双螺杆挤压对山药淀粉与大豆分离蛋白复合物结构和性能的影响

史苗苗 董雪娜 程艳秋 刘延奇

摘要：研究了雙螺杆挤压处理对山药淀粉与大豆分离蛋白复合物的影响，以及添加不同替代量的挤压粉对面团的影响。以山药淀粉为原料，添加不同比例的大豆分离蛋白后进行挤压，挤压粉替代部分小麦粉制备成面团，测定挤压粉的溶解度和膨胀度、糊化特性以及添加挤压粉前后面团的流变学特性等。结果表明，天然山药淀粉和山药淀粉与大豆分离蛋白复合物经过挤压后结构破裂、不完整，表面凹凸不平，大豆分离蛋白含量越多，挤压后结构越粗糙。挤压处理后的样品与未处理组相比，膨胀度降低，溶解度升高，峰值黏度和崩解值等糊化参数均降低，大豆分离蛋白含量越多，膨胀度越高，溶解度越低，糊化参数值越低。挤压粉添加至面团中后，质构特性、弹性模量（G′）和黏性模量（G″）发生改变，但G′始终高于G″，呈现固体性质。添加了挤压粉的小麦粉制备的面团的G′和G″轻微降低，硬度、弹性、黏性、咀嚼性降低，而添加量为5%的挤压粉比添加量为10%的挤压粉表现出的黏弹性好。但当挤压粉中大豆分离蛋白添加量达到50%时，黏弹性、硬度与对照组相近。因此，大豆分离蛋白的加入会影响食品的挤压工艺，为山药淀粉的开发提供了新思路。同时，也可以通过挤压粉来改变面团的硬度和黏弹性等性质。

关键词：挤压；山药淀粉；大豆分离蛋白；面团；理化性质

中图分类号：TS201.21      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2023）04-0055-05

Abstract： In this paper， the effect of twin-screw extrusion treatment on the yam starch and soybean protein isolate complex and the effect of adding different amount of extruded flour on the dough are studied. Take yam starch as the raw material， add different proportions of soybean protein isolate and then extrude， replace part of wheat flour with extruded flour to prepare dough， and the solubility， dilatation， gelatinization of the extruded flour and rheological properties of dough before and after adding the extruded flour are measured. The results show that the structure of natural yam starch and yam starch-soybean protein isolate complex is broken and incomplete after extrusion， and the surface is uneven. The higher the content of soybean protein isolate， the rougher the structure after extrusion. Compared with the untreated samples， the extruded samples have lower dilatation， higher solubility and lower gelatinization parameters such as peak viscosity and disintegration value. The higher the  content of soybean protein isolate， the higher the dilatation， the lower the solubility， the lower the gelatinization  parameter value. When extruded flour is added into dough， the texture properties， elasticity modulus （G'） and viscosity modulus （G"） change， but G' is always higher than G"， showing solid properties. The G' and G" of the dough prepared with wheat flour added with extruded flour slightly decrease， and the hardness， elasticity， viscosity and chewiness decrease. 5% addition amount of extruded flour shows better viscoelasticity than that of 10% addition amount of extruded flour. However， when the content of soybean protein isolate in extruded flour reaches 50%， the viscoelasticity and hardness are similar to those of control group. Therefore， the addition of soybean protein isolate will affect the extrusion process of food， which has provided a new idea for the development of yam starch. At the same time， the hardness and viscoelasticity of dough can be changed by extruded flour.

Key words： extrusion; yam starch; soybean protein isolate; dough; physicochemical properties

山药是薯蓣科植物薯蓣的干燥根茎，对土壤要求严格，含多种对机体有益的功能成分，具有良好的天然保健作用，是药食同源食物之一[1]。研究表明，山药中含有多糖、蛋白质、淀粉、微量元素、尿囊素、薯蓣皂苷等，具有抗氧化、助消化、降血糖、降血脂、调节肠胃功能、增强人体免疫力等功效[2]，可应用于糖尿病、腹泻、癌症和肾脏疾病的治疗[3]，块茎外用可治疗溃疡、脓肿，内用可治疗糖尿病、干咳和食欲不振等[4]。山药淀粉是山药中的重要成分，可以利用Buffer缓冲液浸提法、碱浸法等方法进行提取[5]。山药淀粉可以作为片剂配方中的崩解剂应用于制药领域，作为原料、增稠剂和胶凝剂应用于食品领域[6]。张文莉等[7]采用山药和枸杞为原料，制备出了具有独特风味的山药枸杞果醋。所以，山药与其他原料结合制备食用产品时可赋予其相关特性。淀粉通过物理化学手段进行改性后，可以弥补原有结构功能的不足，扩大应用范围。吴进菊等[8]通过超高压微射流对紫薯淀粉进行了改性处理，处理后的淀粉的结构改变，吸水力和冻融稳定性与未处理组相比显著增强。

大豆分离蛋白是由氨基酸聚合而成的高分子有机化合物，是大豆的重要组成成分，具有凝胶性、乳化性、水合性、发泡性等功能特性[9]。对人体有降低胆固醇、减少骨质疏松的作用。挤压处理是将样品放入挤压机中，选择合适参数，利用高温、高压等作用对食品原料进行加工处理的一项技术。在挤压过程中，食品原来的结构会发生改变，蛋白质会被降解，淀粉胶凝化[10]。挤压处理因操作简单、成本低、消耗少、对环境无污染等优点，被广泛用于食品加工方面。小麦面团是通过小麦面粉与水进行混合制备而成，因存在黏弹性，流变学特性成为评价其品质优劣的指标[11]。经过改性的淀粉也广泛用于蚝油加工、果酱加工等调味品行业[12]。本文通过挤压处理研究了大豆分离蛋白添加量对山药淀粉微观结构、膨化度和流变学特性的影响，为山药淀粉进一步加工提供了方向，拓展了在市场上的开发和应用，为其在食品及调味品行业的应用提供了新思路。

1 材料与方法

1.1 材料

市售铁棍山药：产自河南温县；大豆分离蛋白：产自上海源叶生物科技有限公司；小麦粉：产自中粮（郑州）粮油工业有限公司。

1.2 仪器与设备

YP6102电子天平 上海光正医疗仪器有限公司；Process 11 台式同向双螺杆挤出实验机 德国Thermo Fisher Scientific公司；EGK205L和面机 合肥荣事达小家电有限公司；DZM-140电动压面机 永康市海鸥电器有限公司；JSM-6490LV扫描电子显微镜 日本Jeol公司；RVA 4500快速黏度分析仪 瑞典Perten公司；Bruker TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪 德国布鲁克公司；Discovery HR-1旋转流动仪 美国TA公司；TA-XT Plus质构仪 英国Stable Micro System公司。

1.3 方法

1.3.1 山药淀粉的制备

根据Zou等[13]和Sharma等[14]的方法并进行修改，从市售的铁棍山药中分离山药淀粉。具体工艺：将铁棍山药清洗去皮分小段，分段后的山药再次用去离子水清洗以确保无杂质。山药段放入破碎机中粉碎打浆，打浆时一次不易太久，浆液进行过滤，滤渣反复洗涤后混合上步滤液。向滤液中加入0.2%氢氧化钠溶液，在室温下浸泡，静置分层，用去离子水反复清洗沉淀，沉淀放入40 ℃烘箱中烘24 h过筛即可。

1.3.2 挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物的制备

将大豆分离蛋白和山药淀粉按照不同比例进行混合（大豆分离蛋白含量分别为0%、30%、50%），分别称量50 g不同比例的大豆分离蛋白和山药淀粉混合粉，加入同向双螺杆挤压机中进行挤压（相关挤压参数：温度为130 ℃，水分含量为30%，螺杆转速为180 r/min），挤压后于40 ℃烘箱中烘24 h，粉碎過筛后真空装袋即可。山药淀粉记为YS，大豆分离蛋白含量占总量0%、30%和50%的混合粉经过挤压分别记为EYS-SPI-0%、EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%。

1.3.3 溶解度和膨胀度的测定

根据Syarifin等[15]的方法，并稍加修改，对山药淀粉与大豆分离蛋白复合物的溶解度和膨胀度进行测定。分别称取0.5 g不同比例的挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物于离心管中，管中加25 mL蒸馏水后充分混合搅拌，提前将水浴锅调至95 ℃，放入离心管搅拌0.5 h，静置至室温，放入离心机中3 000 r/min离心0.5 h，离心后分离管内的上清液和沉淀，上清液缓慢倒入培养皿中，放入105 ℃烘箱中进行烘制，直至重量不发生改变，培养皿提前进行称重。样品的溶解度和膨胀度计算公式为：

溶解度（%）=上清液烘至恒重后的重量样品总质量×100。

膨胀度（g/g）=离心后沉淀重量样品总重×（1－溶解度）×100。

1.3.4 扫描电子显微镜

使用扫描电子显微镜在500倍下对样品进行微观结构观察。将所测样品用黑色导电胶放在样品台上，真空溅射喷金2 min，观察并拍照保存。

1.3.5 糊化特性参数的测定

使用快速黏度分析仪（rapid visco analyser，RVA）测定挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物的糊化特性参数。分别准确称取3.0 g不同比例的挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物，将称好的样品放入专用铝罐中，加25 mL的去离子水混合均匀，铝罐放入分析仪进行测定。测定参数：50 ℃平衡1 min，222 s内升至95 ℃并保持2 min，再在228 s内降至50 ℃并保持2 min。

1.3.6 挤压复合物与小麦粉混合面团的制备

分别称取5 g “1.3.2”得到的改性面粉与95 g小麦粉进行混合，将其放入和面机中制备成面团，记为EYS-SPI-0%-5%、EYS-SPI-30%-5%、EYS-SPI-50%-5%。再称取10 g “1.3.2”得到的改性面粉与90 g小麦粉进行混合，将其放入和面机中制备成面团，记为EYS-SPI-0%-10%、EYS-SPI-30%-10%、EYS-SPI-50%-10%。空白对照为100 g小麦粉制备的面团，记为WF。根据粉质仪测出面粉吸水率和面团稳定时间，用吸水率为75%的水量与混合面粉制备成面团，面团需光滑均匀无粉质，制备完用保鲜膜密封面团，防止水分蒸发和杂质污染。

1.3.7 流变学特性分析

使用旋转流动仪对制备的面团进行流变学特性的测定。用压面机将面团压成3 cm×3 cm的正方形面片，将面片放在流动仪上，去除传感器边缘的多余部分，用甲基甘油涂抹边缘，在振荡模式下进行频率扫描（扫描频率：0.1～40.0 Hz；应变参数：0.05%；扫描温度：25 ℃），并记录统计G′和G″的相关变化情况。

1.3.8 质构性质的测定

使用质构仪测定同1.3.7.尺寸一样的样品，记录样品的硬度、黏弹性、咀嚼性等性质。相关测定参数：TPA模式，P/36R探头，应变量为75%，触发力为5 g，测前速率为4.00 mm/s，测中和测后的速率相同，均为1.00 mm/s。

1.4 数据处理与分析

本实验测定指标均重复3次，计算平均值和标准差。整理测定的数据，对统计好的数据图表化，采用Origin 9.0绘图分析，采用SPSS 26.0进行差异显著性分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物溶解度和膨胀度分析

膨胀度和溶解度反映了山药淀粉与水的作用大小。由图1可知，与天然山药淀粉（YS）相比，挤压山药淀粉（EYS-SPI-0%）和挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物（EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%）的膨胀度明显降低，溶解度明显升高。大豆分离蛋白含量越多，挤压后膨胀度下降得越少，溶解度上升得越少。可能是因为挤压使山药淀粉结构发生了改变，淀粉颗粒在双螺旋挤压机的高温挤压下破裂，导致原有的吸水膨胀力大幅度减弱，膨胀度降低。经过挤压，山药淀粉降解且分子变小，导致溶解度升高，这与程艳秋等[16]的研究结果一致。大豆分离蛋白的加入，使挤压时山药淀粉得到了蛋白聚合物的包裹，山药淀粉颗粒被破坏的程度降低，大豆蛋白含量越多，挤压后膨胀度下降得越少，溶解度上升得越少。Ye等[17]研究表明，在挤压过程中，水分含量、螺杆速度和挤压温度等相关因素都会对淀粉的溶解度和膨胀度有一定程度的影响。

2.2 挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物颗粒形貌分析

天然山药淀粉和挤压处理的山药淀粉与大豆分离蛋白复合物的电子扫描电镜图见图2，可直观地看出样品的微观结构。

由图2可知，天然山药淀粉的颗粒为表面光滑、结构规则紧密的椭圆形，挤压后的山药淀粉和山药淀粉与大豆分离蛋白复合物（EYS-SPI-0%、EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%）结构均发生改变，淀粉颗粒破碎、不完整，表面凹凸不平，呈现无规则线状、鳞片状。山药淀粉颗粒在挤压过程中破裂，大豆分离蛋白含量越多，挤压后结构越粗糙，这可能是因为蛋白挤压后含有褶皱，与淀粉交互作用弱，挤压时部分山药淀粉颗粒被大豆分离蛋白包裹，使得比纯山药淀粉挤压后结构粗糙，这也是挤压样品膨化度改变的原因，与“2.1”的结果一致。

2.3 挤压山药淀粉与大豆分离蛋白复合物糊化特性分析

挤压对山药淀粉与大豆分离蛋白复合物糊化参数的影响见表1，在一定温度下复合物进行溶胀、分裂，形成稠度均匀的糊状。

由表1可知，经过挤压后所有样品（EYS-SPI-0%、EYS-SPI-30%、EYS-SPI-50%）的峰值黏度、崩解值、终止黏度和回生值均比天然山药淀粉低。随着大豆分离蛋白添加量的增加，复合物所有糊化参数均逐渐降低。可能是因为山药淀粉在双螺杆挤压机中进行挤压时受到的温度、压力、剪切力较高，使山药淀粉颗粒发生破裂、降解，吸水膨胀后相互摩擦力变小，进而使黏度值大幅度下降且糊化复合物不容易回生，这与徐晓茹等[18]的研究结果一致。大豆分离蛋白的加入可能破坏了山药淀粉中分子链的膨胀伸展，使其吸水膨胀大幅度降低，黏度值也随之降低[19]。双螺杆挤压处理组与未处理相比，回生值明显下降，可能是山药淀粉降解生成的多糖破坏了其重新结合能力[20]。

2.4 擠压复合物与小麦粉混合面团流变学特性的分析

流变学特性是面团品质评价指标之一，能反映面团的黏弹性。添加了挤压粉前后面团的流变学特性见图3，可直观地看出在特定温度下，随着振荡频率的增加，添加挤压粉前后面团的弹性模量（G′）、黏性模量（G″）和损耗角正切（Tan δ）相应的变化情况。

由图3可知，G′和G″随着频率的增加而逐渐升高，且频率在0～40 Hz，未处理的面团和添加了挤压粉的面团的G′始终大于G″，说明样品处理前后的弹性比重始终高于黏性，呈现出固态性质。与对照组小麦粉制成的面团（WF）相比，添加了挤压粉制备的面团中EYS-SPI-0%-5%、EYS-SPI-0%-10%和EYS-SPI-30%-5%、EYS-SPI-30%-10%的G′和G″均轻微降低，这可能是因为添加挤压粉后，面团的面筋蛋白被稀释了，降低了蛋白网络形成能力，黏弹性整体呈现降低趋势[21]。而添加量为10%的挤压粉比添加量为5%的挤压粉表现出的黏弹性差，这可能是挤压处理粉的增多加剧了面筋网络结构的稀释弱化作用，面团强度降低，黏弹性下降[22]。EYS-SPI-50%-5%和EYS-SPI-50%-10%的G′和G″有所增加，这可能是因为挤压粉中大豆分离蛋白添加量达到50%时影响了其性质，增加了面团的蛋白质含量，影响了流变学性质。损耗角正切Tan δ（G″/G′）可以反映面团的整体黏弹性，其值越大，黏性越强，其值越小，弹性越强[23]。经挤压处理的Tan δ值均低于对照组，这是因为添加挤压粉导致了G′和G″的变化。

2.5 挤压复合物与小麦粉混合面团质构特性的分析

为了解处理前后面团的组织结构和流变学特性，对面团进行了质构特性的分析。由表2可知，与对照组（WF）相比，添加了挤压山药淀粉的面团（EYS-SPI-0%-5%、EYS-SPI-0%-10%）的硬度、弹性、黏性、咀嚼性有所降低，并随着替代量的增加而降低，面团的硬度从32.8 kg分别下降到20.7 kg和19.1 kg，这可能是因为双螺杆挤压山药淀粉时淀粉发生了糊化，晶体区域受到损伤，淀粉结构被破坏，其水溶性发生改变，对比挤压前有所增强，使面团硬度降低；并且挤压山药淀粉添加至小麦粉中制成面团后，可能导致面团不易形成有序的淀粉网络结构，降低了硬度和弹性。刘卫光[24]研究表明，一定量膨化玉米粉的添加会使油条的硬度和黏度有所降低，与本研究相似。而与添加挤压山药淀粉的面团相比，添加山药淀粉与大豆分离蛋白复合物的面团（EYS-SPI-30%-5%、EYS-SPI-30%-10%）的弹性、黏性、咀嚼性升高，这可能是因为挤压粉中含有大豆蛋白，经挤压后结构变复杂，面团中面筋网络强度降低，延展性变差，面团的硬度和咀嚼性升高。而添加山药淀粉与大豆分离蛋白复合物的面团（EYS-SPI-50%-5%、EYS-SPI-50%-10%）与对照组相比，硬度和黏性轻微升高，这可能是挤压粉中大豆分离蛋白达到一定量后，对面团造成了一定影响，淀粉的吸水膨胀力发生了改变。杜振亚等[25]研究表明，适量地添加挤压大豆蛋白会增加馒头的硬度和咀嚼性。

3 结论

本研究表明，双螺杆挤压处理对不同添加量的大豆分离蛋白混合山药淀粉的影响不同，添加不同替代量的挤压粉对面团的影响不同。经过挤压后天然山药淀粉和山药淀粉与大豆分离蛋白复合物结构破裂，表面粗糙，膨胀度降低，溶解度升高，峰值黏度和崩解值等糊化参数均降低，大豆分离蛋白含量不同，粗糙度不同，相应指标也发生改变。所以，可以通过挤压及添加大豆分离蛋白来改变所需产品的性质，补充产品不易溶解等缺点。将挤压粉添加至面团中后，质构特性、黏弹性发生改变，但始终呈现固体性质。添加了挤压粉的小麦粉制备的面团的G′和G″轻微降低，硬度、黏弹性、咀嚼性降低，而添加量为5%的挤压粉比添加量为10%的挤压粉表现出的黏弹性好。但挤压粉中大豆分离蛋白添加量达到50%，再进一步加入到面团中时，黏弹性、硬度与对照组相近，其面团的品质有所增加。淀粉可作为稳定剂[26]、增稠剂用于食品或调味品中[27]。所以，可以根据产品需求将改性的山药淀粉以合适配比添加到食品或调味品中，还可以通过向面团中添加挤压粉来改变其硬度、黏弹性，从而为进一步加工成油条、挂面、面包等产品提供绿色无污染的技术新思路。

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