红外加热改变了豌豆粉的流变学行为以增强挤压膨化零食的膨化度

《Food Research International》：Infrared heating modified rheological behavior of pea flour to enhance expansion in extruded puffed snacks

　　

红外加热改变了豌豆粉的流变学行为以增强挤压膨化零食的膨化度。•红外处理糊化了淀粉并导致豌豆粉（PF）中的分子断裂。•红外改性豌豆粉需要更高的加热温度才能发展粘度。•红外加热促进了豌豆粉中淀粉、蛋白质和膳食纤维的缠结。•红外处理在140?°C下增加了豌豆粉的粘弹性和加工阻力。•改变的流变学改善了由豌豆粉挤压膨化的零食的膨化度和质地品质。

**研究背景与问题**
全球对植物基食品的需求持续增长，豌豆（*Pisum sativum* L.）因其高蛋白（20%–25%）、高膳食纤维（14%–27%）、低脂肪（1%–2%）及无主要过敏原等营养优势，成为备受关注的原料。然而，豌豆粉（PF）用于挤压膨化零食时面临关键挑战：其淀粉含量（40%–50%）低于传统谷物粉（60%–90%），且较高的蛋白质（21%–24%）和膳食纤维（12%–16%）会限制膨化度（ER），导致产品密度高、质地硬。现有改性方法（如烘烤、滚筒干燥）存在能耗高或营养损失等问题。红外（IR）加热作为一种高效、可控的物理处理技术，能诱导淀粉糊化、蛋白质变性及膳食纤维增溶，有望改善PF的流变学特性，从而提升挤压膨化性能。研究人员假设IR处理可增强PF大分子间的缠结，优化粘弹性平衡，进而改善膨化度和质地。

**研究内容与意义**
本研究以商用豌豆品种CDC Inca为原料，经调湿（24%–25%水分，24或48 h）后，利用IR加热至表面温度125–130?°C，脱壳磨粉后与未处理对照比较。采用双螺杆挤压机在145?°C和165?°C两种温度下生产膨化零食，系统评估了IR处理对PF的近端组成、流变学特性及最终产品微观结构、膨化度、密度和质地的影响。研究发现，48 h调湿的IR处理显著提高了PF的粘弹性（储存模量G′和损耗模量G″升高，损耗角正切tan δ降低），增强了熔体在挤压过程中的抗变形能力，从而使膨化零食的膨化度提升至4.5、密度降低至50.0 g/L、硬度下降至14.7 kg，同时脆性和松脆性显著改善。该工作为通过IR改性优化豆类原料的挤压加工性能提供了机制性见解，具有重要的工业应用价值。论文发表在《Food Research International》。

**主要关键技术方法**（不超过250字）
- 调湿处理：将豌豆种子（CDC Inca品种，由萨斯喀彻温大学作物发展中心提供）调湿至24%–25%水分，分别放置24 h和48 h。
- 红外加热：采用实验室级IR系统（Micronizing公司），通过气体辐射器加热至表面温度125–130?°C，处理后干燥至水分<10%。
- 挤压膨化：使用双螺杆挤压机（Brabender TwinLab-F 20/40），采用高剪切螺杆构型、2 mm圆形模口，在145?°C和165?°C（最后三区温度）两种温度下生产膨化零食，添加0.5%碳酸钙作为成核剂。
- 流变学测定：利用快速粘度分析仪（RVA 4800）在95?°C、120?°C和140?°C下测定糊化特性；使用高温流变仪（Discovery HR-20）在140?°C、2.5 bar压力下进行振幅扫描（AS）和频率扫描（FS），获取G′、G″及tan δ。
- 微观结构观察：采用场发射扫描电镜（SEM，SU8010）观察挤压产品横截面。
- 质地分析：使用质构仪（TA.XT.Plus）进行压缩测试，记录硬度、脆性和松脆性。

**研究结果**
**3.1 近端组成**
通过RVA和化学分析发现，IR处理未显著改变总淀粉含量，但降低了直链淀粉含量（48 h处理更明显），并显著增加了损伤/糊化淀粉含量（从2.2%升至73.2%，干淀粉基）。这表明IR加热诱导了淀粉糊化和部分分子降解。

**3.2 微观结构特征**
SEM图像显示，48 h IR处理的膨化零食呈现更大的气泡（黄色圆圈标记）和更薄、更均匀的细胞壁（红色虚箭头），而对照和24 h样品气泡较小、壁厚且不规则，表明48 h IR处理更有利于蒸汽保留和气泡稳定。

**3.3 膨化率、密度和质地特性**
48 h IR处理的样品在145?°C和165?°C下均表现出最高的膨化率（ER 4.3和4.5）、最低的密度（BD 54.3和50.0 g/L）和最低的硬度（15.2和14.7 kg），同时脆性和松脆性也最高。对照和24 h样品的这些指标显著较差，尤其在较低温度下。较高挤压温度（165?°C）整体上进一步改善了质地属性。

**3.4 水吸收和水溶性指数**
IR处理对水吸收指数（WAI）无显著影响，但显著降低了水溶性指数（WSI），表明IR处理促进了淀粉、蛋白质和纤维间的物理缠结，限制了溶解性。

**3.5 挤压产品近端组成**
挤压后所有样品的总淀粉和直链淀粉含量均略有下降，损伤淀粉含量升至88.6%–92.5%，且不同样品间化学组成基本一致，说明膨化差异主要源于流变学特性而非组成。

**3.6 流变学特性**
- **3.6.1 糊化特性**：在95?°C下，IR处理样品的峰值和最终粘度显著低于对照；但在120?°C和140?°C下，IR处理样品（尤其是48 h）的粘度反超对照，表明其需要更高温度才能充分发展粘度，具有更强的耐高温加工能力。
- **3.6.2 粘弹性特性**：振幅扫描显示，在140?°C线性粘弹区（LVR）内，48 h IR处理的PF具有最高的G′（137.5 Pa）和G″（56.2 Pa）及最低的tan δ（0.42），且G′-G″交叉点出现在更高应变，表明其网络结构更坚固。频率扫描进一步证实，48 h样品在0.1–25 Hz范围内保持较低的tan δ，弹性主导行为更稳定，而对照在高频下向粘性转变。

**讨论与结论**
讨论部分指出，IR处理通过诱导淀粉糊化、蛋白质变性及分子间缠结，显著改变了PF的流变学行为。48 h IR处理的PF在140?°C下展现出更高的粘弹性模量和更低的tan δ，这增强了熔体在挤压过程中的伸展性和蒸汽保留能力，从而形成更大、更均匀的气泡结构，最终改善膨化产品的质地。RVA结果支持了温度依赖性粘度变化，证实IR处理强化了分子网络。水溶性指数的降低进一步印证了物理缠结的存在。研究结论翻译如下：
本研究阐明了IR加热，尤其是与较长调湿时间（48 h vs 24 h）结合时，能够实现更高程度的淀粉糊化和直链淀粉含量降低（可能与淀粉链中糖苷键断裂有关）。当PF被挤压成膨化零食时，调湿时长和挤压温度均影响膨化性能和质地属性；然而，不同样品挤压产品的化学组成基本可比。因此，为了解释膨化零食样品间的膨化和质地差异，研究人员对相应PF样品进行了以下评估：（1）在140?°C下使用高温流变仪进行振幅扫描和频率扫描以模拟挤压相关条件；（2）在95?°C、120?°C和140?°C下使用RVA评估不同热条件下的糊化行为。48 h IR处理的PF表现出增强的粘弹性，以更高的G′和G″及更低的tan δ为特征，表明其网络强度和弹性优势优于对照和24 h样品。RVA分析也支持这些结果，显示IR处理PF在高温下（120?°C和140?°C）发展出更高的粘度，表明其比对照具有更强的耐高温加工能力。这些IR加热后的热机械变化在挤压膨化零食的微观结构中显而易见：48 h IR处理的样品展现出更大的气泡、更薄更均匀的细胞壁以及整体结构稳定性改善。增强的热和剪切应力耐受性可能使蒸汽能够有效保留并在模口释放时持续气泡生长。因此，与对照和24 h样品相比，由48 h IR处理PF生产的零食表现出更高的膨化率、更低的密度、更低的硬度以及增加的脆性和松脆性。总之，本研究提供了机制性见解，揭示了IR处理如何有效改变PF的结构、组成和流变学属性，以优化挤压性能和零食质地。除了增强膨化和质地品质外，IR处理还代表了一种节能方法，符合行业对最小加工和高附加值豆类原料的优先考虑。然而，本研究的一个关键局限性是仅使用一个豌豆品种和单一目标表面温度，这可能限制研究结果的广泛适用性。未来研究将考察不同IR强度和波长对多种豆类品种和商业类别的影响，还需进行系统分子水平分析以阐明淀粉、蛋白质和膳食纤维之间的相互作用，并更好地理解所提出的分子间缠结的本质。此外，虽然流变学测量为对照和IR处理PF的热粘弹性行为提供了宝贵见解，但研究人员承认流变仪无法完全复制挤压加工中遇到的热机械复杂环境。