馮秋娟 肖志剛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030)

加酶擠壓生產(chǎn)淀粉基脂肪替代品的研究

馮秋娟 肖志剛

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030)

為了研究加酶擠壓法生產(chǎn)淀粉基脂肪替代品的可行性，以玉米淀粉為原料，以DE值為指標(biāo)，利用雙螺桿擠壓機(jī)研究物料水分、機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、加酶量對(duì)DE值的影響;在單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析法作圖分析。結(jié)果表明:按照研究操作條件，加酶擠壓法可以生產(chǎn)淀粉基脂肪替代品(DE值為2.882～9.963)。加酶量和物料水分對(duì)DE值的影響顯著，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)DE值的影響不明顯，DE值隨加酶量和物料水分的增加而增大，隨機(jī)筒溫度的增加先增大后減小。

加酶擠壓 DE值 脂肪替代品 雙螺桿擠壓機(jī)

脂肪模擬物是一類加入到低脂或無脂食品中，能夠模擬脂肪的部分物理和化學(xué)性質(zhì)，使得產(chǎn)品具有與同類全脂食品相同或相近的感官效果，并使食品提供的總能量降低的物質(zhì)［1］。淀粉初步水解DE值較小并能形成一定黏度的凝膠，即可作為脂肪模擬物［2］，DE值在3～5之間的產(chǎn)品具有類似脂肪的性質(zhì)［3］。

近年來擠壓膨化技術(shù)已應(yīng)用于淀粉深加工領(lǐng)域中，并且具有能耗低，反應(yīng)時(shí)間短，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，引起人們的重視［4－5］。已有用擠壓機(jī)作反應(yīng)器制備淀粉磷酸酯、羧甲基淀粉、焦糖色素、麥芽糊精等的研究報(bào)道［6－8］，這些研究報(bào)道從不同的角度體現(xiàn)了擠壓加工技術(shù)在淀粉深加工領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和具有的潛在價(jià)值。研究人員采用加酶擠壓技術(shù)在酒精發(fā)酵、淀粉糖等方面進(jìn)行了深入研究［9－11］;利用擠壓機(jī)作為連續(xù)酶生物反應(yīng)器，分別對(duì)西米、小麥和米淀粉的酶法擠壓進(jìn)行了研究，制備出不同轉(zhuǎn)化程度的淀粉水解產(chǎn)物［12－14］;文獻(xiàn)檢索尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)加酶擠壓玉米淀粉生產(chǎn)淀粉基脂肪替代品的報(bào)導(dǎo)。本研究試圖以玉米淀粉為原料，中溫α－淀粉酶為外加酶制劑，研究低溫(100℃)加酶擠壓條件下生產(chǎn)淀粉基脂肪替代品的可行性和各擠壓參數(shù)對(duì)DE值的影響，為加酶擠壓技術(shù)在淀粉加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉(水分11%):長(zhǎng)春大成實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司;中溫α－淀粉酶(酶活3 700 u/g):上海工碩生物技術(shù)有限公司;濃鹽酸、亞鐵氰化鉀、酒石酸鉀鈉:廣州化學(xué)試劑廠;亞甲基藍(lán):科盟化工有限公司;硫酸銅:北京市化學(xué)試劑廠;氫氧化鈉:天津化學(xué)試劑一廠;葡萄糖:瑞士萬通中國(guó)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DS32－Ⅱ型雙螺桿擠壓機(jī):濟(jì)南賽信膨化機(jī)械有限公司;GL－20B冷凍干燥機(jī)、DL－5－B低速離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;WZS－I阿貝折光儀:上海光學(xué)儀器廠;RE－52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海亞榮生化儀器廠;HH－4數(shù)顯恒溫水浴鍋:江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;恒溫干燥箱:上海科析試驗(yàn)儀器廠;粉碎機(jī):北京市永光明醫(yī)療儀器廠;分析天平(精度0.1 mg):日本島津公司。

DS32－Ⅱ型雙螺桿擠壓機(jī):主機(jī)采用變頻調(diào)速，螺桿轉(zhuǎn)速為0～250 r/min無極可調(diào);采用反饋式控溫，在0～300℃連續(xù)可調(diào)，波動(dòng)幅度為±2℃。其他參數(shù):螺桿直徑65 mm，螺桿長(zhǎng)度1 008 mm，兩螺桿中心距56 mm，螺桿長(zhǎng)徑比18，加工能力60～120 kg/h，電機(jī)功率22 kW。根據(jù)本試驗(yàn)用擠壓機(jī)的工作原理和腔體內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將擠壓機(jī)內(nèi)玉米淀粉的運(yùn)動(dòng)過程分為輸送區(qū)、過渡區(qū)、模頭區(qū)。擠壓機(jī)主機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 擠壓制備操作

稱取適量中溫α－淀粉酶→配成懸浮液→與玉米淀粉充分混合→靜置(20 min)→擠壓→滅酶(100℃)→干燥→粉碎→稱取適量粉碎樣品于蒸餾水中→水浴加熱30 min→離心20 min(3 600 r/min)→移取上清液→濃縮→冷凍干燥→產(chǎn)品

1.3.2 DE 值測(cè)定

DE(以葡萄糖計(jì))=上清液中還原糖含量/上清液中總固形物含量×100%

還原糖測(cè)定參照斐林試劑法測(cè)定;可溶性固形物采用阿貝折光儀法測(cè)定。

1.3.3 凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

取不同DE值的樣品，分別在90℃下配制成25%的溶液，取20 mL轉(zhuǎn)移至25 mL玻璃燒杯中，4℃下放置約24 h形成凝膠后，采用TA－XT2i質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定凝膠性質(zhì)。探頭型號(hào)P/0.5;下壓速度2.0 mn/s，接觸凝膠后速度1.0 mm/s:提升速度2.0 mm/s。其中凝膠硬強(qiáng)度指第一次穿破樣品時(shí)的壓力峰值。每個(gè)DE值做3次平行試驗(yàn)，以平均值作為測(cè)定結(jié)果。

1.3.4 試驗(yàn)條件的選取

根據(jù)擠壓機(jī)本身特點(diǎn)和中溫α－淀粉酶的特性確定單因素試驗(yàn)的范圍:因?yàn)榈矸勖缸钸m溫度是65 ～70 ℃，考慮到淀粉的糊化性，選擇60、70、80、90、100℃ 5個(gè)溫度;加酶量過少達(dá)不到預(yù)期效果，過多又會(huì)使葡萄糖發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，使產(chǎn)品得率降低，同時(shí)成本也會(huì)增加，因此加酶量選 1、3、5、7、9 u/g;保證一定的水分酶活性才能充分發(fā)揮，水分也不能太高，否則物料由于流動(dòng)性的加強(qiáng)會(huì)弱化擠壓機(jī)對(duì)物料的剪切作用，所以確定物料含水量20%、25%、30%、35%、40%;為保證淀粉酶與玉米淀粉在擠壓機(jī)中充分接觸，產(chǎn)生一定的生化反應(yīng)，轉(zhuǎn)速選取100、120、140、160、180 r/min。以 DE 值為指標(biāo)，展開試驗(yàn)。

1.3.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以物料水分、機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、加酶量為考察因素，以DE值為指標(biāo)，在單因素研究的基礎(chǔ)上采用4因素5水平二次旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。因素水平編碼表見表1。

表1 因素水平編碼表

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素結(jié)果分析

2.1.1 水分對(duì)DE值的影響

由圖2可知，隨著水分的增加DE值逐漸增加，在30%時(shí)達(dá)到最大，之后隨著水分的增加DE值變化不明顯。由于水分在40%時(shí)，擠壓出的樣品很難收集，又考慮到淀粉擠壓成型問題，因此正交試驗(yàn)確定水分在25%～37%之間取值。

圖2 物料水分對(duì)DE值的影響

2.1.2 機(jī)筒溫度對(duì)DE值的影響

由圖3可知，溫度在60～70℃時(shí)，DE值呈直線上升趨勢(shì)，之后隨著溫度的升高，DE值逐漸下降并趨于穩(wěn)定趨勢(shì)，可能是隨著溫度的升高，酶活性逐漸消失的緣故?？紤]到酶的最適作用范圍(65～70℃)和擠壓機(jī)本身的特點(diǎn)，正交試驗(yàn)時(shí)確定溫度在60～80℃間取值。

圖3 機(jī)筒溫度對(duì)DE值的影響

2.1.3 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)DE值的影響

由圖4可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，DE值沒有明顯變化，考慮到加酶擠壓和擠壓機(jī)本身的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速不能太快也不能太慢，因此正交試驗(yàn)時(shí)螺桿轉(zhuǎn)速可在80～160 r/min間取值。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)DE值的影響

2.1.4 加酶量對(duì)DE值的影響

由圖5可知，隨著加酶量的增加，DE值逐漸增加，后來趨于平緩，可能是隨著酶的增加，原料、水分和酶能充分接觸發(fā)生反應(yīng)，但是加酶量增加到一定程度，擠壓出來的樣品幾乎不成型，因此正交試驗(yàn)時(shí)確定加酶量在1～5 u/g間取值。

圖5 加酶量對(duì)DE值的影響

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

在單因素研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用4因素5水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，依照表1的水平編碼值，試驗(yàn)安排與試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)安排及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) DE值處于2.882～9.963占50%以上，說明可以通過對(duì)低溫加酶擠壓法擠壓參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)淀粉基脂肪替代品的獲得。

通過其響應(yīng)面回歸過程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立描述DE值的回歸數(shù)學(xué)模型，分析各因素對(duì)DE值的影響，其中物料水分的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)、加酶量的一次項(xiàng)、機(jī)筒溫度的二次項(xiàng)對(duì)DE值影響顯著，經(jīng)整理得到反應(yīng)各試驗(yàn)參數(shù)與DE值關(guān)系的回歸方程為:

DE=13.44+2.85X1+0.64X2－ 0.049X3+3.73X4－ 0.094X1X2+0.12X1X3+1.26X1X4－0.16X2X3+0.13X2X4－1.04X21－1.76X22－0.31X23－0.35X2

回歸方程的相關(guān)系數(shù) R2=90.13%，F(xiàn)=9.76?；貧w方程中各因素之間存在一定交互作用，這與Tomas等［9］研究結(jié)論一致，為擠壓加工參數(shù)的控制提供了可靠性依據(jù)。

回歸方程的方差分析見表3。

表3 方差分析表

由表3 可知，F(xiàn)1＞ F0.05(20，15)=2.33，說明回歸方程的模型較好，在0.05水平是顯著的，可用于預(yù)測(cè)和分析響應(yīng)值;又 F2＜ F0.05(6，9)=3.37，說明方程在0.05水平失擬檢驗(yàn)不顯著，擬合的好，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)與所采用的二次數(shù)學(xué)模型是相符合的，試驗(yàn)得出的回歸模型是合理的;影響DE值的主要因素依次為加酶量＞物料水分＞機(jī)筒溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速，其中物料水分和加酶量較顯著。

2.3 各因素的交互作用對(duì)DE值的影響

2.3.1 物料水分和機(jī)筒溫度的交互作用

由圖6可知，物料水分和機(jī)筒溫度的交互作用不明顯，DE值隨著物料水分的增加，逐漸升高，變化趨勢(shì)明顯，而隨機(jī)筒溫度的增加變化不明顯，在70℃時(shí)達(dá)到最大，而后開始降低，可能是酶活性降低所致。

圖6 物料水分和機(jī)筒溫度的交互作用對(duì)DE值的影響

2.3.2 物料水分和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用

由圖7可以看出，在試驗(yàn)選取的范圍內(nèi)，隨著物料水分的增加，DE值逐漸變大，趨勢(shì)明顯，可能是隨著水分的增加，有利于酶促反應(yīng);而隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，DE值幾乎沒有變化，可能是在此過程機(jī)械剪切力降低和酶促反應(yīng)時(shí)間短造成的。

圖7 物料水分和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)DE值的影響

2.3.3 加酶量和物料水分的交互作用

由圖8可知，在試驗(yàn)選取的范圍內(nèi)，DE值隨著加酶量和物料水分的增加而增加，并且二者呈相同趨勢(shì)變化，可能是隨著水分的增加，α－淀粉酶與玉米淀粉能充分接觸，使反應(yīng)更加充分。這與Govindasamy等［10］研究的結(jié)論相同。

圖8 加酶量和水分的交互作用對(duì)DE值的影響

2.3.4 螺桿轉(zhuǎn)速和機(jī)筒溫度的交互作用

圖9 機(jī)筒溫度和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)DE值的影響

由圖9可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，DE值幾乎沒有變化;而隨著機(jī)筒溫度的增加DE值先增加后減小，可能是隨著溫度的升高，酶活性逐漸增強(qiáng)，DE值逐漸變大，當(dāng)超過最適溫度時(shí)，酶活性降低，DE值減小，這與等 Chouvel［15］研究結(jié)論相同。

2.3.5 加酶量和機(jī)筒溫度的交互作用

由圖10可知，在試驗(yàn)選取的范圍內(nèi)，DE值隨著加酶量的增加逐漸上升，趨于直線上升;而隨著溫度的增加變化不太明顯。

圖10 加酶量和機(jī)筒溫度的交互作用對(duì)DE值的影響

2.3.6 加酶量和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用

由圖11可知，螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)DE值的影響不顯著，而在不同的物料水分、機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速條件下，隨著加酶量的增加，DE值呈直線上升，并且變化趨勢(shì)明顯。從而證明加酶量是DE值的主要影響因素。這與Curic等［16］研究結(jié)果一致。

圖11 加酶量和螺桿轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)DE值的影響

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

為了進(jìn)一步考察回歸方程的可靠性，在試驗(yàn)選取的參數(shù)范圍內(nèi)選取3組具有代表性的擠壓工藝參數(shù)，比較回歸方程和試驗(yàn)測(cè)得的DE值預(yù)測(cè)值和實(shí)際值結(jié)果;為了比較未加酶和加酶擠壓后產(chǎn)品的DE值的變化，分別選取以上3組擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行未加酶擠壓試驗(yàn)，測(cè)定其DE值，結(jié)果見表4。

表4表明，3組經(jīng)回歸方程預(yù)測(cè)的DE值均在表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，并且各組試驗(yàn)DE值的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于5%，進(jìn)一步說明上式中的回歸方程是可靠的，可以通過回歸方程預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果;另外，表4中數(shù)據(jù)還表明，相同擠壓條件下采用加酶擠壓的產(chǎn)品DE值較大，原因可能是在擠壓過程中，淀粉酶、物料和水分3者接觸充分，淀粉酶在機(jī)體中發(fā)揮其“過程活性”，將部分淀粉酶解的緣故，這與Grafelman等［17］所報(bào)道加酶擠壓有利于淀粉降解的結(jié)論是相符合的。本研究表明外加酶可以在擠壓過程中對(duì)淀粉產(chǎn)生降解作用，從而增大了擠壓法生產(chǎn)低DE值麥芽糊精結(jié)果的可選數(shù)值范圍，為獲取不同DE值的淀粉降解產(chǎn)物，尤其是淀粉基脂肪替代品提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表4 驗(yàn)證及對(duì)照試驗(yàn)

3 淀粉基脂肪模擬物凝膠性質(zhì)的測(cè)定分析

由圖12可知，隨著DE值的增加，模擬物的凝膠強(qiáng)度逐漸降低，開始形成的凝膠較硬，DE值為2.0～3.0的麥芽糊精形成相對(duì)穩(wěn)定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的弱凝膠，而DE值為5.0的麥芽糊精形成的凝膠比較弱，DE值為6.0的麥芽糊精形成的凝膠則是更弱了。當(dāng)DE值大于6.4時(shí)幾乎不能形成凝膠。因此，低DE值的產(chǎn)品適合做脂肪模擬物。

圖12 不同DE值脂肪模擬物的凝膠強(qiáng)度

4 結(jié)論

以雙螺桿擠壓機(jī)作為連續(xù)酶反應(yīng)器，采用低溫加酶擠壓的方法可以得到低DE值(DE值為2.882～9.963)的淀粉基脂肪替代品，為進(jìn)一步研究玉米淀粉不同程度的水解產(chǎn)物提供一定的理論基礎(chǔ);擠壓工藝參數(shù)各因素對(duì)DE值的影響順序?yàn)?加酶量＞物料水分＞機(jī)筒溫度＞螺桿轉(zhuǎn)速。

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Study on Production of Starch Based Fat Substitute by Enzymatic Extrusion

Feng Qiujuan Xiao Zhigang
(College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030)

In order to study the feasibility of the production of starch based fat substitute by enzyme－added extrusion，corn starch was used as a raw material and a twin screw extruder was used to study the effects of material moisture，barrel temperature，screw speed and enzyme concentration on DE value.On the basis of single factor，the response surface methodology was applied in this study.It showed that the starch based fat substitute(DE value is 2.882 ～9.963)can be produced by enzyme－added extrusion according to the operating conditions used in this study.The effects of enzyme concentration and material moisture on the DE value were significant，while the effect of screw speed was not.The DE value increased with the increase of enzyme concentration and material moisture，while it increased firstly and then decreased with the increase of the barrel temperature.

enzyme － added extrusion，DE value，fat substitute，twin screw extruder

TS236.9

A

1003－0174(2011)09－0092－06

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才基金(NCET－07－0251)，哈爾濱市科技創(chuàng)新人才基金(2007RF QXN019)

2010－10－26

馮秋娟，女，1982年出生，碩士，糧食、油脂及植物蛋白工程

肖志剛，男，1972年出生，教授，碩士生導(dǎo)師，農(nóng)產(chǎn)品加工