摘 要：挤压膨化技术以其连续性、高效性而被广泛应用于食品加工领域。但由于挤压机内部封闭性强，机筒内各因素影响复杂，有必要对挤压过程中物料内部的结构变化进行研究。本文综述了挤压膨化技术的主要影响因素及其对淀粉多层级结构和复合米消化特性的影响，为挤压技术的广泛应用、淀粉的改性及复合米研究提供了技术指导和理论支撑。
关键词：挤压膨化技术;淀粉;多层级结构;复合米
淀粉是由中度分支的支链淀粉和线性的直链淀粉组成的颗粒状天然高分子聚合物，多以半结晶的颗粒形式存在 [1] 。直链淀粉由 α-1，4 糖苷键连接而成并具有少量长链分支，相对分子质量为 105 ～ 106 ，支链淀粉主要以 α-1，4 糖苷键连接，且以 α-1，6 糖苷键形成分支，相对分子质量为 107 ～ 109[2] 。直链淀粉和支链淀粉的三维空间结构形成了淀粉的结晶区和无定形区，使得淀粉具有分子链结构、结晶结构、层状结构、blocklets 结构、生长环结构和颗粒结构 [3] 。淀粉是复合米的主要成分，约占干物质的 90%，因此淀粉结构成为影响复合米消化特性的决定性因素。
挤压膨化技术是混合、输送、加热、剪切和成型等多个操作的组合应用，它是一种连续、高温、短时的加工方法，尤其是温度、压力和剪切力之间的相互作用实现了复合米制品的开发 [4] 。在挤压过程中，剪切力和热能的作用会引起食品原料结构、化学基团和消化特性发生改变，如淀粉的糊化和降解、蛋白质的变性[5] 。挤压属于较为成熟的生产复合米的方式之一，但是挤压处理对淀粉结构的影响以及淀粉结构变化与复合米的消化特性之间的联系的研究不够系统。因此，本文主要综述了挤压对淀粉结构的影响和淀粉结构变化与复合米消化特性之间的联系，即建立挤压工艺 - 分子结构 - 消化特性之间的联系，为改变复合米的消化特性提供理论基础。
1 影响挤压的主要因素
1.1 挤压机类型
根据挤压机内所含螺杆的个数可将挤压机分为单螺杆挤压机(SSE)和双螺杆挤压机(TSE)。在单螺杆挤压蒸煮过程中根据大米淀粉结构的变化，可将挤压机分为输送、熔融、降解 3 个区段。在利用单螺杆挤压处理小麦淀粉时发现，只有小麦淀粉的支链淀粉发生了降解，而单螺杆挤压的热效应和剪切力对玉米淀粉的支链淀粉和直链淀粉分子链均产生了断裂效应 [6] ，其不同结果的原因可能是小麦淀粉和玉米淀粉支链淀粉与直链淀粉含量上的差异以及挤压条件的不同(物料水分、温度)。与单螺杆机相比，双螺杆挤压机物料在进入加热区域前由于双螺杆的捏合作用可使物料混合更加均匀，更便于精准控制挤压速度、挤压温度、物料停留时间等挤压参数。WANG Ning 等人利用双螺杆挤压机制备豌豆杂粮面条，结果发现面条蒸煮损失率降低的同时，抗性淀粉含量与淀粉膨胀率均增加 [7] 。在生产复合米时，挤压机类型的选择主要依据复合米最终的品质和原料的成分。
1.2 挤压温度
挤压温度的变化会引起复合米中的淀粉与蛋白质发生三级和四级结构的变化，或者是交联反应的产生。增加挤压温度致使大米淀粉和黑米淀粉的糊化黏度降低，这可能是由于高温剪切破坏了淀粉分子链的缠结 [8] 。高温挤压会破坏淀粉颗粒的晶体结构打断，淀 粉分子间氢键，有学者指出随着挤压温度的升高，破损淀粉增加导致复合米口感变差 [9] 。挤压温度升高的同时不仅会造成复合米营养成分的流失，也会增加能量消耗，调节合适的挤压温度是成功生产复合米的关键。
1.3 螺杆转速
随着螺杆转速的提高，在挤压机内作用于淀粉的机械能逐渐增大，通过螺杆高速转动输入的这些较高机械能会限制物料的流动，导致螺杆对淀粉的机械剪切作用会增加，使淀粉分子链断裂或降解 [10] 。螺杆转速与挤压机输入的比机械能存在正比关系，比机械能增加会使淀粉颗粒发生部分糊化。Sandrin 等人发现燕麦粉和大米粉的混合物在高速挤压作用下，挤压机械能增加，物料之间摩擦力增加，当螺杆转速大于 150 r·min-1 时淀粉分子链变短 [11] 。
1.4 物料水分
物料水分含量是影响复合米品质的又一重要因素。适当的物料水分能在物料与螺杆间起到润滑作用，降低挤压剪切对淀粉颗粒机构的破坏。Suksomboon 等人发现大豆粉和紫米混合物水分含量(< 25%)增加使淀粉糊化程度降低，且显著增加了淀粉糊的吸水指数 [12] 。Thymi 等人研究了挤压对不同含水量玉米淀粉的影响，结果发现水分含量的适度增加降低了玉米淀粉的径向膨胀率的同时增加了其表观粘度 [13] 。有报道指出，物料水分对挤出物性质的影响大于挤压时物料的温度 [14] ，物料水分含量也会决定复合米的质地和消化特性。
2 挤压对淀粉结构的影响
2.1 挤压对淀粉颗粒形貌的影响
扫描电镜与偏光显微镜分别用来观察淀粉颗粒的表面形态和内部的偏光十字，而淀粉颗粒的粒径分布多用激光粒度仪进行测定。Wani 等人比较了湿热处理和挤压处理对鹰嘴豆淀粉表观形貌的影响，挤压处理后鹰嘴豆淀粉表面出现明显的裂纹，淀粉颗粒之间连接疏松，当增加螺杆转速时淀粉颗粒表面出现凹痕与少量孔洞并最终指出挤压处理要大于湿热处理对淀粉颗粒的影响 [15] 。薏苡淀粉经过低水分(< 25%)挤压后淀粉颗粒致密结构被瓦解，淀粉颗粒呈现碎片状，增加挤压温度薏苡淀粉颗粒表面的裂纹数量明显增加，表面变得不均匀有褶皱产生 [16] 。戚明明等研究发现固定物料水分含量，螺杆转速由 100 r·min-1 升至 180 r·min-1 时，豌豆淀粉的平均粒径明显低于未经挤压处理的豌豆淀粉，豌豆淀粉的平均粒径与其消化特性呈现明显的负相关 [17] 。淀粉颗粒在挤压过程中受到不同程度的高温、高压和强剪切力作用，颗粒表面会变得粗糙，遭受破坏，复合米制品的吸水指数和膨胀率等特性也与破损淀粉的含量有关。
2.2 挤压对淀粉颗粒晶体结构的影响
淀粉结构主要是以无序排列的无定形区域和有序排列的结晶区域组合而成，无定型区域主要含有较少的直链淀粉和较少的支链淀粉，每个半结晶区域是由去定型区域和结晶性区域重复组合而成。谷物淀粉属于 A 型结晶，块茎类淀粉和高直链淀粉属于 B 型结晶，根茎类豆类淀粉呈现 C 型结晶，淀粉和脂质的络合物呈现 V 型结晶。大米淀粉的结晶度随着挤压温度的升高而逐渐降低，表明挤压过程中淀粉多晶态不断向无定型转变，大米淀粉的晶体结构遭到显著破坏。Li Bo 等人研究发现不同温度的双螺杆挤压处理，随着挤压温度升至 110 ℃，罗汉松种子淀粉结晶度降低至 12.97%，且淀粉分子中出现了 V 型结晶 [18] 。高直链玉米淀粉经过挤压处理后，淀粉由 C 型结晶转为 V 型结晶[19] ，挤压剪切作用使得淀粉与脂质发生复合是产生V 型结晶的主要原因。将挤压与酶连用生产变性淀粉，结果表明淀粉颗粒分子内氢键和分子间氢键被羰基和磷酸基团取代，降低了淀粉相对结晶度 [20] 。挤压温度的升高致使淀粉颗粒吸收热量增加，高热量会引起淀粉颗粒中非结晶区分子链的运动性提高从而导致淀粉颗粒晶体结构稳定性逐渐降低，致密晶体结构排列趋于松散。高水分和高温挤压会使淀粉颗粒的微晶束发生熔融，直链淀粉不断溶出，加剧淀粉双螺旋结构伸展和淀粉无定型凝胶的形成。因此，复合米消化快慢和老化速率受淀粉晶体结构的影响。
2.3 挤压对淀粉颗粒双螺旋结构的影响
淀粉的双螺旋结构含量可用固体核磁结合魔角旋转 / 交叉极化技术(13C CP/MAS NMR)进行表征，傅里叶红外变换光谱仪也可用来测定淀粉颗粒螺旋结构的有序性。经过挤压处理后，大米淀粉双螺旋结构含量由 58.75% 降至 7.10%，这是由于转速增加时挤压剪切力明显增大，促进了淀粉双螺旋结构的断裂。Liu 等发现，挤压剪切作用降低了淀粉双螺旋结构含量，淀粉短程结晶序列遭到破坏。施加于淀粉的机械能过大会引发淀粉颗粒内部的双螺旋结构发生严重断裂，而过高的挤压温度会引起淀粉颗粒的降解，改变淀粉的分子结构 [21] 。
2.4 挤压对淀粉分子量的影响
淀粉的分子量大小与淀粉理化性质和复合米的品质有密切的联系。研究发现挤压剪切削弱了淀粉分子间相互作用力，挤压时物料水分含量增加会显著降低淀粉的重均分子量和数均分子量。随着螺杆转速的提高，挤压越强，大米淀粉的分子链断裂越严重，进而造成大米淀粉发生糊化或糊精化而发生降解。挤压处理引起了玉米淀粉中支链淀粉分子的降解，玉米淀粉的均方旋转半径明显减小，淀粉分子量减小 [22] 。挤压处理能够打断淀粉颗粒内部的氢键，支链淀粉分子链长分布变宽，淀粉分子量的大小与淀粉的溶解度和糊化黏度有直接关系。
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3 挤压对复合米消化特性的影响
淀粉在挤压过程中，受到螺杆强烈的剪切力和淀粉颗粒之间的相互摩擦、碰撞会引起淀粉结构和膨胀率、吸水指数等特性的变化，其中淀粉消化特性亦随着淀粉结构的转变而转变。沈宇光利用挤压技术成功制备出一种口感接近于天然大米，具有抗消化特性的马铃薯复合米。挤压处理引发淀粉分子间氢键发生不同程度的断裂，一部分淀粉发生糊化，增加了淀粉的消化特性 [4] 。相反，挤压处理会形成直链淀粉 - 脂类复合物，抑制小肠吸收碳水化合物，降低其消化特性 [23] 。研究发现，大麦淀粉和高粱淀粉经挤压处理之后平均粒径、结晶度和聚合度明显降低，破损淀粉含量明显增加，提高了淀粉对酶的敏感性致使淀粉的消化特性明显提高。结合挤压处理对淀粉结构和消化特性的影响不难发现，挤压以后淀粉的分子链长变短，分子间相互连接减弱，体外消化率增加。由于挤压之后淀粉结构特性受到影响，要提高挤压复合米的抗消化特性应该在淀粉中加入一定量的膳食纤维或谷物蛋白质，来增强分子之间的相互作用，抑制酶的水解，提高复合米制品的消化特性。
4 结语
目前，挤压生产复合米正逐渐趋于成熟，但复合米的口感和质地与天然大米相比仍有一定差距。现有的研究报道多集中在挤压工艺的优化，对物料在挤压机内的变化机理与复合米品质内在联系缺乏深入探讨。复合米中除了淀粉之外，还有蛋白质、脂肪等其他物质，研究挤压对其他组分结构和特性的影响对揭示复合米口感和消化特性的变化也至关重要。建议在以后的研究中，尝试对复合米中的米谷蛋白 - 淀粉精细结构的变化规律及挤压对其作用机理进行揭示，并在理解挤压对淀粉和谷蛋白结构影响的基础上开发出低 GI 的复合米，开展体现挤压工艺 - 成分互作 - 复合米属性的链条式研究。——论文作者：何 东 1 ，于小帅 2 ，王可心 1 ，苏丽娜 1 ，陈 岚 1 ，岳程程 1 ，肖志刚 1,2
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