低温加酶挤压玉米淀粉糊化度的研究

冯秋娟，肖志刚，郑广钊，魏 旭，叶鸿剑

(东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030)

低温加酶挤压玉米淀粉糊化度的研究

冯秋娟，肖志刚*，郑广钊，魏 旭，叶鸿剑

(东北农业大学食品学院，黑龙江哈尔滨 150030)

为了探讨淀粉加酶挤压转化规律，以中温α－淀粉酶为外加酶，利用双螺杆挤压机对玉米淀粉进行了糊化实验研究，获得了不同糊化程度的挤出物;在单因素研究基础上，采用响应面分析方法研究了机筒温度、螺杆转速、物料水分和酶浓度对挤出物糊化度的影响规律。结果表明:在机筒温度为71.35℃、物料水分31.81%、转速133.96r/min、酶浓度3.15u/g条件下，挤压玉米淀粉糊化度的最优值为55.31%。

玉米淀粉，糊化度，加酶挤压，双螺杆挤压机

淀粉加酶挤压技术是将挤压机作为连续生物反应器，在淀粉酶的参与下，利用挤压机的输送、混合、加热等多重功能来实现淀粉连续生物酶转化加工过程［1］，具有反应时间短、能耗低、生产效率高等特点［2－3］。加酶挤压是挤压膨化技术新的研究方向，在挤压前添加酶制剂，使物料与外加酶制剂在挤压机内充分作用，在机体内综合能量的作用下，加酶物料呈熔融状态，顺着螺杆挤压的方向瞬间被挤出。由于加酶物料从进入挤压机至从腔体挤出仅5～10s，这种瞬时作用使酶在挤压体系中保持“过程活性”，为其能够在熔融体系中实现对物料的生物作用提供了前提。淀粉在挤压过程中发生糊化和降解，糊化是淀粉蒸煮过程中最重要的变化，糊化度是衡量淀粉挤压膨化特性的重要指标［4］，淀粉只有充分糊化后才能利于淀粉不同程度的酶解，外加淀粉酶对淀粉挤压过程降解程度的影响国内外学者均有研究。如Govindasamy［5］、Grafelman［6］、Vasanthan［7］、Tomas［8］等人曾利用挤压机作为连续酶生物反应器，分别对西米、玉米、小麦和大米淀粉的酶法挤压进行了研究，制备出不同转化程度的淀粉水解产物;2001年T.Vasanthan［9］等人研究挤压蒸煮添加耐高温α－淀粉酶的大麦粉中淀粉的糊精化;山东理工大学申德超教授采用加酶挤压技术在大米作啤酒辅料生产啤酒、酒精发酵［10－11］、淀粉糖浆［12－13］等方面进行了深入研究。文献检索尚未发现有关加酶挤压玉米淀粉糊化度方面的报道，本研究试图以玉米淀粉为原料，中温α－淀粉酶为外加酶制剂，研究低温(小于100℃)挤压条件下双螺杆挤压机各挤压参数对淀粉糊化度的影响，为加酶挤压技术在淀粉加工领域的应用提供理论基础和参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米淀粉 长春大成实业集团有限公司，水分11%;中温α－淀粉酶 上海工硕生物技术有限公司，酶活3700u/g;0.05mol/L碘－碘化钾溶液 自制。

DS32－Ⅱ型单螺杆挤压机 机腔内分I、II、III三区，济南赛信膨化机械有限公司;721分光光度计上海尼柯仪器有限公司;HH－4数显恒温水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;DL－5－B低速离心机 上海安亭科学仪器厂;恒温干燥箱 上海科析实验仪器厂;粉碎机 北京市永光明医疗仪器厂;分析天平 精度0.1mg，日本岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 水分测定 参照GB8304－87方法测定。

1.2.2 糊化度的测定 参照碘呈色分析法［15－16］测定。

1.2.3 挤压操作 称取适量α－淀粉酶，分别与45℃的蒸馏水配成悬浮液再与玉米淀粉充分混合均匀，静置20m in，在不同的操作条件下，通过双螺杆挤压机挤压，等出料稳定后收集挤出样品，灭酶，将挤出的样品于100℃的恒温箱中烘干，干燥样品粉碎后密封保存，以备后续分析。

1.2.4 单因素实验 以机筒温度、螺杆转速、物料水分、酶浓度为因素，以糊化度为指标进行单因素实验。

物料水分的单因素实验:固定机筒温度70℃，螺杆转速120 r/m in和酶浓度4u/g，物料水分分别取20%、25%、30%、35%、40%，研究水分对挤压产品糊化度的影响。

机筒温度的单因素实验:固定螺杆转速120 r/min，酶浓度4u/g和物料水分30%，挤压温度分别取 60、70、80、90、100℃，研究机筒温度对挤压产品糊化度的影响。

螺杆转速的单因素实验:固定机筒温度70℃，酶浓度4u/g和物料水分30%，螺杆转速分别取100、120、140、160、180 r/m in，研究螺杆转速对挤压产品糊化度的影响。

酶浓度的单因素实验:固定酶浓度4u/g，物料水分30%和螺杆转速120 r/m in，酶浓度分别取1、3、5、7、9u/g，研究酶浓度对挤压产品糊化度的影响。

1.2.5 正交实验 经过单因素实验，可以得到各因素的较佳范围值，根据这些较佳范围值来确定每个因素的不同水平值进行正交旋转组合实验，因素水平编码表见表1。

表1 因素水平编码表

本实验以物料水分、机筒温度、螺杆转速、酶浓度为因素，以糊化度为指标，采用四因素五水平二次旋转正交设计进行实验，实验安排及结果见表2。

2 结果与分析

2.1 单因素结果分析

2.1.1 物料水分对糊化度的影响 由图1可知，随着水分的增加，糊化度开始缓慢变化，当从20%增加到30%时，糊化度突然变大，后又降低，水分在35%时，糊化度开始趋于平缓，因为是加酶挤压，所以必须保证一定的水分才能使酶发挥活性，水分又不能太高，否则挤压机对物料不能产生剪切作用，挤出的物料不成型，为乳状，正交实验确定物料含水量在25%～37%间取值。

图1 水分对糊化度的影响

2.1.2 机筒温度对糊化度的影响 由图2可知，当温度在60～80℃时，糊化度变化趋势明显，而当温度继续升高时，糊化度变化趋势平缓，而酶只有在适宜的温度和水分下才有活性，考虑到酶的最适作用范围(65～70℃)和挤压机本身的特点，正交实验时温度在60～80℃间取值。

图2 机筒温度对糊化度的影响

2.1.3 螺杆转速对糊化度的影响 由图3可知，螺杆转速在100～180 r/m in时，糊化度变化趋势明显，随着转速的增大，糊化度变化趋势平缓，又考虑到酶与物料在挤压机中的作用条件和酶浓度，因此要有一个充分的作用时间，转速不能太快，正交实验确定转速在80～160 r/m in间取值。

图3 螺杆转速对糊化度的影响

2.1.4 酶浓度对糊化度的影响 由图4可知，当酶浓度在1～5u/g时，糊化度变化趋势明显，之后趋于平缓，因为实验是加酶挤压，因此，酶的添加量要适中，加的少不起作用，加的多可以使葡萄糖发生复合反应，使得率降低，同时成本也会增加。因此，正交实验酶浓度在1～5u/g间取值。

图4 酶浓度对糊化度的影响

表4 较佳挤压参数组合及对应糊化度

2.2 正交实验结果分析

本实验因素水平按表2选定，采用四因素五水平二次旋转正交组合实验，实验安排与不同挤压条件下糊化度的测定结果见表2所示。

表2 实验安排及实验数据

2.2.1 糊化度的回归方程 本实验通过其响应面回归过程数据分析，建立描述糊化度(以Y表示)的二阶响应回归模型，并进而分析各实验因素X对响应值Y的影响。经分析整理，剔除不显著项后，得到淀粉糊化度的回归方程如下:

2.2.2 回归方程的方差分析 方差分析结果见表3。由表3可知，回归方程的相关系数R2=88.13%，而失拟项F值为2.28，F值小，说明回归方程拟合程度较好;水分的一次项和二次项，机筒温度的一次项和二次项，螺杆转速的一次项及二次项以及酶浓度的二次项，机筒温度与物料水分的交互项，机筒温度与螺杆转速的交互项对糊化度的影响显著，其余各项对糊化度的影响均不显著，机筒温度、水分和螺杆转速是主要影响因素。

表3 方差分析表

2.2.3 最佳参数的确定 借助Design软件进行响应面分析及数值优化，得到的挤压最佳工艺参数组合见表4。

2.3 各因素交互作用对糊化度的影响

2.3.1 机筒温度的交互作用对糊化度的影响 由图5可知，机筒温度与水分的交互作用较明显，二者呈相同趋势变化，随着温度的升高，糊化度逐渐升高，当达到72.5℃时开始降低，而当螺杆转速、机筒温度和酶浓度一定时，糊化度随物料水分的升高而增加，当达到32.5%时开始降低。

图5 水分和机筒温度的交互作用对糊化度的影响

2.3.2 螺杆转速和水分的交互作用对糊化度的影响

由图6可知，螺杆转速与水分的交互作用不明显，糊化度随着螺杆转速的增加没有大的改变，而随物料水分的增加开始上升后又降低。

图6 螺杆转速和水分的交互作用对糊化度的影响

2.3.3 酶浓度和水分的交互作用对糊化度的影响由图7可知，酶浓度和水分对糊化度的交互作用不

表5 验证及对照实验

太明显，糊化度随酶浓度的增加变化趋势不明显，可能是淀粉酶和物料充分接触，将已经糊化的淀粉酶解一部分，导致糊化度变化不明显，而随水分的增加，糊化度先增加后降低。

为了进一步考察回归方程的可靠性，在经响应面分析确定的参数范围内，选择3组具有代表性的

图7 酶浓度和水分的交互作用对糊化度的影响

2.3.4 机筒温度和螺杆转速的交互作用对糊化度的影响 由图8可知，螺杆转速和机筒温度的交互作用较明显，两者对糊化度的影响呈相同趋势变化，当螺杆转速在后半部分时，随着温度的升高，糊化度变大，当升到一定程度时，糊化度开始出现降低趋势。

图8 机筒温度和螺杆转速的交互作用对糊化度的影响

2.3.5 酶浓度和机筒温度的交互作用对糊化度的影响 由图9可知，酶浓度和机筒温度的交互作用不明显，随着酶浓度的增加，糊化度变化不明显，而随着温度的升高，糊化度逐渐升高，达到72.5℃时开始降低。

图9 酶浓度和机筒温度的交互作用对糊化度的影响

2.3.6 酶浓度和螺杆转速的交互作用对糊化度的影响 由图10可知，当机筒温度、物料水分和螺杆转速一定时，随着酶浓度的增加，糊化度先增加后降低，而当机筒温度、物料水分和酶浓度一定时，随着螺杆转速的增加，糊化度逐渐增加。

2.4 对照实验设计及结果挤压工艺参数组合，对照经回归方程和实验得到的糊化度预测值和实际值;为了比较加酶前后挤压玉米淀粉糊化度的变化，分别选取以上3组挤压工艺参数进行未加酶挤压实验，测定其糊化度。研究结果见表5。

图10 酶浓度和螺杆转速的交互作用对糊化度的影响

表5表明，通过回归方程对各组实验糊化度的预测值与实测值的相对误差均小于5%，预测值和实测值的糊化度值均在16%～56%之间，进一步说明上式中的回归方程是可靠的，可以通过回归方程对实验结果进行预测;表5数据表明，相同挤压条件下，采用加酶挤压玉米淀粉的糊化度相对较低，分析其原因是挤压过程中发生糊化的淀粉，与淀粉酶相互接触，在机体内综合能量的作用下，呈熔融状态，此时，淀粉酶发挥其“过程活性”，糊化的淀粉被部分酶解应是导致加酶挤压糊化度低的原因，这与Grafelman［6］等人所报道加酶挤压有利于淀粉降解的结论是相符合的。另外，本实验选用的水分偏高，温度偏低，也是所有样品糊化度均较低的原因之一，正是这样的挤压参数条件，为挤压法制备低DE值的淀粉基脂肪替代物等产品提供了可靠的前提。

3 结论

由正交实验方差分析表可以看出，挤压工艺参数各因素对产品糊化度的影响顺序为:机筒温度＞螺杆转速＞物料水分＞酶浓度，得到的最佳工艺参数组合为水分 31.81%、温度 71.35℃、转速133.96m in、酶浓度3.15u/g。利用双螺杆挤压机作为连续酶反应器能够得到不同糊化度的玉米淀粉产物，同时能够实现玉米淀粉连续酶法液化处理，为制得不同转化程度的玉米淀粉水解产物提供可靠的基础条件。

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Study on the gelatinization of corn starch by enzyme－added extrusion at low temperature

FENG Qiu－juan，XIAO Zhi－gang*，ZHENG Guang－zhao，WEIXu，YE Hong－jian

(College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

In order to study the behaviors of extrusion conversion of amylase，a in－temperature resistantα－amylase ascatalyzer and a twin－screw extruder were used for testing the gelatinization and liquefaction of corn starch，and extrudates with different gelatinization were obtained.On the basis of single factor，the response surface methodology was used to study the barrel temperature，influences of screw speed，moisture of material and enzyme concentration on gelatinization values.The results showed that when barrel temperature of extruded was 71.35℃，moisture of material was 31.81%，rotation speed of extruder was 133.96r/m in，enzyme concentration was 3.15u/g，the optimal value of gelatinization was 55.31%.

corn starch;gelatinization;enzyme－added extrusion;tw in－screw extruder

TS235.1

B

1002－0306(2011)08－0287－05

2010－08－16 *通讯联系人

冯秋娟(1982－)，女，硕士生，主要从事粮食、油脂及植物蛋白工程方面的研究。

哈尔滨市青年科学技术专项基金(2007RFQXN019)。