脱胚玉米在加酶挤压过程中化学成分的变化

王思花 任志尚 戚明明 张光耀贺壮壮 彭慧慧 马成业,2

(山东理工大学农业工程与食品科学学院1，淄博 255000)(山东省高校农产品功能化技术重点实验室2，淄博 255000)

脱胚玉米主要由淀粉、脂类、蛋白质等组成，在挤压过程中发生了复杂的物理、化学及生物变化。淀粉发生糊化和降解，在添加酶制剂后降解程度更大，并产生还原糖；同时蛋白质会发生变性，导致添加的淀粉酶失活，而淀粉与脂类发生复合反应，降低了淀粉的利用率[1]。挤压是由混合、捏合、剪切、成型等单元操作组合而成的工艺。当原料加热到100 ℃以上时的工艺称为挤压蒸煮[2]。冉旭等[3]、孙于庆等[4]用双螺杆挤压机处理添加耐高温α-淀粉酶的玉米淀粉，在 95 ℃时淀粉 DE 值达到最大。刘秉书等[5]以脱胚玉米为原料，使用单螺杆挤压机处理原料，通过控制挤压条件和加酶量，以DE值、淀粉转化率为实验主要检测指标，得出最短时间内得到淀粉糖浆DE值60%的最佳挤压参数和糖化参数。申德超等[6]研究了低温挤压添加酶制剂的玉米粗淀粉及脱胚玉米的糖化过程，表明用添加耐高温α-淀粉酶或中温α-淀粉酶的挤出物制取葡萄糖浆, 糖化浆液过滤速度明显提高。

目前对谷物类食品的挤压蒸煮机理研究尚有许多不足，以往主要研究各种物料挤压蒸煮前后的质构、状态以及特性分析等方面，对于物料在机筒内的变化过程的研究很少。目前国内外都将挤压机作黑箱处理，对各种物料在挤压前、挤压后分析较多，对挤压过程中物料预测分析较多[5]，而对挤压系统中各因素对挤压过程中机筒内物料的变化状态影响的分析较少。

本实验通过挤压耐高温α-淀粉酶和中温α-淀粉酶的脱胚玉米，研究挤压蒸煮过程中物料化学组成的变化和降解特性，以进一步揭示脱胚玉米在挤压机内部的变化规律，为改进机器结构参数，并为设计结构更合理、性能更优异的挤出设备提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

脱胚玉米：含水量12.77%、淀粉质量分数75.36%、蛋白质质量分数8.25%，粗脂肪质量分数1.04%；耐高温α-淀粉酶(活力20 000 U/mL)；中温α-淀粉酶(活力2 000 U/mL)。

1.2 仪器与设备

单螺杆挤压机：山东理工大学农业工程与食品科学学院研制。挤压机由组合式套筒和螺杆组成。套筒为剖分式，可沿轴向左右分开，便于机筒内部的清理与螺杆上物料的采集。螺杆转速为 0～300 r/min无级可调。机筒温度为0～300 ℃连续可调。挤压机模孔长度与轴头间隙长度有级可调。K370全自动凯式定氮仪。

1.3 方法

采用“急停法”在挤压机内部取料，将挤压机在正常工作条件下急停主电机电源，使螺杆停止转动，迅速打开套筒，在5 min内将挤压机沿螺杆中轴线左右打开，沿螺杆分段采集样品，样品采集如图1所示。分别研究了添加耐高温α-淀粉酶、中温α-淀粉酶的脱胚玉米和原脱胚玉米在挤压过程中淀粉、还原糖、抗性淀粉、脂类、蛋白质等物质发生的变化，挤压实验系统参数见表1。

图1 挤压机内取料部位示意图

表1 挤压添加酶制剂脱胚玉米取料实验挤压系统参数

1.4 测试和分析方法

淀粉糊化度的测定采用酶水解法[9]；淀粉的测定采用GB/T 5009.9—2016中的酶水解法；水分的测定采用GB/T 5009.3—2016中的直接干燥法；挤出物淀粉酶活力的测定参考Bernfeld法[10]；抗性淀粉的测定参考AOAC规定的方法；蛋白质的测定参照GB/T 5009.5—2016；脂肪的测定参照GB/T 5009.6—20016；直链淀粉的测定参照GB 7648—1987。使用Pearson相关系数法分析变量间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 挤压过程中淀粉含量的变化

脱胚玉米的主要成分是淀粉，淀粉含量直接影响挤出物水解得到糖浆的产率。另外淀粉在挤压机内发生的主要变化是降解和糊化，还有部分淀粉与脂类(或蛋白质)发生复合[11]，淀粉转化为抗性淀粉而不能被淀粉酶降解，因而需要测定淀粉含量降低程度。由图2可见，无论挤压原料是添加酶制剂的脱胚玉米还是原脱胚玉米，淀粉含量在挤压过程中都减少，但是原脱胚玉米在挤压过程中淀粉含量减少程度比添加酶制剂的少。原脱胚玉米经过挤压后淀粉含量下降，添加耐高温α-淀粉酶和添加中温α-淀粉酶的脱胚玉米挤出物的淀粉质量分数分别降至63.42%和62.98%。挤压不添加酶制剂脱胚玉米时，在取料部位B点淀粉含量降低比例最低。挤压添加酶制剂脱胚玉米时，在B点取料测试淀粉含量变化和挤压脱胚玉米变化比例相似，在各段中是最小的。添加酶制剂的脱胚玉米挤出物中淀粉含量降低的程度比原脱胚玉米挤出物的降低的大。添加酶制剂脱胚玉米，淀粉分子在挤压过程中受到挤压剪切作用、酶的作用而降解，其次淀粉与脂类(或蛋白质)发生复合而降低。而原脱胚玉米在挤压过程中只受到剪切的作用，使淀粉分子之间的链断裂，相对于添加酶制剂的脱胚玉米其降解程度低，因而淀粉含量减少的程度小于添加酶制剂脱胚玉米挤出物。

图2 不同取料部位淀粉质量分数的变化

2.2 挤压过程中还原糖的变化

挤压蒸煮可以改变谷物内部的分子结构，使得谷物中淀粉降解，还原糖和糊精含量增多，从而明显提高原料的利用率[12]。脱胚玉米经过挤压后，淀粉含量降低。从图3中可以看出，无论是原脱胚玉米还是添加酶制剂的脱胚玉米，在挤压过程中还原糖含量均逐渐增大，但是原脱胚玉米在挤压过程中还原糖含量增加程度较低，由原料中的1.24%增加到挤出物中的2.37%(F点)，而添加耐高温α-淀粉酶的脱胚玉米挤出物中还原糖的含量最大，添加中温α-淀粉酶的脱胚玉米挤出物中的还原糖质量分数为9.44%。挤压不添加酶制剂脱胚玉米时，在取料部位B点还原糖质量分数增加了6.19%，是各段增加最小的。挤压添加酶制剂脱胚玉米时，在B点取料测试还原糖质量分数变化和挤压脱胚玉米变化比例相似，在各段中是最小的。这也表明了酶制剂在挤压过程发挥了作用，促进了淀粉的降解，使淀粉的还原端更多暴露出来，使挤出物的还原性增加，即还原糖的含量增加。

图3 不同取料部位还原糖质量分数的变化

2.3 挤压过程中淀粉糊化度的变化

糊化一般是用来描述淀粉颗粒的润胀和水合，按照热力学分析，糊化过程可以看成是淀粉微晶的熔融过程[13]。糊化作用是天然淀粉于适当温度下，一般为60～80 ℃，在水中发生溶胀、分裂，形成均匀的糊状溶液，其本质是淀粉粒中有序与无序(晶质与非晶质)态的淀粉分子间氢键断裂，分散在水中成为胶体溶液[13]。赵学伟等[14]用单螺杆挤压机挤压玉米，在挤压机螺杆转速和模孔直径不变的条件下，挤出物糊化度与玉米含水量关系显著，玉米含水量在14%时，挤出物糊化度最大可达90%。从图4可以看出，在出料端(F)脱胚玉米挤出物的糊化度为97.87%，添加耐高温α-淀粉酶脱胚玉米挤出物的糊化度最为96.67%，添加中温α-中温酶胚玉米挤出物的糊化度96.53%。在挤压过程中原料的糊化度从喂入端(A)到出料端(F)是逐渐增大的。淀粉在挤压机内，由于螺杆和套筒的剪切、摩擦热以及水分的综合作用可使淀粉糊化。淀粉经过挤压处理后，淀粉颗粒的结晶消失[15]。

图4 不同取料部位淀粉糊化度的变化

2.4 挤压过程中抗性淀粉的变化

对抗性淀粉Ⅲ(RSⅢ)形成机理比较统一的认识是由于淀粉分子在凝沉过程中分子重新聚集成有序的结晶结构，即淀粉糊经冷却后，淀粉分子在靠近分子链的末端区域相互缠绕发生双螺旋结构，并使得原来杂乱无章的淀粉分子链进一步延伸，延伸的分子链再发生折叠卷曲，更有利于分子上的羟基相互作用形成螺旋之间的氢键，从而形成紧密的螺旋与螺旋间聚集体，导致结晶区的形成[16]。玉米淀粉经过挤压蒸煮后，糊化度明显升高，糊化度能达到90%以上。玉米淀粉经过挤压机的挤压和闪蒸后，在室温下冷却，这为RSⅢ的形成提供了条件[17]。由图5可见，原脱胚玉米中抗性淀粉质量分数为2.42%，经过挤压后抗性淀粉质量分数增加到6.62%。但是添加酶制剂的脱胚玉米在经过挤压后抗性淀粉的含量降低。挤压不添加酶制剂脱胚玉米时，在取料部位B点抗性淀粉增加比例为10.24%，是各段增加比例最小的。Kohyama等[18]研究了葡萄糖、麦芽糖、蔗糖和核糖等对抗性淀粉形成的影响，发现添加可溶性糖可降低糊化淀粉的重结晶程度，导致抗性淀粉含量降低。可溶性糖抑制糊化淀粉凝沉的机理被认为是可溶性糖分子与淀粉分子链间的作用改变了淀粉凝沉的基质。

图5 不同取料部位抗性淀粉质量分数的变化

2.5 挤压过程中脂类含量的变化

图6表明，脱胚玉米挤压后粗脂肪含量明显下降，但是脂肪含量的降低程度比添加酶制剂脱胚玉米挤出物降低程度小。挤压不添加酶制剂脱胚玉米时，在取料部位B点粗脂肪质量分数减少了11.76%，是各段减少最小的。挤压添加酶制剂脱胚玉米时，在B点取料测试还原糖含量变化和挤压脱胚玉米变化比例相似，在各段中也是最小的。在挤压机内，淀粉在酶制剂的存在下降解为低聚糖，其降解的程度比原淀粉挤出物降解的程度大，直链淀粉和支链淀粉含量均降低，尤其直链淀粉的含量降低更加明显，这也导致了淀粉脂类复合物产生量的降低，因而，添加酶制剂的脱胚玉米在挤压过程中脂肪含量降低程度没有原脱胚玉米在挤压过程中降低的程度大。脂肪含量的降低，首先是由于脂肪本身降解为脂肪酸，其次部分脂类与直链淀粉发生复合反应，导致结合脂肪增加[19]。

2.6 挤压过程中酶活性的变化

挤压机被认为是一种连续式生物反应器，谷物类原料中的α-淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶等经过挤压蒸煮后仍保持一部分活性[20]。但是酶制剂是否完全失活不得而知，因而需要检测挤压过程中酶制剂的失活情况以及挤出物中的酶制剂是否还保留活力。保留活性的这部分酶制剂在后续的液化、糖化中继续发挥作用。从图7可以看出，酶制剂经过挤压处理后，酶活性均降低。挤压原料耐高温α-淀粉酶、

图7 不同取料部位酶活性的变化

挤出物中耐高温α-淀粉酶、挤压原料中温α淀粉酶的活性分别为19.49、5.98、19.28 U/g，经过挤压处理后，挤出物中温α-淀粉酶活性为5.74 U/g。酶在挤压过程中受到外源热、摩擦热、剪切等作用而产生失活，但是从挤出物的DE值结果看，有部分酶与淀粉发生了作用，使添加酶制剂的淀粉挤出物中淀粉的降解程度比淀粉挤出物的降解程度大[21]。

2.7 挤压过程中直链淀粉含量的变化

由图8可知，原脱胚玉米和添加酶制剂的脱胚玉米经过挤压后，直链淀粉的含量均降低，但是原脱胚玉米经过挤压后直链淀粉含量降低较少。降低程度最大的是添加耐高温α-淀粉酶的脱胚玉米挤出物，挤出物中直链淀粉的质量分数降为15.85%。直链淀粉的螺旋结构内部非极性区域与脂类的碳氢链之间的疏水性交互作用形成单螺旋包接结构，形成直链淀粉-脂类复合物。其次，脱胚玉米中的淀粉在经过挤压后，部分淀粉转化为糖，导致原料中的直链淀粉含量在经过挤压后降低。而支链淀粉与脂类的复合主要发生在支链淀粉的分支外部侧链上，而且与直链淀粉相比也不易形成包接复合物，这是因为支链淀粉分支间或最末端直链部分的链长较短，其聚合度一般为15～20，而原脱胚玉米和添加酶制剂的脱胚玉米经过挤压后支链淀粉的质量分数仅降低了0.25%～0.68%。

图8 挤压过程中直链淀粉质量分数变化

2.8 化学成分的变化相关性分析

通过挤压蒸煮使得谷物中淀粉降解，糊化度增大，还原糖含量增多；脂肪降解, 脂肪含量降低；抗性淀粉、直链淀粉含量增加[22]。由表2可见，还原糖含量与淀粉含量、直链淀粉含量、蛋白质含量、脂肪含量都呈高度负相关，与抗性淀粉含量、糊化度呈高度正相关，与支链淀粉含量中度相关。糊化度与抗性淀粉含量高度正相关，与脱胚玉米的化学组成负相关。挤压剪切能破坏淀粉的结晶结构[23]，使部分糖苷键断裂，还原端数量增加，因而脱胚玉米经过挤压还原糖含量增加；脱胚玉米预混淀粉酶再经挤压处理，虽然剪切、热和压力使部分酶失活[24]，但是在酶制剂失活之前和未失活的淀粉酶，与糊化淀粉发生作用，进而使还原糖含量比挤压脱胚玉米的还原糖含量高[25]。

表2 相关分析

3 结论

挤压不添加酶制剂脱胚玉米时，在取料部位B点，淀粉含量、粗脂肪含量的降低比例最低，抗性淀粉和还原糖含量增加比例是各段增加比例最小的。挤压添加酶制剂脱胚玉米时，在B点取料测试各化学指标，淀粉含量、脂肪含量、酶活性、还原糖含量和脂肪含量变化与挤压脱胚玉米变化比例相似，在各段中是最小的。在输送段，物料主要是向前推进并压缩，在阻流环B点，由于空隙减小，物料通过时，物料受到一定的剪切作用，其化学成分发生变化。各物质含量变化比例最大的取料点为D点。由于螺杆上设有回流槽，物料向前运动时受到的剪切力大，所以成分变化大，同时D点是整个螺杆温度最高区域。酶活性变化比例最大的点为F点，物料向前运动时压力增加，从模孔挤出时压力突然释放，在这个释放过程中，酶蛋白受到较大压力而变性。