加酶挤压生产淀粉基脂肪替代品的研究

冯秋娟 肖志刚

(东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030)

加酶挤压生产淀粉基脂肪替代品的研究

冯秋娟 肖志刚

(东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030)

为了研究加酶挤压法生产淀粉基脂肪替代品的可行性，以玉米淀粉为原料，以DE值为指标，利用双螺杆挤压机研究物料水分、机筒温度、螺杆转速、加酶量对DE值的影响;在单因素的基础上，采用响应面分析法作图分析。结果表明:按照研究操作条件，加酶挤压法可以生产淀粉基脂肪替代品(DE值为2.882～9.963)。加酶量和物料水分对DE值的影响显著，螺杆转速对DE值的影响不明显，DE值随加酶量和物料水分的增加而增大，随机筒温度的增加先增大后减小。

加酶挤压 DE值 脂肪替代品 双螺杆挤压机

脂肪模拟物是一类加入到低脂或无脂食品中，能够模拟脂肪的部分物理和化学性质，使得产品具有与同类全脂食品相同或相近的感官效果，并使食品提供的总能量降低的物质［1］。淀粉初步水解DE值较小并能形成一定黏度的凝胶，即可作为脂肪模拟物［2］，DE值在3～5之间的产品具有类似脂肪的性质［3］。

近年来挤压膨化技术已应用于淀粉深加工领域中，并且具有能耗低，反应时间短，生产效率高等特点，引起人们的重视［4－5］。已有用挤压机作反应器制备淀粉磷酸酯、羧甲基淀粉、焦糖色素、麦芽糊精等的研究报道［6－8］，这些研究报道从不同的角度体现了挤压加工技术在淀粉深加工领域中的广泛应用和具有的潜在价值。研究人员采用加酶挤压技术在酒精发酵、淀粉糖等方面进行了深入研究［9－11］;利用挤压机作为连续酶生物反应器，分别对西米、小麦和米淀粉的酶法挤压进行了研究，制备出不同转化程度的淀粉水解产物［12－14］;文献检索尚未发现有关加酶挤压玉米淀粉生产淀粉基脂肪替代品的报导。本研究试图以玉米淀粉为原料，中温α－淀粉酶为外加酶制剂，研究低温(100℃)加酶挤压条件下生产淀粉基脂肪替代品的可行性和各挤压参数对DE值的影响，为加酶挤压技术在淀粉加工领域的应用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉(水分11%):长春大成实业集团有限公司;中温α－淀粉酶(酶活3 700 u/g):上海工硕生物技术有限公司;浓盐酸、亚铁氰化钾、酒石酸钾钠:广州化学试剂厂;亚甲基蓝:科盟化工有限公司;硫酸铜:北京市化学试剂厂;氢氧化钠:天津化学试剂一厂;葡萄糖:瑞士万通中国有限公司。

1.2 仪器与设备

DS32－Ⅱ型双螺杆挤压机:济南赛信膨化机械有限公司;GL－20B冷冻干燥机、DL－5－B低速离心机:上海安亭科学仪器厂;WZS－I阿贝折光仪:上海光学仪器厂;RE－52A型旋转蒸发仪:上海亚荣生化仪器厂;HH－4数显恒温水浴锅:江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;恒温干燥箱:上海科析试验仪器厂;粉碎机:北京市永光明医疗仪器厂;分析天平(精度0.1 mg):日本岛津公司。

DS32－Ⅱ型双螺杆挤压机:主机采用变频调速，螺杆转速为0～250 r/min无极可调;采用反馈式控温，在0～300℃连续可调，波动幅度为±2℃。其他参数:螺杆直径65 mm，螺杆长度1 008 mm，两螺杆中心距56 mm，螺杆长径比18，加工能力60～120 kg/h，电机功率22 kW。根据本试验用挤压机的工作原理和腔体内物料的运动特点，将挤压机内玉米淀粉的运动过程分为输送区、过渡区、模头区。挤压机主机各部分的结构示意图如图1所示。

图1 挤压机结构简图

1.3 试验方法

1.3.1 挤压制备操作

称取适量中温α－淀粉酶→配成悬浮液→与玉米淀粉充分混合→静置(20 min)→挤压→灭酶(100℃)→干燥→粉碎→称取适量粉碎样品于蒸馏水中→水浴加热30 min→离心20 min(3 600 r/min)→移取上清液→浓缩→冷冻干燥→产品

1.3.2 DE 值测定

DE(以葡萄糖计)=上清液中还原糖含量/上清液中总固形物含量×100%

还原糖测定参照斐林试剂法测定;可溶性固形物采用阿贝折光仪法测定。

1.3.3 凝胶强度的测定

取不同DE值的样品，分别在90℃下配制成25%的溶液，取20 mL转移至25 mL玻璃烧杯中，4℃下放置约24 h形成凝胶后，采用TA－XT2i质构仪测定凝胶性质。探头型号P/0.5;下压速度2.0 mn/s，接触凝胶后速度1.0 mm/s:提升速度2.0 mm/s。其中凝胶硬强度指第一次穿破样品时的压力峰值。每个DE值做3次平行试验，以平均值作为测定结果。

1.3.4 试验条件的选取

根据挤压机本身特点和中温α－淀粉酶的特性确定单因素试验的范围:因为淀粉酶最适温度是65 ～70 ℃，考虑到淀粉的糊化性，选择60、70、80、90、100℃ 5个温度;加酶量过少达不到预期效果，过多又会使葡萄糖发生复合反应，使产品得率降低，同时成本也会增加，因此加酶量选 1、3、5、7、9 u/g;保证一定的水分酶活性才能充分发挥，水分也不能太高，否则物料由于流动性的加强会弱化挤压机对物料的剪切作用，所以确定物料含水量20%、25%、30%、35%、40%;为保证淀粉酶与玉米淀粉在挤压机中充分接触，产生一定的生化反应，转速选取100、120、140、160、180 r/min。以 DE 值为指标，展开试验。

1.3.5 试验设计

以物料水分、机筒温度、螺杆转速、加酶量为考察因素，以DE值为指标，在单因素研究的基础上采用4因素5水平二次旋转正交设计进行试验。因素水平编码表见表1。

表1 因素水平编码表

2 结果与讨论

2.1 单因素结果分析

2.1.1 水分对DE值的影响

由图2可知，随着水分的增加DE值逐渐增加，在30%时达到最大，之后随着水分的增加DE值变化不明显。由于水分在40%时，挤压出的样品很难收集，又考虑到淀粉挤压成型问题，因此正交试验确定水分在25%～37%之间取值。

图2 物料水分对DE值的影响

2.1.2 机筒温度对DE值的影响

由图3可知，温度在60～70℃时，DE值呈直线上升趋势，之后随着温度的升高，DE值逐渐下降并趋于稳定趋势，可能是随着温度的升高，酶活性逐渐消失的缘故。考虑到酶的最适作用范围(65～70℃)和挤压机本身的特点，正交试验时确定温度在60～80℃间取值。

图3 机筒温度对DE值的影响

2.1.3 螺杆转速对DE值的影响

由图4可知，随着螺杆转速的增加，DE值没有明显变化，考虑到加酶挤压和挤压机本身的特点，转速不能太快也不能太慢，因此正交试验时螺杆转速可在80～160 r/min间取值。

图4 螺杆转速对DE值的影响

2.1.4 加酶量对DE值的影响

由图5可知，随着加酶量的增加，DE值逐渐增加，后来趋于平缓，可能是随着酶的增加，原料、水分和酶能充分接触发生反应，但是加酶量增加到一定程度，挤压出来的样品几乎不成型，因此正交试验时确定加酶量在1～5 u/g间取值。

图5 加酶量对DE值的影响

2.2 正交试验结果分析

在单因素研究的基础上，进一步采用4因素5水平二次旋转正交组合试验，依照表1的水平编码值，试验安排与试验数据如表2所示。

表2 试验安排及试验数据

表2中实测数据 DE值处于2.882～9.963占50%以上，说明可以通过对低温加酶挤压法挤压参数的控制，实现淀粉基脂肪替代品的获得。

通过其响应面回归过程对试验数据进行处理，建立描述DE值的回归数学模型，分析各因素对DE值的影响，其中物料水分的一次项和二次项、加酶量的一次项、机筒温度的二次项对DE值影响显著，经整理得到反应各试验参数与DE值关系的回归方程为:

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

回归方程的相关系数 R2=90.13%，F=9.76。回归方程中各因素之间存在一定交互作用，这与Tomas等［9］研究结论一致，为挤压加工参数的控制提供了可靠性依据。

回归方程的方差分析见表3。

表3 方差分析表

由表3 可知，F1＞ F0.05(20，15)=2.33，说明回归方程的模型较好，在0.05水平是显著的，可用于预测和分析响应值;又 F2＜ F0.05(6，9)=3.37，说明方程在0.05水平失拟检验不显著，拟合的好，即试验数据与所采用的二次数学模型是相符合的，试验得出的回归模型是合理的;影响DE值的主要因素依次为加酶量＞物料水分＞机筒温度＞螺杆转速，其中物料水分和加酶量较显著。

2.3 各因素的交互作用对DE值的影响

2.3.1 物料水分和机筒温度的交互作用

由图6可知，物料水分和机筒温度的交互作用不明显，DE值随着物料水分的增加，逐渐升高，变化趋势明显，而随机筒温度的增加变化不明显，在70℃时达到最大，而后开始降低，可能是酶活性降低所致。

图6 物料水分和机筒温度的交互作用对DE值的影响

2.3.2 物料水分和螺杆转速的交互作用

由图7可以看出，在试验选取的范围内，随着物料水分的增加，DE值逐渐变大，趋势明显，可能是随着水分的增加，有利于酶促反应;而随着螺杆转速的增加，DE值几乎没有变化，可能是在此过程机械剪切力降低和酶促反应时间短造成的。

图7 物料水分和螺杆转速的交互作用对DE值的影响

2.3.3 加酶量和物料水分的交互作用

由图8可知，在试验选取的范围内，DE值随着加酶量和物料水分的增加而增加，并且二者呈相同趋势变化，可能是随着水分的增加，α－淀粉酶与玉米淀粉能充分接触，使反应更加充分。这与Govindasamy等［10］研究的结论相同。

图8 加酶量和水分的交互作用对DE值的影响

2.3.4 螺杆转速和机筒温度的交互作用

图9 机筒温度和螺杆转速的交互作用对DE值的影响

由图9可知，随着螺杆转速的增加，DE值几乎没有变化;而随着机筒温度的增加DE值先增加后减小，可能是随着温度的升高，酶活性逐渐增强，DE值逐渐变大，当超过最适温度时，酶活性降低，DE值减小，这与等 Chouvel［15］研究结论相同。

2.3.5 加酶量和机筒温度的交互作用

由图10可知，在试验选取的范围内，DE值随着加酶量的增加逐渐上升，趋于直线上升;而随着温度的增加变化不太明显。

图10 加酶量和机筒温度的交互作用对DE值的影响

2.3.6 加酶量和螺杆转速的交互作用

由图11可知，螺杆转速对DE值的影响不显著，而在不同的物料水分、机筒温度、螺杆转速条件下，随着加酶量的增加，DE值呈直线上升，并且变化趋势明显。从而证明加酶量是DE值的主要影响因素。这与Curic等［16］研究结果一致。

图11 加酶量和螺杆转速的交互作用对DE值的影响

2.4 验证试验设计及结果

为了进一步考察回归方程的可靠性，在试验选取的参数范围内选取3组具有代表性的挤压工艺参数，比较回归方程和试验测得的DE值预测值和实际值结果;为了比较未加酶和加酶挤压后产品的DE值的变化，分别选取以上3组挤压工艺参数进行未加酶挤压试验，测定其DE值，结果见表4。

表4表明，3组经回归方程预测的DE值均在表2中试验数据范围内，并且各组试验DE值的预测值与实测值的相对误差均小于5%，进一步说明上式中的回归方程是可靠的，可以通过回归方程预测试验结果;另外，表4中数据还表明，相同挤压条件下采用加酶挤压的产品DE值较大，原因可能是在挤压过程中，淀粉酶、物料和水分3者接触充分，淀粉酶在机体中发挥其“过程活性”，将部分淀粉酶解的缘故，这与Grafelman等［17］所报道加酶挤压有利于淀粉降解的结论是相符合的。本研究表明外加酶可以在挤压过程中对淀粉产生降解作用，从而增大了挤压法生产低DE值麦芽糊精结果的可选数值范围，为获取不同DE值的淀粉降解产物，尤其是淀粉基脂肪替代品提供了基础数据。

表4 验证及对照试验

3 淀粉基脂肪模拟物凝胶性质的测定分析

由图12可知，随着DE值的增加，模拟物的凝胶强度逐渐降低，开始形成的凝胶较硬，DE值为2.0～3.0的麦芽糊精形成相对稳定网状结构的弱凝胶，而DE值为5.0的麦芽糊精形成的凝胶比较弱，DE值为6.0的麦芽糊精形成的凝胶则是更弱了。当DE值大于6.4时几乎不能形成凝胶。因此，低DE值的产品适合做脂肪模拟物。

图12 不同DE值脂肪模拟物的凝胶强度

4 结论

以双螺杆挤压机作为连续酶反应器，采用低温加酶挤压的方法可以得到低DE值(DE值为2.882～9.963)的淀粉基脂肪替代品，为进一步研究玉米淀粉不同程度的水解产物提供一定的理论基础;挤压工艺参数各因素对DE值的影响顺序为:加酶量＞物料水分＞机筒温度＞螺杆转速。

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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

教育部新世纪优秀人才基金(NCET－07－0251)，哈尔滨市科技创新人才基金(2007RF QXN019)

2010－10－26

冯秋娟，女，1982年出生，硕士，粮食、油脂及植物蛋白工程

肖志刚，男，1972年出生，教授，硕士生导师，农产品加工