挤压蒸煮玉米淀粉、脱胚玉米制取葡萄糖浆的试验研究（可编辑）

挤压蒸煮玉米淀粉、脱胚玉米制取葡萄糖浆的试验研究（可编辑） 挤压蒸煮玉米淀粉、脱胚玉米制取葡萄糖浆的试验研究 东北农业大学 硕士学位 挤压蒸煮玉米淀粉、脱胚玉米制取葡萄糖浆的试验研究 姓名:奚可畏 申请学位级别:硕士 专业:农产品加工及贮藏工程 指导教师:申德超 20070620摘要 本研究采用挤压蒸煮技术,利用单螺杆挤压机对玉米租淀粉和脱胚玉米进行处理。研究 挤压蒸煮系统参数套筒温度、原料含水率、挤压机主轴转速、膨化中加酶量和液化时加 酶量对膨化物料制取淀粉糖浆的影响。在挤压蒸煮过程中添加耐高温一淀粉酶制取的糖化液 值和出品率均比没加酶挤压蒸煮制取的糖液值和出品化率高。通过对挤压膨化玉米粗 淀粉和脱胚玉米制取的葡萄糖浆的值、淀粉转化率、糖化液过滤速度的研究,寻找符合 生产实际的原料挤出过程的数学模型,更好地为玉米粗淀粉和脱 胚玉米挤压膨化系统设计和 参数选择提供科学依据与理论基础;原料中含有抗性淀粉,它不被淀粉酶作用,因而对糖浆 的值和出品率有影响,在挤压过程中有些抗性淀粉发生了降解,研究了抗性淀粉降解情 况。 以葡萄糖浆的值、过滤速度和淀粉出品率为考察指标,采用五因素五水平/实 施进行二次正交旋转组合试验设计,研究套筒温度、原料含水率、挤压机主轴转速、膨化 中加酶量、液化时加酶量五个因素对玉米粗淀粉和脱胚玉米制糖工艺的影响。用软件 对试验数据进行分析,得出回归方程,对方程进行方差分析,分析试验参数的因子贡献率, 绘制了单因素对考察指标的影响图,采用频数选优的方法。得出最佳的加酶挤压膨化玉米粗 淀粉、脱胚玉米粉制取葡萄糖浆的工艺条件。 以抗性淀粉为考察指标,采用五因素五水平/实施进行二次正交旋转组合试验设 计,研究套筒温度、原料含水率、挤压机主轴转速、膨化中加酶量四个因素对膨化前后物料 中抗性淀粉含量的影响规律。用软件对试验数据进行分析,得出 回归方程,对方程进 行方差分析,分析试验参数的因子贡献率,绘制了单因素对考察 指标的影响图,采用频数选 优的方法,得出膨化物料中抗性淀粉含量最少的工艺条件。 关键词:挤压膨化;值;玉米淀粉;葡萄糖;抗性淀粉. , , . ?. , . , . ,., , /,,. 协 . .仃. , /,,, . . . .. : ; ; ;;东北农业大学肇劬学位论文 :? : .研究生学位论文独创声明和使用授权 独创 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含未获得?? ?蓬翅邃直基丝霞蔓挂型直明丝:奎拦亘窒或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 日期.川年占月阳 学位论文作者签名:幻移 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解 密后适用本授权书 学位激储躲幻犯隰明年腑 导师 签名: 日期:明年易,驴韬 套嘎丝引 言 ?引言 .课研究的目的和意义 作为最重要的三大作物之一,目前世界玉米总产量在亿吨左右,高于小麦的.亿吨 与水稻的.亿吨,。其中美国玉米产量最大,常年在.亿吨以上。年我 国年玉米产量为.亿吨,居世界第二位,约占世界总产量的%,如图所示。 产量亿吨 中国与世界玉米产量对比 . 因 .. . . . . 年份 图中国与世界玉米产量 .? 刚 我国淀粉行业%以玉米为原料,以淀粉为原料的主要深加工产品按数量计,则依次为: 味精、淀粉糖、变性淀粉、其他发酵制品肖志刚,,我国是玉米淀粉的重要出口国。 年我国淀粉产量仅为万吨,进入世纪舳年代后我国玉米淀粉加工业迅速发展,到 年玉米淀粉产量已达万吨年增长至万吨。 玉米是加工程度最高的粮食作物。玉米籽粒除了初加工成各种饲料产品之外,还可以深 加工成形形色色的工业产品。目前,我国玉米深加工的产品结构相对稳定。加工饲料仍是玉 米的最主要利用途径。所用玉米占全部玉米消费总量的%%,其余深加工产品主要包括 淀粉、淀粉塘、变性淀粉、酒精、酶制剂、调味品、药用、化工等八大系列。特别值得关注 的是。我国在玉米深加工领域不仅仅局限于食品,而且己开始瞄准替代能源,即通过玉米深 加工生产乙醇,添加到汽油中成为汽车燃料。根据全国食品工业“十五”规划,“十五”期间, 玉米早餐食品、休闲食品、方便食品等玉米终端食品要达到万吨。届时,玉米工业化产品的转化玉米量有望达到玉米商晶量的%,其中:米深加产品转化玉米量有望达到% 左右肖,&刚,。 我国淀粉糖产量 产量万吨 年份 图我国淀粉糖产量. 淀粉糖是我国食品工业的重要原料,是人们日常消费食糖的有益补充。我国玉米资源丰富, 玉米的增产为发展淀粉糖提供了物质基础。我国淀粉糖的发展历史很长,过去人们吃的饴糖、 关东糖以及人们熟悉的葡萄糖等都是淀粉糖。但长期以来。我国淀粉糖生产成本居高不下, 所以行业一直未得到大的发展。到年,全国淀粉糖产量在万吨左右。“十五”期间我 国以高科技生物工程技术积极发展淀粉糖产业,行业取得巨大发展,特别是在关键技术和关 键设备上进行国产化,使得生产成本大幅降低。到年全国淀粉糖生产大类产品,产 量已达万吨。消耗玉米万吨,居世界第二。年时间产量增长了倍。平均年增长 率为%中国淀粉交易网。我国淀粉糖产量如图所示。 淀粉制糖可用任何种类的含淀粉农作物为原料,其中因玉米淀粉及其淀粉糖的成本低, 且其副产品多,收入高,具有竞争力,是制取淀粉糖的首选原料。淀粉糖浆主要是应用生物 酶水解技术和化学水解技术对淀粉进行深 得到的产物,其糖分组成为葡萄糖、麦芽糖、低 聚糖、糊精等,一般甜度低、风味浓、润性好、色泽美且具有保健功能,在制药., 、食品..,;尤新,、饲料王卫国,等行业都可应用。淀 粉糖浆产品种类多,生产工艺较为复杂杨生辉,王小军,。工业上生产量最大的比较 普遍的是值在%%的中转化糖浆,又称普通糖浆或糖浆,一般称为液体葡萄糖。 这种糖浆不能结晶且具有防止蔗糖结晶的性质,吸湿性也低。所以作为填充剂用于糖果制造, 可防止糖果中的蔗糖结晶,有利于糖果的保存,并能增加糖果的韧性和强度,使糖果不易碎 裂,又冲淡糖果的甜度。因此。它是糖果工业中不可缺少的重要原料之一。淀粉塘在制药、 食品、饮料等行业都可应用。主要有葡萄糖、果葡糖、不同值的淀粉糖、麦芽糖、无水 结晶麦芽糖、麦芽糖醇、麦芽糊精、结晶果糖、果葡糖浆、低聚异麦芽糖、低聚龙胆糖、啤 酒专用糖等申德超,,,:涂俊铭,:郝俊光,:曹程节,。 近年来.由于淀粉糖产品质量提高,成本降低,推动了发酵行业的发展。淀粉糖浆产品 种类多,生产工艺较为复杂。而葡萄糖是一种重要的可转化成其它产品和高附加值产品的主 要化学原料或中间媒介,。目前,葡萄糖的各种衍生物已成为国内外研究开 发的热点产品。如葡萄糖酸及其盐,葡萄糖酯、盐酸氨基葡萄糖、低聚氯基葡萄糖、葡萄糖 酸依诺沙星、葡聚糖、烷基糖苷等。淀粉糖可作为山梨醇的原料,进一步加工可制成维生素 ,麦芽糖可制成麦芽糖醇,低聚糖可制成低聚糖醇。在医药工业中,淀粉糖可用于生产多 种产品,如抗菌素、酒精等都可用葡萄糖为原料发酵制取。味精行业和啤酒制造业也均有不 同程度的研究开发和应用申德超,,,;尤新,:涂俊铭,:郝俊 光,;曹程节,。 将挤压技术应用于农产品加工业是农产品深加工的重要研究方向之一。谷物食品的传统 加工工艺一般需经过粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、杀菌、干燥等生产工序,每道工序都 需配备相应的设备,生产的流水线长,占地面积大,劳动强度高,设备种类多。而采用挤压 技术来加工谷物食品,在原料经初步混合后,即可用一台挤压机一步完成混炼、熟化、破碎、 杀菌、预干燥、成型等工艺。与传统的生产工艺相比,挤压加工极大的改善了谷物食品的加 工工艺,缩短了工艺过程,降低了生产费用和劳动强度,同时改善了口感,提高了产品质量 张裕中,;高福成,。食品挤压蒸煮加工技术是当今粮油食品工业的新发展,它 不仅可使粗粮细作,发展多种经营,增产节约,增加积累,并且拓展了粮油工业的发展途径, 因此食品挤压机理的研究对挤压蒸煮机械的开发和挤压工艺的研究有着积极的现实意义刘 天印。. 杨铭铎等人对谷物膨化机理进行了研究杨铭铎,;,从谷物的宏观、微观、 物理化学等方面对膨化机理进行了探讨,得出挤压蒸煮技术应用于食品、酿造黄酒郝俊光, 、食醋、白酒、淀粉糖涂俊铭,工业的理论依据。采用挤压蒸煮技术对玉米进 行处理后,从宏观上看,其表观密度变小,体积增大,膨化倍数提高;从微观上,通过显微 镜观察膨化后玉米粉由原来的颗粒状变成鳞片状,淀粉链和肽链裸露,易于酶的作用。通过 测定特性粘度,可知挤出淀粉的平均分子变小,淀粉聚合物发生 降解;由铁氰化钾值比较看 出,挤出淀粉铁氰化钾值高于未经挤出的淀粉,表明经过挤出后还原性端基即醛基端增 加丁霄霖,;叶向库,,经测定,挤出后物料较未挤出前还原性提高也证明这一 结论。在挤压过程中,淀粉的变化主要是糊化和降解郇延军,,玉米淀粉经过挤压蒸 煮后,糊化度明显升高,糊化度能达到%以上关正军,:。玉米淀粉由直链 淀粉和支链淀粉两部分组成,直链占%沈同,:叶向库,,其余为支链部分。 淀粉颗粒由无定形区和部分结晶区组成,直链淀粉绝大部分位于无定形区,支链淀粉一部分 位于无定形区,一部分位于结晶区。在挤压蒸煮过程中,淀粉颗粒中的结晶相向熔融态转变 的相转换完全不同于一般的糊化现象,由于低水分、温度等关系,它是一个非平衡态过程, 糊化和熔融将同时进行。挤压蒸煮过程是一个物理化学降解过程,直链淀粉在剪切力作用下 被拉直,支链淀粉发生熔融,直链淀粉拉直后易于酶的作用,并且当脂肪含量.%时,直 链淀粉与脂形成直链淀粉脂螺旋络合物,经挤压后在一定的剪切 力下.型转换成型, 型的能量高于型,经过射线衍射光谱的分析表明。.型的降解程度普遍小于型的降 尔北农业人学学坝学忙沦殳 解辟度汤坚。:同时,挤压导致支链淀粉级分的支点发生裂解汤坚,。这些 变化都有利于酶的作用,为挤压后淀粉的进一步加:利川提供了理论依据。同时使蛋质中 的人分子变成中分子和小分子张裕中,,谷物脂肪含量减少申德超,.可溶 性物质增加等,从而可明显提高原料的利用率手彩云,。 杨婀娜教授将挤压技术应用丁中转化糖浆的生产中,得出结论:将挤压新工艺用了:淀粉 糖浆生产,可省去玉米磨粉,浸泡等工序,缩短了生产时间,与原工艺在相同时间内,可使 液化、糖化更完全,有利于生产高水解程度的淀粉糖浆,可降低原料成本,所得产品基本符 合要求。但是,糖化液粘稠,过滤性能差。此后,由于挤压蒸煮设备发展的局限性,使这项 技术没有得到进一步的推广,各种文献也未曾见过相关报道。 山东理工大学的申德超教授从年到现在一直致力于挤压技术这一领域的研究,并且 从优化挤压蒸煮系统参数这一角度出发,解决了利用带胚玉米作啤酒辅料麦汁过滤性能差这 一难题。这为解决挤压蒸煮玉米制取糖浆过滤难这一问题提供了科学的依据。本研究是在肖 志刚、和马成业的研究基础上,以玉米粗淀粉和脱胚玉米为原料,将 加酶挤压蒸煮技术融入到淀粉糖浆的制取中,从而进一步缩短液化、糖化工段时间,在糖化 液过滤性能良好的条件下,使糖含量达到要求范围内。并保证糖品有较高出品率入手,开辟 出一条节能,降低原料成本,提高原料利用率和较高得率的生产淀粉糖浆的新途径。 .国内外发展动态 淀粉糖生产是一个古老的工业。年化学家在德国添加硫酸于马铃薯淀粉乳 中制胶粘剂错误地多加了酸,意外地得到了甘甜的糖浆,这意外竟成了淀粉制糖的开始张 力田,。本世纪年代初期,美国开始较大规模地生产淀粉糖品,逐步用酸法技术生 产葡萄糖和糖浆等。传统的酸法制糖工艺,在剧烈的反应条件下,产生的葡萄糖液质量下降, 色泽变深,味道变差戴宁,,这些是限制淀粉糖行业发展的重要原 因。年代酶法 技术的发展逐步地代替了酸法技术,先是酸酶法,后是双酶法梁作胜,;张力田, 和其它不同的酶法等./,:.,:。随着酶制剂的积 极制备和开发运用.,;.,:;黄立新,;郝俊 光,;,上世纪出现了许多人型淀粉加上企业,麦芽糊精、改性淀粉、葡萄糖和果葡糖 浆的生产己由酸水解淀粉转变为酶水解淀粉..,。年代初又采用异 构化酶转变甜度较低的葡萄糖成为甜度较高的果糖,生产果葡糖浆,并成功地提取了低聚糖、 异构麦芽糖乖适用于啤酒生产的麦芽糖浆,同时葡萄糖氢化后可以制成山梨醇。用玉米芯做 原料可提取木糖醇,木糖醇有与蔗糖相同的热量和甜度,但并不增加血糖值。喷射液化器出 现后,将喷射液化技术用于双酶法梁作胜,制取糖浆可避免酸法制糖不足的结论, 经多家厂家的生产实践已被证实。 挤压蒸煮技术最早应用于塑料制品加工.., ,:.., ,。直 到年,美国人沃德申请了第一份关于食品挤压技术的专利,这也是有关食品挤压技术的 最早文献杨铭铎,。年第一台用于生产香肠的双螺杆挤出机问世,。 到了年挤压技术在糖果、焙烤等食品工业上得到了广泛的应用...但这 时的挤压技术都是冷挤压技术。在二十世三十年代末期, 第一次将挤压蒸煮技术 应用于谷物方便食品上。到了二十世四十年代中期,开发了能拆除套筒装置的挤乐机,虽然 这种挤压机的套筒部分还没有引进加热装置,但由于挤压螺杆沟槽及机筒内表面的特殊设计, 在挤压过程中的高度磨擦及强烈剪切效应可产生一定热量,对食品组分进行挤压蒸煮,因此 这种挤压机可生产出高度膨化的风味小吃食品。二十世纪四十年代末,在挤压机的套简部分 引进了加热装置,这种挤压机可对物料进行有效的连续蒸煮,大大改进了挤压物料的功能性 质.提高了其生物利用率和消化率但,,.。年.发 现挤压机可以使被挤压物形成新的组织结构..,。如组织化植物蛋白,开拓了 挤压机在工程食品开发领域应用的道路.二十世纪八、九十年代,国外许多专家对挤压技术 如何影响物料成分作了大量深入的研究,为挤压技术在食品领域 的应用提供了理论基础 ,; .. ,;., . ,。与此同时出现了 以大米、玉米、豆类、薯类等为原料,经挤压蒸煮生产快餐食品、焙烤食品、儿童食品、植 物蛋白食品及强化营养食品等技术...,:. ,:, 。在发酵工业,膨化技术在黄酒、食醋、白酒、淀粉糖等方面的实践均表明,膨化技术 能提高原料利用率、降低能耗、提高生产率初彦翠,。上世纪九十年代后期,挤压技术 开始应用于交性淀粉氧化淀粉、交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、预糊化淀粉等的生产 .; ,;.; ..; ..,; ..;..,挤压技在变性淀粉的生产中发挥越来越重要的 作用。 膨化技术在我国悠久的历史,我国民间的爆米花、冻米糖、爆豆子及各种油炸食品都属 于膨化食品,直到七十年代,我国才开始膨化技术与膨化食品的研究,~些高等院校和科研 单位相继制出多种膨化机。年北京食品研究所首先研制成功食品挤压机,在国内掀起“挤 压食品热”。年黑龙江商学院吴盂等发表了“谷物膨化技术的研 究与应用”的论文。 年北京农业工程大学沈再春等研制了型双螺杆挤压机。无锡轻工业学院丁霄林等 利用从法国引进的型双螺杆挤压机指导学生在此领域进行深入研究,许多理论达到国 际领先水平。年杨铭铎等人在对谷物膨化机理的研究中就以挤压蒸煮物为研究对象,从 谷物的宏观、微观、物理化学等方面对膨化机理进行了探讨,得出挤压蒸煮技术应用于食品、 酿造黄酒、食醋、白酒、淀粉糖工业的理论依据。郇延军对挤压蒸煮过程中的糊化、降解和 挤出物的溶解指数变化作了进一步的探讨。通过挤压蒸煮,可以改变原料内部的分子结构, 使得淀粉降解,还原耱和糊精含量增多粉的糊化度明显增高。年,北京化工大学朱复华 等自行设计制造出可视双螺杆挤压机,将中国食品挤压技术的研究手段提高了一大步陈存 社等,。近年来.随着挤压蒸煮技术的发展和挤压蒸煮设备的改进,其特有的优越性越 来越被人们所认识。该项技术已先后被应用到在休闲食品加工、饲料、酿造生产、油脂浸出、 淀粉糖、组织化植物蛋白生产等深加工领域中,沈正荣,。自年 以来,山东理工大学申德超教授研制出外加热可开合式单螺杆挤压机,并在挤压蒸煮带胚玉 米、大米作啤酒辅料生产啤酒、淀粉制糖及酒精发酵等方面进行了深入研究,解决了膨化辅 料生产啤酒难于糖化、过滤的难题。使这项技术在实际中应用变成现实申德超.;: ::王丽玮,::冯玉红,:孟阳,,同时指导一批研究盐庄油 料挤压浸油方面进行了深入研究申德超,::贾富国,;::李宏 军。,取得了一些研究成果,并已经申报了国家专利。 材料与方法 .试验设备、材料与仪器 ..试验设备 控制柜主电机冷却水管搅拌电机套筒模扳 图单螺杆挤压机 . 剖分式单螺杆挤压机山东理工大学轻工学院农产品加工实验室自制。挤压蒸煮杌由组 合式套筒三节和螺杆四段组成。挤压机为剖分式,可沿轴向张开,便于机筒内部的清理与 螺杆上物料的采集。其螺杆转速为~/无级可调;机筒温度为~?连续可调; 挤压机模孔直径、模板与螺杆端部间隙有级可调。单螺杆挤压机 如图所示。挤压机主机 各部分的结构示意图如图所示。 卧 彪 ~ 乡 勋 ‖ \~ 轴头闰隙 梗孔长度 图挤压机结构简图 . ..试验材料 粗玉米淀粉山东茌平九味精厂提供,含水量.%、淀粉.% 脱胚玉米粉购于山东淄博市潘庄粮食市场,含水量%、淀粉.% 液体型耐高温淀粉酶泰安华星生物技术有限公司,地衣芽孢杆菌 经深层培养提取, /,最适作用范围:.~.,最适作用温度范围:.? 高转化率液体型糖化酶泰安华星生物技术有限公司,黑曲霉优良 菌种 发酵提取,/,最适作用值在.左右,最适作用温度是?左右 ..试验仪器 ?分析实验室专用纯水机北京群群先利科技发展中心 型阿贝折射仪上海天平仪器厂 紫外可见分光光度计上海光谱仪器有限公司 /冰箱青岛海尔股份有限公司 电子分析天平。精度.德国公司 自动双重纯水蒸馏器上海申顺生物科技有限公司 一电热鼓风干燥箱山东省龙口市先科仪器公司 .?型电热恒温水浴锅天津市泰斯特仪器有限公司 电子万用炉北京市永光明医疗仪器厂 .低速大容量离心机上海安亭科学仪器厂 全自动电位滴定仪瑞士梅特勒 超声波清洗器天津市泰斯特仪器有限公司 植物粉碎机天津市泰斯特仪器有限公司 ?旋涡混合器江苏省金坛市医疗仪器厂 电子天平,精度上海精密科学仪器有限公司 全自动凯氏定氮仪瑞士 定时恒温磁力搅拌器浙江绍兴市卫星医疗设备制造有限公司 .精密计上海精密科学仪器有限公司纯水机美国 水浴恒温振荡器江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司 型循环水真空泵河南巩义市荚峪予华仪器厂 .离心机德国 .型秒表上海手表五厂 三次元振动筛分?过滤机河南新乡三圆堂机械有限公司 型微量移液器上海荣泰生化工程有限公司 型数字式自动旋光糖量仪海精密科学仪器有限公司 电子石英定时计江苏姜堰新康医疗器械有限公司 .试验方法 ..工艺过程 液化程度的控制:在液化过程中。淀粉糊化,水解成较小的分子,液化程度不能太低,因 为液化程度低,粘度大,难于操作,葡萄糖淀粉酶属于外酶,水解只能由底物分子的非还原 末端开始,底物分子越少,水解机会越小。因此影响糖化速度。液化程度低,易老化,不利 于糖化,特别是糖化液过滤性相对较差。液化程度也不能太高.因为葡萄糖淀粉酶是先与底 物分子生成络合结构。而后发生水解催化作用。液化超过一定程度,不利于糖化酶生成络合 结构,影响催化效果,糖化液的最终值低李勇,。 在液化工序中,淀粉由.淀粉酶或酸水解成糊精合低聚糖等较小分子产物,耱化是利用, 葡萄糖淀粉酶或酸进一步将这些产物水解成葡萄糖。应用酸水解法制葡萄糖,由于需要高温、 高压合盐酸催化,因此在生产葡萄糖的时,必定伴有葡萄糖的复 合分解反应张力田,: 刘弧伟.,产生一些不可发酵性糖及其一系列有色物质,这不仅降低淀粉转化率,而儿 由于生产的糖液质营差,对后道精制带来不利影响,对丁味精、甘油、青霉素等以葡萄糖为 碳源的发酵:业的发酵、提取、精制也产生不利影响。尤其是淀粉乳较高时%。糖液 的值一般小于%,透光率低于%未加活性碳的过滤液,测定。世纪 年代末期,国外酶水解理论研究的新发展,促进淀粉酶法水解取得重大突破。日本率先实现 工业化生产,其他国家液相续采这种先进的新:艺。采朋酶糖化法生产葡萄糖,提高了淀 粉或大米等原料的转化率及糖液浓度,并且改善了糖液质量李勇,。 为: .本试验确定的实验工艺为: .喷射液化工艺参照茌平味精厂工艺 玉米淀粉水 膨化物水: 调浆 调浆. 一耐高温淀粉酶 一耐高温淀粉酶.却./ 液化~? 人气压 喷射液化冷却? ?液化保温~ 冷却? 调酸. 一糖化酶./ 一糖化酶 糖化? 糖化 灭酶? 灭酶 过滤 冷却一过滤 液体葡萄糖 液体葡萄糖 ..分析方法 值的测定:/?.. 固形物含量的测定:厂.. 淀粉水分测定:/ .直接干燥法 淀粉含量的测定:/..酶水解法 抗性淀粉测定:方法.. , 蛋白质含量的测定:/.?凯氏定氮法 搪液过滤速度:以单位时间内通过单位面积的体积升表示,单位 为/. 尤新,。本试验采用布氏漏斗直径过滤,滤纸为定量快速滤纸,以收集 糖液的时间来计算过滤速度。即?度。再。两..志 糖液出品率:用淀粉出率表示尤新,,即: 出品率一盏妻黼?% 东北农业人学学坝’位论定 试验结果与讨论 .试验目的和意义 我国淀粉糖二:业近几年来发展势头十分强劲。年,全国淀粉糖产量在万吨左右, 到年全国淀粉糖产量已达万吨,年时间产量增长了倍中国淀粉交易网。淀 粉糖主要用于与食糖无关的行业,如味精、皮革、葡萄糖医药注射液、生物发酵、日化用山 梨醇等中国行业研究网;刘宗利等,。 早在上世纪年代,挤压机就已经被认为是一种生物反应器,一些谷物和酶类一同挤压 后仍保持一定的活力,。大米淀粉在含水率%左右时添加耐高温淀粉酶, 经过挤压机处理后,糖化后值在.,而非加酶挤压的值仅为左右.., :在酒精:业上,淀粉加酶挤压后制取发酵酒精的葡萄糖可代替传 统的喷射蒸煮器,提 高经济效益..,:.,在使用般螺杆挤压机挤压瞬米 时添加耐高温淀粉,有效的解决了西米难水解的问题。国内马成业首次使用单螺杆 挤压机对淀粉原料进行加酶挤压,取得了一定的进展。本试验目的是进一步研究挤压系统参 数,使淀粉糖化时间缩短。 .加酶挤压蒸煮玉米粗淀粉生产葡萄糖浆试验研究 ..玉米粗淀粉挤压蒸煮生产葡萄糖浆的可行性试验 在进行正式试验前,需要进行可行性试验。按表的挤压机系统参数挤压蒸煮玉米粗 淀粉,得到的膨化物粉碎后进行液化糖化,测定糖化后糖化液的值。 表预试验挤压参数 . 因素 套筒温度物料含水螺杆转速轴头间隙模孔直径膨化中加液化时加 酶量 酶量 ? 率/ %/ 通过测定的值可以看出,采用加酶挤压蒸煮玉米粗淀粉糖化可以 生产出可用于发 酵用的高糖浆。 试验结果’』讨论 ..试验因素水平的选择和确定 表因素水平编码表 .. 注;。一套筒温度?.?物料含水率%;广?螺杆转速:一膨化中加酶置/:广般化时 加酶量/ 根据山东理工大学申德超.,。教授的研究报道以及东北农业大 学叶向库、肖志刚,、关正军、马成业的试验研究表明, 当轴头隙,模孔直径时对于挤压蒸煮玉米的试验结果较优,所以本试验固定轴头隙,模孔直径不变。 本试验是加酶挤压,所以要考虑酶与物料在挤压机中的作用条件和加酶量。首先要有一 个充分的作用时间,转速不能太快,确定转速在/以下,不加酶的挤压试验转速一般 在/左右。其次是温度和水分,酶只有在适宜的温度和水分下才有活性,本试验所用 酶的最适作用温度范围为,考虑挤压机本身的特点,所以确定最高温度为?,水 分不能太高,否则挤压机对物科不能产生剪切作用,挤出的物料 不成型为乳状,所以确定最 高物料含水量为%。酶的添加量要适中,加的少不起作用,加的多可以使葡萄塘发生复合 反应,葡萄糖分子又通过,键结合生成异麦芽糖、龙胆二糖、潘糖和其他具有,键的 低聚糖等,导致降低,同时成本也会增加。 根据以上试验结果和理论的分析以及徐中儒的试验设计方法,并与目前实验室 挤压机情况相结合,最终选择五个因素即挤压机套筒温度、喂入物料含水率、挤压机螺杆转 速、膨化中加酶量、液化时加酶量作为挤压工艺参数研究对象,同时选定五个水平采用二次 正交旋转组合设计安排试验,因素水平编码表如所示。注:?套筒温度; 物料含水率%;螺杆转速:殛?膨化中加酶量/;,?夜化时加酶量 ./。因素水平编码表见表.。 ..试验安排和试验结果 采用五因素五水平二次正交旋转组合试验设计安排试验。五因素五水平/实施二次正 交旋转组合试验安排与结果见表?。 值、出品率、过滤速度、透光率、、比重都是 选择糖化小时进行测定,过滤速度单位为.。表.试验安排上试验 数据. 比眶 样 冈素分布 值 出品率过滤速度透光率 垫 垫 品 丕圣&邕整 垫 塾 垄 垫 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ? . . . . ? ? ? . . ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ? . . . . . . . . . . . . . ? . . . . ? . . ? . . . . 。 . , ? . . . . . . ? . . . . ? ? ? . . . . . .哪 . . . . . . . . . . ? ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . .. . . . . 。 。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..糖化液值结果与分析 .糖化小时糖化液值方程 一.?.....,.;一. .....;.?.工.. .;..一.,.?.. .回方程的方差分析表 表糖化液值回归方程方差分析 .从表可以看出,.,,说明回归方程拟合得好,又因.?,,说明方 程在.水平是显著的,即试验数据与所采用的二次数学模型基本 相符。 .采用统计选优寻求最佳挤压系统参数的范围表 表.糖化小时值.%综合工艺措施 ..%. . . 平均编码 旬. . 是 .鹏 . . . . %置信区间 .一. .一. .~. .一. ..?. 工艺措施 .?. ~. ... .?. .~.值舳温度变化规律 值随水分唑化规律 名八 / 。???‘?号一一 ???? 物料含水串的水平值 孵造 .... .... 值随螺杆转速变化规律 值随膨化中加酶量变化规律 一 ? 一 一 螺杆转速的水平值 膨化中加酶量的水平值 ... ... 值随液化时加酶量变化规律 ~ ~:少 ??一一 。???????????一 一 一 液化时加尊量水平值 ... 图各因素对搪化值的影响.? 对所得的二次方程进行优化处理,在软件下求解。回归方程的极 值为: ?. . . 一. .. . . 产. ... 经值类转换后极值为:. ‰ ... 啪。 .. 得到最大结果为.,但与实际情况不符因为由软件得到的最优值是数学意 义上的最大值,而在实际测定过程中达不到该值,因而采用频数分析方法来寻找最佳挤压系 统参数。频数选优结果中,值.%的有个,占组合的.%注:五因素 五水平全部试验为个,频数分析见表.。 以淀粉糖浆值为考察指标,经过频数选优得出最佳工艺参数的范围为:套筒温为. ?.?,物料含水率?.%,螺杆转速.. /,膨化中加酶量.. ./ /。 ,液化时加酶量.?. .各试验因素对淀粉糖浆值影响的单因素图形分析图. 由试验数据的回归分析可知,各因素对淀粉糖浆值影响的因子贡献率为:., .,.,.,.,其影响程度按从大到小的顺序依次为:,,, ,? 各单因素对淀粉糖浆值的影响见图。图中套筒温度曲线为.,., .,.水平时对淀粉糖浆值影响的曲线图;含水率曲线为.,., .。.水平时对淀粉糖浆值影响的曲线图;螺杆转速曲线为., .,.,.水平时对淀粉糖浆值影响的曲线图:膨化中加酶量曲线为 .,.,...水平时对淀粉糖浆值影响的曲线图;液化时加酶 量曲线为.,.,.。.水平时对淀粉糖浆值影响的曲线图. 由图可以看出,淀粉糖浆值随套筒温度的增加先减小后增加,在..和.水 平时最高,在.水平时最低;淀粉糖浆值随物料含水率的增加先增加后减小,在.. 水平时最高,在..水平时最低;淀粉糖浆值随螺杆转速的增加而增加,在..水平时 最低。在.水平时最高:淀粉糖浆值随膨化中加酶量的增加先减小后增加,在.. 水平时最高,在.水平时最低;淀粉糖浆值随液化时加酶量的增加先减小后增加,在 .水平时最高,在.水平时最低. ..淀粉出品率结果与分析 .糖化小时淀粉出品率方程 ...一.....《. .,一.一.一.;.工一.工. .巧.?.?.一.一.; .回归方程的方差分析表. 从表可以看出,?,,说明回归方程拟合得好,又因,说明方 程在.水平是显著的,即试验数据与所采用的二次数学模型基本 相符。 表糖化出品红同归方程方摹分析. 显著性 平左庭 自由度 ??盟?? 一??来源 . 总计 . 回门 目 . .,. 剩余 . 误羊. . ?,. . 拟合 .采用统计选优寻求最佳挤压系统参数的范围表. 对所得的二次方程进行优化处理,在软件下求解,回归方程的极 值为: .一...?.. . 。舯.. .. 经值类转换后极值为: . ‰。 ... 卢 .. 表.糖化小时出品率.%综合工艺措施 .% .得到最大结果为.,但与实际情况不符因为由软件得到的最优值是数学意义 上的最大值,而在实际测定过程中达不到该值,因而采用频数分析方法来寻找最佳挤压系统 参数。频数选优结果中,淀粉出品率.%的有个,占组合方案的.%注:五因素 五水平全部试验为个。频数分析见表。 以淀粉出品率为考察指标,经过频数选优得出最佳工艺参数的范围为:套筒温度为.? /,膨化中加酶量.?./, .?,物料含水率...%,螺杆转速.?. /。 液化时加酶量.?.试验结果‘讨论 .阵试验冈素对淀出品率影响的单因素图形分析图 出品率随物科水分变化规律 出品率随套筒温度变化规律 嘻 喀 茁 田 澎 一一 物料禽水事的水平值 套简温度的水平值 ... .... 丑 出品率随膨化中加酶量变化规律 出品率随螺杆转速变化规律 \ 蓁\?/ 蓁/引 蓁盆 蓁业 ? 一 一 ’ 膨化中加酶量水平值 螺秆转速的水平值 ... .. 出品率随液化时加舅量变化 规律 嚯 田 一 一 液化时加酶量的水平值 ..一. 图糖化各因素对出品率的影响 . 由试验数据的回归分析可知,各因素对淀粉出品率影响的因子贡献率为:., .,.,.。.,其影响程度按从大到小的顺序依次为:,%,】【., ,。 各单冈素对淀粉出晶铡约影响见图.。幽中套筒温度曲线为.,., .,.水平时对淀粉出品率影响的曲线图:含水率曲线为.,.., .,.水平时对淀粉出品率影响的曲线图:螺杆转速曲线为.,., .,.水平时时淀粉出品率影响的曲线图:膨化中加酶鼙曲线为.,:., .,.水平时】对淀粉出品率影响的曲线图:液化时加酶量曲线为.., .,.,.水平时对淀粉出品率影响的曲线图。 由图.可以看出,淀粉出品率随套筒温度的增加先减小后增加,在.水平时最高, 在.水平时最低;淀粉出品率随物料含水率的增加先增加后减小, 在.水平时最高,在 .水平时最低:淀粉出品率随螺杆转速的增加先减小后增加,在. 水平时最高,在. 水平时最低:淀粉出品率随膨化中加酶量的增加先增加后减小, 在一.水平时最低,庄. 水平时最高:淀粉出品率随液化时加酶敏的增加先增加后减小, 在.水平时最高,在. 水平时最低。 ..过滤速度结果与分析 .糖化小时过滤速度方程 .....。..:.石 .,一...;.?.工.一.工 .;.?..:... .回归方程的方差分析表 表.糖化液过滤速度值回归方程方差分析 . 来源 平方和 自由度 值 显著性 总计 . . 回归 目 . ?,, 剩余 . . 误差 女 . ?,. 拟合 .从表.可以看出,《 ,,说明回门方程拟合得好,又因 ,,说明方 程在.水平是显著的,即试验数据与所采用的二次数学模型基本 相符。 .采用统计选优寻求最佳挤压系统参数的范围表 对所得的二次方程进行优化处理,在软件求解。回归方程的极值 为: .. ,. .. . 脾. .?.?.. 经值类转换后极值为:. 。 .;.。 .. 表.塘化小时过滤速度. /.综合工艺措施 ... 得到最大结果为.,但与实际情况不符因为由软件得到的最优值 是数学意 义上的最大值,而在实际测定过程中达不到该值,因而采用频数 分析方法来寻找最佳挤压系 /.的有个,占组合方案的.% 统参数。频数选优结果中,过滤速度. 注:五因素五水平全部试验为个,频数分析见表。 以过滤速度为考察指标.经过频数选优得出最佳工艺参数的范围为:套筒温度为.? .?,物料含水率。.%,螺杆转速.?. /,膨化中加酶量.?./ /。 ,液化时加酶量.. .各试验因素对过滤速度影响的单因素图形分析图 由试验数据的回归分析可知,各因素对过滤速度影响的因子贡献率为:., .,.。.,.,其影响程度按从大到小的顺序依次为:】【,,却。 ,. 各单因素对过滤速度的影响见图。图.中套筒温度曲线为.,.,., .水平时对过滤速度影响的曲线图;含水率曲线为.,.,.,. 水平时对过滤速度影响的曲线图;螺杆转速曲线为.,.,.,.水 平时对过滤速度影响的曲线图;膨化中加酶量曲线为.,.,.。. 水平时对过滤速度影响的曲线图;液化时加酶量曲线为.,.。.,. 水平时对过滤速度影响的曲线图。 由图.可以看出,过滤速度随套筒温度的增加先减小后增加,在.水平时最高,在一.水平时瞳低;过滤速度随物料含水率的增加而增加, 在..水平时最低.在.水平 时虽高;过瓤速度随螺杆转速的增加而增加,在..水平时最低.在.水’时最高;过 滤速《随膨化中加酶域的增加先减小后增加,在.水平时最低.在.水平时最高;过滤 速度啦液化日加酶量的增加先减小后增加,在..水平时最高.在.水平时最低。 过滤速度随套筒温度变化规律 过滤速度釉物科水分变化规律 毯潮艇捌 丫 霎少 一 一 ? 套筒温度的水平值 物科含水率的水平值 ... ...过滤速度骑膨化中加酶量变化 过滤速度随螺杆转速变化规律 规律 瑙篇嚣榭 堑 业 一 ? 一 ? 螺杆转速的水平值 膨化中加酶量的水平值 ... ...过滤速度随液化对加酶量变化规律 巡簧甓槲 ? 液化时加酶量的永平值 ... 图糖化各因素对过滤速度影响分析图 . 试验结果‘讨论 ..验证与对照试验设计及结果讨论 在频数分析方法得剑的最佳艺条件下进行验证试验,对照试验是 未膨化玉米粗淀粉, 试验安排和试验结果见表一、表?、表一. 表.试验安排与值分析结果值%. 由表.的验证和对照试验结果表明:通过频数选优得到的值工艺 参数重现性良好, 基本上达到了优化所得的最大值。在糖化工艺参数相同的条件下, 采用挤压蒸煮玉米粗淀粉 制取淀粉塘浆和不膨化玉米粗淀粉制取淀粉糖浆相比,糖化液值 要比对照样高 ./.%,并且可以达到三九味精厂糖化时的值水平%,符合可发酵用糖 的要求,能满足生产实际的要求。 表.试验安排与淀粉出品率分析结果.?由表.的验证和对照试验结果表明:通过频数选优得到的淀粉出品率工艺参数重现性 良好,基本上达到了优化所得的最大值。在糖化工艺参数相同的条件下,采用挤压蒸煮玉米 粗淀粉制取淀粉糖浆和不膨化玉米粗淀粉制取淀粉糖浆相比,淀粉出品率要比对照样高 .%.%. 表.试验安排与过滤速度分析结果 .?由表.的验证和对照试验结果表明:通过频数选优得到的糖液过滤速度:艺参数重现 性一般,虽然没有达到优化所得的最大值,但是比较接近。在糖化工艺参数相同的条件下,采挤压蒸煮玉米粗淀粉制取淀粉糖浆和:膨化玉米祖淀粉制取淀粉糖浆相比.稚化液过滤 速度要比对照样要高.%.%。 .加酶挤压蒸煮脱胚玉米生产葡萄糖浆试验研究 ..脱胚玉米挤压蒸煮生产葡萄糖浆的可行性试验 表.预试验挤压参数 . 因素 套筒温度物料含水螺杆转速轴头间隙模孔直径膨化中加液化时加 酶量 酶量 ? 率/ % 望. . 挤压参数 . 值 在进行正式试验前,需要进行可行性试验。按表.的挤压机系统参数挤压蒸煮脱胚玉 米,得到的膨化物粉碎后进行液化糖化,测定糖化后糖化液的值。通过测定的值 可以看出。采用加酶挤压蒸煮脱胚玉米,糖化可以生产出较高值糖浆,可用于葡萄糖 浆的生产。 ..试验因素水平的确定 根据山东理工大学申德超,,.教授的研究报道以及叶向库、 肖志刚,、关正军,马成业的试验研究,结合挤压蒸煮玉米粗 淀粉生产淀粉糖的试验研究,以及徐中儒的试验设计方法,并与目前实验室挤压机 情况相结合,最终选择五个因素即挤压机套筒温度、喂入物料含 水率、挤压机螺杆转速、膨 化中加酶量、液化时加酶母作为挤压工艺参数研究对象,同时选 定五个水采用二次正交旋转 组合设计安排试验,因素水平编码表如?所示。注:?套筒温度?;? 物料含水 表.因素水平编码表 ..试验结采讨论 表.试验安排与试验数据.. 出品率过滤速度透光率% 口 比重 样品 因素分布 值 毡 垫 茎邑强茧& 垫 .垫 . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . ? . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . ,?,,,, ,,,,?. . . . . . . . . . 仃 ?????,以 . . . . . .. . . . . .船 . . . 加屹 . . . . . . . . . . 以 . . .” . . . . .. .’ . . . . . . . 塔蚯撼 之 之 . . . . . . . . . 之 之 之 . . . . . . . . . .“ . . . . . . .. . . . . . . . . . .褐 . . . . . . . . . . . . . . . . . .鹊 . . . . . . . . 侈加殂毖笛孔药拍打勰 . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .璺墨一 率%;一螺杆转速坩;枷化中加酶量;枷化时加酶量? ’ 因素水平编码表见表.。..试验安排和试验结果 采用五因素五水平二次正交旋转钎合试验设计安排试验。五因素 五水平/实施二次正 交旋转组合试验安排与结果见表.。 ..糖化液值结果与分析 .褚化小时糖化液值方程 ..?.. .一.一.. 一.一.一.工.;.石..工, 一. .; ?..一.,.:一.. 同归方程的方差分析表. 表糖化液值回归方程方差分析 .? 从表.可以看出,?,,说明同归方程拟合得好,又因.,说明方 程在.水平是显著的,即试验数据与所采用的二次数学模型基本相符。 .采用统计选优寻求最佳挤压系统参数的范围表 对所得的二次方程进行优化处理,在.软件下求解,回归方程的极值为: ,。一. ..... . 眦。. .... 经值类转换后极值为:. 民萨 ... 。。 .. 得到最大结果为.,但与实际情况不符因为由软件得到的最优值是数学意 义上的最大值,而在实际测定过程中达不到该值,因而采用频数分析方法来寻找最佳挤压系 统参数。频数选优结果中,值.%的有个,占组合方案的.%注:五因素 五水平全部试验为个,频数分析见表.。 以淀粉糖浆值为考察指标,经过频数选优得出最佳工艺参数的范 围为:套简温度为 /,膨化中加酶量.. ..?。物料含水率..%,螺杆转速~. /,液化时加酶量.?. ./。试验结果与讨论 表.搪化小时值.%综合艺措施 .%. .各试验因素对淀粉糖浆值影响的单因素图形分析图 由试验数据的回归分析可知,各因素对糖化淀粉糖浆值影响的因 子贡献率为: ..,.,.,.,其影响程度按从大到小的顺序依次为: ,’? 各单因素对值的影响见图.。图.中套筒温度曲线为.,.,., .水平时对值影响的曲线图;物料含水率曲线为.,.,., .水平时对值影响的曲线图;螺杆转速曲线为..,.,., .水平时对值影响的曲线图;膨化中加酶量曲线为.,.,., .水平时.对值影响的曲线图;液化时加酶量曲线为.,.,., .水平时对值影响的曲线图。 值随套筒温度变化规律 值随物料水分变化规律 鲁 金 鲁蔓兰 ? 一 一 套筒温度的水平值 物料含水率的水平值 ... ... 值随螺轩转生,延化规律 值随膨化中加酶量变化规律 卢八 \ /震 . 。??。?钟一一 ? 一一 ? 螺杆转速的水平值 膨化中加醇量的水平值 ... ... 腿值随液化时加酶量变化规律 一 ? 液化时加酶量的水平值 .加.. 图.各因素对糖化值的影响. 由图.可以看出,值随套筒温度的增加先增加后减小,在..水平时 值达到 最低,在.水平时最高;值随物料含水率的增加先减小后增加,在.水平时值 达到最低,在一.水平时最高;值随螺杆转速的增加先增加后减小,在.水平时最高, 在.水平时晟低:值随膨化中加酶肇的增加先减小后增加,在..水平时最高,在. 水平时最低;值随液化时加酶量的增加先减小后增加,在.水平时最高,在.水平 时最低。 ..淀粉出品率结果与分析 艚化小时淀粉出品率方程. . . .一. .工.一. ;一.工 ??.工. .%一.;一.工?...而 一. . ;一.善..工.:.. .回归方程的方差分析表 从表?可以看出,.?,,说明回归方程拟合得好,又因.?,,说明方 稃在.水平是显著的,即试验数据与所采用的二次数学模型基本相符. 表.耱化出品率回归方程方差分析 生:::?兰竺竺坐坐翌竺坐唑 塞涯 垩直翘 自由度 值 显著性 总计 . 回归 . . .,. . 剩余 误差 .. .,. 墼会 丝: &? .采用统计选优寻求最佳挤压系统参数的范围表 对所得的二次方程进行优化处理,在软件下求解,回归方程的极 值为: 矗?.?.....? .. . 产一.. .?... 经值类转换后极值为: . ‰ ... 。 .. 得到最大结果为.,但与实际情况不符因为由软件得到的最优值 是数学意 义上的最大值,而在实际测定过程中达不到该值,因而采用频数分析方法来寻找最佳挤压系 统参数。频数选优结果中,淀粉出品率.%的有个,占组合方案的.%注:五 因素五水平全部试验为个,频数分析见表。 以淀粉出品率为考察指标,经过频数选优得出最佳工艺参数的范围为:套筒温度为.? .,物料含水率.?.%,螺杆转速.一. /,膨化中加酶量.?./, /。 液化时加酶量.?. .各试验因素对淀出品率影响的单因素图形分析图 由试验数据的回归分析可知,各因素对淀粉出品率影响的因子贡献率为:., .,,,.,产.,其影响程度按从大到小的顺序依次为:酗,, 。 各单因素对淀粉出品率的影响见图。图中套筒温度曲线为.,,., .,.水平时对淀粉出品率影响的曲线图:含水率曲线为.,., .,.水平时对淀粉出品率影响