果葡糖漿生產(chǎn)過(guò)程影響因素及工藝穩(wěn)定性研究

李貴濤，皮冬偉，耿鑫琪，李文釗，臧傳剛，趙永武*

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果葡糖漿生產(chǎn)過(guò)程影響因素及工藝穩(wěn)定性研究

李貴濤1，皮冬偉1，耿鑫琪1，李文釗2，臧傳剛2，趙永武1*

（1. 武漢中糧食品科技有限公司，湖北 武漢 430415； 2. 中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院，北京 昌平 102209）

果葡糖漿是一種由淀粉制備的甜味劑，其在食品工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。在果葡糖漿的工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)淀粉的水解效率直接影響其效率和品質(zhì)。研究了玉米淀粉在大生產(chǎn)的液化和糖化過(guò)程中，液化液DE值、糖化酶加入量、液化液底物濃度、糖化液pH值、糖化溫度等條件對(duì)最終糖化液中葡萄糖值的影響。在此基礎(chǔ)之上，分析了系統(tǒng)物料平衡，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中參數(shù)變換可進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化、工藝改進(jìn)及系統(tǒng)穩(wěn)定控制后，最終糖化葡萄糖值達(dá)到96%以上，可獲得成品果葡糖漿總糖組分達(dá)到96%以上的高品質(zhì)產(chǎn)品。

果葡糖漿；液化；糖化；DE值；DX值

果葡糖漿是一種重要的甜味劑，用淀粉酶和糖化酶降解淀粉可以獲得高濃度葡萄糖溶液，再經(jīng)過(guò)葡萄糖異構(gòu)化酶作用產(chǎn)生果糖，再經(jīng)蒸發(fā)、濃縮和混床，從而產(chǎn)生果糖和葡萄糖的混合糖漿產(chǎn)品［1］。近20年來(lái)，中國(guó)淀粉糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，尤其是在食品工業(yè)的應(yīng)用中，每噸果葡糖漿的價(jià)格僅為蔗糖的一半，使其成為一種蔗糖的重要替代品，特別是在飲料行業(yè)中，其風(fēng)味與口感要優(yōu)于蔗糖［2-4］。

果葡糖漿是玉米深加工的產(chǎn)物，我們?cè)谏a(chǎn)中使用的淀粉主要來(lái)自東北玉米黃金帶的玉米淀粉，如公主嶺、榆樹、龍江等地生產(chǎn)的淀粉。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，受到淀粉原料、酶制劑、生產(chǎn)工藝等綜合因素的影響，果葡糖漿在生產(chǎn)在技術(shù)和工藝上還有很多需要改進(jìn)和提高的地方，比如淀粉的液化和糖化效率、工藝參數(shù)優(yōu)化對(duì)總糖得率的提高以及生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制方面等，因此優(yōu)化果葡糖漿的生產(chǎn)工藝對(duì)于提高糖漿的質(zhì)量和應(yīng)用價(jià)值具有重要的意義［5-8］。本研究旨在通過(guò)系統(tǒng)研究淀粉糖生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件和工藝參數(shù)，通過(guò)工藝控制的改進(jìn)和優(yōu)化，獲得更高的淀粉轉(zhuǎn)化率和更高效率的果葡糖漿生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米淀粉[吉林生化能源（公主嶺）有限公司]，耐高溫α-淀粉酶（杰能科POWERLIQ），復(fù)合糖化酶（杰能科），五水硫酸銅（國(guó)藥集團(tuán)），氫氧化鈉（上海凌峰），酒石酸鉀鈉（上海凌峰）。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

年產(chǎn)10萬(wàn)t果葡糖漿生產(chǎn)線（武漢中糧食品科技有限公司）；液相色譜分析儀（安捷倫）； pH計(jì)（梅特勒）；阿貝折光儀（上海精科）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

調(diào)漿：將玉米淀粉加水調(diào)成31%~37%的淀粉乳。攪拌均勻后，調(diào)節(jié)pH值至5.5～6.0，加入耐高溫α-淀粉酶，酶的添加量為平均每噸干物150～200 mL，攪拌均勻后泵入淀粉乳噴射前儲(chǔ)罐。

噴射液化：淀粉乳從調(diào)配罐泵出，轉(zhuǎn)子泵將淀粉乳通過(guò)噴射器蒸汽噴射，噴射液化溫度控制在(118±1)℃，維持2~3 min，噴射液化的剪切力將淀粉徹底糊化，大幅度降低淀粉乳的粘度，隨后進(jìn)行一次閃蒸，通過(guò)真空冷卻系統(tǒng)使溫度控制在96~98℃之間，閃蒸后淀粉乳進(jìn)入層流罐保溫120~150 min進(jìn)行液化，再經(jīng)二次閃蒸罐閃蒸，并降溫至（60±1）℃進(jìn)入糖化pH值調(diào)節(jié)罐，將pH值調(diào)節(jié)至4.0~4.5，每噸干物加入400~650 mL復(fù)配糖化酶進(jìn)入糖化罐。

淀粉酶活力的測(cè)定采用DNS比色法；DE值的測(cè)定采用菲林試劑法（GB/T12099-89）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 玉米淀粉糖化過(guò)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 液化液DE值變化對(duì)糖化組分的影響

工業(yè)應(yīng)用中衡量淀粉水解程度的兩個(gè)重要指標(biāo)是DE值和DX值。DE值是指還原糖占糖漿干物質(zhì)的百分比；DX值指糖液中葡萄糖含量占干物質(zhì)的百分率。因有部分還原二糖、三糖存在，一般來(lái)講DE值會(huì)比DX值略大。

我們首先探討液化結(jié)束淀粉漿DE值對(duì)最終DX值的影響。液化結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)是碘試合格，大的淀粉顆粒被蒸汽噴射和α-淀粉酶的酶切成為短片段，因后續(xù)還有待糖化酶發(fā)揮作用，所以生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制液化的時(shí)間和程度。我們?nèi)〉矸蹪{濃度為33%~33.5%液化液，DE值分別為（12.0±0.2）%，（13.0±0.2）%，（14.0±0.2）%，（15.0±0.2）%，（16.0±0.2）%，（17.0±0.2）%，（18.0±0.2）%。結(jié)果如圖1所示，我們可以看出，當(dāng)DE=12%~14%時(shí)，隨著液化液DE值的升高，糖化結(jié)束的DX值基本不變。當(dāng)DE>14%時(shí)，隨著DE值增加，液化液DX值逐漸降低，葡萄糖的收率隨之降低。由此我們知道，保持液化液結(jié)束DE值在12%~14%的水平，有利于糖化酶更好的發(fā)揮作用，提高最終葡萄糖是得率。

圖1 液化DE值對(duì)糖化DX值的影響

2.1.2 糖化加酶量變化對(duì)糖化液組分的影響

選取底物濃度為33.0%~33.5%，DE值為13%~14%之間的液化液，每噸干淀粉分別添加復(fù)合糖化酶400、450、500、550、600、650 mL。在溫度60.0~61.0 ℃，pH值在4.3~4.5條件下進(jìn)行糖化48 h。測(cè)量糖化結(jié)束葡萄糖含量，得到如圖2所示結(jié)果。可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著糖化酶量添加量的升高（400~550 mL），糖化液的DX值升高非常明顯；當(dāng)糖化酶加量繼續(xù)升高（550~650 mL）時(shí)，糖化DX值提升變慢，說(shuō)明酶的添加基本足夠，這時(shí)限制催化效率的不再是酶的量，而是底物量。我們知道，在33.0%~33.5%底物濃度下，糖化酶的最優(yōu)添加量是550 mL。

圖2 糖化加酶量對(duì)糖化DX值的影響

Fig.2The relationship between the amount of compound glucoamylase and final dextrose value

2.1.3 底物濃度條件變化對(duì)糖化DX值的影響

選取DE值為13%～14%的液化液，分別選取淀粉濃度為（31±0.2）%，（32±0.2）%，（33±0.2） %，（34±0.2）%，（35±0.2）% ，（36±0.2）%，（37±0.2）%的液化液，在溫度60.0~61.0 ℃、pH值4.3~4.5時(shí)，復(fù)合糖化酶每噸干淀粉加入量為550 mL條件下糖化48 h。我們可以得到底物濃度與糖化DX值關(guān)系圖（如圖3所示），從圖中我們可以看出，在相同的液化DE值控制程度下，隨著底物濃度的升高，也會(huì)影響糖化酶作用于液化液的效率，表現(xiàn)為糖化液的DX值隨底物濃度升高逐漸降低，說(shuō)明在葡萄糖生產(chǎn)過(guò)程中，保持較低的底物濃度有利于產(chǎn)生高濃度的葡萄糖糖化液。而在實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)提高淀粉底物濃度可以降低綜合成本，而果糖生產(chǎn)過(guò)程中當(dāng)DX值≥95%即可滿足最終果葡糖漿產(chǎn)品的品質(zhì)要求。所以淀粉濃度可提高到33%,并根據(jù)實(shí)際中DX值的情況，繼續(xù)適當(dāng)提高底物濃度，以達(dá)到綜合效率最佳。

圖3 糖化底物濃度變化對(duì)糖化DX值變化趨勢(shì)

2.1.4 糖化pH值對(duì)糖化液DX值的影響

因淀粉生產(chǎn)工藝?yán)锷婕皩?duì)玉米的酸處理及后期加堿中和，來(lái)源和加工工藝不同淀粉原料的pH值不盡相同，而pH值對(duì)酶活有影響。在其他條件不變的情況下， pH值分別設(shè)為3.8，4.0，4.2，4.4，4.6，4.8，5.0，5.2的液化液，以最終糖化DX值為衡量指標(biāo)，研究pH值對(duì)工藝的影響。我們得到糖化pH值對(duì)糖化DX值關(guān)系曲線圖（如圖4所示），從中我們可以看出，當(dāng)pH值在3.8至4.4之間，隨pH值升高，DX值逐漸升高，而當(dāng)pH值在4.6至5.2之間，隨pH值升高，糖化DX值逐漸降低，說(shuō)明糖化過(guò)程中，酶制劑在pH值為4.4時(shí)性能發(fā)揮最佳，酶活性最高，有助于淀粉充分水解。

圖4 糖化pH值變化對(duì)糖化DX值變化趨勢(shì)

2.1.5 糖化溫度對(duì)糖化液DX值的影響

底物濃度為33.0%～33.5%，分別選取糖化溫度為55，56，57，58，59，60，61，62，63，64，65，66，67，68 ℃， 保證液化液DE值在13%～14%之間，pH值為4.3～4.5之間，復(fù)合糖化酶噸干淀粉加入量為550 mL，糖化48 h。

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，做糖化溫度對(duì)糖化DX值關(guān)系曲線圖（如圖5所示），從圖5可以看出，隨著糖化溫度的不同，糖化液的DX值從55 ℃至58 ℃之間隨溫度升高，DX值逐漸升高，而在糖化溫度58 ℃至62 ℃變化過(guò)程中，糖化DX值變化不明顯，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，而在62 ℃至68 ℃之間，隨溫度升高糖化DX值逐漸降低，說(shuō)明糖化過(guò)程中，酶制劑在溫度58～62 ℃最為適宜，酶活性最高，有助于水解。

圖5 糖化溫度變化對(duì)糖化DX值變化趨勢(shì)

2.2 生產(chǎn)過(guò)程組分的穩(wěn)定控制

2.2.1 F55果糖生產(chǎn)系統(tǒng)總糖平衡

優(yōu)化工藝從而追求產(chǎn)量的提高和效率的提升固然重要，但在實(shí)際生產(chǎn)中，因種種不可控因素影響，精細(xì)化的管理調(diào)控難以執(zhí)行，而在一個(gè)長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中，以產(chǎn)品合格為目標(biāo)，對(duì)工藝的穩(wěn)定維持和控制具有更重要意義。

在F55果葡糖漿生產(chǎn)中，糖化結(jié)束后得到葡萄糖含量≥95.0%的糖化液,經(jīng)過(guò)離交、蒸發(fā)、濃縮等工序后用異構(gòu)酶處理，最終的成品果糖含量≥42.0%。再通過(guò)色譜分離系統(tǒng)將果葡糖漿與葡萄糖漿分離，其中提取液的果糖含量≥85.0%，與F42果糖進(jìn)行一定比例混配達(dá)到果糖含量為55%～58%的F55果葡糖漿，而分離的殘液的果糖含量≤8%的葡萄糖與異構(gòu)前的葡萄糖混合后再此進(jìn)入異構(gòu)化工序。此生產(chǎn)過(guò)程中按照理論計(jì)算，成品總糖與糖化總糖應(yīng)該相等，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)前后工序存在變化時(shí)未得到有效及時(shí)的調(diào)整，將出現(xiàn)成品總糖偏差很大現(xiàn)象，并會(huì)造成產(chǎn)品不合格現(xiàn)象。我們通過(guò)工藝分析系統(tǒng)糖組分變化（如圖6），當(dāng)糖化葡萄糖值達(dá)到95.0%時(shí)，成品組分須同時(shí)達(dá)到95.0%，而前提是必須保證異構(gòu)組分及分離組分達(dá)到目標(biāo)組分，而當(dāng)系統(tǒng)存在波動(dòng)時(shí)，就存在偏離現(xiàn)象，成品組分將低于95.0%，存在不合格現(xiàn)象。

圖6 F55果糖系統(tǒng)總糖平衡圖

2.2.2 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中總糖組分變化

F55果糖生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，取樣品為2017年1～5月份各個(gè)工序平均組分，糖化液DX值、分離殘液、異構(gòu)出料、分離提取液、混配后及成品六個(gè)樣品，經(jīng)過(guò)液相色譜分析結(jié)果，做趨勢(shì)圖（如圖7所示）。各個(gè)工序總糖組分變化存在一定規(guī)律，分離殘液總糖含量為最低，分離提取液總糖含量為最高，說(shuō)明系統(tǒng)總糖存在一定規(guī)律的變化，與理論基本一致，但成品組分較糖化組分略低，在0.2%左右，因此為保證成品指標(biāo)，糖化指標(biāo)要≥95.2%。

根據(jù)總糖平衡的原理（圖6），若存在工藝控制的波動(dòng)，如過(guò)濾糖化液量偏小，而分離系統(tǒng)仍處于高負(fù)荷狀態(tài)，分離殘液相對(duì)較大情況下，導(dǎo)致異構(gòu)總糖低，從而影響混配及成品的偏低，從而存在總糖偏低，甚至低于95.0%的現(xiàn)象，見如下表1所示

表1 F55果葡糖漿生產(chǎn)工藝變化對(duì)系統(tǒng)總糖影響跟蹤表

根據(jù)表1可知，當(dāng)異構(gòu)量降低，而分離進(jìn)料和分離殘液未進(jìn)行改變時(shí)，最終成品總糖將低于成品要求的95%，處于不合格狀態(tài)；而當(dāng)異構(gòu)量增加，而分離進(jìn)料和分離殘液未進(jìn)行改變時(shí)，最終成品總糖將高于95.2%，但只是短暫提高，分離進(jìn)料量和殘液量將隨著異構(gòu)量的提高滿足相應(yīng)的生產(chǎn)負(fù)荷也將隨之提高，因此達(dá)到系統(tǒng)平衡狀態(tài)。

圖7 F55果葡糖漿生產(chǎn)過(guò)程中總糖的變化

2.2.3 生產(chǎn)過(guò)程工藝穩(wěn)定控制

按照設(shè)計(jì)產(chǎn)能333 t/d計(jì)算，各個(gè)工序根據(jù)不同負(fù)荷控制不同進(jìn)料量，其具體情況如表2所示。

表2 F55果葡糖漿生產(chǎn)過(guò)程中工藝控制表

所以，根據(jù)不同負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整合適的異構(gòu)進(jìn)料量，同時(shí)進(jìn)行調(diào)整色譜分離負(fù)荷，當(dāng)遇到工藝調(diào)整時(shí)，異構(gòu)工序、色譜分離工序及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，從而使總糖保持平衡，成品組分保持合格狀態(tài)。比如生產(chǎn)負(fù)荷在100%，日產(chǎn)量為333 t/d，對(duì)應(yīng)異構(gòu)量為28.5 m/h，分離進(jìn)料量為9.7 m/h，同時(shí)分離殘液（DX值91%～92%）以13.5 m/h返至異構(gòu)前與糖化液（DX值≥95%）進(jìn)行混配，使異構(gòu)進(jìn)料DX值≥94%，再與分離提取液DX值≥98%進(jìn)行混配，達(dá)到最終總糖值≥95%。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)影響果葡糖漿生產(chǎn)工藝中DX值的五種因素（液化結(jié)束DE值、糖化酶加量、淀粉濃度、糖化pH值、糖化溫度）的研究，我們獲得了果葡糖漿過(guò)程條件的優(yōu)化參數(shù)，液化結(jié)束DE值控制在12%～14%，糖化加酶量每噸干淀粉為550 mL，淀粉固形物濃度（33±0.5）%，糖化pH值在4.4～4.6之間，糖化溫度58～62 ℃時(shí)可以產(chǎn)生出DX值>96%的高品質(zhì)糖化液。

此外，在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷有變化時(shí)，根據(jù)本文總結(jié)的系統(tǒng)物料平衡數(shù)據(jù)，需對(duì)關(guān)鍵工序及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，如異構(gòu)量、分離進(jìn)料量、分離返料量等等，最終成品總糖等于糖化出料總糖，使生產(chǎn)系統(tǒng)處于平穩(wěn)可控狀態(tài)。

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Study on Influence Factors and Process Stability of High Fructose Syrup Production Process

1，1,1,2,2,1*

（1. Wuhan COFCO Food Science and Technology Co., Ltd., Hubei Wuhan 113001, China；2. COFCO Nutrition and Health Institute, Beijing 102209, China）

Fructose corn syrup is a sweetener prepared mainly from corn starch, it is widely used in the food industry. In the industrial production process of fructose corn syrup, the hydrolysis efficiency of corn starch directly affects the yield and quality of fructose corn syrup. In this paper, the correlation of dextrose with the pH value of liquefied liquid, the amount of glucoamylase enzyme, the concentration of liquefied liquid, the pH of saccharification liquid and the saccharification temperature during the liquefaction of corn starch was systematically studied. Based on the above analysis, the material balance of the whole system was studied, and the optimized parameters can be applied on actual industrial production, the stability of the system can be exactly controlled. Through the process optimization and system stability control, the final saccharified dextrose value can exceed 96%, we can get high quality fructose corn syrup with total sugar content more than 96%.

Fructose corn syrup; Saccharification; Liquefaction; Dextrose equivalent value; Dextrose value

O 636

A

1671-0460（2017）12-2435-04

20 17-09 -05

李貴濤（1984-），男，黑龍江省哈爾濱市人，助理工程師，2008年畢業(yè)于齊齊哈爾大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：淀粉糖生產(chǎn)工藝技術(shù)。E-mail：ligt@cofco.com。

趙永武（1968-），男，高級(jí)工程師，博士, 研究方向: 淀粉糖生產(chǎn)工藝技術(shù)。E-mail：zhaoyongwu@cofco.com。