《食品科学》：吉林农业大学许秀颖副教授等：螺杆构型对挤压玉米粉理化特性及冲调品质的影响

玉米中富含多种营养物质，是一种优良的健康谷物原料。以玉米粉为原料加工的食品种类繁多。玉米冲调类食品因其方便快捷、营养丰富的特性越来越受到人们的青睐。但由于玉米粉糊化后黏度较大，冲调时易结块等原因，严重影响了玉米粉的食用品质。

双螺杆挤压作为一种预糊化技术，由于其高效、绿色等优点，被证明是改善冲调粉结构和理化性质的有效手段。螺杆构型作为挤压技术的关键要素，通过调控螺杆元件的排列组合，结合挤压机操作参数，为螺杆提供不同程度的剪切作用，可直接影响食品加工的效率和产品质量。

吉林农业大学食品科学与工程学院的邢佳悦、许秀颖*、吴玉柱*等通过更改捏合元件组数量、捏合元件位置（捏合元件与模头距离、捏合元件间距），设置不同的螺杆构型，以挤压系统参数比机械能反映螺杆的剪切作用强度，探究不同螺杆构型下挤压玉米粉糊化特性、水合特性和质构特性等理化指标的影响规律，并分析挤压玉米粉中淀粉的微观形貌、结晶结构、短程有序结构以及冲调品质的变化，旨在为改善玉米粉冲调特性和挤压加工过程中螺杆构型的选择提供理论依据与技术支撑。

1 螺杆构型对挤压玉米粉比机械能的影响

如图2所示，全输送螺杆构型G1下挤压玉米粉的比机械能最小，为48.84 kJ/kg。不同螺杆 构型下挤压玉米粉的比机械能均显著高于螺杆构型G1（

P

＜0.05）。当螺杆中存在两组捏合元件组，随着件-模距离的增加，挤压玉米粉比机械能呈波动式变化。当件-模距离较小时，物料在挤压机机筒内的停留时间较短，此时物料受到的螺杆剪切力不足，物料的混合效果变差，导致比机械能较低；当件-模距离较大时，物料在机筒内的流动路径长度增加，同时需要较大的扭矩克服物料的流动阻力，即需要较大 的机械能，件-模距离的增大会导致压力分布不均匀，当距离达到一定值时，物料在挤压机机筒内可能形成非稳态流动，使螺杆的比机械能发生波动式变化，这与张波的研究结果一致。随着捏合元件组数量的增加或元件间距的减小，挤压玉米粉比机械能增大，在螺杆中存在两组捏合元件且元件间距为5 L/D（G6）时最大，为58.14 kJ/kg。比机械能可反映不同螺杆构型下挤压玉米粉受到的剪切强度，在本研究中，增加捏合元件组数量或减小元件间距使得挤压玉米粉的比机械能增加，捏合元件组数量的增加使得挤压玉米粉受到的剪切作用增强，较小的元件间距使玉米粉在两组捏合元件组之间流动的路径变短，阻力增加，元件间距的减小增加了因剪切作用增强而产生的能量消耗，表现为比机械能增高，这与Gogoi等得出的元件间距减小使得比机械能增大的结论一致。

2 螺杆构型对挤压玉米粉中直链淀粉含量的影响

如图3所示，NCF的直链淀粉相对含量为22.39%，不同螺杆构型下挤压玉米粉的直链淀粉含量显著上升（

P

＜0.05），全输送螺杆构型G1下挤压玉米粉的直链淀粉相对含量为26.19%，随着捏合元件组数量的增加或元件间距的减小，挤压玉米粉的直链淀粉含量显著上升（

P

＜0.05）；随着件-模距离的增加，挤压玉米粉的直链淀粉含量呈现先上升后下降的趋势。所有实验组中，当螺杆中存在两组捏合元件且元件间距为5 L/D（G6）时，直链淀粉相对含量最高，为31.67%。直链淀粉含量升高的原因可能是玉米粉在挤压过程中，在高温和高剪切力的作用下，玉米粉中的淀粉颗粒发生糊化和降解，

-1,6-糖苷键在挤压过程中受到剪切力的作用优先发生断裂，促进了支链淀粉分子的降解及直链淀粉分子含量的增加；同时当螺杆中存在两组捏合元件组时，较小的元件间距使得物料受到螺杆的剪切作用增强，机械能向热能转变导致温度升高，此时挤压玉米粉的糊化程度可能增大，促进了直链淀粉的释放。

3 螺杆构型对挤压玉米粉微观形貌的影响

如图4所示，经过糊化后浆干的玉米粉凝胶呈现蜂窝状的多孔结构，不同螺杆构型下挤压玉米粉糊化后形成的凝胶网络结构存在明显差异。与NCF相比，经过挤压处理的玉米粉由于受到高温、高压和高剪切力的作用，凝胶孔洞变小。与全输送螺杆构型（G1）相比，更改件-模距离进行挤压，螺杆构型G2～G5下挤压玉米粉凝胶的微观结构呈现数量较多的孔洞结构，部分位置呈现片层结构，但组间并无明显差别。说明增加1 组捏合元件组同时更改件-模距离进行挤压会使玉米粉受到的剪切作用增大，水分子发生重排且淀粉颗粒受到破坏，糊化过程中，受损的淀粉颗粒吸水较多，孔洞数量较多。增加两组捏合元件组同时更改元件间距进行挤压，其玉米粉凝胶的微观结构（G6～G7）表现出松散且不规则的孔洞结构，在元件间距较小时（G6），凝胶出现了更多较小的孔洞，此时挤压玉米粉受到的剪切作用更大，在冲调过程中挤压玉米粉更易吸水。

4 螺杆构型对挤压玉米粉中淀粉短程有序结构的影响

如图5所示，与NCF相比，不同螺杆构型下挤压玉米粉的红外吸收峰发生偏移，分别在3 407～3 411、1 618～1 620、1 396～1 401、1 157～1 159、1 020～1 022、927～929、857～859、761～762 cm-1附近范围内变化，这可能是因为剪切力的作用破坏了氢键，使其发生了断裂。而经过挤压处理并没有使样品产生新的官能团或官能团消失，不同螺杆构型的变化也未引起官能团的改变。

如表1所示，不同螺杆构型下挤压玉米粉的

R

1 051/1 022 和

R

989/ 1022 显著低于NCF（

P

＜0.05），

R

1 051/1 022 由0.981 1减小至0.850 5，

R

989/1 022 由1.503 3减小至1.005 3，这可能是因为淀粉颗粒在高温的作用下发生糊化，直链淀粉分子发生分解，结构被破坏。与螺杆构型G1相比，增加捏合元件组后挤压玉米粉

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 均显著下降；随着件-模距离增大（G2、G3、G4、G5），

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 呈现波动式变化且组内变化不显著；当螺杆中存在两组捏合元件组，挤压玉米粉的

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 随着元件间距的减小而降低，在元件间距为5 L/D（G6）时挤压玉米粉的

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 最低。说明螺杆中的捏合元件使得玉米粉的破坏程度增大，淀粉分子间氢键断裂，淀粉的有序性趋向于无规则分布状态，双螺旋结构的稳定性受到影响，这使得挤压玉米粉在冲调时更容易与水分子接触并分散，减少了冲调过程中可能出现的结块问题，溶解速率得到提高，冲调得到的挤压玉米粉糊更加均匀细腻。

5 螺杆构型对挤压玉米粉中淀粉结晶结构的影响

如图6所示，NCF在15°、17°、18°、20°、23°和26°处存在衍射特征峰，为A型晶体结构，不同螺杆构型下挤压玉米粉在7.5°、13°和20°处出现衍射特征峰，呈现A＋V型晶体结构。NCF的相对结晶度为27.07%，全输送螺杆构型（G1）下挤压玉米粉的相对结晶度为15.84%；与G1相比，增加捏合元件组数量使得挤压玉米粉的衍射峰峰高降低；随着件-模距离的增大，挤压玉米粉的相对结晶度呈波动式变化，件-模距离5 L/D、15 L/D（G2、G4）与10 L/D、20 L/D（G3、G5）两组间无明显差异；当存在两组捏合元件组时，挤压玉米粉的相对结晶度随着元件间距的减小而降低，在元件间距5 L/D（G6）时最低，为10.08%，与NCF相比下降了62.76%。这可能与捏合元件组数量增加或元件间距较小时，挤压玉米粉受到的剪切作用较大有关，影响了淀粉的重结晶，同时促进了样品凝胶化过程中水合能力的增强。

6 螺杆构型对挤压玉米粉糊化特性的影响

如表2所示，与NCF相比，不同螺杆构型下，挤压玉米粉的峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、崩解值和回生值均降低。随着捏合元件组数量的增加或元件间距的减小，挤压玉米粉的峰值黏度、谷值黏度、终值黏度、崩解值和回生值均呈显著下降趋势（

P

＜0.05），随着件-模距离的增加呈波动式变化。在螺杆中存在两组捏合元件且元件间距为5 L/D（G6）时挤压玉米粉的峰值黏度、终值黏度、崩解值和回生值最低，分别为943.00、1 009.00、181.67、247.67 cP；与NCF相比，挤压玉米粉的峰值黏度下降了57%，峰值黏度决定了挤压玉米粉在冲调后的黏稠度，谷值黏度和崩解值反映了挤压玉米粉在高温状态下的耐剪切能力和热稳定性；回生值反映挤压玉米粉糊化后冷却过程中的重结晶程度，终值黏度反映玉米粉糊在冷却后的最终黏度。在件-模距离、元件间距较小或捏合元件组数量较多的螺杆构型下挤压玉米粉在机筒内的停留时间较长，玉米粉受到的剪切作用较强，淀粉分子链发生断裂并重排，导致峰值黏度下降、崩解值较低，说明挤压玉米粉糊热稳定性更好，且不容易回生。

7 螺杆构型对挤压玉米粉水合特性的影响

如图7所示，NCF的WAI和WSI分别为2.69 g/g和1.82%。与全输送元件构成的螺杆构型（G1）相比，随着捏合元件组数量的增加，挤压玉米粉的WAI和WSI均明显提高。通过更改件-模距离，挤压玉米粉的WAI呈先下降后上升的趋势，在件-模距离5 L/D（G2）时比NCF升高了0.64 倍。通过改变两组捏合元件组的间距，挤压玉米粉的WAI呈显著下降趋势（

P

＜0.05），在元件间距5 L/D（G6）时最大，较NCF升高了0.83 倍，从2.3节微观结构的结果可以看出，此时的挤压玉米粉糊具有较小的凝胶孔洞，这增加了凝胶的比表面积，水分子更易渗入孔洞内部，导致WAI的升高。在不同方式的螺杆构型下，挤压玉米粉的WSI的变化趋势与WAI一致，在元件间距5 L/D（G6）时升高了1.10 倍。挤压过程中WSI和WAI升高，可能是不同剪切作用强度的螺杆构型影响挤压玉米粉在挤压机机筒内的停留时间，当捏合元件组数量增加或元件间距较小时，物料的停留时间较长，在高温的作用下，挤压玉米粉糊化程度更高，淀粉颗粒的降解程度也更大，产生了小分子物质，导致更多的可溶性物质溶于水中，在挤压玉米粉的冲调时不易结块，这与2.5节挤压玉米粉相对结晶度降低的结果相印证。

8 螺杆构型对挤压玉米粉质构特性的影响

由表3可知，挤压后玉米粉糊的硬度、黏性、胶着性、咀嚼性均显著低于NFC（

P

＜0.05）。与全输送元件构成的螺杆构型（G1）相比，增加捏合元件组使挤压玉米粉糊的硬度降低了11.46%～41.98%、黏性降低了7.95%～22.25%、胶着性降低了12.25～40.47%、咀嚼性降低了11.48%～40.12%（

P

＜0.05）。通过更改件-模距离，挤压玉米粉糊的硬度和黏性呈先下降后上升的趋势，胶着性和咀嚼性呈波动式变化；挤压玉米粉糊的硬度、黏性、胶着性和咀嚼性随着元件间距的减小而降低，在元件间距5 L/D（G6）时最低，分别为31.63 g、60.84 N、15.36 N和13.82 mJ，分别较NCF下降了64.94%、62.14%、64.51%和64.09%。

更改螺杆构型进行挤压后玉米粉的质构特性参数产生变化的原因可能是螺杆产生的剪切作用力不同，使得玉米粉中淀粉颗粒结构被破坏程度不同，双螺旋结构的解离及无定型区域的增加，使淀粉颗粒更易形成凝胶网络结构，挤压玉米粉结晶区破坏更严重，导致硬度、黏性和胶着性等降低，这与2.5节相对结晶度降低的结果相印证。在玉米粉糊的冲调过程中，硬度和咀嚼性较低，说明玉米粉糊在冲调后更易形成均匀的糊状，且质地柔软和稳定，玉米粉糊更接近流动状态，更易咀嚼；黏性的降低使得在玉米粉冲调过程中更容易分散且口感更加细腻。

9 螺杆构型对挤压玉米粉冲调品质的影响

作为评价冲调粉复水情况的重要指标，稳定性系数越高，说明冲调粉冲调过程中的稳定性越好；结块率和离心沉淀率低表示冲调粉的冲调性和分散性更好，在口感上表现为更加细腻。如表4所示，与NCF和全输送元件构成的螺杆构型（G1）相比，增加捏合元件组的螺杆构型下挤压玉米粉的稳定性系数显著升高，结块率和离心沉淀率显著降低（

P

＜0.05）；通过更改件-模距离，挤压玉米粉的稳定性系数和结块率呈波动式变化，离心沉淀率先下降后上升，这可能与挤压过程中淀粉颗粒的结构变化有关，件-模距离影响着挤压过程中玉米粉在机筒内受到的剪切作用强度，件-模距离较短时剪切作用集中，导致颗粒过度破碎，件-模距离延长后玉米粉的剪切作用分散，且玉米粉在机筒内的流动路径增加，导致物料填充度不足、发生非稳态流动，物料的比机械能波动式变化，引起挤压玉米粉结构的改变，进而影响挤压冲调粉的冲调品质，导致稳定性系数、结块率和离心沉淀率等发生变化。

通过更改元件间距，挤压玉米粉的稳定性系数升高、结块率和离心沉淀率下降。所有实验组中，螺杆中存在两组捏合元件组且元件间距为5 L/D（G6）时，挤压玉米粉的稳定性系数最高，为73.26%，较NCF相比升高了4.69 倍，较全输送元件构成的螺杆构型（G1）相比升高了2.29 倍；结块率和离心沉淀率最低，分别为12.35%和56.54%，较NCF分别降低了77.91%和19.57%，较全输送元件螺杆构型G1相比分别降低了36.63%和10.07%。根据物料比机械能的研究发现，螺杆构型的变化通过调节物料的停留时间、剪切作用强度等对挤压玉米粉产生显著影响，捏合元件组数量增加会延长玉米粉在挤压机机筒内的停留时间，同时受到的剪切作用增强；较小元件间距与件-模距离的螺杆构型导致比机械能增大，玉米粉在机筒内的混合更加均匀，影响其吸水膨胀能力和冲调后的稳定性。稳定性系数升高、结块率和离心沉淀率下降的原因可能与挤压过程中玉米粉受到的糊化程度有关，较小的元件间距能够延长玉米粉的停留时间，玉米粉在机筒内的局部温度升高，增大了玉米粉的糊化程度，可溶性物质增多，挤压玉米粉在冲调时的分散效果更均匀，降低了挤压玉米粉的结块率，冲调粉体系更加稳定，这与2.7节中WSI升高的结果相印证。

10 相关性分析

由图8可知，比机械能与直链淀粉含量呈极显著正相关，与相对结晶度呈极显著负相关（

P

＜0.01），说明比机械能越大，挤压玉米粉受到的剪切作用越强，支链淀粉发生断裂，导致直链淀粉含量上升，同时挤压玉米粉的结晶结构变得更加无序，导致相对结晶度降低。比机械能与峰值黏度等糊化特性、硬度和黏性等质构特性参数、结块率和离心沉淀率等呈显著负相关，与WAI和WSI呈显著正相关，与稳定性系数呈极显著正相关，说明更改不同的螺杆构型能够影响挤压玉米粉的糊化特性，比机械能越大，挤压玉米粉的糊化程度越高，表现为黏度越低，使得挤压玉米粉的水合特性更好；而较高的剪切作用使得挤压玉米粉的颗粒破碎程度增加，挤压玉米粉糊化后具有更好的质构特性，进而影响玉米粉糊的冲调性。相对结晶度与WAI和稳定性系数等呈显著负相关，与WSI呈极显著负相关，与结块率和离心沉淀率呈极显著正相关，说明更改螺杆构型挤压玉米粉破坏了其结构，挤压玉米粉中淀粉颗粒发生降解，产生了更多的水溶性小分子，表现出较高的WAI和WSI，淀粉颗粒的完整性影响挤压玉米粉在冲调时的分散性和稳定性。

结 论

本研究探讨了在不同螺杆构型下，挤压处理对玉米粉的比机械能、理化特性和其淀粉结构特性的影响，并分析了挤压玉米粉的冲调品质。结果发现，不同螺杆构型下挤压玉米粉具有不同的比机械能，且能够反映挤压过程中玉米粉受到的剪切作用强度。与NCF相比，随着捏合元件组数量的增加、件-模距离或元件间距的减小，并未引起挤压玉米粉官能团的变化；样品呈现密集的多孔结构；剪切作用的增强导致挤压玉米粉的相对结晶度下降，最低降至10.08%；直链淀粉含量升高；挤压玉米粉的糊化黏度、硬度、黏性、胶着性和咀嚼性等下降；WAI和WSI升高，挤压玉米粉的冲调稳定性系数升高、结块率与离心沉淀率下降，在螺杆中存在两组捏合元件组且元件间距为5 L/D（G6）时，挤压玉米粉的冲调品质最好，结块率最低，较全输送螺杆构型G1下挤压玉米粉降低了36.63%。

相关性分析表明，比机械能与直链淀粉含量、稳定性系数呈极显著正相关，与WAI、WSI呈显著正相关，与相对结晶度呈极显著负相关，与结块率和离心沉淀率呈显著负相关；相对结晶度与WAI、稳定性系数呈显著负相关、与WSI呈极显著负相关，与结块率和离心沉淀率呈极显著正相关。综上，增加捏合元件组数量、减小元件间距进行玉米粉挤压，有利于获得更高稳定性和更低结块率的冲调粉，能够有效改善玉米粉的冲调特性，本研究结果也为螺杆构型的选择提供了理论依据。

通信作者：

许秀颖 副教授

吉林农业大学 教师

许秀颖， 副教授，中共党员，工学博士，吉林农业大学食品科学与工程学院硕士生导师。现兼任中国粮油学会理事，吉林省食品学会理事，吉林省首批“科创专员”，吉林鲜食玉米产业专家技术委员会委员，吉林省科技特派员，中国农技协吉林安图玉米科技小院首席专家。荣誉：作为骨干成员，先后荣获科技部“玉米和杂粮精深加工技术创新与产业化应用重点领域创新团队”等荣誉称号。

研究方向：主要从事玉米杂粮精深加工及功能性食品开发研究工作，在淀粉与蛋白质、多酚、多糖等组分互作及对其食品品质提升等方面取得了系列创新性成果。

科研成果：主持吉林省科技厅项目、吉林省教育厅等项目6 项；作为骨干成员，承担国家“十三五”重点研发计划等国家、省部级项目8 项；获得国家授权专利10余件；发表SCI/EI等高水平论文66 篇；制定《食用玉米营养品质评价》等地方标准、企业标准16 项；获国家科学技术进步二等奖1 项，吉林省科技进步一等奖3 项。

吴玉柱 硕士生导师

吉林农业大学食品科学与工程学院

吴玉柱 吉林农业大学食品科学与工程学院，硕士生导师，吉林大学博士，主要研究方向为粮食和农副产品的干燥储藏及相关装备开发。

主持省级项目2 项，参与国家基金、重点研发计划等省部级项目10余项，近5年第一作者和通信作者发表SCI/EI期刊检索论文10余篇，授权专利4 件。

第一作者：

邢佳悦 硕士研究生

个人学习经历：2022年9月-至今 吉林农业大学 食品科学与工程学院 农产品加工及贮藏工程专业。

研究方向：粮食加工与品质提升

本文《螺杆构型对挤压玉米粉理化特性及冲调品质的影响》来源于《食品科学》2025年46卷第18期231-239 页， 作者：邢佳悦，陈佳龙，尹绂聿，赵湘媛，江浩旭，刘景圣，许秀颖*，吴玉柱*。 DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250320-160。 点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：林安琪；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