擠壓前、后大米淀粉理化性質(zhì)的變化

徐曉茹 周 堅 呂慶云 陳 軒

（武漢輕工大學食品科學與工程學院 武漢 430023）

大米作為世界上最重要的糧食類作物之一，是世界上半數(shù)以上人口的主食，其中亞洲人對大米食品的依賴性最強。我國大米年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的37%左右，居世界首位[1]。對于大米，我國傳統(tǒng)的食法以蒸飯、煮粥為主，也有制成米團、米線等食品。除此之外，新開發(fā)的大米食品類型還有大米團點、大米乳酸飲料、米糖、米酒、方便米飯等[2]，這些都源于大米的優(yōu)良性能及其與健康的密切關(guān)系。

食品擠壓加工技術(shù)是指物料經(jīng)預處理（粉碎、調(diào)濕、混合）后，擠壓機的強機械作用使其通過一個專門設(shè)計的孔口（模具），形成一定形狀和組織狀態(tài)的產(chǎn)品，擠壓加工的食品具有營養(yǎng)損失少，易消化，不易回生等優(yōu)點。而擠壓大米食品的主要成分是淀粉，其次為蛋白質(zhì)，擠壓過程中淀粉和蛋白質(zhì)的變化對產(chǎn)品品質(zhì)有重要影響。在擠壓過程中，由于高溫、高壓、高剪切等作用導致淀粉和蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)發(fā)生變化[3]，如淀粉的糊化和降解，蛋白質(zhì)的變性等。這些變化不僅與擠壓條件有關(guān)，還與原料自身特性有關(guān)[3-4]。

擠壓機腔體內(nèi)高能量及螺桿高剪切等作用，使淀粉在擠壓過程中質(zhì)構(gòu)重組并產(chǎn)生復雜的理化變化，導致炊煮的米飯吸水性差，口感硬，易回生[5]。本文以普通秈米、大米淀粉和大米蛋白為原料，通過檢測擠壓前、后理化性質(zhì)的變化，研究擠壓對大米淀粉和蛋白質(zhì)的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響，以及在擠壓過程中，因原料成分不同而對淀粉顆粒結(jié)構(gòu)、糊化特性、質(zhì)構(gòu)特性以及對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面的影響，并探討這些變化與擠壓重組米蒸煮食用品質(zhì)之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

金龍魚牌清香絲苗米（淀粉含量75.6%、蛋白質(zhì)含量7.44%），益海嘉里糧油食品有限公司；大米淀粉、大米蛋白均由江西金農(nóng)生物有限責任公司提供；Megazmye直鏈淀粉檢測試劑盒，購于北京博歐實德生物技術(shù)有限公司；其它試劑均為市售，分析純。

FMHE-24雙螺桿擠壓機，湖南富馬科食品工程技術(shù)有限公司；哈瑞斯磨粉機，永康市哈瑞工貿(mào)有限公司；TA-XT21物性測試儀，英國SMS公司；S-3000N掃描電子顯微鏡，日本日立公司；LGJ-18真空冷凍干燥機，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；BE-1100四維旋轉(zhuǎn)混合器，海門市其林貝爾儀器有限公司；A360型紫外分光光度計，翱藝儀器（上海）有限公司；對角度激光光散射與凝膠色譜儀，美國懷特技術(shù)公司；Q10型差示掃描量熱儀，美國TA公司；F-4600熒光分光光度計，日立高新技術(shù)公司；島津XRD7000型衍射儀，日本島津制作所。

1.2 試驗方法

1.2.1 擠壓樣品的制備 制備3種擠壓樣品，原料分別為秈米米粉、大米淀粉、淀粉與蛋白混合物（淀粉/蛋白質(zhì)為9∶1）按照擠壓重組米的生產(chǎn)工藝設(shè)定擠壓參數(shù)，最優(yōu)工藝時的擠壓條件為：進料速度 15 kg/h、加水量 20%、螺桿轉(zhuǎn)速 180 r/min、1～5套筒溫度分別為 65，115，115，70，50℃。擠出物在45℃熱風干燥。得到的樣品分別編號為樣品2，3，4，未經(jīng)過擠壓重組的普通秈米編號為樣品1，未經(jīng)過擠壓的大米淀粉為樣品5。將各樣品粉碎過80目篩備用。

1.2.2 淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)觀察 采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察擠壓前后樣品淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)變化，樣品具體處理參照晏夢婷[23]的方法。

1.2.3 質(zhì)構(gòu)測定 樣品為普通秈米和3種擠壓重組米，普通秈米加1.3倍（質(zhì)量比）的水做成米飯后檢測，擠壓重組米擠出后立即檢測。

測定參數(shù)：測前速度2 mm/s，測中和測后速度均為1 mm/s，壓縮比為70%，出發(fā)點力5 g。測定硬度、彈性、內(nèi)聚性、膠粘性、耐咀性和回復性，每個樣品重復4次，取平均值。

1.2.4 直鏈淀粉含量測定 樣品過100目篩，采用Megazmye直鏈淀粉試劑盒檢測。

1.2.5 淀粉分子質(zhì)量測定

1.2.5.1 淀粉的提取 取20～30 g樣品，用0.4%NaOH溶液于室溫下浸泡24 h后，用磨漿機進行濕磨，再用0.4%NaOH溶液浸泡48 h，期間更換溶液7～8次后，水洗5次，用鹽酸將漿液的pH值調(diào)到6.7～7.0。再水洗兩次，將水洗后的淀粉漿液于4 000 r/min下離心10 min，取下層沉淀物于冷凍干燥機中冷凍干燥。

1.2.5.2 檢測方法 取約10 mg左右提取的淀粉樣品，溶于1 mL 0.9%NaCl溶液，用四維旋轉(zhuǎn)混合器旋轉(zhuǎn)1 h，80℃水浴30 min，然后振蕩混勻20 min，在15 150 r/min下離心15 min。

色譜條件：流動相為0.9%NaCl溶液；檢測波長658 nm。柱溫：室溫。流速：0.7 mL/min；色譜柱：Agilent PL aquagel-OH分離柱、保護柱各一根；檢測器：美國Wyatt DAWN HELEOS-Ⅱ十八角激光檢測器；美國Wyatt Optilab T-rEX示差檢測器。泵：waters 515 PHLC 泵；dn/dc為 0.160。

1.2.6 淀粉糊化特性（RVA）的測定 按照GB/T 24852-2010的方法進行分析測定[28]。

1.2.7 熱力學性質(zhì)（DSC）分析 稱取4 mg左右的樣品于小鋁盒中，按1∶2（W樣/W水）的比例加入重蒸水，在4℃冰箱中平衡24 h。DSC測定掃描溫度范圍為20～100℃，掃描速率10℃/min，以空鋁盒作為對照，流速20 mL/min。

1.2.8 X衍射測定 通過X-射線衍射儀器獲得樣品的衍射圖譜，掃描角度范圍為3～50°，目標電壓 40kV，電流 30mA，掃描速度 2°/min，步長 0.02。

1.2.9 紫外光譜掃描 將樣品過100目篩，分別取普通米粉0.4 g、純蛋白0.1 g、擠壓米粉樣品1.0 g、擠壓淀粉加蛋白樣品1.0 g溶于50 mL磷酸鹽緩沖液（10 mmol/L pH 7.0）中，攪拌分散均勻，于4 000 r/min離心 10 min，取上清液，在 190～400 nm處進行掃描。

1.2.10 熒光光譜掃描 使用1.3.10節(jié)中離心得到的上清液進行熒光掃描，掃描速度240 nm/min，Delay：0s，EX slit：5.0 nm，EM slit：5.0 nm。以 285 nm為激發(fā)波長，記錄300～450 nm波長范圍的發(fā)射光譜。

1.2.11 數(shù)據(jù)處理 采用Excel，SPSS軟件對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用Origin8.5軟件進行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 擠壓前、后淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，擠壓前大米（a）中的淀粉顆粒形狀規(guī)則，結(jié)構(gòu)緊密，擠壓前大米淀粉（e）中的淀粉顆粒形狀也規(guī)則有序，表面平滑。而擠壓后的樣品（bcd），由于淀粉糊化的原因，淀粉顆粒增大，相互間距增大，幾乎不存在完整的淀粉顆粒形狀而呈不規(guī)則的類似鱗片形狀，說明擠壓后3個樣品中的淀粉都完全糊化；而且，樣品4出現(xiàn)較多孔洞。

2.2 質(zhì)構(gòu)測定

從表1中可以看出除了彈性以外，樣品2，3，4的硬度、內(nèi)聚性、膠粘性、耐咀性和回復性均高于未擠壓的普通秈米，并且有顯著性差異（P＜0.05），說明和原料的成分無關(guān)，谷物原料經(jīng)過擠壓重組后口感發(fā)生了很大的變化。內(nèi)聚性反映了咀嚼時樣品抵抗受損保持完整的能力，它反映了物質(zhì)內(nèi)部結(jié)合力的大?。荒z粘性反映了咀嚼時米飯對舌頭、牙齒、上顎等接觸面粘著的情況，粘著性過大使得樣品粘牙，適口性不好，而粘著性太小又會使得樣品口感發(fā)干，失去應有的黏性；耐咀性表征咀嚼固體食品到可吞咽的程度所需的功，反映了米飯對咀嚼的持續(xù)抵抗性[6]。結(jié)果跟實際感覺相一致，擠壓米與普通蒸煮大米相比，更耐咀嚼，黏度也更大，普遍反應口感不如普通大米，需要進一步改善。樣品2在擠壓后膠粘性和回復性顯著低于樣品 3，4。

圖1 擠壓前、后樣品淀粉顆粒掃描電鏡圖Fig.1 SEM of rice starch before and after extrusion

表1 擠壓前、后樣品的質(zhì)構(gòu)特性Table1 Effect of extrusion on the texture properties of sample before and after extrusion

2.3 直鏈淀粉百分含量測定

從圖2可以看出樣品2的直鏈淀粉百分含量較樣品1顯著升高，同時樣品3，4的直鏈淀粉百分含量均較樣品5顯著升高（P＜0.05），這與劉麗[7]、張潔[8]、湯堅[9]等人的研究結(jié)果相同。由于擠壓過程中的高溫、高壓和強剪切作用，使淀粉發(fā)生降解[11]，而這部分降解主要發(fā)生在支鏈淀粉，支鏈淀粉降解為直鏈淀粉或糊精。其中導致裂解的主要原因還是擠壓施加于淀粉聚合物的剪切力，同時也使得擠壓處理后的淀粉在較低溫度下具有較強的水溶性和吸水性，淀粉結(jié)構(gòu)變松散[9-10]。樣品3直鏈淀粉含量高于樣品2，米粉中蛋白的存在降低了擠壓對淀粉的分解作用。

圖2 擠壓前、后樣品中直鏈淀粉百分含量Fig.2 The amylose content of sample before and after extrusion

2.4 分子質(zhì)量測定

表2中給出了擠壓前、后的重均分子質(zhì)量和均值半徑變化。結(jié)果顯示所測大米淀粉和秈米的重均分子質(zhì)量與前人報道的大米淀粉的重均分子質(zhì)量有差異，張元娣[12]報道秈稻岡優(yōu)527中淀粉的重均分子質(zhì)量范圍為 1.195×108～1.343×108，分子旋轉(zhuǎn)半徑為 246.9～262.3 nm，Yokoyama等[13]報道大米淀粉重均分子質(zhì)量為8.9×107，這些差異可能是由于樣品品種差異。從表中可以看出秈米粉和大米淀粉在經(jīng)過擠壓加工后，重均分子質(zhì)量范圍和均值半徑均減小，這是由于擠壓過程中受到高溫、高壓、高剪切力的作用導致淀粉發(fā)生降解，而且會隨著擠壓條件的加劇而增加[14]，而這部分主要發(fā)生在支鏈淀粉，支鏈淀粉可降解成為直鏈淀粉和糊精，該情況正好與2.2節(jié)中擠壓后的樣品中直鏈淀粉百分含量升高相對應。對于普通秈米來說，在擠壓過程中原先占質(zhì)量比0.1%、重均分子質(zhì)量為6.979×107的組分發(fā)生降解，但擠壓后的秈米的平均重均分子質(zhì)量卻大于未擠壓秈米，猜測可能是由于擠壓過程中短鏈直鏈淀粉與脂肪[16]、蛋白質(zhì)形成復合物，在測定過程中被系統(tǒng)洗脫出去，或者是由于在淀粉提取過程中擠壓樣品中原來的小分子被除去，再者也可能是在擠壓過程中短鏈淀粉之間結(jié)合。另外，在比較普通秈米與擠壓米粉之間差異和比較普通淀粉與擠壓淀粉加蛋白之間差異可以發(fā)現(xiàn)，兩組之間的重均分子質(zhì)量和均值半徑有相似變化趨勢，所以猜測擠壓過程中淀粉重均分子質(zhì)量變化與蛋白質(zhì)有一定關(guān)系。樣品4的重均分子質(zhì)量范圍大于樣品3，而小于樣品5；同時其平均分子質(zhì)量大于樣品5和樣品3，這說明蛋白質(zhì)能一定程度抑制淀粉的降解[15]，進一步說明在擠壓過程中一部分直鏈淀粉可能與蛋白質(zhì)形成復合物。

表2 擠壓前、后樣品重均分子質(zhì)量（Mw）和均值半徑（Rw）Table2 The Mw and Rw of sample before and after extrusion

2.5 淀粉糊化特性（RVA）測定

由表3知，樣品2相比樣品1的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最終黏度、回生值、峰值時間和糊化溫度均顯著降低（P＜0.01），這是由于秈米在擠壓機腔體中受到高溫、高壓和高剪切作用，不僅淀粉顆粒結(jié)構(gòu)遭破壞，發(fā)生熔融和破裂，導致吸水膨脹后相互間摩擦力變小，同時淀粉也發(fā)生部分降解，分子質(zhì)量降低，這些都導致了擠壓后淀粉的糊化黏度顯著下降[17]，另外蛋白質(zhì)發(fā)生變性、重組及組織化，脂肪與淀粉、蛋白質(zhì)[18]形成脂肪[18-19]復合體等物化變化，使得峰值黏度、最低黏度、最終黏度和回生值大幅下降[21]?；厣捣磻说矸酆蟮睦匣厣俣?，樣品2回生值降低說明擠壓后淀粉更不易老化，淀粉在擠壓過程中發(fā)生降解，而短期老化跟糊化時直鏈淀粉的溶出量呈正相關(guān)[20]，說明擠壓促進了糊化過程中的直鏈淀粉的溶出。樣品3相比樣品5的峰值黏度、最低黏度、最終黏度、回生值和峰值時間均顯著降低（P＜0.01），但崩解值較樣品5卻顯著升高。崩解值是峰值黏度減去最低黏度，其數(shù)值可以較為直接地反映米飯口感是否適口。而樣品4相比樣品3和樣品5的峰值黏度、最低黏度、最終黏度均降低，而其崩解值高于樣品5，低于樣品3。另外，樣品2，3，4之間的峰值黏度、最低黏度、崩解值和最終黏度均有顯著性差異，這說明擠壓過程中蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等物質(zhì)影響了淀粉的糊化特性。

表3 擠壓前、后樣品中淀粉糊化特性Table3 Comparison of gelatinization profiles of sample before and after extrusion

2.6 熱力學性質(zhì)的變化

表4中給出了擠壓對原料中淀粉熱力學性質(zhì)的影響。從表中可知，經(jīng)過擠壓加工后的樣品相比擠壓前的起始溫度、峰值溫度都顯著降低（P＜0.05）。這與林雅麗等[22]所研究得出的擠壓后淀粉的起始溫度、峰值溫度和終止溫度都顯著增加有差異，這與樣品糊化度高低有關(guān)，低糊化度的擠壓樣品糊化時起始溫度、峰值溫度和終止溫度高于擠壓前樣品，而高糊化度的擠壓樣品糊化時的起始溫度、峰值溫度和終止溫度低于擠壓前樣品[23]，這可能是因為無定型區(qū)域和結(jié)晶區(qū)中分子鏈之間的束縛力發(fā)生了變化以及擠壓后結(jié)晶區(qū)所占比例減少。而且擠壓后樣品中淀粉的熱焓值均降低，這是由于擠壓破壞了淀粉的結(jié)晶區(qū)，使淀粉發(fā)生糊化，從而樣品只需要少量能量就可以發(fā)生相變[24]。從表中可以看出樣品3，4之間并沒有顯著差異，蛋白質(zhì)對淀粉熱力學性質(zhì)的影響并不顯著。

表4 擠壓前、后熱力學性質(zhì)的變化Table4 Change of extrusion on the thermal properties of sample before and after extrusion

2.7 X-衍射測定

從圖3中可以看出，樣品1和樣品5在衍射角度（2θ）為 15°，17°，18°，20°，23°附近均出現(xiàn)明顯的衍射峰，屬于A型淀粉晶型結(jié)構(gòu)。而樣品2，3，4的衍射圖譜相比原料差別較大，其在2θ為23°的衍射峰已經(jīng)消失，在15°，17°和18°處的衍射峰強度很弱，并且擠壓的樣品在13°和20°附近出現(xiàn)了明顯較強的衍射峰，屬于V型結(jié)構(gòu)，不僅如此，樣品2，3，4的衍射圖譜幾乎一致，沒有明顯差別，這不僅說明擠壓破壞了淀粉原有的晶體結(jié)構(gòu)，形成新的結(jié)晶區(qū)，也說明蛋白質(zhì)對擠壓過程中淀粉晶型結(jié)構(gòu)的改變無顯著影響。

圖3 擠壓前、后樣品的X-射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction results of sample before and after extrusion

2.8 紫外光譜掃描

從圖4中可以看出普通秈米和純蛋白均呈現(xiàn)出兩個峰，分別為260～270 nm和200～205 nm處，前者主要是色氨酸和酪氨酸的吸收峰，后者為肽鍵的吸收峰。圖中樣品2的兩個吸收峰相對樣品1均向短波方向移動，同時，樣品4的兩個吸收峰也相對未擠壓的純蛋白向長波方向移動。一般來說，某些化合物通過取代反應引入了含有未共享電子對的基團如-OH、-NH2、-SH、-CL、-OR、-SR等之后能使化合物的最大吸收峰的波長向長波方向移動為紅移效應，反之，該化合物的最大吸收峰波長向短波方向移動則為藍移效應，最大吸收藍移意味著蛋白質(zhì)肽鍵伸展發(fā)生變化，這可能是蛋白質(zhì)肽鍵伸展后將藏在分子內(nèi)部疏水區(qū)中的生色基團暴露出來的緣故，想反，紅移效應可能是由于蛋白質(zhì)肽鍵伸展后將在分子外部疏水區(qū)中的生色基團轉(zhuǎn)移到疏水區(qū)內(nèi)部[25]。在擠壓加工過程中，由于受到高溫、高壓和高剪切作用，蛋白質(zhì)分子維持高級結(jié)構(gòu)的非共價鍵被破壞，分子逐漸展開成鏈狀結(jié)構(gòu)，并順著物料運動方向取向[26]。

2.9 熒光光譜掃描

蛋白質(zhì)的熒光基本上來自色氨酸基團。從圖5中可以看出純蛋白、樣品4和樣品1的最大發(fā)射波長分別在348，349和343 nm處，表明生色基團位于蛋白質(zhì)的極性區(qū)域，基團可能被結(jié)合水包圍；而擠壓米粉最大發(fā)射波長為363 nm處，表明基團處于微環(huán)境已同游離Trp相似[27]。樣品2相對樣品1的最大發(fā)射波長向長波方向移動，發(fā)生紅移效應，說明蛋白質(zhì)位于極性區(qū)域的部分基團部分暴露出來；同時樣品4的最大發(fā)射波長相對未擠壓的純蛋白也稍微向長波方向移動，但相比并不明顯。這些現(xiàn)象說明擠壓會導致蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

圖4 擠壓前、后樣品的紫外吸收圖譜Fig.4 Ultraviolet absorption spectrum of sample before and after extrusion

圖5 擠壓前、后樣品的熒光圖譜Fig.5 The fluorescence spectrum of sample before and after extrusion

3 結(jié)論

擠壓后淀粉顆粒被破壞，表面光滑，幾乎不存在完整顆粒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于水分吸收。同時擠壓后的樣品硬度、內(nèi)聚性、膠粘性、耐咀性和回復性均高于未擠壓前的樣品，表明擠壓后淀粉結(jié)構(gòu)被破壞，發(fā)生糊化，同時會使重組米的適口性變差。此外，擠壓后的樣品不僅峰值黏度、最低黏度、崩解值、最終黏度、回生值、峰值時間這些糊化特性指標均降低，而且糊化溫度、起始溫度、峰值溫度、熱焓值也降低，表明擠壓后的淀粉不易老化，適口性差，但淀粉結(jié)構(gòu)的變化也降低了重組米的蒸煮時間，提高了米粉的消化率。同時，蛋白質(zhì)對擠壓過程中淀粉的糊化特性有顯著影響。

分別以米粉、淀粉、淀粉加蛋白質(zhì)為原料進行擠壓的樣品之間不僅在直鏈淀粉含量、硬度、回復性和膠粘性等方面有明顯差異，在峰值黏度、崩解值等糊化特性方面也存在明顯差異，說明原料成分不同，對淀粉的降解與糊化以及米飯適口性都有很大的影響。

X-射線衍射表明擠壓使淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)由A型變?yōu)閂型結(jié)構(gòu)。直鏈淀粉百分含量以及重均分子質(zhì)量的測定結(jié)果表明擠壓后淀粉發(fā)生降解，而這部分降解主要發(fā)生在支鏈淀粉。另外，紫外光譜和熒光光譜也表明擠壓處理會使蛋白質(zhì)肽鍵發(fā)生伸展，導致蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。