使用车前子膳食纤维或高甲氧基果胶来提升工业挤出生产线中藜麦和米制品的质量

《Future Foods》：Psyllium dietary fiber or high-methoxyl pectin to improve the quality of quinoa and rice extrudates in an industrial extrusion line

　　本研究评估了高甲氧基果胶和水苏柳纤维对大米-藜麦挤压零食物理、抗氧化及质地特性的影响。结果显示水苏柳纤维在保持膨胀和降低硬度方面更优，而果胶显著提升水分吸收和抗氧化活性。

　　本研究探讨了在工业挤压设备上添加高甲氧基果胶或亚麻籽纤维对藜麦和大米挤压零食的影响。通过对这些产品的物理、理化、抗氧化性和质地特性的分析，研究揭示了膳食纤维在改善零食营养和感官特性方面的潜力。研究结果表明，添加亚麻籽纤维对零食的膨胀指数（EI）几乎没有影响，而添加果胶则显著降低了EI。此外，果胶的添加提高了零食的水分吸收指数（WAI）和水分溶解指数（WSI），显示出其在提高水分保持能力和改善产品质地方面的优势。同时，果胶和亚麻籽纤维的添加也显著提升了零食的抗氧化活性，包括抗自由基能力（ABTS和DPPH方法）和还原力（FRAP方法），以及总酚类物质含量（TPC）。在质地方面，研究发现亚麻籽纤维的添加有助于提高零食的脆度和脆性，特别是在5%和7%的添加比例下，显示出更好的结果。

### 一、膳食纤维的基本概念及其在食品工业中的重要性

膳食纤维（DF）是植物细胞壁中一组异质化合物，既不能被人体小肠消化和吸收，也不参与能量代谢，但具有重要的生理功能。膳食纤维可分为非碳水化合物聚合物（如木质素和蜡）和碳水化合物（如非淀粉多糖、抗性寡糖和抗性淀粉）两大类。根据其在水中的溶解性，膳食纤维又可分为可溶性膳食纤维（如果胶、某些水合胶体）和不可溶性膳食纤维（如木质素、纤维素和某些半纤维素）。膳食纤维的分子量大小也会影响其特性，例如高分子量的非淀粉多糖可能对产品的结构和质地产生更大的影响。

全球范围内，尽管不同地区对每日膳食纤维摄入量的建议存在差异，但大多数权威机构普遍认为，成年人每日摄入至少20克膳食纤维是必要的，以维持肠道健康并降低心血管疾病、糖尿病和某些癌症的风险。随着健康意识的提升，膳食纤维的摄入已成为人们饮食中的重要组成部分。然而，传统膳食纤维来源如谷物、豆类、水果和蔬菜的摄入量往往受到饮食习惯和可得性的限制。因此，近年来许多研究开始关注如何从植物副产品中提取膳食纤维，如麸皮、果皮、茎、种子、叶、根等，以提供更丰富的膳食纤维来源，并赋予食品新的功能性。这种趋势不仅有助于提高食品的营养价值，还能够改善其加工性能和感官特性。

在食品加工领域，特别是营养强化食品的生产中，使用其他谷物如藜麦是一种战略性的选择。藜麦富含必需氨基酸，而传统谷物如大米则缺乏这些成分。然而，仅使用藜麦粉制作挤压零食可能导致膨胀能力下降，因为藜麦中的淀粉含量较低（53.2至75.1克/100克），从而影响最终产品的质地和体积。此外，膳食纤维的添加可能会对食品的感官质量产生影响，例如改变其体积、硬度和脆度等特性。因此，研究膳食纤维对挤压零食的影响，有助于开发出既营养又符合消费者口味的新型食品。

### 二、研究方法与材料

本研究使用的材料包括藜麦粉、大米粉、亚麻籽纤维和高甲氧基果胶。其中，藜麦粉和大米粉由当地供应商提供，亚麻籽纤维和果胶则分别来自Connplants和El Molino Verde。为了进行化学分析，研究还使用了Sigma Aldrich和Merck等公司提供的标准试剂和分析级物质。所有实验均在实验室条件下进行，并遵循严格的实验操作规程。

在实验过程中，采用工业级挤压设备进行零食的生产。挤压过程中的温度设定为75°C、105°C和135°C，而螺杆转速则保持在252 rpm。挤压后，零食在145°C下进行连续烘焙1.5分钟，随后自然冷却并在旋转鼓中包装。为了对比不同纤维添加情况下的零食特性，还制作了不含膳食纤维的对照组，其配方为藜麦粉和大米粉按50:50的比例混合。

为了评估零食的物理性质，包括膨胀指数（EI）、长度和堆积密度（BD），研究采用了多种测量方法。例如，EI通过测量零食直径与挤压出口直径的比值进行计算，而BD则使用体积置换法，以亚麻籽作为标准物质进行测定。此外，为了分析零食的水分吸收和溶解能力，研究对每种配方的样品进行了水合处理，并通过离心分离后测定其吸收和溶解的水分重量。

在测定零食的抗氧化性能时，研究采用了三种不同的方法：抗自由基能力（ABTS和DPPH方法）、还原力（FRAP方法）和总酚类物质含量（TPC）。这些方法均基于特定的化学反应原理，能够有效地评估食品中抗氧化成分的含量和活性。此外，研究还对零食在储存过程中的质地变化进行了分析，包括硬度、脆性、破碎次数和脆性功等参数。这些参数的测定使用了万能材料试验机，通过特定的测试探针对零食进行压缩测试，并记录其力学性能的变化。

### 三、研究结果与讨论

#### 3.1 膨胀指数、长度和堆积密度

研究结果表明，添加亚麻籽纤维的零食与对照组在膨胀指数（EI）上没有显著差异（p>0.05），而添加果胶的零食则表现出较低的EI值（p<0.05）。这一现象可能与果胶的高吸水性有关，其在挤压过程中可能影响淀粉的膨胀能力。相比之下，亚麻籽纤维在挤压过程中能够维持更稳定的结构，从而促进更好的膨胀效果。此外，研究还发现，添加亚麻籽纤维的零食在长度和堆积密度方面与对照组相近，而添加果胶的零食则表现出更高的堆积密度。

这些结果表明，亚麻籽纤维在工业挤压条件下可能比果胶更有利于维持产品的体积和结构稳定性。在以往的研究中，一些学者发现添加可溶性膳食纤维（如果胶）可能会导致产品体积缩小，而不可溶性膳食纤维（如亚麻籽）则可能对产品的膨胀性产生更小的影响。因此，本研究的结果与已有文献相符，进一步验证了亚麻籽纤维在食品加工中的应用潜力。

#### 3.2 水分吸收与溶解能力

在水分吸收和溶解能力方面，研究发现添加膳食纤维的零食在WAI和WSI方面均显著高于对照组（p<0.05）。这可能与膳食纤维的高亲水性有关，它们能够有效吸收水分，并促进水分在食品中的均匀分布。此外，研究还发现，随着膳食纤维添加比例的增加，WAI和WSI值也随之上升，这表明膳食纤维的添加能够显著改善食品的水分保持能力。

在文献中，一些研究已经表明，膳食纤维的添加能够提高食品的水分吸收能力，从而改善其质地和口感。例如，有研究表明，使用多谷物混合物制作的挤压零食在水分吸收指数方面表现出较高的值，这可能与其较高的纤维含量有关。相比之下，本研究中添加果胶的零食表现出更高的WAI和WSI值，这可能与其较强的亲水性有关。然而，亚麻籽纤维在某些情况下也能提供较高的水分吸收能力，这与其复杂的分子结构和高吸水性有关。

#### 3.3 水分含量与水活度

研究还发现，挤压后的零食水分含量和水活度均较低，这有助于维持其微生物稳定性和质地特性。此外，添加膳食纤维的零食在干燥后表现出更高的水分保持能力，这可能与其较强的吸水能力有关。值得注意的是，添加果胶的零食在水活度方面表现出更高的值，这可能与其分子结构和吸水能力有关。

水活度是食品质量的重要指标之一，它不仅影响食品的保质期，还与食品的质地和口感密切相关。在本研究中，所有添加膳食纤维的零食均表现出与对照组相似的水活度，除了7%果胶添加的样品，其水活度显著高于对照组。这一结果可能与果胶的吸水能力有关，其能够有效提高食品中的水分含量，从而影响其水活度。

#### 3.4 抗氧化性能

在抗氧化性能方面，研究发现所有添加膳食纤维的零食均表现出比对照组更高的抗氧化活性。这可能与膳食纤维中富含的酚类化合物有关，这些化合物能够有效清除自由基，并增强食品的抗氧化能力。此外，研究还发现，果胶的添加显著提高了零食的还原力和抗自由基能力（DPPH方法），这可能与其较高的酚类物质含量有关。

相比之下，亚麻籽纤维在ABTS方法中表现出更高的抗自由基能力，这可能与其含有非酚类抗氧化成分有关，如脂溶性化合物。这些成分在清除自由基方面具有独特的优势，因此在某些情况下可能比酚类化合物更具功效。此外，研究还发现，所有添加膳食纤维的零食均表现出比对照组更高的总酚类物质含量（TPC），这进一步支持了膳食纤维在改善食品抗氧化性能方面的潜力。

#### 3.5 质地分析

在质地分析方面，研究发现添加亚麻籽纤维的零食在储存过程中表现出较低的硬度和较高的脆性，这可能与其形成的更松散结构有关。相比之下，添加果胶的零食硬度较高，这可能与其形成的更紧密结构有关。此外，研究还发现，添加膳食纤维的零食在储存过程中表现出更高的破碎次数（Nsr）和脆性功（Wc），这表明它们在储存过程中能够保持较好的脆度。

这些结果表明，膳食纤维的添加不仅能够改善食品的物理特性，还能显著影响其质地和口感。在储存过程中，添加膳食纤维的零食表现出更好的脆度和较低的硬度，这可能与其形成的多孔结构有关。此外，研究还发现，添加亚麻籽纤维的零食在储存过程中表现出更高的脆性，这可能与其较强的吸水性和结构稳定性有关。

### 四、研究结论

本研究的结果表明，添加高甲氧基果胶或亚麻籽纤维对藜麦和大米挤压零食的物理、理化、抗氧化和质地特性均产生了显著影响。在膨胀指数方面，亚麻籽纤维的添加对产品的影响较小，而果胶的添加则显著降低了EI值。然而，果胶的添加显著提高了零食的水分吸收和溶解能力，这可能与其较强的亲水性有关。

在抗氧化性能方面，所有添加膳食纤维的零食均表现出比对照组更高的抗氧化活性，包括抗自由基能力、还原力和总酚类物质含量。其中，果胶的添加显著提高了还原力和抗自由基能力（DPPH方法），而亚麻籽纤维在ABTS方法中表现出更高的抗自由基能力，这可能与其含有非酚类抗氧化成分有关。

在质地方面，研究发现添加亚麻籽纤维的零食在储存过程中表现出较低的硬度和较高的脆性，而添加果胶的零食则表现出较高的硬度。这些结果表明，亚麻籽纤维在改善食品的脆度和降低硬度方面具有显著优势。此外，添加膳食纤维的零食在储存过程中表现出更高的破碎次数和脆性功，这表明它们在储存过程中能够保持较好的脆度。

综上所述，本研究的结果表明，膳食纤维的添加能够显著改善食品的物理和理化特性，同时提升其抗氧化性能和质地。其中，亚麻籽纤维在保持产品膨胀指数和降低硬度方面表现出较好的效果，而果胶则在提高水分保持能力和抗氧化活性方面具有优势。这些发现为食品工业在开发营养丰富且具有良好口感的挤压零食提供了重要的参考。