擠壓脫胚玉米制取超高麥芽糖漿酶制劑的選擇

蔡玉玲，申德超

（山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091）

麥芽糖含量在60%以下的麥芽糖漿為普通麥芽糖漿，60%～70%的為高麥芽糖漿，70%以上的麥芽糖漿為超高麥芽糖漿［1］.傳統(tǒng)酶法制取超高麥芽糖漿的糖化工藝是以淀粉為原料，耐高溫α－淀粉酶為液化酶，經(jīng)過噴射液化后再糖化60～80h得到糖化液.20世紀(jì)80年代，擠壓機已經(jīng)被作為一種生物反應(yīng)器，一些加入酶類谷物的擠出物可用于糖漿、乙醇等發(fā)酵生產(chǎn)中［2－3］.2007～2010年，申德超、奚可畏、馬成業(yè)［4－6］研究了低溫擠壓添加酶制劑的玉米粗淀粉及脫胚玉米的糖化過程，研究表明用添加耐高溫α－淀粉酶或中溫α－淀粉酶的擠出物制取葡萄糖漿，糖化漿液過濾速度明顯提高，且可以省去傳統(tǒng)玉米淀粉糖漿噴射液化過程，減少水耗、電耗，減輕了環(huán)境污染；2008年，對低溫擠壓加耐高溫α－淀粉酶脫胚玉米生產(chǎn)葡萄糖漿進行的生產(chǎn)中試結(jié)果表明，合適的擠壓－液化參數(shù)可得到DE值為95.89%和透光率為98.5%的葡萄糖漿，其擠壓參數(shù)范圍如下:套筒溫度為59～61℃，物料含水率為27.6%～39.4%，螺桿轉(zhuǎn)速為108～110r／min，擠壓加耐高溫α－淀粉酶量為0.82～0.91L／t.基于加酶擠壓技術(shù)在淀粉糖漿工業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢，將此項技術(shù)應(yīng)用于超高麥芽糖漿的生產(chǎn)中，對超高麥芽糖漿的工業(yè)生產(chǎn)有著重要意義.

本試驗對低溫擠壓和液化過程中選用的酶制劑進行初步試驗研究.

1 試驗設(shè)備、材料與分析方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為自制的單螺桿擠壓膨化機，生產(chǎn)率為100kg／h，它由組合套筒和螺桿組成，螺桿轉(zhuǎn)速為0～1200r／min無級可調(diào).套筒溫度為0～300℃連續(xù)可調(diào)，配有溫度數(shù)顯儀表閉環(huán)自控系統(tǒng)，擠壓機?？卓讖接屑壙烧{(diào).結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.

圖1 單螺桿擠壓蒸煮設(shè)備

1.2 試驗材料

脫胚玉米 （市購），水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.06%，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)75.28%；耐高溫α－淀粉酶（活力20000U／mL，山東隆大生物工程有限公司）；中溫α－淀粉酶（活力2000U／mL，山東隆大生物工程有限公司）；β－淀粉酶（活力500000U／mL，鄭州市福源生物科技有限公司）；普魯蘭酶（活力1000U／mL，諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司）；麥芽三糖酶（活力4000 PUN／g，諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司）

1.3 分析方法

碘反應(yīng):取2.00mL液化漿過濾液置于白瓷板中，滴入適量0.01mol／L碘液（2.5g碘和5g碘化鉀溶于水中，稀釋到1000mL），觀察反應(yīng)顏色（不變藍表示液化完全）.

糖化液過濾速度:以單位面積（m2）、單位時間（h）內(nèi)通過的體積（L）表示，單位為L／（m2·h）.本試驗采用布氏漏斗（直徑d＝9cm）過濾，濾紙為定量中速濾紙，以收集50mL糖液的時間τ（h）來計算過濾速度，即

糖漿固形物、糖漿DE值和透射比的測定采用GB／T 20885－2007規(guī)定的方法；

糖漿還原糖的測定采用GB／T 5009.7－2008規(guī)定的方法；

糖組分分析采用高效液相色譜法（山東綠健生物技術(shù)有限公司質(zhì)檢科）.

1.4 色譜條件

色譜柱（P／No.OOH－0130－KO，Desc.Reze×RCM－Monosaccharide Ca2＋，Size.300×7.80 mm，S／No.520572－1，廣州菲羅門科學(xué)儀器有限公司）；流動相:超純水；分離柱:碳水化合物柱；柱溫:80～85℃；流速:0.6mL／min；檢測器:示差折光檢測器（ShodexRI－101，天津伏尼克科技發(fā)展有限公司）；進樣量:20μL.

1.5 擠壓方法

低溫擠壓添加酶制劑的脫胚玉米（擠壓添加酶制劑方案參照表3）.

1.6 液化方法

料水比為1∶2的加酶擠壓脫胚玉米乳，用35%鹽酸調(diào)pH值（調(diào)至pH6.0～6.2），加入適量液化酶，邊攪拌邊加熱至一定溫度，若需要滅酶，在一定溫度下滅酶一定時間（耐高溫α－淀粉酶:125℃，10min；中溫α－酶:水浴90℃，10min），之后冷卻至60℃.

1.7 糖化方法

冷卻后的液化乳，用35%鹽酸調(diào)至pH5.3～5.5，攪拌均勻后添加β－淀粉酶（1.5L／t）、普魯蘭酶（2.0L／t）和麥芽三糖酶（1.5L／t），攪拌均勻，在60℃條件下保溫一定時間后，在90℃下保溫10min滅酶.

1.8 工藝流程

擠出物→ 粉碎→調(diào)漿（料水比為1∶2，添加液化酶）→液化→滅酶（需要時）→冷卻→調(diào)pH值（pH 5.3～5.5）→添加β－淀粉酶、普魯蘭酶和麥芽三糖酶→糖化保溫（60℃）→滅酶→冷卻→過濾→糖漿.

2 試驗安排與結(jié)果分析

2.1 添加耐高溫α－淀粉酶脫胚玉米擠出物應(yīng)用于超高麥芽糖漿制作的預(yù)試驗研究

在申德超教授科研團隊［4－6］的研究成果基礎(chǔ)上，試驗設(shè)定擠壓參數(shù)如下:?？字睆焦潭?2mm，軸頭間隙固定為15mm，螺桿轉(zhuǎn)速為110r／min，擠壓加耐高溫α－淀粉酶量為1.0L／t，套筒溫度為60℃，物料含水率為30%.由于加酶脫胚玉米擠出物尚有一定的酶活性，所以在液化時采用加液化酶和不加液化酶兩種方式進行，其中未加液化酶時，分為糖化前滅酶和不滅酶兩種方式進行.其預(yù)試驗結(jié)果見表1.

表1 擠壓和液化過程中均添加耐高溫α－淀粉酶預(yù)試驗結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)看出，DE值和固形物含量最大的為液化時添加0.6L／t耐高溫α－淀粉酶、糖化前滅酶、糖化36h的試驗組，但其過濾速度過慢，所以此方案不可取，需要繼續(xù)探索合適的擠壓參數(shù).

2.2 液化酶制劑的選用

在2.1試驗基礎(chǔ)上，用添加耐高溫α－淀粉酶脫胚玉米擠出物制取超高麥芽糖漿，在糖化前滅酶需要高達125℃的高溫，生產(chǎn)中消耗大量蒸汽，將擠壓時添加的酶制劑改為β－淀粉酶和普魯蘭酶，擠壓加酶量固定為β－淀粉酶（2.5L／t）和普魯蘭酶（3.0L／t），擠壓溫度為55℃，其他參數(shù)與2.1試驗方案相同.液化過程中，液化酶選用耐高溫α－淀粉酶、中溫α－淀粉酶和β－淀粉酶其中的一種，試驗結(jié)果見表2.

表2 液化酶制劑選用試驗結(jié)果

表2中數(shù)據(jù)顯示，液化加3.0L／t中溫α－淀粉酶，糖化前滅酶的試驗組過濾速度和還原糖含量最大，說明中溫α－淀粉酶在較低溫度下，可將淀粉較徹底降解，液化結(jié)束后進行滅酶，避免影響后續(xù)的糖化過程中糖化酶（β－淀粉酶、普魯蘭酶和麥芽三糖酶）對底物的作用，進而影響糖漿麥芽糖收率.且與耐高溫α－淀粉酶相比，液化過程采用中溫α－淀粉酶，可降低液化后滅酶溫度（耐高溫α－淀粉酶的最適溫度為90℃以上，中溫α－淀粉酶的最適溫度為60～70℃，滅酶溫度至少要高于酶最適作用溫度），在生產(chǎn)中能節(jié)省能源，所以選用中溫α－淀粉酶作為液化酶.

2.3 擠壓酶制劑的選用

在2.2試驗基礎(chǔ)上，擠壓時向脫胚玉米中添加的酶制劑選用中溫α－淀粉酶、β－淀粉酶和普魯蘭酶其中的一種或幾種的組合（擠壓加酶種類組合分為Ⅰ～Ⅳ種方案，具體擠壓加酶量和擠壓溫度按照編號1～10進行，見表4），液化添加中溫α－淀粉酶（3.0L／t），液化溫度從常溫直接升至75℃，然后迅速滅酶.其他擠壓參數(shù)同2.2試驗相同.其試驗安排和試驗數(shù)據(jù)分別見表3和表4.

表3 擠壓脫胚玉米添加的酶制劑試驗安排表

表4 擠壓脫胚玉米添加酶制劑的試驗結(jié)果

如表4數(shù)據(jù)所示，所有試驗方案中，液化都較徹底，而生產(chǎn)超高麥芽糖漿時，液化程度越低，糖化后麥芽糖含量越高，但如果液化程度太低，液化液粘度過高反而不利于后續(xù)操作，所以選擇合適的液化程度對超高麥芽糖漿的生產(chǎn)有著重要意義［7］.

分子結(jié)構(gòu)中含有還原性基團（如游離醛基、半縮醛羥基或游離羰基）的糖叫還原糖，如葡萄糖、果糖、麥芽糖、乳糖等.超高麥芽糖漿中的還原糖主要是葡萄糖和麥芽糖，而葡萄糖大部分是原料在液化過程中受到液化酶的降解作用而生成的，在液化程度相當(dāng)和糖化時間相同（此處將糖化20h試驗組作比較）的前提下，麥芽糖糖漿還原糖含量越高，說明麥芽糖含量越高，以還原糖含量為主要考察指標(biāo)，通過比較表4中數(shù)據(jù)，得出方案1、3、6、9結(jié)果較好，為了更準(zhǔn)確考察其麥芽糖含量，用高效液相色譜法測定4組糖液糖組分含量，并且為了考察糖化時間對糖漿麥芽糖含量的影響，將方案1的糖化時間延長至40h和60h，用高效液相色譜法測定糖液糖組分含量，結(jié)果見表5.

表5數(shù)據(jù)顯示，6號的試驗組麥芽糖含量最低，所以不考慮.3號和9號的試驗組麥芽糖含量相對較高，葡萄糖含量相對較低，但是3號試驗方案擠壓前需向脫胚玉米中加入β－淀粉酶和普魯蘭酶，相對9號試驗組擠壓前只需向脫胚玉米中加入β－淀粉酶一種酶來說成本偏高，所以擠壓前向脫胚玉米粉中加入的酶選用β－淀粉酶.且通過1號試驗組的糖漿糖組分分析數(shù)據(jù)得知，若將方案9延長一定的糖化時間，其糖液麥芽糖百分含量定能達到81%以上，且其葡萄糖百分含量較相同糖化時間條件下方案1要少.

表5 液相色譜測定糖組分含量表

3 結(jié)論

1）低溫擠壓添加耐高溫α－淀粉酶脫胚玉米生產(chǎn)葡萄糖漿的擠壓參數(shù)在制作超高麥芽糖漿中不適用.

2）與液化過程中添加耐高溫α－淀粉酶或β－淀粉酶的試驗結(jié)果相比，液化過程中添加中溫α－淀粉酶（添加量為3.0L／t）的糖液還原糖含量達20.56g／100g，且使糖化前滅酶工序得到簡化，所以選用中溫α－淀粉酶為液化酶制劑.

3）在液化程度相當(dāng)、糖化時間相同的前提下，由添加β－淀粉酶（添加量為1.5L／t）和普魯蘭酶（添加量為2.0L／t）的脫胚玉米擠出物制得的糖液中麥芽糖含量為77.68%，葡萄糖含量為6.951%；由添加β－淀粉酶（添加量為1.5L／t）脫胚玉米擠出物制得的糖液中麥芽糖含量為76.83%，葡萄糖含量為6.876%，從生產(chǎn)成本考慮，擠壓時向脫胚玉米中添加的酶制劑選用β－淀粉酶.

［1］曹龍奎，李鳳林.淀粉制品生產(chǎn)工藝學(xué)［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2008.

［2］Linko P，LinkoY Y，Olkku J.Extrusion cooking and bioconversions［J］.Journal of Food Engineering，1983，2（4）:243－257.

［3］Grafelman D D，MeagherM M.Liquefaction of starch by a single screw extruder and post－ex trusion static mixer reactor［J］.Journal of Food Engineering，1995，24（4）:529－542.

［4］申德超，奚可畏，馬成業(yè).低溫擠壓添加酶制劑的玉米粗淀粉的糖化過程試驗研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23（12）:263－268.

［5］申德超，奚可畏，馬成業(yè).低溫擠壓加酶脫胚玉米粉生產(chǎn)糖漿糖化試驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（8）:140－145.

［6］馬成業(yè)，申德超.脫胚玉米添加中溫酶擠出物制取葡萄糖漿試驗研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（5）:126－130.

［7］周建芹，羅發(fā)興.Maltogenase和β－淀粉酶制取超高麥芽糖漿的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18（1）:126－128.