改良挤压技术对大米淀粉结构和性质的影响及其在淀粉基食品中的应用

发布时间：2020-09-14 21:11

　　天然淀粉无法满足日益增长的食品和非食品工业需求,为了拓展淀粉的应用范围,常常需要对天然淀粉进行改性处理。而挤压是一种常用的物理改性手段,课题组前期为研发营养重组米,自主研发了改良挤压技术(Improved Extrusion Cooking Technology,IECT),发现IECT制备的营养质构米食用品质良好。此外,利用IECT改性大米淀粉可改善其冻融稳定性。然而,IECT处理对大米淀粉结构和性质(糊化、老化、消化和流变学性质)的影响尚不清楚,这限制了IECT在淀粉基食品中的应用。本研究拟采用IECT处理大米淀粉,研究改性前后大米淀粉糊化、老化、消化和流变性质影响的差异性;表征IECT对大米淀粉各层次结构的影响;建立结构和理化性质之间的关系。此外,本研究还通过IECT技术制备慢消化淀粉和即食糙米,拓展IECT在淀粉改性和淀粉基食品中的应用。本文主要研究结果如下:本论文首先通过调节大米淀粉原料的不同水分含量(30-70%),用IECT技术制备预糊化淀粉。原料水分60%时,淀粉几乎完全糊化。IECT制备的预糊化淀粉与原淀粉相比,在低温(30℃)时有较高的WAI和WSI,较低的崩解值(740 cP)和回生值(1440 cP),这表明IECT处理可以提高淀粉糊的稳定性,降低短期老化程度,水分含量越高,效果越明显。淀粉糊性质的变化主要是由于淀粉分子降解引起的,原淀粉分子尺寸约39.2 nm,降解后分子尺寸约20.7 nm。IECT处理大米淀粉引起的分子降解主要是发生在支链淀粉上。利用不同温度和转速的IECT参数在60%水分条件下处理大米淀粉,结果表明高温(130°C)和高转速(50 Hz)可以使淀粉的降解程度最大化(分子尺寸降低55%),而且降解还是优先发生在支链淀粉分子中,几乎没有直链淀粉发生降解。这与制备预糊化淀粉降解结果一致。降解的小分子通过延缓水分流动性降低和储能模量增加可以有效抑制淀粉的短期老化,但是会加速支链淀粉的长期老化。IECT处理引起淀粉降解程度越大,抑制短期老化和促进长期老化的效果越明显。此外,分子动力学模拟支链淀粉的老化结果与改性淀粉长期老化结果一致,这表明分子模拟技术是一种可以在分子水平研究淀粉长期老化的有效手段。通过对比原大米淀粉和不同分子尺寸的IECT改性淀粉(ERS)的消化,糊化和流变学性质发现:ERS与原淀粉相比,ERS的消化速率明显高于原淀粉(增加3倍),且随着分子尺寸的减小而增加。IECT改性大米淀粉中快消化淀粉含量增加3倍,慢消化淀粉含量减少58%,抗性淀粉含量减少87%。随着分子尺寸的降低,ERS在高温下糊化时,溶解度增加,但水吸收度下降。从流变学性质得出,大米淀粉挤压前后都呈现出弱凝胶和剪切变稀的性质,属于假塑性流体。相同浓度下,IECT改性淀粉的临界应变值,储能模量,表观粘度和触变性都降低,降低程度和淀粉分子降解程度成正比。挤压加快淀粉凝胶网络结构形成的速率,提升了淀粉凝胶的剪切回复能力,最多提升36%。采用挤压结合老化的方法研究改性大米淀粉、马铃薯淀粉和豌豆淀粉消化性发现,改性淀粉凝胶老化后消化速率与原淀粉凝胶老化后的消化速率相比分别降低24%、17%和28%。其中改性豌豆淀粉凝胶老化后消化速率最低(3.02×10~(-2)/min),改性马铃薯滴淀粉次之(4.61×10~(-2)/min),改性大米淀粉消化速率最快(6.05×10~(-2)/min)。而且老化过程对于改性淀粉凝胶储能模量增加与原淀粉相比小5-13×10~3 Pa,硬度的增加比原淀粉少227-719 g,这说明老化对于改性淀粉品质的影响比原淀粉小,挤压结合老化是有效降低淀粉消化速率的方法。此外,研究淀粉基食品老化特性时需要综合考虑淀粉性质和结构变化。利用超微粉粉碎得到不同粒径(103,28.3和15.3μm)的糙米粉,结合挤压成型技术制备即食糙米产品,蛋白含量降低6-38%,粗脂肪含量减少19-49%,同时减少产品的总能量值。促进不可溶性膳食纤维转化成可溶膳食纤维,增加总膳食纤维含量(47%),降低膳食纤维的粒径(最小至16.5μm),但是当原料粒径为15.3μm时,挤压前后膳食纤维粒径不会发生显著变化。虽然挤压可以糙米中酚酸的释放率提高16-30%,但是仍然会降低体外抗氧化活性。此外即食糙米产品具有较好的储存稳定性。原料粒径降低虽然对某些营养成分提高有帮助,但是也带来一些负面影响。原料粒径越小,产品颜色越深,伴随着一股焦味,这会影响人们对产品的接受度。所以在今后的生产中,需要综合考虑各方面因素,选择合适的原料粒径制备糙米产品。综上所述,改良挤压法通过改变大米淀粉各层次结构,可以有效改变大米淀粉的糊化,老化,消化和流变性质,使其适用于不同产品,这些性质的变化主要是由于支链淀粉的降解引起的。IECT结合老化处理可以降低淀粉的消化性,此外,IECT可以改善糙米的食用品质和营养特性。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS235.1
【部分图文】：

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图 1.1 淀粉中葡萄糖连接示意图[4,5]Fig.1.1 The linkage of glucose in starch图 1.2 淀粉六个层次的结构[6,7]Fig.1.2 Different level structure of starch大多研究认为淀粉的结构可以分为六个层次（如图 1.2 所示）[7]：第一个层次为组成淀粉分子的独立的链，称为完全脱支淀粉分子。在检测分

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2图 1.2 淀粉六个层次的结构[6,7]Fig.1.2 Different level structure of starch大多研究认为淀粉的结构可以分为六个层次（如图 1.2 所示）[7]：第一个层次为组成淀粉分子的独立的链，称为完全脱支淀粉分子。在检测分析中的结果称为淀粉链长分布（chainlengthdistribution,CLD）,包括 N 条由 X 个（degreeofpolymerization,DP=X）葡萄糖组成的分子链，表示为 Nde(X)。平均链长在 17-25 的短链（这取决于淀粉的品种和不同的组织）构成了支链淀粉，而直

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第 1 章绪论链淀粉由较长的淀粉链构成，DP 大约在 102~104之间，这些数据是淀粉通过脱支酶处理后得到的。第二个层次为每一个单独链组成的直链淀粉和支链淀粉分子（如图 1.3 所示），称为全分支淀粉分子。早期研究认为直链淀粉就是葡萄糖单体通过 α-1,4 糖苷键连接的直链状分子，支链淀粉是短的直链状分子通过 α-1,6 糖苷键连接在较长的直链状分子上，分支较多，链长较短。而近期研究表明直链淀粉分子中也存在少量分支支链，且链长较长。直链淀粉分子量（molecularweight）大概在 106左右，支链淀粉分子量可以达到 108。每一个淀粉分子只有一个还原末端，在每一条链的尾部有一个非还原末端[6]。

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