淀粉脂肪擠壓體系的研究

劉通通 張 暉

(濱州中裕食品有限公司；農業農村部小麥加工重點實驗室；國家小麥加工產業技術創新中心1，濱州 256651) (江南大學食品學院2，無錫 214122)

淀粉與脂肪是重要的食品組分與供能物質，由淀粉和脂肪作為主要組成的食品體系在食品工業中較為常見。目前關于淀粉脂肪體系的研究可以分為兩類，第一類是在溶液體系內進行淀粉脂肪復合物的構建，進而研究淀粉與脂肪在該體系內的結合機制、復合物的性質特點及應用方向[1]。第二類研究類型是將淀粉脂肪體系作為一個食品模型來研究，重點關注不同的處理條件對食品體系整體性質的影響，如Meng等[2]選取的是超高壓均質的方式處理物料，并對淀粉脂肪復合物進行了表征。

然而學術界對淀粉脂肪體系的研究尚不完善，缺乏處理后不同復合物含量物料的比較研究，諸多研究者往往將處理方式對食品體系的影響和復合物生成對食品體系的影響混為一談[3]。此外，研究者對體系結構性質的研究缺乏更為全面和基礎的信息；亦沒有討論復合物含量與體系整體結構性質之間的關系及其對食品工業的意義。

本研究補充了淀粉脂肪體系的光譜信息、熱穩定性等結構及性質方面的研究，分析了擠出物的結構性質與復合物含量之間的關系，從而更有力地揭示擠壓作用和復合物的形成這兩方面對食品體系的影響；堿溶酸沉法與有機試劑法是在淀粉脂肪體系中制備復合物的常用方法[1,4,5]，但強酸強堿或有機試劑的引入會影響體系的食用安全性，因此，擠壓處理方法具有更大的現實意義[6]。本研究可為全谷物雜糧熟粉、谷物早餐、膨化零食、谷物飲料等產品的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

小麥淀粉、花生油、大豆色拉油：市售；α-糖苷酶、TAKA淀粉酶、豬胰α-淀粉酶；其他試劑均為分析純。

1.2 實驗儀器與設備

FMHE36-24雙螺桿擠壓機；SOX406脂肪測定儀；4500快速黏度分析儀；DKZ-450B電熱恒溫振蕩水槽；Zeta電位分析儀；IS10型傅里葉紅外光譜儀；Q200型差示掃描量熱儀；全自動還原糖測定儀；D8型X-射線衍射儀；ARM-01型和面機。

1.3 實驗方法

1.3.1 模型體系的制備1.3.1.1 淀粉脂肪生料混合物的制備

按96∶4質量比例準確稱取小麥淀粉和花生油，于和面機中混合均勻，室溫下平衡24 h制得淀粉脂肪生料混合物(簡稱“生料混合物”)。

1.3.1.2 淀粉脂肪擠出物的制備

擠出物以淀粉脂肪生料混合物為原料制得。

擠壓機固體喂料速度設置為4 kg/h，螺桿轉速設置為140 r/min，第一、第二、第三溫區溫度分別設置為室溫、30 ℃、60 ℃，第四、第五、第六溫區設置為100 ℃。將擠壓機加水量按2%的差值從16%依次升高到22%，制得加水量為16%、18%、20%、22%、24%的五個擠出物樣品。

1.3.2 脂肪損失的測定

樣品中脂肪含量的測定按照GB/T 14772—2008提供的方法進行，脂肪含量均以干基計。

脂肪損失按照式(1)計算：

(1)

式中：Cr為淀粉脂肪生料混合物中的脂肪含量；Ce為淀粉脂肪擠出物中的脂肪含量[3]。

1.3.3 模型體系的結構研究1.3.3.1 X射線衍射圖譜測定

使用射線衍射儀測定樣品的結晶結構，掃描速率為4°/min，步長為0.02°，掃描范圍為5°～60°，選用石墨單色管，電流為40 mA，管壓為40 kV。

1.3.3.2 紅外光譜測定

采用紅外光譜儀于室溫下收集樣品光譜信息。每個樣本的光譜收集范圍為4 000～400 cm-1。每個樣品光譜含32個間隔4 cm-1(分辨率)的等距掃描點數據。

1.3.4 模型體系的性質研究1.3.4.1 糊化度測定

將一組試管依次標記為A、a、E、e，并分別處理：

A：準確稱取50 mg樣品溶于5 mL去離子水中，沸水浴加熱30 min，冷卻至室溫后，加入質量分數為3.5%的TAKA淀粉酶溶液，37 ℃水浴振蕩2 h，加入2 mL濃度為1 mol/L的氫氧化鈉溶液，將溶液定容至100 mL，利用全自動還原糖測定儀測定溶液的還原糖濃度CA。

a：省略沸水浴加熱30 min的步驟，其余處理方式與A相同，其還原糖濃度記為Ca。

E和e：處理方式參照A和a，但不加入任何樣品，E和e的還原糖濃度的平均值記為C0。

樣品的糊化度按式(2)計算：

(2)

1.3.4.2 抗性淀粉含量測定

抗性淀粉含量的測定參照張宇[7]的方法進行。

1.3.4.3 糊化焓測定

利用差示掃描量熱儀測定DSC曲線。稱取樣品3 mg(干基)于鋁盒中，加入6 μL去離子水。密封后，在4 ℃冰箱中平衡過夜。測試時以空盒為對照，樣品以10 ℃/min 的升溫速率從20 ℃升到100 ℃，得到DSC曲線進而分析糊化焓。

1.3.4.4 Zeta電位測定

配制0.5%(m/V)濃度的樣品懸浮液，于10 000 r/min下高速剪切分散5 s，于25 ℃下測定懸浮液的Zeta電位。分散液與顆粒的折光指數分別設定為1.33和1.53。

1.3.4.5 水合性質測定

樣品水合性質的測定參照王盼等[8]的方法進行。

1.3.4.6 玻璃化轉變溫度測定

玻璃化轉變溫度(Tg)通過差示掃描量熱儀進行測定，樣品的質量不超過10 mg，用銦進行溫度和熱流的校準后，使用空的鋁坩堝作為對照，以10℃/min的升溫速率從0 ℃升到120 ℃。

1.3.4.7 乳化性質測定

準確稱取0.5 g樣品，將樣品溶解于25 mL去離子水中，沸水浴處理10 min。冷卻后，加入25 mL大豆色拉油。將混合物均質3 min，隨后于4 000 g下離心18 min。乳化性的計算方法為：離心后乳化層的體積比上離心前濁液的總體積乘以100。將離心后的濁液于20 ℃下放置24 h后于4 000 g下離心18 min，以離心后乳化層體積占總體積的百分含量作為乳化穩定性。

1.3.4.8 RVA曲線測定

利用快速黏度分析儀測定RVA曲線，具體步驟如下。于3.5 g樣品中加入25 mL蒸餾水；選用程序控溫；攪拌速度設置為960 r/min下保持10 s，剩余的時間內保持160 r/min。

1.3.5 實驗數據處理

結果的表達采用平均值±標準偏差的方式。運用SPSS軟件進行相關性分析，采用 Origin 8.6對數據進行繪圖處理。

2 結果與討論

2.1 加水量對脂肪損失的影響

脂肪損失是目前表征淀粉脂肪復合物形成量的重要指標[9]。擠壓參數中加水量對脂肪損失的影響如圖1所示，隨著加水量的升高，擠出物的脂肪損失呈現先升高后降低的趨勢。疏水相互作用被認為是淀粉與脂肪結合的重要穩定作用，水在淀粉脂肪復合物的形成中意義重大。因此在一定的范圍內，水分增多有利于淀粉脂肪復合物的形成。然而，當擠壓腔內水分過多時，物料受到的壓力就會大大降低，淀粉與脂肪缺少結合在一起的動力和能量。與本研究結果相近，Philli等[10]發現唯一對擠出物中復合物含量有顯著影響的擠壓變量是喂料水分。

圖1 加水量對脂肪損失的影響

以脂肪損失作為淀粉脂肪復合物的定量指標，選取復合物含量線性梯度較好的3個樣品(加水量為24%、22%、20%)分別代表淀粉脂肪復合物含量低、中、高的擠出物，進行后續實驗分析。

2.2 模型體系的結構分析

2.2.1 X射線衍射圖譜

圖2是生料混合物與擠出物的X射線衍射圖譜。生料混合物的圖譜中主要可以觀察到15.18°、17.13°、18.03°三個位置的特征衍射峰，是典型的A型淀粉晶型結構[11,12]。與之形成對比的是，擠出物的淀粉晶型結構逐漸變為典型的V型結構，這主要表現為樣品特征衍射峰出現在掃描角為13.0°和20.0°的位置。而且復合物含量越多，擠出物中淀粉V型結構特征就越清晰。這進一步證實了淀粉晶型的改變與復合物的生成存在密切關系。根據Biliaderis[13]關于復合物的分類，本研究中所形成的淀粉脂肪復合物為Ⅱ型復合物，具有更高的熱穩定性和更為規則的片狀排列結構，這也在本研究的玻璃化轉變溫度、抗性淀粉含量分析中得到印證。目前已有關于擠壓處理導致淀粉晶型改變的報道，如Philli等[10]在杏仁粉擠壓研究中發現擠壓后出現了V型結構的淀粉，然而其并沒有得到淀粉晶型的“梯度”變化，也沒有討論淀粉晶型與復合物含量之間的關系。此外，本研究制得了V型結構更為典型的樣品。

注：SLC為淀粉脂肪復合物，下同。圖2 生料混合物與擠出物的X射線衍射圖譜

2.2.2 紅外光譜

圖3所示是生料混合物與擠出物的紅外光譜。擠出物中淀粉與脂肪的特征峰峰高顯著低于生料混合物，且擠出物中淀粉脂肪復合物含量越高，淀粉與脂肪特征峰峰高越低。這在波數為1 159 cm-1(脂肪中C—O健的伸縮振動)和 1 020 cm-1(碳水化合物中C—O健的伸縮振動)處表現得最為突出。可推測在擠壓過程中，物料中淀粉和脂肪的化學鍵受到部分破壞，且破壞的程度與淀粉脂肪復合物的含量之間存在關系。這可能是因為淀粉與脂肪內部作用力的打破有利于兩者的結合。物料在擠壓腔內經歷熔融狀態，期間淀粉分子的雙螺旋結構變得松散，而游離脂肪容易部分嵌入螺旋之間并與淀粉發生包埋現象，從而淀粉和脂肪分子的原有化學鍵受到直接或間接的破壞、掩蓋和不同程度的干擾。與生料混合物相比，擠出物的紅外圖譜中未見新的出峰位置，也未見峰高變高的情況，可以推測淀粉脂肪復合物中淀粉與脂肪的結合主要是通過疏水相互作用及其他物理作用，而非作用力更強的化學鍵作用。

圖3 生料混合物與擠出物的紅外光譜

2.3 模型體系的性質分析

2.3.1 糊化度

圖4所示為生料混合物與擠出物的糊化度。與生料混合物相比，擠出物的糊化度顯著升高(P<0.05)。擠壓處理是一種特殊的蒸煮方式，可以提高淀粉的糊化度，正是應用這個原理，擠壓處理可以用來制備預糊化淀粉[16]。擠出物的糊化度與復合物含量呈顯著正相關(P<0.05，r>0.8)，這可能是因為淀粉糊化的前提是淀粉分子結晶區受到破壞，淀粉失去原有的有序結構并變得較為松散[17]，而該種狀態下的淀粉分子更容易接受脂肪與之結合。

圖4 生料混合物與擠出物的糊化度

2.3.2 抗性淀粉含量

圖5所示為生料混合物與擠出物的抗性淀粉含量，從圖中可以發現中等及以下復合物含量的擠出物中抗性淀粉含量顯著低于生料混合物(P<0.05)，這與多數學者關于擠壓處理對食品的改性影響研究結果一致，如Sun等[18]研究發現擠壓蒸煮提高了食品中快消化淀粉的比例，而降低了慢消化淀粉和抗性淀粉的含量。這可能是因為擠壓過程中存在的高溫、高壓、高剪切作用使淀粉分子暴露出更多的酶反應位點。擠出物中抗性淀粉含量與復合物含量呈極顯著正相關(P<0.01，r>0.8)，這可能是因為擠壓所得淀粉脂肪復合物屬于一種抗性淀粉。與本研究結果相近，Meng等[2]曾通過超高壓均質的方法制備淀粉脂肪復合物，發現均質處理顯著提高了物料中的抗性淀粉含量。

圖5 生料混合物和擠出物的抗性淀粉含量

2.3.3 糊化焓

圖6所示為生料混合物與擠出物的糊化焓。擠出物的糊化焓與生料混合物相比顯著降低(P<0.05)，擠出物樣品中復合物含量越高，其糊化焓越低。擠出物的糊化焓顯著降低，可能是因為其內已有大量淀粉在測試之前完成糊化，只有在擠壓過程中仍未糊化的淀粉才有可能對糊化焓產生貢獻。而復合物含量較高的樣品糊化焓較低的原因可能是復合物含量越高的樣品在擠壓過程已發生糊化的淀粉比例越大，這與本研究關于糊化度的結果一致。此外，抗性淀粉的糊化能力往往較差[19]，根據2.3.2部分的分析，所制擠出物樣品中復合物含量越高，其抗性淀粉含量越高，發生糊化反應的程度越小，糊化焓越低。

圖6 生料混合物與擠出物的糊化焓

2.3.4 Zeta電位

生料混合物與擠出物的Zeta電位如圖7所示。擠出物電位為負，而擠壓前物料電位為正；擠出物帶電量與復合物含量呈負相關(P<0.05，r<-0.8)。擠壓前后的電性變化可能是淀粉的構象改變所導致的。在擠壓之前，淀粉中羥基等電負性較大的基團在氫鍵等作用下較為緊密地排列在一起[20]，擠壓處理對原有結構的破壞作用使長鏈分子內的羥基等高電負性基團更充分地暴露出來，與水分子有了更大的作用面，從而使整個淀粉脂肪體系表面電負性增強。而不同擠出物的電位差異則可能是脂肪對淀粉與水分子之間作用力的干擾造成的。通過紅外光譜的分析，脂肪在嵌入或以其他形式與淀粉結合時，依靠的是疏水相互作用、氫鍵等非化學鍵作用力，從而會直接干擾淀粉與水分子之間的結合和電相互作用。部分Zeta電位為負的長鏈大分子可以提高酸性乳飲料的穩定性[21]，擠壓處理對淀粉脂肪體系的改性作用在這一方面存在應用潛力。

圖7 生料混合物與擠出物的Zeta電位

2.3.5 水合性質

圖8所示為淀粉脂肪生料混合物及其擠出物的吸水性指數。擠出物的吸水性指數顯著降低(P<0.05)且與其復合物含量呈顯著負相關(P<0.05，r<-0.8)。擠壓過程中，淀粉分子發生不同程度的降解，尤其是淀粉分支鏈的減少[22]使其對水的吸收能力和束縛能力下降。擠出物的復合物含量越高，其糊化度越高，而糊化可以看作是淀粉結合水后的反應[17]，已經糊化過的淀粉進一步吸收水分的能力較糊化前降低，故淀粉脂肪復合物含量越高的擠出物吸收水分能力越低。

圖8 生料混合物與擠出物的吸水性指數

2.3.6 玻璃化轉變溫度

圖9所示為擠壓前后物料的玻璃化轉變溫度，擠出物的玻璃化轉變溫度顯著升高(P<0.05)且與復合物含量顯著正相關(P<0.05，r>0.8)。玻璃化轉變溫度是衡量食品體系熱穩定性的重要指標[23]，這說明擠壓處理可以顯著提升物料的熱穩定性，且更高的淀粉脂肪復合物含量意味著擠出物具有更高的熱穩定性。脂肪分子進入到淀粉分子的疏水螺旋結構內，從某種意義上來說可以對淀粉分子起到“固定”的效果。Jongsutjarittam等[24]發現蠟質玉米擠出物的玻璃化轉變溫度顯著低于非蠟質玉米，并認為該區別是蠟質玉米中可以與脂肪形成復合物的直鏈淀粉少于非蠟質玉米所導致的。經過擠壓，物料的玻璃化轉變溫度升到了100 ℃以上，這意味著擠出物可能在很多常見的水熱處理(比如常壓蒸制、煮制等)強度下可以較好地保持其結構穩定性。

圖9 生料混合物與擠出物的玻璃化轉變溫度

2.3.7 乳化性質

圖10所示為生料混合物和擠出物的乳化性和乳化穩定性，與生料混合物相比，擠出物的乳化性和乳化穩定性均顯著升高(P<0.05)；隨著擠出物中復合物含量的升高，擠出物的乳化性能逐漸提高。已有研究發現，有些同時具有親水基團和疏水基團且二者比例合理的變性淀粉可作為阿拉伯膠等乳化穩定劑的替代物[25]。在擠壓處理過程中形成的淀粉脂肪復合物，其結構組成中既含有淀粉分子的親水基團，也存在脂肪分子的疏水基團，與變性淀粉具有非常相似的特點，從而可以解釋擠出物乳化性能顯著優于生料混合物以及乳化性與復合物含量呈顯著正相關的現象。與本研究結果類似，向大米(淀粉基食品)懸濁液中添加松子(含有大量的脂肪)可以改變體系的理化性質，這是淀粉脂肪復合物的生成所導致的，大米松子懸濁液的濃縮液表現出一定的乳化能力[26, 27]。本研究在乳化性質的測定中，需要對樣品進行沸水浴加熱，經此處理后擠出物仍表現出顯著優于生料混合物的乳化性能可能也與擠出物玻璃化轉變溫度在100 ℃之上這一特點是分不開的，樣品較好的熱穩定性使其乳化活性結構在熱處理過程中得到較好的保留。

圖10 生料混合物與擠出物的乳化性和乳化穩定性

表1 生料混合物與擠出物的RVA指標

注：同一行不同字母標注數據表示存在顯著差異(P<0.05)。

2.3.8 RVA曲線

圖11所示為生料混合物與擠出物的RVA曲線。可以直觀看出，經過擠壓，物料的糊化及回生進程發生了明顯變化，如在升溫階段即已出現體系黏度降低的趨勢。

圖11 生料混合物與擠出物的RVA曲線

生料混合物與擠出物的RVA數據如表1所示。與生料混合物相比，擠出物的出峰時間顯著提前(P<0.05)，且與復合物含量呈負相關(P<0.05，r<-0.8)。這可能是因為擠壓使淀粉結構遭到破壞，分子展開便于與水分作用并較早地發生糊化；而紅外光譜的研究表明，擠出物中復合物含量越高，淀粉受破壞的程度越大。擠出物的最大黏度、最低黏度、最終黏度均顯著降低(P<0.05)且與復合物含量呈負相關(P<0.05，r<-0.8)，這可能同樣是因為擠壓處理破壞了食品大分子的原有結構且破壞程度與復合物含量間存在關聯，使其變成與水之間的黏結力更小的較小分子量的物質[28]。擠壓后的樣品回生值顯著降低(P<0.05)，且擠出物回生值與其復合物含量呈極顯著負相關(P<0.01，r<-0.8)。回生值主要反映淀粉的老化回生程度，回生值越大淀粉越容易發生析水現象[29]。在擠壓過程中原有結構被破壞的淀粉糊化后重新排列成有序結構的能力受到限制，故而擠壓抑制了淀粉的回生。這也解釋了擠出物中復合物含量越高(淀粉結構受破壞越嚴重)，其回生值越低這一現象。此外，擠壓淀粉脂肪復合物具有較高的熱穩定性，從而其內淀粉與脂肪發生解聚進而回生的趨勢較小。類似地，Chotipratoom等[30]發現高靜水壓輔助法制備的羥丙基淀粉其回生程度顯著低于空白組(無高靜水壓處理)。

3 討論

游離脂肪的減少對于提高產品的貨架期、改善谷物飲料脂肪上浮具有重要意義；回生值的大幅降低可有效改善因淀粉老化導致的飲料析水失穩現象[31]和淀粉質食品口感劣變的問題；乳化性能的提高同樣對于飲料穩定與抑制淀粉老化具有重要意義；糊化度的提高、回生值的降低有利于預糊化淀粉的生產和淀粉的酶解。擠壓處理對物料的改性效果與淀粉脂肪復合物的形成及其結構特點密切相關，可以以復合物含量為指標對生產工藝進行優化。由玻璃化轉變溫度與抗性淀粉含量部分的分析可知，擠壓淀粉脂肪復合物具有較高的熱穩定性和酶解抗性，從而可以在食品加工和保藏過程中較好地保持自身結構并發揮作用。

4 結論

對于淀粉脂肪體系，擠壓處理使淀粉的晶型結構從A型向V型轉變，且淀粉脂肪復合物含量越高V型結構越清晰，淀粉與脂肪經過擠壓作用形成了Ⅱ型復合物。擠出物的紅外圖譜中淀粉與脂肪特征峰峰高顯著降低(P<0.05)，且峰高與復合物含量呈負相關。擠出物的乳化性能、玻璃化轉變溫度、糊化度顯著升高(P<0.05)且與復合物含量呈顯著正相關(P<0.05，r>0.8)；擠出物糊化出峰時間顯著提前且與復合物含量呈顯著負相關(P<0.05，r<-0.8)，回生值、糊化焓、吸水性指數顯著降低(P<0.05)且與復合物含量呈顯著負相關(P<0.05，r<-0.8)；擠出物抗性淀粉含量與復合物含量呈極顯著正相關(P<0.01，r>0.8)；生料混合物Zeta電位為正，擠出物Zeta電位變為負值且其電量與復合物含量呈顯著負相關(P<0.05，r<-0.8)。