添加淀粉酶脫胚玉米的擠壓停留時間分布和淀粉轉化率研究

范玉艷 段方方 佟 童 田 震 杜 鑫 馬成業

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000)

添加淀粉酶脫胚玉米的擠壓停留時間分布和淀粉轉化率研究

范玉艷 段方方 佟 童 田 震 杜 鑫 馬成業

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000)

應用四因素五水平正交旋轉組合試驗設計，研究單螺桿擠壓機操作參數(脫胚玉米中耐高溫淀粉酶添加量、螺桿轉速、脫胚玉米含水量和擠壓機末端套筒溫度)對停留時間分布跨度和擠出物制取糖漿的淀粉轉化率的影響。試驗中以赤蘚紅為示蹤劑，使用分光測色儀測試脫胚玉米加酶擠出物的a值，通過a值的變化得出物料的擠壓停留時間分布，停留時間分布跨度在1.07～1.73。采用嶺回歸尋優分析，得到停留時間分布范圍131.59～145.45 s的擠壓系統參數：耐高溫淀粉酶添加量0.71～0.75 L/t、原料含水量24.7%～25.5%、擠壓機末端套筒溫度97.8～101.2 ℃、擠壓機螺桿轉速102.3～107.2 r/min。對擠壓停留時間分布跨度和淀粉轉化率進行回歸分析，回歸模型均達到高度顯著性水平，該二次模型能夠擬合真實的試驗結果；典型相關性分析表明，二者之間有低度正相關，相關系數為0.396 3。

擠壓 停留時間分布 脫胚玉米 淀粉酶 色差

酶聯合擠壓活化技術是淀粉生物和機械降解、加快淀粉酶的水解速度和提高淀粉利用率的一種重要、有效的方法和手段[1-2]。擠壓過程中淀粉受到水分、熱、機械剪切等的聯合作用，維持顆粒結構的部分氫鍵斷裂、結晶結構解體，膨脹的淀粉粒破裂[3-4]。擠壓過程使得淀粉結晶結構消失，分子量降低，使淀粉顆粒和半結晶體系轉變成高黏和塑性態[5]，擠壓過程還可增加淀粉酶與顆粒形態消失的淀粉的作用面積，加快酶的水解速度。停留時間分布(Residence Time Distribution，RTD)是描述物料在擠壓機內經歷的時間范圍[7-8]。停留時間分布直接影響淀粉在擠壓過程中糊化、降解、淀粉脂復合物的形成等化學乃至生化反應，并決定生化反應程度的大小和最終擠壓產品的特性[6]。由于物料在擠壓機內流動不是均勻的，使得同時進入的物料在擠壓機內的停留時間不等，一部分物料被擠出，另一部分后被擠出，也就是物料在擠壓機內的停留時間分布是決定反應進行程度的重要因素，要實現對產品品質的有效預測及控制，就必須知道反應時間，也就是物料在擠壓機內的停留時間[9]。眾多學者研究谷物原料在單、雙螺桿擠壓機的停留時間分布[9-12]，但是脫胚玉米谷物在酶聯合擠壓中的停留時間分布研究較少。

本試驗采用赤蘚紅示蹤法，從擠壓機中染色劑濃度的變化計算出脫胚玉米的擠壓停留時間。擠壓機操作參數和物料性質對停留時間分布的影響較大[10]，因此，通過分析物料在擠壓機內的停留時間，研究螺桿擠壓機操作參數對停留時間分布跨度和擠出物制取糖漿的淀粉轉化率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料和設備

脫胚玉米(含水量12.6%，淀粉質量分數75.36%，蛋白質質量分數8.05%，脂肪質量分數1.04%)：市售；耐高溫α-淀粉酶(活力80 000 μ/mL)：博立生物工程有限公司；赤蘚紅B鈉鹽：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器和設備

單螺桿擠壓試驗臺為山東理工大學自制，生產效率為100 kg/h，由組合套筒和螺桿組成，套筒內徑79 mm，套筒長度1 280 mm，螺桿直徑77 mm，螺桿尖端直徑60 mm，有效螺桿長度1 263 mm，螺紋深度11 mm，螺桿轉速為0～1 200 r/min無級可調。套筒溫度為0～300 ℃連續可調，配有溫度數顯儀表閉環自控系統，擠壓機模孔孔徑(6.0～16.0 mm)有級可調。CM-3600a分光測色儀：柯尼卡美能達。

1.3 脫胚玉米擠壓與收集

準備2.0 kg原脫胚玉米，調整含水量為30.0%，按照表1和表2添加適量的耐高溫α-淀粉酶，混勻，備用；啟動擠壓機，并喂入添加酶制劑的脫胚玉米，當擠壓機操作狀態達到穩定時，將0.5 g(0.025%，占原料比例)赤蘚紅瞬間投入擠壓機進料口，并啟動秒表開始記錄時間，同時進行5 s為一收集區間。

表1 因素水平編碼表

表2 擠壓試驗設計

注：A第一道阻流環前二節螺紋；B第一道阻流環上；C第一道阻流環后一節螺紋到第二道阻流環前一節螺紋之間；D第二道阻流環上；E1回流槽內；E2回流槽外；F螺桿端部與模板之間間隙。圖1 單螺桿擠壓機螺桿結構

將取得的樣品晾干，粉碎，過篩(60目)，使用分光測色儀測量各個樣品的a值(a值表示從洋紅色至綠色的范圍)，再經由標準曲線的校正及轉換可獲得各點的染料的真實濃度值。根據不同時間段t擠出的染色劑的濃度C(t)分別計算停留時間分布函數E(t)及累計停留時間分布函數F(t)的值[13]，繪出E曲線圖與F曲線圖。

(1)

(2)

物料在擠壓機內受到擠壓操作參數(螺桿轉速、套筒溫度、模孔直徑)、結構參數(螺紋形式、阻流環分布)、原料參數(顆粒度、含水量、淀粉酶添加量)等影響，停留時間分布變化較大。根據停留時間分布函數E(t)及累計停留時間分布函數，計算t10、t50、t90，引入停留時間分跨度描述物料在擠壓機內停留時間分布情況，數值大的停留時間分布跨度寬，數值小的停留時間分布跨度窄。則停留時間分跨度計算公式見式(3)。

(3)

式中：t10為F(t)縱坐標累計分布10%所對應的橫坐標RTD值；t50為F(t)縱坐標累計分布50%所對應的橫坐標RTD值；t90為F(t)縱坐標累計分布90%所對應的橫坐標RTD值。

1.4 低溫擠壓機試驗因素水平編碼表和試驗安排

以脫胚玉米為原料，以擠壓時耐高溫α-淀粉酶添加酶量、擠壓機螺桿轉速、原料水分質量分數和擠壓機末端套筒溫度為試驗因子，以停留時間分布為考察指標。采用四因素五水平二次正交旋轉組合設計試驗，試驗因素水平編碼表如表1所示。

1.5 淀粉轉化率測試

脫胚玉米酶聯合擠出物制曲糖漿工藝流程為：脫胚玉米→粉碎→添加酶制劑→擠壓膨化→擠出物→液化→糖化→滅酶→過濾→指標測定。

淀粉轉化率的測定參考《淀粉糖品生產與應用手冊》中的方法[14]：

(4)

1.6 數據分析

結果使用SAS 9.1處理試驗數據，并使用Origin 8.0繪制圖形。

2 結果與討論

2.1 擠壓停留時間范圍結果分析

繪制出擠出停留時間分布與a值、每個時間點擠出的染色劑所占百分比及其累積百分比的曲線E(t)、F(t)，圖2為代表性樣品。根據所繪制的累積百分比曲線，確定10%、50%和90%的赤蘚紅染色劑被擠出的時間。

圖2 停留時間分布函數E(t)及累計停留時間分布F(t)函數曲線

2.2 擠壓停留時間分布跨度回歸方程建立和檢驗

根據試驗結果，建立停留時間分布跨度的回歸模型，并對模型方差分析，結果表明，響應面回歸模型達到高度顯著性水平(P=0.045 5)(見表3)。回歸方程模型失擬P=0.503 3>0.05，不顯著，說明該二次模型能夠擬合真實的試驗結果。淀粉轉化率回歸模型達到極顯著水平(P=0.000 1)，回歸方程模型失擬P=0.472 2>0.05，不顯著，說明該二次模型能夠擬合真實的試驗結果。

擠壓停留時間分跨度(Y1)和淀粉轉化率(Y2)的回歸方程為：

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 停留時間分跨度和淀粉轉化率回歸模型分析和失擬分析

2.3 擠壓參數對考察指標影響的響應面圖

根據試驗安排和試驗結果，考慮每2個因素之間的交互影響對擠壓停留時間的影響，使用SAS軟件建立擠壓停留時間的響應面。

物料在機筒內的停留時間及其分布被認為是擠壓加工過程中的重要參數，決定了生化反應程度的大小和最終擠壓產品的質量[10]。在實際的擠壓過程中，機筒內的溫度通常是不等溫的,溫度的變化影響著物料的黏度以及機筒內的壓力梯度[15]。本試驗中，預混合耐高溫淀粉酶的脫胚玉米在擠壓過程中的停留時間分布跨度隨著溫度的升高先升高后降低，在擠壓機末端套筒溫度為70 ℃時的停留時間跨度最大。停留時間跨度隨著耐高溫淀粉酶添加量的增加而降低，當酶添加量為0.7 L/t時的停留時間分布跨度最大。當物料中的耐高溫α-淀粉酶添加量少時，物料在擠壓機中的停留時間短(如圖3所示)。這是因為物料本身含有一定的水分，流動性較強，物料加酶量在一定范圍內，加酶量越高，物料中的淀粉在耐高溫α-淀粉酶的作用下發生液化，物料的流動性隨之降低，停留時間分布跨度降低。停留時間分布跨度隨著螺桿轉速和原料水分質量分數的增加而降低。物料原料水分質量分數越高，原料由于水的潤滑作用，物料之間、物料和套筒與螺桿之間的黏度低[16]，流動性越強，在擠壓機中的停留時間越短(圖3)。

擠出物制取糖漿的淀粉轉化率隨著原料水分質量分數和耐高溫淀粉酶添加量的升高呈現出先升高后降低的趨勢；螺桿轉速增大，淀粉轉化率升高；當末端套筒溫度升高時，淀粉轉化率先升高后降低。

圖3 擠壓參數對停留時間分布的影響

由圖4可知，加酶量增加時，物料的淀粉轉化率隨之增大，但增加到一定程度時，淀粉的轉化率反而降低；當溫度升高時，物料的淀粉轉化率隨之增加，溫度升高有利于淀粉分子間的氫鍵斷裂，淀粉易被降解、糊化，有利于淀粉轉化，但溫度過高不利于酶的作用，導致淀粉轉化率降低。淀粉的轉化率與螺桿轉速呈正相關，擠壓機螺桿轉速增加，使淀粉在擠壓機中所受的剪切力變大，淀粉的晶型結構遭到破壞更易被酶水解轉化成淀粉糖；當擠壓機螺桿轉速低時，物料的淀粉轉化率主要受加酶量的影響。

圖4 酶聯合擠壓參數對轉化率的影響

2.4 停留時間分布和淀粉轉化率的相關性分析

典型相關性分析用來考察2個變量相互變化的關聯關系，變量之間沒有因果關系[17]。使用SAS軟件的CANCORR程序分析停留時間分布和淀粉轉化率之間的相關性，典型相關系數為0.396 3(P=0.049 7)，表明2個變量之間存在低度正相關關系，即隨著停留時間分布跨度變寬，淀粉轉化率有增加的趨勢。

采用嶺回歸分析，當耐高溫淀粉酶添加量為0.71～0.75 L/t，原料含水量為24.7%～25.5%，擠壓機末端套筒溫度為97.8～101.2 ℃，擠壓機螺桿轉速為102.3～107.2 r/min時物料在擠壓中的停留時間較長，為131.59～ 145.45 s。

3 結論

以赤蘚紅為示蹤劑，研究單螺桿擠壓機操作參數對停留時間分布跨度和擠出物制取糖漿的淀粉轉化率的影響。停留時間分布跨度在1.07～1.73；當耐高溫淀粉酶添加量為0.71～0.75 L/t，原料含水量為24.7%～25.5%，擠壓機末端套筒溫度為97.8～101.2 ℃，擠壓機螺桿轉速為102.3～107.2 r/min時物料在擠壓中的停留時間較長，為131.59～145.45 s。對擠壓停留時間分布跨度和淀粉轉化率進行回歸分析，回歸模型均達到高度顯著性水平，該二次模型能夠擬合真實的試驗結果；典型相關性分析表明，二者之間有低度正相關，相關系數為0.396 3。

致謝：感謝山東省高等學校優勢學科人才團隊培育計劃和金誠謙老師對本項目的支持。

[1]Baks T,Kappen F H J,Janssen A E M,et al.Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch-water mixtures with alpha-amylase from B.licheniformis[J].Journal of Cereal Science,2008,47(2):214-225

[2]葛潔，吳春森，徐學明.加酶擠壓處理玉米淀粉對低聚異麥芽糖產量的影響[J].食品與機械，2016，33(9)：183-186

Ge Jie,Wu Chunsen,Xu Xueming.Influence of enzymatic extrusion of corn starch on preparation of isomalto-oligosaccharides[J].Food and Machinery,2016，33(9)：183-186

[3]Raphaelides S N,Dimitreli G.Effect of processing history on the physicochemical and structural characteristics of starch-fatty acid extrudates plasticized with glycerol[J].Carbohydrate Polymers,2011,83(2):727-736

[4]馬成業，申德超.玉米粗淀粉加酶制取糖漿擠壓參數優化[J].食品研究與開發，2012，33(7)：11-15

Ma Chengye,Shen Dechao.The optimization of extrusion parameters of producing syrup with extruded corn raw starch added enzyme[J].Food Research and Development,2012，33(7)：11-15

[5]O’Brien S,Wang Y J,Vervaet C,et al.Effects of shear and pH on starch phosphates prepared by reactive extrusion as a sustained release agent[J].Carbohydrate Polymers,2009,76(4):57-566

[6]Gogoi B K,Yam K L.Relationships between residence time and process variables in a corotating twin-screw extruder[J].Journal of Food Engineering,1994,21(2):177-196

[7]馬秀清.嚙合同向雙螺桿擠出過程停留時間分布實驗研究[J].中國塑料，2003，17(9)：85-88

Ma Xiuqing.Experimental study of residence time distribution in intermeshing co-rotating twin-screw extrusion[J].China Plastics,2003，17(9)：85-88

[8]Engisch W,Muzzio F.Using residence time distributions(RTDs)to address the traceability of raw materials in continuous pharmaceutical manufacturing[J].Journal of Pharmaceutical Innovation,2015,11(1):1-18

[9]趙學偉，魏益民，張波.小米-豆粕混合物在雙螺桿擠壓機內的停留時間分布及其模擬[J].食品工業，2012，33(9)：146-149

Zhao Xuewei,Wei Yimin,Zhang Bo.RTD of foxtail millet flour-soybean meal blend in a twin-screw extruder and its simulation[J].Food Induustry,2012，33(9)：146-149

[10]張裕中,張文明.物料在雙螺桿擠壓機中停留時間分布的研究[J].糧食與飼料工業，2000，12(12)：48-50

Zhang Yuzhong,Zhang Wenming.A study on residence time distribution of material in the twin-screw extruder[J].Cereal and Feed Industry,2000，12(12)：48-50

[11]張先明,李廣贊,馮連芳,等.雙螺桿擠出機中局部停留時間分布研究[J].高校化學工程學報，2008，22(3)： 435-440

Zhang Xianming,Li Guangzan,Feng Lianfang,et al.Local residence time distribution in twin-screw extruder[J].Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2008，22(3)：436-441

[12]Seker M.Residence time distributions of starch with high moisture content in a single-screw extruder[J].Journal of Food Engineering,2005,67(67):317-324

[13]Kumar A,Ganjyal G M,Jones D D,et al.Digital image processing for measurement of residence time distribution in a laboratory extruder[J].Journal of Food Engineering.2006,75(2):237-244

[14]尤新.淀粉糖品生產與應用手冊[M].北京：中國輕工業出版社，2010：40-41

You Xin.Manual of Starch sugar production and applications[M].Beijing：China Light Industry Press, 2010:40-41

[15]張裕中，戴寧.食品物料在雙螺桿擠壓機中流動狀態分析[J].包裝與食品機械，2000，18(5)：7-10

Zhang Yuzhong,Dai Ning.The analysis on the flowing behavior of food material in the screw extruder[J].Packaging and Food Machinery,2000，18(5)：7-10

[16]Lin S,Huff H E,Hsieh F.Extrusion process parameters,sensory characteristics,and structural properties of a high moisture soy protein meat analog[J].Journal of Food Science,2002,67(3):1066-1072

[17]傅德印,黃健.典型相關分析中的統計檢驗問題[J].統計研究，2008，25(7)：110-112

Fu Deyin,Huang Jian.Statistical test problems of canonical correlation aanalysis[J].Statistical Research,2008，25(7)：110-112.

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

國家自然科學基金(31471676)，山東理工大學青年教師發展支持計劃(4072-112010)，山東理工大學大學生創新計劃(2016032)

2016-10-25

范玉艷，女，1994年出生，碩士，食品科學與工程

馬成業，男，1978年出生，副教授，農產品貯藏與加工