挤压脱胚玉米制取超高麦芽糖浆酶制剂的选择

蔡玉玲，申德超

（山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255091）

麦芽糖含量在60%以下的麦芽糖浆为普通麦芽糖浆，60%～70%的为高麦芽糖浆，70%以上的麦芽糖浆为超高麦芽糖浆［1］.传统酶法制取超高麦芽糖浆的糖化工艺是以淀粉为原料，耐高温α－淀粉酶为液化酶，经过喷射液化后再糖化60～80h得到糖化液.20世纪80年代，挤压机已经被作为一种生物反应器，一些加入酶类谷物的挤出物可用于糖浆、乙醇等发酵生产中［2－3］.2007～2010年，申德超、奚可畏、马成业［4－6］研究了低温挤压添加酶制剂的玉米粗淀粉及脱胚玉米的糖化过程，研究表明用添加耐高温α－淀粉酶或中温α－淀粉酶的挤出物制取葡萄糖浆，糖化浆液过滤速度明显提高，且可以省去传统玉米淀粉糖浆喷射液化过程，减少水耗、电耗，减轻了环境污染；2008年，对低温挤压加耐高温α－淀粉酶脱胚玉米生产葡萄糖浆进行的生产中试结果表明，合适的挤压－液化参数可得到DE值为95.89%和透光率为98.5%的葡萄糖浆，其挤压参数范围如下:套筒温度为59～61℃，物料含水率为27.6%～39.4%，螺杆转速为108～110r／min，挤压加耐高温α－淀粉酶量为0.82～0.91L／t.基于加酶挤压技术在淀粉糖浆工业的应用优势，将此项技术应用于超高麦芽糖浆的生产中，对超高麦芽糖浆的工业生产有着重要意义.

本试验对低温挤压和液化过程中选用的酶制剂进行初步试验研究.

1 试验设备、材料与分析方法

1.1 试验设备

试验设备为自制的单螺杆挤压膨化机，生产率为100kg／h，它由组合套筒和螺杆组成，螺杆转速为0～1200r／min无级可调.套筒温度为0～300℃连续可调，配有温度数显仪表闭环自控系统，挤压机模孔孔径有级可调.结构简图如图1所示.

图1 单螺杆挤压蒸煮设备

1.2 试验材料

脱胚玉米 （市购），水质量分数为11.06%，淀粉质量分数75.28%；耐高温α－淀粉酶（活力20000U／mL，山东隆大生物工程有限公司）；中温α－淀粉酶（活力2000U／mL，山东隆大生物工程有限公司）；β－淀粉酶（活力500000U／mL，郑州市福源生物科技有限公司）；普鲁兰酶（活力1000U／mL，诺维信（中国）生物技术有限公司）；麦芽三糖酶（活力4000 PUN／g，诺维信（中国）生物技术有限公司）

1.3 分析方法

碘反应:取2.00mL液化浆过滤液置于白瓷板中，滴入适量0.01mol／L碘液（2.5g碘和5g碘化钾溶于水中，稀释到1000mL），观察反应颜色（不变蓝表示液化完全）.

糖化液过滤速度:以单位面积（m2）、单位时间（h）内通过的体积（L）表示，单位为L／（m2·h）.本试验采用布氏漏斗（直径d＝9cm）过滤，滤纸为定量中速滤纸，以收集50mL糖液的时间τ（h）来计算过滤速度，即

糖浆固形物、糖浆DE值和透射比的测定采用GB／T 20885－2007规定的方法；

糖浆还原糖的测定采用GB／T 5009.7－2008规定的方法；

糖组分分析采用高效液相色谱法（山东绿健生物技术有限公司质检科）.

1.4 色谱条件

色谱柱（P／No.OOH－0130－KO，Desc.Reze×RCM－Monosaccharide Ca2＋，Size.300×7.80 mm，S／No.520572－1，广州菲罗门科学仪器有限公司）；流动相:超纯水；分离柱:碳水化合物柱；柱温:80～85℃；流速:0.6mL／min；检测器:示差折光检测器（ShodexRI－101，天津伏尼克科技发展有限公司）；进样量:20μL.

1.5 挤压方法

低温挤压添加酶制剂的脱胚玉米（挤压添加酶制剂方案参照表3）.

1.6 液化方法

料水比为1∶2的加酶挤压脱胚玉米乳，用35%盐酸调pH值（调至pH6.0～6.2），加入适量液化酶，边搅拌边加热至一定温度，若需要灭酶，在一定温度下灭酶一定时间（耐高温α－淀粉酶:125℃，10min；中温α－酶:水浴90℃，10min），之后冷却至60℃.

1.7 糖化方法

冷却后的液化乳，用35%盐酸调至pH5.3～5.5，搅拌均匀后添加β－淀粉酶（1.5L／t）、普鲁兰酶（2.0L／t）和麦芽三糖酶（1.5L／t），搅拌均匀，在60℃条件下保温一定时间后，在90℃下保温10min灭酶.

1.8 工艺流程

挤出物→ 粉碎→调浆（料水比为1∶2，添加液化酶）→液化→灭酶（需要时）→冷却→调pH值（pH 5.3～5.5）→添加β－淀粉酶、普鲁兰酶和麦芽三糖酶→糖化保温（60℃）→灭酶→冷却→过滤→糖浆.

2 试验安排与结果分析

2.1 添加耐高温α－淀粉酶脱胚玉米挤出物应用于超高麦芽糖浆制作的预试验研究

在申德超教授科研团队［4－6］的研究成果基础上，试验设定挤压参数如下:模孔直径固定为12mm，轴头间隙固定为15mm，螺杆转速为110r／min，挤压加耐高温α－淀粉酶量为1.0L／t，套筒温度为60℃，物料含水率为30%.由于加酶脱胚玉米挤出物尚有一定的酶活性，所以在液化时采用加液化酶和不加液化酶两种方式进行，其中未加液化酶时，分为糖化前灭酶和不灭酶两种方式进行.其预试验结果见表1.

表1 挤压和液化过程中均添加耐高温α－淀粉酶预试验结果

从表1中数据看出，DE值和固形物含量最大的为液化时添加0.6L／t耐高温α－淀粉酶、糖化前灭酶、糖化36h的试验组，但其过滤速度过慢，所以此方案不可取，需要继续探索合适的挤压参数.

2.2 液化酶制剂的选用

在2.1试验基础上，用添加耐高温α－淀粉酶脱胚玉米挤出物制取超高麦芽糖浆，在糖化前灭酶需要高达125℃的高温，生产中消耗大量蒸汽，将挤压时添加的酶制剂改为β－淀粉酶和普鲁兰酶，挤压加酶量固定为β－淀粉酶（2.5L／t）和普鲁兰酶（3.0L／t），挤压温度为55℃，其他参数与2.1试验方案相同.液化过程中，液化酶选用耐高温α－淀粉酶、中温α－淀粉酶和β－淀粉酶其中的一种，试验结果见表2.

表2 液化酶制剂选用试验结果

表2中数据显示，液化加3.0L／t中温α－淀粉酶，糖化前灭酶的试验组过滤速度和还原糖含量最大，说明中温α－淀粉酶在较低温度下，可将淀粉较彻底降解，液化结束后进行灭酶，避免影响后续的糖化过程中糖化酶（β－淀粉酶、普鲁兰酶和麦芽三糖酶）对底物的作用，进而影响糖浆麦芽糖收率.且与耐高温α－淀粉酶相比，液化过程采用中温α－淀粉酶，可降低液化后灭酶温度（耐高温α－淀粉酶的最适温度为90℃以上，中温α－淀粉酶的最适温度为60～70℃，灭酶温度至少要高于酶最适作用温度），在生产中能节省能源，所以选用中温α－淀粉酶作为液化酶.

2.3 挤压酶制剂的选用

在2.2试验基础上，挤压时向脱胚玉米中添加的酶制剂选用中温α－淀粉酶、β－淀粉酶和普鲁兰酶其中的一种或几种的组合（挤压加酶种类组合分为Ⅰ～Ⅳ种方案，具体挤压加酶量和挤压温度按照编号1～10进行，见表4），液化添加中温α－淀粉酶（3.0L／t），液化温度从常温直接升至75℃，然后迅速灭酶.其他挤压参数同2.2试验相同.其试验安排和试验数据分别见表3和表4.

表3 挤压脱胚玉米添加的酶制剂试验安排表

表4 挤压脱胚玉米添加酶制剂的试验结果

如表4数据所示，所有试验方案中，液化都较彻底，而生产超高麦芽糖浆时，液化程度越低，糖化后麦芽糖含量越高，但如果液化程度太低，液化液粘度过高反而不利于后续操作，所以选择合适的液化程度对超高麦芽糖浆的生产有着重要意义［7］.

分子结构中含有还原性基团（如游离醛基、半缩醛羟基或游离羰基）的糖叫还原糖，如葡萄糖、果糖、麦芽糖、乳糖等.超高麦芽糖浆中的还原糖主要是葡萄糖和麦芽糖，而葡萄糖大部分是原料在液化过程中受到液化酶的降解作用而生成的，在液化程度相当和糖化时间相同（此处将糖化20h试验组作比较）的前提下，麦芽糖糖浆还原糖含量越高，说明麦芽糖含量越高，以还原糖含量为主要考察指标，通过比较表4中数据，得出方案1、3、6、9结果较好，为了更准确考察其麦芽糖含量，用高效液相色谱法测定4组糖液糖组分含量，并且为了考察糖化时间对糖浆麦芽糖含量的影响，将方案1的糖化时间延长至40h和60h，用高效液相色谱法测定糖液糖组分含量，结果见表5.

表5数据显示，6号的试验组麦芽糖含量最低，所以不考虑.3号和9号的试验组麦芽糖含量相对较高，葡萄糖含量相对较低，但是3号试验方案挤压前需向脱胚玉米中加入β－淀粉酶和普鲁兰酶，相对9号试验组挤压前只需向脱胚玉米中加入β－淀粉酶一种酶来说成本偏高，所以挤压前向脱胚玉米粉中加入的酶选用β－淀粉酶.且通过1号试验组的糖浆糖组分分析数据得知，若将方案9延长一定的糖化时间，其糖液麦芽糖百分含量定能达到81%以上，且其葡萄糖百分含量较相同糖化时间条件下方案1要少.

表5 液相色谱测定糖组分含量表

3 结论

1）低温挤压添加耐高温α－淀粉酶脱胚玉米生产葡萄糖浆的挤压参数在制作超高麦芽糖浆中不适用.

2）与液化过程中添加耐高温α－淀粉酶或β－淀粉酶的试验结果相比，液化过程中添加中温α－淀粉酶（添加量为3.0L／t）的糖液还原糖含量达20.56g／100g，且使糖化前灭酶工序得到简化，所以选用中温α－淀粉酶为液化酶制剂.

3）在液化程度相当、糖化时间相同的前提下，由添加β－淀粉酶（添加量为1.5L／t）和普鲁兰酶（添加量为2.0L／t）的脱胚玉米挤出物制得的糖液中麦芽糖含量为77.68%，葡萄糖含量为6.951%；由添加β－淀粉酶（添加量为1.5L／t）脱胚玉米挤出物制得的糖液中麦芽糖含量为76.83%，葡萄糖含量为6.876%，从生产成本考虑，挤压时向脱胚玉米中添加的酶制剂选用β－淀粉酶.

［1］曹龙奎，李凤林.淀粉制品生产工艺学［M］.北京:中国轻工业出版社，2008.

［2］Linko P，LinkoY Y，Olkku J.Extrusion cooking and bioconversions［J］.Journal of Food Engineering，1983，2（4）:243－257.

［3］Grafelman D D，MeagherM M.Liquefaction of starch by a single screw extruder and post－ex trusion static mixer reactor［J］.Journal of Food Engineering，1995，24（4）:529－542.

［4］申德超，奚可畏，马成业.低温挤压添加酶制剂的玉米粗淀粉的糖化过程试验研究［J］.农业工程学报，2007，23（12）:263－268.

［5］申德超，奚可畏，马成业.低温挤压加酶脱胚玉米粉生产糖浆糖化试验［J］.农业机械学报，2010，41（8）:140－145.

［6］马成业，申德超.脱胚玉米添加中温酶挤出物制取葡萄糖浆试验研究［J］.农业机械学报，2010，41（5）:126－130.

［7］周建芹，罗发兴.Maltogenase和β－淀粉酶制取超高麦芽糖浆的研究［J］.农业工程学报，2002，18（1）:126－128.