挤出处理对淀粉性质的影响研究进展

刘静雪，高婷婷，李凤林*，田兰英，张国旗

（1.吉林农业科技学院食品工程学院，吉林吉林 132101；2.吉林省酿造技术科技创新中心，吉林吉林 132101；3.农业农村部国家糖料加工技术研发分中心，吉林吉林 132101）

淀粉多存在于绿色植物的果实、种子、块茎和块根中，是自然界中含量丰富的一类碳水化合物，也是膳食中不可或缺的原料[1]，淀粉以颗粒的形式存在，可以为人体提供大部分能量。淀粉的价值无可替代，然而随着科学的飞速发展，淀粉分子物理性质和化学性质有限，无法适应当今现代食品加工业快速发展的需求，且淀粉来源不同以及复合变性淀粉的品种多、生产工艺复杂，各生产厂家产品质量的稳定性仍需进一步提高，且关于改性淀粉生产过程、品质特性的影响及机理的基础研究也需加深[2]。在此基础上，越来越多的研究学者顺应时势，发明出一种可以弥补普通淀粉稳定性低、保水性差、糊化温度高、黏度低等缺点的改性淀粉，以求将淀粉的不足缩至最小化。从目前的加工工艺来看，普遍淀粉常见的改性方法有三种：物理法、化学法和酶法。化学改性成本低，应用范围广，效率高，但容易出现化学试剂残留等问题。酶改性法条件温和、环保且产生的淀粉有利于人体消化吸收以及分解；但是设备要求多、投资大。目前物理改性技术引起了极大的关注，物理改性淀粉具有多种优点，如物理、机械性能好等，利用此特点，可利用改性淀粉实现工业化。现阶段，已经对天然淀粉进行了研究，但仍存在许多问题。首先，物理变性方法成本高；其次，物理改性的结果难以预测；三是，国内外对淀粉结构和性质的物理改性机制研究较多，缺乏从分子结构角度剖析淀粉性质和结构的变化模式，结果也存在一定差异。因此，总结当前通用挤出技术对淀粉的结构和特性的影响，有望应用于特定需求的淀粉生产领域的研究和开发提供理论基础。

近年来，物理改性法中的挤出法应运而生，逐渐发展成为一种广泛用于食品加工业的重要方法，利用挤出机的作用将原料从高温高压释放至常温常压下，这种瞬间的变化使原料的组织、结构甚至性质发生改变。在挤出过程中，挤出产生的各种力作用于淀粉分子，能够破环其内部分子结构，同时使分子间的相互作用受阻，发生分子晶体结构消失的现象，使其支链淀粉降解、含量减少。此外，还可以通过合成甘氨酸并与其结合，对淀粉分子质构进行破坏。研究发现，对比其他物理改性法、化学改性法和酶法，挤出法是一种可以改变淀粉结构性质的方法，但是加工条件和淀粉种类的不同会对淀粉的结构特性造成影响。天然淀粉可以在挤压等条件下变成不可逆性的热塑性淀粉，不仅解决了天然淀粉的高脆性和低韧性问题，还解决了化学试剂残留等问题[3]。因此，挤出法作为一种重要的食品加工技术，具有设备简单、效率高、节能等优点，广泛用于玉米、燕麦片、大米等谷物食品的加工。

挤出法生产的改性淀粉在食品领域具有广泛的应用，与化学改性方法相比具有简单、安全、绿色等特点。目前国内外学者对其研究还尚未完全，比如在生产过程中，温度、糊化度等条件的控制还有待提高。挤出法生产的改性淀粉，可以广泛地应用于医药、食品、纺织、造纸等领域。总之，研究挤出加工过程中淀粉物理和化学特性的变化规律，并对所制造产品的质量进行检测具有重要意义。本文通过研究挤出处理对淀粉各特性的影响，为挤出处理后改性淀粉的性质研究提供数据参考，为生产特定要求的淀粉提供理论依据。

1 挤出法的原理

挤出法是将机械产生的压力及剪切力作用到淀粉分子上，在挤出过程中淀粉分子从有序到无序，气核形成，膜口膨胀，气泡成长和气泡塌陷。淀粉挤出处理是将淀粉经过预处理（粉碎、加湿、混合）后置于挤出机中，通过机械作用，强制通过专门设计的喷孔（模具），从而形成具有一定形状和组织的产品的过程。它是多学科交叉产生的高新食品技术。挤出使淀粉晶体结构消失，淀粉颗粒结构被破坏，糖苷键断裂及分子间相互作用力重新形成。在高温、高压及强烈的挤压力下天然淀粉不可逆地转变成热塑性淀粉。

在挤出处理工艺中，通常使用双螺杆挤出机和单螺杆挤出机，其挤出原理主要是通过物料口进料，利用机筒内壁和螺杆间产生的摩擦力使物料压缩并输出。在第一步中，固体材料向前推进，并且在圆筒外部有一个加热环，通过加热，颗粒或固体粉碎的固体材料变为熔融流体状态，并且聚合物的熔融具有固定的形状，在该温度下，材料沿着圆筒逐渐前进，熔融材料通过过滤器、头部连续传输到螺杆的前部。

2 挤出处理对淀粉特性的影响

2.1 对淀粉结构的影响

在挤出过程中，淀粉发生明显变化，通过降解作用，生成小分子寡糖等，挤出后的淀粉会出现糊化现象，同时黏度降低。陈子意[3]发现在挤出过程中，某些淀粉会因其特殊变化发生内部的双键变化，产生新的官能团。张弘等[4]发现小麦胚芽挤出优化后，能够有效延长储藏期，提高了小麦胚芽的可食用性以及功能性，并且淀粉颗粒变大、表面变光滑。

挤出处理使淀粉颗粒发生形变，从而改变淀粉的晶体结构。崔维真[5]对淀粉挤出样品的内部结构进行系统研究，发现在挤出机内的高温高压条件下，淀粉晶体结构的毁坏，导致其消化性的变化，淀粉的理化性质会影响其与蛋白质形成的网状结构的紧密程度，影响挤出物质以及其产品的膨化度等特性。杨景峰等[6]在挤压过程中发现，淀粉受到无规则的剪切作用，内部有序的链排列被破坏；支链淀粉断链，挤压后重结晶能力降低，偏光十字完全消失；由此说明，挤压后淀粉变成一种非晶颗粒态。据报道，挤压对V 型淀粉晶体的影响主要是由于脂肪的作用，一方面作用于直链淀粉，形成直链淀粉-脂肪复合物；另一方面，其复合物会阻碍直链淀粉的重排[7]。

在挤出过程中，淀粉分子结构发生无序、空气成核、膜开闭、气泡生长、气泡崩溃等各种现象。挤出处理可以去除淀粉的晶体结构，破坏淀粉粒子的结构，破坏甘氨酸的结合障碍和分子间的相互作用。余以等[8]研究表明，淀粉的支链淀粉降解明显，大支链淀粉分子最先裂解，断裂后拥有更高的支链密度。此外，挤出的淀粉凝胶对淀粉回生有抑制作用，能够使贮藏过程中的固化速率减慢。Manisha 等[9]对大米的挤压研究表明，挤压导致部分淀粉支链分子的降解，且随着挤压作用程度的增加，淀粉降解程度也随之增大，淀粉平均分子量降低，而直链淀粉的平均分子量随挤压温度的升高而增大。董宇晴[10]研究表明，挤出过程淀粉的聚集体状态被破坏，分布变广，淀粉的分子量向低分子量方向移动，使整体分子量降低。

2.2 对淀粉流变性质的影响

挤出处理过程中可以通过改变淀粉的分子结构、淀粉乳的浓度、温度、加工速率等因素，从而影响淀粉的流变性质。戚明明等[11]在稳态剪切实验中发现，流动曲线呈现剪切变稀或者假塑性行为，淀粉经过挤出处理后部分糊化、黏度高。他还发现，膨胀的大淀粉颗粒的破坏和抗性是低剪切速率下剪切变稀行为的原因。樊红秀等[12]的研究表明，淀粉分子黏度越高，体系中越易形成分子间作用力，剪切稀化行为最显著。剪切稀化行为在淀粉成膜的加工生产中具有重要意义，有利于黏度较大淀粉灌料、输送、成型，并且能够减少加工设备的磨损以及能量和物料损耗。

2.3 对淀粉糊化特性的影响

在当代食品行业领域中，可利用糊化功能加工淀粉分子，常用的加工方法较多，以糊化为典型代表，糊化的功能对淀粉分子的加工产物和产品品质具有重要影响。糊化首先发生在淀粉颗粒的无定型区域，由于该区域氢键结合作用力较弱，因而容易断裂。在挤出处理的过程中淀粉颗粒发生糊化、熔融和破裂等现象，颗粒结构遭到破坏，使其相互间的摩擦力变小，并因高剪切作用使部分淀粉发生降解，这些都影响了淀粉的糊化特性。

郭新月等[13]研究表明，原料的糊化起始温度是83.4 ℃，挤出后的物料糊化起始温度为86.1 ℃，所以挤出处理使原料更容易糊化，并且使原料的黏度大幅升高。挤出处理产生的高剪切力以及高温使附着在物料表面的葡聚糖被破坏，随着物料粒度的降低，可溶性物质溶出，样品的持水力显著降低，从而使水分容易进入分子内部，糊化度明显升高。刘丽等[14]在研究中发现，淀粉糊化特性发生变化主要原因可能是无定形区域和结晶区中分子链与链之间的束缚力发生了变化，以及挤压后结晶区所占比例的减少将导致与糊化过程相联系的糊化焓降低，从而使糊化温度降低。

2.4 对淀粉凝胶特性的影响

大量研究发现，淀粉在改性后会发生质的变化，挤出处理会对淀粉凝胶的黏性、内聚性、耐咀性、回复性及硬度等多种特性产生影响。淀粉的凝胶主要是因为基础处理使直链淀粉分子的缠绕和有序化而致，通过双螺旋的形式互相缠绕形成凝胶网络，部分区域有序化形成微晶。

戚明明等[15]在研究中表明，通过高温将淀粉挤出处理后，淀粉分子的颗粒变小，从而形成小分子颗粒凝胶，其集合功能非常弱，通过改变挤出条件可以提高凝胶的某些性质，如稳定性、弹性、拉伸强度等，也可将产品的品质进行加工，使产品具有特殊风味。此项技术在加工面条中体现突出，在挤出后，直链淀粉的含量减少，被降解的直链淀粉有序地缠绕在一起，与蛋白质之间的交互联结作用加强，改善了面条的品质。付玲玲[16]研究发现随着螺杆转速的增加，剪切速率增加，有助于蛋白质分子间的聚合和淀粉分子的糊化，也有助于挤出体系形成更稳定的组织结构，使其凝胶特性增强。王盼等[17]研究发现，随物料水分升高，吸水性指数、膨胀势、各糊化特征值显著增大，水溶性指数明显降低，低物料水分形成的凝胶品质较好；随螺杆转速升高，水溶性指数增大，吸水性指数和峰值黏度、谷值黏度、衰减值稍降低，膨胀势先增大后减小，转速越高的苦荞粉的凝胶品质越好。

2.5 对淀粉消化特性的影响

淀粉在挤出处理的过程中，由于淀粉受到挤出机强烈的剪切力作用以及颗粒间的相互摩擦碰撞，引起淀粉分子结构、膨胀系数、吸水指数的变化。而淀粉的消化特性随淀粉分子结构的改变而变化。

蔡灿欣[18]研究基于挤压法制备食品级低取代度的交联淀粉，结果发现，挤压结合交联改性对淀粉结构与消化特性产生影响。戚明明等[11]在研究淀粉挤出过程中的变化时发现，淀粉糊化需要更多的热量。这表明较高的温度导致淀粉的凝胶化程度增大，更容易受到酶消化的影响，并且淀粉分子间氢键已经被破坏，极端的淀粉链迁移率有助于提高水解度。基于高剪切力的作用下使其分子的降解程度增加。淀粉分子在挤出过程中改变了分子的组织结构，所以导致分子的降解程度增加。由于淀粉在人体内的消化过程复杂，所以有待进一步研究。

2.6 对淀粉复合物的影响

油脂可以减少挤出处理对不稳定物体的膨化效应，还可以对材料起到润滑作用，能够降低其机械力。因油脂润滑作用效果显著，水、淀粉、蛋白质、润滑脂的界面效果及膨化产品的质感、密度和延展性均会受到影响。其次，淀粉脂质复合物的形成主要是由于挤压产生的高温、高压、高剪切力使甘油三酯分解成甘油一酯和游离脂肪酸，从而降低淀粉溶解性、裂缝特性和消化率。研究表明，在挤出工艺中，挤出温度、含水量等因素对直链淀粉-脂质复合物的含量有显著影响[11]。当挤出温度处于较低状态时，复合物的含量随着温度的升高而升高，二者呈正向关系。反之，当挤出温度处于较高状态时，复合物的含量随着温度的升高而降低，二者呈反向关系。此外，含水量与游离脂肪酸的含量成正比，含水量越高，游离脂肪酸的含量越高，反之，则越低。

在挤出过程中，脂肪水解、美拉德反应等均能促进淀粉-脂质复合物的形成，其中，美拉德反应还能加强蛋白质-脂质复合物的形成，从而降低脂肪氧化速度和程度，改变产品的组织结构，延长食物的使用寿命，并改善产品的稳定性和膳食风味。

3 展望

挤出是一种非常有效的淀粉处理方法，消耗较少的能源。近年来，关于挤出技术在淀粉食品中的应用研究逐渐深入，但仍需与其他新技术相结合，从而进行产品的深入研究与开发。营养米、玉米面饺子、玉米面条、方便蒸糙米等挤出淀粉基产品正在逐步进入市场。但制造过程中仍存在一些问题。如很少研究能够涉及挤出机中原料变化和机理与产品质量之间的关系。其他挤出机模型和工艺参数对产品有重大影响，最佳挤出条件和分析尚未确定以及挤出分析相对简单。在研究淀粉成分时，往往忽略了蛋白质和脂肪对加工压力的影响，导致难以在实际生产中广泛应用。

对不同挤出机型号、挤出参数和原科在进行挤出物性质的分析时，应深入研究原料的内在变化与工艺参数和条件之间的关联。在对挤出物特性分析及产品品质测定及优化时，应全面考虑原料成分和工艺参数及条件，可以为实际生产中提供充实的理论依据。

目前，我国对于改性淀粉的研究逐渐深入，采用物理方法进行挤出处理时不会对人们的身体健康产生危害，也不存在化学试剂对环境的污染问题，并且操作简单迅速，目前也已有越来越多食品企业、营养学家和消费者关注。明确处理条件-结构-性质之间的相互影响关系，使挤出处理这种绿色加工方式广泛的应用于淀粉谷物精深加工工业是大势所趋。未来挤出处理改性淀粉有望广泛地应用于各种领域，如食品、造纸、饲料、化工、化妆品、医药等。