双螺旋挤压膨化技术(翻译)(共15页)

1、操作工艺条件对挤压膨化(pn hu)燕麦玉米粉的影响Y. Liu1, F. Hsieh H* 2, Heymnn 2, AND H.E. Huff 2Sunpower营养食品有限责任公司(n s)，加利福尼亚州，美国密苏里哥伦比亚大学食品科学与生物(shngw)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

2、定长度降低，体积密度增加，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

3、饲料来说是一种极其重要的谷物，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(j y)膨化生产出的产品零食叫做第二代零食。

4、(Huber and Rokey 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(ynji)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(knng)因为燕麦中含有过多的脂肪和可

5、溶性的胶(Chang and Sosulki 1985)。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 Co

6、rp., Troy, Ohio,U.S.A.)以期望比率混合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

7、盘上显示产品温度、钢模压力、扭矩百分比、扭动和切割速度等工艺参数，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(kjin)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(shufn)含量为6%7%。2.3实验设计： 本实验(shyn)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、

8、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。2.4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

9、法，采用TA-XT2质构分析仪测得(Texture Technology Corp., Scarsdale, 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(shyn)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

10、有的参评人员(rnyun)编为一组，根据提供的10种膨化(pn hu)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

11、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, 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(shyn)中数据采用SAS(Statistical Analysis System)软件进行(jnxng)分析，软件(run jin)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

12、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

13、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

14、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

15、、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(w lio)含水量处于中等水平时（19.5%），膨化(pn hu)产物的体积密度处于最低水平。（LSD=0.039，P=0.05）。当燕麦(ynmi)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

16、，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，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

17、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。在控制配方中，当水分含量处于中等水平时（19.5%）,膨化产物的“L”值很高。但在含有15%玉米粉的配方中，“L”值并未随水分含量而变化。随着燕麦粉含量的增加，膨化产品的红度值增加。这是由于燕麦粉比玉米粉的红度值高。在燕麦粉含量为55%和70%的配方中，红度值随水分含量的

18、增加而降低（原因是褐变水平的降低）。在燕麦粉含量为100%的配方中，随着水分含量的增加，膨化产品的红度值微微上升（原因是膨化程度的降低）（图2b）。当燕麦粉含量为85%时，水分含量对膨化产品的红度值没有明显影响。（LSD=0.2，P=0.05）。随着玉米粉含量的增加，膨化产品的黄度值（b值）增加（图2c）。这是因为黄玉米粉中含有类胡萝卜素。但是，玉米粉中色素的分解和膨化过程中的膨胀作用也对产物的颜色有很大影响。(Berset 1989)。在高玉米粉添加的配方（45%玉米粉）中，水分含量上升会轻微使得产品的黄度值上升，这是因为褐变反应程度降低。在其他配方（燕麦粉含量为100%,85%,70%）中

19、,并未发现水分含量对黄度值有所影响。（LSD=0.064，P=0.05）。在高玉米粉含量的配方中，较高的水分含量会导致产品颜色较黄，膨化程度较低。旋转速度对膨化产物亮度和黄度没有明显影响(yngxing)，却能增加所有配方下膨化产物的红度。增加旋转速度可以增加剪切率，但会减少停留时间。剪切率增加，膨化产物的温度随之增加，从而促进了褐变反应(fnyng)。但停留时间减少会降低挤压机内生面团的加热时间，从而使产品颜色变亮。膨化产品最终的颜色是由这两种反应平衡所决定的。3.2质地(zhd)多面剖析法除控制配方以外，采用质地多面剖析法分析各产品的结构与质地。对于六种结构参数的方差分析已在表3中显示。六

20、个质构参数中的五个（弹性，粘性，脆性，硬度和粘结力）都受到三个过程变量的影响，咀嚼性是不受旋转速度影响的唯一特性。当燕麦含量增加时，五个质构参数均降低；当水分含量增加，五个质构参数均升高；当旋转速度加快时，弹性和咀嚼性随之降低；粘性升高。图3中数据显示水分含量对不同燕麦粉含量的膨化产品的影响。当水分含量升高时，脆性和硬度也随之上升。高燕麦粉含量（70%，85%）的膨化产品的脆性和硬度比低燕麦粉含量（55%）的膨化产品高得多。当水分含量为21%，燕麦粉含量为85%时，膨化产品的脆性和硬度均为最高。（图3）旋转速度对脆性和硬度的影响与水分恰恰相反，随着旋转速度的增加，脆性和硬度均降低。Badrie

21、 和Mellowes在1991年的研究中发现，随着水分含量的上升，膨化木薯粉的硬度和脆性均升高，并在水份含量为15%达到最大值。这也许是因为水分含量增加降低了膨化程度。旋转速度升高，使得膨化产品的温度升高，从而导致硬度和脆性降低，膨胀比升高。 图1燕麦粉含量与水分(shufn)含量影响 图2玉米粉含量(hnling)与水分含量膨化产物体积密度(md)、规定长度、 影响膨化产物亮度、红度、膨胀比的曲面图。 黄度的曲面图。表3 质地多面剖析法结构参数的方差分析表图3水分含量对不同燕麦粉含量的膨化产品的脆性、粘性和硬度(yngd)的影响。与脆性和硬度不同，升高水分含量或降低旋转速度会导致膨化(pn

22、hu)产物粘性的降低。粘性的定义是膨胀比的第二个峰面积与第一个峰面积之比。对于膨化食品，例如(lr)膨化玉米粒，咬第二口时的时/力曲线比咬第一口时小得多，这是因为咬第一口时就已经破坏了食物的大部分结构。(Bourne 1975)。3.3膨化对感官鉴评的影响 描述性的感官鉴评数据通常有一点点的偏差。主成分分析可以有效去除不合理的数据，并将数据整理在同一张表中，便于理解和展示。(Piggott and Sharman 1986)。主成分分析是用感官鉴评数据和PROC FACTOR无循环设计参数来进行的。图5显示了主成分1和主成分2的双标图，他们占到了总方差的66%，主成分1占到了45%。主成分3和

23、主成分4并未对实验结果造成显著性影响。燕麦、烤燕麦粉和麦片的香味属性(shxng)加载在主成分1的右面，这些(zhxi)风味值随着生物料中燕麦粉的添加量而升高（图5）。根据(gnj)实验设计， 燕麦粉加上玉米粉的含量通常要达到100%。所以在这一实验环节中，玉米粉含量等于样品总质量减去燕麦粉含量。随着玉米粉含量的升高，玉米和烤玉米香味变得愈来愈浓郁。Chen等人在1991年的研究中发现，在玉米膨化产品中，当旋转速度越快，水分含量越低，煮玉米的香味就越浓。水分含量越高，产品温度越低，生面团风味就越浓。烤玉米香味与压辊温度呈正相关。主成分分析显示，燕麦相关风味与膨化产品配方中燕麦的含量有很大关系，

24、而玉米相关风味则取决于生产过程中的各工艺参数。旋转速度越快，产品温度越高，玉米风味就越突出。燕麦粉含量还与产品的视觉关系密切，例如产品的粗糙度，紧密性，表面干燥性，曲度和不规则性。燕麦粉含量越高，以上特性的参数就越高，产品的视觉评分就越低。这也许是因为燕麦粉中脂肪和纤维的含量过高。当膨化的淀粉类食品中含有脂肪时，可溶性的直链淀粉与脂肪联接，形成“对抗淀粉”，从而使得膨化产物中出现晶体结构。（Colonna等人，1989）。晶体结构的形成不仅会影响膨化产物的物理特性，还会降低产品在生物体内的消化率。(Asp and Bjorck 1989)。Lue等人在1991年的研究中称，高纤维含量的膨化产品

25、质地较硬，膨化程度较低，不均匀且呈 “鲨鱼皮”状。这些外观特点使得膨化产品难以吸引消费者的眼光。本实验中的含燕麦粉膨化产品表现出与以上描述相同的外观特性。产品温度对膨化产物的影响与旋转速度一致，而与水分含量相反。实验结果显示，降低水分含量或提高旋转速度都会引起产品温度的升高。水分含量与产品脆性、粗糙性、咀嚼性密切相关。产品原始含水量越高，膨化过程中的温度就越低，膨化程度也越小。产品的亮度、细胞结构、脆性一般与产品温度和旋转速度相关。这些特性一般用来描述膨化程度较大的产品。本节主要讨论产品温度和旋转速度，以及产品温度和以上特性之间的关系。图4 旋转速度(sd)对不同燕麦粉含量的产品脆性、粘性和硬

26、度的影响玉米制成的膨化食品总是很粘牙，这样就造成了该产品(chnpn)的消费局限性。（Booth 1990）。在主成分(chng fn)1和主成分2的分析中，粘性和凝聚性都接近0值，说明了本实验中粘性和凝聚性的变化规律没有得到很好的解释。3.4物理性质与感官(gngun)性状之间的联系通过仪器测定的产品的物理特性和颜色数值的均值，以及感官评定结果已经整合在一起(yq)并已进行过主成分分析。分析显示，前两个成分共引起了73.4%的变异，第一个成分引起了53.3%变异。两个数据集之间的分析见图6。描述膨化产物颜色（苍白或黄色）的参数称为色调。使用色度(s d)记测量黄度，就可得知色调值。采用目测法

27、测量得到的结果与色度记所测结果相似。实验结果表明，当膨化产物的规定长度值增高时，其亮度升高，表面孔隙数增多，红度升高。从TA.XTA质构分析仪测得的数据可以发现硬度和脆性之间有很强的关联性。硬度测量值与感官鉴评结果(ji gu)中的硬度评定结果相符。粘性、胶着性测量值与臼齿咀嚼测得的结果一致。高体积密度的膨化(pn hu)产物通常伴随着不良感官性状。譬如产品表面粗糙，形状不规则，表面太过干燥。从主成分分析的力/时曲线(qxin)可以得出，膨化产物的膨胀比与其弹性、粘性密切、产品脆性和发光面等属性密切相关。根据偏最小二乘法（PLS）的原始数据分析，扭矩和钢模压力不应加入到偏最小二乘的模型中来。本

28、实验在除去了以上自变量的条件下进行重复，并得出有三个因素对实验结果有着重要影响。这三个因素引起了实验结果90.3%的变异。第一个因素引起47.8%的变异，第二个因素引起了19.1%的变异。与图6显示结果一致，最小二乘回归得出物理性质与感官性状的变化趋势是一致的。4.结论 通过将燕麦粉与玉米粉结合，膨化后可以制得谷类食品或快餐小食品。燕麦粉含量和进料水分都会显著影响膨化产品的物理性质和感官性状。旋转速度对膨化产品以上两方面的影响并不明显。通过主成分分析和偏最小二乘分析得知，膨化产品的物理性质与感官性状间存在高度关联性。参考文献Anonymous. 1999. Health claims: Sol

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