玉米粉擠壓液化工藝優(yōu)化

孟悅，劉香英，孫洪蕊，康立寧，曾憲鵬，楊志強(qiáng)

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130033）

玉米粉液化是將玉米粉中的淀粉經(jīng)過(guò)高溫糊化，使淀粉分子在液化酶的作用下斷開(kāi)成短鏈，產(chǎn)生糊精和糖類(lèi)，使淀粉黏度下降，更加容易被糖化酶糖化[1-2]。生產(chǎn)淀粉糖的關(guān)鍵技術(shù)是液化技術(shù)，玉米粉的液化程度對(duì)后面工序的操作和成品淀粉糖的質(zhì)量及收率有重要的影響[3-4]。目前在傳統(tǒng)的淀粉糖生產(chǎn)中，最常用的是射流液化技術(shù)，該技術(shù)在操作時(shí)玉米粉乳濃度不能超過(guò)25%，一旦超過(guò)就容易發(fā)生堵塞。如果玉米粉乳濃度較低，液化用水量會(huì)增加，濃縮干燥時(shí)，蒸汽消耗也會(huì)變多，不利于淀粉糖工藝節(jié)能降耗，大大提高了生產(chǎn)成本[5-7]。

擠壓式液化是指利用固形物含量較高的淀粉或淀粉質(zhì)做原料，采用擠壓的方式進(jìn)行淀粉液化，是生產(chǎn)淀粉糖的一種新方法，通過(guò)擠壓技術(shù)和酶解技術(shù)共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)淀粉液化[8-10]。與傳統(tǒng)射流液化方式相比，擠壓液化技術(shù)對(duì)比射流液化有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，擠壓液化可以用較高濃度的淀粉質(zhì)原料進(jìn)行液化，擠出的液化液各項(xiàng)指標(biāo)都可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。其次，擠壓液化技術(shù)僅使用螺桿擠出機(jī)就可完成淀粉的液化，操作非常簡(jiǎn)便。液化過(guò)程可以節(jié)約水和電[11-12]，因此，可以降低淀粉糖的生產(chǎn)成本。利用擠壓式液化生產(chǎn)技術(shù)，可以開(kāi)發(fā)出品質(zhì)更加良好的淀粉糖，以期為淀粉糖生產(chǎn)企業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米粉（蛋白質(zhì)9.2%、淀粉72.2%、水分13.1%、粗脂肪1.7%、灰分0.45%、其它3.35%）：吉林北顯生態(tài)農(nóng)業(yè)集團(tuán)有限公司；α-淀粉酶（70 000 U/mL）、真菌α-淀粉酶（20 000 U/mL）、α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶（500 000 U/mL）、β-淀粉酶（700 000 U/mL）、普魯蘭酶（2 000 U/mL）：寧夏夏盛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司；亞鐵氰化鉀、碘、碘化鉀、酒石酸鉀鈉、次甲基藍(lán)、硫酸、硫酸銅、鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠壓機(jī)（SLG30）：山東賽百諾機(jī)械有限公司；精密pH 計(jì)（PHS-3C）：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；阿貝折射儀（WYA-2W）：上海精密科學(xué)儀器有限公司；電子分析天平（BSA223S）：德國(guó)賽多利斯集團(tuán)；萬(wàn)能粉碎機(jī)（CF-40）：無(wú)錫新而立機(jī)械設(shè)備有限公司；高效液相色譜系統(tǒng)（SYS-LC-1260）：安捷倫科技有限公司；鈉型陽(yáng)離子柱色譜柱（SP0810）：日本shodex公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

將玉米粉加水調(diào)配成玉米粉濕料，然后加入α-淀粉酶，攪拌均勻后進(jìn)行擠壓液化，控制擠壓機(jī)出口溫度，然后把擠出物料加水稀釋到固形物50%，保溫在90 ℃維持液化90 min，等液化完全后檢測(cè)還原糖（dextrose equivalent，DE）值[13-14]。玉米粉擠壓液化工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 玉米粉擠壓液化工藝流程Fig.1 Extrusion liquefaction process of corn flour

1.3.2 玉米粉擠壓液化單因素試驗(yàn)

采用1.3.1 的方法進(jìn)行玉米粉擠壓液化單因素試驗(yàn)，基礎(chǔ)液化試驗(yàn)條件為玉米粉水分含量30%、液化酶（α-淀粉酶）添加量40 U/g、擠壓溫度110 ℃。探究各單因素[玉米粉水分含量（20%、25%、30%、35%、40%）、液化酶添加量（20、30、40、50、60 U/g）、擠壓溫度（100、110、120、130、140 ℃）]對(duì)DE 值的影響。

1.3.3 DE 值測(cè)定

DE 值是指糖液中還原糖（以葡萄糖計(jì)）占干物質(zhì)的百分率，參照GB 5009.7—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中還原糖的測(cè)定》中的直接滴定法進(jìn)行測(cè)定，固形物含量采用阿貝折射儀法測(cè)定[15]。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，使用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。以玉米粉的液化DE 值為響應(yīng)值，以玉米粉水分含量（A）、液化酶添加量（B）、擠壓溫度（C）3 個(gè)因素作為自變量進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface test

1.4 數(shù)據(jù)處理

單因素圖使用Microsoft Office Excel 2007 軟件繪制，響應(yīng)面圖使用Design Expert 8.0.6 軟件繪制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米粉擠壓液化單因素試驗(yàn)分析

2.1.1 水分含量對(duì)玉米粉液化DE 值的影響

水分含量對(duì)玉米粉液化DE 值的影響見(jiàn)圖2。

圖2 玉米粉水分含量對(duì)玉米粉液化DE 值的影響Fig.2 Effect of moisture content of corn flour on the dextrose equivalent of corn flour liquefaction

由圖2 可知，隨著玉米粉水分含量的增加，DE 值呈現(xiàn)出快速升高的趨勢(shì)，但是當(dāng)水分含量達(dá)到30%以后液化DE 值開(kāi)始緩慢下降。說(shuō)明玉米粉含水量越高，越容易被液化酶水解，但當(dāng)水分達(dá)到一定數(shù)值以后DE 值趨于平穩(wěn)，因此可以判斷玉米粉擠壓液化水分含量在30%左右較好。既能達(dá)到液化效果，有利于下一步糖化，又能節(jié)能節(jié)水。

2.1.2 液化酶添加量對(duì)玉米粉液化DE 值的影響

液化酶添加量對(duì)玉米粉液化DE 值的影響見(jiàn)圖3。

圖3 液化酶添加量對(duì)玉米粉液化DE 值的影響Fig.3 Effect of liquefaction enzyme addition on the dextrose equivalent of corn flour liquefaction

由圖3 可知，當(dāng)液化酶添加量逐漸增大時(shí)，玉米粉液化DE 值先升高，當(dāng)液化酶添加量達(dá)到30 U/g后，液化DE 值趨于平穩(wěn)不再增長(zhǎng)，直到液化酶添加量為60 U/g，玉米粉液化DE 值都變化不明顯，因此選擇液化酶添加量在30 U/g 左右較適宜，既能完全液化，同時(shí)也能節(jié)省液化酶。

2.1.3 擠壓溫度對(duì)玉米粉液化DE 值的影響

擠壓溫度對(duì)玉米粉液化DE 值的影響見(jiàn)圖4。

圖4 擠壓溫度對(duì)玉米粉液化DE 值的影響Fig.4 Effect of extrusion temperature on the dextrose equivalent of corn flour liquefaction

由圖4 可知，隨著擠壓溫度的升高，玉米粉液化DE 值整體呈先升高后急速降低的趨勢(shì)，擠壓溫度為110 ℃時(shí)，液化DE 值最高，為16.8%。原因是這種液化酶的最適宜擠壓溫度為100～110 ℃，擠壓溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致液化不完全，而擠壓溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致酶制劑變性，降低酶活力，因此判斷玉米粉擠壓液化溫度在110 ℃左右比較理想。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化玉米粉擠壓液化工藝

響應(yīng)面優(yōu)化玉米粉擠壓液化工藝試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

首先使用響應(yīng)面軟件對(duì)表2 中的DE 值和擠壓液化參數(shù)進(jìn)行回歸擬合，得到DE 值Y 與玉米粉水分含量A、液化酶添加量B、擠壓溫度C 3 個(gè)因素之間的標(biāo)準(zhǔn)回歸方程[17]：Y=19.67+0.75A +1.03B-0.82C-0.20AB+0.15AC+0.25BC-0.66A2-0.93B2-1.67C2。轉(zhuǎn)化為實(shí)際方程：Y=-198.332 75+1.520 65A+0.509 72B+3.422 95C-0.004AB+0.003 05AC+0.002 475BC-0.026 440A2-0.009 31B2-0.016 685C2。

使用響應(yīng)面軟件將表2 中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得DE 值回歸模型方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

由表3 可知，模型的R2=0.950 1，說(shuō)明玉米粉擠壓液化DE 值的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值之間具有很好的擬合度?；貧w方程顯示模型極顯著（P＜0.01），說(shuō)明回歸模型和實(shí)際結(jié)果擬合性好，試驗(yàn)方法可靠，具有可操作性；失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），說(shuō)明所得方程與實(shí)際結(jié)果有較好的擬合，可用于優(yōu)化玉米粉擠壓液化工藝。模型中一次項(xiàng)A、B、C，二次項(xiàng)B2、C2對(duì)液化DE 值影響極顯著（P＜0.01），交互項(xiàng)AC、BC、A2對(duì)液化DE 值影響顯著（P＜0.05），而交互項(xiàng)AB 對(duì)DE 值影響不顯著（P＞0.05）。

2.4 響應(yīng)面分析

各因素間交互作用的等高線和響應(yīng)面見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 玉米粉水分含量和液化酶添加量對(duì)液化DE 值交互影響及響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour of the effect of interaction between corn flour moisture content and liquefaction enzyme addition on the dextrose equivalent of liquefaction

圖7 液化酶添加量和擠壓溫度對(duì)液化DE 值交互影響及響應(yīng)面和等高線Fig.7 Response surface plots and contour of the effect of interaction between liquefaction enzyme addition and extrusion temperature on the dextrose equivalent of liquefaction

由圖5～圖7 可知，響應(yīng)面開(kāi)口均向下，說(shuō)明隨著因素的增大液化DE 值也在增大，當(dāng)液化DE 值達(dá)到最大值后，響應(yīng)值又隨著各因素增大而逐漸減小，通過(guò)對(duì)等高線的形狀、密度分析，以及對(duì)響應(yīng)曲面傾斜度的分析，可以知道玉米粉水分含量和擠壓溫度、液化酶添加量和擠壓溫度的交互性顯著影響DE 值的變化，通過(guò)因素交互作用的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了回歸模型方差分析結(jié)論。

2.5 最優(yōu)工藝條件確定與模型驗(yàn)證

經(jīng)軟件分析該模型可得，玉米粉擠壓液化的最佳工藝條件為水分含量32.36%、液化酶添加量34.80 U/g、擠壓溫度108.12 ℃，在此條件下，玉米粉液化DE 值理論值可達(dá)20.1739%。

基于對(duì)條件可操作性的考慮，進(jìn)一步將最佳工藝條件修正為水分含量32%、液化酶添加量35 U/g、擠壓溫度108 ℃。經(jīng)3 次驗(yàn)證性試驗(yàn)，平均液化DE 值為19.95%，與預(yù)測(cè)值相差1.1%，說(shuō)明通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化后的液化條件可靠。

2.6 不同擠壓溫度對(duì)玉米粉組織結(jié)構(gòu)的影響

擠壓溫度對(duì)玉米粉組織結(jié)構(gòu)的影響見(jiàn)圖8。

圖8 不同擠壓溫度下玉米粉的電鏡掃描圖Fig.8 Scanning electron microscope images of corn flour extruded at different temperatures

由圖8 可知，在玉米粉含水量和液化酶添加量相同的條件下，擠壓溫度不同，擠壓后的玉米粉組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。原料玉米粉結(jié)構(gòu)細(xì)密，表面平滑完整，而擠壓后其結(jié)構(gòu)受到了不同程度的破壞，表面出現(xiàn)凹凸不平的孔洞結(jié)構(gòu)，甚至有碎裂現(xiàn)象，有的顆粒裂解成碎片。由圖8A 可知，原料玉米粉顆粒表面比較完整平滑；由圖8B 可知，經(jīng)過(guò)100 ℃擠壓的玉米粉，在片狀結(jié)構(gòu)中能看到一些細(xì)小的孔洞，表明已經(jīng)有些許結(jié)構(gòu)被破壞；由圖8C 可知，經(jīng)過(guò)110 ℃擠壓后的玉米粉，在其表面呈現(xiàn)一些裂紋，表明玉米粉的結(jié)構(gòu)破壞明顯；由圖8D 可知，在120 ℃條件下擠壓出來(lái)的玉米粉，微觀組織結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，不僅有孔洞，而且碎裂現(xiàn)象明顯。從玉米粉擠壓后的組織結(jié)構(gòu)看，在低溫條件下膨化程度不高，雖然結(jié)構(gòu)破壞不嚴(yán)重，但是酶解后的DE值較高。但溫度過(guò)高，玉米粉雖然結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，但是液化酶卻受到溫度的限制，因此DE值下降。可見(jiàn)玉米粉組織結(jié)構(gòu)變化隨溫度升高膨化越來(lái)越嚴(yán)重，但由于擠壓時(shí)有液化酶的作用，而且酶制劑有溫度范圍限制[18-20]，所以DE 值并沒(méi)有一直升高。

3 結(jié)論

以玉米粉為原料，通過(guò)對(duì)擠壓液化技術(shù)的優(yōu)化，確定最佳工藝條件為玉米粉水分含量32%、α-淀粉酶添加量35 U/g、擠壓溫度108 ℃。試驗(yàn)制備的玉米粉液化液符合糖化質(zhì)量要求，并通過(guò)此液化條件開(kāi)展后續(xù)研究工作，驗(yàn)證了不用淀粉，通過(guò)擠壓液化玉米粉生產(chǎn)淀粉糖是可行的。為改進(jìn)淀粉糖生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)效益提供了一定的參考。