添加淀粉酶脱胚玉米的挤压停留时间分布和淀粉转化率研究

范玉艳 段方方 佟 童 田 震 杜 鑫 马成业

(山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255000)

添加淀粉酶脱胚玉米的挤压停留时间分布和淀粉转化率研究

范玉艳 段方方 佟 童 田 震 杜 鑫 马成业

(山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255000)

应用四因素五水平正交旋转组合试验设计，研究单螺杆挤压机操作参数(脱胚玉米中耐高温淀粉酶添加量、螺杆转速、脱胚玉米含水量和挤压机末端套筒温度)对停留时间分布跨度和挤出物制取糖浆的淀粉转化率的影响。试验中以赤藓红为示踪剂，使用分光测色仪测试脱胚玉米加酶挤出物的a值，通过a值的变化得出物料的挤压停留时间分布，停留时间分布跨度在1.07～1.73。采用岭回归寻优分析，得到停留时间分布范围131.59～145.45 s的挤压系统参数：耐高温淀粉酶添加量0.71～0.75 L/t、原料含水量24.7%～25.5%、挤压机末端套筒温度97.8～101.2 ℃、挤压机螺杆转速102.3～107.2 r/min。对挤压停留时间分布跨度和淀粉转化率进行回归分析，回归模型均达到高度显著性水平，该二次模型能够拟合真实的试验结果；典型相关性分析表明，二者之间有低度正相关，相关系数为0.396 3。

挤压 停留时间分布 脱胚玉米 淀粉酶 色差

酶联合挤压活化技术是淀粉生物和机械降解、加快淀粉酶的水解速度和提高淀粉利用率的一种重要、有效的方法和手段[1-2]。挤压过程中淀粉受到水分、热、机械剪切等的联合作用，维持颗粒结构的部分氢键断裂、结晶结构解体，膨胀的淀粉粒破裂[3-4]。挤压过程使得淀粉结晶结构消失，分子量降低，使淀粉颗粒和半结晶体系转变成高黏和塑性态[5]，挤压过程还可增加淀粉酶与颗粒形态消失的淀粉的作用面积，加快酶的水解速度。停留时间分布(Residence Time Distribution，RTD)是描述物料在挤压机内经历的时间范围[7-8]。停留时间分布直接影响淀粉在挤压过程中糊化、降解、淀粉脂复合物的形成等化学乃至生化反应，并决定生化反应程度的大小和最终挤压产品的特性[6]。由于物料在挤压机内流动不是均匀的，使得同时进入的物料在挤压机内的停留时间不等，一部分物料被挤出，另一部分后被挤出，也就是物料在挤压机内的停留时间分布是决定反应进行程度的重要因素，要实现对产品品质的有效预测及控制，就必须知道反应时间，也就是物料在挤压机内的停留时间[9]。众多学者研究谷物原料在单、双螺杆挤压机的停留时间分布[9-12]，但是脱胚玉米谷物在酶联合挤压中的停留时间分布研究较少。

本试验采用赤藓红示踪法，从挤压机中染色剂浓度的变化计算出脱胚玉米的挤压停留时间。挤压机操作参数和物料性质对停留时间分布的影响较大[10]，因此，通过分析物料在挤压机内的停留时间，研究螺杆挤压机操作参数对停留时间分布跨度和挤出物制取糖浆的淀粉转化率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料和设备

脱胚玉米(含水量12.6%，淀粉质量分数75.36%，蛋白质质量分数8.05%，脂肪质量分数1.04%)：市售；耐高温α-淀粉酶(活力80 000 μ/mL)：博立生物工程有限公司；赤藓红B钠盐：上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器和设备

单螺杆挤压试验台为山东理工大学自制，生产效率为100 kg/h，由组合套筒和螺杆组成，套筒内径79 mm，套筒长度1 280 mm，螺杆直径77 mm，螺杆尖端直径60 mm，有效螺杆长度1 263 mm，螺纹深度11 mm，螺杆转速为0～1 200 r/min无级可调。套筒温度为0～300 ℃连续可调，配有温度数显仪表闭环自控系统，挤压机模孔孔径(6.0～16.0 mm)有级可调。CM-3600a分光测色仪：柯尼卡美能达。

1.3 脱胚玉米挤压与收集

准备2.0 kg原脱胚玉米，调整含水量为30.0%，按照表1和表2添加适量的耐高温α-淀粉酶，混匀，备用；启动挤压机，并喂入添加酶制剂的脱胚玉米，当挤压机操作状态达到稳定时，将0.5 g(0.025%，占原料比例)赤藓红瞬间投入挤压机进料口，并启动秒表开始记录时间，同时进行5 s为一收集区间。

表1 因素水平编码表

表2 挤压试验设计

注：A第一道阻流环前二节螺纹；B第一道阻流环上；C第一道阻流环后一节螺纹到第二道阻流环前一节螺纹之间；D第二道阻流环上；E1回流槽内；E2回流槽外；F螺杆端部与模板之间间隙。图1 单螺杆挤压机螺杆结构

将取得的样品晾干，粉碎，过筛(60目)，使用分光测色仪测量各个样品的a值(a值表示从洋红色至绿色的范围)，再经由标准曲线的校正及转换可获得各点的染料的真实浓度值。根据不同时间段t挤出的染色剂的浓度C(t)分别计算停留时间分布函数E(t)及累计停留时间分布函数F(t)的值[13]，绘出E曲线图与F曲线图。

(1)

(2)

物料在挤压机内受到挤压操作参数(螺杆转速、套筒温度、模孔直径)、结构参数(螺纹形式、阻流环分布)、原料参数(颗粒度、含水量、淀粉酶添加量)等影响，停留时间分布变化较大。根据停留时间分布函数E(t)及累计停留时间分布函数，计算t10、t50、t90，引入停留时间分跨度描述物料在挤压机内停留时间分布情况，数值大的停留时间分布跨度宽，数值小的停留时间分布跨度窄。则停留时间分跨度计算公式见式(3)。

(3)

式中：t10为F(t)纵坐标累计分布10%所对应的横坐标RTD值；t50为F(t)纵坐标累计分布50%所对应的横坐标RTD值；t90为F(t)纵坐标累计分布90%所对应的横坐标RTD值。

1.4 低温挤压机试验因素水平编码表和试验安排

以脱胚玉米为原料，以挤压时耐高温α-淀粉酶添加酶量、挤压机螺杆转速、原料水分质量分数和挤压机末端套筒温度为试验因子，以停留时间分布为考察指标。采用四因素五水平二次正交旋转组合设计试验，试验因素水平编码表如表1所示。

1.5 淀粉转化率测试

脱胚玉米酶联合挤出物制曲糖浆工艺流程为：脱胚玉米→粉碎→添加酶制剂→挤压膨化→挤出物→液化→糖化→灭酶→过滤→指标测定。

淀粉转化率的测定参考《淀粉糖品生产与应用手册》中的方法[14]：

(4)

1.6 数据分析

结果使用SAS 9.1处理试验数据，并使用Origin 8.0绘制图形。

2 结果与讨论

2.1 挤压停留时间范围结果分析

绘制出挤出停留时间分布与a值、每个时间点挤出的染色剂所占百分比及其累积百分比的曲线E(t)、F(t)，图2为代表性样品。根据所绘制的累积百分比曲线，确定10%、50%和90%的赤藓红染色剂被挤出的时间。

图2 停留时间分布函数E(t)及累计停留时间分布F(t)函数曲线

2.2 挤压停留时间分布跨度回归方程建立和检验

根据试验结果，建立停留时间分布跨度的回归模型，并对模型方差分析，结果表明，响应面回归模型达到高度显著性水平(P=0.045 5)(见表3)。回归方程模型失拟P=0.503 3>0.05，不显著，说明该二次模型能够拟合真实的试验结果。淀粉转化率回归模型达到极显著水平(P=0.000 1)，回归方程模型失拟P=0.472 2>0.05，不显著，说明该二次模型能够拟合真实的试验结果。

挤压停留时间分跨度(Y1)和淀粉转化率(Y2)的回归方程为：

Y1=1.476 3-0.034 0x1-0.080 1x2-0.000 4x3+0.087 8x4-0.028 3x1x1-0.047 1x2x1-0.028 9x2x2+0.007 8x3x1-0.037 4x3x2-0.020 0x3x3+0.258 8x4x1-0.015 3x4x2-0.020 4x4x3-0.013 5x4x4

(5)

Y2=8.475 8-2.528 8x1+1.223 8x2+4.682 1x3-14.404 9x4-10.698 6x1x1-2.610 6x2x1-11.554 9x2x2-9.659 4x3x1+2.123 1x3x2-6.806 1x3x3-10.778 1x4x1-1.173 1x4x2-3.591 9x4x3-6.0249x4x4

(6)

表3 停留时间分跨度和淀粉转化率回归模型分析和失拟分析

2.3 挤压参数对考察指标影响的响应面图

根据试验安排和试验结果，考虑每2个因素之间的交互影响对挤压停留时间的影响，使用SAS软件建立挤压停留时间的响应面。

物料在机筒内的停留时间及其分布被认为是挤压加工过程中的重要参数，决定了生化反应程度的大小和最终挤压产品的质量[10]。在实际的挤压过程中，机筒内的温度通常是不等温的,温度的变化影响着物料的黏度以及机筒内的压力梯度[15]。本试验中，预混合耐高温淀粉酶的脱胚玉米在挤压过程中的停留时间分布跨度随着温度的升高先升高后降低，在挤压机末端套筒温度为70 ℃时的停留时间跨度最大。停留时间跨度随着耐高温淀粉酶添加量的增加而降低，当酶添加量为0.7 L/t时的停留时间分布跨度最大。当物料中的耐高温α-淀粉酶添加量少时，物料在挤压机中的停留时间短(如图3所示)。这是因为物料本身含有一定的水分，流动性较强，物料加酶量在一定范围内，加酶量越高，物料中的淀粉在耐高温α-淀粉酶的作用下发生液化，物料的流动性随之降低，停留时间分布跨度降低。停留时间分布跨度随着螺杆转速和原料水分质量分数的增加而降低。物料原料水分质量分数越高，原料由于水的润滑作用，物料之间、物料和套筒与螺杆之间的黏度低[16]，流动性越强，在挤压机中的停留时间越短(图3)。

挤出物制取糖浆的淀粉转化率随着原料水分质量分数和耐高温淀粉酶添加量的升高呈现出先升高后降低的趋势；螺杆转速增大，淀粉转化率升高；当末端套筒温度升高时，淀粉转化率先升高后降低。

图3 挤压参数对停留时间分布的影响

由图4可知，加酶量增加时，物料的淀粉转化率随之增大，但增加到一定程度时，淀粉的转化率反而降低；当温度升高时，物料的淀粉转化率随之增加，温度升高有利于淀粉分子间的氢键断裂，淀粉易被降解、糊化，有利于淀粉转化，但温度过高不利于酶的作用，导致淀粉转化率降低。淀粉的转化率与螺杆转速呈正相关，挤压机螺杆转速增加，使淀粉在挤压机中所受的剪切力变大，淀粉的晶型结构遭到破坏更易被酶水解转化成淀粉糖；当挤压机螺杆转速低时，物料的淀粉转化率主要受加酶量的影响。

图4 酶联合挤压参数对转化率的影响

2.4 停留时间分布和淀粉转化率的相关性分析

典型相关性分析用来考察2个变量相互变化的关联关系，变量之间没有因果关系[17]。使用SAS软件的CANCORR程序分析停留时间分布和淀粉转化率之间的相关性，典型相关系数为0.396 3(P=0.049 7)，表明2个变量之间存在低度正相关关系，即随着停留时间分布跨度变宽，淀粉转化率有增加的趋势。

采用岭回归分析，当耐高温淀粉酶添加量为0.71～0.75 L/t，原料含水量为24.7%～25.5%，挤压机末端套筒温度为97.8～101.2 ℃，挤压机螺杆转速为102.3～107.2 r/min时物料在挤压中的停留时间较长，为131.59～ 145.45 s。

3 结论

以赤藓红为示踪剂，研究单螺杆挤压机操作参数对停留时间分布跨度和挤出物制取糖浆的淀粉转化率的影响。停留时间分布跨度在1.07～1.73；当耐高温淀粉酶添加量为0.71～0.75 L/t，原料含水量为24.7%～25.5%，挤压机末端套筒温度为97.8～101.2 ℃，挤压机螺杆转速为102.3～107.2 r/min时物料在挤压中的停留时间较长，为131.59～145.45 s。对挤压停留时间分布跨度和淀粉转化率进行回归分析，回归模型均达到高度显著性水平，该二次模型能够拟合真实的试验结果；典型相关性分析表明，二者之间有低度正相关，相关系数为0.396 3。

致谢：感谢山东省高等学校优势学科人才团队培育计划和金诚谦老师对本项目的支持。

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Residence Time Distribution and Conversion Ratio of Degermed Corn with Thermostable α-amylase in a Single Screw Extruder

Fan Yuyan Duan Fangfang Tong Tong Tian Zhen Du Xin Ma Chengye

(College of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255000)

In this paper,degermed corn was enzymatic extruded by the method of the quadratic orthogonal rotating combination design of four factors and five levels,and the influence of enzymatic extrusion system parameters(additive amount of thermostable amylase in degermed corn,screw speed,moisture content of degermed corn and temperature of end sleeve of extruder)on residence time distribution(RTD)and conversion rate(CR)of starch to syrup was studied.The test used erythrosine as tracer agent,and value a of enzymatic extrudate was measured by spectrophotometer.The RTD distribution obtained from the value changes of a,showed that the RTD is at 1.07～1.73.The optimized extrusion parameters for RTD between 131.59 s and 145.45 s by ridge analysis were drawn as follows:the thermostable amylase content of feed was 0.71～0.75 L/t,the barrel temperature 97.8～101.2 ℃,the moisture content of feed 24.7%～25.5%,the screw rotating speed 102.3～107.2 r/min.The regression analysis on RTD and CR showed that the regression models reach a significance level,and such secondary model can simulate the real test results.Typical relative analysis indicated that RTD and CR were positively correlated at a low level of 0.396 3.

enzymatic extrusion,residence time distribution,degermed corn,thermostable α-amylase,chromatic aberration

TS201

A

1003-0174(2017)11-0059-06

国家自然科学基金(31471676)，山东理工大学青年教师发展支持计划(4072-112010)，山东理工大学大学生创新计划(2016032)

2016-10-25

范玉艳，女，1994年出生，硕士，食品科学与工程

马成业，男，1978年出生，副教授，农产品贮藏与加工