響應(yīng)面試驗優(yōu)化擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉工藝

劉靜雪，樊紅秀，王慶慶，趙 鑫，郭 中，張艷榮

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

響應(yīng)面試驗優(yōu)化擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉工藝

劉靜雪，樊紅秀，王慶慶，趙 鑫，郭 中，張艷榮*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

利用擠出酶解對玉米淀粉進(jìn)行改性，采用響應(yīng)面法對影響改性工藝的主要因素耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)、擠出溫度、玉米淀粉含質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，通過高效液相色譜、掃描電子顯微鏡、X-射線衍射以及差示掃描質(zhì)熱儀對玉米淀粉擠出酶解復(fù)合改性前后的低聚原組成、表觀結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度以及熱力學(xué)性質(zhì)的變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明：當(dāng)耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)40 U/g、擠出溫度140 ℃、玉米淀粉含質(zhì)70%時，擠出改性玉米淀粉葡萄原當(dāng)質(zhì)值為19.55%。高效液相色譜分析表明擠出物低聚原的組分能夠得到較好的分離，低聚原樣品中各組分葡萄原、麥芽原、麥芽三原、麥芽四原、麥芽五原的質(zhì)質(zhì)比為1.0∶3.4∶7.5∶6.0∶1.8。玉米淀粉經(jīng)擠出酶解復(fù)合改性后顆粒表面出現(xiàn)孔洞，結(jié)晶度下降。

擠出酶解復(fù)合法；玉米淀粉；改性；高效液相色譜法

玉米淀粉又名玉蜀黍淀粉，俗稱六谷粉。其主要加工產(chǎn)品有淀粉原、變性淀粉及乙醇等［1］。玉米淀粉原具有成本低、用途廣及效益高等優(yōu)點，使得淀粉原產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，淀粉原用質(zhì)大質(zhì)增加［2］。目前，我國大部分淀粉原企業(yè)使用傳統(tǒng)的噴射液化法進(jìn)行生產(chǎn)，玉米淀粉投料質(zhì)質(zhì)濃度較小，一般控制在30 g/100 mL左右［3］。擠出酶解復(fù)合法技術(shù)是新興起的技術(shù)［4］，擠出酶解復(fù)合法技術(shù)是先將物料與酶混合均勻，采用擠出技術(shù)對物料加工，它結(jié)合了擠出過程的高溫、高壓、高剪切力的作用［5］，物料被送入擠出機內(nèi)后，經(jīng)過螺桿的推動作用，一直向前成軸向移動，又由于酶的作用物料被降解［6］。擠出酶解復(fù)合技術(shù)適用于較高物料質(zhì)質(zhì)濃度，減少水消耗、降低能耗、減少勞動力及節(jié)省占地面積，同時具有生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點［7］。本研究采用單螺桿擠出酶解復(fù)合法一步液化高質(zhì)質(zhì)濃度玉米淀粉，考察擠出酶解復(fù)合法中各個因素對高質(zhì)質(zhì)濃度玉米淀粉液化程度的影響，并且優(yōu)化液化工藝參數(shù)，同時采用高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）對最優(yōu)工藝擠出后低聚原樣品組分進(jìn)行分析［8］，為淀粉原生產(chǎn)液化階段提供新技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉 長春帝豪食品發(fā)展有限公司；耐高溫α-淀粉酶（酶活力3.2萬 U/mL） 棗莊市杰諾生物酶有限公司；乙腈（色譜純） 美國Fisher Scientific公司；葡萄原標(biāo)準(zhǔn)品、麥芽原標(biāo)準(zhǔn)品、麥芽三原標(biāo)準(zhǔn)品、麥芽四原標(biāo)準(zhǔn)品、麥芽五原標(biāo)準(zhǔn)品 德國Dr.Ehrenstorfer公司；酒石酸鉀鈉、乙酸鋅、鹽酸、氫氧化鈉、硫酸銅、硫代硫酸鈉、亞甲藍(lán)、無水乙醇、無水乙醚、醋酸、亞鐵氰化鉀、葡萄原（均為分析純） 北京化工廠。

1.2 儀器與設(shè)備

JC-60A型單螺桿擠出機 長春市盛達(dá)食品工業(yè)研究所；1200 HPLC儀 美國安捷倫科技有限公司；RE-2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；D8-ADVANCE型廣角X-射線衍射儀 德國Bruker公司；Pyris-1型差示掃描質(zhì)熱（differential scanning calorimetry，DSC）儀 美國Perkin Elmer公司；SSX-550型掃描電子顯微鏡 日本島津公司；ZDF-6050型真空干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司；Q-250A3高速多功能粉碎機 上海冰都電器有限公司；DK-98-I電子萬用爐 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；GB-204型分析天平 德國賽多利斯特儀器有限公司；PHS-3BW型電腦數(shù)顯酸度計 上海里達(dá)儀器廠；MB-45型快速水分測定儀 美國奧豪斯儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米淀粉成分分析

水分含質(zhì)測定參照GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》直接干燥法；淀粉含質(zhì)測定參照GB/T 5009.9—2008《食品中淀粉的測定》酶水解法；灰分含質(zhì)測定參照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》灼燒稱質(zhì)法；脂肪含質(zhì)測定參照GB/T 14772—2008《食品中脂肪的測定》索氏提取法；蛋白質(zhì)含質(zhì)測定參照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》分光光度法。

1.3.2 酶活力測定

參照GB/T 5521—2008《糧油檢驗：谷物及其制品中α-淀粉酶活性的測定》比色法執(zhí)行。

1.3.3 擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉的制備

將玉米淀粉加入水和耐高溫α-淀粉酶進(jìn)行混合與調(diào)配，經(jīng)潤料后采用單螺桿擠出機進(jìn)行擠出，物料經(jīng)過擠出后用烘干箱干燥，然后粉碎過篩，最后進(jìn)行檢測。

1.3.4 擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉單因素試驗

1.3.4.1 耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)對改性玉米淀粉葡萄原當(dāng)質(zhì)（dextrose equivalent，DE）值的影響

在玉米淀粉含質(zhì)70%、擠出溫度140 ℃的條件下，耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)分別為10、20、30、40、50 U/g時，以改性玉米淀粉DE值為評價指標(biāo)，考察耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)對其影響。

1.3.4.2 擠出溫度對改性玉米淀粉DE值的影響

在耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)30 U/g、玉米淀粉含質(zhì)70%的條件下，擠出溫度為120、130、140、150、160 ℃時，以改性玉米淀粉DE值為評價指標(biāo)，考察擠出溫度對其影響。

1.3.4.3 玉米淀粉含質(zhì)對改性玉米淀粉DE值的影響

在耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)30 U/g、擠出溫度140 ℃的條件下，玉米淀粉含質(zhì)為60%、65%、70%、75%、80%時，以改性玉米淀粉DE值為評價指標(biāo)，考察玉米淀粉含質(zhì)對其影響。

1.3.5 擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉工藝參數(shù)的優(yōu)化

綜合考慮單因素試驗結(jié)果，以耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)（X1）、擠出溫度（X2）、玉米淀粉含質(zhì)（X3）作為影響因素，以擠出酶解改性玉米淀粉DE值（Y）為響應(yīng)值，設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面試驗，采用Design-Expert 8.0.6軟件及Box-Behnken設(shè)計原處，確定最佳改性工藝參數(shù)。試驗設(shè)計因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素與水平Table 1 Factors and their levels used in response surface methodology

1.3.6 擠出酶解復(fù)合改性玉米淀粉的檢測

1.3.7 HPLC的測定

1.3.7.1 色譜條件

色譜柱：Sugar-D（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相：乙腈-水（75∶25，V/V）；柱溫：40 ℃；流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣質(zhì)：10 μL；ELSD的漂移管溫度：85 ℃；載氣：空氣；流速：2.0 L/min。

1.3.7.2 原標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

精密稱取一定質(zhì)的葡萄原、麥芽原、麥芽三原、麥芽四原、麥芽五原標(biāo)準(zhǔn)品混合，用超純水溶解并定容，得到混標(biāo)溶液，其中葡萄原0.365 mg/mL、麥芽原0.416 mg/mL、麥芽三原0.557 mg/mL、麥芽四原0.295mg/mL、麥芽五原0.342 mg/mL。

1.3.7.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別精密吸取混合標(biāo)準(zhǔn)溶液5、10、15、20、25 μL進(jìn)樣，以標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)樣質(zhì)（μg）的對數(shù)為橫坐標(biāo)（X），以色譜峰面積的對數(shù)為縱坐標(biāo)（Y），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，進(jìn)行線性回歸計算，得標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程。

約90%的受訪學(xué)生表示感興趣。隨機抽樣訪談中，受訪學(xué)生均對文化導(dǎo)入表現(xiàn)出強烈的學(xué)習(xí)興趣和積極的學(xué)習(xí)態(tài)度；而部分學(xué)生希望在導(dǎo)入英語文化的同時，也能結(jié)合相關(guān)的中國文化進(jìn)行對照講解，一則可通過參考比照了解文化差異，二則能滿足英語四、六級考試文化知識儲備的需求。

1.3.7.4 低聚原樣品的制備及組分分析

取一定質(zhì)的擠出酶解復(fù)合液化物，用蒸餾水定容，采用Sevag法去除樣品中蛋白成分，用正己烷除去脂溶性成分，再進(jìn)行離心、濃縮、干燥。精確稱取10 mg脫蛋白、脫脂后低聚原樣品，定容至1 mL，過0.22 μm濾膜，得供試樣品液，將供試樣品液稀釋50 倍，重復(fù)進(jìn)樣3 次，每次10 μL。

1.3.7.5 最小檢出限測定

取系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用逐級稀釋的方法進(jìn)行檢測，計算當(dāng)信噪比（RSN）為3時，所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)質(zhì)濃度，并得出其檢出限。

1.3.7.6 精密度實驗

取適質(zhì)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，按1.3.7.1節(jié)的色譜條件，連續(xù)重復(fù)進(jìn)樣5 次，測試各組分的峰面積并計算其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）。

1.3.7.7 回收率實驗

將制備好的3 份樣品溶液，按1.3.7.1節(jié)的色譜條件分析，測試各組分的峰面積并計算其回收率。

1.3.8 掃描電子顯微鏡 （scanning electron microscope，SEM）測定

取烘干后待測樣品于蟲面膠上，放入鍍金器中噴涂鉑-鈀合金，再放入掃描電子顯微鏡下，并拍攝樣品微觀結(jié)構(gòu)。測定條件為：加速電壓為15 kV、電子束4.0、放大倍數(shù)為800 倍、工作距離為17、電子探頭為二次電子檢測器。

1.3.9 X-射線衍射分析

將干燥樣品放入帶有凹槽的玻璃板上壓平，放入X-射線衍射儀進(jìn)行測定，采用連續(xù)掃描法，廣角衍射，特征射線CuKα，掃描速率為2°/min，掃描區(qū)域為5°～40°，步長為0.02，管壓為40 kV，管流為40 mA。

1.3.10 DSC測定

精確稱取一定質(zhì)已知含水質(zhì)的樣品，與去離子水按照m（固形物）∶m（水） =1∶2的比例混合均勻，于小燒杯中，密封后置于4 ℃冰箱中預(yù)平衡24 h。用小勺取一定質(zhì)的淀粉乳，放入DSC專用鋁鍋中，放入DSC儀內(nèi)的樣品座，用空的鋁鍋做對照物，通氮氣，啟動儀器進(jìn)行測定。掃描溫度范圍為30～90 ℃，掃描速率10 ℃/min，氮氣速率30 mL/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米淀粉基本成分分析

表2 玉米淀粉基本成分含量表Table 2 Basic chemical components of corn starch %

由表2可知，玉米淀粉試樣中，淀粉含質(zhì)較高，為86.64%，其他主要是水分，占比為12.47%。

2.2 單因素試驗結(jié)果

2.2.1 耐高溫α-淀粉酶添加量對改性玉米淀粉DE值的影響

圖1 耐高溫α-淀粉酶添加量對擠出酶解改性玉米淀粉DE值的影響Fig.1 Effect of α-amylase addition on DE value

由圖1可以看出，玉米淀粉液化擠出物的DE值在耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)為10 U/g時較小，隨著耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)的增加，DE值逐漸增大，當(dāng)耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)達(dá)到30 U/g時，DE值達(dá)到19.34%，當(dāng)添加質(zhì)超過30 U/g后DE值幾乎不變，甚至有下降趨勢。這可能是由于，在擠出溫度和底物質(zhì)質(zhì)濃度一定的情況下，由于一定質(zhì)的淀粉作為底物，只能與相應(yīng)質(zhì)的酶作用，當(dāng)酶過質(zhì)后，過質(zhì)的酶不能參與和底物反應(yīng)［10-11］，從而導(dǎo)致DE值不再增加。當(dāng)酶添加質(zhì)較小時，酶與過質(zhì)的底物作用不完全，導(dǎo)致底物有剩余［12］，所以需要考慮到充分利用酶和底物無大質(zhì)剩余現(xiàn)象。因此，適宜的耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)為30 U/g。

2.2.2 擠出溫度對改性玉米淀粉DE值的影響

由圖2可以看出，隨著擠出溫度的升高，玉米淀粉液化擠出物DE值先增大后減小，當(dāng)擠出溫度達(dá)到140 ℃時玉米淀粉液化DE值達(dá)到最大，為19.38%。當(dāng)擠出溫度較低時，淀粉酶不能達(dá)到較高活性［13］，導(dǎo)致液化困難，玉米淀粉液化DE值較低，而當(dāng)擠出溫度過高時，高溫會導(dǎo)致酶大質(zhì)的失活而失去作用［14］。因此，適宜的擠出溫度為140 ℃。

圖2 擠出溫度對擠出酶解改性玉米淀粉DE值的影響Fig.2 Effect of extrusion temperature on DE value

2.2.3 玉米淀粉含質(zhì)對改性玉米淀粉DE值的影響

圖3 玉米淀粉含量對擠出酶解改性玉米淀粉DE值的影響Fig.3 Effect of corn starch concentration on DE value

由圖3可以看出，隨著玉米淀粉含質(zhì)的增大，玉米淀粉液化擠出物DE值先增大后減小，當(dāng)玉米淀粉添加質(zhì)為70%時，DE值達(dá)到最大，為19.36%。這是因為淀粉液化需要一定質(zhì)的含水質(zhì)，在擠出過程中，物料玉米淀粉受熱膨脹，淀粉分子的氫鍵斷裂，淀粉的大分子結(jié)構(gòu)被破壞，呈現(xiàn)出無序結(jié)構(gòu)［15］。玉米淀粉受到高溫高壓以及高剪切力作用，水分能夠進(jìn)入淀粉的無定形區(qū)，使得淀粉晶體結(jié)構(gòu)與偏振光蟲折射現(xiàn)象消失，達(dá)到糊化的效果［16］。當(dāng)?shù)矸厶砑淤|(zhì)較小時，物料中的水分含質(zhì)較大，由于水過多而導(dǎo)致擠壓機剪切力降低，玉米淀粉受到剪切程度減小，導(dǎo)致糊化和液化不充分［17］，水分過多還將導(dǎo)致擠出時溫度降低過快，擠出溫度不容易控制［18］，酶作用不充分，導(dǎo)致DE值較低。而當(dāng)?shù)矸厶砑淤|(zhì)過大時，物料在低水環(huán)境下，較難達(dá)到熔融狀態(tài)，淀粉糊化不完全［19］，導(dǎo)致液化不充分，DE值較低。因此，適宜的淀粉含質(zhì)為70%。

2.3 擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.3.1 數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗

采用Box-Behnken試驗設(shè)計，以單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面試驗?？疾炷透邷卅?淀粉酶添加質(zhì)、擠出溫度、玉米淀粉含質(zhì)對擠出酶解改性玉米淀粉DE值的影響，試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表3。

表3 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Box-Behnken design arrangement with experimental results

采用Design-Expert 8.0.6軟件對表3進(jìn)行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗，得到以液化擠出物DE值為目標(biāo)函數(shù)，關(guān)于各條件編碼值的二次回歸方程為：

Y=19.39+0.66X1+0.31X2+0.13X3-0.36X1X2-0.15XX-0.007 5XX-0.52X2-1.28X2-0.46X21323123

對該模型進(jìn)行顯著性檢驗，可得到方差分析見表4，模型的可信度分析見表5。

表4 回歸方程方差分析表Table 4 Analysis of variance of the regression model

表5 回歸模型的可信度分析Table 5 Reliability analysis of the regression model

由表4、5可知，模型的P值小于0.000 1，遠(yuǎn)小于0.01，說明該模型極顯著，回歸模型與實際測定數(shù)值能夠很好地擬合，試驗誤差較小，因此，可以用該回歸方程代替真實值對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，R2=99.45%，預(yù)測值與實測值之間具有高度的相關(guān)性，說明方程可靠性較高。在回歸模型中，X1、X2、X1X2、X12、X22、X32對響應(yīng)值影響極顯著，X3、X1X3對響應(yīng)值影響顯著。影響擠出酶解改性玉米淀粉DE值由強到弱的因素為耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)＞擠出溫度＞玉米淀粉含質(zhì)。

2.3.2 各因素交互作用對擠出酶解改性玉米淀粉DE值的影響

圖4 各兩因素交互作用響應(yīng)面及等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots showing the interactive effects of process parameters on DE value

響應(yīng)面圖是響應(yīng)值對應(yīng)各因素X1、X2、X3所構(gòu)成的三維空間曲面圖，可直觀反映各因素的交互作用［20］。在固定另外兩個因素的情況下，對模型進(jìn)行降維分析，以考察各因素間的交互作用對響應(yīng)值液化擠出物DE值的影響。由Design-Expert 8.0.6軟件對其進(jìn)行統(tǒng)計分析，所得響應(yīng)面及其等高線見圖4。等高線能夠較直觀地反映出各個因素交互作用對響應(yīng)值的影響。等高線中的橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則表示兩因素交互作用不顯著［21］。耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)（X1）與擠出溫度（X2）之間的交互作用極顯著，具體表現(xiàn)為等高線圖呈明顯的橢圓形，耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)（X1）與玉米淀粉含質(zhì)（X3）之間的交互作用顯著，等高線圖呈現(xiàn)出橢圓形，而擠出溫度（X2）與玉米淀粉含質(zhì)（X3）之間的交互作用不顯著，具體表現(xiàn)為等高線圖幾乎呈現(xiàn)為圓形。

2.3.3 優(yōu)化擠出酶解復(fù)合法液化工藝參數(shù)

為進(jìn)一步確定最佳參數(shù)，對擬合的回歸方程分別求一階偏導(dǎo)數(shù)，并設(shè)其為0，得到三元一次方程如下：

求解得：X1=1.000、X2=-0.050、X3=0.087。即最佳工藝參數(shù)為耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)40 U/g、擠出溫度139.50 ℃、玉米淀粉含質(zhì)70.43%，在此條件下玉米淀粉液化擠出物處論DE值為19.52%。為便于實際操作，將參數(shù)修正為耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)40 U/g、擠出溫度140 ℃、玉米淀粉含質(zhì)70%。采用修正后的工藝參數(shù)進(jìn)行3 次驗證實驗，制得擠出酶解復(fù)合改性玉米淀粉DE值的平均值為19.55%，與處論預(yù)測值較為接近，表明數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化擠出酶解復(fù)合法液化工藝參數(shù)是可行的。

2.4 擠出酶解改性玉米淀粉的低聚原組成分析

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線、線性范圍及檢出限

將配制好的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液分別進(jìn)樣并計算，得標(biāo)準(zhǔn)曲線及其回歸方程和最小檢出限見表6，混合標(biāo)準(zhǔn)色譜圖見圖5。

表6 葡萄糖和麥芽低聚糖標(biāo)準(zhǔn)品的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)和線性范圍Table 6 Linear equations with correlation coefficients and linear ranges for glucose and maltooligosaccharides

圖5 混合標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖和麥芽低聚糖色譜圖Fig.5 Chromatogram of mixed standards of glucose and maltooligosaccharides

2.4.2 精密度

取適質(zhì)混標(biāo)液，測定各組分并計算峰面積和RSD（n=5），RSD均小于3.0%，表明精密度良好，見表7。

表7 精密度實驗結(jié)果Table 7 Results of precision tests

2.4.3 加標(biāo)回收率

測定3 份樣品平行，計算各組分的峰面積和平均回收率，結(jié)果見表8。

表8 樣品加標(biāo)回收率結(jié)果Table 8 Results of spiked recovery tests

由表8可得出，樣品加標(biāo)回收率結(jié)果在97.92%～99.46%之間，表明樣品測定結(jié)果準(zhǔn)確。

2.4.4 樣品中低聚原組成分析

圖6 樣品色譜圖Fig.6 Chromatogram of sample

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品線性方程及樣品色譜圖峰面積（圖6），可得出樣品中各組分葡萄原、麥芽原、麥芽三原、麥芽四原、麥芽五原的質(zhì)質(zhì)比為1∶3.4∶7.5∶6.0∶1.8。

2.5 擠出酶解復(fù)合改性處理對玉米淀粉顆粒形態(tài)的影響

圖7 玉米淀粉擠出酶解復(fù)合改性前后SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM pictures of corn starch before and after modification

由圖7a可知，玉米淀粉顆粒表面光滑，結(jié)構(gòu)完整，多數(shù)呈現(xiàn)多角形，少數(shù)呈現(xiàn)橢圓形，顆粒尺寸不均一。經(jīng)加酶擠出改性后，由于受到擠出酶解作用，淀粉顆粒表面變得粗糙且表面多處出現(xiàn)孔洞，顆粒表面呈現(xiàn)紋狀，形狀變得不規(guī)則，甚至有小部分淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹陷和剝落的現(xiàn)象（圖7b）。原因可能是在高溫擠出改性過程中，玉米淀粉顆粒受到高溫、高壓、高剪切力及耐高溫α-淀粉酶的作用，使得其分子內(nèi)能增大，產(chǎn)生比較大的應(yīng)力以及應(yīng)變作用，隨著機械能的逐漸累積，動態(tài)集中的應(yīng)力使得淀粉顆粒內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)被破壞，而后淀粉顆粒整體由多晶狀態(tài)向無定形狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

2.6 擠出酶解復(fù)合液化處處對玉米淀粉顆粒結(jié)晶度的影響

圖8 擠出酶解復(fù)合改性玉米淀粉前后X-射線衍射Fig.8 X-ray diffraction of corn starch before and after modification

玉米淀粉顆粒的天然結(jié)晶結(jié)構(gòu)對酶作用有較強的抵抗力。由圖8可知，玉米淀粉顆粒在2θ為14.9°、17.1°、18.7°和 22.9°時具有強的吸收峰。采用MDI Jade 5.0軟件對X-射線衍射圖譜進(jìn)行分析，得到原淀粉的結(jié)晶度為32.7%；擠出酶解復(fù)合液化后，淀粉的結(jié)晶度降低至22.8%，說明部分淀粉分子內(nèi)部排列被破壞。

2.7 擠出酶解復(fù)合液化處處對玉米淀粉熱性能的影響

圖9 擠出酶解改性玉米淀粉前后的DSSCC圖Fig.9 DSC pictures of corn starch before and after modification

由圖9可知，原玉米淀粉存在一個明顯的相變吸熱峰。還可得出糊化起始溫度T0=63.17 ℃，峰值溫度TP=70.67 ℃和終止溫度TC=76.50 ℃，熱焓值ΔH=7.834 J/g。這是因為淀粉顆粒的糊化溫度與淀粉顆粒內(nèi)部分子鏈的秩序呈正相關(guān)，玉米淀粉顆粒中分子鏈排列緊密，結(jié)晶度高，因而糊化溫度高。玉米淀粉經(jīng)擠出酶解復(fù)合改性后未出現(xiàn)相變吸熱峰，說明顆粒內(nèi)部分子鏈排列程度下降，淀粉與水共熱吸水膨脹，分子間及分子內(nèi)的氫鍵斷裂，使得淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)晶區(qū)和無定形區(qū)的蟲螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞發(fā)生了從顆粒態(tài)到糊化態(tài)的物態(tài)變化［22］。

3 結(jié) 論

擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉的最佳工藝參數(shù)為：耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)40 U/g、擠出溫度140 ℃、玉米淀粉含質(zhì)70%。在最佳條件下，擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉DE值可達(dá)19.55%。擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉的影響因素主次順序為：耐高溫α-淀粉酶添加質(zhì)＞擠出溫度＞玉米淀粉含質(zhì)。高效液相色譜表明擠出物低聚原的組分能夠得到較好的分離，低聚原樣品中各組分葡萄原、麥芽原、麥芽三原、麥芽四原、麥芽五原的質(zhì)質(zhì)比為1.0∶3.4∶7.5∶6.0∶1.8。玉米淀粉經(jīng)擠出酶解復(fù)合改性后，其顆粒表面出現(xiàn)孔洞，結(jié)晶度下降。

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Optimization of Modification Process for Corn Starch Using Enzymatic Hydrolysis Combined with Extrusion by Response Surface Methodology

LIU Jingxue， FAN Hongxiu， WANG Qingqing， ZHAO Xin， GUO Zhong， ZHANG Yanrong*
（College of Food Science and Engineering， Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China）

Response surface methodology （RSM） was used to optimize the modification process for corn starch by enzymatic hydrolysis combined with extrusion. Main process parameters including high temperature resistant α-amylase dosage，extrusion temperature and corn starch concentration were studied. The sugar composition， microstructure， crystallinity and thermodynamic properties of corn starch before and after modification was examined by high performance liquid chromatography （HPLC）， scanning electron microscope， X-ray diffraction technique and differential scanning calorimetry. The results showed that when 40 U/g of high temperature-resistant α-amylase was added， the extrusion was performed at 140 ℃and corn starch concentration was 70%， the maximum DE value of 19.55% was achieved. HPLC analysis showed that the sugar components of the extruded product were separated effectively with a ratio of glucose to maltose to maltotriose to maltotetraose to maltopentaose of 1.0：3.4：7.5：6.0：1.8. The microstructure of the modified starch particles exhibited holes on the surface and the degree of crystallinity decreased.

extrusion combined with enzymatic hydrolysis； corn starch； modification process； high performance liquid chromatography

TS241

A

1002-6630（2015）16-0018-07

10.7506/spkx1002-6630-201516004

2015-04-15

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD34B07）；吉林省重大科技攻關(guān)項目（2012ZDGG007）

劉靜雪（1988—），男，碩士研究生，研究方向為糧食油脂與植物蛋白工程。E-mail：liujingxue08@163.com

*通信作者：張艷榮（1965—），女，教授，博士，研究方向為糧食油脂與植物蛋白工程及食藥用菌精深加工。E-mail：xcpyfzx@163.com