率先下降后上升,而感官评分、硬度和咀嚼性先上升后下降,在螺杆转速为170 r/min时,蒸煮损失率最低,感官评分最高,咀嚼性达到最大。这可能是由于随着螺杆转速的增加,原料在挤压机内部摩擦力增强,受到的剪切作用力也会增大,产品中淀粉的糊化程度越高,挤压出的紫甘薯米粉内部越易形成网络结构。但当螺杆转速过高时,紫甘薯米粉受到的摩擦力和剪切作用过大,反而会使其内部网络结构遭到破坏[13],并且原料在机筒内停留时间过短导致原料无法完全糊化,最终使其凝胶品质变差[14]。

随着紫甘薯全粉添加量的增加,紫甘薯米粉的蒸煮损失率不断升高,硬度、弹性和咀嚼性则逐渐下降,而感官评分先上升后下降,在添加量为35%时达到最高值。米粉的硬度和咀嚼性与直链淀粉的含量有关,直链淀粉含量越高,淀粉分子间的交联程度就越高,硬度和咀嚼性就越大[15]。紫甘薯全粉添加量的增加使物料中的总淀粉含量和直链淀粉相对含量下降,直链淀粉含量的降低会减弱分子间的交联程度[16],导致紫甘薯米粉的网络结构不够致密,部分物质在蒸煮过程中脱落到面汤中,因此蒸煮损失率逐渐上升,硬度和咀嚼性逐渐下降。

紫甘薯米粉的蒸煮损失率随着物料含水量的增加先下降后上升,在物料含水量为38%时蒸煮损失率最小；而感官评分则先升高后下降,在物料含水量为38%时达到最高。硬度和咀嚼性呈先上升后下降的趋势,在物料含水量为36%时达到最大。当物料含水量较低时,在挤压过程中紫甘薯米粉不能完全、均匀的糊化,煮后易糊汤；随着物料含水量的增加,糊化更加充分,内部结构更加致密,从而使得表面更加光滑且更有嚼劲；但当物料含水量过高时,反而会减少螺杆与原料、原料与原料、原料与筒壁之间的摩擦,产生的热量也随之减少,导致紫甘薯米粉的糊化度降低,内部结构也不够致密[17],因此蒸煮损失率反而上升。

2.2 紫甘薯米粉生产工艺优化

选取Ⅲ区温度、螺杆转速、紫甘薯全粉添加量和物料含水量为自变量,以蒸煮损失率和感官评分为响应值,采用二次回归旋转正交试验来优化紫甘薯米粉生产工艺。

由于感官评分和蒸煮损失率的变化趋势不一致,为了更好地综合评价面条品质,利用线性功效系数法将感官评分和蒸煮损失率指标函数统一量纲,对蒸煮损失率和感官评分的分配权重系数为0.3和0.7,实验设计方案及结果见表2。

蒸煮损失率

感官评分

以综合评分为响应值,并对回归系数进行显著性检验,剔除掉在α= 0.01水平上的不显著项,得到优化后的方程为：

Y=0.890 03+0.058 17X1-0.044 57X2-0.057 96X3+0.089 84X4-0.195 63X1X2+0.027 95X1X3+0.016 41X1X4+0.066 93X2X3。

由表3可知,F2=50.832 22>F1 =2.104 61,在α=0.01水平上F2极显著,失拟项F1不显著,这表明模型预测值与实验数据是吻合的。优化后的工艺参数为：Ⅲ区温度为95 ℃,螺杆转速170 r/min,紫甘薯全粉添加量35%,物料含水量38%。验证试验结果表明,最优工艺制备的紫甘薯米粉的蒸煮损失率为17.56%,感官评分为84.5,说明在该工艺条件下生产的紫甘薯米粉的品质较好。

2.3 食品改良剂对紫甘薯米粉品质改良优化研究

由上述双螺杆挤压工艺制备的紫甘薯米粉,尽管其营养价值更加均衡,品质较好,但和传统的米粉相比，在蒸煮品质、口感和韧性等方面仍有一定的差距,为进一步提高其加工和食用品质,本研究通过添加适量的食品改良剂,使其更加适应消费者的要求。

2.3.1 改良剂对紫甘薯米粉品质的影响

魔芋胶、瓜尔豆胶和Na2HPO4等改良剂的添加量对紫甘薯米粉的品质改良效果如表4所示。紫甘薯米粉的蒸煮损失率随着魔芋胶添加量的增加先下降而后上升,在添加量为0.3%时最低；感官评分、硬度和咀嚼性则先上升后下降,均在添加量为0.3%时最高。魔芋胶含大量魔芋葡甘聚糖,具较强水和能力、良好凝胶性和成膜性[18]。添加魔芋胶后其胶凝性得到改善,同时魔芋胶良好的成膜性减少了紫甘薯米粉中裸露淀粉向面汤中的溶入量,蒸煮损失率在魔芋胶添加量为0.1%～0.3%时逐渐下降,而硬度和咀嚼性则呈上升趋势。但由于魔芋胶是一种假塑性流体,当魔芋胶添加过量时,会降低紫甘薯米粉的吸水能力,从而影响其内部结构[4],因此随着魔芋胶添加量的进一步增加,蒸煮损失率反而上升,硬度和咀嚼性下降。

随着瓜尔豆胶添加量的增加,紫甘薯米粉的蒸煮损失率先下降后上升,在添加量为0.4%时最低；感官评分、硬度和咀嚼性则先升高后降低,感官评分在添加量为0.4%时最高,硬度和咀嚼性在添加量为0.6%时最大。这可能是因为瓜尔豆胶具有良好的成膜性,且溶解后体积庞大,能够限制淀粉颗粒的自由移动,防止蒸煮中营养成分流失[19]；同时,瓜尔豆胶具有很高的吸水性和持水能力,在挤压加工过程中,瓜尔豆胶能够在水中均匀分布直至完全溶解,与水分子结合能够使紫甘薯米粉糊化更加完全,所以其硬度和咀嚼性不断上升[20]。但同时,瓜尔豆胶又是一种假塑性流体,当添加过量时会阻碍水分和淀粉的结合,导致紫甘薯米粉的糊化度降低,故其蒸煮损失率随着瓜尔豆胶添加量的进一步增加反而上升,硬度和咀嚼性呈下降趋势。

随着Na2HPO4添加量的增加,紫甘薯米粉的蒸煮损失率先下降后上升,在添加量为0.8%时蒸煮损失率最低；感官评分先上升后下降,在添加量为0.8%时感官评分达到最高；硬度和咀嚼性则一直呈上升趋势。原因可能是淀粉能和磷酸盐发生酯化反应及架桥结合形成复合体,增强与蛋白质间的结合力,使其溶出减少,蒸煮损失率降低[21]；磷酸盐还可以使淀粉与蛋白质间的结合力增强[22],减少溶出物。此外,金属离子能和磷酸盐形成复合盐,产生架桥作用从而延长支链淀粉的碳链,使淀粉分子间的交联作用增强从而提高其嚼劲[9]。在添加量>0.8%后,蒸煮损失率上升,这可能是因为当Na2HPO4添加过量时,会阻碍水分进入紫甘薯米粉中,使其网络凝胶结构不紧密[23],导致蒸煮损失率上升。

2.3.2 改良剂复配优化研究

利用Box-Behnken响应面优化方法设计响应面实验方案,实验结果见表5。同样以分配权重系数为 0.3和0.7对蒸煮损失率和感官评分进行加权分配,最终得出3种食品改良剂的最优配比为：魔芋胶添加量0.30%,瓜尔豆胶的添加量0.45%和Na2HPO4的添加量0.81%。验证试验结果表明,改良剂最优配比下制备的紫甘薯米粉的蒸煮损失率为10.35%,感官评分为90.3,品质优良。

2.4 紫甘薯米粉消化特性

2.4.1 紫甘薯米粉的抗性淀粉含量和GI值

抗性淀粉是一种对人体健康有益的功能性膳食纤维,它不能被人体消化吸收,但它可以在人体中被发酵产生短链脂肪酸,平衡肠道的菌群结构[24]；抗性淀粉还可以增加人的饱腹感,从而达到减肥的效果[25]。GI反映食物中碳水化合物转变为葡萄糖的速度和能力[26],能够确切地反映食物摄入一段时间后人体血糖的波动状态。由表6可知,紫甘薯米粉的抗性淀粉含量高于捞米粉,说明长期食用紫甘薯米粉对调节血糖、预防结肠癌有重要作用[26]。依据GI值对紫甘薯米粉和捞米粉进行划分,紫甘薯米粉和捞米粉均属于中等GI值食品。

2.4.2 紫甘薯米粉和捞米粉的消化特性

图1为紫甘薯米粉、捞米粉(以白面包为参照)的总淀粉消化率。紫甘薯米粉、捞米粉的总淀粉消化率在前30 min内增长较快,之后则呈现出缓慢增长的趋势；而参照物白面包的总淀粉消化率在前60 min内增长较快,之后增长比较缓慢。在整个体外模拟淀粉消化的3 h内,紫甘薯米粉的总淀粉消化率高于捞米粉,原因可能是紫甘薯米粉是在双螺杆挤压机经高温糊化而成的,高温会使淀粉颗粒在糊化的过程中晶体结构受到破坏,这使得紫甘薯米粉对消化酶的敏感性增加,更容易被水解成葡萄糖[27]。

3 结论

以蒸煮损失率和感官评分为响应值,采用二次回归旋转正交优化紫甘薯米粉的加工工艺条件,得到紫甘薯米粉生产的工艺参数：Ⅲ区温度95 ℃,螺杆转速170 r/min,紫甘薯全粉添加量35%,物料含水量38%。该工艺制备的紫甘薯米粉的蒸煮损失率为17.56%,感官评分为84.5。响应面优化试验结果表明,对感官评分和蒸煮损失率利用线性功效系数法进行分析并加权处理得到3种添加剂的最适添加量为魔芋胶0.30%,瓜尔豆胶0.45%和Na2HPO4的0.80%。在此条件下生产出来的紫甘薯米粉的蒸煮损失率为10.35%,感官评分为90.3。紫甘薯米粉的抗淀粉含量、GI值和总淀粉消化率均高于捞米粉。

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Quality improvement and digestibility analysis of purple sweet potato rice noodles prepared by twin-screw extrusion

FAN Huiping1,2,GAO Kai1,AI Zhilu1,2*,SI Yilei1,HOU Bingjie1,ZHANG BoBo1

1(College of Food Science and Technology,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China) 2(Key Laboratory of Staple Grain Processing,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Zhengzhou 450002,China)

ABSTRACT In order to develop a processing technology for purple sweet potato rice noodle, sensory score and cooking loss rate were used as evaluation indexes in this study. The effects of zone III temperature, screw speed, purple sweet potato powder addition and moisture content on the quality of purple sweet potato rice noodle were investigated, the effects of konjac gum, guar gum and disodium phosphate on the quality of purple sweet potato rice noodle were also explored to enhance the quality of purple sweet potato rice noodles. The optimum technological parameters of twin-screw extrusion were as follows: the temperature of zone III was 95 ℃ at the screw speed of 170 r/min, the content of purple sweet potato flour was 35% and the moisture content was 38%. The results of response surface methodology optimization showed that the optimum addition amounts of konjac gum, guar gum and disodium phosphate gum were 0.30%, 0.45% and 0.80%, respectively. The anti-starch content, GI value and total starch digestibility rate of purple sweet potato rice noodles were higher than that of rice noodles. Both purple sweet potato rice noodles and rice noodles are belonging to medium GI food.

Key words konjac gum; guar gum; twin-screw extrusion; purple sweet potato rice noodle; digestive characteristic

第一作者：博士，副教授(艾志录教授为通讯作者，E-mail:zhilafood@sina.com)

基金项目：科技部“十三五”国家重点研发计划重点专项项目( 2016YFD0401303)；河南省高等学校重点科研项目(18B550004)； 河南省薯类产品加工工艺与设备研发创新型科技团队(豫科人组[2017]6 号)。

收稿日期：2020-08-21,改回日期：2020-11-11

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.025445

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