挤压加工对食品中营养物质的影响研究进展

挤压加工对食品中营养物质的影响研究进展刘鹏1王世让1,2刘艳秋1董良伟1于国萍1（东北农业大学食品学院1，哈尔滨150030）(黑龙江粮食职业学院2，哈尔滨150080）摘要挤压加工技术由于其生产高效、功能多样化以及成本低廉和耗能低等优点，在食品领域中的应用越来越广泛。本文综述了最近几年国内外挤压加工在食品领域的研究进展。分析总结了挤压加工对物料中的淀粉、蛋白质、脂肪和膳食纤维等的理化性质和生理功能的改变。同时还讨论了物料在挤压过程中抗氧化能力的变化。多角度的揭示了产品营养品质和抗氧化活性在挤压过程中受到的影响。关键词挤压加工营养成分理化性质生理功能抗氧化能力中图分类号：TS210.4文献标识码：A文章编号：ResearchProcessofEffectofExtrusionProcessingonNutrientsinFoodsLiuPeng1WangShirang2LiuYanqiu1DongLiangwei1YuGuoping1(CollegeofFoodNortheastAgriculturalUniversity1，Harbin150030)(HeilongjiangGraincollege2，Harbin150080)AbstractExtrusionprocessinghasbeenwidelyusedinthefieldoffoodduetoitshighefficiency,multi-functions,lowcostandlowenergyconsumption.Inthispaper,thedomesticandforeignextrusionprocessinginthefieldoffoodresearchintherecentyearswerereviewed.Thechangesofphysicalandchemicalpropertiesandphysiologicalfunctionsofstarch,protein,fatanddietaryfiberinthematerialwereanalyzedandsummarized.Thevariationsoftheantioxidantcapacityofthematerialduringtheextrusionprocessingwerealsodiscussed.Theeffectsofmanyaspectsoftheproductnutritionqualityandantioxidantactivityintheextrusionprocessingwererevealed.Keywordsextrusionprocessing,nutrient,physicalandchemicalproperties,physiologicalfunctions食品挤压加工是最重要的食品加工技术之一,人们从20世纪30年代中期以来就将其用于生产早餐谷物，零食和其他组织化食品[1]。经过几十年的发展，挤压加工已经成为食品和饲料行业的主要加工方式，它也从一种加工方式迅速演变为一门科学[1]。基金项目：国家重点研发计划（2017YFD0401200）收稿日期：2017-10-26作者简介：刘鹏，男，1994年出生，硕士，粮食、油脂及植物蛋白工程通讯作者：于国萍，女，1963年出生，教授，博士生导师，粮食、油脂及植物蛋白工程食品挤压加工技术属于高温高压食品加工技术，特指利用螺杆挤压方式，通过压力、剪切力、摩擦力及加温等作用所形成的对于固体原料的破碎、捏合、混炼、熟化、杀菌、预干燥和成型等加工处理，完成高温高压的物理变化及生化反应，最后食品物料在机械作用力下强制通过一个专门设计的孔口（模口），便制得一定形状和组织状态的产品，可以生产膨化、组织化或不膨化的产品。近年来，国内外学者对挤压的研究越来越全面并且深入，通过调整物料的含水量，挤压时的温度和机械转速导致的分子变化和化学反应，来研究食品中的蛋白质、淀粉、脂肪以及多酚等功能性物质在挤压过程中的变化，并进一步研究挤压加工对食品的营养及其被吸收的影响等问题[1,2]。挤压加工在食品工业的应用领域也非常广泛，包括方便食品、零食小吃、素肉、减肥食品、断奶食品、食品添加剂、以及糕点和糖果等产品。挤压物料的理化性质、功能性和营养成分的保留都与其应用密切相关。阻止和减少营养成分的破坏，改善淀粉和蛋白质的消化性对于挤压产品来说具有重要意义[3]。本文综述了近年来国内外学者在研究食品挤压过程中对原料主要营养品质特性与生理功能的影响，以期为今后我国从事食品挤压加工的研究人员提供参考。1挤压加工对食品原料主要营养品质特性的影响1.1淀粉淀粉是由葡萄糖单元连接在一起形成的长链多糖。自然界中有两种类型的淀粉分子：直链淀粉和支链淀粉。挤压过程中凝胶的形成与直连淀粉有关而物料的黏度与支链淀粉有关。挤压过程中的高剪切力能最大限度的将淀粉转化成葡萄糖，降低淀粉相对分子质量[3]。1.1.1淀粉结晶度降低，直链淀粉比例增大在挤压过程中，物料中淀粉的组成、结构、糊化特性、结晶特性等理化性质均有不同程度的改变。研究发现挤压处理使糙米淀粉的峰值黏度、回生值和热焓值分别由1811、1677cP和9.41J/g降低至107、53cP和0.97J/g，淀粉发生糊化，相对结晶度由31.33%降至20.95%，淀粉结晶区比例降低，直链淀粉比例增加，支链淀粉发生降解[4]。另外，扫描电子显微镜显示，挤压产物中淀粉颗粒增大，淀粉表面变得粗糙并且有明显褶皱和裂痕。对碎米进行积压处理时也发现了类似的结果，淀粉的峰值黏度、回生值和热焓值均有下降，碎米淀粉颗粒的结晶度明显减少，碎米淀粉颗粒外表面呈现不规则形状，并有聚集的现象出现[5]。挤压后淀粉的溶解度增加，溶胀力减小。此外，Logi研究表明[6]，经过挤压的豌豆淀粉和马铃薯淀粉经过挤压之后平均分子质量和分子大小均有明显的降低，并且随着输出机械能的增加这种变化会更加明显，这是由于挤压过程使大分子链（尤其是支链淀粉）加速裂解。挤压加工可以降低物料中淀粉的结晶度，增大直链淀粉比例。1.1.2改变淀粉消化性人类饮食中的主要碳水化合物是淀粉，淀粉食物消化后会在血液中产生葡萄糖的增加。因此，食品基质中的淀粉水解一直是许多研究的焦点，因为淀粉在食物中的消化率决定了血糖反应，这与一些与饮食有关的疾病有关[7]。由于挤压过程中热量、水分、剪切力和压力的影响，挤压后产品的消化性要优于未挤压的产品[8]。物料在挤压过程中完成生物聚合相的转变，即固体颗粒状态转变成熔融状态，淀粉在熔融状态下发生糊化。Rahul[9]等通过控制挤压时的温度和物料的含水量研究挤压面条的消化性，其中选取温度分别为70、95和120℃，含水量分别为16%、20%和24%发现挤压加工可以直接通过淀粉的糊化来影响淀粉的消化性。高含水量和温度能导致淀粉更高程度的糊化从而显著提升淀粉的消化性。Waramboi等[10]研究挤压条件对四种甘薯粉(来自澳大利亚和巴布亚新几内亚的BeerwahGold、NorthernStar、SnowWhite和L49四种)消化性的影响。实验控制物料的含水量为30%，螺杆转速为300r/min，四种甘薯粉的消化性得到了显著提升，消化淀粉从未挤压时的2～11g/100g干淀粉增加到8～18g/100g干淀粉，消化速率从未挤压时的0.1～0.8min-1增加到3.0～3.7min-1。挤压加工可以提高淀粉的消化性，增加物料的营养价值。然而，对于高粱和大麦[8]（高粱和大麦的比例为60︰40）,在复合挤压时控制物料的含水量，螺杆转速和喂料速度分别为30%、300r/min和2kg/h，改变挤压时的温度110～140℃，结果表明挤压温度未对淀粉消化率产生显著的影响。Su等人还发现挤压时物料的含水量与淀粉的消化性呈二次相关，当物料的含水量为（30±4.3）%时淀粉的消化性达到最佳。另外，当挤压之前物料经过其他热处理并且已经使其淀粉完全糊化时，挤压条件对干豆粉中淀粉消化性并没有显著的影响[11]。值得注意的是，以上仅仅是对体外的消化性的综述，只模拟了挤压后淀粉对体内相关酶的敏感程度。而事实上，淀粉在人体内消化是一个极其复杂的过程并且与很多因素有关，如结肠中的短链脂肪酸的产生[12]。1.2蛋白质1.2.1水溶性降低在挤压过程中，物料中蛋白质的理化性质也有明显的改变。赵学伟[13]等在研究挤压对小米蛋白溶解性和分子质量影响时，控制挤压时的喂料速度为15r/min，螺杆转速140r/min，改变挤压温度（150～210℃）和物料水分（17%～23%）发现挤压后的小米的水溶性蛋白、盐溶性蛋白、醇溶性蛋白含量减少。这是由于挤压过程中的高温和剪切力的作用，蛋白质遭到破坏，并进一步发生变性，导致其内部疏水基团暴露。使蛋白质通过疏水作用而形成分子质量较大的聚集体，分子质量增加,导致变性蛋白质的溶解性降低，所以，挤压后可溶性蛋白含量减少。然而，值得注意的是当挤压温度达到210℃时，小米蛋白的水溶性较挤压前略有升高。这可能是由于在高温挤压时蛋白质发生降解产生了可溶性的蛋白质组分。如果这种假设成立，则挤出物中的水溶性部分应该是不受挤压加工影响的白蛋白部分和来自降解的蛋白质片段之和。并且可以说明挤压后水溶性蛋白质的减少远小于NaCl溶液，乙醇和NaOH溶液可溶部分减少的原因。最近还有类似的报道，当挤压温度温度高于180℃时，玉米醇溶蛋白开始裂解[14]。所以，在今后的研究可以通过高温挤压的方式来增加谷物蛋白的水溶性，且挤压之后蛋白质的结构和功能性质的改变也是不容忽视的问题。上述的NaOH溶液提高了介质中的静电力，乙醇降低了介质中的介电常数，SDS则是通过打破氢键或者分子间的疏水作用而溶解蛋白质。挤压以后SDS可溶性蛋白明显增加，从另一个方面说明了是氢键或者疏水作用导致挤压后蛋白质分子聚集，溶解性降低[13]。2–ME(2-巯基乙醇)通过破坏分子间的二硫键而增加蛋白质的溶解性。挤压后SDS+2-ME可提取蛋白含量增加说明挤压导致了分子间通过二硫键进行交联，导致了蛋白质的聚集，这种交联是导致溶解性降低的一个原因。研究发现，即使提取剂SDS+2–ME作用效果较强，但是仍然有小部分蛋白质没有被提取。这部分不溶性的蛋白质可能相互间通过其它共价键形成了较大的聚合体，也可能是与淀粉或者脂肪一起形成了十分难溶的聚集体，还有待于进一步研究[13]。所以，研究挤压加工期间发生的生物大分子聚合物的改性，考虑挤压食品中存在的所有组分是非常有必要的。此外，剩余不溶解的蛋白质组分分子间的相互作用值得被继续探索[15]。1.2.2改善蛋白质的消化性食品中蛋白质的消化性取决于蛋白质的构象、结构和水解度[16]。挤压后物料中的蛋白质的消化性均有提高，其原因有两个方面：一个是由于在挤压过程中，蛋白质发生变性，使其构象和结构发生了改变，增加了蛋白水解酶的可作用位点，从而提高了其消化性[16]。另一个是由于抗营养因子被抑制也可以提高蛋白质的消化性[17]。通过研究挤压对小扁豆消化性影响时发现，在挤压温度140～160℃、物料含水量14%～22%时，挤压温度和含水量越高其挤压产品的蛋白质消化率就越高，从未挤压时的39.39%提高到88.64%[18]。并且抗营养因子（植酸、单宁、胰蛋白酶抑制剂、总酚）的含量在经过挤压之后均有明显的下降。Ghumman等[19]在研究挤压小扁豆和马嘴豆时发现挤压后小扁豆的消化性和含水量的关系与Rathod等研究的相似，但是和温度的关系与Rathod等的研究不一致。且发现挤压后小扁豆的消化性与挤压温度呈二次相关。这种不一致可能与挤压前物料的粒度不同有关，前者挤压的是碎小扁豆而后者挤压的是小扁豆粉末。此外，将豆类物料（豌豆、鹰嘴豆、蚕豆、芸豆）浸泡16h后进行挤压，发现挤压前浸泡对豆类的蛋白质消化性有明显的积极作用[20]。中外学者均发现挤压加工可以提高食品特别是谷物中蛋白质的消化性。且关于抗营养因子的含量分析方法也有很多报道，但是在挤压过程中蛋白质构象和结构的变化却鲜