王思花 任志尚 戚明明 張光耀賀壯壯 彭慧慧 馬成業(yè),2

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院1，淄博 255000)(山東省高校農(nóng)產(chǎn)品功能化技術(shù)重點實驗室2，淄博 255000)

脫胚玉米主要由淀粉、脂類、蛋白質(zhì)等組成，在擠壓過程中發(fā)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物變化。淀粉發(fā)生糊化和降解，在添加酶制劑后降解程度更大，并產(chǎn)生還原糖；同時蛋白質(zhì)會發(fā)生變性，導(dǎo)致添加的淀粉酶失活，而淀粉與脂類發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，降低了淀粉的利用率[1]。擠壓是由混合、捏合、剪切、成型等單元操作組合而成的工藝。當原料加熱到100 ℃以上時的工藝稱為擠壓蒸煮[2]。冉旭等[3]、孫于慶等[4]用雙螺桿擠壓機處理添加耐高溫α-淀粉酶的玉米淀粉，在 95 ℃時淀粉 DE 值達到最大。劉秉書等[5]以脫胚玉米為原料，使用單螺桿擠壓機處理原料，通過控制擠壓條件和加酶量，以DE值、淀粉轉(zhuǎn)化率為實驗主要檢測指標，得出最短時間內(nèi)得到淀粉糖漿DE值60%的最佳擠壓參數(shù)和糖化參數(shù)。申德超等[6]研究了低溫擠壓添加酶制劑的玉米粗淀粉及脫胚玉米的糖化過程，表明用添加耐高溫α-淀粉酶或中溫α-淀粉酶的擠出物制取葡萄糖漿, 糖化漿液過濾速度明顯提高。

目前對谷物類食品的擠壓蒸煮機理研究尚有許多不足，以往主要研究各種物料擠壓蒸煮前后的質(zhì)構(gòu)、狀態(tài)以及特性分析等方面，對于物料在機筒內(nèi)的變化過程的研究很少。目前國內(nèi)外都將擠壓機作黑箱處理，對各種物料在擠壓前、擠壓后分析較多，對擠壓過程中物料預(yù)測分析較多[5]，而對擠壓系統(tǒng)中各因素對擠壓過程中機筒內(nèi)物料的變化狀態(tài)影響的分析較少。

本實驗通過擠壓耐高溫α-淀粉酶和中溫α-淀粉酶的脫胚玉米，研究擠壓蒸煮過程中物料化學(xué)組成的變化和降解特性，以進一步揭示脫胚玉米在擠壓機內(nèi)部的變化規(guī)律，為改進機器結(jié)構(gòu)參數(shù)，并為設(shè)計結(jié)構(gòu)更合理、性能更優(yōu)異的擠出設(shè)備提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

脫胚玉米：含水量12.77%、淀粉質(zhì)量分數(shù)75.36%、蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)8.25%，粗脂肪質(zhì)量分數(shù)1.04%；耐高溫α-淀粉酶(活力20 000 U/mL)；中溫α-淀粉酶(活力2 000 U/mL)。

1.2 儀器與設(shè)備

單螺桿擠壓機：山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院研制。擠壓機由組合式套筒和螺桿組成。套筒為剖分式，可沿軸向左右分開，便于機筒內(nèi)部的清理與螺桿上物料的采集。螺桿轉(zhuǎn)速為 0～300 r/min無級可調(diào)。機筒溫度為0～300 ℃連續(xù)可調(diào)。擠壓機?？组L度與軸頭間隙長度有級可調(diào)。K370全自動凱式定氮儀。

1.3 方法

采用“急停法”在擠壓機內(nèi)部取料，將擠壓機在正常工作條件下急停主電機電源，使螺桿停止轉(zhuǎn)動，迅速打開套筒，在5 min內(nèi)將擠壓機沿螺桿中軸線左右打開，沿螺桿分段采集樣品，樣品采集如圖1所示。分別研究了添加耐高溫α-淀粉酶、中溫α-淀粉酶的脫胚玉米和原脫胚玉米在擠壓過程中淀粉、還原糖、抗性淀粉、脂類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)發(fā)生的變化，擠壓實驗系統(tǒng)參數(shù)見表1。

圖1 擠壓機內(nèi)取料部位示意圖

表1 擠壓添加酶制劑脫胚玉米取料實驗擠壓系統(tǒng)參數(shù)

1.4 測試和分析方法

淀粉糊化度的測定采用酶水解法[9]；淀粉的測定采用GB/T 5009.9—2016中的酶水解法；水分的測定采用GB/T 5009.3—2016中的直接干燥法；擠出物淀粉酶活力的測定參考Bernfeld法[10]；抗性淀粉的測定參考AOAC規(guī)定的方法；蛋白質(zhì)的測定參照GB/T 5009.5—2016；脂肪的測定參照GB/T 5009.6—20016；直鏈淀粉的測定參照GB 7648—1987。使用Pearson相關(guān)系數(shù)法分析變量間的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓過程中淀粉含量的變化

脫胚玉米的主要成分是淀粉，淀粉含量直接影響擠出物水解得到糖漿的產(chǎn)率。另外淀粉在擠壓機內(nèi)發(fā)生的主要變化是降解和糊化，還有部分淀粉與脂類(或蛋白質(zhì))發(fā)生復(fù)合[11]，淀粉轉(zhuǎn)化為抗性淀粉而不能被淀粉酶降解，因而需要測定淀粉含量降低程度。由圖2可見，無論擠壓原料是添加酶制劑的脫胚玉米還是原脫胚玉米，淀粉含量在擠壓過程中都減少，但是原脫胚玉米在擠壓過程中淀粉含量減少程度比添加酶制劑的少。原脫胚玉米經(jīng)過擠壓后淀粉含量下降，添加耐高溫α-淀粉酶和添加中溫α-淀粉酶的脫胚玉米擠出物的淀粉質(zhì)量分數(shù)分別降至63.42%和62.98%。擠壓不添加酶制劑脫胚玉米時，在取料部位B點淀粉含量降低比例最低。擠壓添加酶制劑脫胚玉米時，在B點取料測試淀粉含量變化和擠壓脫胚玉米變化比例相似，在各段中是最小的。添加酶制劑的脫胚玉米擠出物中淀粉含量降低的程度比原脫胚玉米擠出物的降低的大。添加酶制劑脫胚玉米，淀粉分子在擠壓過程中受到擠壓剪切作用、酶的作用而降解，其次淀粉與脂類(或蛋白質(zhì))發(fā)生復(fù)合而降低。而原脫胚玉米在擠壓過程中只受到剪切的作用，使淀粉分子之間的鏈斷裂，相對于添加酶制劑的脫胚玉米其降解程度低，因而淀粉含量減少的程度小于添加酶制劑脫胚玉米擠出物。

圖2 不同取料部位淀粉質(zhì)量分數(shù)的變化

2.2 擠壓過程中還原糖的變化

擠壓蒸煮可以改變谷物內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，使得谷物中淀粉降解，還原糖和糊精含量增多，從而明顯提高原料的利用率[12]。脫胚玉米經(jīng)過擠壓后，淀粉含量降低。從圖3中可以看出，無論是原脫胚玉米還是添加酶制劑的脫胚玉米，在擠壓過程中還原糖含量均逐漸增大，但是原脫胚玉米在擠壓過程中還原糖含量增加程度較低，由原料中的1.24%增加到擠出物中的2.37%(F點)，而添加耐高溫α-淀粉酶的脫胚玉米擠出物中還原糖的含量最大，添加中溫α-淀粉酶的脫胚玉米擠出物中的還原糖質(zhì)量分數(shù)為9.44%。擠壓不添加酶制劑脫胚玉米時，在取料部位B點還原糖質(zhì)量分數(shù)增加了6.19%，是各段增加最小的。擠壓添加酶制劑脫胚玉米時，在B點取料測試還原糖質(zhì)量分數(shù)變化和擠壓脫胚玉米變化比例相似，在各段中是最小的。這也表明了酶制劑在擠壓過程發(fā)揮了作用，促進了淀粉的降解，使淀粉的還原端更多暴露出來，使擠出物的還原性增加，即還原糖的含量增加。

圖3 不同取料部位還原糖質(zhì)量分數(shù)的變化

2.3 擠壓過程中淀粉糊化度的變化

糊化一般是用來描述淀粉顆粒的潤脹和水合，按照熱力學(xué)分析，糊化過程可以看成是淀粉微晶的熔融過程[13]。糊化作用是天然淀粉于適當溫度下，一般為60～80 ℃，在水中發(fā)生溶脹、分裂，形成均勻的糊狀溶液，其本質(zhì)是淀粉粒中有序與無序(晶質(zhì)與非晶質(zhì))態(tài)的淀粉分子間氫鍵斷裂，分散在水中成為膠體溶液[13]。趙學(xué)偉等[14]用單螺桿擠壓機擠壓玉米，在擠壓機螺桿轉(zhuǎn)速和?？字睆讲蛔兊臈l件下，擠出物糊化度與玉米含水量關(guān)系顯著，玉米含水量在14%時，擠出物糊化度最大可達90%。從圖4可以看出，在出料端(F)脫胚玉米擠出物的糊化度為97.87%，添加耐高溫α-淀粉酶脫胚玉米擠出物的糊化度最為96.67%，添加中溫α-中溫酶胚玉米擠出物的糊化度96.53%。在擠壓過程中原料的糊化度從喂入端(A)到出料端(F)是逐漸增大的。淀粉在擠壓機內(nèi)，由于螺桿和套筒的剪切、摩擦熱以及水分的綜合作用可使淀粉糊化。淀粉經(jīng)過擠壓處理后，淀粉顆粒的結(jié)晶消失[15]。

圖4 不同取料部位淀粉糊化度的變化

2.4 擠壓過程中抗性淀粉的變化

對抗性淀粉Ⅲ(RSⅢ)形成機理比較統(tǒng)一的認識是由于淀粉分子在凝沉過程中分子重新聚集成有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，即淀粉糊經(jīng)冷卻后，淀粉分子在靠近分子鏈的末端區(qū)域相互纏繞發(fā)生雙螺旋結(jié)構(gòu)，并使得原來雜亂無章的淀粉分子鏈進一步延伸，延伸的分子鏈再發(fā)生折疊卷曲，更有利于分子上的羥基相互作用形成螺旋之間的氫鍵，從而形成緊密的螺旋與螺旋間聚集體，導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)的形成[16]。玉米淀粉經(jīng)過擠壓蒸煮后，糊化度明顯升高，糊化度能達到90%以上。玉米淀粉經(jīng)過擠壓機的擠壓和閃蒸后，在室溫下冷卻，這為RSⅢ的形成提供了條件[17]。由圖5可見，原脫胚玉米中抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)為2.42%，經(jīng)過擠壓后抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)增加到6.62%。但是添加酶制劑的脫胚玉米在經(jīng)過擠壓后抗性淀粉的含量降低。擠壓不添加酶制劑脫胚玉米時，在取料部位B點抗性淀粉增加比例為10.24%，是各段增加比例最小的。Kohyama等[18]研究了葡萄糖、麥芽糖、蔗糖和核糖等對抗性淀粉形成的影響，發(fā)現(xiàn)添加可溶性糖可降低糊化淀粉的重結(jié)晶程度，導(dǎo)致抗性淀粉含量降低?？扇苄蕴且种坪矸勰恋臋C理被認為是可溶性糖分子與淀粉分子鏈間的作用改變了淀粉凝沉的基質(zhì)。

圖5 不同取料部位抗性淀粉質(zhì)量分數(shù)的變化

2.5 擠壓過程中脂類含量的變化

圖6表明，脫胚玉米擠壓后粗脂肪含量明顯下降，但是脂肪含量的降低程度比添加酶制劑脫胚玉米擠出物降低程度小。擠壓不添加酶制劑脫胚玉米時，在取料部位B點粗脂肪質(zhì)量分數(shù)減少了11.76%，是各段減少最小的。擠壓添加酶制劑脫胚玉米時，在B點取料測試還原糖含量變化和擠壓脫胚玉米變化比例相似，在各段中也是最小的。在擠壓機內(nèi)，淀粉在酶制劑的存在下降解為低聚糖，其降解的程度比原淀粉擠出物降解的程度大，直鏈淀粉和支鏈淀粉含量均降低，尤其直鏈淀粉的含量降低更加明顯，這也導(dǎo)致了淀粉脂類復(fù)合物產(chǎn)生量的降低，因而，添加酶制劑的脫胚玉米在擠壓過程中脂肪含量降低程度沒有原脫胚玉米在擠壓過程中降低的程度大。脂肪含量的降低，首先是由于脂肪本身降解為脂肪酸，其次部分脂類與直鏈淀粉發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)合脂肪增加[19]。

2.6 擠壓過程中酶活性的變化

擠壓機被認為是一種連續(xù)式生物反應(yīng)器，谷物類原料中的α-淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等經(jīng)過擠壓蒸煮后仍保持一部分活性[20]。但是酶制劑是否完全失活不得而知，因而需要檢測擠壓過程中酶制劑的失活情況以及擠出物中的酶制劑是否還保留活力。保留活性的這部分酶制劑在后續(xù)的液化、糖化中繼續(xù)發(fā)揮作用。從圖7可以看出，酶制劑經(jīng)過擠壓處理后，酶活性均降低。擠壓原料耐高溫α-淀粉酶、

圖7 不同取料部位酶活性的變化

擠出物中耐高溫α-淀粉酶、擠壓原料中溫α淀粉酶的活性分別為19.49、5.98、19.28 U/g，經(jīng)過擠壓處理后，擠出物中溫α-淀粉酶活性為5.74 U/g。酶在擠壓過程中受到外源熱、摩擦熱、剪切等作用而產(chǎn)生失活，但是從擠出物的DE值結(jié)果看，有部分酶與淀粉發(fā)生了作用，使添加酶制劑的淀粉擠出物中淀粉的降解程度比淀粉擠出物的降解程度大[21]。

2.7 擠壓過程中直鏈淀粉含量的變化

由圖8可知，原脫胚玉米和添加酶制劑的脫胚玉米經(jīng)過擠壓后，直鏈淀粉的含量均降低，但是原脫胚玉米經(jīng)過擠壓后直鏈淀粉含量降低較少。降低程度最大的是添加耐高溫α-淀粉酶的脫胚玉米擠出物，擠出物中直鏈淀粉的質(zhì)量分數(shù)降為15.85%。直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部非極性區(qū)域與脂類的碳氫鏈之間的疏水性交互作用形成單螺旋包接結(jié)構(gòu)，形成直鏈淀粉-脂類復(fù)合物。其次，脫胚玉米中的淀粉在經(jīng)過擠壓后，部分淀粉轉(zhuǎn)化為糖，導(dǎo)致原料中的直鏈淀粉含量在經(jīng)過擠壓后降低。而支鏈淀粉與脂類的復(fù)合主要發(fā)生在支鏈淀粉的分支外部側(cè)鏈上，而且與直鏈淀粉相比也不易形成包接復(fù)合物，這是因為支鏈淀粉分支間或最末端直鏈部分的鏈長較短，其聚合度一般為15～20，而原脫胚玉米和添加酶制劑的脫胚玉米經(jīng)過擠壓后支鏈淀粉的質(zhì)量分數(shù)僅降低了0.25%～0.68%。

圖8 擠壓過程中直鏈淀粉質(zhì)量分數(shù)變化

2.8 化學(xué)成分的變化相關(guān)性分析

通過擠壓蒸煮使得谷物中淀粉降解，糊化度增大，還原糖含量增多；脂肪降解, 脂肪含量降低；抗性淀粉、直鏈淀粉含量增加[22]。由表2可見，還原糖含量與淀粉含量、直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、脂肪含量都呈高度負相關(guān)，與抗性淀粉含量、糊化度呈高度正相關(guān)，與支鏈淀粉含量中度相關(guān)。糊化度與抗性淀粉含量高度正相關(guān)，與脫胚玉米的化學(xué)組成負相關(guān)。擠壓剪切能破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[23]，使部分糖苷鍵斷裂，還原端數(shù)量增加，因而脫胚玉米經(jīng)過擠壓還原糖含量增加；脫胚玉米預(yù)混淀粉酶再經(jīng)擠壓處理，雖然剪切、熱和壓力使部分酶失活[24]，但是在酶制劑失活之前和未失活的淀粉酶，與糊化淀粉發(fā)生作用，進而使還原糖含量比擠壓脫胚玉米的還原糖含量高[25]。

表2 相關(guān)分析

3 結(jié)論

擠壓不添加酶制劑脫胚玉米時，在取料部位B點，淀粉含量、粗脂肪含量的降低比例最低，抗性淀粉和還原糖含量增加比例是各段增加比例最小的。擠壓添加酶制劑脫胚玉米時，在B點取料測試各化學(xué)指標，淀粉含量、脂肪含量、酶活性、還原糖含量和脂肪含量變化與擠壓脫胚玉米變化比例相似，在各段中是最小的。在輸送段，物料主要是向前推進并壓縮，在阻流環(huán)B點，由于空隙減小，物料通過時，物料受到一定的剪切作用，其化學(xué)成分發(fā)生變化。各物質(zhì)含量變化比例最大的取料點為D點。由于螺桿上設(shè)有回流槽，物料向前運動時受到的剪切力大，所以成分變化大，同時D點是整個螺桿溫度最高區(qū)域。酶活性變化比例最大的點為F點，物料向前運動時壓力增加，從?？讛D出時壓力突然釋放，在這個釋放過程中，酶蛋白受到較大壓力而變性。