玉米淀粉中蛋白和細(xì)纖維對(duì)液化過濾的影響

馬守國(guó),王志平,田衛(wèi)東

(中糧生化能源(龍江)有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161100)

玉米淀粉用途廣泛,主要應(yīng)用在食品、化工和醫(yī)藥等行業(yè)[1-3]。淀粉糖是玉米淀粉最主要的消費(fèi)去向[4],2018年約占玉米淀粉消費(fèi)總量的56%;其次是造紙和食品加工,占比分別為13%和8%。目前，淀粉糖生產(chǎn)大多采用雙酶法工藝[5],在高溫(110±5) ℃及耐高溫α-淀粉酶的作用下淀粉液化,將DE值控制在15%～20%,液化液冷卻至55～60 ℃后,調(diào)節(jié)pH為4～5左右,加人適量糖化酶進(jìn)行糖化,最后經(jīng)過板框或者轉(zhuǎn)鼓過濾制得糖液。在過濾工序中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)糖液過濾困難的現(xiàn)象,影響生產(chǎn)負(fù)荷,降低效率。以干物質(zhì)為基準(zhǔn),玉米中一般粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.23%～9.85%,粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.05%～4.72%,粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.79%～1.98%,粗灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.29%～1.46%,粗淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%～76.8%[6]。目前玉米淀粉的生產(chǎn)廣泛采用濕磨工藝[7],主要流程:1) 原料玉米凈化除雜后,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%～0.2%的亞硫酸液體浸泡30～40 h,使玉米中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%～45%[8];2) 經(jīng)過凸齒磨破碎后再用旋流分離器分離出胚芽;3) 剩余組分后經(jīng)過針磨進(jìn)一步破碎,再通過壓力曲篩分離和纖維7級(jí)逆向洗滌,篩上部分進(jìn)入擠壓機(jī)脫水、管束干燥,添加玉米浸泡濃縮液后制成纖維飼料,篩下部分送入離心機(jī);4) 離心機(jī)的頂流分離出蛋白,再經(jīng)過濃縮、干燥等環(huán)節(jié)制成蛋白粉飼料,離心機(jī)的底流分離出淀粉,再經(jīng)過12級(jí)逆向洗滌、刮刀離心脫水和閃蒸干燥環(huán)節(jié)制成商品淀粉。在淀粉生產(chǎn)過行程中,玉米皮經(jīng)過凸齒磨和針磨的研磨破碎,再經(jīng)過纖維壓力曲篩進(jìn)行洗滌分離,篩上大顆粒部分進(jìn)入擠壓機(jī)脫水,成為纖維飼料,進(jìn)入下步工序。在纖維洗滌分離篩的篩下會(huì)產(chǎn)生部分小顆粒的玉米皮,稱為細(xì)纖維,進(jìn)入淀粉乳系統(tǒng)。依據(jù)GB 8885—2008《食用玉米淀粉》標(biāo)準(zhǔn),淀粉中蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.45%,脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.1%,灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.1%。在玉米淀粉的分離提純過程中,受工藝、設(shè)備、操作等的影響,不同廠家淀粉的質(zhì)量存在差異,影響了下游淀粉糖企業(yè)的加工成本控制,體現(xiàn)在生產(chǎn)中比較明顯的就是淀粉液化后的過濾速度,它決定了生產(chǎn)負(fù)荷控制和物料收率[9]。淀粉中的脂肪在液化過程中呈液態(tài)形式存在于物料中,不會(huì)對(duì)液化過濾產(chǎn)生影響?；曳謾z測(cè)原理是把一定質(zhì)量的淀粉充分燃燒后計(jì)算剩余物質(zhì)的質(zhì)量與總淀粉質(zhì)量的比值[10]。淀粉中的有機(jī)物通過燃燒完全分解,剩余的物質(zhì)主要是P,K和Mg等無機(jī)鹽或者無機(jī)酸,這部分物質(zhì)在淀粉液化工程中可以溶解于物料中,不會(huì)對(duì)液化過濾環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響。因此筆者從蛋白和細(xì)纖維兩個(gè)方面進(jìn)行分析,借助實(shí)驗(yàn)室液化實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論,希望能夠?qū)ζ髽I(yè)生產(chǎn)控制提供一些借鑒。

1 液化過濾實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)備

pH計(jì)、電導(dǎo)率儀、恒溫水浴、磁力攪拌器、實(shí)驗(yàn)用天平、秒表、250 mL燒杯、50 mL燒杯、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、中速定性濾紙(150 mm)、吸球、玻璃棒、膠頭滴管。

1.2 化學(xué)藥品準(zhǔn)備

1.2.1 酶制劑配制

100 mL容量瓶一個(gè),啤酒用高溫酶制劑諾維信液化酶適量,用1 mL移液管吸取1.33 mL酶制劑,加蒸餾水稀釋至100 mL,待用。

1.2.2 Na+鹽配制

取100 mL容量瓶一個(gè),稱取5 g氯化鈉于燒杯中加蒸餾水溶解,然后轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中,清洗燒杯3次,洗液轉(zhuǎn)入容量瓶,最后定容至100 mL,得到m(氯化鈉)∶V(水)=1 g∶20 mL的Na+鹽溶液。

1.2.3 鹽酸溶液配制

1 000 mL容量瓶一個(gè),容量瓶中先加入500 mL蒸餾水,再加入70 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%的濃鹽酸,稀釋定容至1 000 mL,得到V(鹽酸)∶V(水)=7∶93的鹽酸溶液。

1.2.4 氫氧化鈉溶液配制

100 mL容量瓶一個(gè),稱取3 g氫氧化鈉于燒杯中加蒸餾水溶解,然后轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中,清洗燒杯3次,洗液轉(zhuǎn)入容量瓶,然后定容至100 mL,得到m(氫氧化鈉)∶V(水)=3 g∶100 mL氫氧化鈉溶液。

1.3 樣品制備

取250 mL燒杯一個(gè)，用天平稱取46.5 g淀粉樣品,加入186 mL蒸餾水或自來水溶解淀粉,檢測(cè)pH和電導(dǎo)率,用已配制的鹽酸或氫氧化鈉溶液調(diào)整pH至6.5,用滴管取Na+鹽溶液滴定,檢測(cè)電導(dǎo)率≥(500+50) μs/cm,然后加入用蒸餾水稀釋后的酶制劑1 mL,攪拌均勻。

1.4 操作方法

恒溫水浴加熱至95 ℃,將準(zhǔn)備好的樣品放入水浴內(nèi),每個(gè)燒杯中放入一根玻璃棒,用玻璃棒不停地?cái)嚢?直至料液糊化至可以流動(dòng),加上扣蓋并用毛巾覆蓋在水浴上面,溫度控制在100 ℃,保溫糊化。從放入水浴內(nèi)開始計(jì)算時(shí)間,累計(jì)1 h,在此期間每間隔10～20 min打開燒杯蓋攪拌10～15 s。

1.5 過濾實(shí)驗(yàn)

取50 mL量筒一個(gè)、7.5 cm漏斗一個(gè)和中性濾紙一張,將糊化后的液體倒入漏斗中,計(jì)算4 min內(nèi)過濾液體量，作為衡量依據(jù),4 min過濾時(shí)間是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用的液化液從過濾開始到4 min結(jié)束,過濾已經(jīng)變得非常緩慢,幾乎處于停滯狀態(tài),大部分實(shí)驗(yàn)都以4 min作為節(jié)點(diǎn),用來統(tǒng)一判斷過濾狀況,通過濾液的數(shù)量來判斷過濾狀態(tài),即4 min時(shí)間內(nèi)過濾的濾液體積。

2 細(xì)纖維檢測(cè)方法

2.1 試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備

天平,感量0.000 1 g以及0.1 g各一臺(tái);標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩,金屬絲編織篩網(wǎng),目數(shù)為325目;干燥器,內(nèi)有有效充足的干燥劑和一個(gè)厚的多孔板;電熱恒溫箱,可控制溫度在130 ℃;定量濾紙,直徑為15.0 cm;吸濾瓶;布氏漏斗;實(shí)驗(yàn)室用真空泵;250 mL燒杯;500 mL洗瓶。

2.2 分析步驟

2.2.1 烘濾紙恒重

將做好標(biāo)記的濾紙,疊成四方形或扇形,放入130 ℃烘箱內(nèi)烘30 min以上,取出濾紙,快速放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫,取出稱重,精確至0.000 1 g,備用。

2.2.2 樣品測(cè)定

步驟1稱取充分混勻的樣品200 g,精確至0.1 g。將樣品均勻地倒入檢驗(yàn)篩中,用自來水小心沖洗篩中樣品,直至篩分不下為止。

步驟2將檢驗(yàn)篩放于250 mL燒杯上方,用洗瓶斜向下沖洗篩面,直至篩上物全部被水轉(zhuǎn)移至250 mL燒杯中。

步驟3用已恒重的濾紙墊于布氏漏斗中,打開抽濾機(jī),將燒杯中的水緩慢倒入漏斗中進(jìn)行抽濾,期間用洗瓶沖洗燒杯2次,洗水也倒入漏斗中,待抽干水分后,將濾紙包好并置于130 ℃烘箱內(nèi)烘2 h,取出濾紙,快速放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫,取出稱重,精確至0.000 1 g。

2.2.3 結(jié)果計(jì)算

淀粉中細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)X可表示為

(1)

式中:M為樣品的質(zhì)量;M1為干燥后濾紙的質(zhì)量;M2為干燥后樣品和濾紙的總質(zhì)量;W為樣品的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 蛋白對(duì)液化過濾的影響

市場(chǎng)上玉米淀粉中的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.25%～0.41%,中糧生化龍江有限公司生產(chǎn)的淀粉中的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28%～0.31%,玉米蛋白粉的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%～61%。筆者首先從中糧公司品控部樣品室取不同生產(chǎn)日期、蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的淀粉樣品11份,每份50 g,各樣品對(duì)應(yīng)的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.3%,13.1%,13.6%,13.4%,13.2%,13.4%,13.2%,13.4%,13.5%,13.3%,13.2%;再取蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.6%,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.1%的玉米蛋白粉樣品1份,其中玉米蛋白粉樣品可以隨機(jī)抽取,計(jì)算添加量的時(shí)候要根據(jù)蛋白和水分指標(biāo)更改計(jì)算數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)定所需淀粉樣品中的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.31%,0.32%,0.32%,0.33%,0.34%,0.35%,0.35%,0.37%,0.39%,0.40%,0.41%,呈梯度遞增趨勢(shì)。為滿足上述要求,需要向淀粉樣品中添加玉米蛋白粉(精確到0.000 1 g),添加量計(jì)算公式為

(2)

式中:A為淀粉樣品調(diào)配前蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù);B為調(diào)配前淀粉樣品的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù);C為調(diào)配后淀粉樣品的設(shè)定蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù);D為需要添加的玉米蛋白粉質(zhì)量。

對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)定所需的淀粉樣品蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù),依據(jù)式(1)計(jì)算出需要添加的蛋白粉質(zhì)量分別為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。配置好淀粉樣品后,按照1.3～1.5節(jié)所述淀粉液化過濾的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行操作,得出的液化過濾量分別對(duì)應(yīng)為14,16,17,17,12,18,13.5,16,13,14,15 mL,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制液化濾液量和蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)交會(huì)圖,如圖1所示。液化過濾量與蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)分布比較散亂,隨著蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,液化過濾量并沒有按比例下降,而是呈現(xiàn)出無規(guī)律現(xiàn)象。

圖1 液化過濾量與蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)圖

液化過濾量與蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)系數(shù)R1計(jì)算公式為

R=

-0.26

(3)

式中:X為調(diào)配后實(shí)驗(yàn)樣品的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù);Y為實(shí)驗(yàn)樣品的液化濾液量。

由R1為-0.26可知液化過濾量與蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性不明顯,說明蛋白對(duì)過濾的影響不占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),樣品里還有其他因素在影響液化過濾方面起主導(dǎo)作用。

3.2 細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)液化過濾的影響

冬季一般使用潮玉米進(jìn)行濕磨淀粉生產(chǎn),夏季使用干玉米生產(chǎn),由于干玉米經(jīng)過烘干處理后部分物理特性會(huì)發(fā)生變化,因此使用潮玉米生產(chǎn)出來的淀粉品質(zhì)要優(yōu)于干玉米。分別取中糧龍江公司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樣品各11份,其中10月和12月份在生產(chǎn)過程中把纖維洗滌曲篩的型號(hào)做了更改,由75 μm降為50 μm。按照1.3～1.5節(jié)所述方法進(jìn)行液化過濾實(shí)驗(yàn),按照2.2.2,2.2.3節(jié)所述方法進(jìn)行細(xì)纖維檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。7月份淀粉中細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為0.026%,淀粉液化實(shí)驗(yàn)濾液量平均值為12.2 mL;10月份淀粉中細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.185%,淀粉液化實(shí)驗(yàn)濾液量平均為14.5 mL,液化濾液量隨著細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降而升高;12月份淀粉中細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.013%,淀粉液化實(shí)驗(yàn)濾液量平均為17 mL,液化濾液量同樣隨著細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降而升高。

表1 細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)E與液化過濾量F數(shù)據(jù)表

細(xì)纖維和濾液量的相關(guān)系數(shù)R2計(jì)算公式為

(4)

式中:E為細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù);F為實(shí)驗(yàn)樣品的液化濾液量。

把7月份細(xì)纖維和濾液量數(shù)據(jù)帶入式(4),計(jì)算得

R2=

-0.70

把10月份細(xì)纖維和濾液量數(shù)據(jù)帶入式(4),計(jì)算得

R2=

-0.79

把12月份細(xì)纖維和濾液量數(shù)據(jù)帶入式(4),計(jì)算得

R2=

-0.76

7,10,12月所生產(chǎn)淀粉中,細(xì)纖維和濾液量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.70,-0.79和-0.76,表明細(xì)纖維和過濾具有高相關(guān)性。

7,10,12月的細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平均值為0.026%,0.018 5%,0.013%;液化濾液量的平均值為12.2,14.5,17.0 mL。依據(jù)數(shù)據(jù)制作散點(diǎn)圖并繪制出液化濾液量和細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線性擬合圖,如圖2所示。

圖2 細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與液化濾液線性擬合圖

根據(jù)圖2數(shù)據(jù),由擬合曲線得出線性公式y(tǒng)=-3.655 6x+21.573,相關(guān)系數(shù)R2=0.987 4,說明細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和濾液量具有極高的負(fù)相關(guān)性,液化濾液量隨著細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低。

4 結(jié) 論

淀粉生產(chǎn)中,淀粉液化后需經(jīng)過板框進(jìn)行過濾,此時(shí)細(xì)纖維會(huì)粘附在濾布上,影響過濾效果。將7月份和10月份生產(chǎn)的淀粉進(jìn)行對(duì)比可知:同樣是75 μm的分離曲篩,7月份生產(chǎn)的淀粉中的細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于10月份,實(shí)驗(yàn)濾液體積也相應(yīng)變小,說明由于干糧期玉米表皮易碎,其淀粉中的細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于潮糧期,液化過濾效果低于潮糧期。12月份把分離曲篩由75 μm更換為50 μm,淀粉中的細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,實(shí)驗(yàn)濾液體積增加,說明分離曲篩的縫隙決定了淀粉中細(xì)纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù),縫隙越小,淀粉中細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低,液化過濾效果越好。蛋白屬于不溶性雜質(zhì),理論上在液化過程中蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和濾速應(yīng)該成反比關(guān)系,即蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,液化液濾速越低,但在生產(chǎn)實(shí)踐中,該現(xiàn)象并沒有突出表現(xiàn)出來。目前,市面上商品淀粉的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本為0.25%～0.40%,市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn):有時(shí)候即使原料淀粉的蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化,但是過濾卻很正常,說明在生產(chǎn)中蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)過濾的影響并不明顯。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐分析可知:細(xì)纖維顆粒較小,過濾的時(shí)候會(huì)粘附在濾布的縫隙中,并且在清洗濾布的時(shí)候也不容易洗下來,而蛋白在液化過程中呈絮狀,過濾時(shí)不易進(jìn)入濾布縫隙,拆洗濾布時(shí)也較容易脫落,因此蛋白對(duì)液化液過濾的影響不明顯,故在提高液化液過濾效果方面降低細(xì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)是關(guān)鍵因素。