挤压碎米生产淀粉糖浆的工艺优化

杨夫光 李 飞 母应春 ，2 苏 伟 ，2，3

YANG Fu-guang1 LI Fei1 MU Ying-chun1,2 SU Wei1,2，3

（1.贵州大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学南区分析测试中心，贵州 贵阳 550025）

(1.College of Life Sciences,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025,China;2.Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store＆Processing of Guizhou Province,Guiyang,Guizhou 550025,China;3.Testing and Analysis Center in Southern Districtof Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025,China)

淀粉糖主要是应用生物酶水解技术对淀粉进行深加工得到的产物，主要种类有葡萄糖、果葡糖、麦芽糖、麦芽糊精、结晶果糖、果葡糖浆、啤酒专用糖等，在制药、饲料、味精行业和啤酒制造业等都可应用。在中国现阶段限制高倍人工甜味剂，及人民对天然食品的需求提升的情况下，淀粉糖工业发展具有广阔市场前景[1]。

玉米曾是制取淀粉糖的首选原料[2]，近年来由于价格上涨，糖浆生产企业开始寻找成本低的原料，如碎米、木薯等。中国是稻米生产大国，大米是主食之一。易翠平等[3]曾以大米为原料对麦芽糖浆的制备工艺进行研究，但在实际生产中因成本问题，使用大米较少。中国稻米产量可达1.85亿t，在稻谷碾制过程中会产生约10%的碎米[4]，碎米直接食用的价值较低，一般碎米是作为饲料原料；碎米的化学组成和整米一样，淀粉含量较高，而价格较低，利用碎米这一优势，近年来有关学者以碎米为原料进行制备高果糖浆、葡萄糖浆等淀粉糖的研究[5]。在挤压的作用下，淀粉对酶类的敏感性增加，可以提高淀粉加酶水解的效率，在淀粉糖浆及发酵工业中，具有较高的应用前景[6]。随着酶工业的兴起及酶制剂的广泛应用，将挤压工艺引入到酶法生产淀粉糖在国内外都进行了研究[7-9]，但挤压碎米生产糖浆鲜有报道，本试验以碎米为原料，将挤压技术引入到糖浆生产工艺中，研究挤压处理对后续糖化的影响，优化挤压碎米生产淀粉糖浆的工艺条件，以期为挤压碎米生产淀粉糖浆提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

碎米：无虫害、霉变等不良性状，市购；

耐高温α-淀粉酶：120 KUN/g，诺维信公司；

真菌α-淀粉酶：800 FAU/g，诺维信公司；

氯化钙、柠檬酸：分析纯，成都金山化学试剂有限公司；

3 ,5－二硝基水杨酸（DNS）：分析纯，上海蓝季科技发展有限公司；

碳酸钠：分析纯，重庆茂业化学试剂有限公司；

丙三醇：分析纯，重庆川江化学试剂厂；

氢氧化钠：分析纯，天津市永大化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

实验用双螺杆挤压机：DS-32ll型，济南赛信食品机械有限公司；

阿贝折光仪：WAY(2WAJ)型，上海申光仪器仪表有限公司；

电热恒温水浴锅：DK-98-IIA型，天津市泰斯特仪器有限公司；

pH计：PHS-06型，上海佑科仪器仪表有限公司；

电子天平：BS 124S型，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；

紫外可见分光光度计：T6新世纪型，北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 碎米理化指标测定

(1)水分含量测：按GB/T 5009.3——2003执行；

(2)蛋白质含量测定：按GB/T 5009.5——2003执行；

(3)脂肪含量测定：按GB/T 5009.6——2003执行；

(4)淀粉含量测定：按GB/T 5009.7——2003执行。

1.3.2 糖化液DE值测定 根据文献[10]，按式(1)计算DE值。

式中：

DE——糖化液DE值，%；

SR——糖化液还原糖含量，%；

TS——干物质含量，%。

还原糖采用DNS法测量，干物质含量使用阿贝折射仪测量。

1.3.3 挤压碎米糖化工艺流程

碎米挤出物→粉碎→调浆，料液比（质量比）1∶3，调pH 值 5.8～6.2，加入耐高温 α-淀粉酶（1.0 mL/kg）→升温至90℃液化→冷却至60℃，添加真菌α-淀粉酶(0.4 mL/kg)，糖化保温18～22 h→85℃下灭酶15 min→冷却→过滤→糖浆水解液

未经挤压的碎米直接粉碎，按照上述调浆、液化、糖化工艺生产淀粉糖，选取糖化液DE值为指标。

1.3.4 单因素试验

(1)水料比对挤压碎米糖化液DE值的影响：选取水料比（水与碎米粉的质量比）10∶100，15∶100，20∶100，25∶100，30∶100，35∶100，40∶100，在套筒温度 70 ℃、螺杆转速200 r/min、进料速度500 r/min下挤压碎米，挤出物经液化、糖化，测定糖化液DE值，确定水料比与糖化液DE值的关系。

(2)挤压机套筒温度对挤压碎米糖化液DE值的影响：选取 60，70，80，90，100，110，120 ℃的温度水平，在螺杆转速200 r/min、进料速度500 r/min、水料质量比为15∶100条件下挤压碎米，挤出物经液化、糖化，测定糖化液DE值，确定温度和糖化液DE值的关系。

(3)挤压机螺杆转速对挤压碎米糖化液DE值的影响：选取螺杆转速分别为 380，400，420，440，460，480，500 r/min，在套筒温度70℃、水料质量比12∶100条件下挤压碎米，挤出物经液化、糖化，测定糖化液DE值，确定转速与糖化液DE值的关系。

(4)进料速度对挤压碎米糖化液的影响：选取进料速度400，500，600，700，800，900，1 000 r/min，在水料质量比(15∶100、螺杆转速200 r/min、套筒温度70℃下挤压碎米，挤出物经液化、糖化，测定糖化液DE值，确定进料速度对糖化液DE值的影响。

1.3.5 正交试验设计 以糖化液DE值为考察指标，在单因素试验基础上设计正交试验。

1.3.6 统计分析 每个样品测定重复3次，结果以平均值±标准差表示。数据采用Spass 19.0软件处理并进行方差分析（ANOVA），用Duncan法进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 碎米理化指标分析

整米水分含量约为14%，蛋白质含量为8%～10%，脂肪含量约为2%，淀粉含量为70%～80%[11]，由表1可知，与碎米的营养成分含量差异不大。

表1 碎米基本营养成分Table1 Contentofnutrition facts in broken rice /%

2.2 挤压与非挤压碎米制糖比较的预试验

在探索试验的基础上进行预试验，在水料质量比20∶100、挤压机套筒温度70℃、螺杆转速200 r/min、进料速度500 r/min条件下挤压碎米粉，按照上述工艺生产淀粉糖浆，比较挤压与非挤压碎米制糖效果。

由表2可知，挤压处理组液化液和糖化液的还原糖含量比对照组显著增加，且糖化液的DE值也高于对照组（P＜0.05）。因此利用挤压处理碎米生产淀粉糖具有可行性。

2.3 挤压碎米生产淀粉糖浆单因素试验

2.3.1 水料比质量对糖化液DE值的影响 由图1可知，水料质量比从10∶100升到15∶100时，DE值随着水料质量比的增加而上升，15∶100时，DE值达到最高（71.64），除10∶100的DE值外，15∶100时的DE值与其余各组相比较，呈现显著性差异；水料质量比从15∶100到25∶100，DE值呈下降趋势，25∶100时，DE值最小；25∶100之后，随着水料质量比的升高，各组DE值无显著性差异。淀粉的糊化从本质上讲是氢键的断裂，挤压过程中的高温、高压及高剪切力的环境，很容易使淀粉糊化。物料水分含量越低，剪切力越大，淀粉糊化程度较高；当水分增加，物料在腔体内部的流动性好，滞留时间短，使得物料受到螺杆剪切力作用时间短，不利于淀粉颗粒结构微孔化。本试验的结果表明，在水料质量比15∶100时DE值最高，说明淀粉颗粒充分吸水，淀粉糊化度最高。这与肖志刚等研究的挤压玉米淀粉生产淀粉糖浆时的糖化液DE值随物料含水率呈先增加后减小的研究结果[12]相吻合。

表2 挤压处理对还原糖含量及糖化液DE值的影响Table2 Effectsofextruding on reducing sugar contents and the valueofDE

图1 物料含水率对糖化液DE值的影响Figure1 Effectsof the ratio ofwater to raw materialon DE ofsyrup solution

2.3.2 套筒温度对糖化液DE值的影响 由图2可知，随挤压温度的上升，DE值变化显著。在60～80℃时，DE值随着温度升高而增加，在80℃时，糖化液DE值达到最高值（73.5）；而在80～90℃，DE值出现下降，从90℃开始，DE值小幅上升，随着温度增加，DE值又呈下降趋势；在120℃时，DE值低于50；除60℃和100℃时的结果外，其余各组DE值呈现显著差异性。挤压温度低时，随着温度升高，淀粉结构不稳定，加速了淀粉分子的裂解；当挤压温度过高时，DE值下降。试验结果表明，DE值最高为73.5，高于最优含水率条件的糖化液DE值，这可能是因为温度对淀粉糊化的影响程度要大于物料含水率，这与Chouvel等研究结果[13]吻合，温度对淀粉糊化有重要影响。也有研究表明，随着套筒温度升高，淀粉水解率上升[14]；在低温下（30～70℃）时，淀粉糖浆DE值会随着温度升高而升高[15]；肖志刚[12]研究也发现玉米淀粉糖浆DE值随套筒温度的增加先减小后增加。

2.3.3 螺杆转速对糖化液DE值的影响 由图3可知，转速从380 r/min上升到480 r/min时，DE值经历了一个缓慢上升的过程，在480 r/min时，获得最大DE值，相比380，420，460 r/min条件下获得的结果呈现显著性差异，高于460，480 r/min时的结果，但不呈现显著性差异。随后随着螺杆转速的增大，DE值呈下降的趋势。当螺杆转速低时，物料在挤压机内承受的剪切力作用小，随着螺杆转速的增加，物料所受剪切力增大，部分直链淀粉变成小分子，支链淀粉的部分侧链小分子游离出来，淀粉分子间的氢键作用被削弱，分子骨架的自由空间加大，使得物料中的水分更容易渗入，产生疏松组织，利于酶解；当螺杆转速继续增大，物料在机筒中停留时间减少，物料来不及吸收足够的热量，糊化度减少。

图2 挤压机套筒温度对糖化液DE值影响Figure2 Effectsofsleeve temperatureon DEofsyrup solution

图3 挤压机螺杆转速对糖化液DE值影响Figure3 Effectsofscrew speed on DE ofsyrup solution

2.3.4 进料速度对糖化液DE值的影响 由图4可知，进料速度在400～500 r/min时，进料速度增大，DE值呈上升趋势；在500 r/min时，DE值达到最大，且与其它各组相比，具有显著的差异性；在500～600 r/min时，DE值呈下降趋势；在600～1 000 r/min时，随进料速度的增加，DE值变化不明显。造成进料速度与DE值变化的原因可能是进料速度会影响物料在挤压机套筒中的停留时间，使得淀粉物料受到的剪切力作用时间不一致，进而影响淀粉的糊化降解程度。进料速度越大，物料在挤压机套筒中停留时间越短，受到挤压剪切作用也越小，淀粉糊化程度低；当进料速度越小，物料在挤压机套筒中停留时间就越长，受到剪切力的作用时间就越长，淀粉糊化程度高，最终糖化液DE也较高。

2.4 正交试验确定最优工艺条件

在单因素试验基础上，选择温度、水料比、螺杆转速、进料速度作为因素，各因素水平如下，考虑到生产效率等实际问题，选择了较大的进料速度。采用L正交表进行试验。试验设计及结果见表3、4。

图4 进料速度对糖化液DE值影响Figure4 Effectsof feedrate on DEofsyrup solution

由表4可知，各因素对糖化液DE值影响主次顺序为A>C>B>D，即：温度＞转速＞水料比＞进料速度；各因素间最优组合为A1B2C2D2，即挤压最佳工艺为温度60℃、水料比12%、转速440 r/min、进料速度840 r/min，糖化液DE值为85.44。

表3 正交试验因素水平表Table3 Factorsand levelsof theorthogonalexperiment

由表5可知，各因素中挤压温度对糖化液DE值影响极显著（P＜0.01），螺杆转速对 DE 值影响显著（P＜0.05）,说明挤压温度对制糖工艺影响最大，与极差分析结果相符。R-S q=94.00%，说明正交设计对试验结果拟合很好，试验结果有效。

2.5 验证实验

采用优化的挤压条件进行验证实验，条件设为挤压温度60℃、水料比12%、转速440 r/min、进料速度840 r/min，经3次平行实验测得糖化液DE值为85.32，与正交设计试验值相比，相对偏差为0.02，说明正交设计优化出的条件较为准确。

表4 正交试验设计方案与结果Table4 Experimentaldesign and resultof theorthogonalexperiment

表5 正交试验方差分析Table5 The varianceanalysisof theorthogonalexperiment

2.6 挤压碎米与非挤压碎米粉液化、糖化效果对比研究

2.6.1 挤压碎米与非挤压碎米液化效果的对比 α-淀粉酶是一类内切酶，它从淀粉分子内部任意切开α-1，4葡萄糖苷键，从而使庞大的葡萄糖分子链迅速断开、变小、变短。液化后，溶液中除了含有葡萄糖外，大部分是低分子糊精和低聚糖，这一过程是动态的。由图5可知，在20～40min内，挤压组与非挤压组液化液还原糖含量显著增加，挤压组还原糖含量高于非挤压组；在液化时间相同的情况下，挤压粉液化液中还原糖含量始终比非挤压液化液中还原糖含量更高，表明挤压工艺可以提高液化效果，这也与前人的研究结果[16]相符。

2.6.2 挤压与非挤压碎米糖化效果对比 真菌α-淀粉酶能随机水解淀粉、糖原及其降解物内部的α-1.4葡萄糖苷键，任意切断成长短不一的短链糊精和支链淀粉，均以无规则形式进行分解，可以通过调整糖化酶用量和糖化反应时间来控制糖化进度，并由此生产出各种不同用途、不同DE值的淀粉糖浆，一般在12～15 h完成糖化，由图6可知，糖化初始阶段挤压组DE值上升比非挤压组上升更快，二者在12～15 h都迅速完成糖化过程，而挤压组DE值比非挤压组更高，且增加值呈显著性，表明挤压工艺可以提高糖化效果。

3 结论

图5 挤压与非挤压碎米液化效果对比Figure 5 Comparison of liquefaction effectsbetween syrup solution produced by broken riceand extruded broken rice

图6 挤压与非挤压碎米糖化效果对比Figure6 Comparison ofsaccharification between syrup solution produced by broken riceand extruded broken rice

(1)本试验以碎米为原料，探究挤压处理对糖化效果的影响。结果表明，将挤压技术引入到碎米生产淀粉糖浆工艺中，可以提高液化及糖化效果。挤压系统参数对DE值影响的主次顺序为温度＞转速＞水料比＞进料速度，其中温度为显著影响因子；最佳挤压参数为挤压温度60℃、水料比12%、转速440 r/min、进料速度840 r/min。

(2)挤压系统参数，如温度、物料含水率、螺杆转速等均对最终糖浆DE值有影响，本试验的研究结论得出显著影响因子是温度，这与Tomas等的研究结果[17]相近，他们发现当温度从70℃升到100℃时，DE值几乎是线性增加，在试验范围内的研究表明引入挤压技术获得的淀粉糖DE值更高；而肖志刚等[12,18]的研究结果表明，物料含水率是最显著的影响因子，这可能与挤压机性能及挤压过程中是否加酶有关。

(3)本试验以碎米为原料，将挤压技术引入淀粉糖浆工艺中，拓展了挤压技术的应用探索，对淀粉深加工有一定借鉴意义。由于在挤压处理之后，提高了淀粉对酶类的敏感性，增强了酶解的效果，对于糖化系统参数如液化时间、糖化时间等会产生影响，可以进一步研究挤压预处理对糖化系统参数改变的影响，如是否能够缩短糖化液化时间、减少酶的使用量等。

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