《食品科學》：吉林農業大學許秀穎副教授等：螺桿構型對擠壓玉米粉理化特性及沖調品質的影響

玉米中富含多種營養物質，是一種優良的健康谷物原料。以玉米粉為原料加工的食品種類繁多。玉米沖調類食品因其方便快捷、營養豐富的特性越來越受到人們的青睞。但由于玉米粉糊化后黏度較大，沖調時易結塊等原因，嚴重影響了玉米粉的食用品質。

雙螺桿擠壓作為一種預糊化技術，由于其高效、綠色等優點，被證明是改善沖調粉結構和理化性質的有效手段。螺桿構型作為擠壓技術的關鍵要素，通過調控螺桿元件的排列組合，結合擠壓機操作參數，為螺桿提供不同程度的剪切作用，可直接影響食品加工的效率和產品質量。

吉林農業大學食品科學與工程學院的邢佳悅、許秀穎*、吳玉柱*等通過更改捏合元件組數量、捏合元件位置（捏合元件與模頭距離、捏合元件間距），設置不同的螺桿構型，以擠壓系統參數比機械能反映螺桿的剪切作用強度，探究不同螺桿構型下擠壓玉米粉糊化特性、水合特性和質構特性等理化指標的影響規律，并分析擠壓玉米粉中淀粉的微觀形貌、結晶結構、短程有序結構以及沖調品質的變化，旨在為改善玉米粉沖調特性和擠壓加工過程中螺桿構型的選擇提供理論依據與技術支撐。

1 螺桿構型對擠壓玉米粉比機械能的影響

如圖2所示，全輸送螺桿構型G1下擠壓玉米粉的比機械能最小，為48.84 kJ/kg。不同螺桿 構型下擠壓玉米粉的比機械能均顯著高于螺桿構型G1（

P

＜0.05）。當螺桿中存在兩組捏合元件組，隨著件-模距離的增加，擠壓玉米粉比機械能呈波動式變化。當件-模距離較小時，物料在擠壓機機筒內的停留時間較短，此時物料受到的螺桿剪切力不足，物料的混合效果變差，導致比機械能較低；當件-模距離較大時，物料在機筒內的流動路徑長度增加，同時需要較大的扭矩克服物料的流動阻力，即需要較大 的機械能，件-模距離的增大會導致壓力分布不均勻，當距離達到一定值時，物料在擠壓機機筒內可能形成非穩態流動，使螺桿的比機械能發生波動式變化，這與張波的研究結果一致。隨著捏合元件組數量的增加或元件間距的減小，擠壓玉米粉比機械能增大，在螺桿中存在兩組捏合元件且元件間距為5 L/D（G6）時最大，為58.14 kJ/kg。比機械能可反映不同螺桿構型下擠壓玉米粉受到的剪切強度，在本研究中，增加捏合元件組數量或減小元件間距使得擠壓玉米粉的比機械能增加，捏合元件組數量的增加使得擠壓玉米粉受到的剪切作用增強，較小的元件間距使玉米粉在兩組捏合元件組之間流動的路徑變短，阻力增加，元件間距的減小增加了因剪切作用增強而產生的能量消耗，表現為比機械能增高，這與Gogoi等得出的元件間距減小使得比機械能增大的結論一致。

2 螺桿構型對擠壓玉米粉中直鏈淀粉含量的影響

如圖3所示，NCF的直鏈淀粉相對含量為22.39%，不同螺桿構型下擠壓玉米粉的直鏈淀粉含量顯著上升（

P

＜0.05），全輸送螺桿構型G1下擠壓玉米粉的直鏈淀粉相對含量為26.19%，隨著捏合元件組數量的增加或元件間距的減小，擠壓玉米粉的直鏈淀粉含量顯著上升（

P

＜0.05）；隨著件-模距離的增加，擠壓玉米粉的直鏈淀粉含量呈現先上升后下降的趨勢。所有實驗組中，當螺桿中存在兩組捏合元件且元件間距為5 L/D（G6）時，直鏈淀粉相對含量最高，為31.67%。直鏈淀粉含量升高的原因可能是玉米粉在擠壓過程中，在高溫和高剪切力的作用下，玉米粉中的淀粉顆粒發生糊化和降解，

-1,6-糖苷鍵在擠壓過程中受到剪切力的作用優先發生斷裂，促進了支鏈淀粉分子的降解及直鏈淀粉分子含量的增加；同時當螺桿中存在兩組捏合元件組時，較小的元件間距使得物料受到螺桿的剪切作用增強，機械能向熱能轉變導致溫度升高，此時擠壓玉米粉的糊化程度可能增大，促進了直鏈淀粉的釋放。

3 螺桿構型對擠壓玉米粉微觀形貌的影響

如圖4所示，經過糊化后漿干的玉米粉凝膠呈現蜂窩狀的多孔結構，不同螺桿構型下擠壓玉米粉糊化后形成的凝膠網絡結構存在明顯差異。與NCF相比，經過擠壓處理的玉米粉由于受到高溫、高壓和高剪切力的作用，凝膠孔洞變小。與全輸送螺桿構型（G1）相比，更改件-模距離進行擠壓，螺桿構型G2～G5下擠壓玉米粉凝膠的微觀結構呈現數量較多的孔洞結構，部分位置呈現片層結構，但組間并無明顯差別。說明增加1 組捏合元件組同時更改件-模距離進行擠壓會使玉米粉受到的剪切作用增大，水分子發生重排且淀粉顆粒受到破壞，糊化過程中，受損的淀粉顆粒吸水較多，孔洞數量較多。增加兩組捏合元件組同時更改元件間距進行擠壓，其玉米粉凝膠的微觀結構（G6～G7）表現出松散且不規則的孔洞結構，在元件間距較小時（G6），凝膠出現了更多較小的孔洞，此時擠壓玉米粉受到的剪切作用更大，在沖調過程中擠壓玉米粉更易吸水。

4 螺桿構型對擠壓玉米粉中淀粉短程有序結構的影響

如圖5所示，與NCF相比，不同螺桿構型下擠壓玉米粉的紅外吸收峰發生偏移，分別在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附近范圍內變化，這可能是因為剪切力的作用破壞了氫鍵，使其發生了斷裂。而經過擠壓處理并沒有使樣品產生新的官能團或官能團消失，不同螺桿構型的變化也未引起官能團的改變。

如表1所示，不同螺桿構型下擠壓玉米粉的

R

1 051/1 022 和

R

989/ 1022 顯著低于NCF（

P

＜0.05），

R

1 051/1 022 由0.981 1減小至0.850 5，

R

989/1 022 由1.503 3減小至1.005 3，這可能是因為淀粉顆粒在高溫的作用下發生糊化，直鏈淀粉分子發生分解，結構被破壞。與螺桿構型G1相比，增加捏合元件組后擠壓玉米粉

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 均顯著下降；隨著件-模距離增大（G2、G3、G4、G5），

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 呈現波動式變化且組內變化不顯著；當螺桿中存在兩組捏合元件組，擠壓玉米粉的

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 隨著元件間距的減小而降低，在元件間距為5 L/D（G6）時擠壓玉米粉的

R

1 051/1 022 和

R

989/1 022 最低。說明螺桿中的捏合元件使得玉米粉的破壞程度增大，淀粉分子間氫鍵斷裂，淀粉的有序性趨向于無規則分布狀態，雙螺旋結構的穩定性受到影響，這使得擠壓玉米粉在沖調時更容易與水分子接觸并分散，減少了沖調過程中可能出現的結塊問題，溶解速率得到提高，沖調得到的擠壓玉米粉糊更加均勻細膩。

5 螺桿構型對擠壓玉米粉中淀粉結晶結構的影響

如圖6所示，NCF在15°、17°、18°、20°、23°和26°處存在衍射特征峰，為A型晶體結構，不同螺桿構型下擠壓玉米粉在7.5°、13°和20°處出現衍射特征峰，呈現A＋V型晶體結構。NCF的相對結晶度為27.07%，全輸送螺桿構型（G1）下擠壓玉米粉的相對結晶度為15.84%；與G1相比，增加捏合元件組數量使得擠壓玉米粉的衍射峰峰高降低；隨著件-模距離的增大，擠壓玉米粉的相對結晶度呈波動式變化，件-模距離5 L/D、15 L/D（G2、G4）與10 L/D、20 L/D（G3、G5）兩組間無明顯差異；當存在兩組捏合元件組時，擠壓玉米粉的相對結晶度隨著元件間距的減小而降低，在元件間距5 L/D（G6）時最低，為10.08%，與NCF相比下降了62.76%。這可能與捏合元件組數量增加或元件間距較小時，擠壓玉米粉受到的剪切作用較大有關，影響了淀粉的重結晶，同時促進了樣品凝膠化過程中水合能力的增強。

6 螺桿構型對擠壓玉米粉糊化特性的影響

如表2所示，與NCF相比，不同螺桿構型下，擠壓玉米粉的峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值和回生值均降低。隨著捏合元件組數量的增加或元件間距的減小，擠壓玉米粉的峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值和回生值均呈顯著下降趨勢（

P

＜0.05），隨著件-模距離的增加呈波動式變化。在螺桿中存在兩組捏合元件且元件間距為5 L/D（G6）時擠壓玉米粉的峰值黏度、終值黏度、崩解值和回生值最低，分別為943.00、1 009.00、181.67、247.67 cP；與NCF相比，擠壓玉米粉的峰值黏度下降了57%，峰值黏度決定了擠壓玉米粉在沖調后的黏稠度，谷值黏度和崩解值反映了擠壓玉米粉在高溫狀態下的耐剪切能力和熱穩定性；回生值反映擠壓玉米粉糊化后冷卻過程中的重結晶程度，終值黏度反映玉米粉糊在冷卻后的最終黏度。在件-模距離、元件間距較小或捏合元件組數量較多的螺桿構型下擠壓玉米粉在機筒內的停留時間較長，玉米粉受到的剪切作用較強，淀粉分子鏈發生斷裂并重排，導致峰值黏度下降、崩解值較低，說明擠壓玉米粉糊熱穩定性更好，且不容易回生。

7 螺桿構型對擠壓玉米粉水合特性的影響

如圖7所示，NCF的WAI和WSI分別為2.69 g/g和1.82%。與全輸送元件構成的螺桿構型（G1）相比，隨著捏合元件組數量的增加，擠壓玉米粉的WAI和WSI均明顯提高。通過更改件-模距離，擠壓玉米粉的WAI呈先下降后上升的趨勢，在件-模距離5 L/D（G2）時比NCF升高了0.64 倍。通過改變兩組捏合元件組的間距，擠壓玉米粉的WAI呈顯著下降趨勢（

P

＜0.05），在元件間距5 L/D（G6）時最大，較NCF升高了0.83 倍，從2.3節微觀結構的結果可以看出，此時的擠壓玉米粉糊具有較小的凝膠孔洞，這增加了凝膠的比表面積，水分子更易滲入孔洞內部，導致WAI的升高。在不同方式的螺桿構型下，擠壓玉米粉的WSI的變化趨勢與WAI一致，在元件間距5 L/D（G6）時升高了1.10 倍。擠壓過程中WSI和WAI升高，可能是不同剪切作用強度的螺桿構型影響擠壓玉米粉在擠壓機機筒內的停留時間，當捏合元件組數量增加或元件間距較小時，物料的停留時間較長，在高溫的作用下，擠壓玉米粉糊化程度更高，淀粉顆粒的降解程度也更大，產生了小分子物質，導致更多的可溶性物質溶于水中，在擠壓玉米粉的沖調時不易結塊，這與2.5節擠壓玉米粉相對結晶度降低的結果相印證。

8 螺桿構型對擠壓玉米粉質構特性的影響

由表3可知，擠壓后玉米粉糊的硬度、黏性、膠著性、咀嚼性均顯著低于NFC（

P

＜0.05）。與全輸送元件構成的螺桿構型（G1）相比，增加捏合元件組使擠壓玉米粉糊的硬度降低了11.46%～41.98%、黏性降低了7.95%～22.25%、膠著性降低了12.25～40.47%、咀嚼性降低了11.48%～40.12%（

P

＜0.05）。通過更改件-模距離，擠壓玉米粉糊的硬度和黏性呈先下降后上升的趨勢，膠著性和咀嚼性呈波動式變化；擠壓玉米粉糊的硬度、黏性、膠著性和咀嚼性隨著元件間距的減小而降低，在元件間距5 L/D（G6）時最低，分別為31.63 g、60.84 N、15.36 N和13.82 mJ，分別較NCF下降了64.94%、62.14%、64.51%和64.09%。

更改螺桿構型進行擠壓后玉米粉的質構特性參數產生變化的原因可能是螺桿產生的剪切作用力不同，使得玉米粉中淀粉顆粒結構被破壞程度不同，雙螺旋結構的解離及無定型區域的增加，使淀粉顆粒更易形成凝膠網絡結構，擠壓玉米粉結晶區破壞更嚴重，導致硬度、黏性和膠著性等降低，這與2.5節相對結晶度降低的結果相印證。在玉米粉糊的沖調過程中，硬度和咀嚼性較低，說明玉米粉糊在沖調后更易形成均勻的糊狀，且質地柔軟和穩定，玉米粉糊更接近流動狀態，更易咀嚼；黏性的降低使得在玉米粉沖調過程中更容易分散且口感更加細膩。

9 螺桿構型對擠壓玉米粉沖調品質的影響

作為評價沖調粉復水情況的重要指標，穩定性系數越高，說明沖調粉沖調過程中的穩定性越好；結塊率和離心沉淀率低表示沖調粉的沖調性和分散性更好，在口感上表現為更加細膩。如表4所示，與NCF和全輸送元件構成的螺桿構型（G1）相比，增加捏合元件組的螺桿構型下擠壓玉米粉的穩定性系數顯著升高，結塊率和離心沉淀率顯著降低（

P

＜0.05）；通過更改件-模距離，擠壓玉米粉的穩定性系數和結塊率呈波動式變化，離心沉淀率先下降后上升，這可能與擠壓過程中淀粉顆粒的結構變化有關，件-模距離影響著擠壓過程中玉米粉在機筒內受到的剪切作用強度，件-模距離較短時剪切作用集中，導致顆粒過度破碎，件-模距離延長后玉米粉的剪切作用分散，且玉米粉在機筒內的流動路徑增加，導致物料填充度不足、發生非穩態流動，物料的比機械能波動式變化，引起擠壓玉米粉結構的改變，進而影響擠壓沖調粉的沖調品質，導致穩定性系數、結塊率和離心沉淀率等發生變化。

通過更改元件間距，擠壓玉米粉的穩定性系數升高、結塊率和離心沉淀率下降。所有實驗組中，螺桿中存在兩組捏合元件組且元件間距為5 L/D（G6）時，擠壓玉米粉的穩定性系數最高，為73.26%，較NCF相比升高了4.69 倍，較全輸送元件構成的螺桿構型（G1）相比升高了2.29 倍；結塊率和離心沉淀率最低，分別為12.35%和56.54%，較NCF分別降低了77.91%和19.57%，較全輸送元件螺桿構型G1相比分別降低了36.63%和10.07%。根據物料比機械能的研究發現，螺桿構型的變化通過調節物料的停留時間、剪切作用強度等對擠壓玉米粉產生顯著影響，捏合元件組數量增加會延長玉米粉在擠壓機機筒內的停留時間，同時受到的剪切作用增強；較小元件間距與件-模距離的螺桿構型導致比機械能增大，玉米粉在機筒內的混合更加均勻，影響其吸水膨脹能力和沖調后的穩定性。穩定性系數升高、結塊率和離心沉淀率下降的原因可能與擠壓過程中玉米粉受到的糊化程度有關，較小的元件間距能夠延長玉米粉的停留時間，玉米粉在機筒內的局部溫度升高，增大了玉米粉的糊化程度，可溶性物質增多，擠壓玉米粉在沖調時的分散效果更均勻，降低了擠壓玉米粉的結塊率，沖調粉體系更加穩定，這與2.7節中WSI升高的結果相印證。

10 相關性分析

由圖8可知，比機械能與直鏈淀粉含量呈極顯著正相關，與相對結晶度呈極顯著負相關（

P

＜0.01），說明比機械能越大，擠壓玉米粉受到的剪切作用越強，支鏈淀粉發生斷裂，導致直鏈淀粉含量上升，同時擠壓玉米粉的結晶結構變得更加無序，導致相對結晶度降低。比機械能與峰值黏度等糊化特性、硬度和黏性等質構特性參數、結塊率和離心沉淀率等呈顯著負相關，與WAI和WSI呈顯著正相關，與穩定性系數呈極顯著正相關，說明更改不同的螺桿構型能夠影響擠壓玉米粉的糊化特性，比機械能越大，擠壓玉米粉的糊化程度越高，表現為黏度越低，使得擠壓玉米粉的水合特性更好；而較高的剪切作用使得擠壓玉米粉的顆粒破碎程度增加，擠壓玉米粉糊化后具有更好的質構特性，進而影響玉米粉糊的沖調性。相對結晶度與WAI和穩定性系數等呈顯著負相關，與WSI呈極顯著負相關，與結塊率和離心沉淀率呈極顯著正相關，說明更改螺桿構型擠壓玉米粉破壞了其結構，擠壓玉米粉中淀粉顆粒發生降解，產生了更多的水溶性小分子，表現出較高的WAI和WSI，淀粉顆粒的完整性影響擠壓玉米粉在沖調時的分散性和穩定性。

結 論

本研究探討了在不同螺桿構型下，擠壓處理對玉米粉的比機械能、理化特性和其淀粉結構特性的影響，并分析了擠壓玉米粉的沖調品質。結果發現，不同螺桿構型下擠壓玉米粉具有不同的比機械能，且能夠反映擠壓過程中玉米粉受到的剪切作用強度。與NCF相比，隨著捏合元件組數量的增加、件-模距離或元件間距的減小，并未引起擠壓玉米粉官能團的變化；樣品呈現密集的多孔結構；剪切作用的增強導致擠壓玉米粉的相對結晶度下降，最低降至10.08%；直鏈淀粉含量升高；擠壓玉米粉的糊化黏度、硬度、黏性、膠著性和咀嚼性等下降；WAI和WSI升高，擠壓玉米粉的沖調穩定性系數升高、結塊率與離心沉淀率下降，在螺桿中存在兩組捏合元件組且元件間距為5 L/D（G6）時，擠壓玉米粉的沖調品質最好，結塊率最低，較全輸送螺桿構型G1下擠壓玉米粉降低了36.63%。

相關性分析表明，比機械能與直鏈淀粉含量、穩定性系數呈極顯著正相關，與WAI、WSI呈顯著正相關，與相對結晶度呈極顯著負相關，與結塊率和離心沉淀率呈顯著負相關；相對結晶度與WAI、穩定性系數呈顯著負相關、與WSI呈極顯著負相關，與結塊率和離心沉淀率呈極顯著正相關。綜上，增加捏合元件組數量、減小元件間距進行玉米粉擠壓，有利于獲得更高穩定性和更低結塊率的沖調粉，能夠有效改善玉米粉的沖調特性，本研究結果也為螺桿構型的選擇提供了理論依據。

通信作者：

許秀穎 副教授

吉林農業大學 教師

許秀穎， 副教授，中共黨員，工學博士，吉林農業大學食品科學與工程學院碩士生導師。現兼任中國糧油學會理事，吉林省食品學會理事，吉林省首批“科創專員”，吉林鮮食玉米產業專家技術委員會委員，吉林省科技特派員，中國農技協吉林安圖玉米科技小院首席專家。榮譽：作為骨干成員，先后榮獲科技部“玉米和雜糧精深加工技術創新與產業化應用重點領域創新團隊”等榮譽稱號。

研究方向：主要從事玉米雜糧精深加工及功能性食品開發研究工作，在淀粉與蛋白質、多酚、多糖等組分互作及對其食品品質提升等方面取得了系列創新性成果。

科研成果：主持吉林省科技廳項目、吉林省教育廳等項目6 項；作為骨干成員，承擔國家“十三五”重點研發計劃等國家、省部級項目8 項；獲得國家授權專利10余件；發表SCI/EI等高水平論文66 篇；制定《食用玉米營養品質評價》等地方標準、企業標準16 項；獲國家科學技術進步二等獎1 項，吉林省科技進步一等獎3 項。

吳玉柱 碩士生導師

吉林農業大學食品科學與工程學院

吳玉柱 吉林農業大學食品科學與工程學院，碩士生導師，吉林大學博士，主要研究方向為糧食和農副產品的干燥儲藏及相關裝備開發。

主持省級項目2 項，參與國家基金、重點研發計劃等省部級項目10余項，近5年第一作者和通信作者發表SCI/EI期刊檢索論文10余篇，授權專利4 件。

第一作者：

邢佳悅 碩士研究生

個人學習經歷：2022年9月-至今 吉林農業大學 食品科學與工程學院 農產品加工及貯藏工程專業。

研究方向：糧食加工與品質提升

本文《螺桿構型對擠壓玉米粉理化特性及沖調品質的影響》來源于《食品科學》2025年46卷第18期231-239 頁， 作者：邢佳悅，陳佳龍，尹紱聿，趙湘媛，江浩旭，劉景圣，許秀穎*，吳玉柱*。 DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250320-160。 點擊下方 閱讀原文 即可查看文章相關信息。

實習編輯：林安琪；責任編輯：張睿梅。點擊下方 閱讀原文 即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網