馮秋娟，肖志剛，鄭廣釗，魏 旭，葉鴻劍

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

低溫加酶擠壓玉米淀粉糊化度的研究

馮秋娟，肖志剛*，鄭廣釗，魏 旭，葉鴻劍

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

為了探討淀粉加酶擠壓轉(zhuǎn)化規(guī)律，以中溫α－淀粉酶為外加酶，利用雙螺桿擠壓機(jī)對(duì)玉米淀粉進(jìn)行了糊化實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同糊化程度的擠出物;在單因素研究基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析方法研究了機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料水分和酶濃度對(duì)擠出物糊化度的影響規(guī)律。結(jié)果表明:在機(jī)筒溫度為71.35℃、物料水分31.81%、轉(zhuǎn)速133.96r/min、酶濃度3.15u/g條件下，擠壓玉米淀粉糊化度的最優(yōu)值為55.31%。

玉米淀粉，糊化度，加酶擠壓，雙螺桿擠壓機(jī)

淀粉加酶擠壓技術(shù)是將擠壓機(jī)作為連續(xù)生物反應(yīng)器，在淀粉酶的參與下，利用擠壓機(jī)的輸送、混合、加熱等多重功能來實(shí)現(xiàn)淀粉連續(xù)生物酶轉(zhuǎn)化加工過程［1］，具有反應(yīng)時(shí)間短、能耗低、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)［2－3］。加酶擠壓是擠壓膨化技術(shù)新的研究方向，在擠壓前添加酶制劑，使物料與外加酶制劑在擠壓機(jī)內(nèi)充分作用，在機(jī)體內(nèi)綜合能量的作用下，加酶物料呈熔融狀態(tài)，順著螺桿擠壓的方向瞬間被擠出。由于加酶物料從進(jìn)入擠壓機(jī)至從腔體擠出僅5～10s，這種瞬時(shí)作用使酶在擠壓體系中保持“過程活性”，為其能夠在熔融體系中實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的生物作用提供了前提。淀粉在擠壓過程中發(fā)生糊化和降解，糊化是淀粉蒸煮過程中最重要的變化，糊化度是衡量淀粉擠壓膨化特性的重要指標(biāo)［4］，淀粉只有充分糊化后才能利于淀粉不同程度的酶解，外加淀粉酶對(duì)淀粉擠壓過程降解程度的影響國(guó)內(nèi)外學(xué)者均有研究。如Govindasamy［5］、Grafelman［6］、Vasanthan［7］、Tomas［8］等人曾利用擠壓機(jī)作為連續(xù)酶生物反應(yīng)器，分別對(duì)西米、玉米、小麥和大米淀粉的酶法擠壓進(jìn)行了研究，制備出不同轉(zhuǎn)化程度的淀粉水解產(chǎn)物;2001年T.Vasanthan［9］等人研究擠壓蒸煮添加耐高溫α－淀粉酶的大麥粉中淀粉的糊精化;山東理工大學(xué)申德超教授采用加酶擠壓技術(shù)在大米作啤酒輔料生產(chǎn)啤酒、酒精發(fā)酵［10－11］、淀粉糖漿［12－13］等方面進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)檢索尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)加酶擠壓玉米淀粉糊化度方面的報(bào)道，本研究試圖以玉米淀粉為原料，中溫α－淀粉酶為外加酶制劑，研究低溫(小于100℃)擠壓條件下雙螺桿擠壓機(jī)各擠壓參數(shù)對(duì)淀粉糊化度的影響，為加酶擠壓技術(shù)在淀粉加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉 長(zhǎng)春大成實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，水分11%;中溫α－淀粉酶 上海工碩生物技術(shù)有限公司，酶活3700u/g;0.05mol/L碘－碘化鉀溶液 自制。

DS32－Ⅱ型單螺桿擠壓機(jī) 機(jī)腔內(nèi)分I、II、III三區(qū)，濟(jì)南賽信膨化機(jī)械有限公司;721分光光度計(jì)上海尼柯儀器有限公司;HH－4數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;DL－5－B低速離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;恒溫干燥箱 上海科析實(shí)驗(yàn)儀器廠;粉碎機(jī) 北京市永光明醫(yī)療儀器廠;分析天平 精度0.1mg，日本島津公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水分測(cè)定 參照GB8304－87方法測(cè)定。

1.2.2 糊化度的測(cè)定 參照碘呈色分析法［15－16］測(cè)定。

1.2.3 擠壓操作 稱取適量α－淀粉酶，分別與45℃的蒸餾水配成懸浮液再與玉米淀粉充分混合均勻，靜置20m in，在不同的操作條件下，通過雙螺桿擠壓機(jī)擠壓，等出料穩(wěn)定后收集擠出樣品，滅酶，將擠出的樣品于100℃的恒溫箱中烘干，干燥樣品粉碎后密封保存，以備后續(xù)分析。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 以機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、物料水分、酶濃度為因素，以糊化度為指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

物料水分的單因素實(shí)驗(yàn):固定機(jī)筒溫度70℃，螺桿轉(zhuǎn)速120 r/m in和酶濃度4u/g，物料水分分別取20%、25%、30%、35%、40%，研究水分對(duì)擠壓產(chǎn)品糊化度的影響。

機(jī)筒溫度的單因素實(shí)驗(yàn):固定螺桿轉(zhuǎn)速120 r/min，酶濃度4u/g和物料水分30%，擠壓溫度分別取 60、70、80、90、100℃，研究機(jī)筒溫度對(duì)擠壓產(chǎn)品糊化度的影響。

螺桿轉(zhuǎn)速的單因素實(shí)驗(yàn):固定機(jī)筒溫度70℃，酶濃度4u/g和物料水分30%，螺桿轉(zhuǎn)速分別取100、120、140、160、180 r/m in，研究螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠壓產(chǎn)品糊化度的影響。

酶濃度的單因素實(shí)驗(yàn):固定酶濃度4u/g，物料水分30%和螺桿轉(zhuǎn)速120 r/m in，酶濃度分別取1、3、5、7、9u/g，研究酶濃度對(duì)擠壓產(chǎn)品糊化度的影響。

1.2.5 正交實(shí)驗(yàn) 經(jīng)過單因素實(shí)驗(yàn)，可以得到各因素的較佳范圍值，根據(jù)這些較佳范圍值來確定每個(gè)因素的不同水平值進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)，因素水平編碼表見表1。

表1 因素水平編碼表

本實(shí)驗(yàn)以物料水分、機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、酶濃度為因素，以糊化度為指標(biāo)，采用四因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果分析

2.1.1 物料水分對(duì)糊化度的影響 由圖1可知，隨著水分的增加，糊化度開始緩慢變化，當(dāng)從20%增加到30%時(shí)，糊化度突然變大，后又降低，水分在35%時(shí)，糊化度開始趨于平緩，因?yàn)槭羌用笖D壓，所以必須保證一定的水分才能使酶發(fā)揮活性，水分又不能太高，否則擠壓機(jī)對(duì)物料不能產(chǎn)生剪切作用，擠出的物料不成型，為乳狀，正交實(shí)驗(yàn)確定物料含水量在25%～37%間取值。

圖1 水分對(duì)糊化度的影響

2.1.2 機(jī)筒溫度對(duì)糊化度的影響 由圖2可知，當(dāng)溫度在60～80℃時(shí)，糊化度變化趨勢(shì)明顯，而當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，糊化度變化趨勢(shì)平緩，而酶只有在適宜的溫度和水分下才有活性，考慮到酶的最適作用范圍(65～70℃)和擠壓機(jī)本身的特點(diǎn)，正交實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度在60～80℃間取值。

圖2 機(jī)筒溫度對(duì)糊化度的影響

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)糊化度的影響 由圖3可知，螺桿轉(zhuǎn)速在100～180 r/m in時(shí)，糊化度變化趨勢(shì)明顯，隨著轉(zhuǎn)速的增大，糊化度變化趨勢(shì)平緩，又考慮到酶與物料在擠壓機(jī)中的作用條件和酶濃度，因此要有一個(gè)充分的作用時(shí)間，轉(zhuǎn)速不能太快，正交實(shí)驗(yàn)確定轉(zhuǎn)速在80～160 r/m in間取值。

圖3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)糊化度的影響

2.1.4 酶濃度對(duì)糊化度的影響 由圖4可知，當(dāng)酶濃度在1～5u/g時(shí)，糊化度變化趨勢(shì)明顯，之后趨于平緩，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是加酶擠壓，因此，酶的添加量要適中，加的少不起作用，加的多可以使葡萄糖發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，使得率降低，同時(shí)成本也會(huì)增加。因此，正交實(shí)驗(yàn)酶濃度在1～5u/g間取值。

圖4 酶濃度對(duì)糊化度的影響

表4 較佳擠壓參數(shù)組合及對(duì)應(yīng)糊化度

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)因素水平按表2選定，采用四因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)安排與不同擠壓條件下糊化度的測(cè)定結(jié)果見表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)安排及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.1 糊化度的回歸方程 本實(shí)驗(yàn)通過其響應(yīng)面回歸過程數(shù)據(jù)分析，建立描述糊化度(以Y表示)的二階響應(yīng)回歸模型，并進(jìn)而分析各實(shí)驗(yàn)因素X對(duì)響應(yīng)值Y的影響。經(jīng)分析整理，剔除不顯著項(xiàng)后，得到淀粉糊化度的回歸方程如下:

2.2.2 回歸方程的方差分析 方差分析結(jié)果見表3。由表3可知，回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2=88.13%，而失擬項(xiàng)F值為2.28，F(xiàn)值小，說明回歸方程擬合程度較好;水分的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)，機(jī)筒溫度的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)，螺桿轉(zhuǎn)速的一次項(xiàng)及二次項(xiàng)以及酶濃度的二次項(xiàng)，機(jī)筒溫度與物料水分的交互項(xiàng)，機(jī)筒溫度與螺桿轉(zhuǎn)速的交互項(xiàng)對(duì)糊化度的影響顯著，其余各項(xiàng)對(duì)糊化度的影響均不顯著，機(jī)筒溫度、水分和螺桿轉(zhuǎn)速是主要影響因素。

表3 方差分析表

2.2.3 最佳參數(shù)的確定 借助Design軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析及數(shù)值優(yōu)化，得到的擠壓最佳工藝參數(shù)組合見表4。

2.3 各因素交互作用對(duì)糊化度的影響

2.3.1 機(jī)筒溫度的交互作用對(duì)糊化度的影響 由圖5可知，機(jī)筒溫度與水分的交互作用較明顯，二者呈相同趨勢(shì)變化，隨著溫度的升高，糊化度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到72.5℃時(shí)開始降低，而當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度和酶濃度一定時(shí)，糊化度隨物料水分的升高而增加，當(dāng)達(dá)到32.5%時(shí)開始降低。

圖5 水分和機(jī)筒溫度的交互作用對(duì)糊化度的影響

2.3.2 螺桿轉(zhuǎn)速和水分的交互作用對(duì)糊化度的影響

由圖6可知，螺桿轉(zhuǎn)速與水分的交互作用不明顯，糊化度隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加沒有大的改變，而隨物料水分的增加開始上升后又降低。

圖6 螺桿轉(zhuǎn)速和水分的交互作用對(duì)糊化度的影響

2.3.3 酶濃度和水分的交互作用對(duì)糊化度的影響由圖7可知，酶濃度和水分對(duì)糊化度的交互作用不

表5 驗(yàn)證及對(duì)照實(shí)驗(yàn)

太明顯，糊化度隨酶濃度的增加變化趨勢(shì)不明顯，可能是淀粉酶和物料充分接觸，將已經(jīng)糊化的淀粉酶解一部分，導(dǎo)致糊化度變化不明顯，而隨水分的增加，糊化度先增加后降低。

為了進(jìn)一步考察回歸方程的可靠性，在經(jīng)響應(yīng)面分析確定的參數(shù)范圍內(nèi)，選擇3組具有代表性的

圖7 酶濃度和水分的交互作用對(duì)糊化度的影響

2.3.4 機(jī)筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)糊化度的影響 由圖8可知，螺桿轉(zhuǎn)速和機(jī)筒溫度的交互作用較明顯，兩者對(duì)糊化度的影響呈相同趨勢(shì)變化，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速在后半部分時(shí)，隨著溫度的升高，糊化度變大，當(dāng)升到一定程度時(shí)，糊化度開始出現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖8 機(jī)筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)糊化度的影響

2.3.5 酶濃度和機(jī)筒溫度的交互作用對(duì)糊化度的影響 由圖9可知，酶濃度和機(jī)筒溫度的交互作用不明顯，隨著酶濃度的增加，糊化度變化不明顯，而隨著溫度的升高，糊化度逐漸升高，達(dá)到72.5℃時(shí)開始降低。

圖9 酶濃度和機(jī)筒溫度的交互作用對(duì)糊化度的影響

2.3.6 酶濃度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)糊化度的影響 由圖10可知，當(dāng)機(jī)筒溫度、物料水分和螺桿轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著酶濃度的增加，糊化度先增加后降低，而當(dāng)機(jī)筒溫度、物料水分和酶濃度一定時(shí)，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，糊化度逐漸增加。

2.4 對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果擠壓工藝參數(shù)組合，對(duì)照經(jīng)回歸方程和實(shí)驗(yàn)得到的糊化度預(yù)測(cè)值和實(shí)際值;為了比較加酶前后擠壓玉米淀粉糊化度的變化，分別選取以上3組擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行未加酶擠壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其糊化度。研究結(jié)果見表5。

圖10 酶濃度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)糊化度的影響

表5表明，通過回歸方程對(duì)各組實(shí)驗(yàn)糊化度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于5%，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的糊化度值均在16%～56%之間，進(jìn)一步說明上式中的回歸方程是可靠的，可以通過回歸方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè);表5數(shù)據(jù)表明，相同擠壓條件下，采用加酶擠壓玉米淀粉的糊化度相對(duì)較低，分析其原因是擠壓過程中發(fā)生糊化的淀粉，與淀粉酶相互接觸，在機(jī)體內(nèi)綜合能量的作用下，呈熔融狀態(tài)，此時(shí)，淀粉酶發(fā)揮其“過程活性”，糊化的淀粉被部分酶解應(yīng)是導(dǎo)致加酶擠壓糊化度低的原因，這與Grafelman［6］等人所報(bào)道加酶擠壓有利于淀粉降解的結(jié)論是相符合的。另外，本實(shí)驗(yàn)選用的水分偏高，溫度偏低，也是所有樣品糊化度均較低的原因之一，正是這樣的擠壓參數(shù)條件，為擠壓法制備低DE值的淀粉基脂肪替代物等產(chǎn)品提供了可靠的前提。

3 結(jié)論

由正交實(shí)驗(yàn)方差分析表可以看出，擠壓工藝參數(shù)各因素對(duì)產(chǎn)品糊化度的影響順序?yàn)?機(jī)筒溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速＞物料水分＞酶濃度，得到的最佳工藝參數(shù)組合為水分 31.81%、溫度 71.35℃、轉(zhuǎn)速133.96m in、酶濃度3.15u/g。利用雙螺桿擠壓機(jī)作為連續(xù)酶反應(yīng)器能夠得到不同糊化度的玉米淀粉產(chǎn)物，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)玉米淀粉連續(xù)酶法液化處理，為制得不同轉(zhuǎn)化程度的玉米淀粉水解產(chǎn)物提供可靠的基礎(chǔ)條件。

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Study on the gelatinization of corn starch by enzyme－added extrusion at low temperature

FENG Qiu－juan，XIAO Zhi－gang*，ZHENG Guang－zhao，WEIXu，YE Hong－jian

(College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

In order to study the behaviors of extrusion conversion of amylase，a in－temperature resistantα－amylase ascatalyzer and a twin－screw extruder were used for testing the gelatinization and liquefaction of corn starch，and extrudates with different gelatinization were obtained.On the basis of single factor，the response surface methodology was used to study the barrel temperature，influences of screw speed，moisture of material and enzyme concentration on gelatinization values.The results showed that when barrel temperature of extruded was 71.35℃，moisture of material was 31.81%，rotation speed of extruder was 133.96r/m in，enzyme concentration was 3.15u/g，the optimal value of gelatinization was 55.31%.

corn starch;gelatinization;enzyme－added extrusion;tw in－screw extruder

TS235.1

B

1002－0306(2011)08－0287－05

2010－08－16 *通訊聯(lián)系人

馮秋娟(1982－)，女，碩士生，主要從事糧食、油脂及植物蛋白工程方面的研究。

哈爾濱市青年科學(xué)技術(shù)專項(xiàng)基金(2007RFQXN019)。