挤压膨化技术在玉米深加工产业中研究现状及应用

付昱东，何 东，杨庆余，邵 晨，王 含，肖志刚

（沈阳师范大学 粮食学院，辽宁 沈阳 110034）

挤压膨化技术在食品领域取得广泛应用，为玉米产业的综合利用开辟了新的道路。玉米在挤压机中产生复杂的物理、化学、生物反应，使挤压产物在质构、组成、表观等理化特性及营养上均产生很大改变[1]。

1 挤压膨化技术

食品挤压膨化技术是指物料在挤压机腔体内由于螺杆的推动作用从而被迫曲折前进的过程，在摩擦力、剪切力和加热共同作用下，使腔体内达到高温、高压状态，在此过程中物料经受强烈的搅拌、挤压、剪切、熔融、杀菌、熟化等一系列复杂的连续化处理的高温短时加工过程[2-3]。挤压膨化的影响因素主要包括螺杆转速、温度、固液进料量，以及原料本身的性质（如淀粉、蛋白质、脂肪等的含量）[4]。挤压膨化加工使得玉米内部组分的分子结构发生变化，导致玉米中淀粉发生糊化、降解，提高了还原糖和糊精的含量；蛋白质分子内部结构和性质产生变化；纤维素发生细化、降解等；挤压后原料的利用率和消化吸收率得到提高[5-6]。挤压膨化产物具有与原料不同的理化性质[7]。与传统加工方式相比，挤压加工结合了水分、压力、温度和机械剪切作用，是一种生产效率高、生产成本低、功能性广、经济环保的食品加工技术[8]。可用于开发具有功能特性的小吃或早餐谷类食品，能够有效改善食品的加工品质[9-10]，应用前景广阔[11]。

2 玉米营养成分及加工现状

2.1 玉米的营养成分

玉米含有丰富的淀粉、蛋白质、脂肪、纤维素、水溶性多糖、维生素、矿物质等，且含有人体必需的氨基酸、多糖等生理活性物质，同时玉米具备诸多保健性能，在世界范围被称作为“黄金作物”[12]。

2.2 玉米的加工现状

中国是全球玉米产量排名第2 位的国家，玉米在2018 年的产量为25 700 万t。玉米是我国主要的经济作物，是可加工程度最高、产业链最长、产品类别极为丰富的粮食品种。玉米年产量高、增产潜力大、产品成本低、经济效益高，能供人畜食用、饲用，且工业用途广泛，是全世界发展前途最大的谷物[13]。玉米的深加工是指以玉米或其初加工产品为原料，利用物理、化学方法和发酵工程等工艺技术对玉米进行深度加工的行业[14]。当今世界已经研发出的玉米深加工产品达到几十类，数千个品种，同时每个品种的产业链层次水平均比较高，经过深加工后的玉米较玉米原粮其产品增值大，经济效益超过原粮数百倍，玉米加工业深受各界人士关注，并被称作“阳光产业”和“黄金产业”[15]。玉米深加工产品主要包括淀粉、变性淀粉，以及淀粉过程中加工产生的各种副产物，如玉米胚芽、纤维及蛋白等，加上各类高附加值的发酵制品、淀粉糖、多元醇等[16]。近年来我国玉米深加工行业发展迅速，且广泛应用于食品、医药、化工等多个领域，前景良好。

3 挤压膨化技术在玉米深加工中的应用

3.1 挤压膨化技术在玉米淀粉中的应用

淀粉是玉米深加工行业的基础原料，2018 年我国玉米淀粉产量达到2.815×107t，玉米淀粉占世界淀粉产量的81%之多，深加工的玉米淀粉位于其他淀粉的首位[17]。如今，国际上多利用湿磨工艺制取玉米淀粉，以此原料进行深加工的产品主要有淀粉糖、变性淀粉和发酵制品等。

3.1.1 淀粉糖

淀粉糖是淀粉深加工的主要产品，2018 年达到玉米淀粉消费总量的56%。目前，用玉米淀粉制取糖的方法主要是酸法、酸酶法和双酶法[18]。挤压膨化制糖工艺是近几年发展起来的新工艺，原料经过挤压膨化处理产生物性变化，能够减少制糖工艺中的液化糖化时间，缩短工艺流程，提高效率，降低能耗[19]。肖志刚[20]对挤压膨化参数进行优化处理，克服了挤压膨化脱胚玉米制取淀粉糖浆糖化液过滤困难的问题。采用挤压膨化技术制取淀粉糖浆，省去传统的蒸煮糊化工序，降低液化、糖化时间，节约了能耗，具有可观的经济效益。刘静雪等人[21]采用挤压结合酶解的方法对玉米淀粉改性处理，利用响应面法对改性工艺的主要影响因素是淀粉酶添加量、挤压温度、淀粉含量优化处理，得出玉米淀粉经挤出酶解复合改性后颗粒表面出现孔洞，结晶度降低，挤压产物低聚糖组分可以很好地分离，低聚糖样品不同组分葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖、麦芽五糖的质量比为1.0∶3.4∶7.5∶6.0∶1.8。如今，玉米淀粉糖制成的产品有果葡糖浆、结晶葡萄糖、葡萄糖浆、啤酒糖浆、麦芽糖浆、低聚糖浆等液体淀粉糖，普遍应用于食品、医药等领域[22]。

3.1.2 变性淀粉

天然淀粉在某些情况下具有水溶性低、糊化后回生不良等局限性[23]。为了克服这些缺点，必须对淀粉进行物理、化学或酶的修饰[24]。也就是说淀粉的固有性质使其不再适应工业应用的需求，它必须与其他材料进行改性或混合，以获得更优越的性能[25]。高温短时间挤压蒸煮对淀粉基原料理化性能的改性效果显著[26]，挤压技术可大量连续生产多种类型的变性淀粉，且绿色环保、无污染物质产生。利用挤压机作反应器可以生产出氧化、酯化、醚化和交联等多种类型的变性淀粉[27]。一般情况下，挤压会导致淀粉糊化、结晶度丧失、直链淀粉和支链淀粉降解或老化等变化[28]。实际上，淀粉最终的结构决定了材料和功能特性，只要淀粉在加工过程中的结构变化得到很好的控制，就可以对挤压加工进行调整，以获得与目标应用相关的结构[29]。Graeme Moad[30]研究发现，运用挤压膨化技术可以连续生产出高质量、更稳定的改性淀粉，因挤出机具有良好的混合效果等优势，特别适用于处理高黏性流体（如糊化淀粉），克服了天然淀粉在高温下因糊化导致淀粉颗粒破裂，形成一种很难处理的均匀但黏性很高的糊状物的缺陷。杨庆余等人[31]利用挤压蒸煮法制备的玉米淀粉- GMS复合物，解决了玉米淀粉容易回生的难题。在挤压机内经挤压处理的玉米淀粉与分子蒸馏单甘酯（GMS）发生酯交换反应生成了回生凝胶焓值和回生凝胶温度均低于原玉米淀粉的玉米淀粉- GMS 复合物，得到具有抗回生性能的高质量淀粉基产品。任海斌等人[32]研究了经挤压预处理的玉米淀粉，经普鲁兰酶酶解手段制备抗性淀粉，进而研究挤压参数：物料含水量、螺杆转速、机筒温度和喂料速度对抗性淀粉含量的影响，制备出了高含量的抗性淀粉。Erich von Borries-Medrano 等人[9]研究发现，挤压技术对玉米淀粉进行热机械改性后不同类型半乳甘露聚糖和柠檬酸的相互作用导致挤压淀粉样品的结构发生了明显的变化，对淀粉老化和抗性淀粉形成的影响。

3.1.3 发酵制品

啤酒是继水和茶后全球范围内被广泛消费且排名第3 位的畅销饮料[33]。玉米淀粉因其蛋白质和脂肪含量低且浸出率高、糊化温度低、易糖化等特性而特别适用于用作啤酒辅料[34-35]。传统的啤酒辅料经由蒸煮工序实现糊化，工艺复杂且能耗高[36]。挤压膨化工艺对啤酒原料的预处理是由瞬时高温高压及高剪切力改变原料结构，从而提高原料利用率[37]。挤压辅料酿造的啤酒具有口感细腻、风味独特、产量高等优点[35]。挤压膨化相比于传统蒸煮糊化工艺处理啤酒辅料存在诸多优点，并且吸引广大研究者探索。郑慧等人[38]探讨了挤压膨化处理玉米淀粉辅料的添加对麦汁和啤酒蛋白质组成及含量的影响，研究得出低温挤压玉米淀粉辅料麦汁及啤酒中低分子含氮物质偏高，有利于啤酒的口感、持泡性和抗氧化性。Cortés-Ceballos Enrique等人[39]将预糊化的玉米和高粱淀粉与硬脂酰乳酸钠一起进行挤压膨化处理，以减少抗性淀粉和加工黏度，评价所得麦芽汁的酿造性能，并与传统方法生产的啤酒进行了比较。结果表明，预糊化酿造辅料的使用减少啤酒生产过程中的糊化时间，且省去了蒸煮槽的需要，有效地减少了酿酒厂的资本和运营费用。

3.2 挤压膨化技术在玉米胚芽中的应用

玉米胚芽是工业生产的重要副产物，大量的玉米胚为玉米胚芽油的生产提供了原料[40]。挤压膨化预处理浸油工艺是全新的植物油脂提取技术，相比于传统的轧坯蒸炒预榨浸出工艺，挤压预处理免除了油籽的干燥、粉碎、轧坯、蒸炒和预榨等步骤，使得生产能力增强，生产工艺缩短，生产成本降低，具有很强的优越性[41]。由此可以明确，研究玉米胚挤压浸油工艺是可行且必要的。近年来，大量学者将研究点放在挤压膨化油料作物上，于双双等人[42]以半湿法玉米胚为研究对象，讨论挤压膨化工艺条件：螺纹升角、阻流环直径、轴头间隙和螺杆转速等因素对半湿法玉米胚低温挤出物浸提所得原油的酸值影响，优化得到最佳的挤压膨化工艺参数，并为玉米胚芽油的工业化生产提供理论基础。Li Hongjun 等人[43]通过挤压预处理手段，以物料含水率、螺杆转速、套筒温度和模孔孔径为反应变量，以残留油作为该工艺的考查指标，优化出了最佳挤压工艺参数，提高了玉米胚芽油的提取效率。

3.3 挤压膨化技术在玉米蛋白中的应用

玉米蛋白粉是玉米首先通过湿磨工艺得到粗淀粉乳，再经蛋白质分离获得麸质水，最后浓缩干燥得到。目前，挤压膨化对玉米蛋白粉的应用研究主要集中在制取玉米醇溶蛋白，提取玉米黄色素，制备玉米蛋白肽[44-45]。郑喜群等人[46]对玉米蛋白粉进行挤压膨化预处理提取玉米醇溶蛋白，预处理后获得的玉米醇溶蛋白结构特性发生了改变，物理性质得到改善，持水力、吸油性和黏度均有不同程度的增加，挤压膨化技术为玉米醇溶蛋白的开发利用提供了理论依据。焦岩等人[47]研究了通过对挤压膨化预处理条件的优化，对挤压前后玉米蛋白粉内部微观结构的变化和玉米黄色素得率的关系及玉米黄色素组成进行分析，结果表明，挤压膨化预处理能够明显增加玉米黄色素的提取量，是提取玉米蛋白粉色素的一种实用有效的预处理手段，为挤压膨化技术在玉米黄色素提取方面的研究与应用提供了科学依据。孙旭[48]在前人制备玉米抗氧化肽研究的基础上，将挤压技术融入其中，利用酶解法对挤压后的玉米蛋白粉进行酶解，使得抗氧化肽得率提高，同时玉米蛋白粉的利用率增加，为今后玉米抗氧化肽的进一步研究，提供了理论依据和数据基础。

3.4 挤压膨化技术在玉米皮中的应用

玉米皮作为玉米加工淀粉过程中的副产物，对其进行挤压膨化预处理，可用作发酵纤维乙醇、改性膳食纤维、提取玉米皮多糖等用途，从而提高玉米副产物的附加值。研究发现，0.75% NaOH 处理的挤压膨化的脱淀粉玉米纤维比未经挤压处理的脱淀粉玉米纤维有显著提高乙醇产率的作用。薛战锋等人[49]综述了挤压处理可以使膳食纤维中可溶性成分提升，其持水能力、结合水能力和膨胀能力等性质得到改善，充分发挥其生理功能，拓宽其在食品工业中的应用。王文侠等人[50]研究发现，挤压处理后的玉米皮多糖得率提高了2.7 倍。挤压处理使玉米麸皮粗多糖清除多种自由基及还原能力均有不同程度的提高，对羟自由基及超氧阴离子自由基作用尤为显著。

3.5 挤压膨化技术在脱胚玉米中的应用

玉米深加工包含将脱胚玉米作为原材料生产酒精，其在食品工业、化工产品、医学等领域被普遍应用。目前，对可代替石油的绿色燃料—酒精的应用是未来发展的必然趋势，世界上生产最多的生物燃料之一也是燃料乙醇[51]。传统工艺中的酒精发酵需要先对淀粉质原料进行高温高压蒸煮处理，此过程耗能巨大。而挤压膨化技术可以省去传统生产方法中的煮沸阶段，节省能耗。关正军等人[15]通过比较挤压膨化脱胚玉米与传统蒸煮液化生产酒精的不同工艺，得出省去蒸煮液化阶段的膨化物料与对照样在同样操作条件下进行糖化和酒精发酵，其淀粉出酒率提高，认为挤压膨化技术可以替代蒸煮液化阶段，并且对挤压参数进行优化完全可能达到传统工艺的发酵效果，此研究对挤压膨化脱胚玉米生产酒精有重要参考价值。吴德旺[52]探究了将膨化前后玉米分别按传统酒精生产工艺进行液化、糖化及发酵试验，发现膨化后的玉米液化时间缩短，发酵醪中的三糖、二糖含量下降，乙醇含量提高，膨化后的物料经过传统的酒精生产工艺，酒精产率大大提高，淀粉利用率提高。

4 结语

挤压膨化技术的不断创新与推广, 给我国玉米产业的综合利用开辟了新途径。挤压膨化加工是一个结合了物理、化学、生物综合作用的复杂反应过程，挤压加工中各种工艺参数及其交互作用对产品质量均有影响，工艺参数和生产条件均有待深入探讨。因此，通过推动挤压加工技术的创新可以推动玉米深加工技术全面的发展，进一步扩大玉米深加工的应用领域。