挤压加工对黄色糯玉米粉速溶特性及结构特征的影响

《Foods》：Effect of Extrusion Processing on the Instant Properties and Structural Characteristics of Yellow Waxy Corn Flour

　　

速溶谷物粉在制备过程中常出现冲调性差和结块问题。本研究调查了双螺杆挤压（twin-screw extrusion）和粒径调控对黄色糯玉米粉冲调特性及结构特征的影响。以结块率（caking rate）和悬浮稳定性（suspension stability）为评价指标，筛选了九种挤压处理（140–180 °C；12–18% 物料水分）和四个粒径级分（40–80目），未进行正式工艺优化。随后选取了在180 °C下以不同物料水分生产的三个60目样品作为代表性处理进行机理表征。与原粉相比，挤压样品表现出更低的结块率、更好的悬浮稳定性以及显著更高的吸水率。扫描电子显微镜（SEM）和差示扫描量热法（DSC）分析表明，完整颗粒转化为多孔基质，残留糊化焓显著降低，而X射线衍射（XRD）显示保留A型衍射图谱。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在样品间大致相似，未指示形成新的主要官能团。这些结果将挤压诱导的颗粒和热变化与改善的水化性能联系起来，为开发不含化学抗结剂的清洁标签速溶糯玉米产品提供了基础。

黄色糯玉米富含支链淀粉、膳食纤维及多种矿物质，具有软糯口感和营养优势，但当前其工业化加工以速冻鲜穗和真空保鲜粒为主，产品形式单一、深加工不足，经济附加值低。速溶谷物粉在热水冲调时普遍存在结块和相分离问题，传统解决方式依赖添加化学抗结剂，如植脂末等，含有人体难以代谢的反式脂肪酸，长期摄入增加肥胖、高血脂及心血管疾病风险。双螺杆挤压技术通过热、压力、剪切协同作用可改变淀粉和蛋白质结构，促进颗粒膨胀多孔化，为开发清洁标签速溶产品提供潜在途径。然而，现有研究多集中于分离淀粉或零食型产品，缺乏针对全粒糯玉米粉在热水冲调中工艺-结构-功能关系的系统解析。为此，研究人员开展本研究，旨在明确挤压温度与物料水分对冲调行为的影响，以及粒径调控的作用机制，为清洁标签速溶糯玉米粉开发提供依据。该论文发表在《Foods》。

研究人员采用双螺杆挤压对黄色糯玉米粉进行处理，设定三个机筒温度（140、160、180 °C）和三个物料水分（12%、15%、18%），形成九种挤压处理，随后通过40–80目标准筛进行粒径分级。以结块率和悬浮稳定性为评价指标，筛选出60目级分作为固定条件，并选取180 °C下三个水分处理的样品（YC-T180M12、YC-T180M15、YC-T180M18）作为代表性样品进行机理表征，以原粉（YC-YL）为对照。主要技术方法包括：结块率与悬浮稳定性测定、扫描电子显微镜（SEM）观察微观形态、激光粒度分析仪测量粒径分布与比表面积、X射线衍射（XRD）分析晶体结构、傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测分子结构变化、差示扫描量热法（DSC）测定热转变参数、吸水指数（WAI）测定、动态流变学分析（储能模量G′、损耗模量G″）以及色度测量。样本来源为2024年收获于河北秦皇岛的黄色糯玉米，经手工脱皮脱胚后磨粉过100目筛制得原粉。

**3.1 基于冲调特性筛选挤压处理**：通过比较不同粒径级分（40–80目）的结块率和悬浮稳定性，发现粗粉结块少但悬浮性差，细粉悬浮性好但易结块，60目级分在两者间取得最佳平衡，因此固定为后续分析粒径。在60目样品中，结块率在140 °C时随水分变化较大，160 °C时均较低（0.14–0.16%），180 °C时也较低（0.13–0.60%），但YC-T180M12高于YC-T160M12，表明温度升高未均匀降低结块。悬浮稳定性系数K在140 °C为8.00–20.00%，160 °C为8.00–11.00%，180 °C为4.00–11.00%，其中YC-T180M15分离最少。基于此，选择180 °C系列三个样品进行后续表征，因其在低结块基础上保留水分间差异，用于研究水分对结构的调节作用。

**3.2.1 挤压改性对糯玉米粉营养组成的影响**：通过化学分析（GB 5009.9-2023等）测定，原粉总淀粉含量为73.0%，挤压后略微上升至73.1–75.3%，可能因机械破碎释放了被包裹的淀粉。还原糖含量从原粉的1.0%降至检测限以下，可能参与美拉德反应或热降解，但未测定美拉德产物。总蛋白含量（按GB 5009.5-2016测定总氮）从0.10%增至0.56–0.66%，但未进行质量平衡验证，不能推断蛋白质溶解性变化。

**3.2.2 SEM分析**：通过扫描电子显微镜观察，原粉颗粒完整、表面光滑、呈多边形或卵圆形。挤压后完整颗粒完全消失，形成不规则片状、层状碎片，表面粗糙，含大量孔隙、裂隙和塌陷区域，表明热、压力、剪切联合作用破坏了颗粒完整性，形成连续多孔基质。较高水分样品（YC-T180M18）呈现更连续均匀的片状结构，但仍有丰富微孔，有利于水快速渗透。

**3.2.3 粒径分布**：通过激光粒度分析，原粉中位粒径D50为235.7 μm，挤压后显著增至398.6–452.1 μm，归因于膨胀多孔挤出物的形成。比表面积从19.58 m2/kg降至4.65–5.87 m2/kg，几何外表面减小，但SEM显示内部多孔结构有利于水进入。其中YC-T180M15的D50最小（398.6 μm）、比表面积最大，YC-T180M18的粒径最大、比表面积最小。

**3.2.4 XRD分析**：X射线衍射图谱显示，原粉具有15°、17°、18°、23°（2θ）特征峰，17°和18°处双峰，证实A型结晶结构。挤压后样品保留相同衍射峰位置，未发生晶型转变。相对结晶度分别为35.83%、35.21%、36.40%、36.11%，无显著差异，表明挤压主要破坏颗粒物理完整性，而非完全破坏结晶组织。

**3.2.5 FTIR分析**：傅里叶变换红外光谱显示，所有样品在约3430、2930、1690、1180、1022 cm?1处有主要吸收带，未出现新明显谱带。与YC-YL和YC-T180M12相比，YC-T180M15和YC-T180M18在3430 cm?1处O–H伸缩带更宽更强，1690 cm?1处吸收更明显，1180 cm?1处C–O–C和C–O振动环境改变，1022 cm?1处也有变化，表明高水分条件下氢键环境和局部分子组织发生改变，但未进行定量谱带比分析。

**3.2.6 热转变行为**：差示扫描量热法显示，原粉在约97 °C出现明显糊化吸热峰，糊化焓ΔH为8.54 J g?1。挤压后所有样品ΔH显著降至约1.0 J g?1，表明残留有序结构大幅减少。峰值温度从原粉的97 °C升至YC-T180M12的112 °C和YC-T180M15的122 °C，而YC-T180M18的转变温度接近原粉，表明物料水分改变了残留热响应域。

**3.3.1 吸水行为**：吸水指数测定显示，原粉WAI为0.62，挤压后升至4.24–7.45，增加7–12倍，且随水分增加而递增，YC-T180M18最高（7.45）。该结果与SEM观察到的多孔形态和DSC测得的低糊化焓一致，表明挤压后水更容易进入和结合，但高WAI并非完全决定悬浮稳定性。

**3.3.2 流变特性**：动态流变测量显示，所有样品的储能模量G′和损耗模量G″随频率增加而增大，G″始终高于G′，呈黏性主导弱凝胶特性。挤压样品的G′和G″均高于原粉，表明形成更浓的水化网络，但三个挤压样品间曲线差异较小，流变学对水分敏感性低于WAI。

**3.3.3 颜色特性**：色度测量显示，挤压后L*从91.03降至85.57，a*从?8.50升至2.47，b*从40.27降至36.08，亮度降低、红度增加、黄度减弱，可能与美拉德反应、焦糖化或色素降解有关，但未测定美拉德特异性标志物。三个挤压样品间颜色差异不显著，表明挤压本身对颜色影响大于水分变化。

**总结讨论**：整体讨论表明，挤压处理通过破坏颗粒结构、形成多孔基质、降低残留糊化焓、增强水结合能力，协同改善了冲调性，同时保留了A型结晶结构且未产生新主要官能团，符合清洁标签要求。但工艺参数（温度、水分）对冲调性能的影响并非单调线性，需根据具体条件调控。研究局限性包括未测量比机械能、停留时间、定量FTIR谱带分析、淀粉消化率、美拉德标志物、感官评价、储存稳定性及中试或工业规模验证。未来工作应应用响应面或多目标优化，量化糊化与分子降解，评估体外消化率和营养品质，进行感官接受度和货架期评价，并验证工艺稳健性和能耗。

**结论**：双螺杆挤压结合粒径控制改善了黄色糯玉米粉的热水冲调性。关键科学贡献在于建立了全糯玉米基质的工艺-结构-功能联系：60目挤压样品兼具低结块和可接受的悬浮行为，SEM、DSC和WAI表明颗粒破坏、多孔基质形成、残留糊化焓降低和增强的水结合能力伴随着冲调性能改善。XRD和FTIR进一步表明保留A型衍射图谱且未检测到新主要官能团。这些发现支持挤压作为开发速溶粥粉的清洁标签途径，同时也显示测试处理组内的非单调变化。180 °C处理是代表性筛选选择而非统计优化条件。研究局限性包括缺少比机械能和停留时间测量、定量FTIR谱带分析、淀粉消化率和营养生物利用度数据、美拉德特异性标志物、感官评价、储存稳定性以及中试或工业规模验证。未来工作应应用响应面或多目标优化并进行独立验证，量化糊化和分子降解，评估体外消化率和营养品质，评价感官接受度和货架期，并确认工艺稳健性和工业规模能耗。