發(fā)布時間：2022-03-26所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：擠壓膨化技術以其連續(xù)性、高效性而被廣泛應用于食品加工領域。但由于擠壓機內(nèi)部封閉性強，機筒內(nèi)各因素影響復雜，有必要對擠壓過程中物料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化進行研究。本文綜述了擠壓膨化技術的主要影響因素及其對淀粉多層級結(jié)構(gòu)和復合米消化特性的影響，為擠壓技術
摘 要：擠壓膨化技術以其連續(xù)性、高效性而被廣泛應用于食品加工領域。但由于擠壓機內(nèi)部封閉性強，機筒內(nèi)各因素影響復雜，有必要對擠壓過程中物料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化進行研究。本文綜述了擠壓膨化技術的主要影響因素及其對淀粉多層級結(jié)構(gòu)和復合米消化特性的影響，為擠壓技術的廣泛應用、淀粉的改性及復合米研究提供了技術指導和理論支撐。
關鍵詞：擠壓膨化技術;淀粉;多層級結(jié)構(gòu);復合米
淀粉是由中度分支的支鏈淀粉和線性的直鏈淀粉組成的顆粒狀天然高分子聚合物，多以半結(jié)晶的顆粒形式存在 [1] 。直鏈淀粉由 α-1，4 糖苷鍵連接而成并具有少量長鏈分支，相對分子質(zhì)量為 105 ～ 106 ，支鏈淀粉主要以 α-1，4 糖苷鍵連接，且以 α-1，6 糖苷鍵形成分支，相對分子質(zhì)量為 107 ～ 109[2] 。直鏈淀粉和支鏈淀粉的三維空間結(jié)構(gòu)形成了淀粉的結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)，使得淀粉具有分子鏈結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、blocklets 結(jié)構(gòu)、生長環(huán)結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu) [3] 。淀粉是復合米的主要成分，約占干物質(zhì)的 90%，因此淀粉結(jié)構(gòu)成為影響復合米消化特性的決定性因素。
擠壓膨化技術是混合、輸送、加熱、剪切和成型等多個操作的組合應用，它是一種連續(xù)、高溫、短時的加工方法，尤其是溫度、壓力和剪切力之間的相互作用實現(xiàn)了復合米制品的開發(fā) [4] 。在擠壓過程中，剪切力和熱能的作用會引起食品原料結(jié)構(gòu)、化學基團和消化特性發(fā)生改變，如淀粉的糊化和降解、蛋白質(zhì)的變性[5] 。擠壓屬于較為成熟的生產(chǎn)復合米的方式之一，但是擠壓處理對淀粉結(jié)構(gòu)的影響以及淀粉結(jié)構(gòu)變化與復合米的消化特性之間的聯(lián)系的研究不夠系統(tǒng)。因此，本文主要綜述了擠壓對淀粉結(jié)構(gòu)的影響和淀粉結(jié)構(gòu)變化與復合米消化特性之間的聯(lián)系，即建立擠壓工藝 - 分子結(jié)構(gòu) - 消化特性之間的聯(lián)系，為改變復合米的消化特性提供理論基礎。
1 影響擠壓的主要因素
1.1 擠壓機類型
根據(jù)擠壓機內(nèi)所含螺桿的個數(shù)可將擠壓機分為單螺桿擠壓機(SSE)和雙螺桿擠壓機(TSE)。在單螺桿擠壓蒸煮過程中根據(jù)大米淀粉結(jié)構(gòu)的變化，可將擠壓機分為輸送、熔融、降解 3 個區(qū)段。在利用單螺桿擠壓處理小麥淀粉時發(fā)現(xiàn)，只有小麥淀粉的支鏈淀粉發(fā)生了降解，而單螺桿擠壓的熱效應和剪切力對玉米淀粉的支鏈淀粉和直鏈淀粉分子鏈均產(chǎn)生了斷裂效應 [6] ，其不同結(jié)果的原因可能是小麥淀粉和玉米淀粉支鏈淀粉與直鏈淀粉含量上的差異以及擠壓條件的不同(物料水分、溫度)。與單螺桿機相比，雙螺桿擠壓機物料在進入加熱區(qū)域前由于雙螺桿的捏合作用可使物料混合更加均勻，更便于精準控制擠壓速度、擠壓溫度、物料停留時間等擠壓參數(shù)。WANG Ning 等人利用雙螺桿擠壓機制備豌豆雜糧面條，結(jié)果發(fā)現(xiàn)面條蒸煮損失率降低的同時，抗性淀粉含量與淀粉膨脹率均增加 [7] 。在生產(chǎn)復合米時，擠壓機類型的選擇主要依據(jù)復合米最終的品質(zhì)和原料的成分。
1.2 擠壓溫度
擠壓溫度的變化會引起復合米中的淀粉與蛋白質(zhì)發(fā)生三級和四級結(jié)構(gòu)的變化，或者是交聯(lián)反應的產(chǎn)生。增加擠壓溫度致使大米淀粉和黑米淀粉的糊化黏度降低，這可能是由于高溫剪切破壞了淀粉分子鏈的纏結(jié) [8] 。高溫擠壓會破壞淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)打斷，淀 粉分子間氫鍵，有學者指出隨著擠壓溫度的升高，破損淀粉增加導致復合米口感變差 [9] 。擠壓溫度升高的同時不僅會造成復合米營養(yǎng)成分的流失，也會增加能量消耗，調(diào)節(jié)合適的擠壓溫度是成功生產(chǎn)復合米的關鍵。
1.3 螺桿轉(zhuǎn)速
隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，在擠壓機內(nèi)作用于淀粉的機械能逐漸增大，通過螺桿高速轉(zhuǎn)動輸入的這些較高機械能會限制物料的流動，導致螺桿對淀粉的機械剪切作用會增加，使淀粉分子鏈斷裂或降解 [10] 。螺桿轉(zhuǎn)速與擠壓機輸入的比機械能存在正比關系，比機械能增加會使淀粉顆粒發(fā)生部分糊化。Sandrin 等人發(fā)現(xiàn)燕麥粉和大米粉的混合物在高速擠壓作用下，擠壓機械能增加，物料之間摩擦力增加，當螺桿轉(zhuǎn)速大于 150 r·min-1 時淀粉分子鏈變短 [11] 。
1.4 物料水分
物料水分含量是影響復合米品質(zhì)的又一重要因素。適當?shù)奈锪纤帜茉谖锪吓c螺桿間起到潤滑作用，降低擠壓剪切對淀粉顆粒機構(gòu)的破壞。Suksomboon 等人發(fā)現(xiàn)大豆粉和紫米混合物水分含量(< 25%)增加使淀粉糊化程度降低，且顯著增加了淀粉糊的吸水指數(shù) [12] 。Thymi 等人研究了擠壓對不同含水量玉米淀粉的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水分含量的適度增加降低了玉米淀粉的徑向膨脹率的同時增加了其表觀粘度 [13] 。有報道指出，物料水分對擠出物性質(zhì)的影響大于擠壓時物料的溫度 [14] ，物料水分含量也會決定復合米的質(zhì)地和消化特性。
2 擠壓對淀粉結(jié)構(gòu)的影響
2.1 擠壓對淀粉顆粒形貌的影響
掃描電鏡與偏光顯微鏡分別用來觀察淀粉顆粒的表面形態(tài)和內(nèi)部的偏光十字，而淀粉顆粒的粒徑分布多用激光粒度儀進行測定。Wani 等人比較了濕熱處理和擠壓處理對鷹嘴豆淀粉表觀形貌的影響，擠壓處理后鷹嘴豆淀粉表面出現(xiàn)明顯的裂紋，淀粉顆粒之間連接疏松，當增加螺桿轉(zhuǎn)速時淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹痕與少量孔洞并最終指出擠壓處理要大于濕熱處理對淀粉顆粒的影響 [15] 。薏苡淀粉經(jīng)過低水分(< 25%)擠壓后淀粉顆粒致密結(jié)構(gòu)被瓦解，淀粉顆粒呈現(xiàn)碎片狀，增加擠壓溫度薏苡淀粉顆粒表面的裂紋數(shù)量明顯增加，表面變得不均勻有褶皺產(chǎn)生 [16] 。戚明明等研究發(fā)現(xiàn)固定物料水分含量，螺桿轉(zhuǎn)速由 100 r·min-1 升至 180 r·min-1 時，豌豆淀粉的平均粒徑明顯低于未經(jīng)擠壓處理的豌豆淀粉，豌豆淀粉的平均粒徑與其消化特性呈現(xiàn)明顯的負相關 [17] 。淀粉顆粒在擠壓過程中受到不同程度的高溫、高壓和強剪切力作用，顆粒表面會變得粗糙，遭受破壞，復合米制品的吸水指數(shù)和膨脹率等特性也與破損淀粉的含量有關。
2.2 擠壓對淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)的影響
淀粉結(jié)構(gòu)主要是以無序排列的無定形區(qū)域和有序排列的結(jié)晶區(qū)域組合而成，無定型區(qū)域主要含有較少的直鏈淀粉和較少的支鏈淀粉，每個半結(jié)晶區(qū)域是由去定型區(qū)域和結(jié)晶性區(qū)域重復組合而成。谷物淀粉屬于 A 型結(jié)晶，塊莖類淀粉和高直鏈淀粉屬于 B 型結(jié)晶，根莖類豆類淀粉呈現(xiàn) C 型結(jié)晶，淀粉和脂質(zhì)的絡合物呈現(xiàn) V 型結(jié)晶。大米淀粉的結(jié)晶度隨著擠壓溫度的升高而逐漸降低，表明擠壓過程中淀粉多晶態(tài)不斷向無定型轉(zhuǎn)變，大米淀粉的晶體結(jié)構(gòu)遭到顯著破壞。Li Bo 等人研究發(fā)現(xiàn)不同溫度的雙螺桿擠壓處理，隨著擠壓溫度升至 110 ℃，羅漢松種子淀粉結(jié)晶度降低至 12.97%，且淀粉分子中出現(xiàn)了 V 型結(jié)晶 [18] 。高直鏈玉米淀粉經(jīng)過擠壓處理后，淀粉由 C 型結(jié)晶轉(zhuǎn)為 V 型結(jié)晶[19] ，擠壓剪切作用使得淀粉與脂質(zhì)發(fā)生復合是產(chǎn)生V 型結(jié)晶的主要原因。將擠壓與酶連用生產(chǎn)變性淀粉，結(jié)果表明淀粉顆粒分子內(nèi)氫鍵和分子間氫鍵被羰基和磷酸基團取代，降低了淀粉相對結(jié)晶度 [20] 。擠壓溫度的升高致使淀粉顆粒吸收熱量增加，高熱量會引起淀粉顆粒中非結(jié)晶區(qū)分子鏈的運動性提高從而導致淀粉顆粒晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸降低，致密晶體結(jié)構(gòu)排列趨于松散。高水分和高溫擠壓會使淀粉顆粒的微晶束發(fā)生熔融，直鏈淀粉不斷溶出，加劇淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)伸展和淀粉無定型凝膠的形成。因此，復合米消化快慢和老化速率受淀粉晶體結(jié)構(gòu)的影響。
2.3 擠壓對淀粉顆粒雙螺旋結(jié)構(gòu)的影響
淀粉的雙螺旋結(jié)構(gòu)含量可用固體核磁結(jié)合魔角旋轉(zhuǎn) / 交叉極化技術(13C CP/MAS NMR)進行表征，傅里葉紅外變換光譜儀也可用來測定淀粉顆粒螺旋結(jié)構(gòu)的有序性。經(jīng)過擠壓處理后，大米淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)含量由 58.75% 降至 7.10%，這是由于轉(zhuǎn)速增加時擠壓剪切力明顯增大，促進了淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)的斷裂。Liu 等發(fā)現(xiàn)，擠壓剪切作用降低了淀粉雙螺旋結(jié)構(gòu)含量，淀粉短程結(jié)晶序列遭到破壞。施加于淀粉的機械能過大會引發(fā)淀粉顆粒內(nèi)部的雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重斷裂，而過高的擠壓溫度會引起淀粉顆粒的降解，改變淀粉的分子結(jié)構(gòu) [21] 。
2.4 擠壓對淀粉分子量的影響
淀粉的分子量大小與淀粉理化性質(zhì)和復合米的品質(zhì)有密切的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)擠壓剪切削弱了淀粉分子間相互作用力，擠壓時物料水分含量增加會顯著降低淀粉的重均分子量和數(shù)均分子量。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，擠壓越強，大米淀粉的分子鏈斷裂越嚴重，進而造成大米淀粉發(fā)生糊化或糊精化而發(fā)生降解。擠壓處理引起了玉米淀粉中支鏈淀粉分子的降解，玉米淀粉的均方旋轉(zhuǎn)半徑明顯減小，淀粉分子量減小 [22] 。擠壓處理能夠打斷淀粉顆粒內(nèi)部的氫鍵，支鏈淀粉分子鏈長分布變寬，淀粉分子量的大小與淀粉的溶解度和糊化黏度有直接關系。
相關知識推薦：食品工業(yè)期刊怎么投稿容易
3 擠壓對復合米消化特性的影響
淀粉在擠壓過程中，受到螺桿強烈的剪切力和淀粉顆粒之間的相互摩擦、碰撞會引起淀粉結(jié)構(gòu)和膨脹率、吸水指數(shù)等特性的變化，其中淀粉消化特性亦隨著淀粉結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。沈宇光利用擠壓技術成功制備出一種口感接近于天然大米，具有抗消化特性的馬鈴薯復合米。擠壓處理引發(fā)淀粉分子間氫鍵發(fā)生不同程度的斷裂，一部分淀粉發(fā)生糊化，增加了淀粉的消化特性 [4] 。相反，擠壓處理會形成直鏈淀粉 - 脂類復合物，抑制小腸吸收碳水化合物，降低其消化特性 [23] 。研究發(fā)現(xiàn)，大麥淀粉和高粱淀粉經(jīng)擠壓處理之后平均粒徑、結(jié)晶度和聚合度明顯降低，破損淀粉含量明顯增加，提高了淀粉對酶的敏感性致使淀粉的消化特性明顯提高。結(jié)合擠壓處理對淀粉結(jié)構(gòu)和消化特性的影響不難發(fā)現(xiàn)，擠壓以后淀粉的分子鏈長變短，分子間相互連接減弱，體外消化率增加。由于擠壓之后淀粉結(jié)構(gòu)特性受到影響，要提高擠壓復合米的抗消化特性應該在淀粉中加入一定量的膳食纖維或谷物蛋白質(zhì)，來增強分子之間的相互作用，抑制酶的水解，提高復合米制品的消化特性。
4 結(jié)語
目前，擠壓生產(chǎn)復合米正逐漸趨于成熟，但復合米的口感和質(zhì)地與天然大米相比仍有一定差距。現(xiàn)有的研究報道多集中在擠壓工藝的優(yōu)化，對物料在擠壓機內(nèi)的變化機理與復合米品質(zhì)內(nèi)在聯(lián)系缺乏深入探討。復合米中除了淀粉之外，還有蛋白質(zhì)、脂肪等其他物質(zhì)，研究擠壓對其他組分結(jié)構(gòu)和特性的影響對揭示復合米口感和消化特性的變化也至關重要。建議在以后的研究中，嘗試對復合米中的米谷蛋白 - 淀粉精細結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及擠壓對其作用機理進行揭示，并在理解擠壓對淀粉和谷蛋白結(jié)構(gòu)影響的基礎上開發(fā)出低 GI 的復合米，開展體現(xiàn)擠壓工藝 - 成分互作 - 復合米屬性的鏈條式研究。——論文作者：何 東 1 ，于小帥 2 ，王可心 1 ，蘇麗娜 1 ，陳 嵐 1 ，岳程程 1 ，肖志剛 1,2
參考文獻：
[1]WANG Shujun，LI Peiyan，YU Jinglin，et al.Multi-Scale Structures and Functional Properties of Starches from Indica Hybrid，Japonica and Waxy Rice[J].International Journal of Biological Macromolecules，2017，102：136-143.
[2]LAN Xiaohong，ZHANG Jiajia，WU Jinhong， et al.Application of Two-Phase Lamellar Model to Study the Ultrastructure of Annealed Canna Starch：A Comparison With Linear Correlation Function[J].International Journal of Biological Macromolecules，2016，93：1210-1216.
[3]Perez S，Bertoft E.The Molecular Structures of Starch Components and Their Contribution to the Architecture of Starch Granules: A Comprehensive Review[J].Starch /Stärke，2010， 62(8)：389-420.
[4] 沈宇光 . 含抗性淀粉的馬鈴薯重組米的制備及其性質(zhì)研究 [D]. 沈陽：沈陽師范大學，2019：8-16.
[5]Alam M S，Kaur J，Khaira H，et al.Extrusion and Extruded Products: Changes in Quality Attributes as Affected by Extrusion Process Parameters：A Review[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition，2015，56(3)：445-473.
[6]Rodis P，Wen L F，Wasserman B P.Assessment of Extrusion-Induced Starch Fragmentation by GelPermeation Chromatography and Methylation Analysis[J].Cereal Chemistry，1993，70(2)： 152-157.
[7]WANG Ning，Maximiuk L，Toews R.Pea Starch Noodles: Effect of Processing Variables on Characteristics and Optimisation of Twin-Screw Extrusion Process[J].Food Chemistry，2012，133 (3)：742-753.
[8]HU Zhangqiang，TANG Xiaozhi，Z H A N G Ming，et al.Effects of Different Extrusion Temperatures on Extrusion Behavior, Phenolic Acids, Antioxidant Activity, Anthocyanins and Phytosterols of Black Rice[J].RSC Advances， 2018，8(13)：7123-7132.
[9]Garcia L E，Tejada O V，Perez C E， et al.Functional and Compositional Changes of Orange Peel Fiber Thermally-Treated in a Twin Extruder[J].LWT-Food Science and Technolgy， 2019，111：673-681.
[10]Sarawong C，Schoenlecher R，Sekiguchi K，et al.Effect of Extrusion Cooking on the Physicochemical Properties, Resistant Starch, Phenolic Content and Antioxidant Capacities of Green Banana Flour[J].Food Chemistry，2014，143 (15)：33-39.
