低溫加酶擠壓玉米淀粉糊化度的研究

馮秋娟，肖志剛，鄭廣釗，魏 旭，葉鴻劍

(東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030)

低溫加酶擠壓玉米淀粉糊化度的研究

馮秋娟，肖志剛*，鄭廣釗，魏 旭，葉鴻劍

(東北農業大學食品學院，黑龍江哈爾濱 150030)

為了探討淀粉加酶擠壓轉化規律，以中溫α－淀粉酶為外加酶，利用雙螺桿擠壓機對玉米淀粉進行了糊化實驗研究，獲得了不同糊化程度的擠出物;在單因素研究基礎上，采用響應面分析方法研究了機筒溫度、螺桿轉速、物料水分和酶濃度對擠出物糊化度的影響規律。結果表明:在機筒溫度為71.35℃、物料水分31.81%、轉速133.96r/min、酶濃度3.15u/g條件下，擠壓玉米淀粉糊化度的最優值為55.31%。

玉米淀粉，糊化度，加酶擠壓，雙螺桿擠壓機

淀粉加酶擠壓技術是將擠壓機作為連續生物反應器，在淀粉酶的參與下，利用擠壓機的輸送、混合、加熱等多重功能來實現淀粉連續生物酶轉化加工過程［1］，具有反應時間短、能耗低、生產效率高等特點［2－3］。加酶擠壓是擠壓膨化技術新的研究方向，在擠壓前添加酶制劑，使物料與外加酶制劑在擠壓機內充分作用，在機體內綜合能量的作用下，加酶物料呈熔融狀態，順著螺桿擠壓的方向瞬間被擠出。由于加酶物料從進入擠壓機至從腔體擠出僅5～10s，這種瞬時作用使酶在擠壓體系中保持“過程活性”，為其能夠在熔融體系中實現對物料的生物作用提供了前提。淀粉在擠壓過程中發生糊化和降解，糊化是淀粉蒸煮過程中最重要的變化，糊化度是衡量淀粉擠壓膨化特性的重要指標［4］，淀粉只有充分糊化后才能利于淀粉不同程度的酶解，外加淀粉酶對淀粉擠壓過程降解程度的影響國內外學者均有研究。如Govindasamy［5］、Grafelman［6］、Vasanthan［7］、Tomas［8］等人曾利用擠壓機作為連續酶生物反應器，分別對西米、玉米、小麥和大米淀粉的酶法擠壓進行了研究，制備出不同轉化程度的淀粉水解產物;2001年T.Vasanthan［9］等人研究擠壓蒸煮添加耐高溫α－淀粉酶的大麥粉中淀粉的糊精化;山東理工大學申德超教授采用加酶擠壓技術在大米作啤酒輔料生產啤酒、酒精發酵［10－11］、淀粉糖漿［12－13］等方面進行了深入研究。文獻檢索尚未發現有關加酶擠壓玉米淀粉糊化度方面的報道，本研究試圖以玉米淀粉為原料，中溫α－淀粉酶為外加酶制劑，研究低溫(小于100℃)擠壓條件下雙螺桿擠壓機各擠壓參數對淀粉糊化度的影響，為加酶擠壓技術在淀粉加工領域的應用提供理論基礎和參考數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉 長春大成實業集團有限公司，水分11%;中溫α－淀粉酶 上海工碩生物技術有限公司，酶活3700u/g;0.05mol/L碘－碘化鉀溶液 自制。

DS32－Ⅱ型單螺桿擠壓機 機腔內分I、II、III三區，濟南賽信膨化機械有限公司;721分光光度計上海尼柯儀器有限公司;HH－4數顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;DL－5－B低速離心機 上海安亭科學儀器廠;恒溫干燥箱 上海科析實驗儀器廠;粉碎機 北京市永光明醫療儀器廠;分析天平 精度0.1mg，日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水分測定 參照GB8304－87方法測定。

1.2.2 糊化度的測定 參照碘呈色分析法［15－16］測定。

1.2.3 擠壓操作 稱取適量α－淀粉酶，分別與45℃的蒸餾水配成懸浮液再與玉米淀粉充分混合均勻，靜置20m in，在不同的操作條件下，通過雙螺桿擠壓機擠壓，等出料穩定后收集擠出樣品，滅酶，將擠出的樣品于100℃的恒溫箱中烘干，干燥樣品粉碎后密封保存，以備后續分析。

1.2.4 單因素實驗 以機筒溫度、螺桿轉速、物料水分、酶濃度為因素，以糊化度為指標進行單因素實驗。

物料水分的單因素實驗:固定機筒溫度70℃，螺桿轉速120 r/m in和酶濃度4u/g，物料水分分別取20%、25%、30%、35%、40%，研究水分對擠壓產品糊化度的影響。

機筒溫度的單因素實驗:固定螺桿轉速120 r/min，酶濃度4u/g和物料水分30%，擠壓溫度分別取 60、70、80、90、100℃，研究機筒溫度對擠壓產品糊化度的影響。

螺桿轉速的單因素實驗:固定機筒溫度70℃，酶濃度4u/g和物料水分30%，螺桿轉速分別取100、120、140、160、180 r/m in，研究螺桿轉速對擠壓產品糊化度的影響。

酶濃度的單因素實驗:固定酶濃度4u/g，物料水分30%和螺桿轉速120 r/m in，酶濃度分別取1、3、5、7、9u/g，研究酶濃度對擠壓產品糊化度的影響。

1.2.5 正交實驗 經過單因素實驗，可以得到各因素的較佳范圍值，根據這些較佳范圍值來確定每個因素的不同水平值進行正交旋轉組合實驗，因素水平編碼表見表1。

表1 因素水平編碼表

本實驗以物料水分、機筒溫度、螺桿轉速、酶濃度為因素，以糊化度為指標，采用四因素五水平二次旋轉正交設計進行實驗，實驗安排及結果見表2。

2 結果與分析

2.1 單因素結果分析

2.1.1 物料水分對糊化度的影響 由圖1可知，隨著水分的增加，糊化度開始緩慢變化，當從20%增加到30%時，糊化度突然變大，后又降低，水分在35%時，糊化度開始趨于平緩，因為是加酶擠壓，所以必須保證一定的水分才能使酶發揮活性，水分又不能太高，否則擠壓機對物料不能產生剪切作用，擠出的物料不成型，為乳狀，正交實驗確定物料含水量在25%～37%間取值。

圖1 水分對糊化度的影響

2.1.2 機筒溫度對糊化度的影響 由圖2可知，當溫度在60～80℃時，糊化度變化趨勢明顯，而當溫度繼續升高時，糊化度變化趨勢平緩，而酶只有在適宜的溫度和水分下才有活性，考慮到酶的最適作用范圍(65～70℃)和擠壓機本身的特點，正交實驗時溫度在60～80℃間取值。

圖2 機筒溫度對糊化度的影響

2.1.3 螺桿轉速對糊化度的影響 由圖3可知，螺桿轉速在100～180 r/m in時，糊化度變化趨勢明顯，隨著轉速的增大，糊化度變化趨勢平緩，又考慮到酶與物料在擠壓機中的作用條件和酶濃度，因此要有一個充分的作用時間，轉速不能太快，正交實驗確定轉速在80～160 r/m in間取值。

圖3 螺桿轉速對糊化度的影響

2.1.4 酶濃度對糊化度的影響 由圖4可知，當酶濃度在1～5u/g時，糊化度變化趨勢明顯，之后趨于平緩，因為實驗是加酶擠壓，因此，酶的添加量要適中，加的少不起作用，加的多可以使葡萄糖發生復合反應，使得率降低，同時成本也會增加。因此，正交實驗酶濃度在1～5u/g間取值。

圖4 酶濃度對糊化度的影響

表4 較佳擠壓參數組合及對應糊化度

2.2 正交實驗結果分析

本實驗因素水平按表2選定，采用四因素五水平二次旋轉正交組合實驗，實驗安排與不同擠壓條件下糊化度的測定結果見表2所示。

表2 實驗安排及實驗數據

2.2.1 糊化度的回歸方程 本實驗通過其響應面回歸過程數據分析，建立描述糊化度(以Y表示)的二階響應回歸模型，并進而分析各實驗因素X對響應值Y的影響。經分析整理，剔除不顯著項后，得到淀粉糊化度的回歸方程如下:

2.2.2 回歸方程的方差分析 方差分析結果見表3。由表3可知，回歸方程的相關系數R2=88.13%，而失擬項F值為2.28，F值小，說明回歸方程擬合程度較好;水分的一次項和二次項，機筒溫度的一次項和二次項，螺桿轉速的一次項及二次項以及酶濃度的二次項，機筒溫度與物料水分的交互項，機筒溫度與螺桿轉速的交互項對糊化度的影響顯著，其余各項對糊化度的影響均不顯著，機筒溫度、水分和螺桿轉速是主要影響因素。

表3 方差分析表

2.2.3 最佳參數的確定 借助Design軟件進行響應面分析及數值優化，得到的擠壓最佳工藝參數組合見表4。

2.3 各因素交互作用對糊化度的影響

2.3.1 機筒溫度的交互作用對糊化度的影響 由圖5可知，機筒溫度與水分的交互作用較明顯，二者呈相同趨勢變化，隨著溫度的升高，糊化度逐漸升高，當達到72.5℃時開始降低，而當螺桿轉速、機筒溫度和酶濃度一定時，糊化度隨物料水分的升高而增加，當達到32.5%時開始降低。

圖5 水分和機筒溫度的交互作用對糊化度的影響

2.3.2 螺桿轉速和水分的交互作用對糊化度的影響

由圖6可知，螺桿轉速與水分的交互作用不明顯，糊化度隨著螺桿轉速的增加沒有大的改變，而隨物料水分的增加開始上升后又降低。

圖6 螺桿轉速和水分的交互作用對糊化度的影響

2.3.3 酶濃度和水分的交互作用對糊化度的影響由圖7可知，酶濃度和水分對糊化度的交互作用不

表5 驗證及對照實驗

太明顯，糊化度隨酶濃度的增加變化趨勢不明顯，可能是淀粉酶和物料充分接觸，將已經糊化的淀粉酶解一部分，導致糊化度變化不明顯，而隨水分的增加，糊化度先增加后降低。

為了進一步考察回歸方程的可靠性，在經響應面分析確定的參數范圍內，選擇3組具有代表性的

圖7 酶濃度和水分的交互作用對糊化度的影響

2.3.4 機筒溫度和螺桿轉速的交互作用對糊化度的影響 由圖8可知，螺桿轉速和機筒溫度的交互作用較明顯，兩者對糊化度的影響呈相同趨勢變化，當螺桿轉速在后半部分時，隨著溫度的升高，糊化度變大，當升到一定程度時，糊化度開始出現降低趨勢。

圖8 機筒溫度和螺桿轉速的交互作用對糊化度的影響

2.3.5 酶濃度和機筒溫度的交互作用對糊化度的影響 由圖9可知，酶濃度和機筒溫度的交互作用不明顯，隨著酶濃度的增加，糊化度變化不明顯，而隨著溫度的升高，糊化度逐漸升高，達到72.5℃時開始降低。

圖9 酶濃度和機筒溫度的交互作用對糊化度的影響

2.3.6 酶濃度和螺桿轉速的交互作用對糊化度的影響 由圖10可知，當機筒溫度、物料水分和螺桿轉速一定時，隨著酶濃度的增加，糊化度先增加后降低，而當機筒溫度、物料水分和酶濃度一定時，隨著螺桿轉速的增加，糊化度逐漸增加。

2.4 對照實驗設計及結果擠壓工藝參數組合，對照經回歸方程和實驗得到的糊化度預測值和實際值;為了比較加酶前后擠壓玉米淀粉糊化度的變化，分別選取以上3組擠壓工藝參數進行未加酶擠壓實驗，測定其糊化度。研究結果見表5。

圖10 酶濃度和螺桿轉速的交互作用對糊化度的影響

表5表明，通過回歸方程對各組實驗糊化度的預測值與實測值的相對誤差均小于5%，預測值和實測值的糊化度值均在16%～56%之間，進一步說明上式中的回歸方程是可靠的，可以通過回歸方程對實驗結果進行預測;表5數據表明，相同擠壓條件下，采用加酶擠壓玉米淀粉的糊化度相對較低，分析其原因是擠壓過程中發生糊化的淀粉，與淀粉酶相互接觸，在機體內綜合能量的作用下，呈熔融狀態，此時，淀粉酶發揮其“過程活性”，糊化的淀粉被部分酶解應是導致加酶擠壓糊化度低的原因，這與Grafelman［6］等人所報道加酶擠壓有利于淀粉降解的結論是相符合的。另外，本實驗選用的水分偏高，溫度偏低，也是所有樣品糊化度均較低的原因之一，正是這樣的擠壓參數條件，為擠壓法制備低DE值的淀粉基脂肪替代物等產品提供了可靠的前提。

3 結論

由正交實驗方差分析表可以看出，擠壓工藝參數各因素對產品糊化度的影響順序為:機筒溫度＞螺桿轉速＞物料水分＞酶濃度，得到的最佳工藝參數組合為水分 31.81%、溫度 71.35℃、轉速133.96m in、酶濃度3.15u/g。利用雙螺桿擠壓機作為連續酶反應器能夠得到不同糊化度的玉米淀粉產物，同時能夠實現玉米淀粉連續酶法液化處理，為制得不同轉化程度的玉米淀粉水解產物提供可靠的基礎條件。

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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 *通訊聯系人

馮秋娟(1982－)，女，碩士生，主要從事糧食、油脂及植物蛋白工程方面的研究。

哈爾濱市青年科學技術專項基金(2007RFQXN019)。