脫胚玉米和淀粉擠出物中淀粉－脂熱特性分析

馬成業 李宏軍 陳善峰 申德超

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255091)

淀粉顆粒是由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種高分子有秩序集合而成［1］。直鏈淀粉會與一些配合物如碘、脂類、醇、表面活性劑等發生絡合［2］。淀粉有兩種螺旋結構，一種是雙螺旋淀粉結構，另一種則是淀粉與其他物質(如碘、脂類、表面活性劑等)形成的單螺旋結構。螺旋結構的形成避免了分子更多疏水基團與水相接觸，因此螺旋結構內部多為疏水基團，而脂類尾部也為疏水基團，這就使脂類尾部基團能靠疏水間相互作用進入淀粉螺旋結構內部，并最終形成穩定的淀粉－脂類復合物［3］。

姚鑫淼等［4］研究淀粉液態糊化下與脂肪形成復合物的規律，含油脂(2% ～4%)的淀粉，其糊化的溫度在78～81℃。劉延奇等［5］將B型微晶淀粉溶解到二甲亞砜后分散到熱水中，并添加硬脂酸等制備淀粉－脂復合物。錢志偉等［6］通過DSC分析表明V－型復合物的穩定性小于B－型微晶淀粉。以淀粉為主的原料經過擠壓處理后淀粉與脂類形成復合物［7］。Sandeep等［8］使用單螺桿擠壓機擠壓含直鏈淀粉的商品玉米淀粉，通過X－射線和碘結合力表明在擠壓過程中淀粉與短鏈脂肪酸發生復合。復合物的阻酶性和耐酸性隨著直鏈淀粉的聚合度和脂類碳鏈的長度增加而增加［9］。擠壓過程中，粗脂肪下降，結合脂肪隨著淀粉糊化不斷升高［10］。在存在多量脂類時，脂類能有效地爭奪直鏈淀粉。而且，易形成的直鏈淀粉雙螺旋的鏈淀粉分子也最容易形成直鏈淀粉－脂復合物。直鏈淀粉－脂類復合物中的直鏈淀粉被酶降解的能力減弱［11］。在淀粉漿液中，淀粉－脂復合物減小了淀粉顆粒的膨脹能力，使酶進入顆粒內部的機會降低，淀粉－脂類復合物不容易被淀粉酶消化降解［12］。

本研究前期使用脫胚玉米加酶擠出物制取糖漿，制備的糖漿DE值可達96.8%。使用的脫胚玉米中直鏈淀粉質量分數為26.12%，脂肪質量分數為1.04%，擠壓溫度低于90℃，這為脫胚玉米和加酶脫胚玉米在擠壓過程中形成直鏈淀粉－脂類復合物提供了前期條件，需要研究擠壓過程中是否產生了淀粉－脂類復合物，產生的復合物對擠出物制取糖漿是否有影響，因而需要研究加酶和不加酶脫胚玉米經過擠出物產生淀粉－脂復合物。復合物的產生影響淀粉的熱特性［13］，而熱分析法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)是分析復合物熱性的主要研究手段。在淀粉糊化溫度以上，可檢測到復合物吸熱轉變，轉變溫度與脂類質量和含水量有關。這個轉變是可逆的，在冷卻時，會重新形成直鏈淀粉－脂復合物，出現放熱轉變，如果再次加熱仍會出現吸熱轉變，和第一次加熱相似或有所不同。吸熱轉變表明有復合物存在，但不能確定復合物是原淀粉中原有的，還是加熱過程中形成的，吸熱轉變時焓值大小代表復合物數量多少［14］。本研究試圖以玉米淀粉和脫胚玉米為原料，外加淀粉酶或棕櫚酸，使用DSC分析上述擠出物的熱特性，以期為玉米淀粉或脫胚玉米在淀粉糖行業的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 設備和材料

擠壓試驗臺為自制單螺桿擠壓膨化機，生產效率為100 kg/h，它由組合套筒和螺桿組成，螺桿轉速為(0～1 200)r/min無級可調。套筒溫度為0～300℃連續可調，配有溫度數顯儀表閉環自控系統，擠壓機模孔孔徑(6.0～16.0 mm)有級可調。結構簡圖如圖1所示。

圖1 單螺桿擠壓膨化機結構簡圖

DSC Q100差式掃描量熱儀:美國TA Instrument Inc;FZ102植物粉碎機:天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 試驗材料

玉米淀粉:西王集團，水分質量分數13.56%，淀粉質量分數88.54%，蛋白質質量分數0.28%，粗脂肪質量分數0.48%;脫胚玉米:天津寶坻玉米加工廠，水分質量分數為12.25%，淀粉質量分數75.36%，蛋白質質量分數6.25%，粗脂肪質量分數1.04%;中溫α－淀粉酶:山東隆大生物工程有限公司，活力單位為3.33×10－5kat/mL;耐高溫α －淀粉酶:河南仰韶生化工程責任有限公司，活力單位為3.33×10－4kat/mL。

1.3 擠出物制備

1.3.1 加酶與未加酶擠出物制備

玉米淀粉經調水(水分質量分數30.0%)后喂入擠壓機，擠壓條件如表1所示［15］。擠出物與3倍的水混合，放置一夜后進行DSC測試。

脫胚玉米經調水(水分質量分數30.0%)后添加中溫α－淀粉酶(加酶量10.0 L·t－1)或耐高溫α－淀粉酶(加酶量 1.0 L·t－1)，混合均勻，喂入擠壓機，擠壓條件如表1所示［15］。擠出物與3倍的水混合，放置一夜后進行DSC測試。

表1 加酶與未加酶脫胚玉米擠壓試驗安排

1.3.2 添加棕櫚酸測試樣品制備

將棕櫚酸加到熱水中，混合均勻后加到玉米淀粉中(水分質量分數30.0%，棕櫚酸與玉米淀粉的比例如表2所示)，攪拌后喂入擠壓機，擠壓條件如表2所示。擠出物與3倍的水混合，放置一夜后進行DSC測試。

表2 混合棕櫚酸的玉米淀粉擠壓試驗安排

1.4 擠出物DSC分析

按照表1和表2的條件準備原料。用蒸餾水將待測擠出物粉末配制成質量分數為25%的均勻漿液，放置16 h(未經特殊說明，本試驗DSC測試樣品質量分數均為25%)，后進行DSC分析。DSC分析步驟如下:在天平上準確稱取樣品10～20 mg待測物，將樣品池壓緊密封后放入儀器樣品架上，用空坩堝(鋁制)樣品池作參比物，通入氮氣，進行升溫測試，升溫速率10℃/min，溫度范圍20～200℃，通氮氣速率 50.0 mL/min。

DSC分析圖縱坐標為熱流速率，熱流速率與試樣的瞬間比熱成正比［16］。

1.5 DE 值的測定

采用GB/T 20885—2007(6.3)規定的方法。

1.6 淀粉轉化率的測定

淀粉轉化率的測定參考《淀粉糖品生產與應用手冊》中的方法［17］:

淀粉轉化率=(糖液量×糖漿葡萄糖含量)/(投入淀粉量×原料淀粉中純淀粉含量×1.11)×100%

2 結果與分析

2.1 加酶與未添加酶制劑擠出物DSC分析

脫胚玉米經過擠壓后，淀粉發生糊化。從表3中還可以看出，脫胚玉米的焓變是最小的，擠壓脫胚玉米的焓變其次，而加酶脫胚玉米擠出物的焓變均高于以上2個試驗的結果，尤以添加中溫酶脫胚玉米擠出物的焓變最大。這說明在擠壓過程中產生了復合物。原料中的淀粉經過擠壓后發生了糊化，在擠壓過程中與脂類復合［14］。通過DSC分析證實在擠壓過程形成的直鏈淀粉－脂類復合物，所有的擠出物有相似的吸熱峰［18］。

表3 加酶與未加酶脫胚玉米擠出物DSC和糖化結果

玉米淀粉和其擠出物的DSC曲線從圖2中可以看出，擠壓淀粉DSC曲線在113℃左右有吸熱峰，原玉米淀粉DSC曲線在125℃左右有吸熱峰，此峰為淀粉－脂類復合物吸熱峰。原本存在的脂類提高了復合物的產量，增加了淀粉－脂肪酸復合物的熱穩定性［19］。原淀粉DSC曲線有雙峰，而擠壓淀粉只有一個峰。淀粉經過擠壓后發生糊化，因而擠壓淀粉DSC曲線在60～80℃之間沒有糊化吸熱峰出現。DSC熱分析圖在110℃左右有吸熱峰，表明擠壓過程中可能形成了直鏈淀粉－脂類復合物［20］。然而脫胚玉米及其擠出物的DSC圖中在60～80℃之間有吸熱峰。脫胚玉米含有1.04%的脂肪，在擠壓過程中脂肪在淀粉顆粒之間起到潤滑作用，部分淀粉未發生糊化(圖3)。

圖2 玉米淀粉和擠壓玉米淀粉DSC曲線

添加酶制劑脫胚玉米擠出物的DSC曲線出現了糊化峰，添加中溫酶脫胚玉米擠出物糊化焓變比脫胚玉米擠出物的焓變小，而添加高溫酶脫胚玉米擠出物的焓變高于脫胚玉米擠出物的焓變(圖3和圖4)，但均高于淀粉的糊化焓變，低于脫胚玉米的糊化焓變。這是由于在原脫胚玉米或添加酶制劑的脫胚玉米在擠壓過程中產生的淀粉－脂類復合物抑制淀粉顆粒的膨脹。有研究表明形成復合物的直鏈淀粉的水解程度低于無定形直鏈淀粉。由于復合物的低溶解性和脂類的空間位阻效應，使其水解受到限制。耐高溫淀粉酶在高溫下能使復合物徹底水解，體內試驗已經顯示可完全水解，但是速度較慢［21］。

在擠壓過程中淀粉糊化，結晶結構破壞，利于酶的作用［22］，因而添加酶制劑脫胚玉米擠出物中有8%左右的還原糖，而脫胚玉米擠出物中還原糖僅為2%左右。添加酶制劑擠出物制取糖漿的DE值以及淀粉轉化率均高于未添加酶制劑脫胚玉米擠出物制得糖漿的DE值(表3)。復合物受到外界酶的作用時而裂解，淀粉被水解轉化為糖。復合物裂解溫度主要取決于對復合物形成的處理時間和溫度［23］。擠出物經過糊化和液化后，糖化12 h，在糖化時復合物裂解。通過擠壓，使淀粉顆粒結晶結構破壞，淀粉膨脹，淀粉酶的活性中心容易與擠壓糊化的淀粉接觸并降解淀粉。若未使用擠壓處理，在淀粉漿中，淀粉－脂復合物減小了淀粉顆粒的膨脹能力，使酶進入顆粒內部的機會降低，淀粉－脂類復合物不容易被淀粉酶消化降解。

2.2 添加棕櫚酸擠出物DSC分析

玉米中不飽和脂肪酸含量較高，但是其中的雙鍵不穩定，在擠壓過程中有可能發生斷裂，玉米中飽和脂肪酸中棕櫚酸的含量最多［24］，而且有研究表明聚合度為900的直鏈淀粉與不同脂肪酸(C8、C12、C16)在90℃下進行反應，結果表明C16與直鏈淀粉發生復合程度最大［25］，玉米中直鏈淀粉的聚合度在300～1 200之間，平均聚合度為800，因而本試驗選擇棕櫚酸并添加到玉米淀粉中，玉米淀粉與一定量的棕櫚酸混合，混合比例見表4。混合物和混合擠出物DSC測試結果如圖5～圖7所示。

表4 混合棕櫚酸的玉米淀粉及擠出物DSC分析

圖5 添加棕櫚酸淀粉混合物及擠出物DSC曲線

未擠壓混合物DSC曲線有雙峰出現，在60～80℃之間出現的峰為淀粉糊化峰。混合擠出物DSC曲線則沒有糊化峰，表明混合物經過擠壓后淀粉發生了糊化，但是糊化吸熱值與棕櫚酸添加比例并不成線性關系。

在100～140℃之間出現的峰為淀粉－脂類復合物的熔融峰，添加棕櫚酸淀粉未擠壓混合物熔融吸熱焓與棕櫚酸添加比例成線性關系。混合擠出物的復合物熔融吸熱隨棕櫚酸添加比例的增加而升高。

淀粉糊化就是顆粒狀淀粉在水中因受熱吸水膨脹，分子間和分子內氫鍵斷裂，淀粉分子擴散的過程，在此過程中伴隨著能量變化，在DSC分析圖譜上表現為吸熱峰。曲線形狀圖1相似，但是高峰溫度在60～80℃之間，即淀粉在水溶液中發生糊化的溫度范圍［26］。

3 結論

淀粉經過擠壓產生淀粉－脂復合物。DSC分析表明，原混合物(未經過擠壓處理)有兩個吸熱峰，在60～80℃之間的峰為淀粉的糊化峰，在100～140℃之間的峰為淀粉－脂類復合物吸熱峰，混合擠出物的DSC圖沒有糊化峰，只有復合物的熔融吸熱峰。脫胚玉米擠出物以及添加中溫淀粉酶或耐高溫淀粉酶脫胚玉米擠出物的焓變均比原脫胚玉米的焓變大。這說明在擠壓過程中產生了淀粉－脂類復合物，而且添加酶制劑擠出物的焓變比未添加酶制劑擠出物的焓變高。通過糖化試驗表明添加酶制劑擠出物制取糖漿的DE值(＞95%)以及淀粉轉化率均高于未添加酶制劑脫胚玉米擠出物制得糖漿的DE值(＜72%)。說明淀粉－脂類復合物在糖漿制取中產生分離，受到外界酶的作用時復合物中的淀粉－脂類分開被水解轉化為糖。

［1］黃強，羅發興，楊連生.淀粉顆粒結構的研究進展［J］.高分子材料科學與工程，2004，20(5):19－23

［2］J A Putseys，L Lamberts，J A Delcour.Amylose － inclusion complexes:Formation，identity and physico－ chemical properties［J］.Journal of Cereal Science，2010，51(3):238 －247

［3］A Bule'on，PColonna，V Plancho，et al.Starch granules:structure and biosynthesis［J］.International Journal of Biological Macromolecules，1998，23(2):85 －112

［4］姚鑫淼，馬興勝，張雪山，等.淀粉－脂肪復合物模型研究［J］.哈爾濱商業大學學報:自然科學版，2004，20(2):216－219

［5］劉延奇，秦令祥，王曉靜.淀粉－配體復合物的制備及結晶結構研究［J］.食品與生物技術學報，2010，29(4):488－490

［6］錢志偉，楊留枝，秦令祥，等.V－型直鏈淀粉－油酸復合物的制備與結構表征［J］.食品科技，2011，36(7):229－231

［7］Pilli T De，Derossi A，Talja R A，et al.Study of starch － lipid complexes in model system and real food produced using extrusion－cooking technology［J］.Innovative Food Science ＆Emerging Technologies，2011，12(4):610 －616

［8］Sandeep Bhatnagar，Milford Hanna.Amylose － lipid complex formation during single－screw extrusion of various corn starches［J］.Cereal Chemistry，1994，71(6):582 －587

［9］Greta G Gelders，Jeroen P Duyck，Hans Goesaert，et al.Enzyme and acid resistance of amylose－lipid complexes differing in amylose chain length，lipid and complexation temperature［J］.Carbohydrate Polymers，2005，60(3):379－389

［10］孫福來，朱琴，王翔飛，等.玉米擠壓糊化度和脂肪含量的研究［J］.鄭州糧食學院學報.1997，18(1):52－55

［11］Ewa Nebesny，Justyna Rosicka，Mariola Tkaczyk.Influence of selected parameters of starch gelatinisation and hydrolysis on stability of amylose － lipid complexes［J］.Starch －Starke，2005，57(7)，325 －331

［12］R Cui，CG Oates.The effect of amylose － lipid complex formation on enzyme susceptibility of sago starch［J］.Food Chemistry，1999，65(4):417 － 425

［13］Eliasson A C，Interactions between starch and lipids studied by DSC［J］.Thermochimica Acta，1994，246(2):343 －356

［14］Teresa De Pilli，Kirsi Jouppila，Jarno Ikonen，et al.Study on formation of starch－lipid complexes during extrusioncooking of almond flour［J］.Journal of Food Engineering.2008，87(4):495 －504

［15］申德超，奚可畏，馬成業.低溫擠壓加酶脫胚玉米粉生產糖漿糖化試驗［J］.農業機械學報，2010，41(8):140－145

［16］Robert L Danley.New heat flux DSCmeasurement technique［J］.Thermochimica Acta，2002，395(1 －2):201 －208

［17］尤新.淀粉糖品生產與應用手冊［M］.第二版.北京:中國輕工業出版社，2010:40

［18］Andriana Lazou，Magdalini Krokida.Thermal characterisation of corn － lentil extruded snacks［J］.Food Chemistry，2011，127(4):1625 －1633

［19］Ursula V Lay Ma，John D Floros，Gregory R.Ziegler.Formation of inclusion complexes of starch with fatty acid esters of bioactive compounds［J］.Carbohydrate Polymers，2011，83(4):1869－1878

［20］St'Ephanie Blanche，Xiuzhi Sun.Physical characterization of starch extrudates as a function of melting transitions and extrusion conditions［J］.Advances in Polymer Technology，2004，23(4):277 －290

［21］Kwas＇niewska － Karolak I，Nebesny E，Rosicka － Kaczmarek J.Characterization of amylose－ lipid complexes derived from different wheat varieties and their susceptibility to enzymatic hydrolysis［J］.Food Science and Technology International，2008，14(1):29 －37

［22］馬成業，申德超.減少玉米粗淀粉擠出物中抗性淀粉的工藝參數優化［J］.農業工程學報，2009，25(9):345－349

［23］John Karkalas，Song Ma，William R Morrison，et al.Some factors determining the thermal properties of amylose inclusion complexes with fatty acids［J］.Carbohydrate Research，1995，268(2):233 －247

［24］Harrabi Saoussem，Boukhchina Sadok，Kallel Habib，et al.Fatty acid accumulation in the different fractions of the developing corn kernel［J］.Food Chemistry，2009，117(3):432－437

［25］M CGodet，B Bouchet，PColonna.et al.Crytstalline amylose －fatty acid complexes:Morphology and crystal thickness［J］.Journal of Food Science，1996，61(6):1196 － 1201

［26］Paul J Jenkins，Athene M Donald.Gelatinisation of starch:a combined SAXS/WAXS/DSC and SANS study［J］.Carbohydrate Research，1998，308(1 －2):133 －147.