高浓度木薯粉浆糊化液化粘度的研究

陆婷婷，伍时华，易 弋，黄翠姬，童张法

（1.广西大学化学化工学院，广西南宁530004；2.广西工学院生物与化学工程系，广西柳州545006）

高浓度木薯粉浆糊化液化粘度的研究

陆婷婷1，伍时华2，易 弋2，黄翠姬2，童张法1

（1.广西大学化学化工学院，广西南宁530004；2.广西工学院生物与化学工程系，广西柳州545006）

为了更好地利用高浓度木薯醪液进行酒精发酵，应用旋转粘度计对高浓度木薯粉浆的糊化液化粘度进行研究。实验结果表明：木薯粉浆的糊化曲线符合典型的淀粉糊化曲线；其糊化液化粘度随着粉浆浓度的增加而上升；在淀粉含量相同的条件下，木薯淀粉浆比木薯粉浆起糊快且峰值粘度较高；糊化前加入液化酶可以大幅度降低峰值粘度，加入10u/g木薯粉耐高温α-淀粉酶，10%（vol）酒精度对应木薯粉浆的液化峰值粘度仅为不加酶时的3.26%，15%（vol）酒精度对应物料的液化峰值粘度仅为10%（vol）酒精度对应物料在不加酶时的6.52%。

粘度，木薯，糊化，液化，高浓度发酵

木薯是广西重要的生物能源与工业原料作物，因其淀粉含量高、不与粮食争地、在各种土壤中都能生长等特性，近年来被世界公认为具有很大发展潜力、很有前途的用于酒精生产的可再生资源。酒精发酵作为一个成熟的发酵产业在我国已有上百年历史［1］，传统酒精发酵是高粮耗、高能耗、高水耗、高污染的工业［2］。与传统的酒精发酵工艺相比，高浓度酒精发酵具有降低能耗、节约用水、降低蒸馏损失、提高酒精产量、提高单位设备利用率、缩短发酵周期等特点，是一种具有巨大应用价值的酒精发酵技术［3］。但是由于浓醪发酵需要处理300g/L以上的原料［4］，随着固形物含量的提高，醪液的粘度迅速增加，使醪液的搅拌、输送和加热冷却都变得十分困难［5-7］。降低高浓度物料粘度是实现浓醪发酵的关键一步。因此对高浓度物料的糊化、液化的研究，对浓醪发酵液进行预处理以降低粘度必将对实际生产起到积极的作用。本工作对高浓度木薯原料糊化液化粘度进行研究，旨在更好地了解木薯粉的糊化液化特性，为更好地利用高浓度木薯醪液进行酒精发酵提供可参考的依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

木薯粉、木薯淀粉 广西柳州市售；耐高温α-淀粉酶 山东隆大酶制剂厂生产，酶活力为20000u/mL。

旋转式粘度计 NDJ-7型，上海天平仪器厂；电子天平 MP200B型，上海第二天平仪器厂；恒温干燥箱 FED/EED型，德国WTBBINDER；数显式电热恒温水浴锅 上海智城分析仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 调浆配料方法 木薯粉中的淀粉经过双酶水解得到葡萄糖，葡萄糖经过酵母发酵得到酒精。本实验的调浆配料方法为根据酒精度回算所需的物料浓度。例如：按照木薯粉淀粉含量70.50%，酒精发酵效率90%计算，欲使发酵醪酒精度达到10%（vol），需要的物料浓度为218.6g/L。当木薯粉淀粉含量不同，欲获得的酒精度不同时，按照上述方法可同理算出所需的物料浓度。

1.2.2 糊化、液化曲线的测定方法 室温下将一定量的木薯粉与自来水混合，在 60℃水浴锅预热30min，搅拌均匀后，移入旋转粘度计的测试容器，利用水浴锅保温装置以平均1℃/min左右的加热速度从55℃缓慢升温到90℃，保温20min，再以相同的速度降温到33℃。记录不同温度下测定醪液的粘度，绘制糊化液化粘度曲线，粘度计的转速保持750r/min的恒速。

1.2.3 成分测定方法 淀粉含量测定采用酸水解法［8］；水分测定采用常压烘箱干燥法［8］；粗纤维测定采用酸碱醇醚处理法（国标法）［9］。

2 结果与分析

2.1 木薯粉原料的成分

对实验用的木薯淀粉、木薯粉1和木薯粉2进行主要成分的测定，其中木薯粉2较木薯粉1颗粒细致均匀，木薯渣较少，基本上可以通过40目筛，而木薯粉1过40目筛能得到较多的木薯渣。其主要成分见表1。

表1 木薯原料主要成分

从表1可以看出，木薯粉的主要成分是淀粉，含量高达70%以上，过筛以后的木薯粉除去了部分的木薯渣纤维，其淀粉含量略有提高，同时粗纤维含量有所减少。

2.2 木薯粉原料的糊化曲线

本组实验采用的是木薯粉2为原料，所用的物料浓度为10%（vol）酒精度对应的218.6g/L。按照

1.2.1 的配料方法进行调浆，按照1.2.2的方法测定其糊化曲线，其中所用的粘度计转子为“×100”。糊化曲线如图1所示。

图1 10%（vol）酒精度对应的木薯粉浆糊化曲线

从图1可以看出，木薯粉浆的糊化曲线符合典型的淀粉糊化曲线，加热糊化过程经历以下4个阶段：前稳定阶段、吸水膨胀和糊化阶段、后稳定阶段、老化阶段［4，10］。同时在糊化粘度曲线上得到衡量淀粉糊化特性的几个关键值［11］：起糊温度63℃；峰值粘度4600mPa·s；90℃时最后粘度（也叫热浆粘度或最低粘度）1750mPa·s；峰值降（也叫崩解值，即为峰值粘度与90℃时最后粘度之差）2850mPa·s；50℃粘度（也叫最终粘度或冷胶粘度）2300mPa·s；持久性（50℃粘度与90℃时最后粘度之差）550mPa·s。以上各关键值均在物料浓度为10%（vol）酒精度对应的218.6g/L木薯粉浆条件下测得，当物料浓度改变时，各关键值的参数会有所变动。

2.3 不同物料浓度木薯粉浆、木薯淀粉浆糊化粘度的变化

本组实验比较酒精度分别为10%（vol）、11%（vol）、12%（vol）对应的物料浓度在糊化过程中粘度的不同变化。采用的是过40目筛的木薯粉1和木薯淀粉为原料，按照1.2.1的配料方法进行调浆，按照

1.2.2 的方法测定其糊化曲线，所用粘度计转子为“×100”。实验结果如图2、图3所示。

图2 不同浓度过40目筛木薯粉糊化粘度曲线

图3 不同浓度木薯淀粉糊化粘度曲线

对比图2和图3可以看出，木薯粉浆和木薯淀粉浆在糊化过程中的粘度曲线均符合典型的淀粉糊化曲线，加热糊化过程中粘度均随着物料浓度的增加而上升。在同一酒精度对应物料浓度下（即在淀粉含量相同的条件下），木薯淀粉浆比木薯粉浆起糊快，糊化峰值粘度较高。在不加入液化酶的条件下，超过12%（vol）酒精度对应的木薯淀粉浆因其糊化粘度太大已无法测其糊化粘度曲线。10%（vol）、11%（vol）、12%（vol）酒精度对应的物料浓度，木薯粉糊化峰值粘度分别为木薯淀粉糊化峰值粘度的63%、70%、80%，物料浓度越高，木薯粉糊化峰值粘度越接近木薯淀粉糊化峰值粘度。同时木薯粉成分70%都是淀粉，由此可知木薯粉浆加热糊化粘度升高的主要原因是由于其中的淀粉吸水膨胀引起的。淀粉含量越高，在调浆和加热糊化过程吸水越多，物料流动性越差，表现为粘度变大。

表2 不同木薯原料对糊化粘度的影响

2.4 不同木薯原料对糊化粘度的影响

本组实验采用木薯淀粉、过筛与未过筛的木薯粉1、木薯粉1混合木薯淀粉为原料，物料浓度均为10%（vol）酒精度对应的物料浓度。按照1.2.1的配料方法进行调浆，按照1.2.2的方法测定其糊化曲线，所用粘度计转子为“×100”。实验结果见表2。

分析表2，表中前4种木薯原料颗粒从小到大依次是：木薯淀粉＜木薯粉2＜过40目筛木薯粉1＜未过筛木薯粉1。实验结果表明它们的起糊温度和峰值温度依次递增，峰值粘度依次降低。这是因为糊化温度与淀粉颗粒大小、水中盐分含量等有关，粉碎愈细，粘度增加得愈早，同样温度下醪液粘度愈高［12］。在淀粉含量相同的条件下，木薯淀粉颗粒较细则所含的颗粒较多、表面积较大，其吸水膨胀的能力较强，故其起糊较快峰值粘度较高。木薯粉颗粒较大且杂质较多，其中存在的糖类、含氮化合物、电解质等物质会降低水的渗透作用，从而使膨胀作用速度变慢［13］。原料颗粒越小越易于吸水膨胀和彻底糊化，减少发酵性糖分的损失，但是原料粉碎需要消耗一部分的能量，因此不需要片面地追求过高的粉碎粒度。到了过40目筛的粉碎粒度以后，粘度受细度的影响已经不大［14］。

木薯粉1混合木薯淀粉的峰值粘度均较低，这是因为粗细不同的粉粒混合造成分子间距不均匀所致。据报道某些美国玉米酒精发酵企业不再一味追求高粉碎粒度，而是让醪液粗中有细，细中有粗，以提高醪液的流动性。

2.5 液化酶对高浓度木薯粉浆糊化液化粘度的影响

本组实验采用的原料是木薯粉2，按照1.2.1的配料方法进行调浆，按照1.2.2的方法测定其糊化曲线，所用的粘度计转子为“×10”。实验结果如图4、图5所示。

图4 不同液化酶加入量对15%酒度对应的物料浓度的降粘作用曲线

从图4可以看出，在15%（vol）酒精度对应的物料浓度条件下，当加酶量为10u/g木薯粉时，醪液粘度下降趋势很明显。但是随着加酶量的增大，粘度下降程度变小，当加酶量为15u/g木薯粉和20u/g木薯粉时，两者粘度下降程度没有明显差异。这是因为在高浓度的底物浓度条件下，随着酶用量的加大，酶和底物接触机率增大，在同一时间内粘度下降速度变快，但是随着加酶量的增加，底物逐渐被酶饱和，因此在同一时间内酶和底物的作用速率相当，粘度的下降程度相当。从节约生产成本的角度考虑，选择加酶量为10u/g木薯粉比较合适。

图5 不同物料浓度均加10u/g木薯粉液化酶的降粘作用曲线

分析图5，当加酶量为10u/g木薯粉时，10%（vol）酒精度对应的木薯粉浆糊化峰值粘度为150mPa·s，仅为不加液化酶时的3.26%，90℃时最后粘度为不加液化酶时的0.57%。在加酶量为10u/g木薯粉不变的条件下，随着物料浓度的不断增大，虽然液化峰值粘度相应增大，但15%（vol）酒精度对应物料的液化峰值粘度仅为10%（vol）酒精度对应物料在不加酶时的6.52%，其液化粘度值仍然很低。而且，加入10u/g木薯粉液化酶，三组物料90℃时最后粘度基本一致。由此可见液化酶的加入大幅度降低了糊化液化粘度。同时从糊化液化过程的粘度曲线形状上看，加入液化酶之后没有“老化回生”的问题存在。这是因为α-淀粉酶对于糊化淀粉具有很强的催化水解作用，能够迅速水解淀粉分子内部的α-1，4葡萄糖苷键，随着淀粉糖苷键的断裂，淀粉链逐渐变短，并释放出一部分糊化过程中固定的水分子，因此可以降低醪液的粘度，流动性增强［15］。

3 结论

3.1 木薯粉浆加热糊化过程的粘度曲线符合典型的淀粉糊化曲线。实验结果表明木薯粉浆加热过程中粘度升高的主要原因是淀粉的吸水膨胀引起的；其糊化液化粘度随着粉浆浓度的增加而上升；在淀粉含量相同的条件下，木薯淀粉浆比木薯粉浆起糊快且峰值粘度较高。

3.2 在木薯粉浆糊化前加入液化酶可以大幅度降低糊化峰值粘度。加入10u/g木薯粉耐高温α-淀粉酶，10%（vol）酒精度对应木薯粉浆的液化峰值粘度仅为不加酶时的3.26%，90℃时最后粘度为不加酶时的0.57%。当物料浓度增加到15%（vol）酒精度对应的木薯粉浆，加入10u/g木薯粉耐高温α-淀粉酶，其液化峰值粘度仅为10%（vol）酒精度对应木薯粉浆不加酶时的6.52%，两组物料90℃时最后粘度基本一致。

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Study on viscosity of high-gravity cassava paste during liquification and geltinazation

LU Ting-ting1，WU Shi-hua2，YI Yi2，HUANG Cui-ji2，TONG Zhang-fa1

（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Department of Biology and Chemistry Engineering，Guangxi Technical College，Liuzhou 545006，China）

For better use of high-gravity cassava paste on ethanol production，the viscosity of high-gravity cassava paste in gelatinization and liquification process was studied by rotation viscometer.lt revealed that the viscosity curve of cassava paste was in the line with the typical curve of starch gelatinization，and the viscosity was increasing with the rising of concetration.With the same starch content，cassava starch paste gelatinized faster than the cassava paste and keeped a higher peak viscosity.The peak viscosity was effectively decreased by adding liquification enzyme before gelatinizing.When adding 10u/g cassava flour liquification enzyme，the peak viscosities of cassva paste corresponded to 10%（vol）and 15%（vol）alcohol were only 3.26%and 6.52%of the one which corresponded to 10%（vol）alcohol not adding liquification enzyme.

viscosity；cassava；gelatinazation；liquification；high-gravity-fermentation

TS231

A

1002-0306（2010）11-0132-04

2009-12-02

陆婷婷（1984-），女，硕士研究生，研究方向：化学工艺和生物化工。

广西科学研究与技术开发项目（桂科攻0782003-2）；广西柳州市科学研究与技术开发计划项目（2007021102）。