雙螺桿擠壓溫度對山藥粉理化性質(zhì)和體外消化性的影響

1、PAGE PAGE - 9 -雙螺桿擠壓溫度對山藥粉理化性質(zhì)和體外消化性的影響近年來，山藥粉因其有益健康的功效而在飲食中得到廣泛應(yīng)用。但以其原產(chǎn)的形式，山藥粉在食品行業(yè)的應(yīng)用范圍有限。因此，迫切需要對山藥粉進(jìn)行改性。擠壓技術(shù)是20世紀(jì)興起的一種經(jīng)濟(jì)實用的新型加工技術(shù)，物料在擠壓過程中，受到溫度、濕度、壓力和機(jī)械剪切的共同作用，使其組織結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化，具有高效、連續(xù)、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)1。擠壓處理在玉米、馬鈴薯和豌豆等谷類作物的應(yīng)用由于其改善理化特性和方便加工而受到廣泛歡迎。據(jù)報道，擠出后淀粉的崩解值降低，可用于具有較高熱穩(wěn)定性的產(chǎn)品，降低產(chǎn)品的老化趨勢2。擠壓豌豆粉的慢消化淀粉含量升高，

2、有助于預(yù)防糖尿病和肥胖3。擠壓后綠豆粉的最終黏度和回生黏度值降低，有利于提高面條的品質(zhì)4。王超5研究了擠壓對豌豆粉加工特性的影響，發(fā)現(xiàn)擠壓后豌豆粉的溶解度增加，并且隨著加工溫度的升高，溶解度逐漸升高。在溫度為150時，豌豆粉的耐熱耐剪切力最強(qiáng)，熱糊和冷糊的穩(wěn)定性較好。然而，關(guān)于擠壓技術(shù)對山藥粉性質(zhì)的影響的報道較少,有必要進(jìn)一步研究擠壓處理對山藥粉理化性質(zhì)和消化性能的影響。本試驗旨在研究擠壓溫度對山藥粉理化性質(zhì)的影響，對山藥粉擠出物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、熱性能、流變學(xué)特以及體外消化性進(jìn)行了表征。研究結(jié)果將有利于更清晰地了解擠壓處理對山藥粉結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，擴(kuò)大山藥粉的應(yīng)用范圍。1材料與方法1.1材料與試劑

3、鐵棍山藥片為市售；豬胰酶(P7545)、淀粉葡萄糖苷酶(A7095)，美國Sigma公司；GOPOD葡萄糖試劑盒，愛爾蘭Megazyme公司。其他試劑均為國產(chǎn)分析純。1.2儀器與設(shè)備Process11臺式同向雙螺桿擠出實驗機(jī)，德國Thermo公司；BrukerD8X-射線衍射儀，德國Bruker公司；DSCQ20差示掃描量熱儀、DiscoveryHR-1旋轉(zhuǎn)流動儀，美國TA公司；UV-1800型紫外可見分光光度計，上海美譜達(dá)儀器有限公司。1.3實驗方法1.3.1制備擠壓山藥粉使用高速粉碎機(jī)將山藥片粉碎，過100目篩然后裝袋保存?zhèn)溆谩７Q取粉碎的山藥粉50g，加入蒸餾水調(diào)節(jié)含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)至30%，螺

4、桿轉(zhuǎn)速為180r/min，對山藥粉進(jìn)行擠壓處理，擠壓溫度分別為90、100、110、130。將擠出物放入烘箱，40干燥24h，粉碎過100目篩，裝入密封袋保存。1.3.2X射線衍射分析將適量山藥粉置于圓形盤的螺紋中壓平。樣品檢測采用Cu-K輻射探測器，測試條件為：管壓40kV，管流40mA，2/min的掃描速度，掃描范圍為535，采樣步長為0.02，連續(xù)掃描方式。使用Jade6軟件計算樣品的相對結(jié)晶度。1.3.3熱特性測定稱取山藥粉(干基)3mg，加入蒸餾水至10mg，在鋁盤中密封，室溫平衡12h。差示掃描量熱儀用金屬銦校準(zhǔn)，并用空鋁盤作為對照。在20120測量樣品熱特性，升溫速率為10/mi

5、n。獲得山藥粉的起始糊化溫度(To)、峰值糊化溫度(Tp)、終止糊化溫度(Tc)和糊化焓(H)。1.3.4溶解度和膨脹度的測定溶解度(S)和膨脹度的測定采用JIANG等6的研究方法稍微修改后進(jìn)行計算。將山藥粉配制成20g/L的淀粉乳液，在95水浴中加熱攪拌30min，冷卻至室溫，在3000r/min條件下離心30min，然后將上清液倒入稱重過的蒸發(fā)皿中。將沉淀稱重得到膨脹度，計算如公式(1)所示：膨脹度(1)式中：SW表示沉淀質(zhì)量，g；W表示樣品質(zhì)量，g；S表示溶解度，%。上清液在105烘干至穩(wěn)定質(zhì)量，用烘干固體的重量得到溶解度計算如公式(2)所示：溶解度(2)式中：DS表示上清液干重，g；W

6、表示樣品質(zhì)量，g。1.3.5流變學(xué)特性分析采用Discovery流變儀測定擠壓處理前后山藥粉的流變行為。采用平板系統(tǒng)測試，探頭直徑40mm，間隙1mm。測量前，樣品在25下平衡5min，流變學(xué)測量在(250.01)進(jìn)行7。將制備的淀粉糊放在平板模具上，對其進(jìn)行切邊處理，在邊緣空隙處涂抹甲基硅油，防止樣品在測定過程中水分蒸發(fā)。1.3.5.1振幅掃描采用OscillationFrequency模式，將溫度恒定在25條件下，設(shè)定掃描頻率為1Hz，剪切應(yīng)變范圍為0.01%100%，測定儲能模量(G)、損耗模量(G)隨應(yīng)變振幅變化的關(guān)系曲線。1.3.5.2動態(tài)頻率掃描設(shè)定應(yīng)變?yōu)?%，在0.110Hz的動

7、態(tài)頻率范圍內(nèi)測定樣品的動態(tài)流變數(shù)據(jù)，測定山藥粉凝膠的G、G和損耗角正切(tan)。1.3.6體外消化特性分析根據(jù)ENGLYST等8的方法，對山藥粉體外消化性的測定進(jìn)行了稍微修改。準(zhǔn)確稱取200mg山藥粉(干重)放入濃度為0.1mol/L的醋酸鈉緩沖液中，加入豬胰酶和淀粉葡萄糖苷酶混合液，振蕩水解。在20、120min時取水解液，加入乙醇滅酶，離心10min。取上清液，并加入GOPOD試劑，水浴顯色20min，510nm處測定吸光度。另取標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液和蒸餾水進(jìn)行同樣處理，分別作為標(biāo)準(zhǔn)和空白對照。根據(jù)樣品和標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖的吸光度，分別計算快消化淀粉(rapidlydigestiblestarch,R

8、DS)、慢消化淀粉(slowlydigestiblestarch,SDS)和抗消化淀粉(resistantstarch,RS)的含量，計算如公式(3)公式(5)所示：RDS=(G20-FG)0.9(3)SDS=(G120-G20)0.9(4)RS=TS-(RDS+SDS)(5)式中：TS為樣品中總淀粉含量，%；G20為水解20min后的葡萄糖含量，%；G120為水解120min后的葡萄糖含量，%；FG為樣品中游離葡萄糖含量，%。1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析所有實驗均重復(fù)3次，數(shù)據(jù)采用平均值標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用Origin9.0軟件作圖。統(tǒng)計分析采用SPSS26.0軟件，方差分析采用Duncan多重比較法進(jìn)

9、行顯著性檢驗(P0.05)。2結(jié)果與分析2.1擠壓溫度對山藥粉晶體結(jié)構(gòu)的影響山藥粉的X射線衍射圖如圖1所示，山藥粉在2為15.1、17.2、18.5、23.2出現(xiàn)特征峰，晶體結(jié)構(gòu)呈A型。擠壓處理后山藥粉形成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在2為12.9和19.9時出現(xiàn)新的峰，表明擠壓處理后山藥粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)呈V型。這可能是因為在擠壓過程中淀粉與脂質(zhì)形成了復(fù)合物，致使山藥粉的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變9-10。由圖1可知，隨著擠壓溫度的升高，山藥粉的晶體結(jié)構(gòu)受到破壞，結(jié)晶度從38.9%下降至等11獲得的擠壓馬鈴薯淀粉的X射線衍射圖譜中顯示淀粉的結(jié)晶度大幅減少反映出晶體結(jié)構(gòu)受到過度破壞。然而，在不同的加工溫度下，擠出山藥粉的衍

10、射圖譜發(fā)生了輕微的變化，結(jié)晶區(qū)域面積減小，結(jié)晶度下降，結(jié)果與YANG等12結(jié)果一致。圖1山藥粉的X-射線衍射圖Fig.1XRDimagesofyamflour2.2擠壓溫度對山藥粉熱特性的影響山藥粉的熱特性如表1所示，擠壓處理改變了樣品的糊化溫度(To、Tp和Tc)，尤其是H，而且這種變化與樣品擠壓溫度有關(guān)。擠出山藥粉的To和Tp值顯著增加(P0.05)，這可能是由于擠壓過程中易糊化淀粉先糊化，溫度越高，未糊化淀粉減少，晶體結(jié)構(gòu)緊密度更高，糊化溫度越高，穩(wěn)定性越好13。擠壓使山藥粉的H降低，隨著加工溫度的升高，H從8.44J/g降至1.61J/g。H的變化與淀粉顆粒結(jié)晶度有直接關(guān)系14，擠壓處

11、理破壞了淀粉的結(jié)晶部分，淀粉分子從有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序狀態(tài)，因此需要很少的能量就可以使淀粉發(fā)生變化。表1擠壓對山藥粉熱學(xué)性質(zhì)的影響Table1Influenceofextrusiononthermalpropertiesofyamflour注：不同小寫字母表示差異顯著(P0.05)(下同)2.3擠壓溫度對山藥粉溶解度和膨脹度的影響溶解度反應(yīng)擠壓過程中淀粉的轉(zhuǎn)化程度和分子結(jié)構(gòu)的降解；此外，它還反映了淀粉聚合物釋放的可溶性多糖的數(shù)量9,15。如表2所示，山藥粉的溶解度為21.17%57.39%，擠壓后山藥粉的溶解度升高，并且隨著擠壓溫度的升高，溶解度增大。這可能是因為擠壓過程中淀粉發(fā)生降解導(dǎo)致可溶性多糖

12、釋放量的增加，從而增加了山藥粉的溶解度16。膨脹度表示淀粉在一定量的水中分散后的持水能力，另外，它還決定了淀粉在水中的穩(wěn)定性17。擠壓處理后山藥粉的膨脹度比天然山藥粉的低。擠壓溫度對山藥粉的膨脹度有顯著影響(P0.05)，較高溫度處理后的山藥粉的膨脹度低于較低溫度擠壓的山藥粉。擠壓溫度為130時，膨脹度最低。這可能是淀粉聚合物在擠壓處理過程中發(fā)生降解，結(jié)構(gòu)受到破壞，從而降低吸水率。SINGH等18認(rèn)為，擠壓溫度越高，淀粉的降解和糊化程度越高，膨脹度越低。表2擠壓對山藥粉溶解度和膨脹度的影響Table2Influenceofextrusiononsolubilityandswellingdegr

13、eeofyamflour2.4擠壓溫度對山藥粉流變學(xué)特性的影響G用于表示淀粉糊的彈性特征，反映樣品的變形程度；G表示淀粉糊的黏性特征，反映阻礙物料流動的性質(zhì)。由圖2可知，隨著頻率的增加，山藥粉的G始終大于G，表現(xiàn)為弱凝膠狀態(tài)，既存在凝膠的彈性，又有淀粉糊的黏性。擠壓處理后山藥粉的黏性和彈性均有所下降，這可能是因為擠壓使山藥粉的有序結(jié)構(gòu)降低，形成了弱的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而降低了凝膠強(qiáng)度19。隨著擠壓溫度的升高，山藥粉的G和G在頻率范圍內(nèi)整體呈下降趨勢，這可能與溫度上升使淀粉降解程度更嚴(yán)重，從而降低黏度有關(guān)。損失因子tan(G與G比值)隨溫度升高而增加，說明山藥粉的流體性質(zhì)增強(qiáng)，凝膠強(qiáng)度較弱20。在山藥

14、粉的流變體系中，蛋白質(zhì)也會起一定作用，其在頻率掃描下，會發(fā)生一定的重排導(dǎo)致蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，但山藥粉中淀粉和蛋白質(zhì)的相互作用還需要進(jìn)一步研究。2.5擠壓溫度對山藥粉體外消化性的影響由表3可知，擠壓后山藥粉的快消化淀粉和慢消化淀粉含量升高，抗性淀粉含量下降。高溫擠壓過程對山藥粉施加的高剪切作用力，在含水分的條件下，導(dǎo)致山藥粉糊化程度提高，結(jié)構(gòu)遭到破壞，結(jié)晶度下降，從而增加了山藥粉對酶的敏感性，提高了山藥粉的消化率21。SDS緩慢消化能夠降低葡萄糖進(jìn)入血液中的速度，可以預(yù)防糖尿病和肥胖，有利于人類健康。在處理溫度為90130時，山藥粉的SDS含量顯著增加，在90時最高，達(dá)到34.86%。說明擠

15、壓山藥粉可以用于保健食品4。RS是一種不能在小腸中消化的膳食纖維，擠壓處理降低了淀粉的結(jié)晶度，淀粉晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，RS含量降低。隨著擠壓溫度的升高，RS含量無顯著性變化，SDS含量減少，這可能是因為高溫使淀粉糊化導(dǎo)致淀粉結(jié)構(gòu)完全破壞而使RDS含量升高22。此外，擠壓溫度越高，對山藥粉結(jié)構(gòu)的破壞越明顯。a-儲能模量；b-損耗模量；c-tan圖2擠壓對山藥粉儲能模量(G)和損耗模量(G)的影響Fig.2Influenceofextrusiononstoragemodulus(G)andlossmodulus(G)ofyamflour表3擠壓對山藥粉體外消化性的影響Table3Influenceofextrusiononvitrodigestibilityofyamflour3結(jié)論與討論本研究表明，擠壓溫度對山藥粉的結(jié)構(gòu)、熱特性、溶解性、膨脹性、流變學(xué)特性以及體外消化性等特性產(chǎn)生不同的影響。130為最佳擠壓溫度。擠壓破壞了山藥粉的結(jié)構(gòu)，致使其結(jié)晶度降低。隨著擠壓溫度的升高，山藥粉的糊化焓降低，淀粉性質(zhì)更穩(wěn)定，不易發(fā)生凝膠化。溶解度影響加工性能，對產(chǎn)品的功能特性有很大影響。擠壓后山藥粉的溶解度升高，膨脹度下降。隨著溫度上升，山藥粉的溶解度顯著增加，滿足