擠出處理對(duì)淀粉性質(zhì)的影響研究進(jìn)展

劉靜雪，高婷婷，李鳳林*，田蘭英，張國(guó)旗

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林吉林 132101；2.吉林省釀造技術(shù)科技創(chuàng)新中心，吉林吉林 132101；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國(guó)家糖料加工技術(shù)研發(fā)分中心，吉林吉林 132101）

淀粉多存在于綠色植物的果實(shí)、種子、塊莖和塊根中，是自然界中含量豐富的一類碳水化合物，也是膳食中不可或缺的原料[1]，淀粉以顆粒的形式存在，可以為人體提供大部分能量。淀粉的價(jià)值無(wú)可替代，然而隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，淀粉分子物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)有限，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)今現(xiàn)代食品加工業(yè)快速發(fā)展的需求，且淀粉來(lái)源不同以及復(fù)合變性淀粉的品種多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高，且關(guān)于改性淀粉生產(chǎn)過(guò)程、品質(zhì)特性的影響及機(jī)理的基礎(chǔ)研究也需加深[2]。在此基礎(chǔ)上，越來(lái)越多的研究學(xué)者順應(yīng)時(shí)勢(shì)，發(fā)明出一種可以彌補(bǔ)普通淀粉穩(wěn)定性低、保水性差、糊化溫度高、黏度低等缺點(diǎn)的改性淀粉，以求將淀粉的不足縮至最小化。從目前的加工工藝來(lái)看，普遍淀粉常見(jiàn)的改性方法有三種：物理法、化學(xué)法和酶法?；瘜W(xué)改性成本低，應(yīng)用范圍廣，效率高，但容易出現(xiàn)化學(xué)試劑殘留等問(wèn)題。酶改性法條件溫和、環(huán)保且產(chǎn)生的淀粉有利于人體消化吸收以及分解；但是設(shè)備要求多、投資大。目前物理改性技術(shù)引起了極大的關(guān)注，物理改性淀粉具有多種優(yōu)點(diǎn)，如物理、機(jī)械性能好等，利用此特點(diǎn)，可利用改性淀粉實(shí)現(xiàn)工業(yè)化?，F(xiàn)階段，已經(jīng)對(duì)天然淀粉進(jìn)行了研究，但仍存在許多問(wèn)題。首先，物理變性方法成本高；其次，物理改性的結(jié)果難以預(yù)測(cè)；三是，國(guó)內(nèi)外對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的物理改性機(jī)制研究較多，缺乏從分子結(jié)構(gòu)角度剖析淀粉性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化模式，結(jié)果也存在一定差異。因此，總結(jié)當(dāng)前通用擠出技術(shù)對(duì)淀粉的結(jié)構(gòu)和特性的影響，有望應(yīng)用于特定需求的淀粉生產(chǎn)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

近年來(lái)，物理改性法中的擠出法應(yīng)運(yùn)而生，逐漸發(fā)展成為一種廣泛用于食品加工業(yè)的重要方法，利用擠出機(jī)的作用將原料從高溫高壓釋放至常溫常壓下，這種瞬間的變化使原料的組織、結(jié)構(gòu)甚至性質(zhì)發(fā)生改變。在擠出過(guò)程中，擠出產(chǎn)生的各種力作用于淀粉分子，能夠破環(huán)其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)使分子間的相互作用受阻，發(fā)生分子晶體結(jié)構(gòu)消失的現(xiàn)象，使其支鏈淀粉降解、含量減少。此外，還可以通過(guò)合成甘氨酸并與其結(jié)合，對(duì)淀粉分子質(zhì)構(gòu)進(jìn)行破壞。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)比其他物理改性法、化學(xué)改性法和酶法，擠出法是一種可以改變淀粉結(jié)構(gòu)性質(zhì)的方法，但是加工條件和淀粉種類的不同會(huì)對(duì)淀粉的結(jié)構(gòu)特性造成影響。天然淀粉可以在擠壓等條件下變成不可逆性的熱塑性淀粉，不僅解決了天然淀粉的高脆性和低韌性問(wèn)題，還解決了化學(xué)試劑殘留等問(wèn)題[3]。因此，擠出法作為一種重要的食品加工技術(shù)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、效率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于玉米、燕麥片、大米等谷物食品的加工。

擠出法生產(chǎn)的改性淀粉在食品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，與化學(xué)改性方法相比具有簡(jiǎn)單、安全、綠色等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究還尚未完全，比如在生產(chǎn)過(guò)程中，溫度、糊化度等條件的控制還有待提高。擠出法生產(chǎn)的改性淀粉，可以廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、紡織、造紙等領(lǐng)域?？傊芯繑D出加工過(guò)程中淀粉物理和化學(xué)特性的變化規(guī)律，并對(duì)所制造產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。本文通過(guò)研究擠出處理對(duì)淀粉各特性的影響，為擠出處理后改性淀粉的性質(zhì)研究提供數(shù)據(jù)參考，為生產(chǎn)特定要求的淀粉提供理論依據(jù)。

1 擠出法的原理

擠出法是將機(jī)械產(chǎn)生的壓力及剪切力作用到淀粉分子上，在擠出過(guò)程中淀粉分子從有序到無(wú)序，氣核形成，膜口膨脹，氣泡成長(zhǎng)和氣泡塌陷。淀粉擠出處理是將淀粉經(jīng)過(guò)預(yù)處理（粉碎、加濕、混合）后置于擠出機(jī)中，通過(guò)機(jī)械作用，強(qiáng)制通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的噴孔（模具），從而形成具有一定形狀和組織的產(chǎn)品的過(guò)程。它是多學(xué)科交叉產(chǎn)生的高新食品技術(shù)。擠出使淀粉晶體結(jié)構(gòu)消失，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，糖苷鍵斷裂及分子間相互作用力重新形成。在高溫、高壓及強(qiáng)烈的擠壓力下天然淀粉不可逆地轉(zhuǎn)變成熱塑性淀粉。

在擠出處理工藝中，通常使用雙螺桿擠出機(jī)和單螺桿擠出機(jī)，其擠出原理主要是通過(guò)物料口進(jìn)料，利用機(jī)筒內(nèi)壁和螺桿間產(chǎn)生的摩擦力使物料壓縮并輸出。在第一步中，固體材料向前推進(jìn)，并且在圓筒外部有一個(gè)加熱環(huán)，通過(guò)加熱，顆?；蚬腆w粉碎的固體材料變?yōu)槿廴诹黧w狀態(tài)，并且聚合物的熔融具有固定的形狀，在該溫度下，材料沿著圓筒逐漸前進(jìn)，熔融材料通過(guò)過(guò)濾器、頭部連續(xù)傳輸?shù)铰輻U的前部。

2 擠出處理對(duì)淀粉特性的影響

2.1 對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)的影響

在擠出過(guò)程中，淀粉發(fā)生明顯變化，通過(guò)降解作用，生成小分子寡糖等，擠出后的淀粉會(huì)出現(xiàn)糊化現(xiàn)象，同時(shí)黏度降低。陳子意[3]發(fā)現(xiàn)在擠出過(guò)程中，某些淀粉會(huì)因其特殊變化發(fā)生內(nèi)部的雙鍵變化，產(chǎn)生新的官能團(tuán)。張弘等[4]發(fā)現(xiàn)小麥胚芽擠出優(yōu)化后，能夠有效延長(zhǎng)儲(chǔ)藏期，提高了小麥胚芽的可食用性以及功能性，并且淀粉顆粒變大、表面變光滑。

擠出處理使淀粉顆粒發(fā)生形變，從而改變淀粉的晶體結(jié)構(gòu)。崔維真[5]對(duì)淀粉擠出樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在擠出機(jī)內(nèi)的高溫高壓條件下，淀粉晶體結(jié)構(gòu)的毀壞，導(dǎo)致其消化性的變化，淀粉的理化性質(zhì)會(huì)影響其與蛋白質(zhì)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的緊密程度，影響擠出物質(zhì)以及其產(chǎn)品的膨化度等特性。楊景峰等[6]在擠壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，淀粉受到無(wú)規(guī)則的剪切作用，內(nèi)部有序的鏈排列被破壞；支鏈淀粉斷鏈，擠壓后重結(jié)晶能力降低，偏光十字完全消失；由此說(shuō)明，擠壓后淀粉變成一種非晶顆粒態(tài)。據(jù)報(bào)道，擠壓對(duì)V 型淀粉晶體的影響主要是由于脂肪的作用，一方面作用于直鏈淀粉，形成直鏈淀粉-脂肪復(fù)合物；另一方面，其復(fù)合物會(huì)阻礙直鏈淀粉的重排[7]。

在擠出過(guò)程中，淀粉分子結(jié)構(gòu)發(fā)生無(wú)序、空氣成核、膜開(kāi)閉、氣泡生長(zhǎng)、氣泡崩潰等各種現(xiàn)象。擠出處理可以去除淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，破壞淀粉粒子的結(jié)構(gòu)，破壞甘氨酸的結(jié)合障礙和分子間的相互作用。余以等[8]研究表明，淀粉的支鏈淀粉降解明顯，大支鏈淀粉分子最先裂解，斷裂后擁有更高的支鏈密度。此外，擠出的淀粉凝膠對(duì)淀粉回生有抑制作用，能夠使貯藏過(guò)程中的固化速率減慢。Manisha 等[9]對(duì)大米的擠壓研究表明，擠壓導(dǎo)致部分淀粉支鏈分子的降解，且隨著擠壓作用程度的增加，淀粉降解程度也隨之增大，淀粉平均分子量降低，而直鏈淀粉的平均分子量隨擠壓溫度的升高而增大。董宇晴[10]研究表明，擠出過(guò)程淀粉的聚集體狀態(tài)被破壞，分布變廣，淀粉的分子量向低分子量方向移動(dòng)，使整體分子量降低。

2.2 對(duì)淀粉流變性質(zhì)的影響

擠出處理過(guò)程中可以通過(guò)改變淀粉的分子結(jié)構(gòu)、淀粉乳的濃度、溫度、加工速率等因素，從而影響淀粉的流變性質(zhì)。戚明明等[11]在穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)曲線呈現(xiàn)剪切變稀或者假塑性行為，淀粉經(jīng)過(guò)擠出處理后部分糊化、黏度高。他還發(fā)現(xiàn)，膨脹的大淀粉顆粒的破壞和抗性是低剪切速率下剪切變稀行為的原因。樊紅秀等[12]的研究表明，淀粉分子黏度越高，體系中越易形成分子間作用力，剪切稀化行為最顯著。剪切稀化行為在淀粉成膜的加工生產(chǎn)中具有重要意義，有利于黏度較大淀粉灌料、輸送、成型，并且能夠減少加工設(shè)備的磨損以及能量和物料損耗。

2.3 對(duì)淀粉糊化特性的影響

在當(dāng)代食品行業(yè)領(lǐng)域中，可利用糊化功能加工淀粉分子，常用的加工方法較多，以糊化為典型代表，糊化的功能對(duì)淀粉分子的加工產(chǎn)物和產(chǎn)品品質(zhì)具有重要影響。糊化首先發(fā)生在淀粉顆粒的無(wú)定型區(qū)域，由于該區(qū)域氫鍵結(jié)合作用力較弱，因而容易斷裂。在擠出處理的過(guò)程中淀粉顆粒發(fā)生糊化、熔融和破裂等現(xiàn)象，顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，使其相互間的摩擦力變小，并因高剪切作用使部分淀粉發(fā)生降解，這些都影響了淀粉的糊化特性。

郭新月等[13]研究表明，原料的糊化起始溫度是83.4 ℃，擠出后的物料糊化起始溫度為86.1 ℃，所以擠出處理使原料更容易糊化，并且使原料的黏度大幅升高。擠出處理產(chǎn)生的高剪切力以及高溫使附著在物料表面的葡聚糖被破壞，隨著物料粒度的降低，可溶性物質(zhì)溶出，樣品的持水力顯著降低，從而使水分容易進(jìn)入分子內(nèi)部，糊化度明顯升高。劉麗等[14]在研究中發(fā)現(xiàn)，淀粉糊化特性發(fā)生變化主要原因可能是無(wú)定形區(qū)域和結(jié)晶區(qū)中分子鏈與鏈之間的束縛力發(fā)生了變化，以及擠壓后結(jié)晶區(qū)所占比例的減少將導(dǎo)致與糊化過(guò)程相聯(lián)系的糊化焓降低，從而使糊化溫度降低。

2.4 對(duì)淀粉凝膠特性的影響

大量研究發(fā)現(xiàn)，淀粉在改性后會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，擠出處理會(huì)對(duì)淀粉凝膠的黏性、內(nèi)聚性、耐咀性、回復(fù)性及硬度等多種特性產(chǎn)生影響。淀粉的凝膠主要是因?yàn)榛A(chǔ)處理使直鏈淀粉分子的纏繞和有序化而致，通過(guò)雙螺旋的形式互相纏繞形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，部分區(qū)域有序化形成微晶。

戚明明等[15]在研究中表明，通過(guò)高溫將淀粉擠出處理后，淀粉分子的顆粒變小，從而形成小分子顆粒凝膠，其集合功能非常弱，通過(guò)改變擠出條件可以提高凝膠的某些性質(zhì)，如穩(wěn)定性、彈性、拉伸強(qiáng)度等，也可將產(chǎn)品的品質(zhì)進(jìn)行加工，使產(chǎn)品具有特殊風(fēng)味。此項(xiàng)技術(shù)在加工面條中體現(xiàn)突出，在擠出后，直鏈淀粉的含量減少，被降解的直鏈淀粉有序地纏繞在一起，與蛋白質(zhì)之間的交互聯(lián)結(jié)作用加強(qiáng)，改善了面條的品質(zhì)。付玲玲[16]研究發(fā)現(xiàn)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，剪切速率增加，有助于蛋白質(zhì)分子間的聚合和淀粉分子的糊化，也有助于擠出體系形成更穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)，使其凝膠特性增強(qiáng)。王盼等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨物料水分升高，吸水性指數(shù)、膨脹勢(shì)、各糊化特征值顯著增大，水溶性指數(shù)明顯降低，低物料水分形成的凝膠品質(zhì)較好；隨螺桿轉(zhuǎn)速升高，水溶性指數(shù)增大，吸水性指數(shù)和峰值黏度、谷值黏度、衰減值稍降低，膨脹勢(shì)先增大后減小，轉(zhuǎn)速越高的苦蕎粉的凝膠品質(zhì)越好。

2.5 對(duì)淀粉消化特性的影響

淀粉在擠出處理的過(guò)程中，由于淀粉受到擠出機(jī)強(qiáng)烈的剪切力作用以及顆粒間的相互摩擦碰撞，引起淀粉分子結(jié)構(gòu)、膨脹系數(shù)、吸水指數(shù)的變化。而淀粉的消化特性隨淀粉分子結(jié)構(gòu)的改變而變化。

蔡燦欣[18]研究基于擠壓法制備食品級(jí)低取代度的交聯(lián)淀粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠壓結(jié)合交聯(lián)改性對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)與消化特性產(chǎn)生影響。戚明明等[11]在研究淀粉擠出過(guò)程中的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，淀粉糊化需要更多的熱量。這表明較高的溫度導(dǎo)致淀粉的凝膠化程度增大，更容易受到酶消化的影響，并且淀粉分子間氫鍵已經(jīng)被破壞，極端的淀粉鏈遷移率有助于提高水解度?；诟呒羟辛Φ淖饔孟率蛊浞肿拥慕到獬潭仍黾?。淀粉分子在擠出過(guò)程中改變了分子的組織結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)致分子的降解程度增加。由于淀粉在人體內(nèi)的消化過(guò)程復(fù)雜，所以有待進(jìn)一步研究。

2.6 對(duì)淀粉復(fù)合物的影響

油脂可以減少擠出處理對(duì)不穩(wěn)定物體的膨化效應(yīng)，還可以對(duì)材料起到潤(rùn)滑作用，能夠降低其機(jī)械力。因油脂潤(rùn)滑作用效果顯著，水、淀粉、蛋白質(zhì)、潤(rùn)滑脂的界面效果及膨化產(chǎn)品的質(zhì)感、密度和延展性均會(huì)受到影響。其次，淀粉脂質(zhì)復(fù)合物的形成主要是由于擠壓產(chǎn)生的高溫、高壓、高剪切力使甘油三酯分解成甘油一酯和游離脂肪酸，從而降低淀粉溶解性、裂縫特性和消化率。研究表明，在擠出工藝中，擠出溫度、含水量等因素對(duì)直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的含量有顯著影響[11]。當(dāng)擠出溫度處于較低狀態(tài)時(shí)，復(fù)合物的含量隨著溫度的升高而升高，二者呈正向關(guān)系。反之，當(dāng)擠出溫度處于較高狀態(tài)時(shí)，復(fù)合物的含量隨著溫度的升高而降低，二者呈反向關(guān)系。此外，含水量與游離脂肪酸的含量成正比，含水量越高，游離脂肪酸的含量越高，反之，則越低。

在擠出過(guò)程中，脂肪水解、美拉德反應(yīng)等均能促進(jìn)淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物的形成，其中，美拉德反應(yīng)還能加強(qiáng)蛋白質(zhì)-脂質(zhì)復(fù)合物的形成，從而降低脂肪氧化速度和程度，改變產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)食物的使用壽命，并改善產(chǎn)品的穩(wěn)定性和膳食風(fēng)味。

3 展望

擠出是一種非常有效的淀粉處理方法，消耗較少的能源。近年來(lái)，關(guān)于擠出技術(shù)在淀粉食品中的應(yīng)用研究逐漸深入，但仍需與其他新技術(shù)相結(jié)合，從而進(jìn)行產(chǎn)品的深入研究與開(kāi)發(fā)。營(yíng)養(yǎng)米、玉米面餃子、玉米面條、方便蒸糙米等擠出淀粉基產(chǎn)品正在逐步進(jìn)入市場(chǎng)。但制造過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題。如很少研究能夠涉及擠出機(jī)中原料變化和機(jī)理與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系。其他擠出機(jī)模型和工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品有重大影響，最佳擠出條件和分析尚未確定以及擠出分析相對(duì)簡(jiǎn)單。在研究淀粉成分時(shí)，往往忽略了蛋白質(zhì)和脂肪對(duì)加工壓力的影響，導(dǎo)致難以在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

對(duì)不同擠出機(jī)型號(hào)、擠出參數(shù)和原科在進(jìn)行擠出物性質(zhì)的分析時(shí)，應(yīng)深入研究原料的內(nèi)在變化與工藝參數(shù)和條件之間的關(guān)聯(lián)。在對(duì)擠出物特性分析及產(chǎn)品品質(zhì)測(cè)定及優(yōu)化時(shí)，應(yīng)全面考慮原料成分和工藝參數(shù)及條件，可以為實(shí)際生產(chǎn)中提供充實(shí)的理論依據(jù)。

目前，我國(guó)對(duì)于改性淀粉的研究逐漸深入，采用物理方法進(jìn)行擠出處理時(shí)不會(huì)對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生危害，也不存在化學(xué)試劑對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，并且操作簡(jiǎn)單迅速，目前也已有越來(lái)越多食品企業(yè)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)家和消費(fèi)者關(guān)注。明確處理?xiàng)l件-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)之間的相互影響關(guān)系，使擠出處理這種綠色加工方式廣泛的應(yīng)用于淀粉谷物精深加工工業(yè)是大勢(shì)所趨。未來(lái)擠出處理改性淀粉有望廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如食品、造紙、飼料、化工、化妝品、醫(yī)藥等。