杂粮膨化中物料成分的变化

在整个挤压过程中，食品物料从质构、组织和外观上都发生了很大变化。国内外的研究机构和学者对挤压过程中食品的质构重组进行了很多研究，在这里综合一些国内外学者的研究成果，从食品中碳水化合物、蛋白质及脂肪等在挤压过程中发生的变化和对最终产品的影响上做一些简单介绍。

（一）碳水化合物在挤压过程中的变化

淀粉、纤维素、葡萄糖和蔗糖等都属于碳水化合物，它们在挤压过程中却又有着各自不同的变化，下面分别叙述。

1.淀粉

挤压膨化食品原料的主要成分是淀粉。食品中淀粉的含量、直链淀粉与支链淀粉的组成、加工工艺参数都对膨化食品质量有直接影响。挤压膨化过程中，淀粉链间的氢键断裂，淀粉粒解体，淀粉被充分α化+糊化；支链淀粉的一部分侧链被“切割”下来，使较短的直链淀粉、糊精和还原糖的比例增加，有利于膨化食品溶解、吸收与消化；挤出膨化的糊化淀粉分子相互交联，形成了网状的空间结构。在挤出时闪蒸掉部分水分后定型，使α化定型，不易回生，成为膨化食品的骨架，从而延长了食品的货架期。

挤压机腔体内的淀粉呈现白色形式存在，但在融合过程中，分子内发生巨大的变化，淀粉在高温、高压、高剪切的作用，内部结构将发生变化，氢键断裂，糖苷键裂解，最后生成许多低分子化合物，在宏观看来，产品体积增大，微观上生成还原糖和糊精，从而使得还原能力、吸水性与水溶性得到加强，容易被身体吸收。淀粉在挤压过程中，由于在温度、压力、转速的作用下，将发生降解且由于支链的分子量大，其降解性远大于直链淀粉，同时，支链淀粉降解发生在内部，而并非外部，也就说明，直链淀粉越高，膨化度越低，挤压后，高分子量的淀粉降低，主要分子量都集中在105～107之间，如果支链与直链淀粉含量均等的话，可得到最佳的膨化状态。

淀粉糊化过程是一个低水分状态下的过程。淀粉糊化程度与螺杆的转速、温度和水分含量有着十分密切的关系。螺杆转速提高，降解糊化作用也有提高的趋势；温度高、水分含量高，糊化度高。温度高、水分低，产生降解糊化作用显著，使挤出物的还原能力提高，物料在机内的停留时间短，糊化度下降。

原粳碎米淀粉与挤压工程米淀粉的微观结构有非常明显的差别。原粳碎米淀粉颗粒分布均匀，表面光滑且呈不规则的多角形，为稻米淀粉的典型形貌；经过挤压处理后，米淀粉颗粒的形貌特征发生彻底性的改变，原有的多角形结构完全失去，呈棱角分明的岩石状；由此可知，由于受到双螺杆的挤压剪切作用以及物料与螺杆和机筒之间的强烈摩擦，原有的淀粉晶体结构完全消失，淀粉分子发生部分降解，并由于糊化和高压相互黏结在一起（图7-3）。

图7-3　挤压膨化前后米淀粉SEM图

天然碎米淀粉X线衍射图谱在2θ为15°，17°，18°和23.5°左右时都有出峰，它由尖峰衍射特征和弥散衍射特征两部分组成，是典型的多晶体系的衍射曲线，这是典型的晶型为A-型的淀粉特征。当碎米经挤压参数为温度74℃，水分30.66%，转速230 r／min，模头孔数加压加工后，米淀粉X线衍射图谱发生了明显的变化，2θ为15°，17°，18°和23.5°的衍射峰均有下降和／或消失的情况发生，表明挤压加工对淀粉颗粒晶体造成了很大程度上的破坏，这是由于在挤压的过程中，强大的剪切与摩擦的作用使米淀粉晶体有序化状态严重下降，无定型区大幅度增加（图7-4）。

图7-4　挤压前后米淀粉X线衍射图谱

淀粉种类对膨化效果的影响表现为支链淀粉含量高能促进膨化，使产品变轻、变松脆，直链淀粉的含量提高，则膨化率下降。控制直链淀粉含量略高于20%，生产过程消耗动力少，挤出物表面光亮，表面和组织均匀有弹性，溶解度低，吸水速度慢，产品浸于水中或牛奶时保持形状不变的相对时间较长。

2.纤维素(www.xing528.com)

纤维素也属碳水化合物，膳食纤维包括有纤维素、半纤维素和木质素，目前不少保健食品生产厂家都把它作为添加剂，添加到食品中来生产保健食品。而纤维素在挤压过程中是如何变化的这样的研究报道相互之间差异很大，较为一致的看法是纤维素经挤压后，可溶性膳食纤维的量相对增加（一般增加量在8%左右）。挤压技术是使食品发生这种质构上变化的一种很好的手段，这可能是由于挤压加工中的高温、高压再加上高剪切作用，促使纤维分子间价键断裂、分子裂解和分子发生极性变化所致。纤维素含量对膨化的影响：在挤压过程中，原料中的纤维素含量增加，则膨化度降低。纤维素的来源不同或纤维素的纯度不同，均对膨化度有着明显影响。

经挤压处理的纤维素，在挤压机套筒内部高温、高压、高剪切的作用下会出现微粒化，使不溶性纤维大分子间的部分化学键断裂，转变成较小的可溶性组分，显著增加了可溶性膳食纤维的含量。纤维素在挤压过程中不仅发生了物理变化，同时还发生了生物、化学变化。随着人们对健康的日益重视，对膳食纤维的需求量也与日俱增，利用挤压加工技术处理膳食纤维，可显著提高纤维物料中可溶性膳食纤维的含量，并且有效改善膳食纤维的理化功能及储藏特性。

3.葡萄糖、蔗糖等

挤压食品物料中含有的糖成分除了会影响淀粉的糊化外，由于挤压过程中高温、高剪切的作用还能使糖分解成羰基化合物，它同物料中的蛋白质发生美拉德反应，从而使产品的颜色变深。如前所述，淀粉经挤压后可转化成葡萄糖、麦芽糖等。所以，一些膨化食品在挤压过程中虽然未加甜味剂，但吃起来却有甜味。

（二）蛋白质在挤压过程中的变化

富含蛋白质并可用来挤压的原料品种很多，如脱脂大豆、浓缩大豆蛋白、菜籽蛋白、棉籽蛋白、芝麻蛋白等。这些食品原料在高温、高压、高剪切的食品挤压机内，蛋白质分子结构伸展、重组，表面电荷重新分布趋向均化，分子间氢键、二硫键等部分断裂，导致蛋白质最终变性。不同来源的蛋白质物料在经过挤压加工后，消化率均明显提高，蛋白质的品质也获得改善，所以，挤压加工为开发低品质蛋白源以提高其营养价值提供了加工手段。“人造肉”就是一种用挤压机将蛋白质变性后的产品，所以它也被称之为蛋白肉。利用挤压后蛋白质消化率明显提高的特点挤压加工制造婴幼儿食品和老年食品，是一种很好的加工手段。但也应注意，蛋白质在挤压过程中能与原料中的其他成分如脂肪氧化酶等反应，影响产品风味。所以，在挤压蛋白质时，对原料中的蛋白质含量、氮溶指数、纤维含量、脂肪含量等均有一定的要求才能得到较好的产品。

在挤压过程中，在温度、压力变化的条件下，物料中的主要成分蛋白质、脂肪和淀粉将会发生一系列复杂的变化，内部结构的变化，将对感官、食味值及营养品质等外部指标都有一定的影响。在挤压过程中由于蛋白质受到高温、高压的作用，蛋白质的内部结构将产生一定的变化，蛋白质体系内部的结构包括一级结构，α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲的二级结构以及次级键都会断裂，蛋白质发生变性，溶解度降低而产生沉淀，有些原来在分子内部的疏水基团由于结构松散而暴露出来，分子的不对称性增加，因此黏度增加，扩散系数降低。物料经过计量均化段时，体系内结构将会发生巨大的改变，促使蛋白质分子线状化、纤维化和直线排列。据有关报道，对杂粮米进行挤压加工，分析结果表明，在物料水分30%，机筒温度90℃，螺杆转速160 r／min条件下，蛋白质生物学效价明显提高。

（三）脂肪在挤压过程中的变化

脂肪对食品的质构重组、成型、口感影响较大。甘油三酯部分水解并与直链淀粉形成络合物，不仅影响产品的膨化度，还影响到淀粉的溶解性和消化率。在挤压中T＞50℃时脂质进入淀粉螺旋结构内部，形成不溶性淀粉和脂质双螺旋复合物，这些复合物的形成，使淀粉糊化度下降，产品膨化率降低。

脂肪在食品的挤压生产过程中是一种敏感物料，特别是对一些单螺杆挤压机来说，它无法加工高脂肪含量的物料，因为高脂肪含量的物料与筒体之间的摩擦因数小造成打滑，所以不能实现挤压生产。此外，脂肪在挤压过程中对食品的质构重组、成型、口感等影响较大。首先，在高温、高压和高剪切条件下，甘油三酯会部分水解，产生单甘油和游离脂肪酸，这两种产物与直链淀粉会形成络合物，影响挤压过程中的膨化，导致最终产品中淀粉的溶解性和消化率降低。

挤压膨化后，原料中脂肪含量下降。其中游离脂肪下降，结合脂肪随着淀粉糊化不断升高，可能是在挤压过程中，脂肪与直链淀粉结合成淀粉脂络合物，而经过膨化后的直链淀粉已被破坏，结合脂肪在高温、高压下被蒸发的缘故。一般认为，在挤压过程中，原料中的脂肪能够与淀粉和蛋白质形成复合物，此类脂肪复合物可以防止氧化，从而延长产品的货架期，并且还会改善产品的质量和口感。

一般单螺杆挤压机在生产时，要求原料中的脂肪含量低于12%，这样才对挤压效果无大影响。有资料表明，脂肪含量大于12%以上每增加1%，产品的体积质量就增加16g／L；当脂肪含量超过22%时，原料就失去了膨化特性。因此，生产挤压膨化食品的原料的含油量低才好。

在复杂的挤压过程中，食品物料的各种组分都会发生各种各样的变化，这些现象还有待人们深入观察和研究。前面只是对食品物料的几种主要成分在质构上的变化做点经验介绍，实际生产中要想得到较好的挤压食品则需要从生产配方、组成比例、工艺条件、生产管理等多方面研究探讨。当然，有好的挤压设备是必要的前提。

（四）维生素在挤压过程中的变化

维生素是一类化学结构各异、生理功能各不相同的生物体生长代谢所必需的微量有机物，通常对物理及化学环境适应性差，温度、光照、压力、水分等均是食品加工与贮藏过程中造成维生素损失的不利因素。挤压加工过程会对部分维生素产生较大的影响，通常情况下，挤压机套筒温度升高、螺杆转速下降、调质水分降低以及模孔直径的缩小，都会使维生素的损失增大。有研究表明，维生素A、维生素C、维生素E及叶酸对挤压处理比较敏感，而除维生素B1外的其他B族维生素在挤压处理条件下则相对比较稳定。