擠壓膨化技術在玉米深加工產業中研究現狀及應用

付昱東，何 東，楊慶余，邵 晨，王 含，肖志剛

（沈陽師范大學 糧食學院，遼寧 沈陽 110034）

擠壓膨化技術在食品領域取得廣泛應用，為玉米產業的綜合利用開辟了新的道路。玉米在擠壓機中產生復雜的物理、化學、生物反應，使擠壓產物在質構、組成、表觀等理化特性及營養上均產生很大改變[1]。

1 擠壓膨化技術

食品擠壓膨化技術是指物料在擠壓機腔體內由于螺桿的推動作用從而被迫曲折前進的過程，在摩擦力、剪切力和加熱共同作用下，使腔體內達到高溫、高壓狀態，在此過程中物料經受強烈的攪拌、擠壓、剪切、熔融、殺菌、熟化等一系列復雜的連續化處理的高溫短時加工過程[2-3]。擠壓膨化的影響因素主要包括螺桿轉速、溫度、固液進料量，以及原料本身的性質（如淀粉、蛋白質、脂肪等的含量）[4]。擠壓膨化加工使得玉米內部組分的分子結構發生變化，導致玉米中淀粉發生糊化、降解，提高了還原糖和糊精的含量；蛋白質分子內部結構和性質產生變化；纖維素發生細化、降解等；擠壓后原料的利用率和消化吸收率得到提高[5-6]。擠壓膨化產物具有與原料不同的理化性質[7]。與傳統加工方式相比，擠壓加工結合了水分、壓力、溫度和機械剪切作用，是一種生產效率高、生產成本低、功能性廣、經濟環保的食品加工技術[8]?？捎糜陂_發具有功能特性的小吃或早餐谷類食品，能夠有效改善食品的加工品質[9-10]，應用前景廣闊[11]。

2 玉米營養成分及加工現狀

2.1 玉米的營養成分

玉米含有豐富的淀粉、蛋白質、脂肪、纖維素、水溶性多糖、維生素、礦物質等，且含有人體必需的氨基酸、多糖等生理活性物質，同時玉米具備諸多保健性能，在世界范圍被稱作為“黃金作物”[12]。

2.2 玉米的加工現狀

中國是全球玉米產量排名第2 位的國家，玉米在2018 年的產量為25 700 萬t。玉米是我國主要的經濟作物，是可加工程度最高、產業鏈最長、產品類別極為豐富的糧食品種。玉米年產量高、增產潛力大、產品成本低、經濟效益高，能供人畜食用、飼用，且工業用途廣泛，是全世界發展前途最大的谷物[13]。玉米的深加工是指以玉米或其初加工產品為原料，利用物理、化學方法和發酵工程等工藝技術對玉米進行深度加工的行業[14]。當今世界已經研發出的玉米深加工產品達到幾十類，數千個品種，同時每個品種的產業鏈層次水平均比較高，經過深加工后的玉米較玉米原糧其產品增值大，經濟效益超過原糧數百倍，玉米加工業深受各界人士關注，并被稱作“陽光產業”和“黃金產業”[15]。玉米深加工產品主要包括淀粉、變性淀粉，以及淀粉過程中加工產生的各種副產物，如玉米胚芽、纖維及蛋白等，加上各類高附加值的發酵制品、淀粉糖、多元醇等[16]。近年來我國玉米深加工行業發展迅速，且廣泛應用于食品、醫藥、化工等多個領域，前景良好。

3 擠壓膨化技術在玉米深加工中的應用

3.1 擠壓膨化技術在玉米淀粉中的應用

淀粉是玉米深加工行業的基礎原料，2018 年我國玉米淀粉產量達到2.815×107t，玉米淀粉占世界淀粉產量的81%之多，深加工的玉米淀粉位于其他淀粉的首位[17]。如今，國際上多利用濕磨工藝制取玉米淀粉，以此原料進行深加工的產品主要有淀粉糖、變性淀粉和發酵制品等。

3.1.1 淀粉糖

淀粉糖是淀粉深加工的主要產品，2018 年達到玉米淀粉消費總量的56%。目前，用玉米淀粉制取糖的方法主要是酸法、酸酶法和雙酶法[18]。擠壓膨化制糖工藝是近幾年發展起來的新工藝，原料經過擠壓膨化處理產生物性變化，能夠減少制糖工藝中的液化糖化時間，縮短工藝流程，提高效率，降低能耗[19]。肖志剛[20]對擠壓膨化參數進行優化處理，克服了擠壓膨化脫胚玉米制取淀粉糖漿糖化液過濾困難的問題。采用擠壓膨化技術制取淀粉糖漿，省去傳統的蒸煮糊化工序，降低液化、糖化時間，節約了能耗，具有可觀的經濟效益。劉靜雪等人[21]采用擠壓結合酶解的方法對玉米淀粉改性處理，利用響應面法對改性工藝的主要影響因素是淀粉酶添加量、擠壓溫度、淀粉含量優化處理，得出玉米淀粉經擠出酶解復合改性后顆粒表面出現孔洞，結晶度降低，擠壓產物低聚糖組分可以很好地分離，低聚糖樣品不同組分葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、麥芽四糖、麥芽五糖的質量比為1.0∶3.4∶7.5∶6.0∶1.8。如今，玉米淀粉糖制成的產品有果葡糖漿、結晶葡萄糖、葡萄糖漿、啤酒糖漿、麥芽糖漿、低聚糖漿等液體淀粉糖，普遍應用于食品、醫藥等領域[22]。

3.1.2 變性淀粉

天然淀粉在某些情況下具有水溶性低、糊化后回生不良等局限性[23]。為了克服這些缺點，必須對淀粉進行物理、化學或酶的修飾[24]。也就是說淀粉的固有性質使其不再適應工業應用的需求，它必須與其他材料進行改性或混合，以獲得更優越的性能[25]。高溫短時間擠壓蒸煮對淀粉基原料理化性能的改性效果顯著[26]，擠壓技術可大量連續生產多種類型的變性淀粉，且綠色環保、無污染物質產生。利用擠壓機作反應器可以生產出氧化、酯化、醚化和交聯等多種類型的變性淀粉[27]。一般情況下，擠壓會導致淀粉糊化、結晶度喪失、直鏈淀粉和支鏈淀粉降解或老化等變化[28]。實際上，淀粉最終的結構決定了材料和功能特性，只要淀粉在加工過程中的結構變化得到很好的控制，就可以對擠壓加工進行調整，以獲得與目標應用相關的結構[29]。Graeme Moad[30]研究發現，運用擠壓膨化技術可以連續生產出高質量、更穩定的改性淀粉，因擠出機具有良好的混合效果等優勢，特別適用于處理高黏性流體（如糊化淀粉），克服了天然淀粉在高溫下因糊化導致淀粉顆粒破裂，形成一種很難處理的均勻但黏性很高的糊狀物的缺陷。楊慶余等人[31]利用擠壓蒸煮法制備的玉米淀粉- GMS復合物，解決了玉米淀粉容易回生的難題。在擠壓機內經擠壓處理的玉米淀粉與分子蒸餾單甘酯（GMS）發生酯交換反應生成了回生凝膠焓值和回生凝膠溫度均低于原玉米淀粉的玉米淀粉- GMS 復合物，得到具有抗回生性能的高質量淀粉基產品。任海斌等人[32]研究了經擠壓預處理的玉米淀粉，經普魯蘭酶酶解手段制備抗性淀粉，進而研究擠壓參數：物料含水量、螺桿轉速、機筒溫度和喂料速度對抗性淀粉含量的影響，制備出了高含量的抗性淀粉。Erich von Borries-Medrano 等人[9]研究發現，擠壓技術對玉米淀粉進行熱機械改性后不同類型半乳甘露聚糖和檸檬酸的相互作用導致擠壓淀粉樣品的結構發生了明顯的變化，對淀粉老化和抗性淀粉形成的影響。

3.1.3 發酵制品

啤酒是繼水和茶后全球范圍內被廣泛消費且排名第3 位的暢銷飲料[33]。玉米淀粉因其蛋白質和脂肪含量低且浸出率高、糊化溫度低、易糖化等特性而特別適用于用作啤酒輔料[34-35]。傳統的啤酒輔料經由蒸煮工序實現糊化，工藝復雜且能耗高[36]。擠壓膨化工藝對啤酒原料的預處理是由瞬時高溫高壓及高剪切力改變原料結構，從而提高原料利用率[37]。擠壓輔料釀造的啤酒具有口感細膩、風味獨特、產量高等優點[35]。擠壓膨化相比于傳統蒸煮糊化工藝處理啤酒輔料存在諸多優點，并且吸引廣大研究者探索。鄭慧等人[38]探討了擠壓膨化處理玉米淀粉輔料的添加對麥汁和啤酒蛋白質組成及含量的影響，研究得出低溫擠壓玉米淀粉輔料麥汁及啤酒中低分子含氮物質偏高，有利于啤酒的口感、持泡性和抗氧化性。Cortés-Ceballos Enrique等人[39]將預糊化的玉米和高粱淀粉與硬脂酰乳酸鈉一起進行擠壓膨化處理，以減少抗性淀粉和加工黏度，評價所得麥芽汁的釀造性能，并與傳統方法生產的啤酒進行了比較。結果表明，預糊化釀造輔料的使用減少啤酒生產過程中的糊化時間，且省去了蒸煮槽的需要，有效地減少了釀酒廠的資本和運營費用。

3.2 擠壓膨化技術在玉米胚芽中的應用

玉米胚芽是工業生產的重要副產物，大量的玉米胚為玉米胚芽油的生產提供了原料[40]。擠壓膨化預處理浸油工藝是全新的植物油脂提取技術，相比于傳統的軋坯蒸炒預榨浸出工藝，擠壓預處理免除了油籽的干燥、粉碎、軋坯、蒸炒和預榨等步驟，使得生產能力增強，生產工藝縮短，生產成本降低，具有很強的優越性[41]。由此可以明確，研究玉米胚擠壓浸油工藝是可行且必要的。近年來，大量學者將研究點放在擠壓膨化油料作物上，于雙雙等人[42]以半濕法玉米胚為研究對象，討論擠壓膨化工藝條件：螺紋升角、阻流環直徑、軸頭間隙和螺桿轉速等因素對半濕法玉米胚低溫擠出物浸提所得原油的酸值影響，優化得到最佳的擠壓膨化工藝參數，并為玉米胚芽油的工業化生產提供理論基礎。Li Hongjun 等人[43]通過擠壓預處理手段，以物料含水率、螺桿轉速、套筒溫度和?？卓讖綖榉磻兞?，以殘留油作為該工藝的考查指標，優化出了最佳擠壓工藝參數，提高了玉米胚芽油的提取效率。

3.3 擠壓膨化技術在玉米蛋白中的應用

玉米蛋白粉是玉米首先通過濕磨工藝得到粗淀粉乳，再經蛋白質分離獲得麩質水，最后濃縮干燥得到。目前，擠壓膨化對玉米蛋白粉的應用研究主要集中在制取玉米醇溶蛋白，提取玉米黃色素，制備玉米蛋白肽[44-45]。鄭喜群等人[46]對玉米蛋白粉進行擠壓膨化預處理提取玉米醇溶蛋白，預處理后獲得的玉米醇溶蛋白結構特性發生了改變，物理性質得到改善，持水力、吸油性和黏度均有不同程度的增加，擠壓膨化技術為玉米醇溶蛋白的開發利用提供了理論依據。焦巖等人[47]研究了通過對擠壓膨化預處理條件的優化，對擠壓前后玉米蛋白粉內部微觀結構的變化和玉米黃色素得率的關系及玉米黃色素組成進行分析，結果表明，擠壓膨化預處理能夠明顯增加玉米黃色素的提取量，是提取玉米蛋白粉色素的一種實用有效的預處理手段，為擠壓膨化技術在玉米黃色素提取方面的研究與應用提供了科學依據。孫旭[48]在前人制備玉米抗氧化肽研究的基礎上，將擠壓技術融入其中，利用酶解法對擠壓后的玉米蛋白粉進行酶解，使得抗氧化肽得率提高，同時玉米蛋白粉的利用率增加，為今后玉米抗氧化肽的進一步研究，提供了理論依據和數據基礎。

3.4 擠壓膨化技術在玉米皮中的應用

玉米皮作為玉米加工淀粉過程中的副產物，對其進行擠壓膨化預處理，可用作發酵纖維乙醇、改性膳食纖維、提取玉米皮多糖等用途，從而提高玉米副產物的附加值。研究發現，0.75% NaOH 處理的擠壓膨化的脫淀粉玉米纖維比未經擠壓處理的脫淀粉玉米纖維有顯著提高乙醇產率的作用。薛戰鋒等人[49]綜述了擠壓處理可以使膳食纖維中可溶性成分提升，其持水能力、結合水能力和膨脹能力等性質得到改善，充分發揮其生理功能，拓寬其在食品工業中的應用。王文俠等人[50]研究發現，擠壓處理后的玉米皮多糖得率提高了2.7 倍。擠壓處理使玉米麩皮粗多糖清除多種自由基及還原能力均有不同程度的提高，對羥自由基及超氧陰離子自由基作用尤為顯著。

3.5 擠壓膨化技術在脫胚玉米中的應用

玉米深加工包含將脫胚玉米作為原材料生產酒精，其在食品工業、化工產品、醫學等領域被普遍應用。目前，對可代替石油的綠色燃料—酒精的應用是未來發展的必然趨勢，世界上生產最多的生物燃料之一也是燃料乙醇[51]。傳統工藝中的酒精發酵需要先對淀粉質原料進行高溫高壓蒸煮處理，此過程耗能巨大。而擠壓膨化技術可以省去傳統生產方法中的煮沸階段，節省能耗。關正軍等人[15]通過比較擠壓膨化脫胚玉米與傳統蒸煮液化生產酒精的不同工藝，得出省去蒸煮液化階段的膨化物料與對照樣在同樣操作條件下進行糖化和酒精發酵，其淀粉出酒率提高，認為擠壓膨化技術可以替代蒸煮液化階段，并且對擠壓參數進行優化完全可能達到傳統工藝的發酵效果，此研究對擠壓膨化脫胚玉米生產酒精有重要參考價值。吳德旺[52]探究了將膨化前后玉米分別按傳統酒精生產工藝進行液化、糖化及發酵試驗，發現膨化后的玉米液化時間縮短，發酵醪中的三糖、二糖含量下降，乙醇含量提高，膨化后的物料經過傳統的酒精生產工藝，酒精產率大大提高，淀粉利用率提高。

4 結語

擠壓膨化技術的不斷創新與推廣, 給我國玉米產業的綜合利用開辟了新途徑。擠壓膨化加工是一個結合了物理、化學、生物綜合作用的復雜反應過程，擠壓加工中各種工藝參數及其交互作用對產品質量均有影響，工藝參數和生產條件均有待深入探討。因此，通過推動擠壓加工技術的創新可以推動玉米深加工技術全面的發展，進一步擴大玉米深加工的應用領域。