挤压对豌豆淀粉的消化及理化特性评价

王猛，陈炫宏，董雷超，嵇威，南希骏，周泉城

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，农产品功能化技术山东省高校重点实验室，山东淄博 255049）

淀粉是最常见的天然聚合物，主要存在于植物中，是自然界最丰富的的可再生资源[1]。根据消化特性[2]，淀粉通常分为快速消化淀粉（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对人体健康有着积极影响，如控制血糖，减少餐后的游离脂肪酸及氧化应激反应[3,4]。同时，RS在人体肠道内被肠道菌群发酵，产生短链脂肪酸调节人体的代谢反应，降低患结肠炎的风险[3,5]。

豌豆具有极高的营养价值，主要成分为淀粉、蛋白等。豌豆中的淀粉含量约为40%~65%，其中直链淀粉约占总含量的35%~65%[6]。但高含量的直链淀粉存在糊化时吸水膨胀力差，易回生的问题；同时，豌豆长支链淀粉在支链淀粉中的比例更高。这些结构特征表明豌豆淀粉是改性制备慢消化淀粉、抗性淀粉的最佳原料之一[7]。许多加工工艺在制备抗性淀粉方面取得重大进展，包括湿热处理、微波、挤压、超声、酶解等[8,9]。挤压膨化加工技术是集混合，搅拌，破碎，加热，杀菌，膨化及成型为一体的技术，由于其具有效率高，处理量大，易于产业化的显著优势[10]，自1940年代以来，已广泛用于食品加工，淀粉降解等行业[11,12]。左慧玉[13]等人利用双螺杆挤压菠萝蜜种子淀粉，发现其抗性淀粉含量降低，淀粉结构由致密结构转变为疏松多孔的多面体结构；戚明明[12]等人对豌豆淀粉双螺杆挤压，在水分含量为25%的情况下，SDS的含量可以达到34.41%，并且发现挤出物的凝胶特性增强，挤压的豌豆淀粉溶液为假塑性流体。

本研究以豌豆淀粉为研究对象，通过单螺杆挤压工艺对其改性，探索对其消化特性的影响，同时研究豌豆抗性淀粉的结构特性及黏度特性，拓宽豌豆淀粉的应用范围。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

豌豆淀粉，烟台双塔食品股份有限公司；糖化酶、猪胰腺α-淀粉酶，上海爱纯生物科技有限公司；其余试剂均为分析纯。

单螺杆挤压机，山东理工大学农业工程与食品科学学院农产品精深加工中心；UV-2102PCS型紫外分光光度计，尤尼柯仪器有限公司；D8 ADVANCE多晶X-射线衍射仪，Brucker AXS公司；Quanta 250扫描电镜，FEI公司；RVA4500快速黏度测定仪，澳大利亚波通仪器有限公司。

1.2 豌豆淀粉单螺杆挤压

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由前期预实验确定豌豆淀粉水分含量、挤压机螺杆转速、挤压机挤出筒温度为影响因素，每组取2 kg豌豆淀粉按表1进行挤压操作。挤出物室温下风干，粉碎过100目筛备用。

1.3 改性淀粉性质研究

1.3.1 改性淀粉消化特性研究

淀粉消化特性测定根据Englyst法加以改动[2]。计算公式如下：

其中：G20是反应20 min葡萄糖释放量，G120是反应120 min葡萄糖释放量，FG淀粉中游离葡萄糖量，TS淀粉的总质量。

1.3.2 改性淀粉纯化

将1.3.1实验结果中抗性淀粉含量最高的组进行纯化。取定量改性淀粉，蒸馏水溶解，柠檬酸-磷酸氢二钠溶液调pH到6.0~7.0，加过量耐高温α-淀粉酶90 ℃水浴振荡2 h，沸水浴10 min，加4倍体积95%乙醇，沉淀4 h后4000 r/min离心15 min，弃上清液。再用95%乙醇溶液洗涤沉淀2~3次，4000 r/min离心15 min，弃上清液，50 ℃干燥，粉碎过100目筛得样品备用。

1.3.3 微观形态测定

采用扫描电子显微镜观察淀粉的微观形态[14]，将样品粉末用导电两面胶纸固定在样品座上，真空镀膜仪喷镀导电层。加速电压5 kV，放大倍数2000倍下观察样品。

1.3.4 X-射线衍射（XRD）测定

参考冯传兴[14]的方法，将样品粉末置于铝片15 mm×20 mm×1.5 mm的孔中，压紧，射线衍射测试。XRD的测试条件为：扫描范围：3~50°；测角精度：2θ≤±0.01°；角分辨率：FWHM ≤±0.1；角度重现性：±0.0001°。

1.3.5 快速黏度性质测定

通过快速黏度仪RVA分析淀粉糊化特性的差异[15]，称取2.00 g淀粉（干基），20 mL蒸馏水混匀，50 ℃下960 r/min保持1 min；以10 ℃/min升温速率升至95℃，95 ℃下保温3 min；以10 ℃/min降温速率降至50℃，保温3 min，获得淀粉的黏度曲线。其中，程序升温至结束，转速均160 r/min。

1.3.6 统计分析方法

每个试验3次重复，结果表示为平均数±SD。SPSS 19.0分析试验数据，Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 消化特性测定

由表2可知，未处理的豌豆淀粉中RDS、SDS和RS的含量分别为64.42%、7.88%、27.28%。经过单螺杆挤压后，豌豆淀粉中的RDS含量显著性降低，其SDS与RS含量有不同程度的升高，这与挤压的工艺参数有关。

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%过程中，其RS的含量也随着水分的升高而提高，在物料水分达到30%的时候，RS、SDS含量分别达到70.47%，18.49%。水分含量越高，淀粉粒膨胀越充分，糊化的程度也越高，且高水分含量降低了淀粉黏度，直链淀粉分子可以相互接近，进而有利于双螺旋结构的形成和结晶过程，从而提高挤压后淀粉的慢消化淀粉及抗性淀粉的含量，这与李俊伟[16]等人的研究结果相似。螺杆转速的快慢决定了物料在筒内的停留时间，从而影响到淀粉颗粒的受热受力程度及糊化度。结果显示，螺杆转速不断提高的过程中，RS的含量是呈降低趋势的，且在高转速100、120 r/min之间差异不显著（p>0.05）。挤出温度由70 ℃升至130℃的过程中，RDS含量呈现一种先升高后降低的趋势，都显著低于未处理的豌豆淀粉（p<0.05）；且RS含量是在70 ℃的达到78.83%。

豌豆淀粉在挤压过程中，一方面水分含量升高，水分子进入到淀粉颗粒中破坏分子间的氢键，淀粉颗粒膨胀，结晶区的淀粉分子双螺旋结构打开，直链淀粉析出。另一方面，淀粉还受高剪切力的作用，强大的压力也能够破坏淀粉颗粒，加速糊化[16]。而且，当温度过高时，会导致淀粉发生降解导致抗性淀粉含量下降。

根据消化特性的结果，选取水分含量26%，螺杆转速110 r/min，温度70 ℃的豌豆淀粉挤出物为纯化原料，观察其微观形态，晶体结构及黏度变化。

2.2 微观形态测定

通过扫描电子显微镜观察淀粉颗粒的形态学特性。如图1所示，未挤压的豌豆淀粉颗粒饱满，形状规则呈椭球状，表面光滑；挤压纯化后的豌豆抗性淀粉形状不规则呈块状结构且表面呈片状，颗粒尺寸较大。这是由于淀粉在挤压过程中受到高温高压高剪切力的作用，直链和支链结构遭到破坏，并且淀粉发生糊化现象致使颗粒之间紧密结合[17]。这一现象与沈丹[18]等人的研究结果相似。

图1 豌豆淀粉与挤压纯化后抗性淀粉的SEM图Fig.1 The SEM patterns of pea starch and extruded and purified resistant starch

2.3 XRD测定

淀粉晶体可分为A、B、C、V四种结晶类型，其中在X-衍射图谱中，A型淀粉结晶在15°、17°、23°会有较强的衍射峰；B型淀粉结晶在5.6°、17°、22°、24°会有较强的衍射峰，C型淀粉结晶则是A型和B型的混合物；V型淀粉结晶多指糊化淀粉在12.5°、19.5°有较强的衍射峰[19,20]。Imberty[21]等阐明A型和B型结晶都具有标准双螺旋结构基础，同时B型要比A型更加紧密。

图2 可见豌豆淀粉在5°、15°、17°、22°处出现较强的衍射峰，属于C型结晶，这与武俊超[22]的研究结果一致。在挤压过程中，豌豆淀粉受到高温高压高剪切力作用，淀粉颗粒中的双螺旋结构展开，支链淀粉链遭到降解，晶体中的有序化程度也受到影响，体现在图中17°、22°处的峰值降低。在19°处出现小峰，挤压后的豌豆淀粉更偏向于V型结晶体，这在朱哲[23]等人研究得到印证。挤压之后的豌豆淀粉晶型结构符合抗性淀粉的晶型结构，其高度的有序度增加了对α-淀粉酶的耐受性，因此降低了淀粉的消化率。其他位置处没有出现衍射峰，说明淀粉挤压过程中，没有产生新的晶体结构。

图2 豌豆淀粉与挤压纯化后抗性淀粉的XRD图Fig.2 The XRD patterns of pea starch and extruded and purified resistant starch

2.4 黏度性质测定

RVA特征值主要反映淀粉的糊化性质。直链淀粉的浸出量和颗粒溶胀会影响淀粉的峰值粘度等[24]。豌豆淀粉和挤压纯化抗性淀粉的黏度曲线和数据如图3和表3所示。豌豆淀粉的峰值黏度、谷值粘度、最终黏度、回生值分别为1948.12 cP、1639.11 cP、2824.86 cP、1186.18 cP，糊化温度为75.14 ℃，这与刘晓庆[6]等人研究结果相似；经过挤压纯化的豌豆抗性淀粉的各项指标都显著降低（p<0.05），峰值黏度、谷值粘度、最终黏度、回生值分别为559.41 cP、474.38 cP、754.34 cP、280.33 cP，其黏度曲线也较为平滑。一方面，抗性淀粉在高温下不会像淀粉颗粒那样，发生吸水溶胀及崩解，使直链淀粉分子逸出，而能呈现淀粉的粘度特性[25]；另一方面，经过挤压，淀粉分子的大小、颗粒内部分子排列的紧密程度及外界因素变化等也会造成这些糊化特性的差异[26,27]。

图3 豌豆淀粉与挤压纯化后抗性淀粉的黏度曲线Fig.3 The viscosity curves of pea starch and extruded and purified resistant starch

表3 豌豆淀粉与纯化抗性淀粉的黏度数据Table 3 The viscosity data of pea starch and extruded and purified resistant starch

3 结论

挤压工艺参数的变化影响着豌豆淀粉中慢消化淀粉和抗性淀粉含量，在物料水分30%、螺杆转速100 r/min、挤出温度70 ℃下的挤出物抗性淀粉含量高达78.83%。在对经过纯化之后的豌豆抗性淀粉结构及性质测定结果来看，挤压过程中高温、高压、高剪切力作用破坏了淀粉颗粒的结构，使其颗粒紧密结合为不规则的块状颗粒，同时晶体类型转化成更稳定的V型晶体；从RVA数据中可以看出，豌豆抗性淀粉的峰值黏度、谷值粘度、最终黏度、回生值都显著性下降，分别为分别为559.41 cP、474.38 cP、754.34 cP、280.33 cP，且黏度曲线较为平滑。本研究表明挤压可以通过改变豌豆淀粉结构、晶型，从而显著改变豌豆淀粉组成和消化特性，这为豌豆淀粉改性研究提供新思路，豌豆淀粉高值化加工产品拓宽新领域，为开发相关功能性产品了提供了新材料，也为豌豆淀粉的产业化实践工艺参数提供了参考。