米穀粉中直鏈澱粉含量對擠出物玻璃轉換溫度與膨發溫度之影響

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

米穀粉中直鏈澱粉含量對擠出物玻璃轉換溫度與膨發溫度之影響

Effect of amylose content on glass transition temperature and puffing temperature of extrudates. 計畫編號：NSC88-2313-B-002-082 執行期限：87 年 08 月 01 日至 88 年 07 月 31 日 主持人：葉安義 台灣大學食品科技研究所 一、中文摘要 以不同直鏈澱粉含量的秈米、梗米、 糯米為原料，經擠壓烹煮製得 pellet，探 討其玻璃轉換溫度與膨發溫度的相關性。 發現直鏈澱粉含量高者，pellet 的 Tg 較 低，膨發溫度亦較低，但膨發率較差；枝 鏈澱粉含量高者，其內生性黏度雖較高， 但產品透明度增加，膨發性也增加，此現 象與其顯微結構有關。 Abstr acts

The effect of amylose content on the glass transition temperature and expansion temperature of pellet prepared by single screw extrusion cooking has been studied. High amylose content resulted in low glass transition and expansion temperature with low expansion ratio. The pellet with low amylose appeared more transparent and yielded higher expansion ratio. The phenomena may be related with the microstructure of pellet. 二、緣由與目的 口味獨特、低脂無油的產品是點心食 品發展的趨勢，本研究室於上年度以梗米 為原料，經進行擠壓蒸煮，擠出物經冷卻、 乾燥，製成 pellet，再以烘烤取代油炸的方 法進行膨發，已成功地開發出無油之第三 代點心食品，並發現擠出物玻璃轉換溫度 與膨發溫度呈正相關。當 pellet 的含水量 愈高，pellet 的玻璃轉換溫度（Tg）會降低， 膨發時 pellet 的表面中心溫度（Te）雖也降 低，但兩者之間的差值（Te-Tg）卻反而提 高。經測定膨發率發現，pellet 含水量為 10%其產品膨 發率最佳， 當 含 水 量 高 於 30%時，產品不易膨發。擠壓加工時，進 料水分影響產品的特性，當進料水分低於 45%時， pellet 的透明度低，膨發率亦低； 當進料水分高於 50%時， pellet 的透明度 明顯增加，膨發率亦增加。添加糊精降低 平均分子量，亦降低其玻璃轉換溫度與烘 烤膨發的溫度，且膨發率提高，膨發後的 產品具酥脆感，顯示擠出物之分子量影響 膨發產品之質地，但糊精添加量過高時(＞ 20%)，擠出物無法成形。 Sunderland (1996) 指出玉米原料中澱 粉含量大於 60%時，產品膨發性較佳，其 結構具多孔洞且質地較為酥脆，而直鏈澱 粉含量影響產品之膨發性，高直鏈澱粉含 量者，膨發性較差，產品質地較硬。Della Valle et al.(1997) 的研究結果則相反，利用 玉米為原料所製得之 pellet，經油炸而膨發 所需的溫度較 Tg高 10-70℃左右，且受到 物料中所含直鏈澱粉含量與 shear rate 的影 響，原料中直鏈澱粉比例愈高，產品的膨 發率愈高。 本研究的目的在於探討米種的適用 性，以直鏈澱粉含量為選用米種的指標。 將各種米穀粉經擠壓製成 pellet，測定不 同米種所製成之 pellet 的玻璃轉換溫度， 並 探 討 直 鏈 澱 粉 含 量 對 烘 烤 時 膨 發 溫

2 度、烘烤後產品之膨發性的影響，以瞭解 米種對產品特性的影響。所得結果可提供 業界調整配方用。 三、材料與方法 本實驗採用三種不同米種，分別為台 中秈十號、台梗九號、台中秈糯一號，經 磨粉機磨成米穀粉(過 80 mesh)，利用單軸 擠壓機進行 烹煮與成形，米穀粉的水分預 調為 50%，進料速率為 8kg/hr，螺軸轉速 為 82.5rpm，擠壓溫度設定在 88 ℃，模口 長度為 85mm，厚度為 3mm。擠出物為帶 狀，經壓模成型、冷卻、熱風乾燥（40℃、 10－ 24hr ）適當水分 ( 約 10%) ， 即 製 成 pellet。利用恆溫恆濕機調節其水分含量， 經實驗型烘箱加熱，以紅外線非接觸式溫 度計測量膨發溫度，藉由體積密度的測 定，計算膨發率，並利用電子顯微鏡觀察 其顯微結構；將 pellet 磨粉後，測量 Tg、 直鏈澱粉含量、與內生性黏度。 四、結果與討論 ＜直鏈澱粉含量與平均分子量之測定＞ 利用雙酵素法檢測不同米種之直鏈澱 粉含量(表一)，秈米含有最高的直鏈澱粉， 直鏈澱粉含量愈低者，於擠壓過程中，擠 出物愈難成型，適度調降進料水分，有助 於擠壓操作。經毛細管黏度計測定其內生 性黏度[η](intrinsic viscosity)，藉此對物料 之平均分子量的變化有所瞭解。一般而 言，平均分子量與[η]成正比，經分析發現 直鏈澱粉含量愈高，所測得的[η]值愈小， 即糯米＞梗米＞秈米(表二)，顯示枝鏈澱粉 含量高，其平均分子量較大，此與文獻吻 合。 表一：不同產品之直鏈澱粉含量比較表 米 種 秈米 梗米 糯米 直鏈澱粉含量 22.5+0.1% 16.7+0.3% 9.0+0.2% 表二：不同產品之內生性黏度[η]相對表 秈米 梗米 糯米 [η] 86.65 93.24 97.43 單位：mL/g ＜玻璃轉換溫度之測定＞ 將所製得之 pellet，利用恆溫恆濕機調 整其含水量，並利用 DSC 測定各種 pellet 的玻璃轉換溫度。水分扮演塑化劑的功 能，因此增加水分，Tg隨著下降；於相同 水分下，直鏈澱粉含量低的 pellet，其玻璃 轉換溫度較高(圖 1)，即糯米＞梗米＞秈 米，Orford 等（1989）指出枝鏈澱粉與直 鏈澱粉之 Tg相似，可能的原因為經擠壓加 工後，水分能平均分散於枝鏈澱粉形成的 枝狀結構，因此其透明度也較高，反之直 鏈澱粉為螺旋狀結構，水分之分佈較不均 勻，故其透明度較低，本實驗室擬以 MRI 觀察水分與澱粉的分佈，以證明所提之論 點。 圖 1：不同直鏈澱粉含量 pellet 之 Tg與水分關係圖 ＜膨發時 pellet 表面中心溫度的測定＞ 經以非接觸式紅外線測溫器測定於膨 發起始時，pellet 表面中心溫度(Te)。結果 顯示 Te約為 90~180℃之間，提高水分使 Te 降低；當直鏈澱粉含量增加， Te 隨之降 低(圖 2)，此與 Tg的效應相同。增加水分 使 Tg與 Te均降低，但(Te-Tg)的差值則呈增 加的趨勢(圖 3)，但高直鏈澱粉含量使(Te -Tg)的差值減少。 Moisture(%) 0 5 10 15 20 25 30 T(g oC ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 9.0% 16.7% 22.5% Amylose content

3 圖 2：不同直鏈澱粉含量 pellet 之 Te與水分關係圖 圖 3：不同直鏈澱粉含量 pellet 之 Te-Tg與水分之 關係 ＜體積密度的測定與膨發率＞ 以 密 度 比 重 計 (MD-200s, Mirage, Japan) 測 定 膨 發 前 後 的 體 積 密 度 (bulk density)，依此計算產品膨發率。 膨發率＝膨發前體積密度 / 膨發後體積密度 Pellet 的平衡水分影響其膨發率，結果顯 示於 10 % 時，膨發率最高(圖 4) ，此與 上一年度的結果相同，直鏈澱粉含量增 加，膨發率隨之降低，亦即糯米的膨發率 為最佳，最高可達五倍，秈米的膨發率最 差，最多只有三倍。除了如前所述，水分 的分佈是一個因素以外，擠出物於離開擠 壓機的模口時，會因溫度或壓力降低而使 水 分 散 失 ， 造 成 表 面 堅 硬 （ case hardening），糯米為原料者，最容易產生 此現象，故可容納較多的水蒸氣，因此其 膨發溫度較高，膨發率也較高。本實驗室 曾嘗試測量表面堅硬，但儀器設備之不 足，無法做出結論。 圖 4：含水量與膨發率之關係圖 ＜產品之質地分析＞ 利用色差計測定 pellet 透明度，結果 在相同水分含量下，直鏈澱粉含量愈高， 產品的透明度較差，如前所述，其膨發率 也較差。 將 pellet 以冷凍乾燥機乾燥，置於掃 描式電子顯微鏡中觀察其細微結構。發現 不同米種之 pellet，其顯微結構亦不同， 其孔洞數以糯米＞梗米＞秈米，亦即隨著 直鏈澱粉含量增加，其結構中的孔洞數相 對減少。推測該孔洞是水分存在的區域， 由於冷凍乾燥使水分揮發，造成孔洞。孔 洞數的增加，意味著水分的分佈較廣與均 勻，因此糯米具較高的膨發率。 (a) 秈米 Moisture(%) 0 5 10 15 20 25 30 T(e oC ) 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 9.0% 22.5% 16.7% Amylose content Moisture(%) 0 5 10 15 20 25 30 Te -T g 0 20 40 60 80 100 120 9.0% 16.7% 22.5% Amylose content Moisture(%) 0 5 10 15 20 25 30 e x pa ns io n rati o 0 1 2 3 4 5 22.5% 16.7% 9.0% Amylose content

4 (b)梗米 (c)糯米 圖 5：不同米種之 pellet 電子顯微鏡掃描圖 ＜結論＞ 經擠壓加工後，直鏈澱粉含量影響米 製 pellet 的玻璃轉換溫度、膨發溫度、與 膨發率，低直鏈澱粉含量的 pellet 具較高 玻璃轉換溫度、膨發溫度與膨發率。結構 與水分分佈之不同可能是主因，但須進一 步探討。 五、計畫成果自評 本計畫成果可提供業界於產品開發所 需之基本知識，不但可選擇原料米種，且 可調整產品性質，故縮短研發時間。雖以 瞭解結果，但仍須瞭解其機制，由於所需 儀器較複雜，故未列入本研究計畫的工作 項目，卻是值得探討的課題。本研究室擬 進一步探討加熱速率對 pellet 膨發過程的 影響，並針對玻璃轉換溫度、加熱速率、 水分散失率三者的相關性加以研究，期能 建立一完整相圖，作為產品開發與製程改 進的參考。 六、參考文獻

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