挤压膨化技术的在膳食纤维改性中的应用

挤压膨化技术的在膳食纤维改性中的应用

摘要：本文主要就挤压膨化技术应用于膳食纤维改性的研究现状进行了综述。简介了膳食纤维改性的基本原理与挤压膨化加工工艺的原理与设备，同时分别就加工谷物加工和加工副产品利用两方面介绍了有关其膳食纤维改性的研究现状。

1.膳食纤维及其改性

膳食纤维是指不被肠道内消化酶消化吸收，但能被大肠内的某些微生物部分酵解和利用的一类非淀粉多糖类物质，主要来自于植物的细胞壁，包含纤维素、半纤维素、树脂、果胶及木质素等。膳食纤维由于其对人体血糖水平、肥胖、胆固醇等方面有重要影响，所以被誉为“第七营养素”。

膳食纤维分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维，其中可溶性膳食纤维的比例在食品中膳食纤维品质衡量上有重要意义。天然存在的膳食纤维中水溶性膳食纤维的含量在3—4%，于是使膳食纤维大分子组分连接键断裂、使不溶性成分转变为可溶性成分的膳食纤维改性研究对制造高品质膳食纤维产品十分重要，膳食纤维改性主要有：物理方法（微细化处理、挤压蒸煮、高压处理）、化学方法（酸水解法、碱水解法等）、生物方法（酶法、发酵法等）[1]。其中挤压改性技术能使纤维物料被彻底的微粒化，改善了纤维物料的口感，在提高膳食纤维可溶性、改善其口感方面更优于其他加工方法。

2.挤压膨化技术与膳食纤维改性

挤压膨化技术在上世纪已广泛应用于休闲食品的加工、油脂浸出、酿造工程以及饲料生产中[2]。在整个挤压膨化的过程中，食品物料在质构、组织和外观上都发生了很大的变化，学者对挤压膨化过程中蛋白质、淀粉、脂质组分变化上有许多研究[3]。近年来，挤压膨化技术在膳食纤维改性上开始应用，展现出良好势头和潜力[4]。

2.1挤压膨化技术原理

挤压膨化技术是集混合、搅拌、破碎、加热、蒸煮、杀菌、膨化及成型为一体，能够实现一系列单元同时并连续操作的新型加工技术[5]。食品挤压技术的原理是将食品物料置于挤压机的高温高压状态下，然后突然释放至常温常压，使物料内部结构和性质发生变化的过程。挤压机的膨化机理主要从水汽化做功和气体膨胀做功两方面分析[6]。

2.2膳食纤维改性过程

挤压膨化法使膳食纤维经高温、高压及剪切力作用，导致分子间和分子内空间结构发生变形，在挤压设备出口的瞬间失去压力，从而造成膳食纤维结构发生变化，由于压力的突然下降，水蒸汽迅速膨胀和散失，使产品形成多孔结构，使得部分大分子不溶性膳食纤维组分的连接键断裂，转变为小分子的可溶性膳食纤维，从而提高可溶性膳食纤维[3]；部分不溶性阿拉伯木糖类、半纤维素及不溶性果胶类化合物转变为水溶性聚合物成分，提高了膳食纤维的持水力。这种加工方式还能改善物料的色泽和风味并且有高温杀菌作用。同时经挤压膨化之后的食品原料中的纤维素、半纤维素和木质素等成分产生微粒化效果，增加了口感。

2.3挤压膨化设备

食品加工中主要的挤压设备是螺杆挤压机，挤压膨化机是通过螺杆上的螺旋将物料向前推进，在出料模板的背后形成压力，强迫使物料通过模板的出料口；在出口处，由于压力迅速降低，使产品迅速膨胀并失去一部分水分，从而形成一种固定的形状，同时保持多孔性的结构[7]。其常见分类方法是按照螺杆个数分为单螺杆挤压机、双螺杆挤压机。单螺杆挤压膨化机造价低、结构简单，但是单螺杆膨化机的物料输送方式限制了单螺杆挤压膨化机对粘性原料的加工，且不能加工高脂肪、高水分的原料[7]。相对于单螺杆挤压膨化机而言，双螺杆挤压膨化机出品率较高；颗粒成型好，粒形均勾性一致；无反喷、堵塞现象；易操作，生产过程稳定。

3.挤压膨化技术的在膳食纤维改性中的应用

3.1谷物食品加工

谷物食品本身就是富含膳食纤维的原料，对于谷物原料的挤压膨化加工既提高了其营养价值，又改善了其加工性能。在谷物食品的膳食纤维改性研究中，国内外的研究很多。

Trevisan A J B等[8]在对玉米亚麻籽油小吃的研究中采用响应面法进行条件优化，通过挤压膨化处理的最佳工艺条件优化下使得玉米亚麻籽油小吃比纯玉米小吃的膳食纤维增加了七倍。同样对玉米与其他原料的混合研究中，Perez N C 等[9]利用单螺旋挤压机对以质量比1:1混合后的玉米粉和绿豆粉进行挤压膨化处理后发现，其可溶性膳食纤维由原料的10.6g/kg提高到79.4g/kg。玉米淀粉类的原料在国外的研究中应用于乳糜泻病人的食物中，这些无麦胶食物的膳食纤维含量的提高与改性有着重要的意义。Stojceska[10]等利用玉米粉结合不同类型的水果和蔬菜生产高膳食纤维、高营养的无麦胶即食小吃，比较不同工艺条件对无麦胶即食小吃的营养组成和理化性质的影响，结果发现苔麸面粉与玉米粉的混合使得不溶性膳食纤维显著增加。

除了玉米之外，刘金霞等[11]以小麦膳食纤维为原料，利用双螺杆挤压技术确定小麦膳食纤维的改性效果最佳工艺参数是加水量为15%、出料口温度140℃、螺杆转速100r/min。在此条件下提高了样品的持水力和膨胀力。在挤压后基本成分变化为水分和可溶性膳食纤维含量升高，淀粉、蛋白质和不溶性膳食纤维含量有所降低。其它成分含量基本未发生变化。显微观察处理后样品较处理前样品组织结构更加疏松、粒度更加均匀。Gajula等[12]以小麦粉为原料，经挤压膨化处理后，可溶性膳食纤维由1.5%原料增加到2.4%。研究显示，在水分含量17%，螺杆转速500r/min条件下对干豌豆进行挤压处理，其可溶性膳食纤维含量由0.65%增加到2.9%。Vasanthan等[13]优化大麦膳食纤维的挤压改性工艺时发现其可溶性成分分别由挤压前的5.6%增加到7.24%。王常青等[14]在挤压加工燕麦麸中加入有机酸，一部分燕麦淀粉转化为可溶性膳食纤维。并使用正交试验表明，柠檬酸添加量和挤压温度对加工燕麦麸的SDF含量有显著影响。并得到了最佳挤压温度为180℃。张颖等[15]以粳米和赤小豆为原料，用挤压法生产高膳食纤维谷

物早餐粉，采用响应面分析法研究加工参数对挤压产品膳食纤维成分和物理性质的影响。结果发现，中等螺杆转速(100r/min)、中等末区温度(130~140℃)和低进料水分含量(20%)，有利于产品中不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化。

从目前有关研究报道来看，挤压膨化法可处理多种原料来源的膳食纤维，且经挤压膨胀后的可溶性膳食纤维的含量和质量都有显著提高。

3.2加工副产品利用

我国是一个农业大国，谷物、豆类、水果等资源都非常丰富。其加工过程中会产生大量的副产品，例如苹果渣、豆渣和麦麸等都是提取膳食纤维的良好原料。对这些食品加工中产生的副产物加以利用，能有效减少环境污染和资源浪费，从而提高农副产品综合利用的经济效益。而实际生产中这些副产品一般都以废弃处理。随着人们对资源充分利用的重视，这部分副产品的开发利用也越来越受到关注，近年来，人们对于各种加工副产品膳食纤维的挤压改性进行了广泛的研究。

在谷物加工副产品研究中，刘婷婷等[16]采用双螺杆挤出技术对米糠进行处理，在单因素试验的基础上，以可溶性膳食纤维得率为指标，得出影响米糠中可溶性膳食纤维得率的各因素强弱次序为：挤出温度>水分含量>物料粒度。倪文霞[17]等红薯渣经过纤维素酶改性后，其水溶性膳食纤维含量达到20.91%；而经挤压技术改性后其水溶性膳食纤维含量为19.23%；通过对2种改性红薯渣在面条和饼干中的应用研究，得出酶解改性红薯渣应用于食品时，其效果略优于挤压改性红薯渣。

豆制品的加工中往往会产生许多大豆副产品，其中在膳食纤维改性上也有不少研究。Yan Jing等[18]挤压蒸煮技术应用于从豆渣可溶性膳食纤维的提取。响应面分析法（RSM）用于优化的挤压参数，得出挤出温度：115℃，进料湿度：31％；螺杆速度，180转的最佳工艺条件。在这些条件下，与未挤压的豆渣相比，挤压后的豆渣中的可溶性膳食纤维含量可达到12.65％，增加了10.60％。此外，经过挤压的豆渣膳食纤维具有较高的保水能力，油保持能力和溶胀能力都高于未挤压的豆渣膳食纤维。Rzedzicki Z[19]等将豌豆壳与谷类粉混合挤压，控制原料中豌豆壳的添加量以及双螺旋挤压机的相关操作参数，挤压后混合物中豌豆壳的浓度达到80%，最后可实现可溶性膳食纤维的增加，研究提出可溶性膳食纤维含量的增