高濃度木薯粉漿糊化液化粘度的研究

陸婷婷，伍時華，易 弋，黃翠姬，童張法

（1.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004；2.廣西工學院生物與化學工程系，廣西柳州545006）

高濃度木薯粉漿糊化液化粘度的研究

陸婷婷1，伍時華2，易 弋2，黃翠姬2，童張法1

（1.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004；2.廣西工學院生物與化學工程系，廣西柳州545006）

為了更好地利用高濃度木薯醪液進行酒精發酵，應用旋轉粘度計對高濃度木薯粉漿的糊化液化粘度進行研究。實驗結果表明：木薯粉漿的糊化曲線符合典型的淀粉糊化曲線；其糊化液化粘度隨著粉漿濃度的增加而上升；在淀粉含量相同的條件下，木薯淀粉漿比木薯粉漿起糊快且峰值粘度較高；糊化前加入液化酶可以大幅度降低峰值粘度，加入10u/g木薯粉耐高溫α-淀粉酶，10%（vol）酒精度對應木薯粉漿的液化峰值粘度僅為不加酶時的3.26%，15%（vol）酒精度對應物料的液化峰值粘度僅為10%（vol）酒精度對應物料在不加酶時的6.52%。

粘度，木薯，糊化，液化，高濃度發酵

木薯是廣西重要的生物能源與工業原料作物，因其淀粉含量高、不與糧食爭地、在各種土壤中都能生長等特性，近年來被世界公認為具有很大發展潛力、很有前途的用于酒精生產的可再生資源。酒精發酵作為一個成熟的發酵產業在我國已有上百年歷史［1］，傳統酒精發酵是高糧耗、高能耗、高水耗、高污染的工業［2］。與傳統的酒精發酵工藝相比，高濃度酒精發酵具有降低能耗、節約用水、降低蒸餾損失、提高酒精產量、提高單位設備利用率、縮短發酵周期等特點，是一種具有巨大應用價值的酒精發酵技術［3］。但是由于濃醪發酵需要處理300g/L以上的原料［4］，隨著固形物含量的提高，醪液的粘度迅速增加，使醪液的攪拌、輸送和加熱冷卻都變得十分困難［5-7］。降低高濃度物料粘度是實現濃醪發酵的關鍵一步。因此對高濃度物料的糊化、液化的研究，對濃醪發酵液進行預處理以降低粘度必將對實際生產起到積極的作用。本工作對高濃度木薯原料糊化液化粘度進行研究，旨在更好地了解木薯粉的糊化液化特性，為更好地利用高濃度木薯醪液進行酒精發酵提供可參考的依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯粉、木薯淀粉 廣西柳州市售；耐高溫α-淀粉酶 山東隆大酶制劑廠生產，酶活力為20000u/mL。

旋轉式粘度計 NDJ-7型，上海天平儀器廠；電子天平 MP200B型，上海第二天平儀器廠；恒溫干燥箱 FED/EED型，德國WTBBINDER；數顯式電熱恒溫水浴鍋 上海智城分析儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 調漿配料方法 木薯粉中的淀粉經過雙酶水解得到葡萄糖，葡萄糖經過酵母發酵得到酒精。本實驗的調漿配料方法為根據酒精度回算所需的物料濃度。例如：按照木薯粉淀粉含量70.50%，酒精發酵效率90%計算，欲使發酵醪酒精度達到10%（vol），需要的物料濃度為218.6g/L。當木薯粉淀粉含量不同，欲獲得的酒精度不同時，按照上述方法可同理算出所需的物料濃度。

1.2.2 糊化、液化曲線的測定方法 室溫下將一定量的木薯粉與自來水混合，在 60℃水浴鍋預熱30min，攪拌均勻后，移入旋轉粘度計的測試容器，利用水浴鍋保溫裝置以平均1℃/min左右的加熱速度從55℃緩慢升溫到90℃，保溫20min，再以相同的速度降溫到33℃。記錄不同溫度下測定醪液的粘度，繪制糊化液化粘度曲線，粘度計的轉速保持750r/min的恒速。

1.2.3 成分測定方法 淀粉含量測定采用酸水解法［8］；水分測定采用常壓烘箱干燥法［8］；粗纖維測定采用酸堿醇醚處理法（國標法）［9］。

2 結果與分析

2.1 木薯粉原料的成分

對實驗用的木薯淀粉、木薯粉1和木薯粉2進行主要成分的測定，其中木薯粉2較木薯粉1顆粒細致均勻，木薯渣較少，基本上可以通過40目篩，而木薯粉1過40目篩能得到較多的木薯渣。其主要成分見表1。

表1 木薯原料主要成分

從表1可以看出，木薯粉的主要成分是淀粉，含量高達70%以上，過篩以后的木薯粉除去了部分的木薯渣纖維，其淀粉含量略有提高，同時粗纖維含量有所減少。

2.2 木薯粉原料的糊化曲線

本組實驗采用的是木薯粉2為原料，所用的物料濃度為10%（vol）酒精度對應的218.6g/L。按照

1.2.1 的配料方法進行調漿，按照1.2.2的方法測定其糊化曲線，其中所用的粘度計轉子為“×100”。糊化曲線如圖1所示。

圖1 10%（vol）酒精度對應的木薯粉漿糊化曲線

從圖1可以看出，木薯粉漿的糊化曲線符合典型的淀粉糊化曲線，加熱糊化過程經歷以下4個階段：前穩定階段、吸水膨脹和糊化階段、后穩定階段、老化階段［4，10］。同時在糊化粘度曲線上得到衡量淀粉糊化特性的幾個關鍵值［11］：起糊溫度63℃；峰值粘度4600mPa·s；90℃時最后粘度（也叫熱漿粘度或最低粘度）1750mPa·s；峰值降（也叫崩解值，即為峰值粘度與90℃時最后粘度之差）2850mPa·s；50℃粘度（也叫最終粘度或冷膠粘度）2300mPa·s；持久性（50℃粘度與90℃時最后粘度之差）550mPa·s。以上各關鍵值均在物料濃度為10%（vol）酒精度對應的218.6g/L木薯粉漿條件下測得，當物料濃度改變時，各關鍵值的參數會有所變動。

2.3 不同物料濃度木薯粉漿、木薯淀粉漿糊化粘度的變化

本組實驗比較酒精度分別為10%（vol）、11%（vol）、12%（vol）對應的物料濃度在糊化過程中粘度的不同變化。采用的是過40目篩的木薯粉1和木薯淀粉為原料，按照1.2.1的配料方法進行調漿，按照

1.2.2 的方法測定其糊化曲線，所用粘度計轉子為“×100”。實驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 不同濃度過40目篩木薯粉糊化粘度曲線

圖3 不同濃度木薯淀粉糊化粘度曲線

對比圖2和圖3可以看出，木薯粉漿和木薯淀粉漿在糊化過程中的粘度曲線均符合典型的淀粉糊化曲線，加熱糊化過程中粘度均隨著物料濃度的增加而上升。在同一酒精度對應物料濃度下（即在淀粉含量相同的條件下），木薯淀粉漿比木薯粉漿起糊快，糊化峰值粘度較高。在不加入液化酶的條件下，超過12%（vol）酒精度對應的木薯淀粉漿因其糊化粘度太大已無法測其糊化粘度曲線。10%（vol）、11%（vol）、12%（vol）酒精度對應的物料濃度，木薯粉糊化峰值粘度分別為木薯淀粉糊化峰值粘度的63%、70%、80%，物料濃度越高，木薯粉糊化峰值粘度越接近木薯淀粉糊化峰值粘度。同時木薯粉成分70%都是淀粉，由此可知木薯粉漿加熱糊化粘度升高的主要原因是由于其中的淀粉吸水膨脹引起的。淀粉含量越高，在調漿和加熱糊化過程吸水越多，物料流動性越差，表現為粘度變大。

表2 不同木薯原料對糊化粘度的影響

2.4 不同木薯原料對糊化粘度的影響

本組實驗采用木薯淀粉、過篩與未過篩的木薯粉1、木薯粉1混合木薯淀粉為原料，物料濃度均為10%（vol）酒精度對應的物料濃度。按照1.2.1的配料方法進行調漿，按照1.2.2的方法測定其糊化曲線，所用粘度計轉子為“×100”。實驗結果見表2。

分析表2，表中前4種木薯原料顆粒從小到大依次是：木薯淀粉＜木薯粉2＜過40目篩木薯粉1＜未過篩木薯粉1。實驗結果表明它們的起糊溫度和峰值溫度依次遞增，峰值粘度依次降低。這是因為糊化溫度與淀粉顆粒大小、水中鹽分含量等有關，粉碎愈細，粘度增加得愈早，同樣溫度下醪液粘度愈高［12］。在淀粉含量相同的條件下，木薯淀粉顆粒較細則所含的顆粒較多、表面積較大，其吸水膨脹的能力較強，故其起糊較快峰值粘度較高。木薯粉顆粒較大且雜質較多，其中存在的糖類、含氮化合物、電解質等物質會降低水的滲透作用，從而使膨脹作用速度變慢［13］。原料顆粒越小越易于吸水膨脹和徹底糊化，減少發酵性糖分的損失，但是原料粉碎需要消耗一部分的能量，因此不需要片面地追求過高的粉碎粒度。到了過40目篩的粉碎粒度以后，粘度受細度的影響已經不大［14］。

木薯粉1混合木薯淀粉的峰值粘度均較低，這是因為粗細不同的粉粒混合造成分子間距不均勻所致。據報道某些美國玉米酒精發酵企業不再一味追求高粉碎粒度，而是讓醪液粗中有細，細中有粗，以提高醪液的流動性。

2.5 液化酶對高濃度木薯粉漿糊化液化粘度的影響

本組實驗采用的原料是木薯粉2，按照1.2.1的配料方法進行調漿，按照1.2.2的方法測定其糊化曲線，所用的粘度計轉子為“×10”。實驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同液化酶加入量對15%酒度對應的物料濃度的降粘作用曲線

從圖4可以看出，在15%（vol）酒精度對應的物料濃度條件下，當加酶量為10u/g木薯粉時，醪液粘度下降趨勢很明顯。但是隨著加酶量的增大，粘度下降程度變小，當加酶量為15u/g木薯粉和20u/g木薯粉時，兩者粘度下降程度沒有明顯差異。這是因為在高濃度的底物濃度條件下，隨著酶用量的加大，酶和底物接觸機率增大，在同一時間內粘度下降速度變快，但是隨著加酶量的增加，底物逐漸被酶飽和，因此在同一時間內酶和底物的作用速率相當，粘度的下降程度相當。從節約生產成本的角度考慮，選擇加酶量為10u/g木薯粉比較合適。

圖5 不同物料濃度均加10u/g木薯粉液化酶的降粘作用曲線

分析圖5，當加酶量為10u/g木薯粉時，10%（vol）酒精度對應的木薯粉漿糊化峰值粘度為150mPa·s，僅為不加液化酶時的3.26%，90℃時最后粘度為不加液化酶時的0.57%。在加酶量為10u/g木薯粉不變的條件下，隨著物料濃度的不斷增大，雖然液化峰值粘度相應增大，但15%（vol）酒精度對應物料的液化峰值粘度僅為10%（vol）酒精度對應物料在不加酶時的6.52%，其液化粘度值仍然很低。而且，加入10u/g木薯粉液化酶，三組物料90℃時最后粘度基本一致。由此可見液化酶的加入大幅度降低了糊化液化粘度。同時從糊化液化過程的粘度曲線形狀上看，加入液化酶之后沒有“老化回生”的問題存在。這是因為α-淀粉酶對于糊化淀粉具有很強的催化水解作用，能夠迅速水解淀粉分子內部的α-1，4葡萄糖苷鍵，隨著淀粉糖苷鍵的斷裂，淀粉鏈逐漸變短，并釋放出一部分糊化過程中固定的水分子，因此可以降低醪液的粘度，流動性增強［15］。

3 結論

3.1 木薯粉漿加熱糊化過程的粘度曲線符合典型的淀粉糊化曲線。實驗結果表明木薯粉漿加熱過程中粘度升高的主要原因是淀粉的吸水膨脹引起的；其糊化液化粘度隨著粉漿濃度的增加而上升；在淀粉含量相同的條件下，木薯淀粉漿比木薯粉漿起糊快且峰值粘度較高。

3.2 在木薯粉漿糊化前加入液化酶可以大幅度降低糊化峰值粘度。加入10u/g木薯粉耐高溫α-淀粉酶，10%（vol）酒精度對應木薯粉漿的液化峰值粘度僅為不加酶時的3.26%，90℃時最后粘度為不加酶時的0.57%。當物料濃度增加到15%（vol）酒精度對應的木薯粉漿，加入10u/g木薯粉耐高溫α-淀粉酶，其液化峰值粘度僅為10%（vol）酒精度對應木薯粉漿不加酶時的6.52%，兩組物料90℃時最后粘度基本一致。

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Study on viscosity of high-gravity cassava paste during liquification and geltinazation

LU Ting-ting1，WU Shi-hua2，YI Yi2，HUANG Cui-ji2，TONG Zhang-fa1

（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Department of Biology and Chemistry Engineering，Guangxi Technical College，Liuzhou 545006，China）

For better use of high-gravity cassava paste on ethanol production，the viscosity of high-gravity cassava paste in gelatinization and liquification process was studied by rotation viscometer.lt revealed that the viscosity curve of cassava paste was in the line with the typical curve of starch gelatinization，and the viscosity was increasing with the rising of concetration.With the same starch content，cassava starch paste gelatinized faster than the cassava paste and keeped a higher peak viscosity.The peak viscosity was effectively decreased by adding liquification enzyme before gelatinizing.When adding 10u/g cassava flour liquification enzyme，the peak viscosities of cassva paste corresponded to 10%（vol）and 15%（vol）alcohol were only 3.26%and 6.52%of the one which corresponded to 10%（vol）alcohol not adding liquification enzyme.

viscosity；cassava；gelatinazation；liquification；high-gravity-fermentation

TS231

A

1002-0306（2010）11-0132-04

2009-12-02

陸婷婷（1984-），女，碩士研究生，研究方向：化學工藝和生物化工。

廣西科學研究與技術開發項目（桂科攻0782003-2）；廣西柳州市科學研究與技術開發計劃項目（2007021102）。