果葡糖漿生產過程影響因素及工藝穩定性研究

李貴濤，皮冬偉，耿鑫琪，李文釗，臧傳剛，趙永武*

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果葡糖漿生產過程影響因素及工藝穩定性研究

李貴濤1，皮冬偉1，耿鑫琪1，李文釗2，臧傳剛2，趙永武1*

（1. 武漢中糧食品科技有限公司，湖北 武漢 430415； 2. 中糧營養健康研究院，北京 昌平 102209）

果葡糖漿是一種由淀粉制備的甜味劑，其在食品工業中的應用十分廣泛。在果葡糖漿的工業生產中，對淀粉的水解效率直接影響其效率和品質。研究了玉米淀粉在大生產的液化和糖化過程中，液化液DE值、糖化酶加入量、液化液底物濃度、糖化液pH值、糖化溫度等條件對最終糖化液中葡萄糖值的影響。在此基礎之上，分析了系統物料平衡，根據實際生產中參數變換可進行及時調整，從而控制系統穩定性，經參數優化、工藝改進及系統穩定控制后，最終糖化葡萄糖值達到96%以上，可獲得成品果葡糖漿總糖組分達到96%以上的高品質產品。

果葡糖漿；液化；糖化；DE值；DX值

果葡糖漿是一種重要的甜味劑，用淀粉酶和糖化酶降解淀粉可以獲得高濃度葡萄糖溶液，再經過葡萄糖異構化酶作用產生果糖，再經蒸發、濃縮和混床，從而產生果糖和葡萄糖的混合糖漿產品［1］。近20年來，中國淀粉糖產業發展迅猛，應用領域不斷拓展，尤其是在食品工業的應用中，每噸果葡糖漿的價格僅為蔗糖的一半，使其成為一種蔗糖的重要替代品，特別是在飲料行業中，其風味與口感要優于蔗糖［2-4］。

果葡糖漿是玉米深加工的產物，我們在生產中使用的淀粉主要來自東北玉米黃金帶的玉米淀粉，如公主嶺、榆樹、龍江等地生產的淀粉。然而在實際生產中，受到淀粉原料、酶制劑、生產工藝等綜合因素的影響，果葡糖漿在生產在技術和工藝上還有很多需要改進和提高的地方，比如淀粉的液化和糖化效率、工藝參數優化對總糖得率的提高以及生產系統穩定控制方面等，因此優化果葡糖漿的生產工藝對于提高糖漿的質量和應用價值具有重要的意義［5-8］。本研究旨在通過系統研究淀粉糖生產過程相關實驗條件和工藝參數，通過工藝控制的改進和優化，獲得更高的淀粉轉化率和更高效率的果葡糖漿生產。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

玉米淀粉[吉林生化能源（公主嶺）有限公司]，耐高溫α-淀粉酶（杰能科POWERLIQ），復合糖化酶（杰能科），五水硫酸銅（國藥集團），氫氧化鈉（上海凌峰），酒石酸鉀鈉（上海凌峰）。

1.2 實驗設備

年產10萬t果葡糖漿生產線（武漢中糧食品科技有限公司）；液相色譜分析儀（安捷倫）； pH計（梅特勒）；阿貝折光儀（上海精科）。

1.3 實驗方法

調漿：將玉米淀粉加水調成31%~37%的淀粉乳。攪拌均勻后，調節pH值至5.5～6.0，加入耐高溫α-淀粉酶，酶的添加量為平均每噸干物150～200 mL，攪拌均勻后泵入淀粉乳噴射前儲罐。

噴射液化：淀粉乳從調配罐泵出，轉子泵將淀粉乳通過噴射器蒸汽噴射，噴射液化溫度控制在(118±1)℃，維持2~3 min，噴射液化的剪切力將淀粉徹底糊化，大幅度降低淀粉乳的粘度，隨后進行一次閃蒸，通過真空冷卻系統使溫度控制在96~98℃之間，閃蒸后淀粉乳進入層流罐保溫120~150 min進行液化，再經二次閃蒸罐閃蒸，并降溫至（60±1）℃進入糖化pH值調節罐，將pH值調節至4.0~4.5，每噸干物加入400~650 mL復配糖化酶進入糖化罐。

淀粉酶活力的測定采用DNS比色法；DE值的測定采用菲林試劑法（GB/T12099-89）。

2 實驗結果及分析

2.1 玉米淀粉糖化過程實驗結果及分析

2.1.1 液化液DE值變化對糖化組分的影響

工業應用中衡量淀粉水解程度的兩個重要指標是DE值和DX值。DE值是指還原糖占糖漿干物質的百分比；DX值指糖液中葡萄糖含量占干物質的百分率。因有部分還原二糖、三糖存在，一般來講DE值會比DX值略大。

我們首先探討液化結束淀粉漿DE值對最終DX值的影響。液化結束的標準是碘試合格，大的淀粉顆粒被蒸汽噴射和α-淀粉酶的酶切成為短片段，因后續還有待糖化酶發揮作用，所以生產中要嚴格控制液化的時間和程度。我們取淀粉漿濃度為33%~33.5%液化液，DE值分別為（12.0±0.2）%，（13.0±0.2）%，（14.0±0.2）%，（15.0±0.2）%，（16.0±0.2）%，（17.0±0.2）%，（18.0±0.2）%。結果如圖1所示，我們可以看出，當DE=12%~14%時，隨著液化液DE值的升高，糖化結束的DX值基本不變。當DE>14%時，隨著DE值增加，液化液DX值逐漸降低，葡萄糖的收率隨之降低。由此我們知道，保持液化液結束DE值在12%~14%的水平，有利于糖化酶更好的發揮作用，提高最終葡萄糖是得率。

圖1 液化DE值對糖化DX值的影響

2.1.2 糖化加酶量變化對糖化液組分的影響

選取底物濃度為33.0%~33.5%，DE值為13%~14%之間的液化液，每噸干淀粉分別添加復合糖化酶400、450、500、550、600、650 mL。在溫度60.0~61.0 ℃，pH值在4.3~4.5條件下進行糖化48 h。測量糖化結束葡萄糖含量，得到如圖2所示結果。可以看出，在一定范圍內，隨著糖化酶量添加量的升高（400~550 mL），糖化液的DX值升高非常明顯；當糖化酶加量繼續升高（550~650 mL）時，糖化DX值提升變慢，說明酶的添加基本足夠，這時限制催化效率的不再是酶的量，而是底物量。我們知道，在33.0%~33.5%底物濃度下，糖化酶的最優添加量是550 mL。

圖2 糖化加酶量對糖化DX值的影響

Fig.2The relationship between the amount of compound glucoamylase and final dextrose value

2.1.3 底物濃度條件變化對糖化DX值的影響

選取DE值為13%～14%的液化液，分別選取淀粉濃度為（31±0.2）%，（32±0.2）%，（33±0.2） %，（34±0.2）%，（35±0.2）% ，（36±0.2）%，（37±0.2）%的液化液，在溫度60.0~61.0 ℃、pH值4.3~4.5時，復合糖化酶每噸干淀粉加入量為550 mL條件下糖化48 h。我們可以得到底物濃度與糖化DX值關系圖（如圖3所示），從圖中我們可以看出，在相同的液化DE值控制程度下，隨著底物濃度的升高，也會影響糖化酶作用于液化液的效率，表現為糖化液的DX值隨底物濃度升高逐漸降低，說明在葡萄糖生產過程中，保持較低的底物濃度有利于產生高濃度的葡萄糖糖化液。而在實際生產中，適當提高淀粉底物濃度可以降低綜合成本，而果糖生產過程中當DX值≥95%即可滿足最終果葡糖漿產品的品質要求。所以淀粉濃度可提高到33%,并根據實際中DX值的情況，繼續適當提高底物濃度，以達到綜合效率最佳。

圖3 糖化底物濃度變化對糖化DX值變化趨勢

2.1.4 糖化pH值對糖化液DX值的影響

因淀粉生產工藝里涉及對玉米的酸處理及后期加堿中和，來源和加工工藝不同淀粉原料的pH值不盡相同，而pH值對酶活有影響。在其他條件不變的情況下， pH值分別設為3.8，4.0，4.2，4.4，4.6，4.8，5.0，5.2的液化液，以最終糖化DX值為衡量指標，研究pH值對工藝的影響。我們得到糖化pH值對糖化DX值關系曲線圖（如圖4所示），從中我們可以看出，當pH值在3.8至4.4之間，隨pH值升高，DX值逐漸升高，而當pH值在4.6至5.2之間，隨pH值升高，糖化DX值逐漸降低，說明糖化過程中，酶制劑在pH值為4.4時性能發揮最佳，酶活性最高，有助于淀粉充分水解。

圖4 糖化pH值變化對糖化DX值變化趨勢

2.1.5 糖化溫度對糖化液DX值的影響

底物濃度為33.0%～33.5%，分別選取糖化溫度為55，56，57，58，59，60，61，62，63，64，65，66，67，68 ℃， 保證液化液DE值在13%～14%之間，pH值為4.3～4.5之間，復合糖化酶噸干淀粉加入量為550 mL，糖化48 h。

根據所得數據，做糖化溫度對糖化DX值關系曲線圖（如圖5所示），從圖5可以看出，隨著糖化溫度的不同，糖化液的DX值從55 ℃至58 ℃之間隨溫度升高，DX值逐漸升高，而在糖化溫度58 ℃至62 ℃變化過程中，糖化DX值變化不明顯，趨于平穩狀態，而在62 ℃至68 ℃之間，隨溫度升高糖化DX值逐漸降低，說明糖化過程中，酶制劑在溫度58～62 ℃最為適宜，酶活性最高，有助于水解。

圖5 糖化溫度變化對糖化DX值變化趨勢

2.2 生產過程組分的穩定控制

2.2.1 F55果糖生產系統總糖平衡

優化工藝從而追求產量的提高和效率的提升固然重要，但在實際生產中，因種種不可控因素影響，精細化的管理調控難以執行，而在一個長期的生產過程中，以產品合格為目標，對工藝的穩定維持和控制具有更重要意義。

在F55果葡糖漿生產中，糖化結束后得到葡萄糖含量≥95.0%的糖化液,經過離交、蒸發、濃縮等工序后用異構酶處理，最終的成品果糖含量≥42.0%。再通過色譜分離系統將果葡糖漿與葡萄糖漿分離，其中提取液的果糖含量≥85.0%，與F42果糖進行一定比例混配達到果糖含量為55%～58%的F55果葡糖漿，而分離的殘液的果糖含量≤8%的葡萄糖與異構前的葡萄糖混合后再此進入異構化工序。此生產過程中按照理論計算，成品總糖與糖化總糖應該相等，而在實際生產過程中，當前后工序存在變化時未得到有效及時的調整，將出現成品總糖偏差很大現象，并會造成產品不合格現象。我們通過工藝分析系統糖組分變化（如圖6），當糖化葡萄糖值達到95.0%時，成品組分須同時達到95.0%，而前提是必須保證異構組分及分離組分達到目標組分，而當系統存在波動時，就存在偏離現象，成品組分將低于95.0%，存在不合格現象。

圖6 F55果糖系統總糖平衡圖

2.2.2 實際生產過程中總糖組分變化

F55果糖生產實際過程中，取樣品為2017年1～5月份各個工序平均組分，糖化液DX值、分離殘液、異構出料、分離提取液、混配后及成品六個樣品，經過液相色譜分析結果，做趨勢圖（如圖7所示）。各個工序總糖組分變化存在一定規律，分離殘液總糖含量為最低，分離提取液總糖含量為最高，說明系統總糖存在一定規律的變化，與理論基本一致，但成品組分較糖化組分略低，在0.2%左右，因此為保證成品指標，糖化指標要≥95.2%。

根據總糖平衡的原理（圖6），若存在工藝控制的波動，如過濾糖化液量偏小，而分離系統仍處于高負荷狀態，分離殘液相對較大情況下，導致異構總糖低，從而影響混配及成品的偏低，從而存在總糖偏低，甚至低于95.0%的現象，見如下表1所示

表1 F55果葡糖漿生產工藝變化對系統總糖影響跟蹤表

根據表1可知，當異構量降低，而分離進料和分離殘液未進行改變時，最終成品總糖將低于成品要求的95%，處于不合格狀態；而當異構量增加，而分離進料和分離殘液未進行改變時，最終成品總糖將高于95.2%，但只是短暫提高，分離進料量和殘液量將隨著異構量的提高滿足相應的生產負荷也將隨之提高，因此達到系統平衡狀態。

圖7 F55果葡糖漿生產過程中總糖的變化

2.2.3 生產過程工藝穩定控制

按照設計產能333 t/d計算，各個工序根據不同負荷控制不同進料量，其具體情況如表2所示。

表2 F55果葡糖漿生產過程中工藝控制表

所以，根據不同負荷進行調整合適的異構進料量，同時進行調整色譜分離負荷，當遇到工藝調整時，異構工序、色譜分離工序及時進行調整，從而使總糖保持平衡，成品組分保持合格狀態。比如生產負荷在100%，日產量為333 t/d，對應異構量為28.5 m/h，分離進料量為9.7 m/h，同時分離殘液（DX值91%～92%）以13.5 m/h返至異構前與糖化液（DX值≥95%）進行混配，使異構進料DX值≥94%，再與分離提取液DX值≥98%進行混配，達到最終總糖值≥95%。

3 結論

通過對影響果葡糖漿生產工藝中DX值的五種因素（液化結束DE值、糖化酶加量、淀粉濃度、糖化pH值、糖化溫度）的研究，我們獲得了果葡糖漿過程條件的優化參數，液化結束DE值控制在12%～14%，糖化加酶量每噸干淀粉為550 mL，淀粉固形物濃度（33±0.5）%，糖化pH值在4.4～4.6之間，糖化溫度58～62 ℃時可以產生出DX值>96%的高品質糖化液。

此外，在實際生產中，當生產負荷有變化時，根據本文總結的系統物料平衡數據，需對關鍵工序及時進行相應調整，如異構量、分離進料量、分離返料量等等，最終成品總糖等于糖化出料總糖，使生產系統處于平穩可控狀態。

［1］王建中. 新型甜味劑——果葡糖漿生產工藝[J]. 河南科技, 1988(9):7-9.

［2］張力田. 淀粉糖品的發展和在食品工業中的應用[J]. 食品與發酵工業, 1982(1):54-62+70.

［3］鄭鐘強, 溫木盛. 果葡糖漿生產的發展與國內前景[J]. 甘蔗糖業, 1988(2).

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［5］王犇, 寧玉娟, 李克賢,等. 果葡糖漿生產技術的研究進展[J]. 大眾科技, 2014(1):38-41．

［6］姜錫瑞,儲以平. 提高淀粉糖生產水平[J]. 山東食品發酵, 2005(3):11-16.

［7］楊曉瑞, 梁金花, 徐文龍,等. 果葡糖漿的制備工藝研究[J]. 食品與發酵科技, 2013(2):40-43.

［8］郝建明. 果葡糖漿及其生產工藝要點[J]. 食品工業科技, 2006(8):204-205.

Study on Influence Factors and Process Stability of High Fructose Syrup Production Process

1，1,1,2,2,1*

（1. Wuhan COFCO Food Science and Technology Co., Ltd., Hubei Wuhan 113001, China；2. COFCO Nutrition and Health Institute, Beijing 102209, China）

Fructose corn syrup is a sweetener prepared mainly from corn starch, it is widely used in the food industry. In the industrial production process of fructose corn syrup, the hydrolysis efficiency of corn starch directly affects the yield and quality of fructose corn syrup. In this paper, the correlation of dextrose with the pH value of liquefied liquid, the amount of glucoamylase enzyme, the concentration of liquefied liquid, the pH of saccharification liquid and the saccharification temperature during the liquefaction of corn starch was systematically studied. Based on the above analysis, the material balance of the whole system was studied, and the optimized parameters can be applied on actual industrial production, the stability of the system can be exactly controlled. Through the process optimization and system stability control, the final saccharified dextrose value can exceed 96%, we can get high quality fructose corn syrup with total sugar content more than 96%.

Fructose corn syrup; Saccharification; Liquefaction; Dextrose equivalent value; Dextrose value

O 636

A

1671-0460（2017）12-2435-04

20 17-09 -05

李貴濤（1984-），男，黑龍江省哈爾濱市人，助理工程師，2008年畢業于齊齊哈爾大學食品科學與工程專業，研究方向：淀粉糖生產工藝技術。E-mail：ligt@cofco.com。

趙永武（1968-），男，高級工程師，博士, 研究方向: 淀粉糖生產工藝技術。E-mail：zhaoyongwu@cofco.com。