擠壓膨化技術(shù)在玉米深加工產(chǎn)業(yè)中研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

付昱東，何 東，楊慶余，邵 晨，王 含，肖志剛

（沈陽師范大學(xué) 糧食學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

擠壓膨化技術(shù)在食品領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，為玉米產(chǎn)業(yè)的綜合利用開辟了新的道路。玉米在擠壓機(jī)中產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，使擠壓產(chǎn)物在質(zhì)構(gòu)、組成、表觀等理化特性及營養(yǎng)上均產(chǎn)生很大改變[1]。

1 擠壓膨化技術(shù)

食品擠壓膨化技術(shù)是指物料在擠壓機(jī)腔體內(nèi)由于螺桿的推動(dòng)作用從而被迫曲折前進(jìn)的過程，在摩擦力、剪切力和加熱共同作用下，使腔體內(nèi)達(dá)到高溫、高壓狀態(tài)，在此過程中物料經(jīng)受強(qiáng)烈的攪拌、擠壓、剪切、熔融、殺菌、熟化等一系列復(fù)雜的連續(xù)化處理的高溫短時(shí)加工過程[2-3]。擠壓膨化的影響因素主要包括螺桿轉(zhuǎn)速、溫度、固液進(jìn)料量，以及原料本身的性質(zhì)（如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等的含量）[4]。擠壓膨化加工使得玉米內(nèi)部組分的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致玉米中淀粉發(fā)生糊化、降解，提高了還原糖和糊精的含量；蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生變化；纖維素發(fā)生細(xì)化、降解等；擠壓后原料的利用率和消化吸收率得到提高[5-6]。擠壓膨化產(chǎn)物具有與原料不同的理化性質(zhì)[7]。與傳統(tǒng)加工方式相比，擠壓加工結(jié)合了水分、壓力、溫度和機(jī)械剪切作用，是一種生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、功能性廣、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的食品加工技術(shù)[8]?？捎糜陂_發(fā)具有功能特性的小吃或早餐谷類食品，能夠有效改善食品的加工品質(zhì)[9-10]，應(yīng)用前景廣闊[11]。

2 玉米營養(yǎng)成分及加工現(xiàn)狀

2.1 玉米的營養(yǎng)成分

玉米含有豐富的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、水溶性多糖、維生素、礦物質(zhì)等，且含有人體必需的氨基酸、多糖等生理活性物質(zhì)，同時(shí)玉米具備諸多保健性能，在世界范圍被稱作為“黃金作物”[12]。

2.2 玉米的加工現(xiàn)狀

中國是全球玉米產(chǎn)量排名第2 位的國家，玉米在2018 年的產(chǎn)量為25 700 萬t。玉米是我國主要的經(jīng)濟(jì)作物，是可加工程度最高、產(chǎn)業(yè)鏈最長、產(chǎn)品類別極為豐富的糧食品種。玉米年產(chǎn)量高、增產(chǎn)潛力大、產(chǎn)品成本低、經(jīng)濟(jì)效益高，能供人畜食用、飼用，且工業(yè)用途廣泛，是全世界發(fā)展前途最大的谷物[13]。玉米的深加工是指以玉米或其初加工產(chǎn)品為原料，利用物理、化學(xué)方法和發(fā)酵工程等工藝技術(shù)對(duì)玉米進(jìn)行深度加工的行業(yè)[14]。當(dāng)今世界已經(jīng)研發(fā)出的玉米深加工產(chǎn)品達(dá)到幾十類，數(shù)千個(gè)品種，同時(shí)每個(gè)品種的產(chǎn)業(yè)鏈層次水平均比較高，經(jīng)過深加工后的玉米較玉米原糧其產(chǎn)品增值大，經(jīng)濟(jì)效益超過原糧數(shù)百倍，玉米加工業(yè)深受各界人士關(guān)注，并被稱作“陽光產(chǎn)業(yè)”和“黃金產(chǎn)業(yè)”[15]。玉米深加工產(chǎn)品主要包括淀粉、變性淀粉，以及淀粉過程中加工產(chǎn)生的各種副產(chǎn)物，如玉米胚芽、纖維及蛋白等，加上各類高附加值的發(fā)酵制品、淀粉糖、多元醇等[16]。近年來我國玉米深加工行業(yè)發(fā)展迅速，且廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等多個(gè)領(lǐng)域，前景良好。

3 擠壓膨化技術(shù)在玉米深加工中的應(yīng)用

3.1 擠壓膨化技術(shù)在玉米淀粉中的應(yīng)用

淀粉是玉米深加工行業(yè)的基礎(chǔ)原料，2018 年我國玉米淀粉產(chǎn)量達(dá)到2.815×107t，玉米淀粉占世界淀粉產(chǎn)量的81%之多，深加工的玉米淀粉位于其他淀粉的首位[17]。如今，國際上多利用濕磨工藝制取玉米淀粉，以此原料進(jìn)行深加工的產(chǎn)品主要有淀粉糖、變性淀粉和發(fā)酵制品等。

3.1.1 淀粉糖

淀粉糖是淀粉深加工的主要產(chǎn)品，2018 年達(dá)到玉米淀粉消費(fèi)總量的56%。目前，用玉米淀粉制取糖的方法主要是酸法、酸酶法和雙酶法[18]。擠壓膨化制糖工藝是近幾年發(fā)展起來的新工藝，原料經(jīng)過擠壓膨化處理產(chǎn)生物性變化，能夠減少制糖工藝中的液化糖化時(shí)間，縮短工藝流程，提高效率，降低能耗[19]。肖志剛[20]對(duì)擠壓膨化參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，克服了擠壓膨化脫胚玉米制取淀粉糖漿糖化液過濾困難的問題。采用擠壓膨化技術(shù)制取淀粉糖漿，省去傳統(tǒng)的蒸煮糊化工序，降低液化、糖化時(shí)間，節(jié)約了能耗，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。劉靜雪等人[21]采用擠壓結(jié)合酶解的方法對(duì)玉米淀粉改性處理，利用響應(yīng)面法對(duì)改性工藝的主要影響因素是淀粉酶添加量、擠壓溫度、淀粉含量優(yōu)化處理，得出玉米淀粉經(jīng)擠出酶解復(fù)合改性后顆粒表面出現(xiàn)孔洞，結(jié)晶度降低，擠壓產(chǎn)物低聚糖組分可以很好地分離，低聚糖樣品不同組分葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、麥芽四糖、麥芽五糖的質(zhì)量比為1.0∶3.4∶7.5∶6.0∶1.8。如今，玉米淀粉糖制成的產(chǎn)品有果葡糖漿、結(jié)晶葡萄糖、葡萄糖漿、啤酒糖漿、麥芽糖漿、低聚糖漿等液體淀粉糖，普遍應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域[22]。

3.1.2 變性淀粉

天然淀粉在某些情況下具有水溶性低、糊化后回生不良等局限性[23]。為了克服這些缺點(diǎn)，必須對(duì)淀粉進(jìn)行物理、化學(xué)或酶的修飾[24]。也就是說淀粉的固有性質(zhì)使其不再適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的需求，它必須與其他材料進(jìn)行改性或混合，以獲得更優(yōu)越的性能[25]。高溫短時(shí)間擠壓蒸煮對(duì)淀粉基原料理化性能的改性效果顯著[26]，擠壓技術(shù)可大量連續(xù)生產(chǎn)多種類型的變性淀粉，且綠色環(huán)保、無污染物質(zhì)產(chǎn)生。利用擠壓機(jī)作反應(yīng)器可以生產(chǎn)出氧化、酯化、醚化和交聯(lián)等多種類型的變性淀粉[27]。一般情況下，擠壓會(huì)導(dǎo)致淀粉糊化、結(jié)晶度喪失、直鏈淀粉和支鏈淀粉降解或老化等變化[28]。實(shí)際上，淀粉最終的結(jié)構(gòu)決定了材料和功能特性，只要淀粉在加工過程中的結(jié)構(gòu)變化得到很好的控制，就可以對(duì)擠壓加工進(jìn)行調(diào)整，以獲得與目標(biāo)應(yīng)用相關(guān)的結(jié)構(gòu)[29]。Graeme Moad[30]研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用擠壓膨化技術(shù)可以連續(xù)生產(chǎn)出高質(zhì)量、更穩(wěn)定的改性淀粉，因擠出機(jī)具有良好的混合效果等優(yōu)勢(shì)，特別適用于處理高黏性流體（如糊化淀粉），克服了天然淀粉在高溫下因糊化導(dǎo)致淀粉顆粒破裂，形成一種很難處理的均勻但黏性很高的糊狀物的缺陷。楊慶余等人[31]利用擠壓蒸煮法制備的玉米淀粉- GMS復(fù)合物，解決了玉米淀粉容易回生的難題。在擠壓機(jī)內(nèi)經(jīng)擠壓處理的玉米淀粉與分子蒸餾單甘酯（GMS）發(fā)生酯交換反應(yīng)生成了回生凝膠焓值和回生凝膠溫度均低于原玉米淀粉的玉米淀粉- GMS 復(fù)合物，得到具有抗回生性能的高質(zhì)量淀粉基產(chǎn)品。任海斌等人[32]研究了經(jīng)擠壓預(yù)處理的玉米淀粉，經(jīng)普魯蘭酶酶解手段制備抗性淀粉，進(jìn)而研究擠壓參數(shù)：物料含水量、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度和喂料速度對(duì)抗性淀粉含量的影響，制備出了高含量的抗性淀粉。Erich von Borries-Medrano 等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，擠壓技術(shù)對(duì)玉米淀粉進(jìn)行熱機(jī)械改性后不同類型半乳甘露聚糖和檸檬酸的相互作用導(dǎo)致擠壓淀粉樣品的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，對(duì)淀粉老化和抗性淀粉形成的影響。

3.1.3 發(fā)酵制品

啤酒是繼水和茶后全球范圍內(nèi)被廣泛消費(fèi)且排名第3 位的暢銷飲料[33]。玉米淀粉因其蛋白質(zhì)和脂肪含量低且浸出率高、糊化溫度低、易糖化等特性而特別適用于用作啤酒輔料[34-35]。傳統(tǒng)的啤酒輔料經(jīng)由蒸煮工序?qū)崿F(xiàn)糊化，工藝復(fù)雜且能耗高[36]。擠壓膨化工藝對(duì)啤酒原料的預(yù)處理是由瞬時(shí)高溫高壓及高剪切力改變?cè)辖Y(jié)構(gòu)，從而提高原料利用率[37]。擠壓輔料釀造的啤酒具有口感細(xì)膩、風(fēng)味獨(dú)特、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)[35]。擠壓膨化相比于傳統(tǒng)蒸煮糊化工藝處理啤酒輔料存在諸多優(yōu)點(diǎn)，并且吸引廣大研究者探索。鄭慧等人[38]探討了擠壓膨化處理玉米淀粉輔料的添加對(duì)麥汁和啤酒蛋白質(zhì)組成及含量的影響，研究得出低溫?cái)D壓玉米淀粉輔料麥汁及啤酒中低分子含氮物質(zhì)偏高，有利于啤酒的口感、持泡性和抗氧化性。Cortés-Ceballos Enrique等人[39]將預(yù)糊化的玉米和高粱淀粉與硬脂酰乳酸鈉一起進(jìn)行擠壓膨化處理，以減少抗性淀粉和加工黏度，評(píng)價(jià)所得麥芽汁的釀造性能，并與傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的啤酒進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，預(yù)糊化釀造輔料的使用減少啤酒生產(chǎn)過程中的糊化時(shí)間，且省去了蒸煮槽的需要，有效地減少了釀酒廠的資本和運(yùn)營費(fèi)用。

3.2 擠壓膨化技術(shù)在玉米胚芽中的應(yīng)用

玉米胚芽是工業(yè)生產(chǎn)的重要副產(chǎn)物，大量的玉米胚為玉米胚芽油的生產(chǎn)提供了原料[40]。擠壓膨化預(yù)處理浸油工藝是全新的植物油脂提取技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的軋坯蒸炒預(yù)榨浸出工藝，擠壓預(yù)處理免除了油籽的干燥、粉碎、軋坯、蒸炒和預(yù)榨等步驟，使得生產(chǎn)能力增強(qiáng)，生產(chǎn)工藝縮短，生產(chǎn)成本降低，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性[41]。由此可以明確，研究玉米胚擠壓浸油工藝是可行且必要的。近年來，大量學(xué)者將研究點(diǎn)放在擠壓膨化油料作物上，于雙雙等人[42]以半濕法玉米胚為研究對(duì)象，討論擠壓膨化工藝條件：螺紋升角、阻流環(huán)直徑、軸頭間隙和螺桿轉(zhuǎn)速等因素對(duì)半濕法玉米胚低溫?cái)D出物浸提所得原油的酸值影響，優(yōu)化得到最佳的擠壓膨化工藝參數(shù)，并為玉米胚芽油的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。Li Hongjun 等人[43]通過擠壓預(yù)處理手段，以物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速、套筒溫度和?？卓讖綖榉磻?yīng)變量，以殘留油作為該工藝的考查指標(biāo)，優(yōu)化出了最佳擠壓工藝參數(shù)，提高了玉米胚芽油的提取效率。

3.3 擠壓膨化技術(shù)在玉米蛋白中的應(yīng)用

玉米蛋白粉是玉米首先通過濕磨工藝得到粗淀粉乳，再經(jīng)蛋白質(zhì)分離獲得麩質(zhì)水，最后濃縮干燥得到。目前，擠壓膨化對(duì)玉米蛋白粉的應(yīng)用研究主要集中在制取玉米醇溶蛋白，提取玉米黃色素，制備玉米蛋白肽[44-45]。鄭喜群等人[46]對(duì)玉米蛋白粉進(jìn)行擠壓膨化預(yù)處理提取玉米醇溶蛋白，預(yù)處理后獲得的玉米醇溶蛋白結(jié)構(gòu)特性發(fā)生了改變，物理性質(zhì)得到改善，持水力、吸油性和黏度均有不同程度的增加，擠壓膨化技術(shù)為玉米醇溶蛋白的開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。焦巖等人[47]研究了通過對(duì)擠壓膨化預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化，對(duì)擠壓前后玉米蛋白粉內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化和玉米黃色素得率的關(guān)系及玉米黃色素組成進(jìn)行分析，結(jié)果表明，擠壓膨化預(yù)處理能夠明顯增加玉米黃色素的提取量，是提取玉米蛋白粉色素的一種實(shí)用有效的預(yù)處理手段，為擠壓膨化技術(shù)在玉米黃色素提取方面的研究與應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。孫旭[48]在前人制備玉米抗氧化肽研究的基礎(chǔ)上，將擠壓技術(shù)融入其中，利用酶解法對(duì)擠壓后的玉米蛋白粉進(jìn)行酶解，使得抗氧化肽得率提高，同時(shí)玉米蛋白粉的利用率增加，為今后玉米抗氧化肽的進(jìn)一步研究，提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.4 擠壓膨化技術(shù)在玉米皮中的應(yīng)用

玉米皮作為玉米加工淀粉過程中的副產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行擠壓膨化預(yù)處理，可用作發(fā)酵纖維乙醇、改性膳食纖維、提取玉米皮多糖等用途，從而提高玉米副產(chǎn)物的附加值。研究發(fā)現(xiàn)，0.75% NaOH 處理的擠壓膨化的脫淀粉玉米纖維比未經(jīng)擠壓處理的脫淀粉玉米纖維有顯著提高乙醇產(chǎn)率的作用。薛戰(zhàn)鋒等人[49]綜述了擠壓處理可以使膳食纖維中可溶性成分提升，其持水能力、結(jié)合水能力和膨脹能力等性質(zhì)得到改善，充分發(fā)揮其生理功能，拓寬其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。王文俠等人[50]研究發(fā)現(xiàn)，擠壓處理后的玉米皮多糖得率提高了2.7 倍。擠壓處理使玉米麩皮粗多糖清除多種自由基及還原能力均有不同程度的提高，對(duì)羥自由基及超氧陰離子自由基作用尤為顯著。

3.5 擠壓膨化技術(shù)在脫胚玉米中的應(yīng)用

玉米深加工包含將脫胚玉米作為原材料生產(chǎn)酒精，其在食品工業(yè)、化工產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被普遍應(yīng)用。目前，對(duì)可代替石油的綠色燃料—酒精的應(yīng)用是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，世界上生產(chǎn)最多的生物燃料之一也是燃料乙醇[51]。傳統(tǒng)工藝中的酒精發(fā)酵需要先對(duì)淀粉質(zhì)原料進(jìn)行高溫高壓蒸煮處理，此過程耗能巨大。而擠壓膨化技術(shù)可以省去傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中的煮沸階段，節(jié)省能耗。關(guān)正軍等人[15]通過比較擠壓膨化脫胚玉米與傳統(tǒng)蒸煮液化生產(chǎn)酒精的不同工藝，得出省去蒸煮液化階段的膨化物料與對(duì)照樣在同樣操作條件下進(jìn)行糖化和酒精發(fā)酵，其淀粉出酒率提高，認(rèn)為擠壓膨化技術(shù)可以替代蒸煮液化階段，并且對(duì)擠壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化完全可能達(dá)到傳統(tǒng)工藝的發(fā)酵效果，此研究對(duì)擠壓膨化脫胚玉米生產(chǎn)酒精有重要參考價(jià)值。吳德旺[52]探究了將膨化前后玉米分別按傳統(tǒng)酒精生產(chǎn)工藝進(jìn)行液化、糖化及發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨化后的玉米液化時(shí)間縮短，發(fā)酵醪中的三糖、二糖含量下降，乙醇含量提高，膨化后的物料經(jīng)過傳統(tǒng)的酒精生產(chǎn)工藝，酒精產(chǎn)率大大提高，淀粉利用率提高。

4 結(jié)語

擠壓膨化技術(shù)的不斷創(chuàng)新與推廣, 給我國玉米產(chǎn)業(yè)的綜合利用開辟了新途徑。擠壓膨化加工是一個(gè)結(jié)合了物理、化學(xué)、生物綜合作用的復(fù)雜反應(yīng)過程，擠壓加工中各種工藝參數(shù)及其交互作用對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量均有影響，工藝參數(shù)和生產(chǎn)條件均有待深入探討。因此，通過推動(dòng)擠壓加工技術(shù)的創(chuàng)新可以推動(dòng)玉米深加工技術(shù)全面的發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)大玉米深加工的應(yīng)用領(lǐng)域。