近年来，即食杂粮粉凭借其便利、实惠和营养丰富的优点得到迅速发展。我国杂粮品种繁多，营养价值丰富，每日摄入适当杂粮可以帮助人们获取更多的膳食纤维和必需氨基酸[1]，杂粮除可以作为主食解决温饱问题以外，其还含有多种功能活性物质如不饱和脂肪酸、维生素、黄酮和多酚类化合物等，这些活性物质在预防慢性疾病发生方面发挥着积极的作用。周小理等[2]研究发现用40%苦荞淀粉替换玉米淀粉的高脂饲料喂食小鼠6周，其体重增长幅度及动脉粥样硬化发病和糖尿病并发趋势率明显低于纯高脂饮食小鼠。刘文婷等[3]研究发现，用燕麦馒头喂食高脂小鼠6周后其血脂和肝损伤程度明显降低。
与精细白米相比，杂粮因其粗纤维含量高造成口感粗糙，不易被消费者所接受。挤压膨化作为一种高效率、多功能、低成本和低能耗的热机械加工技术，在食品加工领域应用广泛，例如休闲膨化小吃、宠物食品和即食早餐等。挤压过程中原料中的大分子物质在水分、压力、温度和剪切力的共同作用下发生降解和结构改变[4]，能有效提高杂粮产品的适口性。另外将多种杂粮粉复配并进行挤压膨化处理，可实现各杂粮之间营养物质的相互补充，从而获得更高营养价值的挤压制品。目前对于挤压杂粮复配粉的研究多集中在工艺优化方面[5]，在原料选择方法方面的研究较少，而且杂粮粉的配方确定也多以感官评价为主要指标，较少从杂粮粉蛋白质氨基酸含量和低血糖生成指数（glycemic index，GI）角度进行研究。
因此本文从7种常见的谷物和豆类中选择出3种经挤压后估计血糖生成指数（estimated glycemic index，eGI）低的原料，采用氨基酸评分（amino acid score，AAS）原则确定这3种原料的适宜配比，通过单因素试验和正交试验对杂粮粉的挤压工艺参数进行优化，开发一种必需氨基酸含量均衡，且eGI值较低的功能性即食杂粮粉，以期为即食杂粮粉的发展提供更多参考依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
薏仁、苦荞、燕麦、小米、绿豆、黑豆、鹰嘴豆：市售。所有原料均粉碎过60目筛，装袋塑封常温下保存备用。
高峰 α-淀粉酶（4 000 U/g）、糖化酶（≥100 U/mg）、猪胰腺α-淀粉酶（12 U/mg）：上海源叶生物科技有限公司；葡萄糖检测试剂盒：北京雷根生物技术有限公司；石油醚、酒石酸钾钠、葡萄糖、氢氧化钠、乙酸、无水乙酸钠（均为分析纯）：天津永大化学试剂开发中心。
1.2 仪器与设备
双螺杆挤压膨化机（LT36L）：山东济南真诺机械有限公司；热风循环烘箱（CT-C型）：常州市东南干燥设备有限公司；全自动凯氏定氮仪（K1100）：济南海能仪器股份有限公司；台式高速冷冻离心机（TGL21M）：湖南易达京华仪器有限公司；全波长扫描酶标仪（1500-823型）：美国Thermo Scientific公司；高效液相色谱仪（Agilent 1200）：美国安捷伦有限公司。
1.3 方法
1.3.1 即食杂粮粉原料及配比的确定
分别挤压加工薏仁、苦荞、燕麦、小米、绿豆、黑豆和鹰嘴豆7种原料，粉碎过筛至60目，将挤压后eGI值较低的3种杂粮作为即食杂粮粉的目标原料。利用氨基酸评分原则确定这3种目标原料的第一限制性氨基酸和原料的适宜配比。
1.3.2 即食杂粮粉双螺杆挤压工艺单因素试验
分别考察物料加水量为12%、14%、16%、18%、20%，挤压温度为 100、120、140、160、180 ℃，以及螺杆转速为 180、240、300、360、420 r/min 对杂粮粉水溶性指数（water solubility index，WSI）和吸水性指数（water absorption index，WAI）的影响。
1.3.3 即食杂粮粉双螺杆挤压工艺优正交试验
结合单因素试验结果，确定物料加水量（A）、挤压温度（B）、螺杆转速（C）的3个水平进行正交试验，并以挤压后杂粮粉的WSI为主要考察指标来获得溶解性较好的即食杂粮粉，正交试验因素水平如表1所示。
表1 正交试验因素和水平
Table 1 Factors and levels of the orthogonal test
水平 因素A物料加水量/%B挤压温度/℃C螺杆转速/（r/min）1 12 100 240 2 14 120 300 3 16 140 360
1.4 指标测定方法
1.4.1 基本成分测定
水分含量的测定方法参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》中的直接干燥法；淀粉含量的测定方法参考GB 5009.9—2016《食品安全国家标准食品中淀粉含量的测定》中的酶水解法；蛋白质含量的测定方法参考GB 5009.5—2016《食品安全国家标准食品中蛋白质含量的测定》中的凯氏定氮法；脂肪含量的测定方法参考GB 5009.6—2016《食品安全国家标准食品中脂肪的测定》中的索氏抽提法。
1.4.2 淀粉体外消化
淀粉体外消化的测定在Englyst等[6]的方法基础上进行适当修订。
准确称取一定质量的样品于100 mL磨口锥形瓶内，同时加入醋酸钠缓冲溶液20 mL，5颗玻璃珠和10 mL混合酶液（猪胰腺α-淀粉酶290 U/mL，糖化酶50 U/mL）后，在37℃水浴中，150r/min的转速下充分振荡反应，每间隔一定时间（0、20、60、90、120、180 min 时）取0.2mL消化液用去离子水定容至1mL。灭酶后的消化液离心取上清液用葡萄糖检测试剂盒测定水解产生的葡萄糖含量，并计算样品淀粉水解率，公式如（1）所示。
式中：SH为淀粉水解率，%；Gp为消化过程中产生的葡萄糖量，mg；Si为淀粉的初始量，mg；0.9为葡萄糖到淀粉的转化系数。
对淀粉体外消化曲线进行非线性拟合[7]，以进一步描述淀粉的消化过程，公式如（2）所示。
式中：C为t时刻淀粉水解率，%；C∞为淀粉水解的平衡百分率，%；k为动力学常数。
1.4.3 eGI值的计算
eGI值参考马艳丽等[8]的方法计算，水解曲线下面积（the areas under hydrolysis curves，AUC）的值通过软件Origin2019b积分求得，相关计算公式如（3）和（4）所示。
式中：HI为淀粉水解指数；AUC样品为样品的淀粉水解曲线下面积；AUC白面包为白面包的淀粉水解曲线下面积。
1.4.4 必需氨基酸含量的测定及氨基酸评分
氨基酸含量的测定采用高效液相色谱法，参考谢立娜等[9]的方法对样品进行前处理及氨基酸衍生。
氨基酸评分（AAS）[10]的相关公式如（5）所示。各原料之间的配比计算参考罗新也等[11]的研究。
式中：标准模式是指联合国粮食组织和世界卫生组织提出的符合成年人需要的必需氨基酸FAO/WHO模式。
式中：M为原料在配方中的用量，以质量份表示；m1为配方中某一原料的必需氨基酸含量，以质量份表示；m2为原料蛋白质含量，%；m3为原料蛋白质中必需氨基酸含量，%。
1.4.5 挤压杂粮粉WSI和WAI的测定
WSI和WAI的测定参考Basilio-atencio等[12]的方法，计算公式如（7）和（8）所示。
3种原料在配方中的用量计算公式如（6）所示。
式中：m1为上清液恒重后质量，g；m2为样品初始质量，g。
式中：m2为样品初始质量，g；m3为离心后沉淀胶体质量，g。
1.5 数据统计分析
试验结果均以平均值±标准偏差的形式进行统计，绘图分析使用Origin 2019b软件，利用SPSS（24.0版本）及Excel 2019软件对单因素和正交试验的结果进行分析，显著性分析采用Duncan's多极差检验，P＜0.05被认为具有统计学意义。
2 结果与分析
2.1 挤压加工对原料基本理化指标的影响
挤压加工对原料基本理化指标含量的影响见表2。
表2 原料挤压前后基本营养成分
Table 2 Basic nutrients before and after extrusion g/100 g
注：同列不同字母表示具有显著差异（P＜0.05）。
原料 水分含量 淀粉含量 蛋白质含量 脂肪含量挤压前 挤压前 挤压前 挤压前 挤压后薏仁 11.79±0.09a 55.20±1.10c 15.98±0.42d 6.10±0.14b 3.61±0.29d苦荞 10.18±0.09c 70.77±0.76b 12.57±0.08e 4.89±0.26c 1.20±0.05e燕麦 10.74±0.14b 53.95±1.24c 15.62±0.78d 5.55±0.07bc 2.90±0.42d小米 11.71±0.06a 78.19±1.30a 11.18±0.17e 3.30±0.28d 0.97±0.09e绿豆 11.43±0.06a 47.93±0.78d 24.08±2.05c 1.25±0.49e 1.03±0.03e黑豆 8.37±0.14d 11.61±0.59f 36.34±0.01a 16.25±0.07a 15.60±0.28a鹰嘴豆 10.91±0.04b 43.67±2.27e 27.44±0.48b 5.72±0.84b 5.35±0.35bc挤压后5.81±0.31c 6.09±0.66c 7.67±0.06a 5.34±0.04d 5.64±0.08d 6.85±0.07b 4.18±0.07e挤压后50.77±0.30b 67.82±0.32a 50.54±0.47b 69.11±0.85a 45.03±0.49c 10.90±0.19e 42.21±1.56d挤压后15.07±0.01c 11.14±0.10d 14.04±0.00c 9.94±1.39d 23.07±0.35b 34.12±0.25a 23.62±0.81b
由表2数据可知，原料挤压前，薏仁、苦荞、燕麦和小米的淀粉含量明显高于绿豆、黑豆和鹰嘴豆的淀粉含量，其中黑豆淀粉含量（11.61 g/100 g）最低；而杂豆类蛋白质含量高于谷类，黑豆的蛋白质含量（36.34 g/100 g）最高。黑豆的脂肪含量（16.25 g/100 g）最高，薏仁和鹰嘴豆的脂肪含量并无显著差异，绿豆的脂肪含量（1.25 g/100 g）最少。挤压加工后7种原料的各营养成分含量均出现不同程度的下降，其中黑豆水分含量下降幅度最小，为18.16%，鹰嘴豆水分含量下降幅度最大，为61.67%，这主要是是因为高温高压的挤压环境会加速原料水分的蒸发。7种原料挤压后淀粉含量下降了3.34%～11.61%，蛋白质含量下降了5.69%～11.09%。苦荞的脂肪含量下降幅度最高，为75.46%，黑豆的脂肪含量下降幅度最低，为4%。汪丽萍等[13]在研究多谷物挤压前后主要成分含量变化时也得到了类似的结论。这可能是由于大分子淀粉受热降解成糊精和还原糖等小分子物质[14]，从而使总淀粉含量下降；而且Hagenimana等[15]研究显示挤压过程中脂肪、蛋白质含量的降低是蛋白质变性、直链淀粉和脂质复合物的形成等化学和结构变化导致的。
2.2 淀粉体外消化的测定
7种原料挤压后淀粉体外消化曲线见图1。
图1 杂粮淀粉体外消化曲线
Fig.1 In vitro digestion curve of multigrain starch
不同小写字母表示具有显著差异（P＜0.05）。
由图1可知，7种挤压原料与对照白面包的淀粉体外消化曲线变化趋势基本一致，前120 min淀粉消化率逐渐增加，120 min～180 min达到平衡，这与韩玲玉[16]在不同全谷物淀粉体外消化进程中的研究结果相一致。其中7种挤压原料的淀粉体外消化率小米（79.04%）最高，其次是薏仁（74.55%）、绿豆（69.86%）、鹰嘴豆（69.04%）、燕麦（66.41%）、苦荞（55.56%）和黑豆（12.89%）。在体外消化进行到180 min时，除绿豆和鹰嘴豆的淀粉消化率没有显著差异外，其余挤压杂粮粉的淀粉消化程度存在显著性差异（P＜0.05），这可能归因于淀粉的结构性质和粒径分布的差异，也可能是由于淀粉与其他营养物质（如蛋白质或脂类）的相互作用造成的[17]。180 min消化结束后挤压黑豆粉的淀粉体外消化率为12.89%，显著低于其他原料（P＜0.05）。这一结果与朱雨柔等[18]的试验结果相一致，这可能是因为黑豆淀粉含量低，且淀粉组成主要是以不能被小肠中的酶水解消化的抗性淀粉[19]为主。
2.3 挤压后原料的拟合模型参数及eGI值
7种挤压原料及白面包的淀粉消化非线性拟合模型的参数及eGI值如表3所示。
表3 白面包及不同原料的拟合模型参数及eGI值
Table 3 Fitting model parameters and eGI values for white bread and different materials
注：同列不同字母表示具有显著差异（P＜0.05）。
原料 C∞ k R2 HI eGI白面包 78.57±1.67ab0.07±0.010a0.990 100.00±0.00a94.40±0.00a薏仁 76.73±3.85ab0.02±0.002c0.987 76.48±2.16c74.12±1.86c苦荞 55.86±0.70d0.03±0.002b0.998 64.90±1.83e64.14±1.58e燕麦 67.20±3.07c0.02±0.003c0.988 68.51±1.94d67.25±1.67d小米 80.51±2.57a0.02±0.002c0.994 82.43±2.33b79.25±2.01b绿豆 73.65±5.95b0.02±0.004c0.975 70.71±2.00d69.15±1.72d黑豆 12.96±0.28e0.03±0.002b0.995 14.52±0.41f20.72±0.35f鹰嘴豆 66.52±2.14c0.03±0.004b0.989 74.94±2.12c72.79±1.83c
由表3可知，C∞表示淀粉水解平衡百分率，C∞越大说明淀粉水解越充分，7种挤压原料中，小米的C∞最高，其次是薏仁和绿豆，黑豆的C∞最小，动力学常数k值反映淀粉水解速率，k值越大，淀粉水解的速度越快，挤压加工后黑豆、鹰嘴豆和苦荞的k值高于其他原料，表明前者淀粉水解速率快。
挤压加工后小米的eGI值最高，其次是薏仁和鹰嘴豆，三者属于高血糖生成指数（eGI＞70）原料；苦荞、燕麦和绿豆的eGI值在64.14～69.15，为中等血糖生成指数（55＜eGI＜70）原料。黑豆的 eGI值最低为 20.72，属于低血糖生成指数（eGI＜55）原料。本研究选择eGI值较低的苦荞、燕麦和黑豆作为即食杂粮粉的原料。
2.4 必需氨基酸含量及杂粮粉配比
苦荞、燕麦和黑豆的氨基酸评分结果如表4所示。
表4 必需氨基酸组成及评分
Table 4 Composition and score of essential amino acids
必需氨基酸 原料中氨基酸含量/（mg/g） 蛋白质中氨基酸含量/（mg/g）FAO/WHO氨基酸评分苦荞 燕麦 苦荞 燕麦 黑豆 苦荞 燕麦 黑豆异亮氨酸 4.22 5.35 37.88 38.11 43.32 40 95 95 108亮氨酸 8.43 8.17 75.67 58.19 89.07 70 108 83 127赖氨酸 6.27 5.25 56.28 37.39 62.60 55 102 68 114蛋氨酸+胱氨酸 3.34 4.41 29.98 31.41 12.95 35 86 90 37苯丙氨酸+酪氨酸 6.25 8.49 56.10 60.47 97.24 60 93 101 162苏氨酸 4.10 4.40 36.80 31.40 35.96 40 92 79 90缬氨酸 4.83 6.50 43.36 46.27 44.78 50 87 93 90黑豆14.78 30.39 21.36 4.42 33.19 12.27 15.28
由表4数据可知，苦荞最低氨基酸评分为蛋氨酸和胱氨酸的86分，燕麦最低氨基酸评分为赖氨酸的68分，黑豆最低氨基酸评分为蛋氨酸和胱氨酸的37分，评分最低的氨基酸即为原料的第一限制性氨基酸。3种杂粮的第一限制性氨基酸不完全一致，氨基酸具备互补条件。虽然苦荞和黑豆的第一限制性氨基酸相同，但苦荞的得分高于黑豆，仍可以作为黑豆蛋氨酸和胱氨酸的补充，故将黑豆分别与苦荞和燕麦进行配比计算。设定苦荞和黑豆的必需氨基酸含量在配方杂粮粉必需氨基酸总量中的含量分别为X1和Z1。假设互补之后的赖氨酸评分为110，蛋氨酸+胱氨酸评分为80，得到如下方程组（1）。
同理设燕麦和黑豆的必需氨基酸含量在配方杂粮粉必需氨基酸总量中的含量分别为Y2和Z2。假设互补之后的赖氨酸评分为100，蛋氨酸+胱氨酸评分为80，得到如下方程组（2）。
将方程组（1）和（2）的结果相加除以2，即得苦荞在配方中的必需氨基酸含量为0.418 8，燕麦在配方中的必需氨基酸含量为0.35，黑豆在配方中的必需氨基酸含量为0.3377，经核算，配比之后赖氨酸评分为105，蛋氨酸和胱氨酸评分为80。
3种原料蛋白质含量及其蛋白质中必需氨基酸含量如表5所示。
表5 3种原料蛋白质含量及其蛋白质中必需氨基酸含量
Table 5 Protein content of three raw materials and essential amino acid content in proteins
原料 蛋白质含量/% 蛋白质中必需氨基酸含量/%苦荞 11.14 40.48燕麦 14.04 39.62黑豆 34.12 42.35
结合表5数据，计算得到各原料用量：苦荞为9.29，燕麦为 6.29，黑豆为 2.34；即苦荞、燕麦、黑豆的适宜配比为 52∶35∶13（质量比）。
2.5 挤压参数的工艺优化试验结果
2.5.1 单因素试验结果
WAI和WSI是评价挤压加工制品的重要指标。WAI代表淀粉的吸水能力，也是衡量挤压原料糊化程度的重要指标，糊化度越高，WAI值越大。WSI与可溶性小分子量化合物的含量有关，高WSI说明挤压物料的可溶性物质越多，溶解性越好。
物料加水量对WAI和WSI的影响见图2。
图2 不同加水量对WSI和WAI的影响
Fig.2 Effect of water addition on WSI and WAI
同一指标不同字母表示差异显著，P＜0.05。
从图2可知，保持螺杆转速和挤压温度不变，随着物料加水量增加，WSI先增大到8.52%后减小到6.67%；而WAI变化趋势相反，为先减小到3.83后增大到4.19。当水分含量较少时，物料之间以及物料与螺杆之间的摩擦增大，剪切效应增强，更有利于大分子物质的降解，增加可溶性物质的含量，使得WSI增大；较高的水分含量会降低黏度，减弱剪切效应，从而降低淀粉聚合物的糊精度，导致WSI值下降。WAI的降低可能与淀粉颗粒在挤压过程中由于糊化而破碎有关，而高水分含量可以起到润滑剂的作用[15]，减小大分子物质的断裂降解，使WAI增大。物料加水量对WAI和WSI的影响与Ali等[20]的试验结果相一致。当加水量为14%时，挤压杂粮粉的WSI值最大，WAI值最小，说明此时大分子物质降解程度最大，可溶性物质增多。所以选择物料加水量为12%～16%进行后续优化试验。
挤压温度对WAI和WSI的影响见图3。
图3 不同挤压温度对WSI和WAI的影响
Fig.3 Effect of extrusion temperature on WSI and WAI
同一指标不同字母表示差异显著，P＜0.05。
从图3可知，保持螺杆转速和物料加水量不变，随着挤压温度升高，WSI先增大到9.42%后减小到7.09%；WAI的变化随挤压温度先减小到3.40后增大到5.65。这一结果与贺也[21]研究的挤压温度对方便杂粮粉WAI值的影响结果一致。温度升高导致淀粉降解，可溶性物质增多，WSI增加[22]，当挤压温度过高时物料表面易出现焦炭化现象，物料不能得到充分的糊化，大分子物质的分解也不完全，从而使WSI逐渐减小，WAI逐渐增大。当挤压温度为120℃时，挤压杂粮粉的WSI值最大，WAI值最小，且与其他水平有显著性差异（P＜0.05）。所以选择挤压温度为100℃～140℃进行后续优化试验。
螺杆转速WAI和WSI的影响见图4。
图4 不同螺杆转速对WSI和WAI的影响
Fig.4 Effect of screw speed on WSI and WAI
同一指标不同字母表示差异显著，P＜0.05。
从图4可知，保持挤压温度和物料加水量不变，随着螺杆转速加快，WSI呈现出逐渐增大后趋于平缓的趋势，WSI的值由7.28%增大到8.98%；而WAI随螺杆转速先增大到4.56后减小到3.64。较低的螺杆转速会延长物料的停留时间从而增加热能输入，可能使淀粉降解和WAI增加[23]。Sobukola等[24]的研究中也得出WSI随螺杆转速增加而增加的结论，这是因为较高的螺杆转速下，剪切效应的增加可能会导致淀粉糊化或淀粉的机械破坏，使淀粉颗粒的分子量降低，从而增加WSI。当螺杆转速从300 r/min增大至420 r/min时，WSI值变化不显著，WAI则继续减小，若综合WSI和WAI两个指标的变化，并结合生产实际，从能源节约的角度出发，选择300 r/min为适宜螺杆转速。所以选择螺杆转速为240 r/min～360 r/min进行后续优化试验。
2.5.2 正交试验结果
杂粮粉双螺杆挤压正交试验结果如表6所示，方差分析结果如表7所示。
表6 WSI正交试验结果
Table 6 WSI orthogonal test results
试验号 A物料加水量/%B挤压温度/℃C螺杆转速/（r/min） D空白 WSI/%1 1 1 1 1 7.28 2 1 2 2 2 8.36 3 1 3 3 3 8.02 4 2 1 2 3 7.96 5 2 2 3 1 8.98 6 2 3 1 2 8.18 7 3 1 3 2 7.48 8 3 2 1 3 8.32 9 3 3 2 1 7.86 k1 7.89 7.57 7.93 8.04 k2 8.37 8.55 8.06 8.01 k3 7.89 8.02 8.16 8.10极差R 0.49 0.98 0.23 0.06主次顺序 B＞A＞C最优组合 A2B2C3
表7 方差分析结果
Table 7 Results of variance analysis
方差来源 偏差平方和 自由度 均方 F值 P值A 0.47 2 0.236 8 35.291 4 0.03 B 1.44 2 0.722 2 107.609 3 0.01 C 0.08 2 0.041 1 6.125 8 0.14 D（误差） 0.01 2 0.006 7
由表6可知，影响挤压产品WSI的因素依次为挤压温度＞物料加水量＞螺杆转速。由表7方差分析结果可知，挤压温度和物料加水量对WSI结果影响显著（P＜0.05），螺杆转速对WSI结果影响不显著。直观分析与方差分析结果一致。虽然螺杆转速对WSI的影响不显著，但在实际生产过程中，为保证生产效率，在不影响产品质量的前提下，选择适当提高螺杆转速，因而确定适宜工艺参数组合为A2B2C3，即物料加水量为14%，挤压温度120℃，螺杆转速360 r/min，即为正交试验5号组合，它的WSI值最大，为8.98%。
3 结论
本研究旨在开发一种必需氨基酸含量均衡且eGI低的功能性即食杂粮粉，挤压加工后原料中的水分、蛋白质、脂肪和淀粉含量均出现不同程度的减少，以挤压后eGI值较低的苦荞、燕麦和黑豆为原料，通过氨基酸评分原则确定三者的适宜配比为52∶35∶13（质量比）且互补后第一限制性氨基酸评分增加，推算赖氨酸评分为105，蛋氨酸和胱氨酸评分为80。以WSI为主要参考指标，通过单因素试验和正交试验确定了适宜挤压工艺参数：物料加水量14%，挤压温度120℃，螺杆转速360 r/min，此条件下测得挤压杂粮粉的WSI为8.98%。本研究证实了利用苦荞、燕麦和黑豆为原料开发即食杂粮粉的可行性，为其在食品领域的综合开发利用和挤压杂粮粉的实际生产提供了依据和参考。
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