徐晓茹 周 坚 吕庆云 陈 轩

（武汉轻工大学食品科学与工程学院 武汉 430023）

大米作为世界上最重要的粮食类作物之一，是世界上半数以上人口的主食，其中亚洲人对大米食品的依赖性最强。我国大米年产量占世界总产量的37%左右，居世界首位[1]。对于大米，我国传统的食法以蒸饭、煮粥为主，也有制成米团、米线等食品。除此之外，新开发的大米食品类型还有大米团点、大米乳酸饮料、米糖、米酒、方便米饭等[2]，这些都源于大米的优良性能及其与健康的密切关系。

食品挤压加工技术是指物料经预处理（粉碎、调湿、混合）后，挤压机的强机械作用使其通过一个专门设计的孔口（模具），形成一定形状和组织状态的产品，挤压加工的食品具有营养损失少，易消化，不易回生等优点。而挤压大米食品的主要成分是淀粉，其次为蛋白质，挤压过程中淀粉和蛋白质的变化对产品品质有重要影响。在挤压过程中，由于高温、高压、高剪切等作用导致淀粉和蛋白质的理化性质发生变化[3]，如淀粉的糊化和降解，蛋白质的变性等。这些变化不仅与挤压条件有关，还与原料自身特性有关[3-4]。

挤压机腔体内高能量及螺杆高剪切等作用，使淀粉在挤压过程中质构重组并产生复杂的理化变化，导致炊煮的米饭吸水性差，口感硬，易回生[5]。本文以普通籼米、大米淀粉和大米蛋白为原料，通过检测挤压前、后理化性质的变化，研究挤压对大米淀粉和蛋白质的性质及结构的影响，以及在挤压过程中，因原料成分不同而对淀粉颗粒结构、糊化特性、质构特性以及对蛋白质结构等方面的影响，并探讨这些变化与挤压重组米蒸煮食用品质之间的关系。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

金龙鱼牌清香丝苗米（淀粉含量75.6%、蛋白质含量7.44%），益海嘉里粮油食品有限公司；大米淀粉、大米蛋白均由江西金农生物有限责任公司提供；Megazmye直链淀粉检测试剂盒，购于北京博欧实德生物技术有限公司；其它试剂均为市售，分析纯。

FMHE-24双螺杆挤压机，湖南富马科食品工程技术有限公司；哈瑞斯磨粉机，永康市哈瑞工贸有限公司；TA-XT21物性测试仪，英国SMS公司；S-3000N扫描电子显微镜，日本日立公司；LGJ-18真空冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司；BE-1100四维旋转混合器，海门市其林贝尔仪器有限公司；A360型紫外分光光度计，翱艺仪器（上海）有限公司；对角度激光光散射与凝胶色谱仪，美国怀特技术公司；Q10型差示扫描量热仪，美国TA公司；F-4600荧光分光光度计，日立高新技术公司；岛津XRD7000型衍射仪，日本岛津制作所。

1.2 试验方法

1.2.1 挤压样品的制备 制备3种挤压样品，原料分别为籼米米粉、大米淀粉、淀粉与蛋白混合物（淀粉/蛋白质为9∶1）按照挤压重组米的生产工艺设定挤压参数，最优工艺时的挤压条件为：进料速度 15 kg/h、加水量 20%、螺杆转速 180 r/min、1～5套筒温度分别为 65，115，115，70，50℃。挤出物在45℃热风干燥。得到的样品分别编号为样品2，3，4，未经过挤压重组的普通籼米编号为样品1，未经过挤压的大米淀粉为样品5。将各样品粉碎过80目筛备用。

1.2.2 淀粉颗粒微观结构观察 采用扫描电子显微镜（SEM）观察挤压前后样品淀粉颗粒的结构变化，样品具体处理参照晏梦婷[23]的方法。

1.2.3 质构测定 样品为普通籼米和3种挤压重组米，普通籼米加1.3倍（质量比）的水做成米饭后检测，挤压重组米挤出后立即检测。

测定参数：测前速度2 mm/s，测中和测后速度均为1 mm/s，压缩比为70%，出发点力5 g。测定硬度、弹性、内聚性、胶粘性、耐咀性和回复性，每个样品重复4次，取平均值。

1.2.4 直链淀粉含量测定 样品过100目筛，采用Megazmye直链淀粉试剂盒检测。

1.2.5 淀粉分子质量测定

1.2.5.1 淀粉的提取 取20～30 g样品，用0.4%NaOH溶液于室温下浸泡24 h后，用磨浆机进行湿磨，再用0.4%NaOH溶液浸泡48 h，期间更换溶液7～8次后，水洗5次，用盐酸将浆液的pH值调到6.7～7.0。再水洗两次，将水洗后的淀粉浆液于4 000 r/min下离心10 min，取下层沉淀物于冷冻干燥机中冷冻干燥。

1.2.5.2 检测方法 取约10 mg左右提取的淀粉样品，溶于1 mL 0.9%NaCl溶液，用四维旋转混合器旋转1 h，80℃水浴30 min，然后振荡混匀20 min，在15 150 r/min下离心15 min。

色谱条件：流动相为0.9%NaCl溶液；检测波长658 nm。柱温：室温。流速：0.7 mL/min；色谱柱：Agilent PL aquagel-OH分离柱、保护柱各一根；检测器：美国Wyatt DAWN HELEOS-Ⅱ十八角激光检测器；美国Wyatt Optilab T-rEX示差检测器。泵：waters 515 PHLC 泵；dn/dc为 0.160。

1.2.6 淀粉糊化特性（RVA）的测定 按照GB/T 24852-2010的方法进行分析测定[28]。

1.2.7 热力学性质（DSC）分析 称取4 mg左右的样品于小铝盒中，按1∶2（W样/W水）的比例加入重蒸水，在4℃冰箱中平衡24 h。DSC测定扫描温度范围为20～100℃，扫描速率10℃/min，以空铝盒作为对照，流速20 mL/min。

1.2.8 X衍射测定 通过X-射线衍射仪器获得样品的衍射图谱，扫描角度范围为3～50°，目标电压 40kV，电流 30mA，扫描速度 2°/min，步长 0.02。

1.2.9 紫外光谱扫描 将样品过100目筛，分别取普通米粉0.4 g、纯蛋白0.1 g、挤压米粉样品1.0 g、挤压淀粉加蛋白样品1.0 g溶于50 mL磷酸盐缓冲液（10 mmol/L pH 7.0）中，搅拌分散均匀，于4 000 r/min离心 10 min，取上清液，在 190～400 nm处进行扫描。

1.2.10 荧光光谱扫描 使用1.3.10节中离心得到的上清液进行荧光扫描，扫描速度240 nm/min，Delay：0s，EX slit：5.0 nm，EM slit：5.0 nm。以 285 nm为激发波长，记录300～450 nm波长范围的发射光谱。

1.2.11 数据处理 采用Excel，SPSS软件对数据统计分析，用Origin8.5软件进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 挤压前、后淀粉颗粒的微观结构

从图1可以看出，挤压前大米（a）中的淀粉颗粒形状规则，结构紧密，挤压前大米淀粉（e）中的淀粉颗粒形状也规则有序，表面平滑。而挤压后的样品（bcd），由于淀粉糊化的原因，淀粉颗粒增大，相互间距增大，几乎不存在完整的淀粉颗粒形状而呈不规则的类似鳞片形状，说明挤压后3个样品中的淀粉都完全糊化；而且，样品4出现较多孔洞。

2.2 质构测定

从表1中可以看出除了弹性以外，样品2，3，4的硬度、内聚性、胶粘性、耐咀性和回复性均高于未挤压的普通籼米，并且有显著性差异（P＜0.05），说明和原料的成分无关，谷物原料经过挤压重组后口感发生了很大的变化。内聚性反映了咀嚼时样品抵抗受损保持完整的能力，它反映了物质内部结合力的大小；胶粘性反映了咀嚼时米饭对舌头、牙齿、上颚等接触面粘着的情况，粘着性过大使得样品粘牙，适口性不好，而粘着性太小又会使得样品口感发干，失去应有的黏性；耐咀性表征咀嚼固体食品到可吞咽的程度所需的功，反映了米饭对咀嚼的持续抵抗性[6]。结果跟实际感觉相一致，挤压米与普通蒸煮大米相比，更耐咀嚼，黏度也更大，普遍反应口感不如普通大米，需要进一步改善。样品2在挤压后胶粘性和回复性显著低于样品 3，4。

图1 挤压前、后样品淀粉颗粒扫描电镜图Fig.1 SEM of rice starch before and after extrusion

表1 挤压前、后样品的质构特性Table1 Effect of extrusion on the texture properties of sample before and after extrusion

2.3 直链淀粉百分含量测定

从图2可以看出样品2的直链淀粉百分含量较样品1显著升高，同时样品3，4的直链淀粉百分含量均较样品5显著升高（P＜0.05），这与刘丽[7]、张洁[8]、汤坚[9]等人的研究结果相同。由于挤压过程中的高温、高压和强剪切作用，使淀粉发生降解[11]，而这部分降解主要发生在支链淀粉，支链淀粉降解为直链淀粉或糊精。其中导致裂解的主要原因还是挤压施加于淀粉聚合物的剪切力，同时也使得挤压处理后的淀粉在较低温度下具有较强的水溶性和吸水性，淀粉结构变松散[9-10]。样品3直链淀粉含量高于样品2，米粉中蛋白的存在降低了挤压对淀粉的分解作用。

图2 挤压前、后样品中直链淀粉百分含量Fig.2 The amylose content of sample before and after extrusion

2.4 分子质量测定

表2中给出了挤压前、后的重均分子质量和均值半径变化。结果显示所测大米淀粉和籼米的重均分子质量与前人报道的大米淀粉的重均分子质量有差异，张元娣[12]报道籼稻冈优527中淀粉的重均分子质量范围为 1.195×108～1.343×108，分子旋转半径为 246.9～262.3 nm，Yokoyama等[13]报道大米淀粉重均分子质量为8.9×107，这些差异可能是由于样品品种差异。从表中可以看出籼米粉和大米淀粉在经过挤压加工后，重均分子质量范围和均值半径均减小，这是由于挤压过程中受到高温、高压、高剪切力的作用导致淀粉发生降解，而且会随着挤压条件的加剧而增加[14]，而这部分主要发生在支链淀粉，支链淀粉可降解成为直链淀粉和糊精，该情况正好与2.2节中挤压后的样品中直链淀粉百分含量升高相对应。对于普通籼米来说，在挤压过程中原先占质量比0.1%、重均分子质量为6.979×107的组分发生降解，但挤压后的籼米的平均重均分子质量却大于未挤压籼米，猜测可能是由于挤压过程中短链直链淀粉与脂肪[16]、蛋白质形成复合物，在测定过程中被系统洗脱出去，或者是由于在淀粉提取过程中挤压样品中原来的小分子被除去，再者也可能是在挤压过程中短链淀粉之间结合。另外，在比较普通籼米与挤压米粉之间差异和比较普通淀粉与挤压淀粉加蛋白之间差异可以发现，两组之间的重均分子质量和均值半径有相似变化趋势，所以猜测挤压过程中淀粉重均分子质量变化与蛋白质有一定关系。样品4的重均分子质量范围大于样品3，而小于样品5；同时其平均分子质量大于样品5和样品3，这说明蛋白质能一定程度抑制淀粉的降解[15]，进一步说明在挤压过程中一部分直链淀粉可能与蛋白质形成复合物。

表2 挤压前、后样品重均分子质量（Mw）和均值半径（Rw）Table2 The Mw and Rw of sample before and after extrusion

2.5 淀粉糊化特性（RVA）测定

由表3知，样品2相比样品1的峰值黏度、最低黏度、崩解值、最终黏度、回生值、峰值时间和糊化温度均显著降低（P＜0.01），这是由于籼米在挤压机腔体中受到高温、高压和高剪切作用，不仅淀粉颗粒结构遭破坏，发生熔融和破裂，导致吸水膨胀后相互间摩擦力变小，同时淀粉也发生部分降解，分子质量降低，这些都导致了挤压后淀粉的糊化黏度显著下降[17]，另外蛋白质发生变性、重组及组织化，脂肪与淀粉、蛋白质[18]形成脂肪[18-19]复合体等物化变化，使得峰值黏度、最低黏度、最终黏度和回生值大幅下降[21]。回生值反应了淀粉糊化后的老化回生速度，样品2回生值降低说明挤压后淀粉更不易老化，淀粉在挤压过程中发生降解，而短期老化跟糊化时直链淀粉的溶出量呈正相关[20]，说明挤压促进了糊化过程中的直链淀粉的溶出。样品3相比样品5的峰值黏度、最低黏度、最终黏度、回生值和峰值时间均显著降低（P＜0.01），但崩解值较样品5却显著升高。崩解值是峰值黏度减去最低黏度，其数值可以较为直接地反映米饭口感是否适口。而样品4相比样品3和样品5的峰值黏度、最低黏度、最终黏度均降低，而其崩解值高于样品5，低于样品3。另外，样品2，3，4之间的峰值黏度、最低黏度、崩解值和最终黏度均有显著性差异，这说明挤压过程中蛋白质、脂质等物质影响了淀粉的糊化特性。

表3 挤压前、后样品中淀粉糊化特性Table3 Comparison of gelatinization profiles of sample before and after extrusion

2.6 热力学性质的变化

表4中给出了挤压对原料中淀粉热力学性质的影响。从表中可知，经过挤压加工后的样品相比挤压前的起始温度、峰值温度都显著降低（P＜0.05）。这与林雅丽等[22]所研究得出的挤压后淀粉的起始温度、峰值温度和终止温度都显著增加有差异，这与样品糊化度高低有关，低糊化度的挤压样品糊化时起始温度、峰值温度和终止温度高于挤压前样品，而高糊化度的挤压样品糊化时的起始温度、峰值温度和终止温度低于挤压前样品[23]，这可能是因为无定型区域和结晶区中分子链之间的束缚力发生了变化以及挤压后结晶区所占比例减少。而且挤压后样品中淀粉的热焓值均降低，这是由于挤压破坏了淀粉的结晶区，使淀粉发生糊化，从而样品只需要少量能量就可以发生相变[24]。从表中可以看出样品3，4之间并没有显著差异，蛋白质对淀粉热力学性质的影响并不显著。

表4 挤压前、后热力学性质的变化Table4 Change of extrusion on the thermal properties of sample before and after extrusion

2.7 X-衍射测定

从图3中可以看出，样品1和样品5在衍射角度（2θ）为 15°，17°，18°，20°，23°附近均出现明显的衍射峰，属于A型淀粉晶型结构。而样品2，3，4的衍射图谱相比原料差别较大，其在2θ为23°的衍射峰已经消失，在15°，17°和18°处的衍射峰强度很弱，并且挤压的样品在13°和20°附近出现了明显较强的衍射峰，属于V型结构，不仅如此，样品2，3，4的衍射图谱几乎一致，没有明显差别，这不仅说明挤压破坏了淀粉原有的晶体结构，形成新的结晶区，也说明蛋白质对挤压过程中淀粉晶型结构的改变无显著影响。

图3 挤压前、后样品的X-射线衍射图Fig.3 X-ray diffraction results of sample before and after extrusion

2.8 紫外光谱扫描

从图4中可以看出普通籼米和纯蛋白均呈现出两个峰，分别为260～270 nm和200～205 nm处，前者主要是色氨酸和酪氨酸的吸收峰，后者为肽键的吸收峰。图中样品2的两个吸收峰相对样品1均向短波方向移动，同时，样品4的两个吸收峰也相对未挤压的纯蛋白向长波方向移动。一般来说，某些化合物通过取代反应引入了含有未共享电子对的基团如-OH、-NH2、-SH、-CL、-OR、-SR等之后能使化合物的最大吸收峰的波长向长波方向移动为红移效应，反之，该化合物的最大吸收峰波长向短波方向移动则为蓝移效应，最大吸收蓝移意味着蛋白质肽键伸展发生变化，这可能是蛋白质肽键伸展后将藏在分子内部疏水区中的生色基团暴露出来的缘故，想反，红移效应可能是由于蛋白质肽键伸展后将在分子外部疏水区中的生色基团转移到疏水区内部[25]。在挤压加工过程中，由于受到高温、高压和高剪切作用，蛋白质分子维持高级结构的非共价键被破坏，分子逐渐展开成链状结构，并顺着物料运动方向取向[26]。

2.9 荧光光谱扫描

蛋白质的荧光基本上来自色氨酸基团。从图5中可以看出纯蛋白、样品4和样品1的最大发射波长分别在348，349和343 nm处，表明生色基团位于蛋白质的极性区域，基团可能被结合水包围；而挤压米粉最大发射波长为363 nm处，表明基团处于微环境已同游离Trp相似[27]。样品2相对样品1的最大发射波长向长波方向移动，发生红移效应，说明蛋白质位于极性区域的部分基团部分暴露出来；同时样品4的最大发射波长相对未挤压的纯蛋白也稍微向长波方向移动，但相比并不明显。这些现象说明挤压会导致蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构发生变化。

图4 挤压前、后样品的紫外吸收图谱Fig.4 Ultraviolet absorption spectrum of sample before and after extrusion

图5 挤压前、后样品的荧光图谱Fig.5 The fluorescence spectrum of sample before and after extrusion

3 结论

挤压后淀粉颗粒被破坏，表面光滑，几乎不存在完整颗粒结构，这种结构有利于水分吸收。同时挤压后的样品硬度、内聚性、胶粘性、耐咀性和回复性均高于未挤压前的样品，表明挤压后淀粉结构被破坏，发生糊化，同时会使重组米的适口性变差。此外，挤压后的样品不仅峰值黏度、最低黏度、崩解值、最终黏度、回生值、峰值时间这些糊化特性指标均降低，而且糊化温度、起始温度、峰值温度、热焓值也降低，表明挤压后的淀粉不易老化，适口性差，但淀粉结构的变化也降低了重组米的蒸煮时间，提高了米粉的消化率。同时，蛋白质对挤压过程中淀粉的糊化特性有显著影响。

分别以米粉、淀粉、淀粉加蛋白质为原料进行挤压的样品之间不仅在直链淀粉含量、硬度、回复性和胶粘性等方面有明显差异，在峰值黏度、崩解值等糊化特性方面也存在明显差异，说明原料成分不同，对淀粉的降解与糊化以及米饭适口性都有很大的影响。

X-射线衍射表明挤压使淀粉结晶结构由A型变为V型结构。直链淀粉百分含量以及重均分子质量的测定结果表明挤压后淀粉发生降解，而这部分降解主要发生在支链淀粉。另外，紫外光谱和荧光光谱也表明挤压处理会使蛋白质肽键发生伸展，导致蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构发生变化。