楊夫光 李 飛 母應(yīng)春 ，2 蘇 偉 ，2，3

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

（1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省農(nóng)畜產(chǎn)品貯藏與加工重點實驗室，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學(xué)南區(qū)分析測試中心，貴州 貴陽 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)

淀粉糖主要是應(yīng)用生物酶水解技術(shù)對淀粉進(jìn)行深加工得到的產(chǎn)物，主要種類有葡萄糖、果葡糖、麥芽糖、麥芽糊精、結(jié)晶果糖、果葡糖漿、啤酒專用糖等，在制藥、飼料、味精行業(yè)和啤酒制造業(yè)等都可應(yīng)用。在中國現(xiàn)階段限制高倍人工甜味劑，及人民對天然食品的需求提升的情況下，淀粉糖工業(yè)發(fā)展具有廣闊市場前景[1]。

玉米曾是制取淀粉糖的首選原料[2]，近年來由于價格上漲，糖漿生產(chǎn)企業(yè)開始尋找成本低的原料，如碎米、木薯等。中國是稻米生產(chǎn)大國，大米是主食之一。易翠平等[3]曾以大米為原料對麥芽糖漿的制備工藝進(jìn)行研究，但在實際生產(chǎn)中因成本問題，使用大米較少。中國稻米產(chǎn)量可達(dá)1.85億t，在稻谷碾制過程中會產(chǎn)生約10%的碎米[4]，碎米直接食用的價值較低，一般碎米是作為飼料原料；碎米的化學(xué)組成和整米一樣，淀粉含量較高，而價格較低，利用碎米這一優(yōu)勢，近年來有關(guān)學(xué)者以碎米為原料進(jìn)行制備高果糖漿、葡萄糖漿等淀粉糖的研究[5]。在擠壓的作用下，淀粉對酶類的敏感性增加，可以提高淀粉加酶水解的效率，在淀粉糖漿及發(fā)酵工業(yè)中，具有較高的應(yīng)用前景[6]。隨著酶工業(yè)的興起及酶制劑的廣泛應(yīng)用，將擠壓工藝引入到酶法生產(chǎn)淀粉糖在國內(nèi)外都進(jìn)行了研究[7-9]，但擠壓碎米生產(chǎn)糖漿鮮有報道，本試驗以碎米為原料，將擠壓技術(shù)引入到糖漿生產(chǎn)工藝中，研究擠壓處理對后續(xù)糖化的影響，優(yōu)化擠壓碎米生產(chǎn)淀粉糖漿的工藝條件，以期為擠壓碎米生產(chǎn)淀粉糖漿提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

碎米：無蟲害、霉變等不良性狀，市購；

耐高溫α-淀粉酶：120 KUN/g，諾維信公司；

真菌α-淀粉酶：800 FAU/g，諾維信公司；

氯化鈣、檸檬酸：分析純，成都金山化學(xué)試劑有限公司；

3 ,5－二硝基水楊酸（DNS）：分析純，上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司；

碳酸鈉：分析純，重慶茂業(yè)化學(xué)試劑有限公司；

丙三醇：分析純，重慶川江化學(xué)試劑廠；

氫氧化鈉：分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

實驗用雙螺桿擠壓機(jī)：DS-32ll型，濟(jì)南賽信食品機(jī)械有限公司；

阿貝折光儀：WAY(2WAJ)型，上海申光儀器儀表有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：DK-98-IIA型，天津市泰斯特儀器有限公司；

pH計：PHS-06型，上海佑科儀器儀表有限公司；

電子天平：BS 124S型，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；

紫外可見分光光度計：T6新世紀(jì)型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.3 方法

1.3.1 碎米理化指標(biāo)測定

(1)水分含量測：按GB/T 5009.3——2003執(zhí)行；

(2)蛋白質(zhì)含量測定：按GB/T 5009.5——2003執(zhí)行；

(3)脂肪含量測定：按GB/T 5009.6——2003執(zhí)行；

(4)淀粉含量測定：按GB/T 5009.7——2003執(zhí)行。

1.3.2 糖化液DE值測定 根據(jù)文獻(xiàn)[10]，按式(1)計算DE值。

式中：

DE——糖化液DE值，%；

SR——糖化液還原糖含量，%；

TS——干物質(zhì)含量，%。

還原糖采用DNS法測量，干物質(zhì)含量使用阿貝折射儀測量。

1.3.3 擠壓碎米糖化工藝流程

碎米擠出物→粉碎→調(diào)漿，料液比（質(zhì)量比）1∶3，調(diào)pH 值 5.8～6.2，加入耐高溫 α-淀粉酶（1.0 mL/kg）→升溫至90℃液化→冷卻至60℃，添加真菌α-淀粉酶(0.4 mL/kg)，糖化保溫18～22 h→85℃下滅酶15 min→冷卻→過濾→糖漿水解液

未經(jīng)擠壓的碎米直接粉碎，按照上述調(diào)漿、液化、糖化工藝生產(chǎn)淀粉糖，選取糖化液DE值為指標(biāo)。

1.3.4 單因素試驗

(1)水料比對擠壓碎米糖化液DE值的影響：選取水料比（水與碎米粉的質(zhì)量比）10∶100，15∶100，20∶100，25∶100，30∶100，35∶100，40∶100，在套筒溫度 70 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min、進(jìn)料速度500 r/min下擠壓碎米，擠出物經(jīng)液化、糖化，測定糖化液DE值，確定水料比與糖化液DE值的關(guān)系。

(2)擠壓機(jī)套筒溫度對擠壓碎米糖化液DE值的影響：選取 60，70，80，90，100，110，120 ℃的溫度水平，在螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min、進(jìn)料速度500 r/min、水料質(zhì)量比為15∶100條件下擠壓碎米，擠出物經(jīng)液化、糖化，測定糖化液DE值，確定溫度和糖化液DE值的關(guān)系。

(3)擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對擠壓碎米糖化液DE值的影響：選取螺桿轉(zhuǎn)速分別為 380，400，420，440，460，480，500 r/min，在套筒溫度70℃、水料質(zhì)量比12∶100條件下擠壓碎米，擠出物經(jīng)液化、糖化，測定糖化液DE值，確定轉(zhuǎn)速與糖化液DE值的關(guān)系。

(4)進(jìn)料速度對擠壓碎米糖化液的影響：選取進(jìn)料速度400，500，600，700，800，900，1 000 r/min，在水料質(zhì)量比(15∶100、螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min、套筒溫度70℃下擠壓碎米，擠出物經(jīng)液化、糖化，測定糖化液DE值，確定進(jìn)料速度對糖化液DE值的影響。

1.3.5 正交試驗設(shè)計 以糖化液DE值為考察指標(biāo)，在單因素試驗基礎(chǔ)上設(shè)計正交試驗。

1.3.6 統(tǒng)計分析 每個樣品測定重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。數(shù)據(jù)采用Spass 19.0軟件處理并進(jìn)行方差分析（ANOVA），用Duncan法進(jìn)行差異性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 碎米理化指標(biāo)分析

整米水分含量約為14%，蛋白質(zhì)含量為8%～10%，脂肪含量約為2%，淀粉含量為70%～80%[11]，由表1可知，與碎米的營養(yǎng)成分含量差異不大。

表1 碎米基本營養(yǎng)成分Table1 Contentofnutrition facts in broken rice /%

2.2 擠壓與非擠壓碎米制糖比較的預(yù)試驗

在探索試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)試驗，在水料質(zhì)量比20∶100、擠壓機(jī)套筒溫度70℃、螺桿轉(zhuǎn)速200 r/min、進(jìn)料速度500 r/min條件下擠壓碎米粉，按照上述工藝生產(chǎn)淀粉糖漿，比較擠壓與非擠壓碎米制糖效果。

由表2可知，擠壓處理組液化液和糖化液的還原糖含量比對照組顯著增加，且糖化液的DE值也高于對照組（P＜0.05）。因此利用擠壓處理碎米生產(chǎn)淀粉糖具有可行性。

2.3 擠壓碎米生產(chǎn)淀粉糖漿單因素試驗

2.3.1 水料比質(zhì)量對糖化液DE值的影響 由圖1可知，水料質(zhì)量比從10∶100升到15∶100時，DE值隨著水料質(zhì)量比的增加而上升，15∶100時，DE值達(dá)到最高（71.64），除10∶100的DE值外，15∶100時的DE值與其余各組相比較，呈現(xiàn)顯著性差異；水料質(zhì)量比從15∶100到25∶100，DE值呈下降趨勢，25∶100時，DE值最小；25∶100之后，隨著水料質(zhì)量比的升高，各組DE值無顯著性差異。淀粉的糊化從本質(zhì)上講是氫鍵的斷裂，擠壓過程中的高溫、高壓及高剪切力的環(huán)境，很容易使淀粉糊化。物料水分含量越低，剪切力越大，淀粉糊化程度較高；當(dāng)水分增加，物料在腔體內(nèi)部的流動性好，滯留時間短，使得物料受到螺桿剪切力作用時間短，不利于淀粉顆粒結(jié)構(gòu)微孔化。本試驗的結(jié)果表明，在水料質(zhì)量比15∶100時DE值最高，說明淀粉顆粒充分吸水，淀粉糊化度最高。這與肖志剛等研究的擠壓玉米淀粉生產(chǎn)淀粉糖漿時的糖化液DE值隨物料含水率呈先增加后減小的研究結(jié)果[12]相吻合。

表2 擠壓處理對還原糖含量及糖化液DE值的影響Table2 Effectsofextruding on reducing sugar contents and the valueofDE

圖1 物料含水率對糖化液DE值的影響Figure1 Effectsof the ratio ofwater to raw materialon DE ofsyrup solution

2.3.2 套筒溫度對糖化液DE值的影響 由圖2可知，隨擠壓溫度的上升，DE值變化顯著。在60～80℃時，DE值隨著溫度升高而增加，在80℃時，糖化液DE值達(dá)到最高值（73.5）；而在80～90℃，DE值出現(xiàn)下降，從90℃開始，DE值小幅上升，隨著溫度增加，DE值又呈下降趨勢；在120℃時，DE值低于50；除60℃和100℃時的結(jié)果外，其余各組DE值呈現(xiàn)顯著差異性。擠壓溫度低時，隨著溫度升高，淀粉結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，加速了淀粉分子的裂解；當(dāng)擠壓溫度過高時，DE值下降。試驗結(jié)果表明，DE值最高為73.5，高于最優(yōu)含水率條件的糖化液DE值，這可能是因為溫度對淀粉糊化的影響程度要大于物料含水率，這與Chouvel等研究結(jié)果[13]吻合，溫度對淀粉糊化有重要影響。也有研究表明，隨著套筒溫度升高，淀粉水解率上升[14]；在低溫下（30～70℃）時，淀粉糖漿DE值會隨著溫度升高而升高[15]；肖志剛[12]研究也發(fā)現(xiàn)玉米淀粉糖漿DE值隨套筒溫度的增加先減小后增加。

2.3.3 螺桿轉(zhuǎn)速對糖化液DE值的影響 由圖3可知，轉(zhuǎn)速從380 r/min上升到480 r/min時，DE值經(jīng)歷了一個緩慢上升的過程，在480 r/min時，獲得最大DE值，相比380，420，460 r/min條件下獲得的結(jié)果呈現(xiàn)顯著性差異，高于460，480 r/min時的結(jié)果，但不呈現(xiàn)顯著性差異。隨后隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大，DE值呈下降的趨勢。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速低時，物料在擠壓機(jī)內(nèi)承受的剪切力作用小，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料所受剪切力增大，部分直鏈淀粉變成小分子，支鏈淀粉的部分側(cè)鏈小分子游離出來，淀粉分子間的氫鍵作用被削弱，分子骨架的自由空間加大，使得物料中的水分更容易滲入，產(chǎn)生疏松組織，利于酶解；當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，物料在機(jī)筒中停留時間減少，物料來不及吸收足夠的熱量，糊化度減少。

圖2 擠壓機(jī)套筒溫度對糖化液DE值影響Figure2 Effectsofsleeve temperatureon DEofsyrup solution

圖3 擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對糖化液DE值影響Figure3 Effectsofscrew speed on DE ofsyrup solution

2.3.4 進(jìn)料速度對糖化液DE值的影響 由圖4可知，進(jìn)料速度在400～500 r/min時，進(jìn)料速度增大，DE值呈上升趨勢；在500 r/min時，DE值達(dá)到最大，且與其它各組相比，具有顯著的差異性；在500～600 r/min時，DE值呈下降趨勢；在600～1 000 r/min時，隨進(jìn)料速度的增加，DE值變化不明顯。造成進(jìn)料速度與DE值變化的原因可能是進(jìn)料速度會影響物料在擠壓機(jī)套筒中的停留時間，使得淀粉物料受到的剪切力作用時間不一致，進(jìn)而影響淀粉的糊化降解程度。進(jìn)料速度越大，物料在擠壓機(jī)套筒中停留時間越短，受到擠壓剪切作用也越小，淀粉糊化程度低；當(dāng)進(jìn)料速度越小，物料在擠壓機(jī)套筒中停留時間就越長，受到剪切力的作用時間就越長，淀粉糊化程度高，最終糖化液DE也較高。

2.4 正交試驗確定最優(yōu)工藝條件

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選擇溫度、水料比、螺桿轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度作為因素，各因素水平如下，考慮到生產(chǎn)效率等實際問題，選擇了較大的進(jìn)料速度。采用L正交表進(jìn)行試驗。試驗設(shè)計及結(jié)果見表3、4。

圖4 進(jìn)料速度對糖化液DE值影響Figure4 Effectsof feedrate on DEofsyrup solution

由表4可知，各因素對糖化液DE值影響主次順序為A>C>B>D，即：溫度＞轉(zhuǎn)速＞水料比＞進(jìn)料速度；各因素間最優(yōu)組合為A1B2C2D2，即擠壓最佳工藝為溫度60℃、水料比12%、轉(zhuǎn)速440 r/min、進(jìn)料速度840 r/min，糖化液DE值為85.44。

表3 正交試驗因素水平表Table3 Factorsand levelsof theorthogonalexperiment

由表5可知，各因素中擠壓溫度對糖化液DE值影響極顯著（P＜0.01），螺桿轉(zhuǎn)速對 DE 值影響顯著（P＜0.05）,說明擠壓溫度對制糖工藝影響最大，與極差分析結(jié)果相符。R-S q=94.00%，說明正交設(shè)計對試驗結(jié)果擬合很好，試驗結(jié)果有效。

2.5 驗證實驗

采用優(yōu)化的擠壓條件進(jìn)行驗證實驗，條件設(shè)為擠壓溫度60℃、水料比12%、轉(zhuǎn)速440 r/min、進(jìn)料速度840 r/min，經(jīng)3次平行實驗測得糖化液DE值為85.32，與正交設(shè)計試驗值相比，相對偏差為0.02，說明正交設(shè)計優(yōu)化出的條件較為準(zhǔn)確。

表4 正交試驗設(shè)計方案與結(jié)果Table4 Experimentaldesign and resultof theorthogonalexperiment

表5 正交試驗方差分析Table5 The varianceanalysisof theorthogonalexperiment

2.6 擠壓碎米與非擠壓碎米粉液化、糖化效果對比研究

2.6.1 擠壓碎米與非擠壓碎米液化效果的對比 α-淀粉酶是一類內(nèi)切酶，它從淀粉分子內(nèi)部任意切開α-1，4葡萄糖苷鍵，從而使龐大的葡萄糖分子鏈迅速斷開、變小、變短。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，這一過程是動態(tài)的。由圖5可知，在20～40min內(nèi)，擠壓組與非擠壓組液化液還原糖含量顯著增加，擠壓組還原糖含量高于非擠壓組；在液化時間相同的情況下，擠壓粉液化液中還原糖含量始終比非擠壓液化液中還原糖含量更高，表明擠壓工藝可以提高液化效果，這也與前人的研究結(jié)果[16]相符。

2.6.2 擠壓與非擠壓碎米糖化效果對比 真菌α-淀粉酶能隨機(jī)水解淀粉、糖原及其降解物內(nèi)部的α-1.4葡萄糖苷鍵，任意切斷成長短不一的短鏈糊精和支鏈淀粉，均以無規(guī)則形式進(jìn)行分解，可以通過調(diào)整糖化酶用量和糖化反應(yīng)時間來控制糖化進(jìn)度，并由此生產(chǎn)出各種不同用途、不同DE值的淀粉糖漿，一般在12～15 h完成糖化，由圖6可知，糖化初始階段擠壓組DE值上升比非擠壓組上升更快，二者在12～15 h都迅速完成糖化過程，而擠壓組DE值比非擠壓組更高，且增加值呈顯著性，表明擠壓工藝可以提高糖化效果。

3 結(jié)論

圖5 擠壓與非擠壓碎米液化效果對比Figure 5 Comparison of liquefaction effectsbetween syrup solution produced by broken riceand extruded broken rice

圖6 擠壓與非擠壓碎米糖化效果對比Figure6 Comparison ofsaccharification between syrup solution produced by broken riceand extruded broken rice

(1)本試驗以碎米為原料，探究擠壓處理對糖化效果的影響。結(jié)果表明，將擠壓技術(shù)引入到碎米生產(chǎn)淀粉糖漿工藝中，可以提高液化及糖化效果。擠壓系統(tǒng)參數(shù)對DE值影響的主次順序為溫度＞轉(zhuǎn)速＞水料比＞進(jìn)料速度，其中溫度為顯著影響因子；最佳擠壓參數(shù)為擠壓溫度60℃、水料比12%、轉(zhuǎn)速440 r/min、進(jìn)料速度840 r/min。

(2)擠壓系統(tǒng)參數(shù)，如溫度、物料含水率、螺桿轉(zhuǎn)速等均對最終糖漿DE值有影響，本試驗的研究結(jié)論得出顯著影響因子是溫度，這與Tomas等的研究結(jié)果[17]相近，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從70℃升到100℃時，DE值幾乎是線性增加，在試驗范圍內(nèi)的研究表明引入擠壓技術(shù)獲得的淀粉糖DE值更高；而肖志剛等[12,18]的研究結(jié)果表明，物料含水率是最顯著的影響因子，這可能與擠壓機(jī)性能及擠壓過程中是否加酶有關(guān)。

(3)本試驗以碎米為原料，將擠壓技術(shù)引入淀粉糖漿工藝中，拓展了擠壓技術(shù)的應(yīng)用探索，對淀粉深加工有一定借鑒意義。由于在擠壓處理之后，提高了淀粉對酶類的敏感性，增強(qiáng)了酶解的效果，對于糖化系統(tǒng)參數(shù)如液化時間、糖化時間等會產(chǎn)生影響，可以進(jìn)一步研究擠壓預(yù)處理對糖化系統(tǒng)參數(shù)改變的影響，如是否能夠縮短糖化液化時間、減少酶的使用量等。

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