玉米淀粉中蛋白和细纤维对液化过滤的影响

马守国,王志平,田卫东

(中粮生化能源(龙江)有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161100)

玉米淀粉用途广泛,主要应用在食品、化工和医药等行业[1-3]。淀粉糖是玉米淀粉最主要的消费去向[4],2018年约占玉米淀粉消费总量的56%;其次是造纸和食品加工,占比分别为13%和8%。目前，淀粉糖生产大多采用双酶法工艺[5],在高温(110±5) ℃及耐高温α-淀粉酶的作用下淀粉液化,将DE值控制在15%～20%,液化液冷却至55～60 ℃后,调节pH为4～5左右,加人适量糖化酶进行糖化,最后经过板框或者转鼓过滤制得糖液。在过滤工序中,有时会出现糖液过滤困难的现象,影响生产负荷,降低效率。以干物质为基准,玉米中一般粗蛋白质量分数为9.23%～9.85%,粗脂肪质量分数为4.05%～4.72%,粗纤维质量分数为1.79%～1.98%,粗灰分质量分数为1.29%～1.46%,粗淀粉质量分数为72%～76.8%[6]。目前玉米淀粉的生产广泛采用湿磨工艺[7],主要流程:1) 原料玉米净化除杂后,用质量分数为0.13%～0.2%的亚硫酸液体浸泡30～40 h,使玉米中水的质量分数达到40%～45%[8];2) 经过凸齿磨破碎后再用旋流分离器分离出胚芽;3) 剩余组分后经过针磨进一步破碎,再通过压力曲筛分离和纤维7级逆向洗涤,筛上部分进入挤压机脱水、管束干燥,添加玉米浸泡浓缩液后制成纤维饲料,筛下部分送入离心机;4) 离心机的顶流分离出蛋白,再经过浓缩、干燥等环节制成蛋白粉饲料,离心机的底流分离出淀粉,再经过12级逆向洗涤、刮刀离心脱水和闪蒸干燥环节制成商品淀粉。在淀粉生产过行程中,玉米皮经过凸齿磨和针磨的研磨破碎,再经过纤维压力曲筛进行洗涤分离,筛上大颗粒部分进入挤压机脱水,成为纤维饲料,进入下步工序。在纤维洗涤分离筛的筛下会产生部分小颗粒的玉米皮,称为细纤维,进入淀粉乳系统。依据GB 8885—2008《食用玉米淀粉》标准,淀粉中蛋白质量分数≤0.45%,脂肪质量分数≤0.1%,灰分质量分数≤0.1%。在玉米淀粉的分离提纯过程中,受工艺、设备、操作等的影响,不同厂家淀粉的质量存在差异,影响了下游淀粉糖企业的加工成本控制,体现在生产中比较明显的就是淀粉液化后的过滤速度,它决定了生产负荷控制和物料收率[9]。淀粉中的脂肪在液化过程中呈液态形式存在于物料中,不会对液化过滤产生影响。灰分检测原理是把一定质量的淀粉充分燃烧后计算剩余物质的质量与总淀粉质量的比值[10]。淀粉中的有机物通过燃烧完全分解,剩余的物质主要是P,K和Mg等无机盐或者无机酸,这部分物质在淀粉液化工程中可以溶解于物料中,不会对液化过滤环节产生影响。因此笔者从蛋白和细纤维两个方面进行分析,借助实验室液化实验结果得出结论,希望能够对企业生产控制提供一些借鉴。

1 液化过滤实验方法

1.1 实验仪器准备

pH计、电导率仪、恒温水浴、磁力搅拌器、实验用天平、秒表、250 mL烧杯、50 mL烧杯、1 mL移液管、50 mL量筒、7.5 cm漏斗、100 mL容量瓶、1 000 mL容量瓶、中速定性滤纸(150 mm)、吸球、玻璃棒、胶头滴管。

1.2 化学药品准备

1.2.1 酶制剂配制

100 mL容量瓶一个,啤酒用高温酶制剂诺维信液化酶适量,用1 mL移液管吸取1.33 mL酶制剂,加蒸馏水稀释至100 mL,待用。

1.2.2 Na+盐配制

取100 mL容量瓶一个,称取5 g氯化钠于烧杯中加蒸馏水溶解,然后转移到100 mL容量瓶中,清洗烧杯3次,洗液转入容量瓶,最后定容至100 mL,得到m(氯化钠)∶V(水)=1 g∶20 mL的Na+盐溶液。

1.2.3 盐酸溶液配制

1 000 mL容量瓶一个,容量瓶中先加入500 mL蒸馏水,再加入70 mL质量分数为36%的浓盐酸,稀释定容至1 000 mL,得到V(盐酸)∶V(水)=7∶93的盐酸溶液。

1.2.4 氢氧化钠溶液配制

100 mL容量瓶一个,称取3 g氢氧化钠于烧杯中加蒸馏水溶解,然后转移到100 mL容量瓶中,清洗烧杯3次,洗液转入容量瓶,然后定容至100 mL,得到m(氢氧化钠)∶V(水)=3 g∶100 mL氢氧化钠溶液。

1.3 样品制备

取250 mL烧杯一个，用天平称取46.5 g淀粉样品,加入186 mL蒸馏水或自来水溶解淀粉,检测pH和电导率,用已配制的盐酸或氢氧化钠溶液调整pH至6.5,用滴管取Na+盐溶液滴定,检测电导率≥(500+50) μs/cm,然后加入用蒸馏水稀释后的酶制剂1 mL,搅拌均匀。

1.4 操作方法

恒温水浴加热至95 ℃,将准备好的样品放入水浴内,每个烧杯中放入一根玻璃棒,用玻璃棒不停地搅拌,直至料液糊化至可以流动,加上扣盖并用毛巾覆盖在水浴上面,温度控制在100 ℃,保温糊化。从放入水浴内开始计算时间,累计1 h,在此期间每间隔10～20 min打开烧杯盖搅拌10～15 s。

1.5 过滤实验

取50 mL量筒一个、7.5 cm漏斗一个和中性滤纸一张,将糊化后的液体倒入漏斗中,计算4 min内过滤液体量，作为衡量依据,4 min过滤时间是一个经验数据,因为实验用的液化液从过滤开始到4 min结束,过滤已经变得非常缓慢,几乎处于停滞状态,大部分实验都以4 min作为节点,用来统一判断过滤状况,通过滤液的数量来判断过滤状态,即4 min时间内过滤的滤液体积。

2 细纤维检测方法

2.1 试验仪器准备

天平,感量0.000 1 g以及0.1 g各一台;标准检验筛,金属丝编织筛网,目数为325目;干燥器,内有有效充足的干燥剂和一个厚的多孔板;电热恒温箱,可控制温度在130 ℃;定量滤纸,直径为15.0 cm;吸滤瓶;布氏漏斗;实验室用真空泵;250 mL烧杯;500 mL洗瓶。

2.2 分析步骤

2.2.1 烘滤纸恒重

将做好标记的滤纸,叠成四方形或扇形,放入130 ℃烘箱内烘30 min以上,取出滤纸,快速放入干燥器内冷却至室温,取出称重,精确至0.000 1 g,备用。

2.2.2 样品测定

步骤1称取充分混匀的样品200 g,精确至0.1 g。将样品均匀地倒入检验筛中,用自来水小心冲洗筛中样品,直至筛分不下为止。

步骤2将检验筛放于250 mL烧杯上方,用洗瓶斜向下冲洗筛面,直至筛上物全部被水转移至250 mL烧杯中。

步骤3用已恒重的滤纸垫于布氏漏斗中,打开抽滤机,将烧杯中的水缓慢倒入漏斗中进行抽滤,期间用洗瓶冲洗烧杯2次,洗水也倒入漏斗中,待抽干水分后,将滤纸包好并置于130 ℃烘箱内烘2 h,取出滤纸,快速放入干燥器内冷却至室温,取出称重,精确至0.000 1 g。

2.2.3 结果计算

淀粉中细纤维质量分数X可表示为

(1)

式中:M为样品的质量;M1为干燥后滤纸的质量;M2为干燥后样品和滤纸的总质量;W为样品的水分质量分数。

3 结果与分析

3.1 蛋白对液化过滤的影响

市场上玉米淀粉中的蛋白质量分数约为0.25%～0.41%,中粮生化龙江有限公司生产的淀粉中的蛋白质量分数为0.28%～0.31%,玉米蛋白粉的蛋白质量分数为58%～61%。笔者首先从中粮公司品控部样品室取不同生产日期、蛋白质量分数为0.3%的淀粉样品11份,每份50 g,各样品对应的水分质量分数分别为13.3%,13.1%,13.6%,13.4%,13.2%,13.4%,13.2%,13.4%,13.5%,13.3%,13.2%;再取蛋白质量分数为59.6%,水分质量分数为10.1%的玉米蛋白粉样品1份,其中玉米蛋白粉样品可以随机抽取,计算添加量的时候要根据蛋白和水分指标更改计算数据。实验设定所需淀粉样品中的蛋白质量分数分别为0.31%,0.32%,0.32%,0.33%,0.34%,0.35%,0.35%,0.37%,0.39%,0.40%,0.41%,呈梯度递增趋势。为满足上述要求,需要向淀粉样品中添加玉米蛋白粉(精确到0.000 1 g),添加量计算公式为

(2)

式中:A为淀粉样品调配前蛋白质量分数;B为调配前淀粉样品的水分质量分数;C为调配后淀粉样品的设定蛋白质量分数;D为需要添加的玉米蛋白粉质量。

对应实验设定所需的淀粉样品蛋白质量分数,依据式(1)计算出需要添加的蛋白粉质量分别为0.007 3,0.014 6,0.014 6,0.021 9,0.029 3,0.036 5,0.036 6,0.051 1,0.065 7,0.073 2,0.080 6 g。配置好淀粉样品后,按照1.3～1.5节所述淀粉液化过滤的实验方法进行操作,得出的液化过滤量分别对应为14,16,17,17,12,18,13.5,16,13,14,15 mL,根据实验数据,绘制液化滤液量和蛋白质量分数交会图,如图1所示。液化过滤量与蛋白质量分数对应点分布比较散乱,随着蛋白质量分数逐渐增大,液化过滤量并没有按比例下降,而是呈现出无规律现象。

图1 液化过滤量与蛋白质量分数对应图

液化过滤量与蛋白质量分数的相关系数R1计算公式为

R=

-0.26

(3)

式中:X为调配后实验样品的蛋白质量分数;Y为实验样品的液化滤液量。

由R1为-0.26可知液化过滤量与蛋白质量分数的相关性不明显,说明蛋白对过滤的影响不占据绝对优势,样品里还有其他因素在影响液化过滤方面起主导作用。

3.2 细纤维质量分数对液化过滤的影响

冬季一般使用潮玉米进行湿磨淀粉生产,夏季使用干玉米生产,由于干玉米经过烘干处理后部分物理特性会发生变化,因此使用潮玉米生产出来的淀粉品质要优于干玉米。分别取中粮龙江公司2018年7月份由干玉米加工的淀粉和10月、12月份由潮玉米加工的淀粉样品各11份,其中10月和12月份在生产过程中把纤维洗涤曲筛的型号做了更改,由75 μm降为50 μm。按照1.3～1.5节所述方法进行液化过滤实验,按照2.2.2,2.2.3节所述方法进行细纤维检测,实验结果如表1所示。7月份淀粉中细纤维质量分数平均值为0.026%,淀粉液化实验滤液量平均值为12.2 mL;10月份淀粉中细纤维质量分数平均为0.185%,淀粉液化实验滤液量平均为14.5 mL,液化滤液量随着细纤维质量分数的下降而升高;12月份淀粉中细纤维质量分数平均为0.013%,淀粉液化实验滤液量平均为17 mL,液化滤液量同样随着细纤维质量分数的下降而升高。

表1 细纤维质量分数E与液化过滤量F数据表

细纤维和滤液量的相关系数R2计算公式为

(4)

式中:E为细纤维质量分数;F为实验样品的液化滤液量。

把7月份细纤维和滤液量数据带入式(4),计算得

R2=

-0.70

把10月份细纤维和滤液量数据带入式(4),计算得

R2=

-0.79

把12月份细纤维和滤液量数据带入式(4),计算得

R2=

-0.76

7,10,12月所生产淀粉中,细纤维和滤液量的相关系数分别为-0.70,-0.79和-0.76,表明细纤维和过滤具有高相关性。

7,10,12月的细纤维质量分数的平均值为0.026%,0.018 5%,0.013%;液化滤液量的平均值为12.2,14.5,17.0 mL。依据数据制作散点图并绘制出液化滤液量和细纤维质量分数的线性拟合图,如图2所示。

图2 细纤维质量分数与液化滤液线性拟合图

根据图2数据,由拟合曲线得出线性公式y=-3.655 6x+21.573,相关系数R2=0.987 4,说明细纤维质量分数和滤液量具有极高的负相关性,液化滤液量随着细纤维质量分数的升高而降低。

4 结 论

淀粉生产中,淀粉液化后需经过板框进行过滤,此时细纤维会粘附在滤布上,影响过滤效果。将7月份和10月份生产的淀粉进行对比可知:同样是75 μm的分离曲筛,7月份生产的淀粉中的细纤维质量分数要高于10月份,实验滤液体积也相应变小,说明由于干粮期玉米表皮易碎,其淀粉中的细纤维质量分数高于潮粮期,液化过滤效果低于潮粮期。12月份把分离曲筛由75 μm更换为50 μm,淀粉中的细纤维质量分数降低,实验滤液体积增加,说明分离曲筛的缝隙决定了淀粉中细纤维的质量分数,缝隙越小,淀粉中细纤维质量分数越低,液化过滤效果越好。蛋白属于不溶性杂质,理论上在液化过程中蛋白质量分数和滤速应该成反比关系,即蛋白质量分数越高,液化液滤速越低,但在生产实践中,该现象并没有突出表现出来。目前,市面上商品淀粉的蛋白质量分数基本为0.25%～0.40%,市场调查发现:有时候即使原料淀粉的蛋白质量分数发生变化,但是过滤却很正常,说明在生产中蛋白质量分数变化对过滤的影响并不明显。结合生产实践分析可知:细纤维颗粒较小,过滤的时候会粘附在滤布的缝隙中,并且在清洗滤布的时候也不容易洗下来,而蛋白在液化过程中呈絮状,过滤时不易进入滤布缝隙,拆洗滤布时也较容易脱落,因此蛋白对液化液过滤的影响不明显,故在提高液化液过滤效果方面降低细纤维质量分数是关键因素。