響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝

劉靜雪，張傳軍，李鳳林，楊闖，熊小青

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林吉林132101）

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝

劉靜雪，張傳軍*，李鳳林，楊闖，熊小青

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林吉林132101）

以玉米淀粉為原料，利用單螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出糊化，采用響應(yīng)面優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝，對(duì)影響玉米淀粉糊化工藝的主要因素：擠出溫度、水分添加量、擠出孔直徑做出研究。結(jié)果表明：當(dāng)擠出溫度為114℃、水分添加量23%、擠出孔直徑4 mm時(shí)，玉米淀粉糊化度為97.75%。方差分析結(jié)果表明，影響玉米淀粉擠出法糊化工藝的因素由強(qiáng)到弱為擠出溫度＞擠出孔直徑＞水分添加量。

玉米淀粉；擠出；糊化；響應(yīng)面；工藝優(yōu)化

玉米淀粉又名玉蜀黍淀粉，俗稱六谷粉。玉米淀粉是玉米深加工的重要中間產(chǎn)物，將玉米淀粉進(jìn)一步深加工可得到酒精、淀粉糖等大量產(chǎn)品[1-2]，淀粉類原料具有價(jià)格低、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展非常迅速[3-4]。但是玉米淀粉糊化現(xiàn)階段均采用濕法高溫糊化法，具有浪費(fèi)能源、浪費(fèi)水資源、廢水排放量大、占地面積大等缺點(diǎn)，不符合環(huán)境友好型的理念[5-7]。螺桿擠出技術(shù)在廣泛應(yīng)用到食品工業(yè)，原料被喂入擠出機(jī)后，經(jīng)過(guò)螺桿的軸向推動(dòng)作用，物料被強(qiáng)烈地?cái)D壓和剪切作用，使原料進(jìn)一步細(xì)化、降解[8-9]。物料在高溫、高壓、高剪切力的作用下，發(fā)生改性。當(dāng)物料從擠出頭擠出瞬間，壓力突然降為常壓，使物料中的水分迅速散發(fā)，對(duì)物料會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生沖擊[10-11]。利用現(xiàn)代擠出技術(shù)不僅能夠降低能耗、減少勞動(dòng)力及節(jié)省占地面積，同時(shí)具有生產(chǎn)效率高、成本低、營(yíng)養(yǎng)損失小、浪費(fèi)少且有利于消化吸收等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。本研究采用擠出機(jī)對(duì)玉米淀粉進(jìn)行糊化作用，采用響應(yīng)面優(yōu)化玉米淀粉擠出糊化工藝參數(shù)，為玉米淀粉深加工提供新技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉：山東華農(nóng)特種玉米開(kāi)發(fā)有限公司；β-淀粉酶（酶活為5萬(wàn)U/mL）：大連美侖生物技術(shù)有限公司；碘液：興化市聯(lián)發(fā)化工試劑有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、硫代硫酸鈉等均為分析純：濟(jì)南奇云劍化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SHJ-75型單螺桿擠壓機(jī)：南京鴻銘擠出設(shè)備有限公司；ZDF-6050型真空干燥箱：上海簡(jiǎn)戶儀器設(shè)備有限公司；FS-6X型高速多功能粉碎機(jī)：武漢市泓洋鑫機(jī)電設(shè)備有限公司；GB-204型分析天平：廣州儀通興儀器儀表有限公司；MB-45型快速水分測(cè)定儀：上海洪紀(jì)儀器設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

玉米淀粉→加水調(diào)和→擠出糊化→干燥→粉碎→過(guò)篩→測(cè)定

1.3.2 玉米淀粉擠出法糊化工藝單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 擠出溫度對(duì)玉米淀粉糊化度的影響

在水分添加量23%、擠出孔直徑4 mm的情況下，擠出溫度為 90、100、110、120、130 ℃時(shí)，以玉米淀粉糊化度為考核指標(biāo)，研究擠出溫度對(duì)玉米淀粉糊化度的影響。

1.3.2.2 水分添加量對(duì)玉米淀粉糊化度的影響

在擠出溫度為110℃、擠出孔直徑4 mm的情況下，水分添加量為 21%、22%、23%、24%、25%時(shí)，以玉米淀粉糊化度為考核指標(biāo)，研究水分添加量對(duì)玉米淀粉糊化度的影響。

1.3.2.3 擠出孔直徑對(duì)玉米淀粉糊化度的影響

在擠出溫度為110℃、水分添加量23%的情況下，擠出孔直徑為 2、3、4、5、6 mm 時(shí)，以玉米淀粉糊化度為考核指標(biāo)，研究擠出孔直徑對(duì)玉米淀粉糊化度的影響。

1.3.3 玉米淀粉擠出法糊化工藝參數(shù)的優(yōu)化

綜合考慮單因素試驗(yàn)結(jié)果，以擠出溫度（A）、水分添加量（B）、擠出孔直徑（C）作為響應(yīng)因素，玉米淀粉糊化度（Y）作為響應(yīng)值，作三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，采用Design-Expert8.0.6軟件及Box-Behnken中心原理，確定最佳擠出糊化工藝參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and their coded levels in the Box-Behnken experimental design

1.3.4 玉米淀粉糊化度的測(cè)定[14-15]

準(zhǔn)確量取4份1.000 g糊化后玉米淀粉樣品，置于4 只 250 mL 錐形瓶?jī)?nèi)，對(duì)其進(jìn)行編碼 1、2、3、4，再向其中加50 mL純凈水，取同樣規(guī)格錐形瓶編為5號(hào)作對(duì)照，加50 mL蒸餾水。

加熱1、2號(hào)錐形瓶，保持沸騰15 min，再冷卻到20℃，在1、3、5號(hào)錐形瓶里加5 mL 5%β-淀粉酶，把所有錐形瓶置于恒溫水浴鍋（50℃）90 min，及時(shí)搖擺錐形瓶，然后取出自然降至室溫，再加1 mol/L HCL 2 mL，將全部錐形瓶中液體分別移到100 mL容量瓶進(jìn)行定容，過(guò)濾，備用。

利用移液管吸取 1、2、3、4、5 號(hào)試液及蒸餾水各10 mL分別放入6只250 mL錐形瓶中，再分別取10 mL 0.05 mol/L碘液和18 mL 0.1 mol/L氫氧化鈉溶液，搖勻后靜止15min。再加2 mL 10%硫酸溶液，再用0.05mol/L硫代硫酸鈉溶液進(jìn)行滴定，記下各錐形瓶的液體消耗的硫代硫酸鈉體積，糊化度計(jì)算公式為

式中：α 為糊化度；P1、P2、P3、P4分別為 1、2、3、4 號(hào)錐形瓶?jī)?nèi)試液消耗硫代硫酸鈉的體積，mL；Y為空白消耗硫代硫酸鈉的體積，mL；Q為5號(hào)錐形瓶?jī)?nèi)試液消耗硫代硫酸鈉的體積，mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米淀粉擠出法糊化工藝單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 擠出溫度對(duì)玉米淀粉糊化度的影響

擠出溫度對(duì)玉米淀粉糊化度的影響見(jiàn)圖1。

圖1 擠出溫度對(duì)玉米淀粉糊化度的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on gelatinization of corn starch

根據(jù)圖1可知，當(dāng)擠出溫度較90℃時(shí)，玉米淀粉糊化度最低，隨著擠出溫度的升高，玉米淀粉糊化度逐漸升高，當(dāng)擠出溫度達(dá)到110℃時(shí)，糊化度幾乎達(dá)到最高，繼續(xù)提高溫度后，糊化度幾乎不變，原因可能是溫度較低時(shí)，擠出機(jī)內(nèi)部不能達(dá)到一定的壓力，不能使得淀粉糊化改性，而溫度過(guò)高后，淀粉與水分作用已經(jīng)完全[16]，不能繼續(xù)提高糊化度。因此選擇擠出溫度100、110、120℃為響應(yīng)面研究水平。

2.1.2 水分添加量對(duì)玉米淀粉糊化度的影響

水分添加量對(duì)玉米淀粉糊化度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 水分添加量對(duì)玉米淀粉糊化度的影響Fig.2 Effect of moisture content on gelatinization of corn starch

根據(jù)圖2可知，當(dāng)水分添加量為21%時(shí)，玉米淀粉糊化度最低，隨著水分添加量的升高，玉米淀粉糊化度逐漸升高，當(dāng)水分添加量達(dá)到23%時(shí)，糊化度幾乎達(dá)到最高，繼續(xù)增大水分添加量后，糊化度迅速下降。由于淀粉糊化需要水分的參與，當(dāng)水分較少時(shí)，不能夠滿足淀粉的糊化需要，而水分過(guò)高后，擠出機(jī)內(nèi)部淀粉出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，糊化不完全[17]，導(dǎo)致糊化度迅速下降。因此選擇水分添加量22%、23%、24%為響應(yīng)面研究水平。

2.1.3 擠出孔直徑對(duì)玉米淀粉糊化度的影響

擠出孔直徑對(duì)玉米淀粉糊化度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 擠出孔直徑對(duì)玉米淀粉糊化度的影響Fig.3 Effect of extrusion hole diameter on on gelatinization of corn starch

根據(jù)圖3可知，當(dāng)擠出孔直徑為2 mm時(shí)，玉米淀粉糊化度最低，隨著擠出孔直徑的增大，玉米淀粉糊化度逐漸升高，當(dāng)擠出孔直徑達(dá)到4 mm時(shí)，糊化度幾乎達(dá)到最高，繼續(xù)增大擠出孔直徑后，糊化度幾乎不變。原因可能是當(dāng)擠出孔較小時(shí)，物料運(yùn)行較難，導(dǎo)致糊化度變小，擠出孔增大后，玉米淀粉可充分與水混合糊化[18]。因此選擇擠出孔直徑為3、4、5 mm為響應(yīng)面研究水平。

2.2 玉米淀粉擠出法糊化工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 玉米淀粉擠出法糊化工藝數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用單因素試驗(yàn)結(jié)果作為基礎(chǔ)，進(jìn)行三因素三水平RSM（response surface methodology）響應(yīng)面試驗(yàn)?？疾鞌D出溫度（A）、水分添加量（B）、擠出孔直徑（C）分別對(duì)玉米淀粉糊化度（Y）的影響，響應(yīng)面結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

應(yīng)用Design-Expert8.0.6試驗(yàn)軟件將表2做出多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗(yàn)，能夠得出糊化度作為目標(biāo)函數(shù)，關(guān)于每個(gè)因素編碼值二次回歸方程如下：

將以上結(jié)果做出顯著性檢驗(yàn)，表3是方差分析結(jié)果，表4是可信度分析結(jié)果。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for fitted quadratic regression equation

續(xù)表3 回歸方程方差分析表Continue table 3 Analysis of variance for fitted quadratic regression equation

表4 回歸模型的可信度分析Table 4 Reliability analysis of the established regression model

分析表 3、4，可得出，p＜0.000 1，遠(yuǎn)小于 0.01，表明此數(shù)據(jù)分析結(jié)果極顯著，回歸數(shù)學(xué)模型和實(shí)際測(cè)定數(shù)值能夠完全擬合，試驗(yàn)誤差較小，因此能夠利用此數(shù)學(xué)回歸方程代替試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)對(duì)它進(jìn)行計(jì)算，R2=99.39%，理論值和實(shí)際測(cè)定的數(shù)值有很高的相關(guān)聯(lián)性，表明此方程較可靠。在回歸模型中，一次項(xiàng)A、B、C，交互項(xiàng) AB、BC，二次項(xiàng) A2、B2、C2，均表現(xiàn)出了極顯著水平。方差分析結(jié)果還表明，影響玉米淀粉擠出法糊化工藝的因素由強(qiáng)到弱為擠出溫度（A）＞擠出孔直徑（C）＞水分添加量（B）。

2.2.2 交互作用對(duì)玉米淀粉糊化度影響的響應(yīng)面分析

交互作用對(duì)玉米淀粉糊化度影響的響應(yīng)面分析見(jiàn)圖4。

圖4 交互作用極顯著因素響應(yīng)面及等高線圖Fig.4 Response surfaces and contour plots showing the interactive effects

等高線是反應(yīng)因素之間的相互作用的，能夠從圖4中直接明顯看出。若等高線圖中圓圈是橢圓的，代表因素之間的作用是顯著的，若圖是圓形的，代表因素之間是不顯著的[19-20]。擠出溫度（A）與水分添加量（B）、水分添加量（B）與擠出孔直徑（C）之間交互作用極顯著，具體表現(xiàn)為等高線中的圖形呈明顯的橢圓形，擠出溫度（A）與擠出孔直徑（C）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。

2.2.3 優(yōu)化擠出酶解復(fù)合法液化工藝參數(shù)

為了能夠明確最優(yōu)參數(shù)，要把回歸數(shù)學(xué)方程對(duì)每個(gè)參數(shù)求一階偏導(dǎo)數(shù)，并設(shè)其是0，得到三元一次方程如下：

求解得：A＝0.389、B＝－0.016、C＝0.089，即最佳工藝參數(shù)為擠出溫度為113.89℃、水分添加量22.98%、擠出孔直徑4.09 mm時(shí)，在此條件下，玉米淀粉糊化度為97.64%。為便于實(shí)際操作，將參數(shù)修正為擠出溫度為114℃、水分添加量23%、擠出孔直徑4.0 mm。采用便于操作的數(shù)據(jù)的工藝參數(shù)繼續(xù)做3次平行試驗(yàn)，玉米淀粉糊化度為97.75%，實(shí)際測(cè)定值和理論值比較相近，能夠說(shuō)明此模型可優(yōu)化擠出法糊化玉米淀粉工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

利用單因素和響應(yīng)面優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝，對(duì)影響玉米淀粉糊化工藝的主要因素：擠出溫度、水分添加量、擠出孔直徑做出研究。結(jié)果表明：當(dāng)擠出溫度為114℃、水分添加量23%、擠出孔直徑4 mm時(shí)，玉米淀粉糊化度為97.75%。方差分析結(jié)果表明，影響玉米淀粉擠出法糊化工藝的因素由強(qiáng)到弱為擠出溫度＞擠出孔直徑＞水分添加量。本研究采用擠出機(jī)對(duì)玉米淀粉進(jìn)行糊化工藝探索，可降低能耗、水耗，減少?gòu)U水排放量，減少人力物力的投入，為玉米淀粉深加工提供新技術(shù)參考。

[1] 呂振磊,李國(guó)強(qiáng),陳海華.馬鈴薯淀粉糊化及凝膠特性研究[J].食品與機(jī)械,2010,26(3):22-27

[2] Lingshang Lin,Canhui Cai,Robert G,et al.Relationships between amylopectin molecular structures and functional properties of different-sized fractions of normal and high-amylose maize starches[J].Food Hydrocolloids,2016,52(1):359-368

[3] Shuang Qiu,Madhav P Yadav,Yan Liu,et al.Effects of corn fiber gum with different molecular weights on the gelatinization behaviors of corn and wheat starch[J].Food Hydrocolloids,2016,53(2):180-186

[4] 王紹清,王琳琳,范文浩,等.掃描電鏡法分析常見(jiàn)可食用淀粉顆粒的超微形貌[J].食品科學(xué),2011,32(15):74-79

[5] 張攀峰,陳玲,李曉璽,等.不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子質(zhì)量及其構(gòu)象[J].食品科學(xué),2010,31(19):157-160

[6] 劉東莉.不同鏈/支比玉米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)原位表征與分析[D].杭州:浙江大學(xué),2014

[7]張雅媛.玉米淀粉與親水性膠體協(xié)效性和作用機(jī)理的研究[D].無(wú)錫:江南大學(xué),2012

[8] 劉宇欣.擠壓-復(fù)合酶法制備多孔淀粉研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013

[9] 劉麗.擠壓酶解技術(shù)制備碎米淀粉糖[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[10]郝彥玲,張守文.黑米、薏米、蕎麥混合擠壓膨化工藝及機(jī)理的研究[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào),2004,4(4):25-31

[11]Enbo Xu,Hongyan Li,Zhengzong Wu,et al.Influence of Enzymatic Extrusion Liquefaction Pretreatment for Chinese Rice Wine on the Volatiles Generated from Extruded Rice[J].Journal of Food Science,2015,80(1):29-39

[12]Ya-Ling Huang,Ya-Sheng Ma.The effect of extrusion processing on the physiochemical properties of extruded orange pomace[J].Food Chemistry,2016,19(2):118-125

[13]何榮,李倩,劉俊飛,等.發(fā)芽糙米的富硒及其微波干燥與擠壓膨化工藝優(yōu)化[J].食品科學(xué),2015,36(6):82-85

[14]洪靜,鄭學(xué)玲,劉翀,等.小麥總淀粉、A-淀粉及B-淀粉的熱損傷與其糊化度、糊化特性的關(guān)系[J].食品科學(xué),2014,35(15):38-42

[15]郭楠,葉金鵬,林亞玲,等.漂燙對(duì)速凍薯?xiàng)l品質(zhì)及淀粉糊化度的影響研究[J].食品科技,2014,39(9):186-191

[16]曾凡逵,趙鑫,周添紅,等.雙波長(zhǎng)比色法測(cè)定馬鈴薯直鏈/支鏈淀粉含量[J].現(xiàn)代食品科技,2012,26(1):119-122

[17]段善海,徐大慶,繆銘.物理法在淀粉改性中的研究進(jìn)展[J].食品科學(xué),2007,28(3):361-366

[18]楊瑩,黃麗婕.改性淀粉的制備方法及應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技,2013,34(20):381-385

[19]劉靜雪,樊紅秀,王慶慶,等.響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化擠出酶解復(fù)合法改性玉米淀粉工藝[J].食品科學(xué),2015,36(16):18-24

[20]徐明悅,李洪軍,賀稚非,等.響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化玉米淀粉-殼聚糖可食膜的制備工藝[J].食品科學(xué),2015,36(16):38-43

Response Surface Optimization of Gelatinization Process of Corn Starch Extrusion

LIU Jing-xue，ZHANG Chuan-jun*，LI Feng-lin，YANG Chuang，XIONG Xiao-qing
（College of Food Engineering，Jilin Agricultural Science and Technology College，Jilin 132101，Jilin，China）

The corn starch as raw material was extruded by single-screw extruder.The gelatinization process of corn starch was optimized by response surface method.The main factors affecting the gelatinization of corn starch were extrusion temperature，volume，extrusion hole diameter to make a study.The results showed that the gelatinization degree of corn starch was 97.75%when the extrusion temperature was 114℃，the moisture content was 23%，and the diameter of extrusion hole was 4 mm.The results of analysis of variance showed that the factors influencing the gelatinization process of corn starch extrusion were extrusion temperature＞extrusion hole diameter＞moisture addition.

corn starch；extrusion；gelatinization；response surface；process optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.22.022

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品科學(xué)重點(diǎn)學(xué)科培育項(xiàng)目（吉農(nóng)院合字[2015]第X059號(hào)）；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目（吉農(nóng)院合字[2016]第Q27號(hào)）

劉靜雪（1988—），男（漢），助教，碩士，研究方向：糧油植物蛋白與天然產(chǎn)物功效及功能性食品研發(fā)。

*通信作者：張傳軍（1958—），男，教授，研究方向：食品科學(xué)。

2017-03-11