用DSC方法研究擠壓參數(shù)對脫胚玉米熱性能影響

于雙雙，馬成業(yè)

（山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博255049）

用DSC方法研究擠壓參數(shù)對脫胚玉米熱性能影響

于雙雙，馬成業(yè)*

（山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博255049）

為研究不同擠壓參數(shù)對脫胚玉米熱性能的影響，以擠壓溫度（40、50、60、70、80℃）、螺桿轉(zhuǎn)速（70、90、110、130、150 r/min）、水分含量（22%、26%、30%、34%、38%）以及酶添加量（5、10、15、20、25 U/g）為變量，運用單螺桿擠壓機對脫胚玉米進行擠壓，對不同擠壓參數(shù)的脫胚玉米運用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）進行熱性能分析。DSC測試結果為以擠壓溫度為變量的處理中，擠壓溫度為80℃時，脫胚玉米粉的焓變值為267.2 J/g，糊化度高于其他處理；以螺桿轉(zhuǎn)速為變量的處理中，轉(zhuǎn)速為70.0 r/min的脫胚玉米粉焓變值為253.1 J/g，糊化度最高；以水分為變量的處理中，水分含量為38.0%的脫胚玉米焓變值為234.4 J/g，糊化度最高；以酶添加量為變量的脫胚玉米中，添加量為15 U/g的脫胚玉米焓變值為284.8 J/g，糊化度高于其他酶添加量的脫胚玉米。說明不同擠壓參數(shù)對脫胚玉米顆粒的破壞程度不同，能夠不同程度地改變脫胚玉米的糊化度，改變脫胚玉米粉的熱性能。

擠壓參數(shù)；脫胚玉米；熱性能；差示掃描量熱法；糊化度

玉米是我國三大主要糧食作物之一，種植面積廣，成本低。不僅可以作為糧食和飼料，還是重要的工業(yè)可再生原料。以玉米為原料的加工業(yè)包括食品加工、飼料加工和深加工。其中玉米深加工是指直接以玉米或者玉米初加工產(chǎn)品為原料，通過生物酶制劑轉(zhuǎn)化技術、微生物發(fā)酵技術等現(xiàn)代生物工程技術，并輔以物理或者化學方法，獲得所需產(chǎn)品的加工工業(yè)。淀粉糖是玉米深加工的一個重要方向[1]。

擠壓加工技術是一種新型的加工技術，不僅廣泛應用于食品加工生產(chǎn)中，還應用于造紙工業(yè)、釀造工業(yè)和飼料生產(chǎn)等工業(yè)中。將擠壓技術應用于玉米的加工生產(chǎn)中，利用擠壓機的輸送、混合、粉碎、剪切、增壓和泵出等功能，能夠在很大程度上節(jié)約時間和空間，并且提高了玉米的利用率。以干法脫胚玉米為原料，將酶聯(lián)合擠壓活化技術應用于淀粉糖漿生產(chǎn)，與采用濕法淀粉為原料生產(chǎn)淀粉糖漿相比較，具有降低設備投資成本，縮短工藝流程，減少污水排放量等優(yōu)點[2-3]。酶聯(lián)合擠壓活化技術是淀粉生物和機械降解、加快淀粉酶的水解速度和提高淀粉利用率的一種有效的方法[4]。擠壓過程中淀粉受到水分、熱、機械剪切等的聯(lián)合作用，維持顆粒結構的部分氫鍵斷裂、結晶結構解體，膨脹的淀粉粒破裂。同時淀粉結晶結構消失，分子量降低，使淀粉顆粒和半結晶體系轉(zhuǎn)變成高粘態(tài)和塑性態(tài)，增加淀粉酶與顆粒形態(tài)消失的淀粉的作用面積。通過低溫酶法擠壓過程中的剪切力、熱、酶的作用改變淀粉的結構，使其發(fā)生糊化、熔融和裂解，改善淀粉的化學反應活性，利于淀粉酶的作用[5-7]。

差示掃描量熱法（differential scaming calorimentry，DSC）是指在程序溫度下，測量輸入到被測樣品和參比物的功率差與溫度或者時間的關系。因其具有不破壞試樣、無污染、節(jié)省樣品、操作簡單以及結果準確等優(yōu)點而廣泛應用于食品領域。熱特性是食品的一個重要特性，DSC技術是研究該特性的重要方法，可用于蛋白質(zhì)、脂類以及淀粉等物質(zhì)的研究。鄭鐵松[8]等利用DSC技術研究了蓮子直鏈淀粉分子含量以及貯存時間與淀粉老化特性之間的關系；朱帆[9]等將DSC技術應用于小麥淀粉與面粉糊化和回生特性的研究中，得出直鏈淀粉含量與糊化焓變值呈顯著負相關；蔣蘇蘇[10]等運用DSC技術研究不同升溫速率、α-淀粉酶添加量以及膨化玉米比例的條件下玉米粉糊化特性的變化，得出升溫速率對淀粉糊化起始溫度影響不大，α-淀粉酶的添加能夠顯著地影響淀粉糊化的起始溫度、峰面積以及熱焓值。

目前關于擠壓參數(shù)對脫胚玉米粉熱特性影響研究較少，多數(shù)研究是直接以玉米粉或者淀粉為原料。本文以經(jīng)過單螺桿擠壓機在不同擠壓參數(shù)條件下擠壓所得的脫胚玉米為原料，運用DSC技術測定糊化起始溫度、峰值溫度、結束溫度以及焓變值，比較其差異性，探究不同擠壓參數(shù)對脫胚玉米熱性能的影響，為以后進行脫胚玉米的改性和深加工提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 設備、儀器和材料

單螺桿擠壓機（圖1），山東理工大學農(nóng)產(chǎn)品精深加工中心自制，由三節(jié)套筒和螺桿組成（長徑比為16.4∶1），螺桿轉(zhuǎn)速為（0～1 200 r/min）無級可調(diào)，生產(chǎn)效率為100 kg/h；套筒溫度為10℃～300℃連續(xù)可調(diào)，配有溫度數(shù)顯儀表閉環(huán)自控系統(tǒng)，擠壓機模孔孔徑（6.0 mm～16.0 mm）有級可調(diào)。

圖1 單螺桿擠壓機結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of single extruder

DSC Q2000型同步熱分析儀：美國TA公司。

脫胚玉米：購于天津市華津食品有限公司（水分含量為12.58%、淀粉含量74.46%、蛋白質(zhì)含量7.96%，粗脂肪含量0.96%）；葡萄糖淀粉酶：北京奧博星生物技術有限公司，活力20 000 U/g；耐高溫淀粉酶：山東隆大生物工程有限公司,酶活力40 000 U/mL；其他化學試劑為分析純。

1.2 脫胚玉米擠出物制備

將脫胚玉米粉碎，全部過40目篩，設計單因素擠壓方案，以擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、原料水分含量以及原料中耐高溫淀粉酶添加量為試驗因素，擠出物冷卻、粉碎待用。

1.3 脫胚玉米DSC分析

將脫胚玉米擠出物粉碎，過100目篩。進行試驗前，通30 min的高純度氮氣或者干燥空氣，以去除空氣中的氧氣或者潮濕氣體的影響。取5 mg～10 mg樣品，升溫速率為5℃/min，升溫范圍為30℃～700℃，進行試驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用origin8處理數(shù)據(jù)并畫圖，以不同溫度擠出物DSC作圖，結果用T表示；以不同螺桿轉(zhuǎn)速擠出物DSC作圖，結果用S表示；以不同水分含量和不同酶添加量擠出物分別作表。確定DSC圖上相變起始溫度、峰值溫度、終點溫度以及焓變值。

2 結果與討論

2.1 不同擠壓溫度下脫胚玉米DSC結果

不同擠壓溫度脫胚玉米DSC結果見表1。

表1 不同擠壓溫度脫胚玉米DSC結果Table 1 Data of DSC under different temperature

由表1可以看出，該擠壓溫度條件下，脫胚玉米淀粉并沒有發(fā)生完全糊化。淀粉糊化就是淀粉分子在水中因受熱吸水膨脹，分子內(nèi)和分子間氫鍵斷裂，淀粉分子發(fā)生擴散的過程，淀粉糊化過程伴隨著能量的變化[11-12]。在DSC曲線上有3個特征溫度值，相變（或化學反應）的起始溫度、峰值溫度和終點溫度，這些特征溫度值反映了所測擠壓脫胚玉米粉的熱力學性質(zhì)[13]。溫度是影響脫胚玉米粉糊化的重要因素。擠壓溫度為60℃的脫胚玉米相變起始溫度和峰值溫度均最高，分別為48.18℃和98.25℃。該擠壓溫度下的脫胚玉米焓變值為284.8 J/g，高于其他擠壓溫度下的焓變值，糊化度低。擠壓溫度為80℃時，焓變值為267.2 J/g，低于其他擠壓溫度下脫胚玉米的焓變值，說明在此溫度下擠壓，脫胚玉米的糊化度高于其他擠壓溫度下的糊化度。在擠壓過程中，脫胚玉米粉含有的脂類物質(zhì)能夠起到潤滑作用，使部分淀粉沒有糊化。同時能夠與脫胚玉米粉中的淀粉形成淀粉-脂類復合物，阻礙脫胚玉米粉的進一步糊化。馬成業(yè)[2]在對原脫胚玉米粉和擠壓脫胚玉米粉做DSC掃描時，發(fā)現(xiàn)原脫胚玉米粉在70℃有吸熱峰，而擠壓脫胚玉米粉在該溫度沒有吸熱峰，說明該峰是脫胚玉米粉的糊化峰。擠壓脫胚玉米在113℃出現(xiàn)了吸熱峰，該峰是淀粉-脂類復合物的吸熱峰。

2.2 不同螺桿轉(zhuǎn)速下擠壓脫胚玉米DSC結果

不同螺桿轉(zhuǎn)速擠壓脫胚玉米DSC結果圖見表2。

由表2可以看出，經(jīng)過螺桿轉(zhuǎn)速由70.0 r/min～150.0 r/min擠壓過后的脫胚玉米并沒有完全糊化，在DSC曲線上有吸熱峰形成。螺桿轉(zhuǎn)速由70.0 r/min～110.0 r/min時，擠壓脫胚玉米的相變（或化學反應）起始溫度逐漸升高；螺桿轉(zhuǎn)速由110.0 r/min～150.0 r/min時，擠壓脫胚玉米相變起始溫度逐漸降低。螺桿轉(zhuǎn)速為110.0r/min時，擠壓脫胚玉米的焓變值最大，為284.8J/g，說明該轉(zhuǎn)速條件下，脫胚玉米粉形成了淀粉-脂類復合物，阻礙了脫胚玉米粉的糊化，抑制了淀粉顆粒的膨脹。螺桿轉(zhuǎn)速為70.0 r/min時，焓變值最低，為253.1 J/g，說明此轉(zhuǎn)速條件下的脫胚玉米粉糊化程度高于其他轉(zhuǎn)速條件下脫胚玉米粉的糊化度。該轉(zhuǎn)速條件下，沒有形成淀粉-脂類復合物或者復合物的含量較少。

表2 不同螺桿轉(zhuǎn)速擠壓脫胚玉米DSC結果值Table 2 Data of DSC under different rotate speed

2.3 不同水分條件下脫胚玉米DSC結果

不同水分含量DSC數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 不同水分含量DSC數(shù)據(jù)記錄Tabel 3 Data of DSC under different moisture content

從表3中可以得到，脫胚玉米粉水分含量22.0%～30.0%，相變（或化學反應）的起始溫度、峰值溫度、終點溫度以及焓變均隨著水分含量的增加而升高。當水分含量繼續(xù)增大時，相變（或化學反應）的起始溫度、峰值溫度、終點溫度以及焓變值隨著水分含量的增加而降低。水分含量為30.0%經(jīng)過擠壓的脫胚玉米粉峰值溫度溫度最高，脫胚玉米粉在該水分含量條件下，形成的淀粉-脂類復合物較多，復合物融化時需要破壞疏水鍵，導致了峰值溫度偏高；另一方面形成的復合物阻礙了部分脫胚玉米粉的糊化，使糊化度偏低[14]。水分含量為38.0%時，焓變值為234.4 J/g，低于其他水分含量擠壓脫胚玉米的焓變值，說明該水分含量的脫胚玉米粉在擠壓過程中糊化度較高。王寶石等在雙螺桿擠壓機擠壓玉米粉研究中發(fā)現(xiàn)水分含量為35%時，擠壓過后玉米粉糊化度最高，水分含量繼續(xù)增加時，糊化度降低[15]。

2.4 不同酶添加量條件下脫胚玉米DSC結果

不同酶添加量擠壓脫胚玉米DSC結果值見表4。

表4 不同酶添加量擠壓脫胚玉米DSC結果值Tabel 4 Data of DSC under different enzyme concentration

由表4可以看出，酶添加量從5.0 U/g～15.0 U/g時，擠壓脫胚玉米的峰值溫度和終點溫度逐漸升高，焓變值逐漸降低，糊化度逐漸升高；當酶添加量繼續(xù)增加時，峰值溫度和終點溫度逐漸降低，焓變值逐漸增加，糊化度逐漸降低。這是由于在擠壓過程中，脫胚玉米粉結晶結構遭到破壞，加入α-淀粉酶，脫胚玉米粉結晶結構遭到破壞的程度變大。在一定酶添加量范圍內(nèi)，酶添加量越多，酶發(fā)揮的作用越明顯，糊化程度越高；酶的添加量過高，會使葡萄糖發(fā)生復合反應，得率降低，糊化度降低[16-17]。在酶添加量為15.0 U/g條件下的擠壓脫胚玉米焓變值最低，該條件下的脫胚玉米糊化程度最高。

3 結論

通過對不同擠壓溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、脫胚玉米粉水分含量以及不同酶添加量條件下擠壓所得的脫胚玉米粉進行DSC試驗，得出擠壓能夠破壞脫胚玉米的結晶結構，使脫胚玉米粉的熱性能發(fā)生改變，焓變值降低，糊化度增加。擠壓溫度為80℃，螺桿轉(zhuǎn)速為70.0 r/min，水分含量為38.0%，酶添加量為15 U/g時，脫胚玉米粉的糊化程度較高。另外在擠壓過程中，脫胚玉米粉形成了淀粉-脂類復合物，阻礙部分脫胚玉米粉發(fā)生糊化，是研究在擠壓過程中影響脫胚玉米粉糊化的重要內(nèi)容。研究不同擠壓參數(shù)對脫胚玉米粉擠壓過后熱性能的影響，能夠為以后玉米的深加工提供較好的理論基礎和試驗依據(jù)，使玉米得到充分利用成為可能。

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The Effects of Extrusion Parameters on Degerminated Corn's Thermal Properties with the Method of DSC

YU Shuang-shuang,MA Cheng-ye*
（School of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255049, Shandong，China）

In order to study the effect of different extrusion parameters on the thermal properties of degerminated corn,the single-screw extruder was used to squeeze corn with the independent variable of different extrusion temperature（40，50，60，70，80℃）,screw speed（70，90，110，130，150 r/min）,moisture content（22%，26%，30%，34%，38%）and enzyme concentration（5，10，15，20，25 U/g）.The effects of extrusion parameters on degerminated corn's thermal properties were evaluated by method of differential scanning calorimetry.The result of（differential scanning calorimetry，DSC）of different enzyme concentration was the enthalpy change of 15 U/g was 284.8 J/g and the pasting was the highest.The result of DSC of different extrusion temperature was the enthalpy change of 80℃was 267.2 J/g and the pasting was the highest.The enthalpy change of 70 r/min and 38.0% were 253.1 J/g and 234.4 J/g.The results showed that extrusion can destroy integrity and crystal structure of degerminated corn.Extrusion can make degermed corn gelatinize,and it can change gelatinization degree.

extrusion parameters;degerminated corn;thermal properties;differential scanning calorimetry (DSC);degree of gelatinization

2016-11-29

國家自然科學基金（31471676）；山東省高等學校優(yōu)勢學科人才團隊培育計劃項目；山東理工大學青年教師發(fā)展支持計劃（4072-112010）；山東理工大學大學生創(chuàng)新計劃項目（2016032）

于雙雙（1991—），女（漢），碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工。

*通信作者：馬成業(yè)（1978—），男（漢），副教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工。

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.16.001