玉米粉擠壓液化工藝優化

孟悅，劉香英，孫洪蕊，康立寧，曾憲鵬，楊志強

（吉林省農業科學院，吉林 長春 130033）

玉米粉液化是將玉米粉中的淀粉經過高溫糊化，使淀粉分子在液化酶的作用下斷開成短鏈，產生糊精和糖類，使淀粉黏度下降，更加容易被糖化酶糖化[1-2]。生產淀粉糖的關鍵技術是液化技術，玉米粉的液化程度對后面工序的操作和成品淀粉糖的質量及收率有重要的影響[3-4]。目前在傳統的淀粉糖生產中，最常用的是射流液化技術，該技術在操作時玉米粉乳濃度不能超過25%，一旦超過就容易發生堵塞。如果玉米粉乳濃度較低，液化用水量會增加，濃縮干燥時，蒸汽消耗也會變多，不利于淀粉糖工藝節能降耗，大大提高了生產成本[5-7]。

擠壓式液化是指利用固形物含量較高的淀粉或淀粉質做原料，采用擠壓的方式進行淀粉液化，是生產淀粉糖的一種新方法，通過擠壓技術和酶解技術共同作用來實現淀粉液化[8-10]。與傳統射流液化方式相比，擠壓液化技術對比射流液化有很多優點。首先，擠壓液化可以用較高濃度的淀粉質原料進行液化，擠出的液化液各項指標都可以滿足工業化生產要求。其次，擠壓液化技術僅使用螺桿擠出機就可完成淀粉的液化，操作非常簡便。液化過程可以節約水和電[11-12]，因此，可以降低淀粉糖的生產成本。利用擠壓式液化生產技術，可以開發出品質更加良好的淀粉糖，以期為淀粉糖生產企業提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米粉（蛋白質9.2%、淀粉72.2%、水分13.1%、粗脂肪1.7%、灰分0.45%、其它3.35%）：吉林北顯生態農業集團有限公司；α-淀粉酶（70 000 U/mL）、真菌α-淀粉酶（20 000 U/mL）、α-葡萄糖轉苷酶（500 000 U/mL）、β-淀粉酶（700 000 U/mL）、普魯蘭酶（2 000 U/mL）：寧夏夏盛實業集團有限公司；亞鐵氰化鉀、碘、碘化鉀、酒石酸鉀鈉、次甲基藍、硫酸、硫酸銅、鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖：國藥集團化學試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

雙螺桿擠壓機（SLG30）：山東賽百諾機械有限公司；精密pH 計（PHS-3C）：上海儀電科學儀器股份有限公司；阿貝折射儀（WYA-2W）：上海精密科學儀器有限公司；電子分析天平（BSA223S）：德國賽多利斯集團；萬能粉碎機（CF-40）：無錫新而立機械設備有限公司；高效液相色譜系統（SYS-LC-1260）：安捷倫科技有限公司；鈉型陽離子柱色譜柱（SP0810）：日本shodex公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

將玉米粉加水調配成玉米粉濕料，然后加入α-淀粉酶，攪拌均勻后進行擠壓液化，控制擠壓機出口溫度，然后把擠出物料加水稀釋到固形物50%，保溫在90 ℃維持液化90 min，等液化完全后檢測還原糖（dextrose equivalent，DE）值[13-14]。玉米粉擠壓液化工藝流程見圖1。

圖1 玉米粉擠壓液化工藝流程Fig.1 Extrusion liquefaction process of corn flour

1.3.2 玉米粉擠壓液化單因素試驗

采用1.3.1 的方法進行玉米粉擠壓液化單因素試驗，基礎液化試驗條件為玉米粉水分含量30%、液化酶（α-淀粉酶）添加量40 U/g、擠壓溫度110 ℃。探究各單因素[玉米粉水分含量（20%、25%、30%、35%、40%）、液化酶添加量（20、30、40、50、60 U/g）、擠壓溫度（100、110、120、130、140 ℃）]對DE 值的影響。

1.3.3 DE 值測定

DE 值是指糖液中還原糖（以葡萄糖計）占干物質的百分率，參照GB 5009.7—2016《食品安全國家標準食品中還原糖的測定》中的直接滴定法進行測定，固形物含量采用阿貝折射儀法測定[15]。

1.3.4 響應面試驗優化設計

依據單因素試驗的結果，使用Design Expert 8.0.6軟件進行響應面試驗設計。以玉米粉的液化DE 值為響應值，以玉米粉水分含量（A）、液化酶添加量（B）、擠壓溫度（C）3 個因素作為自變量進行響應面試驗設計，響應面試驗因素與水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface test

1.4 數據處理

單因素圖使用Microsoft Office Excel 2007 軟件繪制，響應面圖使用Design Expert 8.0.6 軟件繪制，試驗數據以平均值±標準差表示[16]。

2 結果與分析

2.1 玉米粉擠壓液化單因素試驗分析

2.1.1 水分含量對玉米粉液化DE 值的影響

水分含量對玉米粉液化DE 值的影響見圖2。

圖2 玉米粉水分含量對玉米粉液化DE 值的影響Fig.2 Effect of moisture content of corn flour on the dextrose equivalent of corn flour liquefaction

由圖2 可知，隨著玉米粉水分含量的增加，DE 值呈現出快速升高的趨勢，但是當水分含量達到30%以后液化DE 值開始緩慢下降。說明玉米粉含水量越高，越容易被液化酶水解，但當水分達到一定數值以后DE 值趨于平穩，因此可以判斷玉米粉擠壓液化水分含量在30%左右較好。既能達到液化效果，有利于下一步糖化，又能節能節水。

2.1.2 液化酶添加量對玉米粉液化DE 值的影響

液化酶添加量對玉米粉液化DE 值的影響見圖3。

圖3 液化酶添加量對玉米粉液化DE 值的影響Fig.3 Effect of liquefaction enzyme addition on the dextrose equivalent of corn flour liquefaction

由圖3 可知，當液化酶添加量逐漸增大時，玉米粉液化DE 值先升高，當液化酶添加量達到30 U/g后，液化DE 值趨于平穩不再增長，直到液化酶添加量為60 U/g，玉米粉液化DE 值都變化不明顯，因此選擇液化酶添加量在30 U/g 左右較適宜，既能完全液化，同時也能節省液化酶。

2.1.3 擠壓溫度對玉米粉液化DE 值的影響

擠壓溫度對玉米粉液化DE 值的影響見圖4。

圖4 擠壓溫度對玉米粉液化DE 值的影響Fig.4 Effect of extrusion temperature on the dextrose equivalent of corn flour liquefaction

由圖4 可知，隨著擠壓溫度的升高，玉米粉液化DE 值整體呈先升高后急速降低的趨勢，擠壓溫度為110 ℃時，液化DE 值最高，為16.8%。原因是這種液化酶的最適宜擠壓溫度為100～110 ℃，擠壓溫度過低，會導致液化不完全，而擠壓溫度過高，會導致酶制劑變性，降低酶活力，因此判斷玉米粉擠壓液化溫度在110 ℃左右比較理想。

2.2 響應面優化玉米粉擠壓液化工藝

響應面優化玉米粉擠壓液化工藝試驗結果見表2。

表2 響應面法優化試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

2.3 響應面試驗結果分析

首先使用響應面軟件對表2 中的DE 值和擠壓液化參數進行回歸擬合，得到DE 值Y 與玉米粉水分含量A、液化酶添加量B、擠壓溫度C 3 個因素之間的標準回歸方程[17]：Y=19.67+0.75A +1.03B-0.82C-0.20AB+0.15AC+0.25BC-0.66A2-0.93B2-1.67C2。轉化為實際方程：Y=-198.332 75+1.520 65A+0.509 72B+3.422 95C-0.004AB+0.003 05AC+0.002 475BC-0.026 440A2-0.009 31B2-0.016 685C2。

使用響應面軟件將表2 中的試驗結果進行數據處理，獲得DE 值回歸模型方差分析結果見表3。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

由表3 可知，模型的R2=0.950 1，說明玉米粉擠壓液化DE 值的預測值和試驗值之間具有很好的擬合度。回歸方程顯示模型極顯著（P＜0.01），說明回歸模型和實際結果擬合性好，試驗方法可靠，具有可操作性；失擬項不顯著（P＞0.05），說明所得方程與實際結果有較好的擬合，可用于優化玉米粉擠壓液化工藝。模型中一次項A、B、C，二次項B2、C2對液化DE 值影響極顯著（P＜0.01），交互項AC、BC、A2對液化DE 值影響顯著（P＜0.05），而交互項AB 對DE 值影響不顯著（P＞0.05）。

2.4 響應面分析

各因素間交互作用的等高線和響應面見圖5～圖7。

圖5 玉米粉水分含量和液化酶添加量對液化DE 值交互影響及響應面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour of the effect of interaction between corn flour moisture content and liquefaction enzyme addition on the dextrose equivalent of liquefaction

圖7 液化酶添加量和擠壓溫度對液化DE 值交互影響及響應面和等高線Fig.7 Response surface plots and contour of the effect of interaction between liquefaction enzyme addition and extrusion temperature on the dextrose equivalent of liquefaction

由圖5～圖7 可知，響應面開口均向下，說明隨著因素的增大液化DE 值也在增大，當液化DE 值達到最大值后，響應值又隨著各因素增大而逐漸減小，通過對等高線的形狀、密度分析，以及對響應曲面傾斜度的分析，可以知道玉米粉水分含量和擠壓溫度、液化酶添加量和擠壓溫度的交互性顯著影響DE 值的變化，通過因素交互作用的分析，進一步驗證了回歸模型方差分析結論。

2.5 最優工藝條件確定與模型驗證

經軟件分析該模型可得，玉米粉擠壓液化的最佳工藝條件為水分含量32.36%、液化酶添加量34.80 U/g、擠壓溫度108.12 ℃，在此條件下，玉米粉液化DE 值理論值可達20.1739%。

基于對條件可操作性的考慮，進一步將最佳工藝條件修正為水分含量32%、液化酶添加量35 U/g、擠壓溫度108 ℃。經3 次驗證性試驗，平均液化DE 值為19.95%，與預測值相差1.1%，說明通過響應面優化后的液化條件可靠。

2.6 不同擠壓溫度對玉米粉組織結構的影響

擠壓溫度對玉米粉組織結構的影響見圖8。

圖8 不同擠壓溫度下玉米粉的電鏡掃描圖Fig.8 Scanning electron microscope images of corn flour extruded at different temperatures

由圖8 可知，在玉米粉含水量和液化酶添加量相同的條件下，擠壓溫度不同，擠壓后的玉米粉組織結構發生了很大的變化。原料玉米粉結構細密，表面平滑完整，而擠壓后其結構受到了不同程度的破壞，表面出現凹凸不平的孔洞結構，甚至有碎裂現象，有的顆粒裂解成碎片。由圖8A 可知，原料玉米粉顆粒表面比較完整平滑；由圖8B 可知，經過100 ℃擠壓的玉米粉，在片狀結構中能看到一些細小的孔洞，表明已經有些許結構被破壞；由圖8C 可知，經過110 ℃擠壓后的玉米粉，在其表面呈現一些裂紋，表明玉米粉的結構破壞明顯；由圖8D 可知，在120 ℃條件下擠壓出來的玉米粉，微觀組織結構破壞嚴重，不僅有孔洞，而且碎裂現象明顯。從玉米粉擠壓后的組織結構看，在低溫條件下膨化程度不高，雖然結構破壞不嚴重，但是酶解后的DE值較高。但溫度過高，玉米粉雖然結構破壞嚴重，但是液化酶卻受到溫度的限制，因此DE值下降。可見玉米粉組織結構變化隨溫度升高膨化越來越嚴重，但由于擠壓時有液化酶的作用，而且酶制劑有溫度范圍限制[18-20]，所以DE 值并沒有一直升高。

3 結論

以玉米粉為原料，通過對擠壓液化技術的優化，確定最佳工藝條件為玉米粉水分含量32%、α-淀粉酶添加量35 U/g、擠壓溫度108 ℃。試驗制備的玉米粉液化液符合糖化質量要求，并通過此液化條件開展后續研究工作，驗證了不用淀粉，通過擠壓液化玉米粉生產淀粉糖是可行的。為改進淀粉糖生產工藝，提高產品質量，提高企業效益提供了一定的參考。