響應面試驗優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝

劉靜雪，張傳軍，李鳳林，楊闖，熊小青

（吉林農業(yè)科技學院食品工程學院，吉林吉林132101）

響應面試驗優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝

劉靜雪，張傳軍*，李鳳林，楊闖，熊小青

（吉林農業(yè)科技學院食品工程學院，吉林吉林132101）

以玉米淀粉為原料，利用單螺桿擠出機進行擠出糊化，采用響應面優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝，對影響玉米淀粉糊化工藝的主要因素：擠出溫度、水分添加量、擠出孔直徑做出研究。結果表明：當擠出溫度為114℃、水分添加量23%、擠出孔直徑4 mm時，玉米淀粉糊化度為97.75%。方差分析結果表明，影響玉米淀粉擠出法糊化工藝的因素由強到弱為擠出溫度＞擠出孔直徑＞水分添加量。

玉米淀粉；擠出；糊化；響應面；工藝優(yōu)化

玉米淀粉又名玉蜀黍淀粉，俗稱六谷粉。玉米淀粉是玉米深加工的重要中間產物，將玉米淀粉進一步深加工可得到酒精、淀粉糖等大量產品[1-2]，淀粉類原料具有價格低、來源廣泛等優(yōu)點，發(fā)展非常迅速[3-4]。但是玉米淀粉糊化現階段均采用濕法高溫糊化法，具有浪費能源、浪費水資源、廢水排放量大、占地面積大等缺點，不符合環(huán)境友好型的理念[5-7]。螺桿擠出技術在廣泛應用到食品工業(yè)，原料被喂入擠出機后，經過螺桿的軸向推動作用，物料被強烈地擠壓和剪切作用，使原料進一步細化、降解[8-9]。物料在高溫、高壓、高剪切力的作用下，發(fā)生改性。當物料從擠出頭擠出瞬間，壓力突然降為常壓，使物料中的水分迅速散發(fā)，對物料會進一步產生沖擊[10-11]。利用現代擠出技術不僅能夠降低能耗、減少勞動力及節(jié)省占地面積，同時具有生產效率高、成本低、營養(yǎng)損失小、浪費少且有利于消化吸收等優(yōu)點[12-13]。本研究采用擠出機對玉米淀粉進行糊化作用，采用響應面優(yōu)化玉米淀粉擠出糊化工藝參數，為玉米淀粉深加工提供新技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉：山東華農特種玉米開發(fā)有限公司；β-淀粉酶（酶活為5萬U/mL）：大連美侖生物技術有限公司；碘液：興化市聯發(fā)化工試劑有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、硫酸、硫代硫酸鈉等均為分析純：濟南奇云劍化工有限公司。

1.2 儀器與設備

SHJ-75型單螺桿擠壓機：南京鴻銘擠出設備有限公司；ZDF-6050型真空干燥箱：上海簡戶儀器設備有限公司；FS-6X型高速多功能粉碎機：武漢市泓洋鑫機電設備有限公司；GB-204型分析天平：廣州儀通興儀器儀表有限公司；MB-45型快速水分測定儀：上海洪紀儀器設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

玉米淀粉→加水調和→擠出糊化→干燥→粉碎→過篩→測定

1.3.2 玉米淀粉擠出法糊化工藝單因素試驗

1.3.2.1 擠出溫度對玉米淀粉糊化度的影響

在水分添加量23%、擠出孔直徑4 mm的情況下，擠出溫度為 90、100、110、120、130 ℃時，以玉米淀粉糊化度為考核指標，研究擠出溫度對玉米淀粉糊化度的影響。

1.3.2.2 水分添加量對玉米淀粉糊化度的影響

在擠出溫度為110℃、擠出孔直徑4 mm的情況下，水分添加量為 21%、22%、23%、24%、25%時，以玉米淀粉糊化度為考核指標，研究水分添加量對玉米淀粉糊化度的影響。

1.3.2.3 擠出孔直徑對玉米淀粉糊化度的影響

在擠出溫度為110℃、水分添加量23%的情況下，擠出孔直徑為 2、3、4、5、6 mm 時，以玉米淀粉糊化度為考核指標，研究擠出孔直徑對玉米淀粉糊化度的影響。

1.3.3 玉米淀粉擠出法糊化工藝參數的優(yōu)化

綜合考慮單因素試驗結果，以擠出溫度（A）、水分添加量（B）、擠出孔直徑（C）作為響應因素，玉米淀粉糊化度（Y）作為響應值，作三因素三水平的響應面試驗，采用Design-Expert8.0.6軟件及Box-Behnken中心原理，確定最佳擠出糊化工藝參數，試驗設計見表1。

表1 Box-Behnken中心組合試驗因素水平表Table 1 Factors and their coded levels in the Box-Behnken experimental design

1.3.4 玉米淀粉糊化度的測定[14-15]

準確量取4份1.000 g糊化后玉米淀粉樣品，置于4 只 250 mL 錐形瓶內，對其進行編碼 1、2、3、4，再向其中加50 mL純凈水，取同樣規(guī)格錐形瓶編為5號作對照，加50 mL蒸餾水。

加熱1、2號錐形瓶，保持沸騰15 min，再冷卻到20℃，在1、3、5號錐形瓶里加5 mL 5%β-淀粉酶，把所有錐形瓶置于恒溫水浴鍋（50℃）90 min，及時搖擺錐形瓶，然后取出自然降至室溫，再加1 mol/L HCL 2 mL，將全部錐形瓶中液體分別移到100 mL容量瓶進行定容，過濾，備用。

利用移液管吸取 1、2、3、4、5 號試液及蒸餾水各10 mL分別放入6只250 mL錐形瓶中，再分別取10 mL 0.05 mol/L碘液和18 mL 0.1 mol/L氫氧化鈉溶液，搖勻后靜止15min。再加2 mL 10%硫酸溶液，再用0.05mol/L硫代硫酸鈉溶液進行滴定，記下各錐形瓶的液體消耗的硫代硫酸鈉體積，糊化度計算公式為

式中：α 為糊化度；P1、P2、P3、P4分別為 1、2、3、4 號錐形瓶內試液消耗硫代硫酸鈉的體積，mL；Y為空白消耗硫代硫酸鈉的體積，mL；Q為5號錐形瓶內試液消耗硫代硫酸鈉的體積，mL。

2 結果與分析

2.1 玉米淀粉擠出法糊化工藝單因素試驗結果與分析

2.1.1 擠出溫度對玉米淀粉糊化度的影響

擠出溫度對玉米淀粉糊化度的影響見圖1。

圖1 擠出溫度對玉米淀粉糊化度的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on gelatinization of corn starch

根據圖1可知，當擠出溫度較90℃時，玉米淀粉糊化度最低，隨著擠出溫度的升高，玉米淀粉糊化度逐漸升高，當擠出溫度達到110℃時，糊化度幾乎達到最高，繼續(xù)提高溫度后，糊化度幾乎不變，原因可能是溫度較低時，擠出機內部不能達到一定的壓力，不能使得淀粉糊化改性，而溫度過高后，淀粉與水分作用已經完全[16]，不能繼續(xù)提高糊化度。因此選擇擠出溫度100、110、120℃為響應面研究水平。

2.1.2 水分添加量對玉米淀粉糊化度的影響

水分添加量對玉米淀粉糊化度的影響見圖2。

圖2 水分添加量對玉米淀粉糊化度的影響Fig.2 Effect of moisture content on gelatinization of corn starch

根據圖2可知，當水分添加量為21%時，玉米淀粉糊化度最低，隨著水分添加量的升高，玉米淀粉糊化度逐漸升高，當水分添加量達到23%時，糊化度幾乎達到最高，繼續(xù)增大水分添加量后，糊化度迅速下降。由于淀粉糊化需要水分的參與，當水分較少時，不能夠滿足淀粉的糊化需要，而水分過高后，擠出機內部淀粉出現打滑現象，糊化不完全[17]，導致糊化度迅速下降。因此選擇水分添加量22%、23%、24%為響應面研究水平。

2.1.3 擠出孔直徑對玉米淀粉糊化度的影響

擠出孔直徑對玉米淀粉糊化度的影響見圖3。

圖3 擠出孔直徑對玉米淀粉糊化度的影響Fig.3 Effect of extrusion hole diameter on on gelatinization of corn starch

根據圖3可知，當擠出孔直徑為2 mm時，玉米淀粉糊化度最低，隨著擠出孔直徑的增大，玉米淀粉糊化度逐漸升高，當擠出孔直徑達到4 mm時，糊化度幾乎達到最高，繼續(xù)增大擠出孔直徑后，糊化度幾乎不變。原因可能是當擠出孔較小時，物料運行較難，導致糊化度變小，擠出孔增大后，玉米淀粉可充分與水混合糊化[18]。因此選擇擠出孔直徑為3、4、5 mm為響應面研究水平。

2.2 玉米淀粉擠出法糊化工藝參數的優(yōu)化

2.2.1 玉米淀粉擠出法糊化工藝數學模型的建立與顯著性檢驗

采用Box-Benhnken中心組合試驗設計，用單因素試驗結果作為基礎，進行三因素三水平RSM（response surface methodology）響應面試驗?？疾鞌D出溫度（A）、水分添加量（B）、擠出孔直徑（C）分別對玉米淀粉糊化度（Y）的影響，響應面結果見表2。

表2 Box-Benhnken的中心組合試驗設計及結果Table 2 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

應用Design-Expert8.0.6試驗軟件將表2做出多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗，能夠得出糊化度作為目標函數，關于每個因素編碼值二次回歸方程如下：

將以上結果做出顯著性檢驗，表3是方差分析結果，表4是可信度分析結果。

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for fitted quadratic regression equation

續(xù)表3 回歸方程方差分析表Continue table 3 Analysis of variance for fitted quadratic regression equation

表4 回歸模型的可信度分析Table 4 Reliability analysis of the established regression model

分析表 3、4，可得出，p＜0.000 1，遠小于 0.01，表明此數據分析結果極顯著，回歸數學模型和實際測定數值能夠完全擬合，試驗誤差較小，因此能夠利用此數學回歸方程代替試驗結果，同時對它進行計算，R2=99.39%，理論值和實際測定的數值有很高的相關聯性，表明此方程較可靠。在回歸模型中，一次項A、B、C，交互項 AB、BC，二次項 A2、B2、C2，均表現出了極顯著水平。方差分析結果還表明，影響玉米淀粉擠出法糊化工藝的因素由強到弱為擠出溫度（A）＞擠出孔直徑（C）＞水分添加量（B）。

2.2.2 交互作用對玉米淀粉糊化度影響的響應面分析

交互作用對玉米淀粉糊化度影響的響應面分析見圖4。

圖4 交互作用極顯著因素響應面及等高線圖Fig.4 Response surfaces and contour plots showing the interactive effects

等高線是反應因素之間的相互作用的，能夠從圖4中直接明顯看出。若等高線圖中圓圈是橢圓的，代表因素之間的作用是顯著的，若圖是圓形的，代表因素之間是不顯著的[19-20]。擠出溫度（A）與水分添加量（B）、水分添加量（B）與擠出孔直徑（C）之間交互作用極顯著，具體表現為等高線中的圖形呈明顯的橢圓形，擠出溫度（A）與擠出孔直徑（C）的交互作用不顯著，具體表現為等高線圖幾乎呈現為圓形。

2.2.3 優(yōu)化擠出酶解復合法液化工藝參數

為了能夠明確最優(yōu)參數，要把回歸數學方程對每個參數求一階偏導數，并設其是0，得到三元一次方程如下：

求解得：A＝0.389、B＝－0.016、C＝0.089，即最佳工藝參數為擠出溫度為113.89℃、水分添加量22.98%、擠出孔直徑4.09 mm時，在此條件下，玉米淀粉糊化度為97.64%。為便于實際操作，將參數修正為擠出溫度為114℃、水分添加量23%、擠出孔直徑4.0 mm。采用便于操作的數據的工藝參數繼續(xù)做3次平行試驗，玉米淀粉糊化度為97.75%，實際測定值和理論值比較相近，能夠說明此模型可優(yōu)化擠出法糊化玉米淀粉工藝參數。

3 結論

利用單因素和響應面優(yōu)化玉米淀粉擠出法糊化工藝，對影響玉米淀粉糊化工藝的主要因素：擠出溫度、水分添加量、擠出孔直徑做出研究。結果表明：當擠出溫度為114℃、水分添加量23%、擠出孔直徑4 mm時，玉米淀粉糊化度為97.75%。方差分析結果表明，影響玉米淀粉擠出法糊化工藝的因素由強到弱為擠出溫度＞擠出孔直徑＞水分添加量。本研究采用擠出機對玉米淀粉進行糊化工藝探索，可降低能耗、水耗，減少廢水排放量，減少人力物力的投入，為玉米淀粉深加工提供新技術參考。

[1] 呂振磊,李國強,陳海華.馬鈴薯淀粉糊化及凝膠特性研究[J].食品與機械,2010,26(3):22-27

[2] Lingshang Lin,Canhui Cai,Robert G,et al.Relationships between amylopectin molecular structures and functional properties of different-sized fractions of normal and high-amylose maize starches[J].Food Hydrocolloids,2016,52(1):359-368

[3] Shuang Qiu,Madhav P Yadav,Yan Liu,et al.Effects of corn fiber gum with different molecular weights on the gelatinization behaviors of corn and wheat starch[J].Food Hydrocolloids,2016,53(2):180-186

[4] 王紹清,王琳琳,范文浩,等.掃描電鏡法分析常見可食用淀粉顆粒的超微形貌[J].食品科學,2011,32(15):74-79

[5] 張攀峰,陳玲,李曉璽,等.不同直鏈/支鏈比的玉米淀粉分子質量及其構象[J].食品科學,2010,31(19):157-160

[6] 劉東莉.不同鏈/支比玉米淀粉顆粒結構原位表征與分析[D].杭州:浙江大學,2014

[7]張雅媛.玉米淀粉與親水性膠體協效性和作用機理的研究[D].無錫:江南大學,2012

[8] 劉宇欣.擠壓-復合酶法制備多孔淀粉研究[D].哈爾濱:東北農業(yè)大學,2013

[9] 劉麗.擠壓酶解技術制備碎米淀粉糖[D].哈爾濱:東北農業(yè)大學,2013.

[10]郝彥玲,張守文.黑米、薏米、蕎麥混合擠壓膨化工藝及機理的研究[J].中國食品學報,2004,4(4):25-31

[11]Enbo Xu,Hongyan Li,Zhengzong Wu,et al.Influence of Enzymatic Extrusion Liquefaction Pretreatment for Chinese Rice Wine on the Volatiles Generated from Extruded Rice[J].Journal of Food Science,2015,80(1):29-39

[12]Ya-Ling Huang,Ya-Sheng Ma.The effect of extrusion processing on the physiochemical properties of extruded orange pomace[J].Food Chemistry,2016,19(2):118-125

[13]何榮,李倩,劉俊飛,等.發(fā)芽糙米的富硒及其微波干燥與擠壓膨化工藝優(yōu)化[J].食品科學,2015,36(6):82-85

[14]洪靜,鄭學玲,劉翀,等.小麥總淀粉、A-淀粉及B-淀粉的熱損傷與其糊化度、糊化特性的關系[J].食品科學,2014,35(15):38-42

[15]郭楠,葉金鵬,林亞玲,等.漂燙對速凍薯條品質及淀粉糊化度的影響研究[J].食品科技,2014,39(9):186-191

[16]曾凡逵,趙鑫,周添紅,等.雙波長比色法測定馬鈴薯直鏈/支鏈淀粉含量[J].現代食品科技,2012,26(1):119-122

[17]段善海,徐大慶,繆銘.物理法在淀粉改性中的研究進展[J].食品科學,2007,28(3):361-366

[18]楊瑩,黃麗婕.改性淀粉的制備方法及應用的研究進展[J].食品工業(yè)科技,2013,34(20):381-385

[19]劉靜雪,樊紅秀,王慶慶,等.響應面試驗優(yōu)化擠出酶解復合法改性玉米淀粉工藝[J].食品科學,2015,36(16):18-24

[20]徐明悅,李洪軍,賀稚非,等.響應面試驗優(yōu)化玉米淀粉-殼聚糖可食膜的制備工藝[J].食品科學,2015,36(16):38-43

Response Surface Optimization of Gelatinization Process of Corn Starch Extrusion

LIU Jing-xue，ZHANG Chuan-jun*，LI Feng-lin，YANG Chuang，XIONG Xiao-qing
（College of Food Engineering，Jilin Agricultural Science and Technology College，Jilin 132101，Jilin，China）

The corn starch as raw material was extruded by single-screw extruder.The gelatinization process of corn starch was optimized by response surface method.The main factors affecting the gelatinization of corn starch were extrusion temperature，volume，extrusion hole diameter to make a study.The results showed that the gelatinization degree of corn starch was 97.75%when the extrusion temperature was 114℃，the moisture content was 23%，and the diameter of extrusion hole was 4 mm.The results of analysis of variance showed that the factors influencing the gelatinization process of corn starch extrusion were extrusion temperature＞extrusion hole diameter＞moisture addition.

corn starch；extrusion；gelatinization；response surface；process optimization

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.22.022

吉林農業(yè)科技學院食品科學重點學科培育項目（吉農院合字[2015]第X059號）；吉林農業(yè)科技學院青年基金資助項目（吉農院合字[2016]第Q27號）

劉靜雪（1988—），男（漢），助教，碩士，研究方向：糧油植物蛋白與天然產物功效及功能性食品研發(fā)。

*通信作者：張傳軍（1958—），男，教授，研究方向：食品科學。

2017-03-11