劉鵬，周福金，劉曉彤，陳穎超

（廣州大學化學化工學院，廣東廣州 510006）

高直鏈淀粉是淀粉顆粒中直鏈淀粉含量高于50%的淀粉品種。由于直鏈淀粉的分子鏈長，分支點少，彼此間可以形成復雜的纏繞，分子間作用力強，因此利用擠出工藝使其顆粒破碎、結(jié)構(gòu)相變、并進行分子重組后所制備的高直鏈淀粉基材料具有良好的機械性能[1~3]，已經(jīng)應用于食品包裝領域[4~6]。

但高直鏈淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)致密，相變困難，熔融流變性差，擠出加工能耗高[7]。普通玉米淀粉（水分含量20%）的熔融流變性與低密度聚乙烯（熔融指數(shù)為1.8 g/10 min）在160 ℃時的熔融流變性相似[8]；而高直鏈玉米淀粉（直鏈淀粉含量80%）熔融黏度卻是普通玉米淀粉的2倍[9]。其次，隨著玉米淀粉中直鏈淀粉含量從0%增加到80%，密煉機中喂料峰與相變峰的時間差延長了1倍（相變時間長），轉(zhuǎn)子的峰值扭矩增大了 1倍[10]；擠出機中的單位機械能耗(specific mechanical energy，SME)提高了1倍[11]，螺桿扭矩和機頭壓力都增大了0.5倍[12]。此外，前人的研究還表明，高直鏈淀粉的熔融黏度高，使得諸如吹膜成型、吹塑成型等傳統(tǒng)的塑料成型工藝，無法用于重組淀粉基材料的生產(chǎn)[13]。

為了促進高直鏈淀粉的相變，降低熔融黏度，改善擠出加工條件，前人采用的方法主要有兩種：改變加工的工藝參數(shù)（如增塑劑的種類、添加量和加工溫度等）[14,15]和對淀粉原理進行預改性（改性為羥丙基淀粉）[11]。但前者受到加工條件和產(chǎn)品性質(zhì)的限制，對其熔融流變性的改善程度有限。后者改性工藝本身也是一個復雜繁瑣的工藝，需要將淀粉顆粒破壞才能實現(xiàn)改性，生產(chǎn)成本高。

另一方面，前人也開展過酶解-擠出復合作用對淀粉流變性和產(chǎn)物性質(zhì)影響的研究。例如葡萄牙的Oliveira等[16,17]人系統(tǒng)研究了復合擠出參數(shù)對大米淀粉流變性的影響，推導出了流變學的冪律方程，發(fā)現(xiàn)加入0.1%的淀粉酶后，能顯著降低熔融黏度，并提高產(chǎn)物的酶解度，使產(chǎn)物的葡萄糖當量提高三倍。我國東北農(nóng)業(yè)大學的申德超教授等人將擠出和酶解復合在一起，有效提高了產(chǎn)物的水解程度，從而簡化了葡萄糖漿、啤酒等后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，申請了一系列專利[18,19]。但他們的研究對象是普通淀粉，研究目的是為了提高產(chǎn)物的水解程度，因此他們的擠出加工溫度不高（不超過110 ℃），沒有探討高溫、高壓、高剪切力對淀粉酶活力的影響。

針對上述問題，本論文探索利用酶解-擠出復合工藝來改善高直鏈淀粉的擠出加工性能，主要考察了酶添加量、擠出時間對單位機械能耗和材料力學性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原料

1.1.1 實驗材料

G50玉米淀粉和G80玉米淀粉（直鏈淀粉分子含量分別為50%和80%），購自美國國民淀粉化學公司；耐高溫α-淀粉酶（酶解最適溫度為 98 ℃），購自Novozymes公司；其他化學試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設備

Rheocord Polylab RC 500P型密煉機，美國ThermoFisher公司；Instron 5566型萬能材料測試機，英斯特朗實驗設備貿(mào)易有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同溫度下耐高溫α-淀粉酶酶解效率的測定方法

按1‰的添加量將耐高溫α-淀粉酶加入到2%的淀粉乳濁液中。然后將溶液升溫至不同的溫度，酶解10 min后離心，取上清液定容，利用DNS法測定其中的葡萄糖含量（3,5-二硝基水楊酸能夠與還原糖反應生成棕色物質(zhì)），根據(jù)公式(1)計算酶解效率。每個實驗均平行重復三次，結(jié)果計算平均值和標準偏差。

式中，E是酶解效率，單位%；m1為反應液中葡萄糖的含量，單位mg；V為反應液的用量，單位mL；m2為高直鏈淀粉的量，單位g；M為高直鏈淀粉的水分含量，經(jīng)測量為14%。

1.2.2 高直鏈淀粉基材料制備方法

將淀粉的水分含量調(diào)節(jié)至31%，混合均勻后，利用密煉機對淀粉顆粒進行剪切、破碎、結(jié)構(gòu)重組，然后再利用熱壓成型機將重組后的淀粉壓制成片材。根據(jù)前人對密煉機擠出參數(shù)對淀粉相變程度影響的測定結(jié)果，將參數(shù)設定為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r/min，初始溫度為60 ℃[10]。熱壓成型機的溫度設定為115 ℃，鎖模壓力為10 MPa，鎖模時間2 min[13]。每個樣品重復制備三次，記錄作用時間與轉(zhuǎn)子扭矩、作用時間與溫度的關系曲線。

1.2.3 高直鏈淀粉擠出加工時單位機械能耗的計算方法

根據(jù)文獻[20]，用密煉機對高直鏈淀粉進行擠出加工時，產(chǎn)品單位機械能耗跟作用時間與轉(zhuǎn)子扭矩的乘積成正比。因此本論文利用軟件MDI JADE 6.0，對作用時間與轉(zhuǎn)子扭矩的曲線進行積分，用曲線所包裹的面積來表征單位機械能耗(Specific mechanical energy，SME)的大小。由于每個樣品重復制備了三次，因此對三條曲線分別積分，然后計算平均值和標準偏差。

1.2.4 高直鏈淀粉基材料力學性質(zhì)的測定方法

按照國標GB/T 528-2009規(guī)定的尺寸裁成啞鈴型樣條。測試時拉伸速度設置為5 mm/min。對于同一組試樣，數(shù)量不少于五個，計算平均值和標準偏差。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有的實驗結(jié)果（淀粉酶酶解效率、單位機械能和力學性質(zhì)）均導入Excel軟件計算平均值和標準偏差。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對耐高溫α-淀粉酶酶解效率的影響

雖然耐高溫α-淀粉酶的最適溫度是98 ℃，但其產(chǎn)生酶活力的起始溫度尚不清楚，而此參數(shù)對后續(xù)擠出參數(shù)的設定至關重要，因此需要首先考察酶的活性溫度范圍。分別向兩種淀粉乳濁液中加入少量酶，測定不同溫度下的酶解效率（見圖1）。

圖1 不同溫度下耐高溫α-淀粉酶的酶解效率曲線Fig.1 The enzymolysis efficiency curve of thermostable α-amylase under different temperature

根據(jù)圖1，60 ℃以下，酶對兩種淀粉的酶解率均低于5%，酶活性很低；而70 ℃以上，酶活性才逐漸顯現(xiàn)。由此，在 70 ℃時，淀粉酶就已經(jīng)顯現(xiàn)其酶活性了。其次，淀粉酶對G50的酶解效率顯著高于G80。此結(jié)果與前人的結(jié)果一致[5]，即G80淀粉中直鏈淀粉含量更高，由直鏈淀粉構(gòu)成的顆粒外殼更厚更致密，因此對淀粉酶水解作用的抗性就越強，酶解效率就越低。

2.2 淀粉酶對擠出加工的影響

前人[10]考察了密煉機擠出參數(shù)對淀粉顆粒相變程度的影響。本論文在其基礎上考察了酶添加量對擠出加工的影響（見圖2和圖3）。

在圖2的扭矩曲線上，起始處有一個峰，為喂料峰；后隨著淀粉的分子重組和剪切稀化，扭矩曲線隨時間的延長逐漸降低。與此對應，在溫度曲線上，起始處的波谷為樣品加入所致，隨著剪切時間的延長，由于轉(zhuǎn)子與物料、以及物料之間的摩擦，溫度逐漸上升。這些都與前人的結(jié)果相一致。

根據(jù)圖 1，只有當溫度超過 70 ℃，淀粉酶才有顯著的酶解效果。由此，樣品的扭矩曲線在 70 ℃之前沒有顯著區(qū)別，所有喂料峰均重疊在一起。而溫度升高后，隨著酶加入量的不同，曲線的差異越來越顯著。當酶添加量從0%升高到1%時，擠出作用結(jié)束時（6 min），G50和G80高直鏈淀粉的扭矩值分別降低了65%和51%。轉(zhuǎn)子扭矩的降低，主要是因為酶解后的小分子多糖，在淀粉大分子間充當潤滑劑，增加了大分子的運動性，改善了熔融流變性。

圖2 淀粉酶加入量對擠出加工時扭矩和溫度的影響Fig.2 The effect of enzyme addition on the torque and temperature during extrusion processing

圖3是根據(jù)圖2計算出的酶添加量對高直鏈淀粉擠出加工能耗的影響結(jié)果。圖3(a)可以看出，隨著酶添加量的增大，單位機械能耗均降低。具體而言，對于G50淀粉，當酶添加量從0%升高到0.25%時，單位機械能耗下降了 21%；而酶添加量從 0.5%升高到1%時，機械能耗幾乎不變，表明此時酶加入量已經(jīng)飽和。對于G80淀粉，當酶添加量低于0.5%時，對于其機械能耗的影響很弱；即使酶添加量增加到 1%，單位機械能耗也僅降低了23%。這與圖1的結(jié)果相一致，耐高溫α-淀粉酶對G50的酶解效率顯著高于G80。

由圖 3(b)可以看出，不管是 G50淀粉還是 G80淀粉，當擠出作用時間為 4 min，與空白樣品（酶加入量為0%）相比，酶對單位機械能耗的影響較小（G50樣品的降幅僅為 15%，G80沒有減少）。但當作用時間延長至 6 min，酶能使樣品單位機械能耗顯著降低（G50樣品的降幅增大為21%，G80的降幅為4%）。這表明，淀粉酶在密煉機高壓高剪切力環(huán)境中作用 4 min后，仍然具有活性，可以繼續(xù)降解淀粉分子，進一步降低能耗。

圖3 加入淀粉酶后對單位機械能耗的影響Fig.3 The effect of enzyme on the specific mechanical energy

2.3 淀粉酶對材料力學性質(zhì)的影響

圖4 淀粉酶加入量對材料力學性質(zhì)的影響Fig.4 The effect of enzyme on the mechanical properties of materials

淀粉基材料的分子量直接影響其力學性質(zhì)。兩種材料力學性質(zhì)的測定結(jié)果見圖4所示。受到材料制備時完整性的影響，當酶添加量過大時，很難形成完整的材料，無法測定力學性質(zhì)，因此只選取了酶添加量為0%、0.1%、0.25%的樣品。

由圖4看出，對于空白樣品，G50淀粉基材料的拉伸強度為46±11 MPa，斷裂伸長率為23±2%；G80淀粉基材料的拉伸強度為37±11 MPa，斷裂伸長率為16±1%。此結(jié)果與前人利用熱壓成型工藝得到的片材的數(shù)據(jù)相差不大[21,22]，且顯著優(yōu)于前人利用擠出機制備的薄膜的力學性質(zhì)[12]。

圖4中，隨著酶加入量的增大，兩種材料的拉伸強度和斷裂伸長率均降低。這是因為酶降解了淀粉分子鏈，使其成為了較短的分子鏈片段，分子鏈的糾纏作用也隨之減弱。具體而言，當酶加入量為0.25%時，G50淀粉基材料的拉伸強度由46±11 MPa降至31±6 MPa，降幅33%，而斷裂伸長率由23±2%降至4±1%，降幅83%；G80淀粉基材料的拉伸強度由37±11 MPa降至17±7 MPa，降幅54%，而斷裂伸長率由16±1%降至5±1%，降幅69%。由此，酶解對材料斷裂伸長率的影響更加顯著。

圖5 淀粉酶作用時間對材料力學性質(zhì)的影響Fig.5 The effect of hydrolysis time on the mechanical properties of materials

圖5中，隨著擠出作用時間的延長，材料的拉伸強度沒有顯著變化，但斷裂伸長率均顯著降低。這主要是由于淀粉酶未失活，因此擠出加工時間長會造成淀粉鏈的過度降解，從而削弱材料性質(zhì)。另一方面，前人在考察密煉機擠出參數(shù)對淀粉相變影響時發(fā)現(xiàn)，當擠出時間超過6 min時，淀粉才會徹底相變。而圖5中，材料在擠出4 min時，斷裂伸長率最高，表明此時淀粉的相變已經(jīng)進行的很充分，分子鏈間的纏繞和相互作用強。由此，酶可以促進淀粉相變的進行，縮短擠出加工時間。

3 結(jié)論

3.1 本論文考察了酶解-擠出復合工藝中淀粉酶添加量對材料制備和力學性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)耐高溫α-淀粉酶不會在密煉機高溫、高壓、高剪切力的密閉擠出環(huán)境中失活，可以促進淀粉顆粒的破碎，降低相變難度，改善高直鏈淀粉的熔融擠出加工性能，降低單位機械能耗，縮短擠出加工時間。酶解-擠出復合效應對G50淀粉加工的影響更為顯著，在 0.25%的酶加入量下，能夠使其單位機械能耗下降了21%；但當酶加入量超過0.5%時，單位機械能耗基本不變，表明酶加入量基本飽和。另一方面，酶解也會降解淀粉分子鏈，使得材料的力學性質(zhì)下降，尤其是斷裂伸長率降低更為顯著。在0.25%的酶加入量下，G50淀粉基材料的拉伸強度降幅為33%，斷裂伸長率降幅為83%。此外，酶解-擠出復合效應對于 G80淀粉擠出加工的影響相對較弱。

3.2 上述結(jié)果表明，當對淀粉基材料力學性質(zhì)要求不高時，可以利用酶解-擠出復合工藝改善擠出加工條件，降低生產(chǎn)能耗。此外，對于淀粉的反應擠出改性，前人發(fā)現(xiàn)淀粉在擠出環(huán)境中反應活性低[23]。對此也可以利用酶解-擠出復合工藝，提高淀粉的活性位點和反應效率。這些研究將在后續(xù)試驗中逐步開展。

[1]Liu H, Xie F, Yu L, et al. Thermal processing of starch-based polymers [J]. Progress in Polymer Science, 2009, 34(12):1348-1368

[2]Yu L, Christie G. Microstructure and mechanical properties of orientated thermoplastic starches [J]. Journal of Materials Science, 2005, 40(1): 111-116

[3]Xie F, Halley P J, Averous L. Rheology to understand and optimize processibility, structures and properties of starch polymeric materials [J]. Progress in Polymer Science, 2012,37: 595-623

[4]Xie F, Pollet E, Halley P J, et al. Starch-based nano-biocomposites [J]. Progress in Polymer Science, 2013,38(10-11): 1590-1628

[5]Yang J, Xie F, Wen W, et al. Understanding the structural features of high-amylose maize starch through hydrothermal treatment [J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2016, 84: 268-274

[6]陳瓊,邱禮平,馬細蘭.高直鏈玉米淀粉-殼聚糖復合膜透氣透水性能研究[J].現(xiàn)代食品科技,2011,27(8):891-895 CHEN Qiong, QIU Li-ping, MA Xi-lan. Gas transmission and water vapor transmission properties of high-amylose corn starch/chitosan edible film [J]. Modern Food Science and Technology, 2011, 27(8): 891-895

[7]Liu X, Xiao X, Liu P, et al. Shear degradation of corn starches with different amylose contents [J]. Food Hydrocolloids, 2017, 66: 199-205

[8]Willett J L, Jasberg B K, Swanson C L. Rheology of thermoplastic starch: effects of temperature, moisture content,and additives on melt viscosity [J]. Polymer Engineering and Science, 1995, 35(2): 202-210

[9]Xie F, Yu L, Su B, et al. Rheological properties of starches with different amylose/amylopectin ratios [J]. Journal of Cereal Science, 2009, 49: 371-377

[10]Wang J, Yu L, Xie F, et al. Rheological properties and phase transition of cornstarches with different amyloase/amylopectin ratios under shear stress [J]. Starch/St?rke, 2010,62(12): 667-675

[11]Chaudhary A L, Miler M, Torley P J, et al. Amylose content and chemical modification effects on the extrusion of thermoplastic starch from maize [J]. Carbohydrate Polymers,2008, 74(4): 907-913

[12]Li M, Liu P, Zou W, et al. Extrusion processing and characterization of edible starch films with different amylose contents [J]. Journal of Food Engineering, 2011, 106: 95-101[13]Thunwall M, Kuthanova V, Boldizar A, et al. Film blowing of thermoplastic starch [J]. Carbohydrate Polymers, 2008, 71(4):583-590

[14]Wang N, Jiugao Y, Xiaofei M, et al. An investigation of the physical properties of extruded glycerol- and formamideplasticized cornstarch [J]. Journal of Thermoplastic Composite, 2009, 22(3): 273-291

[15]唐皞,郭斌,薛嵐,等.增塑劑在熱塑性淀粉中的應用研究進展[J].塑料工業(yè),2012,40(7):1-4 TANG Hao, GUO Bin, XUE Lan, et al. Research progress of application of the plasticizer in thermoplastic starch [J].China Plastics Industry, 2012, 40(7): 1-4

[16]Tomas R L, Oliveira J C, McCarthy K L. Influence of operating conditions on the extent of enzymatic conversion of rice starch in wet extrusion [J]. LWT-Food Science and Technology, 1997, 30(1): 50-55

[17]Tomas R L, Oliveira J C, McCarthy K L. Rheological modelling of enzymatic extrusion of rice starch [J]. Journal of Food Engineering, 1997, 32(2): 167-177

[18]陳善峰.低溫擠壓加酶大米作啤酒輔料的試驗研究[D].保

定:河北農(nóng)業(yè)大學,2012

CHEN Shan-feng. The experimental study on rice added with enzymes extruded at low temperature used as beer adjunct[D]. Baoding: Agricultural University of Hebei, 2012

[19]馬成業(yè).低溫擠壓添加淀粉酶的脫胚玉米生產(chǎn)糖漿的糖化

試驗研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學,2010 MA Cheng-ye. Saccharification experiment study on degermed corn added with amylase extruded at low temperature for production syrup [D]. Harbin: Northwest Agricultural University, 2010

[20]張波.雙螺桿擠壓機螺桿作用表征研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學院,2010 ZHANG Bo. Characterization study on screw function of twin screw extruder [D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Science, 2010

[21]Zhang B, Xie F, Zhang T, et al. Different characteristic effects of ageing on starch-based films plasticised by 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate and by glycerol [J].Carbohydrate Polymers, 2016, 146: 67-79

[22]Xie F, Flanagan B M, Li M, et al. Characteristics of starch-based films plasticised by glycerol and by the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate: a comparative study [J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 111: 841-848

[23]Xie F W, Yu L, Liu H S, et al. Starch modification using reactive extrusion [J]. Starch-Starke, 2006, 58(3-4): 131-139