雙螺桿擠壓對山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物結構和性能的影響

史苗苗 董雪娜 程艷秋 劉延奇

摘要：研究了雙螺桿擠壓處理對山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物的影響，以及添加不同替代量的擠壓粉對面團的影響。以山藥淀粉為原料，添加不同比例的大豆分離蛋白后進行擠壓，擠壓粉替代部分小麥粉制備成面團，測定擠壓粉的溶解度和膨脹度、糊化特性以及添加擠壓粉前后面團的流變學特性等。結果表明，天然山藥淀粉和山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物經過擠壓后結構破裂、不完整，表面凹凸不平，大豆分離蛋白含量越多，擠壓后結構越粗糙。擠壓處理后的樣品與未處理組相比，膨脹度降低，溶解度升高，峰值黏度和崩解值等糊化參數均降低，大豆分離蛋白含量越多，膨脹度越高，溶解度越低，糊化參數值越低。擠壓粉添加至面團中后，質構特性、彈性模量（G′）和黏性模量（G″）發生改變，但G′始終高于G″，呈現固體性質。添加了擠壓粉的小麥粉制備的面團的G′和G″輕微降低，硬度、彈性、黏性、咀嚼性降低，而添加量為5%的擠壓粉比添加量為10%的擠壓粉表現出的黏彈性好。但當擠壓粉中大豆分離蛋白添加量達到50%時，黏彈性、硬度與對照組相近。因此，大豆分離蛋白的加入會影響食品的擠壓工藝，為山藥淀粉的開發提供了新思路。同時，也可以通過擠壓粉來改變面團的硬度和黏彈性等性質。

關鍵詞：擠壓；山藥淀粉；大豆分離蛋白；面團；理化性質

中圖分類號：TS201.21? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1000-9973（2023）04-0055-05

Abstract： In this paper， the effect of twin-screw extrusion treatment on the yam starch and soybean protein isolate complex and the effect of adding different amount of extruded flour on the dough are studied. Take yam starch as the raw material， add different proportions of soybean protein isolate and then extrude， replace part of wheat flour with extruded flour to prepare dough， and the solubility， dilatation， gelatinization of the extruded flour and rheological properties of dough before and after adding the extruded flour are measured. The results show that the structure of natural yam starch and yam starch-soybean protein isolate complex is broken and incomplete after extrusion， and the surface is uneven. The higher the content of soybean protein isolate， the rougher the structure after extrusion. Compared with the untreated samples， the extruded samples have lower dilatation， higher solubility and lower gelatinization parameters such as peak viscosity and disintegration value. The higher the? content of soybean protein isolate， the higher the dilatation， the lower the solubility， the lower the gelatinization? parameter value. When extruded flour is added into dough， the texture properties， elasticity modulus （G'） and viscosity modulus （G"） change， but G' is always higher than G"， showing solid properties. The G' and G" of the dough prepared with wheat flour added with extruded flour slightly decrease， and the hardness， elasticity， viscosity and chewiness decrease. 5% addition amount of extruded flour shows better viscoelasticity than that of 10% addition amount of extruded flour. However， when the content of soybean protein isolate in extruded flour reaches 50%， the viscoelasticity and hardness are similar to those of control group. Therefore， the addition of soybean protein isolate will affect the extrusion process of food， which has provided a new idea for the development of yam starch. At the same time， the hardness and viscoelasticity of dough can be changed by extruded flour.

Key words： extrusion; yam starch; soybean protein isolate; dough; physicochemical properties

山藥是薯蕷科植物薯蕷的干燥根莖，對土壤要求嚴格，含多種對機體有益的功能成分，具有良好的天然保健作用，是藥食同源食物之一[1]。研究表明，山藥中含有多糖、蛋白質、淀粉、微量元素、尿囊素、薯蕷皂苷等，具有抗氧化、助消化、降血糖、降血脂、調節腸胃功能、增強人體免疫力等功效[2]，可應用于糖尿病、腹瀉、癌癥和腎臟疾病的治療[3]，塊莖外用可治療潰瘍、膿腫，內用可治療糖尿病、干咳和食欲不振等[4]。山藥淀粉是山藥中的重要成分，可以利用Buffer緩沖液浸提法、堿浸法等方法進行提取[5]。山藥淀粉可以作為片劑配方中的崩解劑應用于制藥領域，作為原料、增稠劑和膠凝劑應用于食品領域[6]。張文莉等[7]采用山藥和枸杞為原料，制備出了具有獨特風味的山藥枸杞果醋。所以，山藥與其他原料結合制備食用產品時可賦予其相關特性。淀粉通過物理化學手段進行改性后，可以彌補原有結構功能的不足，擴大應用范圍。吳進菊等[8]通過超高壓微射流對紫薯淀粉進行了改性處理，處理后的淀粉的結構改變，吸水力和凍融穩定性與未處理組相比顯著增強。

大豆分離蛋白是由氨基酸聚合而成的高分子有機化合物，是大豆的重要組成成分，具有凝膠性、乳化性、水合性、發泡性等功能特性[9]。對人體有降低膽固醇、減少骨質疏松的作用。擠壓處理是將樣品放入擠壓機中，選擇合適參數，利用高溫、高壓等作用對食品原料進行加工處理的一項技術。在擠壓過程中，食品原來的結構會發生改變，蛋白質會被降解，淀粉膠凝化[10]。擠壓處理因操作簡單、成本低、消耗少、對環境無污染等優點，被廣泛用于食品加工方面。小麥面團是通過小麥面粉與水進行混合制備而成，因存在黏彈性，流變學特性成為評價其品質優劣的指標[11]。經過改性的淀粉也廣泛用于蠔油加工、果醬加工等調味品行業[12]。本文通過擠壓處理研究了大豆分離蛋白添加量對山藥淀粉微觀結構、膨化度和流變學特性的影響，為山藥淀粉進一步加工提供了方向，拓展了在市場上的開發和應用，為其在食品及調味品行業的應用提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 材料

市售鐵棍山藥：產自河南溫縣；大豆分離蛋白：產自上海源葉生物科技有限公司；小麥粉：產自中糧（鄭州）糧油工業有限公司。

1.2 儀器與設備

YP6102電子天平 上海光正醫療儀器有限公司；Process 11 臺式同向雙螺桿擠出實驗機 德國Thermo Fisher Scientific公司；EGK205L和面機 合肥榮事達小家電有限公司；DZM-140電動壓面機 永康市海鷗電器有限公司；JSM-6490LV掃描電子顯微鏡 日本Jeol公司；RVA 4500快速黏度分析儀 瑞典Perten公司；Bruker TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀 德國布魯克公司；Discovery HR-1旋轉流動儀 美國TA公司；TA-XT Plus質構儀 英國Stable Micro System公司。

1.3 方法

1.3.1 山藥淀粉的制備

根據Zou等[13]和Sharma等[14]的方法并進行修改，從市售的鐵棍山藥中分離山藥淀粉。具體工藝：將鐵棍山藥清洗去皮分小段，分段后的山藥再次用去離子水清洗以確保無雜質。山藥段放入破碎機中粉碎打漿，打漿時一次不易太久，漿液進行過濾，濾渣反復洗滌后混合上步濾液。向濾液中加入0.2%氫氧化鈉溶液，在室溫下浸泡，靜置分層，用去離子水反復清洗沉淀，沉淀放入40 ℃烘箱中烘24 h過篩即可。

1.3.2 擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物的制備

將大豆分離蛋白和山藥淀粉按照不同比例進行混合（大豆分離蛋白含量分別為0%、30%、50%），分別稱量50 g不同比例的大豆分離蛋白和山藥淀粉混合粉，加入同向雙螺桿擠壓機中進行擠壓（相關擠壓參數：溫度為130 ℃，水分含量為30%，螺桿轉速為180 r/min），擠壓后于40 ℃烘箱中烘24 h，粉碎過篩后真空裝袋即可。山藥淀粉記為YS，大豆分離蛋白含量占總量0%、30%和50%的混合粉經過擠壓分別記為EYS-SPI-0%、EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%。

1.3.3 溶解度和膨脹度的測定

根據Syarifin等[15]的方法，并稍加修改，對山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物的溶解度和膨脹度進行測定。分別稱取0.5 g不同比例的擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物于離心管中，管中加25 mL蒸餾水后充分混合攪拌，提前將水浴鍋調至95 ℃，放入離心管攪拌0.5 h，靜置至室溫，放入離心機中3 000 r/min離心0.5 h，離心后分離管內的上清液和沉淀，上清液緩慢倒入培養皿中，放入105 ℃烘箱中進行烘制，直至重量不發生改變，培養皿提前進行稱重。樣品的溶解度和膨脹度計算公式為：

溶解度（%）=上清液烘至恒重后的重量樣品總質量×100。

膨脹度（g/g）=離心后沉淀重量樣品總重×（1－溶解度）×100。

1.3.4 掃描電子顯微鏡

使用掃描電子顯微鏡在500倍下對樣品進行微觀結構觀察。將所測樣品用黑色導電膠放在樣品臺上，真空濺射噴金2 min，觀察并拍照保存。

1.3.5 糊化特性參數的測定

使用快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA）測定擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物的糊化特性參數。分別準確稱取3.0 g不同比例的擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物，將稱好的樣品放入專用鋁罐中，加25 mL的去離子水混合均勻，鋁罐放入分析儀進行測定。測定參數：50 ℃平衡1 min，222 s內升至95 ℃并保持2 min，再在228 s內降至50 ℃并保持2 min。

1.3.6 擠壓復合物與小麥粉混合面團的制備

分別稱取5 g “1.3.2”得到的改性面粉與95 g小麥粉進行混合，將其放入和面機中制備成面團，記為EYS-SPI-0%-5%、EYS-SPI-30%-5%、EYS-SPI-50%-5%。再稱取10 g “1.3.2”得到的改性面粉與90 g小麥粉進行混合，將其放入和面機中制備成面團，記為EYS-SPI-0%-10%、EYS-SPI-30%-10%、EYS-SPI-50%-10%?？瞻讓φ諡?00 g小麥粉制備的面團，記為WF。根據粉質儀測出面粉吸水率和面團穩定時間，用吸水率為75%的水量與混合面粉制備成面團，面團需光滑均勻無粉質，制備完用保鮮膜密封面團，防止水分蒸發和雜質污染。

1.3.7 流變學特性分析

使用旋轉流動儀對制備的面團進行流變學特性的測定。用壓面機將面團壓成3 cm×3 cm的正方形面片，將面片放在流動儀上，去除傳感器邊緣的多余部分，用甲基甘油涂抹邊緣，在振蕩模式下進行頻率掃描（掃描頻率：0.1～40.0 Hz；應變參數：0.05%；掃描溫度：25 ℃），并記錄統計G′和G″的相關變化情況。

1.3.8 質構性質的測定

使用質構儀測定同1.3.7.尺寸一樣的樣品，記錄樣品的硬度、黏彈性、咀嚼性等性質。相關測定參數：TPA模式，P/36R探頭，應變量為75%，觸發力為5 g，測前速率為4.00 mm/s，測中和測后的速率相同，均為1.00 mm/s。

1.4 數據處理與分析

本實驗測定指標均重復3次，計算平均值和標準差。整理測定的數據，對統計好的數據圖表化，采用Origin 9.0繪圖分析，采用SPSS 26.0進行差異顯著性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物溶解度和膨脹度分析

膨脹度和溶解度反映了山藥淀粉與水的作用大小。由圖1可知，與天然山藥淀粉（YS）相比，擠壓山藥淀粉（EYS-SPI-0%）和擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物（EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%）的膨脹度明顯降低，溶解度明顯升高。大豆分離蛋白含量越多，擠壓后膨脹度下降得越少，溶解度上升得越少?？赡苁且驗閿D壓使山藥淀粉結構發生了改變，淀粉顆粒在雙螺旋擠壓機的高溫擠壓下破裂，導致原有的吸水膨脹力大幅度減弱，膨脹度降低。經過擠壓，山藥淀粉降解且分子變小，導致溶解度升高，這與程艷秋等[16]的研究結果一致。大豆分離蛋白的加入，使擠壓時山藥淀粉得到了蛋白聚合物的包裹，山藥淀粉顆粒被破壞的程度降低，大豆蛋白含量越多，擠壓后膨脹度下降得越少，溶解度上升得越少。Ye等[17]研究表明，在擠壓過程中，水分含量、螺桿速度和擠壓溫度等相關因素都會對淀粉的溶解度和膨脹度有一定程度的影響。

2.2 擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物顆粒形貌分析

天然山藥淀粉和擠壓處理的山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物的電子掃描電鏡圖見圖2，可直觀地看出樣品的微觀結構。

由圖2可知，天然山藥淀粉的顆粒為表面光滑、結構規則緊密的橢圓形，擠壓后的山藥淀粉和山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物（EYS-SPI-0%、EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%）結構均發生改變，淀粉顆粒破碎、不完整，表面凹凸不平，呈現無規則線狀、鱗片狀。山藥淀粉顆粒在擠壓過程中破裂，大豆分離蛋白含量越多，擠壓后結構越粗糙，這可能是因為蛋白擠壓后含有褶皺，與淀粉交互作用弱，擠壓時部分山藥淀粉顆粒被大豆分離蛋白包裹，使得比純山藥淀粉擠壓后結構粗糙，這也是擠壓樣品膨化度改變的原因，與“2.1”的結果一致。

2.3 擠壓山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物糊化特性分析

擠壓對山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物糊化參數的影響見表1，在一定溫度下復合物進行溶脹、分裂，形成稠度均勻的糊狀。

由表1可知，經過擠壓后所有樣品（EYS-SPI-0%、EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%）的峰值黏度、崩解值、終止黏度和回生值均比天然山藥淀粉低。隨著大豆分離蛋白添加量的增加，復合物所有糊化參數均逐漸降低?？赡苁且驗樯剿幍矸墼陔p螺桿擠壓機中進行擠壓時受到的溫度、壓力、剪切力較高，使山藥淀粉顆粒發生破裂、降解，吸水膨脹后相互摩擦力變小，進而使黏度值大幅度下降且糊化復合物不容易回生，這與徐曉茹等[18]的研究結果一致。大豆分離蛋白的加入可能破壞了山藥淀粉中分子鏈的膨脹伸展，使其吸水膨脹大幅度降低，黏度值也隨之降低[19]。雙螺桿擠壓處理組與未處理相比，回生值明顯下降，可能是山藥淀粉降解生成的多糖破壞了其重新結合能力[20]。

2.4 擠壓復合物與小麥粉混合面團流變學特性的分析

流變學特性是面團品質評價指標之一，能反映面團的黏彈性。添加了擠壓粉前后面團的流變學特性見圖3，可直觀地看出在特定溫度下，隨著振蕩頻率的增加，添加擠壓粉前后面團的彈性模量（G′）、黏性模量（G″）和損耗角正切（Tan δ）相應的變化情況。

由圖3可知，G′和G″隨著頻率的增加而逐漸升高，且頻率在0～40 Hz，未處理的面團和添加了擠壓粉的面團的G′始終大于G″，說明樣品處理前后的彈性比重始終高于黏性，呈現出固態性質。與對照組小麥粉制成的面團（WF）相比，添加了擠壓粉制備的面團中EYS-SPI-0%-5%、EYS-SPI-0%-10%和EYS-SPI-30%-5%、EYS-SPI-30%-10%的G′和G″均輕微降低，這可能是因為添加擠壓粉后，面團的面筋蛋白被稀釋了，降低了蛋白網絡形成能力，黏彈性整體呈現降低趨勢[21]。而添加量為10%的擠壓粉比添加量為5%的擠壓粉表現出的黏彈性差，這可能是擠壓處理粉的增多加劇了面筋網絡結構的稀釋弱化作用，面團強度降低，黏彈性下降[22]。EYS-SPI-50%-5%和EYS-SPI-50%-10%的G′和G″有所增加，這可能是因為擠壓粉中大豆分離蛋白添加量達到50%時影響了其性質，增加了面團的蛋白質含量，影響了流變學性質。損耗角正切Tan δ（G″/G′）可以反映面團的整體黏彈性，其值越大，黏性越強，其值越小，彈性越強[23]。經擠壓處理的Tan δ值均低于對照組，這是因為添加擠壓粉導致了G′和G″的變化。

2.5 擠壓復合物與小麥粉混合面團質構特性的分析

為了解處理前后面團的組織結構和流變學特性，對面團進行了質構特性的分析。由表2可知，與對照組（WF）相比，添加了擠壓山藥淀粉的面團（EYS-SPI-0%-5%、EYS-SPI-0%-10%）的硬度、彈性、黏性、咀嚼性有所降低，并隨著替代量的增加而降低，面團的硬度從32.8 kg分別下降到20.7 kg和19.1 kg，這可能是因為雙螺桿擠壓山藥淀粉時淀粉發生了糊化，晶體區域受到損傷，淀粉結構被破壞，其水溶性發生改變，對比擠壓前有所增強，使面團硬度降低；并且擠壓山藥淀粉添加至小麥粉中制成面團后，可能導致面團不易形成有序的淀粉網絡結構，降低了硬度和彈性。劉衛光[24]研究表明，一定量膨化玉米粉的添加會使油條的硬度和黏度有所降低，與本研究相似。而與添加擠壓山藥淀粉的面團相比，添加山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物的面團（EYS-SPI-30%-5%、EYS-SPI-30%-10%）的彈性、黏性、咀嚼性升高，這可能是因為擠壓粉中含有大豆蛋白，經擠壓后結構變復雜，面團中面筋網絡強度降低，延展性變差，面團的硬度和咀嚼性升高。而添加山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物的面團（EYS-SPI-50%-5%、EYS-SPI-50%-10%）與對照組相比，硬度和黏性輕微升高，這可能是擠壓粉中大豆分離蛋白達到一定量后，對面團造成了一定影響，淀粉的吸水膨脹力發生了改變。杜振亞等[25]研究表明，適量地添加擠壓大豆蛋白會增加饅頭的硬度和咀嚼性。

3 結論

本研究表明，雙螺桿擠壓處理對不同添加量的大豆分離蛋白混合山藥淀粉的影響不同，添加不同替代量的擠壓粉對面團的影響不同。經過擠壓后天然山藥淀粉和山藥淀粉與大豆分離蛋白復合物結構破裂，表面粗糙，膨脹度降低，溶解度升高，峰值黏度和崩解值等糊化參數均降低，大豆分離蛋白含量不同，粗糙度不同，相應指標也發生改變。所以，可以通過擠壓及添加大豆分離蛋白來改變所需產品的性質，補充產品不易溶解等缺點。將擠壓粉添加至面團中后，質構特性、黏彈性發生改變，但始終呈現固體性質。添加了擠壓粉的小麥粉制備的面團的G′和G″輕微降低，硬度、黏彈性、咀嚼性降低，而添加量為5%的擠壓粉比添加量為10%的擠壓粉表現出的黏彈性好。但擠壓粉中大豆分離蛋白添加量達到50%，再進一步加入到面團中時，黏彈性、硬度與對照組相近，其面團的品質有所增加。淀粉可作為穩定劑[26]、增稠劑用于食品或調味品中[27]。所以，可以根據產品需求將改性的山藥淀粉以合適配比添加到食品或調味品中，還可以通過向面團中添加擠壓粉來改變其硬度、黏彈性，從而為進一步加工成油條、掛面、面包等產品提供綠色無污染的技術新思路。

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