王猛，陳炫宏，董雷超，嵇威，南希駿，周泉城

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，農(nóng)產(chǎn)品功能化技術(shù)山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東淄博 255049）

淀粉是最常見的天然聚合物，主要存在于植物中，是自然界最豐富的的可再生資源[1]。根據(jù)消化特性[2]，淀粉通常分為快速消化淀粉（rapidly digestible starch，RDS），慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS），及抗性淀粉（resistant starch，RS）。其中SDS，RS對(duì)人體健康有著積極影響，如控制血糖，減少餐后的游離脂肪酸及氧化應(yīng)激反應(yīng)[3,4]。同時(shí)，RS在人體腸道內(nèi)被腸道菌群發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸調(diào)節(jié)人體的代謝反應(yīng)，降低患結(jié)腸炎的風(fēng)險(xiǎn)[3,5]。

豌豆具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，主要成分為淀粉、蛋白等。豌豆中的淀粉含量約為40%~65%，其中直鏈淀粉約占總含量的35%~65%[6]。但高含量的直鏈淀粉存在糊化時(shí)吸水膨脹力差，易回生的問題；同時(shí)，豌豆長(zhǎng)支鏈淀粉在支鏈淀粉中的比例更高。這些結(jié)構(gòu)特征表明豌豆淀粉是改性制備慢消化淀粉、抗性淀粉的最佳原料之一[7]。許多加工工藝在制備抗性淀粉方面取得重大進(jìn)展，包括濕熱處理、微波、擠壓、超聲、酶解等[8,9]。擠壓膨化加工技術(shù)是集混合，攪拌，破碎，加熱，殺菌，膨化及成型為一體的技術(shù)，由于其具有效率高，處理量大，易于產(chǎn)業(yè)化的顯著優(yōu)勢(shì)[10]，自1940年代以來(lái)，已廣泛用于食品加工，淀粉降解等行業(yè)[11,12]。左慧玉[13]等人利用雙螺桿擠壓菠蘿蜜種子淀粉，發(fā)現(xiàn)其抗性淀粉含量降低，淀粉結(jié)構(gòu)由致密結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷啥嗫椎亩嗝骟w結(jié)構(gòu)；戚明明[12]等人對(duì)豌豆淀粉雙螺桿擠壓，在水分含量為25%的情況下，SDS的含量可以達(dá)到34.41%，并且發(fā)現(xiàn)擠出物的凝膠特性增強(qiáng)，擠壓的豌豆淀粉溶液為假塑性流體。

本研究以豌豆淀粉為研究對(duì)象，通過單螺桿擠壓工藝對(duì)其改性，探索對(duì)其消化特性的影響，同時(shí)研究豌豆抗性淀粉的結(jié)構(gòu)特性及黏度特性，拓寬豌豆淀粉的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豌豆淀粉，煙臺(tái)雙塔食品股份有限公司；糖化酶、豬胰腺α-淀粉酶，上海愛純生物科技有限公司；其余試劑均為分析純。

單螺桿擠壓機(jī)，山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品精深加工中心；UV-2102PCS型紫外分光光度計(jì)，尤尼柯儀器有限公司；D8 ADVANCE多晶X-射線衍射儀，Brucker AXS公司；Quanta 250掃描電鏡，F(xiàn)EI公司；RVA4500快速黏度測(cè)定儀，澳大利亞波通儀器有限公司。

1.2 豌豆淀粉單螺桿擠壓

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由前期預(yù)實(shí)驗(yàn)確定豌豆淀粉水分含量、擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、擠壓機(jī)擠出筒溫度為影響因素，每組取2 kg豌豆淀粉按表1進(jìn)行擠壓操作。擠出物室溫下風(fēng)干，粉碎過100目篩備用。

1.3 改性淀粉性質(zhì)研究

1.3.1 改性淀粉消化特性研究

淀粉消化特性測(cè)定根據(jù)Englyst法加以改動(dòng)[2]。計(jì)算公式如下：

其中：G20是反應(yīng)20 min葡萄糖釋放量，G120是反應(yīng)120 min葡萄糖釋放量，F(xiàn)G淀粉中游離葡萄糖量，TS淀粉的總質(zhì)量。

1.3.2 改性淀粉純化

將1.3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果中抗性淀粉含量最高的組進(jìn)行純化。取定量改性淀粉，蒸餾水溶解，檸檬酸-磷酸氫二鈉溶液調(diào)pH到6.0~7.0，加過量耐高溫α-淀粉酶90 ℃水浴振蕩2 h，沸水浴10 min，加4倍體積95%乙醇，沉淀4 h后4000 r/min離心15 min，棄上清液。再用95%乙醇溶液洗滌沉淀2~3次，4000 r/min離心15 min，棄上清液，50 ℃干燥，粉碎過100目篩得樣品備用。

1.3.3 微觀形態(tài)測(cè)定

采用掃描電子顯微鏡觀察淀粉的微觀形態(tài)[14]，將樣品粉末用導(dǎo)電兩面膠紙固定在樣品座上，真空鍍膜儀噴鍍導(dǎo)電層。加速電壓5 kV，放大倍數(shù)2000倍下觀察樣品。

1.3.4 X-射線衍射（XRD）測(cè)定

參考馮傳興[14]的方法，將樣品粉末置于鋁片15 mm×20 mm×1.5 mm的孔中，壓緊，射線衍射測(cè)試。XRD的測(cè)試條件為：掃描范圍：3~50°；測(cè)角精度：2θ≤±0.01°；角分辨率：FWHM ≤±0.1；角度重現(xiàn)性：±0.0001°。

1.3.5 快速黏度性質(zhì)測(cè)定

通過快速黏度儀RVA分析淀粉糊化特性的差異[15]，稱取2.00 g淀粉（干基），20 mL蒸餾水混勻，50 ℃下960 r/min保持1 min；以10 ℃/min升溫速率升至95℃，95 ℃下保溫3 min；以10 ℃/min降溫速率降至50℃，保溫3 min，獲得淀粉的黏度曲線。其中，程序升溫至結(jié)束，轉(zhuǎn)速均160 r/min。

1.3.6 統(tǒng)計(jì)分析方法

每個(gè)試驗(yàn)3次重復(fù)，結(jié)果表示為平均數(shù)±SD。SPSS 19.0分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 消化特性測(cè)定

由表2可知，未處理的豌豆淀粉中RDS、SDS和RS的含量分別為64.42%、7.88%、27.28%。經(jīng)過單螺桿擠壓后，豌豆淀粉中的RDS含量顯著性降低，其SDS與RS含量有不同程度的升高，這與擠壓的工藝參數(shù)有關(guān)。

表2 改性淀粉RDS、SDS、RS含量表Table 2 Content of modified starch RDS, SDS and RS

在物料水分由18%升至30%過程中，其RS的含量也隨著水分的升高而提高，在物料水分達(dá)到30%的時(shí)候，RS、SDS含量分別達(dá)到70.47%，18.49%。水分含量越高，淀粉粒膨脹越充分，糊化的程度也越高，且高水分含量降低了淀粉黏度，直鏈淀粉分子可以相互接近，進(jìn)而有利于雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成和結(jié)晶過程，從而提高擠壓后淀粉的慢消化淀粉及抗性淀粉的含量，這與李俊偉[16]等人的研究結(jié)果相似。螺桿轉(zhuǎn)速的快慢決定了物料在筒內(nèi)的停留時(shí)間，從而影響到淀粉顆粒的受熱受力程度及糊化度。結(jié)果顯示，螺桿轉(zhuǎn)速不斷提高的過程中，RS的含量是呈降低趨勢(shì)的，且在高轉(zhuǎn)速100、120 r/min之間差異不顯著（p>0.05）。擠出溫度由70 ℃升至130℃的過程中，RDS含量呈現(xiàn)一種先升高后降低的趨勢(shì)，都顯著低于未處理的豌豆淀粉（p<0.05）；且RS含量是在70 ℃的達(dá)到78.83%。

豌豆淀粉在擠壓過程中，一方面水分含量升高，水分子進(jìn)入到淀粉顆粒中破壞分子間的氫鍵，淀粉顆粒膨脹，結(jié)晶區(qū)的淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)打開，直鏈淀粉析出。另一方面，淀粉還受高剪切力的作用，強(qiáng)大的壓力也能夠破壞淀粉顆粒，加速糊化[16]。而且，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致淀粉發(fā)生降解導(dǎo)致抗性淀粉含量下降。

根據(jù)消化特性的結(jié)果，選取水分含量26%，螺桿轉(zhuǎn)速110 r/min，溫度70 ℃的豌豆淀粉擠出物為純化原料，觀察其微觀形態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)及黏度變化。

2.2 微觀形態(tài)測(cè)定

通過掃描電子顯微鏡觀察淀粉顆粒的形態(tài)學(xué)特性。如圖1所示，未擠壓的豌豆淀粉顆粒飽滿，形狀規(guī)則呈橢球狀，表面光滑；擠壓純化后的豌豆抗性淀粉形狀不規(guī)則呈塊狀結(jié)構(gòu)且表面呈片狀，顆粒尺寸較大。這是由于淀粉在擠壓過程中受到高溫高壓高剪切力的作用，直鏈和支鏈結(jié)構(gòu)遭到破壞，并且淀粉發(fā)生糊化現(xiàn)象致使顆粒之間緊密結(jié)合[17]。這一現(xiàn)象與沈丹[18]等人的研究結(jié)果相似。

圖1 豌豆淀粉與擠壓純化后抗性淀粉的SEM圖Fig.1 The SEM patterns of pea starch and extruded and purified resistant starch

2.3 XRD測(cè)定

淀粉晶體可分為A、B、C、V四種結(jié)晶類型，其中在X-衍射圖譜中，A型淀粉結(jié)晶在15°、17°、23°會(huì)有較強(qiáng)的衍射峰；B型淀粉結(jié)晶在5.6°、17°、22°、24°會(huì)有較強(qiáng)的衍射峰，C型淀粉結(jié)晶則是A型和B型的混合物；V型淀粉結(jié)晶多指糊化淀粉在12.5°、19.5°有較強(qiáng)的衍射峰[19,20]。Imberty[21]等闡明A型和B型結(jié)晶都具有標(biāo)準(zhǔn)雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，同時(shí)B型要比A型更加緊密。

圖2 可見豌豆淀粉在5°、15°、17°、22°處出現(xiàn)較強(qiáng)的衍射峰，屬于C型結(jié)晶，這與武俊超[22]的研究結(jié)果一致。在擠壓過程中，豌豆淀粉受到高溫高壓高剪切力作用，淀粉顆粒中的雙螺旋結(jié)構(gòu)展開，支鏈淀粉鏈遭到降解，晶體中的有序化程度也受到影響，體現(xiàn)在圖中17°、22°處的峰值降低。在19°處出現(xiàn)小峰，擠壓后的豌豆淀粉更偏向于V型結(jié)晶體，這在朱哲[23]等人研究得到印證。擠壓之后的豌豆淀粉晶型結(jié)構(gòu)符合抗性淀粉的晶型結(jié)構(gòu)，其高度的有序度增加了對(duì)α-淀粉酶的耐受性，因此降低了淀粉的消化率。其他位置處沒有出現(xiàn)衍射峰，說明淀粉擠壓過程中，沒有產(chǎn)生新的晶體結(jié)構(gòu)。

圖2 豌豆淀粉與擠壓純化后抗性淀粉的XRD圖Fig.2 The XRD patterns of pea starch and extruded and purified resistant starch

2.4 黏度性質(zhì)測(cè)定

RVA特征值主要反映淀粉的糊化性質(zhì)。直鏈淀粉的浸出量和顆粒溶脹會(huì)影響淀粉的峰值粘度等[24]。豌豆淀粉和擠壓純化抗性淀粉的黏度曲線和數(shù)據(jù)如圖3和表3所示。豌豆淀粉的峰值黏度、谷值粘度、最終黏度、回生值分別為1948.12 cP、1639.11 cP、2824.86 cP、1186.18 cP，糊化溫度為75.14 ℃，這與劉曉慶[6]等人研究結(jié)果相似；經(jīng)過擠壓純化的豌豆抗性淀粉的各項(xiàng)指標(biāo)都顯著降低（p<0.05），峰值黏度、谷值粘度、最終黏度、回生值分別為559.41 cP、474.38 cP、754.34 cP、280.33 cP，其黏度曲線也較為平滑。一方面，抗性淀粉在高溫下不會(huì)像淀粉顆粒那樣，發(fā)生吸水溶脹及崩解，使直鏈淀粉分子逸出，而能呈現(xiàn)淀粉的粘度特性[25]；另一方面，經(jīng)過擠壓，淀粉分子的大小、顆粒內(nèi)部分子排列的緊密程度及外界因素變化等也會(huì)造成這些糊化特性的差異[26,27]。

圖3 豌豆淀粉與擠壓純化后抗性淀粉的黏度曲線Fig.3 The viscosity curves of pea starch and extruded and purified resistant starch

表3 豌豆淀粉與純化抗性淀粉的黏度數(shù)據(jù)Table 3 The viscosity data of pea starch and extruded and purified resistant starch

3 結(jié)論

擠壓工藝參數(shù)的變化影響著豌豆淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉含量，在物料水分30%、螺桿轉(zhuǎn)速100 r/min、擠出溫度70 ℃下的擠出物抗性淀粉含量高達(dá)78.83%。在對(duì)經(jīng)過純化之后的豌豆抗性淀粉結(jié)構(gòu)及性質(zhì)測(cè)定結(jié)果來(lái)看，擠壓過程中高溫、高壓、高剪切力作用破壞了淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，使其顆粒緊密結(jié)合為不規(guī)則的塊狀顆粒，同時(shí)晶體類型轉(zhuǎn)化成更穩(wěn)定的V型晶體；從RVA數(shù)據(jù)中可以看出，豌豆抗性淀粉的峰值黏度、谷值粘度、最終黏度、回生值都顯著性下降，分別為分別為559.41 cP、474.38 cP、754.34 cP、280.33 cP，且黏度曲線較為平滑。本研究表明擠壓可以通過改變豌豆淀粉結(jié)構(gòu)、晶型，從而顯著改變豌豆淀粉組成和消化特性，這為豌豆淀粉改性研究提供新思路，豌豆淀粉高值化加工產(chǎn)品拓寬新領(lǐng)域，為開發(fā)相關(guān)功能性產(chǎn)品了提供了新材料，也為豌豆淀粉的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐工藝參數(shù)提供了參考。