玉米作为世界三大粮食作物之一,2022年产量达到11.61亿t,其中我国的玉米产量占到世界玉米产量的23.8%[1]。然而,大部分玉米用于生产饲料或提炼酒精等,食用的玉米仅占总量的5%以下,这是由于玉米的成分中缺乏面筋蛋白,其主食产品存在着黏弹性低、口感粗糙、适口性差等问题[2]。此外,现阶段我国食用玉米的主要加工手段是将成熟的玉米籽粒干法脱皮脱胚后进行粉碎或将玉米脱皮脱胚脱除角质、只保留淀粉部分后磨制成较细的玉米面粉2种方法,这2种加工方式均存在生产工艺繁琐、营养流失严重的问题,对玉米主食的研发和推广产生了严重影响。研究表明通过对玉米粉进行改性,能够明显改善玉米粉的品质[3]。
在众多改性方法中,超微粉碎法、挤压膨化法和乳酸菌发酵法因操作简单、原料浪费少、改性效果好等优点而被广泛采用。超微粉碎技术是指将物料颗粒粉碎至粒径10 μm以下的粉碎技术。颗粒小的玉米粉具有更大的比表面积,更容易与水结合,从而改善了玉米粉的加工特性[4]。挤压膨化技术是将玉米粉进行挤压膨化,以获得粒度较小且具有一定预糊化度的玉米粉[5]。在挤压膨化过程中,玉米粉内部的分子结构因外力和受热等作用而发生明显变化,导致玉米粉的加工性能得到了改善。发酵法是利用微生物的生长繁殖来改善玉米粉的营养成分结构和加工特性,作用机制则更为复杂,对玉米粉的修饰也更加综合。3种改性方式均能不同程度地改善玉米粉的营养成分和加工特性[4,6-8],但对于同一种玉米粉经不同改性后,其营养成分和加工特性存在的差异尚需进行进一步系统研究。
本研究以全籽粒玉米为原料,采用超微粉碎、挤压膨化、乳酸菌发酵3种方式制备改性全谷物玉米粉,对改性全谷物玉米粉的营养成分与加工特性进行测定和对比分析,旨在清晰直观地对比出不同改性玉米粉之间的功能差异与适用场景,为后续各种产品的加工和混合粉体系的建设提供理论依据与技术支持。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
直投式乳酸菌(活力为1×1010 CFU/g),北京默飞生物科技有限公司;全籽粒玉米,市售。
1.2 仪器与设备
双螺杆挤压膨化机,上海欣茂仪器有限公司;超微粉碎机,山东鼎信超微粉碎技术有限公司;ME104E万分之一分析天平,上海梅特勒公司;ZNCL-GS190*0磁力加热搅拌器,上海凌科公司;TMS-PRO质构仪,北京盈盛恒泰科技有限责任公司;电热恒温水浴锅,常州市荣华仪器制造有限公司;CR-10Plus色差仪,杭州柯盛行仪器有限公司;TDL-5A低速大容量台式离心机,上海安亭科学仪器厂;TU-1810紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司。
1.3 实验方法
1.3.1 改性玉米粉的制备
a)全谷物玉米粉(whole-grain corn flour):清洗、筛选玉米:用清水清洗玉米3次,将浮在水面上的破损玉米丢弃;将玉米粒洗净晾干后,以破壁机初步磨碎,过200目筛,此样品简称为WGCF。
b)超微粉碎玉米粉(ultrafine grinding corn flour):将玉米粒洗净晾干后,以破壁机初步磨碎,然后利用超微粉碎机内磨30 min,过300目筛,此样品简称为UGCF。
c)挤压膨化玉米粉(extrusion corn flour):将玉米粒洗净晾干后,以破壁机初步磨碎过60目筛,将全谷物玉米粉的含水量调整至20%后投入双螺杆挤压膨化机内,机器调至螺杆转速为486 r/min,物料投速为216 r/min,温度为160 ℃,过200目筛,此样品简称为ECF。
d)乳酸菌发酵玉米粉(Lactobacillus fermentation corn flour):将玉米粒洗净晾干后破碎,放入锥形瓶后加入去离子水,料液比为1∶2(g∶mL),加入0.2%直投式乳酸菌,37 ℃发酵24 h后静置沉淀洗涤,过200目筛,此样品简称为LFCF。
1.3.2 原料营养成分测定
分别测定3种改性全谷物玉米粉的水分、蛋白质、脂肪、淀粉以及灰分含量。水分的测定采用直接干燥法,参照GB/T 22906.3—2008《纸芯的测定 第3部分:水分含量的测定(烘箱干燥法)》。脂肪的测定采用索氏提取法,参照GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》。蛋白质的测定采用凯氏定氮法,参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》。淀粉的测定采用还原糖含量测定法,参照GB/T 5009.7—2016《食品中还原糖的测定》。灰分的测定采用GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》测定。
1.3.3 溶解度及膨润力测定
参照孙步云[9]测定方法:分别称取0.5 g改性前后全谷物玉米粉以及5 mL的水,置于10 mL离心管内,称重,在25 ℃水浴锅内平衡5 min后加热至95 ℃保持30 min,放入冰水中静置1 min。在25 ℃下平衡5 min后离心(3 000 r/min,10 min),将上清液转入称量瓶中,置于烘箱中干燥,分别称取干燥好的称量瓶及离心管的质量。溶解度和膨润力的计算如公式(1)和公式(2)所示:
溶解度
(1)
膨润力
(2)
1.3.4 持水力(water holding capacity,WHC)和持油力(oil holding capacity,OHC)测定
参照任晓婵等[10]测定方法:分别精确称取改性前后玉米粉各2 g,记作m3,加10 mL蒸馏水混匀,4 000 r/min离心15 min,收集上清液,记录质量记作m1。参考韦璐[11]方法如下,分别精确称取改性前后玉米粉各2 g,记作m3,加入20 mL大豆油,沸水浴加热并搅拌20 min;取出离心管冷却至室温,10 000 r/min离心30 min,收集上清液,记录质量记作m2。持水力和持油力的计算如公式(3)和公式(4)所示:
(3)
(4)
1.3.5 凝胶能力测定
参考秦洋[12]方法如下,分别精确称取改性前后玉米粉各2 g,记作m1记录容器质量m0,加10 mL蒸馏水混匀,电磁炉上煮沸10 min,倒掉上清液,记录倒掉上清液之后的总质量m。凝胶能力的计算如公式(5)所示:
凝胶能力
(5)
1.3.6 质构特性测定
采用课题组已发表方法[7],实验步骤如下:分别将改性前后的全谷物玉米粉与水1∶1(料液比,g∶mL)混合后制成1 cm3面团,置于质构仪上进行测试。采用100 N,选用直径75 mm圆盘挤压探头,测试前速度为0.25 mm/s,测试速度为0.48 mm/s,测定后速度1 mm/s,2次下压停留间隔时间为1 s,形变50%。
1.3.7 流变学特性测定
采用课题组已发表方法[7],实验步骤如下:分别选取大小适宜的玉米粉面团,将结构完整的面团置于平板上。采用PU20平行板,夹板间距为1 mm,温度25 ℃,记录频率为0.1～10 Hz时面团的弹性模量和黏性模量的变化。
1.3.8 色泽测定
用色差仪分别测定3种不同的全谷物玉米粉的红值、黄值、绿值,并比较分析。
1.3.9 快消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)含量测定
参考CHEN等[13]方法:称取200 mg样品置于离心管中,加入15 mL醋酸钠缓冲液(0.2 mol/L,pH 5.2)和磁力搅拌子使其分散均匀,之后将混合液于95 ℃下糊化30 min,冷却至37 ℃后加入5 mL酶溶液(α-淀粉酶120 U/mL和糖化酶80 U/mL混合),将样品于37 ℃,300 r/min条件下水解。分别于20 min和120 min取出0.5 mL水解液,加入4倍体积无水乙醇灭酶,随后将水解液以5 000 r/min离心15 min,使用3,5-二硝基水杨酸法测定上清液中的葡萄糖含量。淀粉的消化特性通过快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)来表征。其计算如公式(6)～公式(8)所示:
(6)
(7)
(8)
[:FG为水解0 min时葡萄糖的含量,G20为水解20 min时葡萄糖的含量,G120为水解120 min时葡萄糖的含量,TS为总淀粉含量。
1.4 数据统计
结果采用3次重复试验的平均值±标准差表示,利用SPSS 26.0软件进行数据处理,并通过Duncan法检验差异显著性,P<0.05为显著性差异;采用Origin 2019作图。
2 结果与分析
2.1 不同改性方式对全谷物玉米粉营养成分的影响
不同改性玉米粉营养成分如表1所示。
表1 营养成分 单位:%
Table 1 Nutritional components
样品水分脂肪(干基)蛋白质(干基)淀粉(干基)灰分(干基)WGCF9.80±0.04a3.64±0.05b5.90±0.06c76.41±0.03c1.31±0.03bUGCF9.79±0.05a3.57±0.05b5.89±0.04c77.43±0.02b1.23±0.04bECF9.06±0.02b1.58±0.03a5.71±0.07b73.50±0.04d1.13±0.05bLFCF10.01±0.29a3.53±0.08b4.62±0.03a83.62±0.10a0.49±0.08a
注:表中不同小写字母表示显著性差异(P<0.05)(下同)。
由表1可知,与全谷物玉米粉相比,在超微粉碎粉中,除了淀粉含量显著升高外,其余成分含量均无显著变化。这是因为在超微粉碎玉米粉中,由于加工过程中的高剪切力,部分破坏了包裹在淀粉外的蛋白质结构,使淀粉暴露了出来。
挤压膨化粉中的脂肪、蛋白质、灰分、淀粉含量均显著下降。挤压膨化过程中将会产生高温和高剪切力,其中,高温使脂肪降解,从而造成脂肪含量的下降;同时蛋白质分子在高温环境下发生热变性,次级键部分断裂而使得蛋白质含量的降低;部分淀粉也会因高温高剪切的作用被预糊化为诸如寡糖等的小分子物质,从而导致淀粉含量的降低[13]。
同时可以看出,乳酸菌发酵粉的蛋白质、灰分含量显著下降;而淀粉含量则显著升高。这是由于微生物生长时消耗了全谷物玉米粉中的蛋白,同时由于破坏了包裹淀粉分子的蛋白质分子,使得淀粉分子暴露了出来,因此,乳酸菌发酵粉的粉体更接近于淀粉[14]。
3种改性粉中,乳酸菌发酵粉由于灰分含量较低、淀粉含量较高而更接近淀粉,这种改性方法使得全谷物玉米粉更加绵软,利于面制品食品的加工;超微粉碎粉的改性方法没有改变淀粉性质并最大程度保留了蛋白质含量,最大程度地保留了全谷物玉米粉原本的营养成分,增加食品的营养功能;而挤压膨化在改性中产生了高热高压使得营养成分的损失较大。
2.2 不同改性方式对全谷物玉米粉溶解度膨润力的影响
溶解度与膨润力是反映无定形区和结晶域淀粉链的相互作用的量值。溶解度越高,淀粉越容易溶解于水介质中,冲调性更显著;膨润力则与淀粉遇水形成凝胶的能力有关。
由图1-a可知,超微粉碎粉与挤压膨化粉的溶解度较全谷物玉米粉均有不同程度升高,其中挤压膨化粉的溶解度显著升高,是全谷物玉米粉粉的3.28倍;乳酸菌发酵粉的溶解度较全谷物玉米粉相比呈下降趋势,下降了11.77%。超微粉碎粉在粉碎过程中破坏了淀粉的晶体结构,使淀粉晶体中亲水基团暴露,促进了水分子和淀粉分子的结合,粒径的减小使得溶解度上升[15];挤压膨化粉的溶解度显著上升是由于挤压膨化粉通过高剪切力和高温后,其结构因预糊化而更为松散,在加热的条件下能使本身高溶解度的特性更加明显,从而使溶解度显著增加[16]。由于发酵将使全谷物玉米粉破碎粒增多,结合的水分更易通过离心被去除[17],使得发酵粉的溶解度下降。
a-不同改性玉米粉溶解度变化;b-不同改性玉米粉膨润力变化
图1 不同改性玉米粉溶解度与膨润力变化
Fig.1 Changes of solubility and swelling power of different modified corn flour
注:不同小写字母表示显著性差异(P<0.05)(下同)。
如图1-b所示,超微粉碎粉与乳酸菌发酵粉的膨润力较全谷物玉米粉有显著提升,其中发酵粉较全谷物玉米粉提升70.97%;挤压膨化粉较全谷物玉米粉膨润力呈下降趋势,为全谷物玉米粉的88.99%。超微粉碎粉由于破损淀粉含量的升高,在与水溶液接触时淀粉更易吸水膨胀,粒径的减小也使其与水接触的表面积增大,使膨润力上升[15]。挤压膨化粉由于预糊化作用,使淀粉分子失去原有的取向排列,而变为混乱状态的非结晶性的淀粉,从而导致膨润力降低[18]。发酵粉虽然由于微生物水解作用的影响,其淀粉部分水解为葡萄糖等可溶性物质,但是水解作用同样使淀粉内部的亲水基团暴露出来,使膨润力上升[17]。
由此可知,挤压膨化粉的冲调性能更优,适合在冲调类产品中添加;乳酸菌发酵粉的膨胀效果更佳,适合在醒发类食品中添加。
2.3 不同改性方式对全谷物玉米粉持水力与持油力的影响
持水力是粉体通过物理方式截留大量的水分的同时阻止水渗出的能力,用于表征糊化过程中可利用水的量[19]。持水力越高,越适合在糊状食品中添加,相反则更适合糕状食品。持油能力主要受蛋白质结构影响,其次受添加剂成分、加工条件和外界温度影响。
由图2-a可知,挤压膨化对全谷物玉米粉的持水力改善最为显著,为5.16 g/g,超微粉碎其次,为3.82 g/g,乳酸菌发酵改性使全谷物玉米粉的持水力下降,为1.81 g/g。超微粉碎粉由于粒径的减小使得暴露出的亲水基团数量增多,表面积增大,有更多与水接触的面积,使其持水量上升[20]。挤压膨化粉由于受到高压高温高剪切力的影响导致淀粉颗粒解体,与蛋白质结合紧密的淀粉颗粒受到破坏从而使全谷物玉米粉的持水力有所增加[21-22]。全谷物玉米粉经乳酸菌发酵的作用后部分支链淀粉被水解使得直链淀粉的平均分子质量升高,在水溶液中易回生,导致了发酵粉的持水力降低[23]。由此得出挤压膨化粉更适合在糊状食品中添加,发酵粉则更适合应用于糕状食品中。
a-不同改性玉米粉持水力变化;b-不同改性玉米粉持油力变化
图2 不同改性玉米粉持水力、持油力变化
Fig.2 Changes of water holding capacity and oil holding capacity of different modified corn flour
由图2-b可知,挤压膨化粉持油力显著提高,为1.22 g/g;超微粉碎粉和发酵粉差别不大,分别为0.79 g/g和0.75 g/g。挤压膨化粉的蛋白质由于受热变性,导致蛋白的非极性端增多,持油力增强。超微粉碎粉与发酵粉的持油力随蛋白质含量多少而呈现。
2.4 不同改性方式对全谷物玉米粉凝胶能力测定的影响
凝胶能力与淀粉的膨胀能力有关,凝胶能力越强,全谷物玉米粉更容易形成面团,更有利于食品加工过程中体积的膨胀[23]。
由图3可知,3种改性方式均能显著提升全谷物玉米粉的凝胶能力,其中挤压膨化改性后凝胶能力显著提升。凝胶能力可能与3种改性粉之间的直链淀粉含量和支链淀粉的平均链长有关[24]。淀粉中一部分支链淀粉由高剪切力和水解作用转化为直链淀粉,使得由直链淀粉组成的三维网状结构的交联点数量和强度有所增加。部分支链分子由于链长变小,进入到直链淀粉分子的三维网状结构中,使凝胶强度增大,进而提升了凝胶力[25]。挤压膨化粉可以显著改善面团的形成过程和面团体积的膨胀。
图3 不同改性玉米粉凝胶能力变化
Fig.3 Gel capacity changes of different modified corn flour
2.5 不同改性方式对全谷物玉米粉质构测定的影响
TPA实验通过模拟口腔咬断、咀嚼和吞咽食物的过程来得到表现食品物理性质的指标,侧面反映了食物的感官感受。在质构特性与适口性相关性分析中,硬度、咀嚼性与弹性感官呈显著正相关,与软硬度呈显著负相关[26]。不同改性方式玉米粉制成面团的质构特性如表2所示。
表2 质构特性分析
Table 2 Texture profile analysis
样品 硬度/N内聚性弹性/mm胶黏性/(N·mm)咀嚼性WGCF1.60±0.11b0.20±0.02b0.82±0.05c0.30±0.04b0.24±0.05dUGCF1.74±0.14b0.23±0.02b1.04±0.08b0.39±0.01b0.41±0.04bECF2.16±0.22a0.47±0.01a2.62±0.06a1.03±0.11a2.68±0.26aLFCF1.51±0.13c0.23±0.01b1.10±0.05b0.34±0.03b0.37±0.05c
由表2可知,3种改性方式处理后的玉米粉均改善了全谷物玉米粉弹性和胶黏性较差的缺陷,其中,挤压膨化粉的硬度、弹性、胶黏性均显著上升,因此,挤压膨化粉更适合制作弹性需求更强的食品。而乳酸菌发酵粉的硬度、咀嚼性与另外2种改性粉相比更小,软硬度更低,更适合在口感绵软的食品中添加。
2.6 不同改性方式对全谷物玉米粉流变特性的影响
在食品加工中,淀粉的流变学特性改变会使产品的特性随之改变,因此分析全谷物玉米粉流变特性为实际生产提供了一定理论依据。其中弹性模量(G′)表示淀粉产生弹性形变的难易度,黏性模量(G″)表示初始流动所需的能量,耗损角(tanδ)为G″与G′的比值,通常与面筋蛋白的弱化程度呈正相关[27]。
由图4-a和图4-b可以看出,全谷物玉米粉以及3种改性玉米粉所制面团的G′均远高于G″,表现出典型的类固体行为和良好的弹性形变特性,且G′与G″均随着扫描频率增加而升高。其中,乳酸菌发酵玉米粉所制面团的G′和G″显著高于超微粉碎玉米粉和挤压膨化玉米粉所制的面团,这是由于乳酸菌发酵后的羟基增加,更易与淀粉和蛋白结构结合形成氢键,使面团的G′和G″提高[28]。
a-弹性模量;b-黏性模量;c-tanδ
图4 不同改性玉米粉面团流变学变化
Fig.4 Rheological changes of different modified corn flour
由图4-c可以看出,全谷物玉米粉以及3种改性玉米粉所制面团的tanδ随着频率的增加呈现先减小后增大的趋势,其中挤压膨化玉米粉所制面团的tanδ于10 Hz时达到了0.29,显著高于超微粉碎玉米粉(0.18)和乳酸菌发酵玉米粉所制面团(0.20)的tanδ值。当tanδ值越高时,面筋的弱化度越强,故挤压膨化玉米粉所制面团的面筋强度要低于超微粉碎玉米粉和乳酸菌发酵玉米粉所制面团。结果表明超微粉碎玉米粉和乳酸菌发酵玉米粉更适合添加于面筋结构需求较强的面制品中,挤压膨化玉米粉由于松散的结构更适合添加在糊状食品中。
2.7 不同改性方式对全谷物玉米粉色泽测定的影响
L*值表示黑白(亮)度,值越大则越白;a*值表示红绿值,值越大则越红;b*值表示黄蓝值,值越大则越黄。不同改性方式玉米粉色泽测定如表3所示。
表3 色泽测定
Table 3 Color determination
样品L∗a∗b∗WGCF83.64±0.20b1.29±0.21b19.43±0.34aUGCF85.90±0.14a1.03±0.15c18.05±0.17bECF73.80±0.16c3.55±0.08a17.50±0.11cLFCF86.18±0.13a1.03±0.17c15.49±0.21d
相较于全谷物玉米粉,超微粉碎粉的L*值略有升高,a*与b*值略有下降,这是因为随着粒径的减小,被蛋白包裹的淀粉暴露出来,使得粉体更白。挤压膨化的L*下降最为显著,较全谷物玉米粉下降了9.26%,a*最高,较全谷物玉米粉增长了62.10%,使得挤压膨化粉的色泽与小麦粉差别明显,这是因为挤压膨化粉在高温高压作用下,淀粉降解产生的小分子还原糖与蛋白质降解产生的游离氨基酸发生美拉德反应的缘故[17]。相反发酵粉由于发酵过程中胡萝卜素和叶黄素等有色物质被分解,淀粉暴露的程度更高,导致颜色偏白,b*值较全谷物玉米粉下降38.34%,使得发酵粉的色泽更为洁白,对食品颜色的影响更小[29]。
L*越大、a*值和b*值越小,面粉的整体色泽越白,越接近小麦粉颜色,在制作面制品时的色泽更容易被接受。从中可以得知,发酵粉可以显著改善玉米食品的色泽,使之更易被消费者接受。
2.8 不同改性方式对全谷物玉米粉RDS、SDS和RS含量测定的影响
不同的改性方式会对全谷物玉米粉淀粉的消化特性产生影响,根据在人体中代谢的速度将淀粉分为快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。
不同改性方式对全谷物玉米粉RDS、SDS、RS的影响如图5所示,与全谷物玉米粉相比,超微粉碎使RDS含量上升25.16%,SDS含量上升17.74%,RS含量下降19.70%;挤压膨化使RDS含量上升43.62%,SDS含量下降50.64%,RS含量下降29.18%;乳酸菌发酵使RDS含量上升50.98%,SDS含量上升43.66%,RS含量下降42.22%。超微粉碎由于粒径更小,与另外2种改性方式相比RS含量显著上升,改善了改性玉米粉的抗消化能力[30]。挤压膨化显著提升了RDS含量,降低了SDS含量,这是由于预糊化作用使挤压膨化粉作为食物更容易被消化[31]。
图5 不同改性粉RDS、SDS和RS含量变化对比
Fig.5 Comparison of RDS,SDS,and RS contents in different modified flour
3 结论
本文对超微粉碎、挤压膨化和乳酸菌发酵3种不同改性方式制得的全谷物玉米粉进行了对比研究,发现3种改性粉的营养特性与加工特性均有显著改善,改善的指标各不相同。其中超微粉碎对全谷物玉米粉的蛋白质含量、抗消化特性的改善更为显著;挤压膨化对全谷物玉米粉的持水力、持油力、凝胶能力、溶解度、弹性、胶黏性改善更为显著;乳酸菌发酵对全谷物玉米粉的淀粉含量、灰分含量、膨润力、粉体色泽改善更为显著。综上可知,超微粉碎粉适合在保留玉米原本营养、有慢消化需求的食品中添加,挤压膨化粉适合在冲调类、糊状、更有嚼劲的食品中添加,乳酸菌发酵粉适合在口感绵软的面制品、糕状食品中添加。3种改性方法得到的玉米改性粉具有不同的营养特性和加工特性,为不同玉米食品的开发提供了理论依据和技术支持。
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