油莎豆(Cyperus esculentus L.),俗称虎坚果(tiger nut),是一种高产的油、粮兼型作物。因产地和品种不同,油莎豆的营养成分具有较大差异,其中油脂含量为24%~30%;与大豆等传统油料作物相比,油莎豆粗蛋白质含量较低(5%~8%),但富含淀粉(27%~32%)[1]。油莎豆粕(Cyperus esculentus meal,CEM)是油莎豆榨油后的副产物,其总糖和淀粉含量可达60.30%~76.43%和24.63%~36.77%[2-3],部分油莎豆粕中淀粉含量甚至超过45%,可以作为优质的淀粉来源或直接用作饲料[4]。
饲料原料的挤压膨化是在膨化机筒中,借助旋转中的螺杆、原料和机筒壁之间的机械剪切作用以及加热腔的高温环境,最终使原料熟化的过程。在挤压膨化过程中饲料原料可能发生物理及化学变化,例如谷物类饲料原料中的支链淀粉、纤维发生降解,同时伴有部分直链淀粉-脂质复合体的形成,进而可能会影响谷物类原料的消化特性。肖香等[5]研究发现,挤压膨化显著提高了大麦全粉的吸水性以及溶解性,并使得挤压膨化后大麦粉产品颜色加深。山药粉经挤压膨化处理后,其溶解度和溶胀性都显著提高,并且在体外模拟环境中更易被消化[6]。
油莎豆由于其高油脂含量越来越引起人们的关注,目前对于油莎豆的研究主要集中在油莎豆育种、种植、榨油工艺及油莎豆食品加工等方面,对于榨油后副产物——油莎豆粕的研究及应用相对较少。基于此,本文采用双螺杆挤压膨化机对油莎豆粕进行加工,探究挤压膨化对油莎豆粕营养成分、理化性质及其淀粉体外消化特性的影响,为油莎豆粕饲料产品的开发及应用提供支撑。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验作用油莎豆粕购于河北省保定市某油脂厂,α-淀粉酶(10 000 U/g)购自上海麦克林生化科技股份有限公司,液化型糖化酶(100 000 U/mL)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。试验所使用盐酸、氢氧化钠、乙酸以及3,5-二硝基水杨酸等常规化学试剂均为分析纯。
试验仪器主要包括:DS-32型双螺杆挤压膨化机(济南赛信膨化机械有限公司),WND-100型高速粉碎机(兰溪市伟能达电器有限公司),SYS-C型恒温水浴震荡摇床(上海新苗医疗器械制造有限公司),GL-88B漩涡混合器(海门市其林贝尔仪器制造有限公司),LS173型手持色差仪(深圳市林上科技有限公司),TMS-PRO质构仪(Food Technology Corporation,美国),ST-16R型高速冷冻离心机(Thermo Fisher Scientific),UV-5500PC紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司),RVA-TM快速黏度分析仪(Newport Scientific,澳大利亚),Rigaku Ultima Ⅳ X射线衍射仪(日本理学Rigaku株式会社)。
1.2 油莎豆粕的挤压膨化
将油莎豆粕粉碎过40目筛,调节水分至16%后进行挤压膨化,在螺杆转速15 Hz、喂料速度14 Hz条件下,油莎豆粕在挤压膨化机内经3段加热区进行升温,其中Ⅰ区60 ℃、Ⅱ区100 ℃并在Ⅲ区达到试验设定膨化温度(分别为120、140和160 ℃);所得挤压膨化后油莎豆粕分别标记为CEM-120、CEM-140和CEM-160。所有样品在室温自然风干后粉碎过40目筛备用。
1.3 检测指标及方法
1.3.1 营养成分
水分含量参照GB/T 6435—2014方法检测,粗蛋白质含量参照GB/T 6432—2018方法检测,淀粉含量参照GB 5009.9—2016方法检测,粗脂肪含量参照GB/T 6433—2006方法检测,直链淀粉含量参照GB/T 15683—2008方法检测,粗灰分含量参照GB/T 6438—2007方法检测;参考熊易强[7]所提出的酶解法对挤压膨化前后油莎豆粕中淀粉糊化度进行测定。其中,粗蛋白质、淀粉、粗脂肪和粗灰分含量以干物质基础进行计算。
1.3.2 理化性质
色度:采用手持色差仪的色度测量模式进行测定,色度指标包括亮度(L*)、红度(a*)和黄度(b*)值。
水合特性:参考De La Hera等[8]的方法并略作修改,取2 g挤压膨化前后油莎豆粕粉于离心管中,加入20 mL蒸馏水混合均匀,于40 ℃恒温条件下振荡水浴2 h;水浴结束后离心15 min(2 740×g),将离心后管中的上层清液转移至已恒重的铝制坩埚中,105 ℃条件下于对流烘箱中烘干至恒重;对离心管下层沉淀及绝干上层清液进行称重,并按照以下公式计算吸水性指数(water absorption index,WAI)、水溶性指数(water solubility index,WSI)及膨胀性(swelling power,SP):
吸水性指数=沉淀物质质量(g)/样品干物质质量(g);
水溶性指数(%)=100×上清液绝干质量(g)/样品干物质质量(g);
膨胀性=沉淀物质质量(g)/[样品干物质质量(g)-上清液绝干质量(g)]。
凝胶质构特性:参考孟杰等[9]的方法并略作修改,称取一定量的挤压膨化前后油莎豆粕配制成30%(质量体积分数)的糊,沸水浴糊化20 min并于4 ℃冷藏过夜后进行油莎豆粕凝胶质构特性测定;质构测定采用全质构分析(TPA)模式,选用P36/R探头,传感器最大量程为100 N,形变参数选择为30%,每次测定结束后回升至样品表面60 mm处。
糊化特性:参考GB/T 24852—2010[10],使用快速黏度分析仪测定油莎豆粕黏度及糊化特性。
晶体结构特性:参考Jane等[11]的试验方法,使用X射线衍射仪对油莎豆粕样品进行衍射扫描,使用MDI Jade 6.0软件计算油莎豆粕中淀粉相对结晶度。
1.3.3 油莎豆粕淀粉体外消化特性
参照Englyst等[12]的方法并做微小修改,称取含约500 mg淀粉的油莎豆粕样品于离心管中,加入10 mL 0.01 mol/L的盐酸溶液(pH=2),于37 ℃、120 r/min条件下恒温水浴振荡30 min,用以模拟胃阶段消化;而后向离心管中加入10 mL 0.01 mol的氢氧化钠溶液以中和酸性胃液并结束胃阶段的消化模拟;继续向反应体系中加入20 mL含8 000 U α-淀粉酶及10 000 U糖化酶的模拟肠液(pH=6.5),混匀后分别于0、20、120 min取500 μL消化液与4.5 mL无水乙醇混合灭活消化酶,测定消化液中葡萄糖含量,并计算样品中快速消化淀粉(rapidly digestible starch,RDS)、慢速消化淀粉(slowly digestible starch,SDS)和抗性淀粉(resistant starch,RS)含量,计算公式如下:
RDS(%)=100×(G20-FG)×0.9/TS;
SDS(%)=100×(G120-G20)×0.9/TS;
RS(%)=100-RDS-SDS。
式中:TS为所称取物料中的淀粉含量(g);FG为0 min时消化体系中的游离葡萄糖含量(g);G20为20 min时消化体系中所含葡萄糖含量(g);G120为120 min时消化体系中所含葡萄糖含量(g)。
1.4 数据统计与分析
试验至少重复3次,试验数据采用SPSS 22软件的one-way ANOVA程序对不同处理数据进行单因素方差分析,并使用Tukey’s test进行多重比较,结果以平均值±标准差(SD)表示,当P<0.05时认为差异显著;使用Origin 2023软件根据试验数据进行绘图。
2 结果与分析
2.1 不同挤压膨化温度对油莎豆粕营养成分的影响
由表1可知,挤压膨化对油莎豆粕的营养成分有一定的影响,与未挤压膨化油莎豆粕相比,120和160 ℃挤压膨化油莎豆粕粗蛋白质含量显著降低(P<0.05),140和160 ℃挤压膨化油莎豆粕淀粉含量显著降低(P<0.05),160 ℃挤压膨化油莎豆粕粗脂肪含量显著降低(P<0.05),所有挤压膨化油莎豆粕粗灰分和直链淀粉含量均显著降低(P<0.05)。随着挤压膨化温度的升高,油莎豆粕中淀粉含量不断降低,其中160 ℃挤压膨化油莎豆粕淀粉含量显著低于120 ℃挤压膨化油莎豆粕(P<0.05)。此外,与未挤压膨化油莎豆粕相比,挤压膨化油莎豆粕糊化度显著提高(P<0.05);且随着挤压膨化温度的升高,油莎豆粕糊化度逐渐提高,其中160 ℃挤压膨化油莎豆粕糊化度含量显著高于120 ℃挤压膨化油莎豆粕(P<0.05)。
表1 不同挤压膨化温度对油莎豆粕营养成分的影响(干物质基础)Table 1 Effects of different extrusion temperatures on nutrients of CEM (DM basis)% |
| 项目 Items | 油莎豆粕 CEM | 120 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-120 | 140 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-140 | 160 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-160 |
|---|---|---|---|---|
| 水分(烘干基础) Moisture (drying basis) | 7.62±0.18c | 13.54±0.07a | 13.34±0.12ab | 13.10±0.06b |
| 粗蛋白质 CP | 7.22±0.02a | 7.00±0.01b | 7.16±0.04ab | 7.04±0.13b |
| 淀粉 Starch | 50.55±0.47a | 50.43±0.10ab | 49.17±0.44b | 47.83±0.43c |
| 粗脂肪 EE | 12.07±0.25a | 12.37±0.36a | 11.76±0.20a | 10.46±0.05b |
| 粗灰分 Ash | 5.62±0.02a | 5.03±0.04b | 4.96±0.02b | 4.99±0.06b |
| 直链淀粉 Amylose | 11.80±0.01a | 8.09±0.00c | 9.58±0.01b | 9.06±0.00c |
| 糊化度 Gelatinization degree | 30.32±0.03c | 61.07±0.02b | 72.52±0.02ab | 76.08±0.01a |
2.2 不同挤压膨化温度对油莎豆粕理化性质的影响
2.2.1 不同挤压膨化温度对油莎豆粕色度的影响
在色度测定中,L*值表示样品亮度,L*值高则说明样品白度高;a*值表示样品显绿-红色,当样品a*值为正时,a*值越大则说明样品偏红,反之则偏绿;b*值表示样品显蓝-黄色,当b*值为正时,b*值越大则说明样品越黄,反之则说明样品偏蓝。由表2可知,与未挤压膨化油莎豆粕相比,经120、140和160 ℃挤压膨化后的油莎豆粕L*值降低26.61%~32.46%,a*和b*值分别提高145.42%~187.91%和40.71%~62.06%,差异显著(P<0.05)。这说明经过挤压膨化后的油莎豆粕与未挤压膨化油莎豆粕相比,色度偏红及偏黄。此外,随着挤压膨化温度的升高,挤压膨化油莎豆粕的a*和b*值也随之提高,颜色逐步加深。
表2 不同挤压膨化温度对油莎豆粕色度的影响Table 2 Effects of different extrusion temperatures on chroma of CEM |
| 项目 Items | 油莎豆粕 CEM | 120 ℃挤压膨化油 莎豆粕 CEM-120 | 140 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-140 | 160 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-160 |
|---|---|---|---|---|
| 亮度 L* | 81.65±0.09a | 55.15±2.29c | 57.85±0.35bc | 59.92±0.02b |
| 红度 a* | 2.73±0.01c | 6.70±0.12b | 7.62±0.12a | 7.86±0.01a |
| 黄度 b* | 15.50±0.15d | 21.81±0.32c | 23.98±0.09b | 25.12±0.04a |
2.2.2 不同挤压膨化温度对油莎豆粕水合特性的影响
水溶性指数作为评价物料中淀粉等大分子降解程度的指标,常用以表征粉状颗粒在水中溶解的能力;而吸水性指数表示饲料原料的吸水能力,膨胀性则可用于表示饲料原料中淀粉吸水后保持水分并实现膨胀的能力[13-14]。由表3可知,与未挤压膨化油莎豆粕相比,120、140和160 ℃挤压膨化处理使得油莎豆粕的吸水性指数、水溶性指数和膨胀性分别提高了44.77%~47.71%、6.28%~12.50%和45.29%~46.60%,差异显著(P<0.05)。随着挤压膨化温度由120 ℃提升至160 ℃,挤压膨化油莎豆粕的水溶性指数也随之升高,由120 ℃挤压膨化后的19.81%逐步提高至160 ℃挤压膨化后的20.97%,差异显著(P<0.05)。
表3 不同挤压膨化温度对油莎豆粕水合特性的影响Table 3 Effects of different extrusion temperatures on hydration properties of CEM |
| 项目 Items | 油莎豆粕 CEM | 120 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-120 | 140 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-140 | 160 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-160 |
|---|---|---|---|---|
| 吸水性指数 WAI | 3.06±0.09b | 4.52±0.18a | 4.43±0.30a | 4.43±0.57a |
| 水溶性指数 WSI/% | 18.64±0.00c | 19.81±0.01b | 20.25±0.01b | 20.97±0.01a |
| 膨胀性 SP | 3.82±0.19b | 5.59±0.13a | 5.55±0.32a | 5.60±0.66a |
2.2.3 不同挤压膨化温度对油莎豆粕凝胶质构特性的影响
表4展示了油莎豆粕及120、140和160 ℃挤压膨化油莎豆粕粉充分糊化后所形成凝胶的TPA质构特性。与未挤压膨化油莎豆粕相比,经3种不同温度的挤压膨化处理后,油莎豆粕凝胶的硬度和胶黏性分别降低4.54~5.09 N和0.94~1.21 N,咀嚼性降低了9.11~11.07 mJ,差异显著(P<0.05)。随着挤压膨化温度由120 ℃升高至160 ℃,挤压膨化油莎豆粕凝胶的咀嚼性和胶黏性随之提高,但差异不显著(P>0.05)。此外,与未挤压膨化油莎豆粕相比,挤压膨化也在一定程度上降低了油莎豆粕凝胶的黏附性,其中140 ℃挤压膨化油莎豆粕凝胶的黏附性显著降低(P<0.05);挤压膨化使油莎豆粕凝胶的内聚性提高16.67%~28.57%,差异显著(P<0.05)。
表4 不同挤压膨化温度对油莎豆粕凝胶质构特性的影响Table 4 Effects of different extrusion temperatures on gel texture properties of CEM |
| 项目 Items | 油莎豆粕 CEM | 120 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-120 | 140 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-140 | 160 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-160 |
|---|---|---|---|---|
| 硬度 Hardness/N | 7.73±1.01a | 2.64±0.24b | 2.77±0.29b | 3.19±0.20b |
| 黏附性 Adhesiveness/(N/mm) | 10.18±1.02a | 7.35±0.62ab | 7.06±1.00b | 10.00±1.07ab |
| 内聚性 Cohesiveness | 0.42±0.02b | 0.49±0.03a | 0.54±0.02a | 0.50±0.03a |
| 弹性 Springiness/mm | 8.75±1.11a | 8.58±0.16a | 8.57±0.27a | 8.33±0.24a |
| 咀嚼性 Chewiness/mJ | 22.32±0.25a | 11.25±1.67b | 12.87±1.34b | 13.21±1.23b |
| 胶黏性 Gumminess/N | 2.52±0.27a | 1.31±0.18b | 1.50±0.11b | 1.58±0.11b |
2.2.4 不同挤压膨化温度对油莎豆粕糊化特性的影响
在热处理过程中,油莎豆粕中的淀粉受热吸水膨胀并转变为凝胶态,导致油莎豆粕复合体系的黏度随之变化。图1展示了4种油莎豆粕样品黏度的变化过程,结果发现3种挤压膨化油莎豆粕的黏度在检测过程中并未发生较大变化。由表5可知,与未挤压油莎豆粕相比,120、140和160 ℃挤压膨化油莎豆粕的峰值黏度、谷值黏度、最终黏度、回生值及峰值时间均显著降低(P<0.05),其中峰值黏度、谷值黏度、最终黏度以及回生值分别降低了811.33~820.00 mPa·s、816.34~837.34 mPa·s、1 317.67~1 346.33 mPa·s及501.00~514.33 mPa·s,峰值时间减少了3.30~5.52 min。
图1 不同挤压膨化温度对油莎豆粕糊化特性的影响CEM:油莎豆粕 Cyperus esculentus meal;CEM-120:120 ℃挤压膨化油莎豆粕 120 ℃ extruded Cyperus esculentus meal;CEM-140:140 ℃挤压膨化油莎豆粕 140 ℃ extruded Cyperus esculentus meal;CEM-160:160 ℃挤压膨化油莎豆粕 160 ℃ extruded Cyperus esculentus meal。图2同 the same as Fig.2。 Fig.1 Effects of different extrusion temperatures on gelatinization properties of CEM |
表5 不同挤压膨化温度对油莎豆粕糊化特性的影响Table 5 Effects of different extrusion temperatures on gelatinization properties of CEM |
| 项目 Items | 油莎豆粕 CEM | 120 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-120 | 140 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-140 | 160 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-160 |
|---|---|---|---|---|
| 峰值黏度 Peak viscosity/(mPa·s) | 921.33±9.39a | 101.33±0.47b | 106.33±3.68b | 110.00±3.74b |
| 谷值黏度 Trough viscosity/(mPa·s) | 862.67±8.38a | 42.67±2.05b | 25.33±0.94c | 46.33±2.49b |
| 崩解值 Breakdown viscosity/(mPa·s) | 58.67±2.05b | 58.67±1.70b | 81.00±3.74a | 63.67±5.91b |
| 最终黏度 Final viscosity/(mPa·s) | 1 380.00±18.49a | 45.67±2.87b | 33.67±3.30b | 62.33±4.50b |
| 回生值 Consistence viscosity/(mPa·s) | 517.33±26.54a | 3.00±1.16b | 8.33±3.30b | 16.00±4.24b |
| 峰值时间 Peak time/min | 7.00±0.09a | 1.48±0.14b | 2.60±0.37b | 3.70±0.10b |
2.2.5 不同挤压膨化温度对油莎豆粕晶体结构特性的影响
油莎豆粕及120、140和160 ℃挤压膨化油莎豆粕的X射线衍射图谱如图2所示,分析结果表明,油莎豆粕中淀粉的特征衍射峰2θ在15°和23°呈现单峰,在17°和18°呈现连续双峰;经过120、140和160 ℃挤压膨化处理后,油莎豆粕中淀粉的多数结晶峰强度都出现明显降低甚至消失,挤压膨化油莎豆粕中的淀粉在7°、13°和20°处呈现特征衍射峰。由表6可知,在挤压膨化过程高温、高压和高剪切力的共同作用下,120、140和160 ℃挤压膨化油莎豆粕样品扫描所得结晶区域面积减小;挤压膨化处理后,油莎豆粕中淀粉的相对结晶度由膨化前的31.86%分别降低至12.66%、10.54%和9.36%,差异显著(P<0.05);不同挤压膨化温度油莎豆粕处理间淀粉相对结晶度无显著差异(P>0.05)。
图2 不同挤压膨化温度对油莎豆粕晶体结构特性的影响Fig.2 Effects of different extrusion temperatures on crystal structure characteristic of CEM |
表6 不同挤压膨化温度对油莎豆粕中淀粉相对结晶度的影响Table 6 Effects of different extrusion temperatures on starch relative crystallinity of CEM% |
| 项目 Items | 相对结晶度 Relative crystallinity |
|---|---|
| 油莎豆粕 CEM | 31.86±0.03a |
| 120 ℃挤压膨化油莎豆粕 CEM-120 | 12.66±0.00b |
| 140 ℃挤压膨化油莎豆粕 CEM-140 | 10.54±0.00b |
| 160 ℃挤压膨化油莎豆粕 CEM-160 | 9.36±0.02b |
同列数据肩标相同小写字母表示差异不显著(P>0.05),肩标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。 | |
In the same column, values with the same small letter superscripts mean no significant difference (P>0.05), while with different small letter superscripts mean significant difference (P<0.05). |
2.3 不同挤压膨化温度对油莎豆粕淀粉体外消化特性的影响
由表7可知,与未挤压膨化油莎豆粕相比,120、140和160 ℃挤压膨化油莎豆粕淀粉中RDS和SDS含量显著降低(P<0.05),淀粉中RS含量显著提高(P<0.05)。其中,挤压膨化使油莎豆粕淀粉中RDS含量由13.97%降低至7.40%,RS含量由73.67%提高至85.09%后逐渐降低至82%左右;此外,随着挤压膨化温度由120 ℃升高至160 ℃,挤压膨化油莎豆粕淀粉中SDS含量逐步提高,从4.84%提高至9.93%,差异显著(P<0.05)。
表7 不同挤压膨化温度对油莎豆粕淀粉体外消化特性的影响Table 7 Effects of different extrusion temperatures on starch digestion characteristics in vitro of CEM% |
| 项目 Items | 油莎豆粕 CEM | 120 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-120 | 140 ℃挤压膨化油 莎豆粕 CEM-140 | 160 ℃挤压膨化 油莎豆粕 CEM-160 |
|---|---|---|---|---|
| 快速消化淀粉 RDS | 13.97±0.36a | 10.07±0.10b | 11.13±0.42b | 7.40±0.57c |
| 慢速消化淀粉 SDS | 12.36±0.65a | 4.84±0.43d | 7.85±0.18c | 9.93±0.52b |
| 抗性淀粉 RS | 73.67±0.29b | 85.09±0.53a | 81.02±0.32a | 82.67±0.33a |
3 讨论
3.1 不同挤压膨化温度对油莎豆粕营养成分的影响
挤压膨化加工过程中,谷物原料容易受到膨化腔高温高压环境的影响,原料中水分受热蒸发,脂质被分解,淀粉内部结构被破坏并有部分淀粉与蛋白质形成复合物,从而导致膨化后原料中多种营养成分含量降低[15]。在本试验中,挤压膨化导致油莎豆粕中营养成分发生改变,可能是由于在挤压膨化机筒壁之间的剪切机械外力以及高温、高压共同作用下,油莎豆粕中的淀粉发生糊化并伴随有淀粉的部分降解,生成较小分子的还原糖、糊精,同时蛋白质的三维结构被破坏,导致挤压膨化后油莎豆粕中淀粉和粗蛋白质含量不同程度的降低[16]。物料中的脂肪在挤压膨化加工中同样被部分降解,或与蛋白质等成分产生了结构更为复杂的复合物[6]。本试验结果表明,随着挤压膨化温度由120 ℃逐步提高至160 ℃,油莎豆粕中的淀粉含量从50.43%降低至47.83%,粗脂肪含量由12.37%降低至10.46%,这说明挤压膨化温度过高可能会加剧油莎豆粕中淀粉、脂肪等供能物质的损失。此外,随着挤压膨化的进行,与未挤压膨化油莎豆粕相比,挤压膨化油莎豆粕中直链淀粉含量显著降低,这可能是由于挤压膨化机的高温环境使得油莎豆粕中的脂肪酸被氧化和氢化,并与直链淀粉形成直链淀粉-脂质复合物,最终导致直链淀粉和粗脂肪含量的下降[17]。肖香等[5]等对大麦进行较高温度的挤压膨化处理后发现,大麦中的淀粉和粗脂肪含量均存在不同程度的降低,这与本研究结果一致。挤压膨化处理后的油莎豆粕中淀粉糊化度的提高主要是由于在挤压膨化高温、高压以及高剪切的湿热环境中,油莎豆粕粉中的淀粉吸水膨胀,淀粉分子间的氢键断裂并糊化。
3.2 不同挤压膨化温度对油莎豆粕理化性质的影响
3.2.1 不同挤压膨化温度对油莎豆粕色度的影响
色度是饲料原料的常用感官指标之一,更是饲料加工特性的直观反映。挤压膨化的高温高压条件通常会对原料的色度产生影响,焦昆鹏等[6]研究发现,与未挤压膨化的山药粉相比,经挤压膨化处理的山药粉白度降低,颜色偏红、偏黄。本试验中,挤压膨化后的油莎豆粕与未挤压膨化的油莎豆粕相比,同样观察到了白度降低以及a*、b*值提高的现象,并且随着挤压膨化温度的升高,颜色深度逐渐加深,其a*、b*值均在160 ℃时达到最高。这可能是由于挤压膨化机筒内的油莎豆粕受高温影响,蛋白质结构被破坏,暴露的氨基酸与淀粉降解所产生的小分子糖和糊精发生美拉德反应,使得油莎豆粕产品发生褐变[18]。此外,与挤压膨化前相比,挤压膨化油莎豆粕颜色的加深还可能与油莎豆粕淀粉糊化度的提高有关。李光磊等[19]研究指出,采用145 ℃以上的温度对糙米粉进行挤压膨化,糙米粉的糊化度显著提高,进而使得膨化后的糙米粉出现白度下降、色泽变暗以及黄色增强等由非酶褐变所引起的颜色变化。这与本文研究所呈现的挤压膨化油莎豆粕的色度变化规律一致。
3.2.2 不同挤压膨化温度对油莎豆粕水合特性的影响
吸水性、溶解性和膨胀性等水合特性是物料在饲料加工过程中的重要特性之一。吸水能力好的谷物原料可以更好地保持饲料产品中的水分,使得在减少物料产品水分流失的同时保持饲料的产品形态。饲料优良的水合特性还可以控制繁育母猪或育肥猪等特定生产阶段动物的采食间隔以及能量摄入,并可通过增强饱腹感、降低饥饿感改善动物福利[20⇓-22]。刘超等[23]研究发现,挤压膨化处理可以通过使小麦、玉米和燕麦等谷物原料中淀粉链结构断裂,提高可溶性多糖等小分子物质含量,使原料更容易吸水形成凝胶,从而实现对原料吸水性指数、水溶性指数等水合特性的改善。研究还发现,大米经过挤压膨化后吸水性指数提高13.9倍,水溶性指数提高1.3倍[13]。
挤压膨化后油莎豆粕粉水合特性所发生的变化可能是由于在双螺杆挤压进行的过程中,挤压膨化机筒内的高温及机械作用使油莎豆粕中所含淀粉糊化,使得脂肪、蛋白质以及淀粉等大分子物质之间的相互作用遭到破坏。挤压膨化还可能增大了油莎豆粕中淀粉的分子间距,使得分子间氢键作用减弱,暴露出原本处于油莎豆粕淀粉分子内部的亲水基团,这增大了油莎豆粕中淀粉与水的接触机会,从而提升了挤压膨化后油莎豆粕的吸水性[24-25]。同时,挤压膨化加工使得油莎豆粕中的淀粉、蛋白质等大分子发生降解,产生大量糖类等水溶性小分子,使得挤压产物水溶性指数性显著提升。而且随着挤压膨化温度从120 ℃提高至160 ℃,淀粉等大分子降解程度进一步增大,水溶性物质进一步增多,油莎豆粕水溶性指数随着膨化温度的提高而持续提高。研究指出,谷物中直链淀粉含量不仅会影响颗粒内部的结构,更与物料溶解性与膨胀性呈负相关[26]。本试验中个,挤压膨化后,油莎豆粕直链淀粉含量显著降低,直链淀粉所形成的致密晶体结构占比下降,从而提升了油莎豆粕吸水之后的膨胀性。同时,挤压膨化过程中的高温高压及机械外力还可能会破坏油莎豆粕粉的表面平滑程度,增大油莎豆粕表面皱褶表面积,并提高粉体与水分的结合能力,从而进一步提高了挤压膨化后油莎豆粕的膨胀性。
3.2.3 不同挤压膨化温度对油莎豆粕凝胶质构特性的影响
在凝胶TPA测试中,硬度表示所得到的成型凝胶第1次被探头挤压时产生的峰值压力,凝胶硬度受到物料淀粉中直链淀粉含量的影响,且与直链淀粉含量呈正相关[27]。挤压膨化油莎豆粕中直链淀粉含量的降低导致了挤压膨化油莎豆粕凝胶硬度的下降。此外,研究指出,高直链淀粉物料糊化后会形成致密的网络结构,其凝胶强度和咀嚼性都会得到显著提高,因此不同来源淀粉凝胶的胶黏性、咀嚼性同样与直链淀粉含量呈线性正相关[28]。本研究中,挤压膨化处理降低了油莎豆粕中直链淀粉的含量,并且随着挤压膨化温度的升高,挤压膨化油莎豆粕中的直链淀粉含量略有提高。这可能是导致挤压膨化后油莎豆粕凝胶咀嚼性和胶黏性先降低后随挤压膨化温度升高而升高的主要原因。
3.2.4 不同挤压膨化温度对油莎豆粕糊化特性的影响
挤压膨化会对谷物原料的糊化特性产生较大影响。肖香等[5]对挤压膨化大麦进行研究发现,挤压膨化大麦的糊化峰值黏度、谷值黏度、回生值等糊化特性指标与未挤压膨化大麦相比均发生显著降低,这与本研究所得到的结果相似。这可能由于挤压膨化机施加在油莎豆粕物料上的高温、高压和机械剪切力使得油莎豆粕中的淀粉发生糊化,淀粉分子被大量降解为还原糖、糊精等小分子物质,从而降低了油莎豆粕中淀粉的分子量,减弱了受热凝胶化之后油莎豆粕淀粉的分子间作用力,并充分破坏了淀粉的结晶结构,进而导致挤压膨化油莎豆粕粉糊的黏度远低于未挤压油莎豆粕[29]。此外,120、140和160 ℃挤压膨化油莎豆粕在升温过程中并未发生明显的黏度变化,糊化特性指标无显著差异,这也表明120 ℃以上的挤压膨化处理使得油莎豆粕中的淀粉达到一定的糊化程度,使得油莎豆粕中的淀粉分子量减小,分子间作用力减弱,这也与白晓蓉[30]的研究结果一致。
3.2.5 不同挤压膨化温度对油莎豆粕晶体结构特性的影响
伴随着淀粉结晶类型的变化,挤压膨化后物料淀粉的相对结晶度也会发生改变。杜春婷等[35]研究发现,挤压膨化会使藜麦中的淀粉糊化、膨胀、崩解,并在较大程度上破坏其晶体结构,使淀粉内部有序性下降,淀粉相对结晶度显著降低。本研究中,挤压膨化油莎豆粕中淀粉相对结晶度与未挤压膨化油莎豆粕相比显著降低,这可能是由于挤压膨化的热湿环境破坏了油莎豆粕中淀粉的结晶结构,使得结晶区分子的致密性降低,最终导致淀粉颗粒降解以及结晶度降低[31]。这样的结果也与挤压前后油莎豆粕糊化特性的分析结果一致。同时,随着挤压膨化温度的提高,油莎豆粕淀粉相对结晶度略有下降,这说明较高的膨化加工温度可能会加剧对油莎豆粕淀粉中结晶区的破坏。
3.3 不同挤压膨化温度对油莎豆粕淀粉体外消化特性的影响
研究指出,挤压膨化过程中的高温、高压、剪切外力处理会破坏作物细胞壁,在暴露出原料中淀粉的同时使淀粉糊化,使得原料中淀粉与其他大分子物质的相互作用降低,从而加大挤压后原料中淀粉与消化酶的接触面积,提高RDS含量[6,15],这与本研究的结果相反。这可能是由于水合特性的变化对原料中淀粉消化特性产生了较大影响。本试验观察到,随着挤压膨化前后油莎豆粕吸水性和膨胀性的提高,油莎豆粕的淀粉消化速度逐渐下降,这与Guo等[36]的研究结果一致,该研究认为纤维类原料有着较好的吸水性,在延长食糜排空时间的同时可以减慢血液葡萄糖的供应。本研究中,经120、140和160 ℃挤压膨化处理后,油莎豆粕吸水性指数和膨胀性显著提高,这可能增大了其在消化体系中的黏度并阻碍了底物与消化酶的接触,从而降低了挤压膨化油莎豆粕粉中淀粉的消化速度及消化率。另外,挤压膨化油莎豆粕中RS含量的提高还可能与油莎豆粕糊化度的提高有关。Wang等[37]在挤压膨化豌豆淀粉的研究中观察到,物料中淀粉的糊化度与RS含量之间存在显著的正相关关系,这是由于挤压膨化热处理后物料冷却过程中淀粉回生从而形成了不易被酶解的RS。挤压膨化后油莎豆粕中SDS或RS含量的提高可以控制动物对油莎豆粕饲料中能量的摄入,并有效促进动物产生饱腹感,因此可在适当延长动物进食的持续时间和采食间隔的同时达到控制血糖波动的目的[22,38-39]。此外,饲粮中的RS主要在动物后肠进行微生物发酵,其发酵所产生的短链脂肪酸特别是丁酸等物质可以有效调控动物肠道菌群并改善动物肠道功能[21,37]。本试验中,随着挤压膨化温度由120 ℃提升至160 ℃,挤压膨化油莎豆粕中RDS含量逐渐降低,SDS含量逐渐提高,RS含量先提高后略有降低。在3种膨化油莎豆粕中,140 ℃膨化油莎豆粕中RDS和SDS总含量最高,也就是可消化淀粉含量达到最高,同时保证了较高的RS含量。综合挤压膨化油莎豆粕淀粉体外消化特性来看,140 ℃温度条件下的挤压膨化更为适合用于油莎豆粕饲粮产品的加工生产。
4 结论
① 油莎豆粕经120、140和160 ℃挤压膨化处理后,淀粉、粗蛋白质和直链淀粉含量降低,水合特性提高,凝胶的硬度、咀嚼性及胶黏性降低。
② 挤压膨化后油莎豆粕的热糊稳定性得到改善,淀粉结晶类型从A型向V型转变,淀粉相对结晶度显著降低。
③ 挤压膨化后油莎豆粕淀粉中RDS含量降低,RS含量提高。
④ 综合分析,在本试验条件下,推荐选取140 ℃作为挤压膨化油莎豆粕的加工温度。