《食品科学》：沈阳师范大学肖志刚教授等：挤压螺杆转速对碎米重组米中淀粉多层级结构的影响

大米加工过程中会产生15%～20%的碎米。将碎米进行质构重组可以有效利用资源，丰富口粮品类，为夯实粮食安全根基提供有力保障。重组米是将原料粉碎后经单螺杆或双螺杆挤压机挤出切割制备而成。碎米中淀粉质量分数在85%以上，挤压过程中，淀粉的糊化和结晶行为直接影响了重组米的食用品质。

沈阳农业大学食品学院和沈阳师范大学粮食院的王可心、王丽爽和肖志刚*等人 通过对碎米粉进行挤压制备重组米，采用扫描电子显微镜、小角X射线衍射仪、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪等光电检测仪器对重组米的微观结构、分形结构、糊体系亚微观结构、长程有序和短程有序结构进行检测，同时分离出直链和支链淀粉，对其颗粒表面形貌、粒度分布、X射线衍射图、傅里叶变换红外光谱进行研究，通过淀粉的多层级结构由大到小逐步分析螺杆转速对碎米重组米中淀粉聚集态的影响，旨在为碎米的综合利用及淀粉基挤压食品的研究和开发提供理论依据。

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螺杆转速对挤压重组米微观结构的影响

对挤压螺杆转速为300、270、240、210 r/min和180 r/min制备的重组米以及天然大米粉碎后过100 目筛的扫描电子显微镜图像进行观察。由图1可知，天然大米的粉碎后颗粒大小不一，有大块和碎屑两种状态，无边缘棱角，表面粗糙。挤压重组米颗粒棱角分明，大多呈现方片状或棱柱形状，可能是挤压机腔内的高温高压和剪切力使体系中淀粉、蛋白质和脂肪酸等物质发生了重排，使重组米的质地发生了改变。挤压重组米的颗粒表面呈现粗糙和多孔的结构，这可能是因为在挤压过程中水分子的充分参与使得挤压机内熔融体系中均匀混合，挤出过程中温度和压力瞬间消失，复合物虽然不产生膨化，但体系中的水分在挤出瞬间发生汽化反应。

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螺杆转速对挤压重组米中分形结构的影响

多项研究表明，大米淀粉在q＝0.65 Å-1附近出现典型的半结晶层特征散射峰，如图2A所示，然而经过挤压的样品在q＝0.65 Å-1时散射峰全部消失，失去谱图特征，无法计算半峰宽和片层距离等参数，挤压处理使得重组米中淀粉的结晶层严重破坏，失去了原有的结构，但重结晶后的结构可以依据分形理论通过小角X射线衍射双对数图进行研究（图2B）。通过Power Law公式进行推导得出曲线低q范围内的回归线斜率，根据其数据大小推断重组米中淀粉的分形结构以及重结晶所形成新结构的致密程度。由表1可知，天然大米及重组米的小角X射线衍射双对数图的曲线值均在1～3之间，此时样品的分形维数Dm＝α，结构呈现为质量分形结构。同时，挤压处理使得重组米中淀粉的分形维数Dm降低，且随着螺杆转速的降低，Dm由1.695下降到1.268。天然大米和挤压重组米的淀粉分形结构均属于结晶区和无定形区交错排列的结晶结构，但经挤压处理后，特别是随着螺杆转速的降低，样品的Dm更接近1，此时淀粉的结晶结构更趋近于疏松的线性结构，可能是因为在挤压机腔内停留过程中，分子运动和剪切作用造成氢键断裂，淀粉的双螺旋结构发生断裂解旋，原料中的蛋白质和油脂等结构与淀粉分子发生缠结和复合，导致糊化的淀粉分子在重结晶过程中产生了疏松取向型凝聚。

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螺杆转速对挤压重组米中糊体系亚微观结构的影响

对小角X射线衍射曲线进行洛伦兹变换后得到Kratky曲线，可以间接推测淀粉糊体系的亚微观结构，如图3所示。曲线在0＜q＜1时出现峰形即说明体系均匀度较低，曲线越平直，体系越均匀。在q＝0.7 Å-1时，天然大米呈现较大的曲线峰形，说明天然大米体系中并非规整排列，而是不均匀不致密的结构。挤压处理使重组米与天然大米相比更加均匀，这是因为重组米在制备过程中得到了充分的物理分散，同时淀粉在挤压过程中发生解螺旋减少了分子链束缚，重新排布后对体系的均匀度造成明显的影响。不同挤压螺杆转速的重组米Kratky曲线在0＜q＜1时均出现不同强度的曲线峰，说明挤压后重组米的体系仍不均匀，这是因为挤压后淀粉晶体发生了有序排列和无定形排列两种排列方式，也可能是淀粉在解螺旋后碎米中的少量蛋白质和油脂嵌入体系中。

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螺杆转速对挤压重组米中淀粉长程有序结构的影响

天然大米通常条件下具有典型的A型特征峰，在衍射角度为15°、17°、18°以及23°时具有明显的衍射峰。如图4所示，挤压处理后的样品的X射线衍射图谱均失去特征峰，在20°左右出现了新的特征峰，不具备特征晶型结构。由表2可知，挤压后大米淀粉的相对结晶度明显降低，这是淀粉在挤压机腔内受热糊化后又迅速回生导致的。可能是因为高温、高压和剪切力的作用下使淀粉和少量蛋白质的氢键断裂，发生了解螺旋行为，部分蛋白质被嵌入到淀粉的螺旋结构中，减少了有序晶体的形成，这也与王丽爽等的研究结果一致。相对结晶度随着挤压机内螺杆转速的降低而逐渐降低，当螺杆转速为210 r/min和180 r/min时重组米的淀粉相对结晶度差异不显著（P＞0.05）。推测是因为挤压机的低转速延长了原料的停留时长，淀粉和少量的蛋白质、油脂分子受到充分的剪切和高温作用，从而发生解旋和内嵌等一系列变化，使得淀粉的回生和结晶作用均不再受挤压螺杆转速的影响。

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螺杆转速对挤压重组米中淀粉短程有序结构的影响

由图5A可知，所有样品在波数800～1200 cm-1范围内的衍射峰均呈现手指型特征峰，在波数3000～3700 cm-1范围内的—OH振动衍射峰出现小幅度位移，说明挤压处理能够使样品中氢键发生变化从而对结构产生影响。挤压后的重组米未出现新的振动峰，说明该处理条件下没有新物质产生或产生的部分结合反应可以忽略不计。波数在1045 cm-1和1022 cm-1时的振动峰位置可以侧面反映淀粉的有序结构和无定形区结构特征，对红外图进行去卷积处理（图5B），同时根据特征峰强度的比值可以计算出双螺旋有序度和双螺旋程度，计算结果见表2。挤压处理显著降低了样品的双螺旋有序度（P＜0.05），当挤压螺杆转速为270 r/min时，样品的双螺旋有序度由1.680降低至1.151。同时，随着螺杆转速的降低，双螺旋程度也显著降低，进一步证实了挤压的高温高压和剪切作用下淀粉解螺旋后发生了疏松取向型凝聚行为，这与本实验其他研究结果得出的结论一致。

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螺杆转速对重组米中直链淀粉和支链淀粉颗粒表面结构的影响

将天然大米和挤压重组米中的直链淀粉和支链淀粉进行分离后颗粒表面结构如图6所示。天然大米的直链淀粉颗粒表面呈现几乎平滑的状态，同时伴有少量的凸起；挤压后直链淀粉先是呈现多孔结构，随着挤压螺杆转速的上升，逐渐趋于平整，特别是在螺杆转速为240 r/min和270 r/min时，颗粒表面相对细腻平滑，可能是在挤压过程中形成了直链淀粉-脂类复合物，或者受到剪切作用断裂后再聚集形成了比较致密的结构。天然大米的支链淀粉排列结构较为致密，而挤压后的支链淀粉颗粒表面出现大的裂隙，同时随螺杆转速增加，挤压后支链淀粉颗粒表面大的孔洞也逐渐增多，这可能是支链淀粉受热糊化和剪切作用之后侧链发生断裂后再次缠结造成的。

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螺杆转速对重组米中直链淀粉和支链淀粉粒度分布的影响

图7A是天然大米及重组米的直链淀粉粒度分布图，挤压后直链淀粉的粒度分布峰明显右移，说明挤压处理能增大直链淀粉的粒度，这再次印证了2.6节中的推测，可能是挤压过程中形成了直链淀粉形成了聚集体或与脂类物质形成了新的复合物。同时较低的螺杆转速造成了较大的直链淀粉粒度，可能是较低转速下熔体剪切不充分，直链淀粉发生聚集。图7B是天然大米及重组米的支链淀粉粒度分布图，天然大米的支链淀粉的粒度分布图有多个分布峰，这是A型、B型和C型支链淀粉的不同聚合度造成的。挤压后支链淀粉的最小单元粒度显著增大，推测是因为挤压过程中发生了糊化和重结晶，短链的支链淀粉通过嵌入等方式与长链淀粉进行了结合。当高转速挤压时，支链淀粉的粒径最大，达到1000 μm以上，可能是支链淀粉受到强剪切力后又重新结晶，同时强输送力缩短了熔体在挤压机内的停留时间，支链淀粉在快速自组装的过程中倾向于杂乱无章的排列方式，也可能是米谷蛋白在支链淀粉结晶过程中起到了空间位阻的作用。

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螺杆转速对重组米中直链淀粉和支链淀粉长程有序结构的影响

图8是天然大米及不同挤压螺杆转速制备的重组米中直链淀粉和支链淀粉的X射线衍射图。结合图4可知，天然大米呈现典型的A型结构。将直链淀粉和支链淀粉分别提取之后，二者均不具备A型结晶结构的衍射峰。图8A中，天然大米和挤压重组米的直链淀粉均呈现单峰型衍射图。图8B中，天然大米的支链淀粉在衍射角为13°和20°时有明显衍射峰，但在23°附近也出现小的衍射峰，无法准确判断其晶体结构。挤压重组米的支链淀粉同样较为杂乱，但当螺杆转速为210 r/min和240 r/min时，衍射角13°和20°时出现小的衍射峰，推测是支链淀粉形成了类似V型的结构，这可能是因为部分支链淀粉的侧链单螺旋结构与脂质发生了复合。

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螺杆转速对重组米中直链淀粉和支链淀粉短程有序结构的影响

对天然大米和挤压重组米中直链淀粉和支链淀粉的傅里叶变换红外光谱及傅里叶去卷积图（图9）进行分析，挤压处理对直链淀粉的结构影响不大，可能是因为直链淀粉在挤压过程中没有发生化学变化，或碎米体系中脂类物质较少，直链淀粉-脂质复合物对衍射波长不敏感。对直链淀粉和支链淀粉的红外图进行去卷积处理发现，在波数1066 cm-1和950 cm-1处产生了新的峰，同时1045 cm-1和1022 cm-1处的特征峰消失，此时无法计算二者的双螺旋有序度和双螺旋程度。值得注意的是，由图9C可知，天然大米的支链淀粉在1600～1700 cm-1区间内具有明显特征峰，这与王丽爽等的研究中米谷蛋白的酰胺II带特征峰较为相似，而挤压处理明显降低了特征峰的强度，可能是挤压处理破坏了米谷蛋白的二级结构，蛋白质参与到了淀粉的结晶过程中，这也与2.7节中蛋白质在结晶过程中发生空间位阻的推测一致。

结论

本实验从多个尺度对重组米淀粉的微观结构、长程有序和短程有序结构进行研究和探讨，同时对直链淀粉和支链淀粉分离后进行分析，研究了双螺杆挤压机不同螺杆转速对淀粉聚集结构及精细结构的影响。研究表明：在各区段温度分别设定为40、50、90、90、20、20 ℃，水分质量分数为36%，喂料速率20 kg/h条件下，不同螺杆转速对碎米重组米中淀粉的晶型和结构具有显著影响，颗粒表面粗糙。随着螺杆转速逐渐减小，重组米的分形维数D m 由1.695（对照）下降到1.268（180 r/min），结合Kratky谱图分析，淀粉内部呈现疏松多孔的非均匀结构。挤压后重组米淀粉晶型被破坏，相对结晶度降低；随着螺杆转速逐渐降低，晶体的双螺旋程度显著下降。对直链淀粉和支链淀粉进行分离后发现，挤压能够增大直链淀粉和支链淀粉的粒径，挤压过程中直链淀粉可能与少量脂质形成复合物；支链淀粉的结构发生改变，可能是因为蛋白质参与了重结晶的过程或脂质与部分侧链发生复合。基于以上数据可以认为挤压重组米的多层级结构均受螺杆转速影响明显。本研究可为碎米重组米的提质升级和制备机理研究提供参考。

作者简介

通信作者：

肖志刚教授，沈阳农业大学博士生导师。辽宁省特聘教授、博士生导师，沈阳师范大学粮食学院首席专家、食品科学与工程一级学科带头人。从事大宗粮食作物产后减损及副产物综合利用研究及粮油食品挤压生物反应机理研究，主持国家及省部级项目10余项，发表学术论文300余篇，其中SCI收录57 篇；出版论著及教材11 部，获国家教研成果二等奖、哈尔滨市科技进步二等奖、辽宁省科技进步二等奖、黑龙江农垦总局科学技术一等奖等各类奖励12 项。牵头组建了国内首家以“粮食”命名的二级学院，并率领团队先后获批食品科学与工程一级学科硕士点、亚非青年科学家粮食科技国际交流工作站、辽宁粮食科技创新团队和粮食产后减损工程技术中心等平台。申请及授权专利47 项，其中2 项国际专利已授权，在粮油食品挤压制造与综合利用关键技术等方面取得了重大突破。

第一作者：

王可心，沈阳农业大学食品科学与工程专业在读博士。研究方向为粮食油脂及植物蛋白质工程。

本文《挤压螺杆转速对碎米重组米中淀粉多层级结构的影响》来源于《食品科学》2024年45卷12期，作者：王可心，王丽爽，霍金杰，于小帅，岳喜庆，马小淇，段玉敏，肖志刚。DOI：10.7506/spkx1002-6630-20231006-021。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：小娴；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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