（农产品加工及贮藏工程专业论文）玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究.pdf

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m i l l i n gs t a r c hw e r es t u d i e db ya d d i n g a c i dp r o t e a s e t h em a i nr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： 1 t h eo p t i m u m s t e e p i n gt i m e o f t h ef i r s ts t e e p i n go f t h ee n z y m a t i cw e t m i l l i n gp r o c e s so f c o r ns t a r c hw a s4 h 2 d u r i n gt h ee n z y m a t i cs t e e p i n g ，s t u d i e db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ，w e d e t e r m i n e dt h eo p t i m u mv a l u eo f e a c hi n f l u e n c ef a c t o rw i t hs t a r c hy i e l da s e x p o r ti n d e x t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：t h ea d d i t i o no f p r o t e a s ei s1 0 0 0 u g ， p ho f s t e e ps o l u t i o ni s3 4 ，s t e e pt e m p e r a t u r ei s5 0 c ，s t e e pt i m ei s1 0 h b a s e do ns i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t , t h eo p t i m u mt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f e n z y m a t i cs t e e p i n gi nt h ee n z y m a t i cw e tm i l l i n gp r o c e s so f c o ms t a r c hw e r e - d e t e r m i n e db yu s i n gq u a d r a t i cg e n e r a lr o t a r yd e s i g n a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，b ys t a t i s t i c a la n a l y s i s ，w eg o tt h er e g r e s s i o ne q u a t i o no f s t a r c hy i e l da n da l li n f l u e n c ef a c t o r s ： y 3 4 9 9 9 8 6 - 1 8 2 6 5 6 7 x 1 + 3 5 7 6 7 9 2 x 2 + 0 7 1 0 1 6 7 x 3 + 0 8 7 9 6 8 3 x 4 + o 9 5 0 7 0 0 x 1 ) ( 2 + o 4 3 7 5 5 0 x 1 x 3 + o 1 3 0 5 7 5 x 2 x 3 + 0 4 8 3 3 6 3 x t ) 矸卜o 3 9 1 7 3 8 x 掣x 4 + 0 0 0 6 8 8 7 x 3 x , t 2 9 7 5 1 7 6 x 1 2 - 2 2 8 7 9 1 3 x 2 2 1 7 6 7 8 7 6 x 3 2 - 0 5 1 4 7 8 8 x 4 2 b ya n a l s i n gt h er e g r e s s i o ne q u a t i o na n dt h et e s te x p e r i m e n t ，w eo b t a i n e d t h eo p t i m u mt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h ee n z y m a t i cs t e e p i n g ：t h ea d d i t i o no f p r o t e a s ei s9 8 9 u g ，p ho f s t e e ps o l u t i o ni s3 5 8 ，s t e e pt e m p e r a t u r ei s5 0 5 7 c ， s t e e pt i m ei s8 3 3 h 3 t h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e ne n z y m a t i c - m i l l i n gp r o c e s s a n dt h et r a d i t i o n a lc o r nw e tm i l l i n gp r o c e s si ns t a r c hy i e l d t h ep r o p e r t i e so f e n z y m a t i c - m i l l i n gs t a r c ht h a th a db e e ne x t r a c t e dw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee n z y m a t i c - m i l l i n gs t a r c ha n dc o m m o ns t a r c hi sn o t s i g n i f i c a n t i tc a l lt a k et h ep l a c eo f c o m m o ns t a r c hc o m p l e t e l y 4 t h er e s e a r c hc o u l dc u td o w nt i m ea n ds a v ec a p i t a la n de n e r g y a n di t a l s oc o u l dr e s o l v et h er e m a i no fs 0 2i nt r a d i t i o n a lc o mw e tm i l l i n gp r o c e s s 2 山东农业大学硕士学位论文 w i t h o ma v o i d i n gi t f o rt h e s er e a s o n s ，t h e r ea r ci m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e sf o r s t a r c hi n d u s t r y k e y w o r d s ：s t a r c h ；a c i dp r o t e a s e ；e n z y m a t i c - m i l l i n g ；s t e e p i n g 3 玉米淀粉的酶法湿廉工艺及其理化性质研究 1 引言 i 1 淀粉 淀粉是一种多糖，它广泛存在于植物的根、茎、叶、种子等组织中。 含淀粉的农作物种类很多，但工业生产上的主要原料为谷类作物和薯类作 物，其中玉米是淀粉生产的最重要来源( 张友松，1 9 9 9 ) ，玉米淀粉产量 相当于全球淀粉产量的8 0 以上，我国玉米淀粉的产量占全国淀粉产量的 9 0 左右。淀粉不仅为人们提供能量，而且是重要的工业原料，它广泛应 用于纺织、去污、造纸、医药、石油、浆洗、胶粘、铸造、治金以及发酵 工业中。 1 1 1 淀粉的分子结构 淀粉是由单一类型的糖单元缩聚而成的一种多糖类物质的天然高分 子碳水化合物，它的基本构成单位为d 葡萄糖，葡萄糖脱去水分子后经 由糖苷键连接在一起所形成的共价聚合物就是淀粉分子。淀粉分子化学结 构式为( c 6 h l 0 0 5 ) 。，包括直链和支链两种分子。直链淀粉是以a 1 ，4 糖 苷键连接的d 一葡萄糖的多聚体，其分子量在5 2 0 万道尔顿之间，聚合度 为3 0 0 1 2 0 0 。支链淀粉是以c t - 1 ，4 糖苷键连成的链作主链，在主链上通过 a 1 ，6 糖苷键连接侧链而形成的d 葡萄糖的多聚体，其分子量在2 0 6 0 0 万 道尔顿之间，聚合度为1 3 0 0 3 6 0 0 0 ( t a k e d aya n dh i z u k u r i 1 9 8 6 ；t a k e d a a n ds h i 埘s a k a , 1 9 8 4 ) 。 直链淀粉和支链淀粉在若干性质方面存在着很大差别。直链淀粉分子 链较长，但分子量较小；支链淀粉分子庞大，但结构紧凑。直链淀粉难溶 于水且水溶液不稳定，凝沉性强；支链淀粉易溶于水，溶液稳定，凝沉性 弱。直链淀粉能制成强度高、柔软性好的纤维和薄膜，支链淀粉却不能 ( f r e d r i k s s o n h , 1 9 9 8 ) 。直链淀粉和支链淀粉分子结构的不同是其性质存 在差别的根本原因。不同来源的淀粉，所含的直链淀粉、支链淀粉的比例 不同，如玉米直链淀粉含量为2 6 ，马铃薯直链淀粉含量为2 1 ，而腊 玉米直链淀粉含量仅为1 ，因而其理化性质也存在差别。 4 山东农业大学硕士学位论文 1 1 2 淀粉的颗粒结构 淀粉以颗粒状态存在，不同品种的淀粉在颗粒大小和形状方面存在差 别。m a y e r 的淀粉粒结构模型已为大多数人接受，即淀粉分子随淀粉颗粒 半径增大呈放射状排列，且分支越来越多。支链淀粉的侧链之间、支链淀 粉的侧链与直链淀粉分子之间是同向排列的。图1 1a 表示淀粉分支状结 构，c 表示从淀粉分子横截面上观察的淀粉分子的排列，从图上可以看出， 淀粉分子是以颗粒核心为轴，呈放射状向颗粒表面伸展。其中支链淀粉中 较短的链组成双螺旋结构( 如图1 1 d 所示) ，这些支链淀粉螺旋结构与一 部分直链淀粉通过氢键形成束状结构，称为徼晶柬，众多微晶柬构成淀粉 颗粒的结晶区。而直链淀粉和支链淀粉中的长链组成无定形区。结晶区与 无定型区以同心环的形状交互排列( 如图1 1b 所示) ( k o r i m o t o ， k a g o s h i m a , 1 9 9 4 ；s ，t a m a k i 。k t c r a n i s h i ，1 9 9 7 ) 。淀粉颗粒中结晶区为颗粒 体积的2 5 5 0 ，其余为无定形区( s t a m a k i ，k t c r a n i s h i ，t y a m a h a , 1 9 9 7 ) 。无定形区具有较高渗透性，一般认为化学反应主要发生在此区域。 图1 1 淀粉的颗粒结构 f 唔1 1s l c u c l = i l ：r eo f t o r c hg r a n u l e 5 玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究 结晶区有多种晶型结构，k a t z 等人( 1 9 3 7 ) 从完整的淀粉粒所呈现的 两种特征性x 衍射图上分辨出三种不同的晶体结构类型，即a 型、b 型 和c 型。几种结晶的几何形状、结晶区的双螺旋结构密度及其含水量均 存在差异( 张友全2 0 0 2 ) 。通过对各种淀粉分析发现，谷物淀粉中的结 晶大多为a 型结晶。块茎类和高直链谷物淀粉中多为b 型结晶，有的淀 粉如豆类种子含有a 、b 两种微晶，称为c 型结晶( 张本山，2 0 0 1 ) 。三 种晶型的x 衍射图谱对应的衍射峰位置如表1 1 ( 张燕萍，2 0 0 1 ) 所示。 这样对任何一种淀粉通过它的x 衍射图谱，就可了解它所具有的晶型和 经理化处理后晶型的变化和被破坏的程度。 表1 1 a 、b ，c 晶型的x 衍射特征峰 t a b l e1 1x - r a yd i f f r a c t i o n e h a r a c l e r o f a 、b 、c - t y p ec r y s t a l l i n er e g i o n s a 型b 型c 型 间距 衍射 衍射角 间强度誓茎 衍射角间距 薹衍射角射角强度强度 5 7 8 s 1 5 3 1 5 8m5 5 9 1 5 4m5 7 3 5 1 7s1 7 1 5 1 6 s 1 7 25 ，7 8s1 5 3 4 8 6s 1 8 2 4 0 0m2 2 25 1 2s1 7 3 3 7 8s2 3 53 7 0m +2 4 0 4 8 5m1 8 3 注：“s ”表示峰强；m 表示弱；“”表示稍弱；+ ”表示稍强 对淀粉的分子而言，结构是功能的基础。在淀粉结构中，分子结构是 基本的结构，分子结构决定空间结构，空间结构决定淀粉的性质。 1 1 3 淀粉的性质 1 1 3 1 淀粉的糊化 淀粉在冷水中搅拌可成乳状，停止搅拌则淀粉颗粒徐徐下沉。若将淀 粉加热，水分即渗透到淀粉颗粒内部组织而使其膨胀，继续加温，颗粒继 续膨胀而互相接触，变成糊状的粘稠液体，这个现象称为淀粉的糊化和胶 化，生成的粘稠液体称为淀粉糊或糊精，此刻所需的温度称为糊化温度( 董 海洲，1 9 9 7 ) 。淀粉分子有很多的羟基，但是淀粉颗粒却不溶于冷水，这 6 山东农业大学硕士学位论文 是由于羟基之间通过氢键结合的缘故。淀粉糊化的本质就是水分子进入淀 粉颗粒内部，拆散了淀粉分子间的氢键结合。破坏了淀粉颗粒的结晶结构， 使淀粉分子高度水合，淀粉膨胀成巨大的网状体系( 见图1 2 ) 。 图1 2 膨胀淀粉颗粒的胶束结构 f i g 1 2g e lb u n c h e so f s w e l l e ds t a r c hg r a n u l e 淀粉的糊化温度随其品种的不同而有所差异( 见表1 2 ) 。淀粉在不同 工业中应用时几乎都是加热使淀粉乳糊化，应用所得的淀粉糊，起到增稠、 凝胶、粘合、成膜和其它方面的功能。不同品种的淀粉糊在粘度、粘韧性、 透明度、剪切稳定性、凝沉性等性质方面存在着差异。 表1 2 淀粉的糊化特性 t a b l e1 2t h eg e l a t i n i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f s t a r c h e s 1 1 3 2 淀粉的老化 淀粉老化是淀粉糊化的逆过程，完全糊化后的淀粉，若让其自然冷却， 就会发生氢键再度结合，使淀粉胶体内水分逐渐脱离，即发生离水作用， 最终形成难以复水的结晶物，这就是老化的淀粉。其实质为直链淀粉分子 相互靠近，通过分子问氢键形成双螺旋，许多双螺旋相互叠加形成许多微 7 玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究 小的晶核，晶核不断生长、成熟，成为更大的直链淀粉结晶。直链淀粉结 晶区的出现会阻止淀粉酶靠近淀粉结晶区域的伽1 ，4 葡萄糖苷键，并阻止 淀粉酶活性中心的结合部位与淀粉分子结合，从而赋予直链淀粉结晶抗淀 粉酶消化的能力。直链淀粉分子结晶后，支链淀粉分子的一些侧链也通过 氢键连接开始缓慢结晶，但这种由支链淀粉形成的结晶可以缓慢被消化。 糊化的淀粉在2 4 时最易老化。m e e r a k w e o n 等( 1 9 9 7 ) 研究发现， 经糊化再冷却处理后的淀粉所产生的抗性淀粉会随着淀粉分子中直链淀 粉含量的增加而增加，直链淀粉含量与抗性淀粉的生成率成正比。 淀粉老化是一个复杂的过程，取决于许多的因素，包括直链淀粉与支 链淀粉的比例、温度、淀粉糊浓度、淀粉的种类、聚合度以及淀粉糊中是 否含有其它组分等。玉米淀粉中含有直链淀粉2 7 ，聚合度2 0 0 1 2 0 0 ， 凝沉性较强，还有o 6 的脂类化合物，对凝沉性有促进作用。 图1 3 淀粉老化示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co f s t a r c hr e t r o g r a d a t i o n 1 1 3 3 淀粉的水解 淀粉与水一起加热即可引起分子裂解。当与无机酸一起加热时，可彻 底水解成葡萄糖，水解过程是分几个阶段进行的，同时有各种中间产物相 应形成： 淀粉可溶性淀粉糊精麦芽糖卜葡萄糖 淀粉酶在一定条件下也会使淀粉水解。根据淀粉酶的种类m 一淀粉酶、 山东农业大学硕士学位论文 p - 淀粉酶、葡萄糖淀粉酶及异淀粉酶等) 不同，可将淀粉水解成葡萄糖、 麦芽糖、三糖、果葡糖浆、糊特等成分。 1 1 4 淀粉的用途 淀粉的用途总计有2 0 0 0 种以上，可分为以下五个大的领域。 1 1 4 。l 利用淀粉赢分子特性的领域 淀粉的凝胶化温度、膨胀度、粘度稳定性、凝胶的稳定性等特性，除 用于食品、粘接剂、造纸、纤维等大的领域外，还多用于医药、铸造( 砂 型) 、印刷油墨的干燥剂等方面。 1 1 4 2 把淀粉分解成葡萄糖、麦芽糖等成分来迸一步利用的领域 淀粉用酸或酶水解制成葡萄糖、麦芽糖及利用葡萄糖异构酶生产异构 糖 造蜂蜜等。由于原料不同，酸、酶水解反应的难易也可能不同， 同时还带来水解产物过滤、提纯等生产技术问题。但制造出来的产品与原 料几乎没有关系，只是因水解率、纯化率不同而具有各自的特征。 1 1 4 3 利用淀粉作为发酵原料的领域 以植物淀粉为原料，借助于不同的发酵微生物，在有氧和缺氧条件下， 可以生产出不同的产品，其工艺方法总称为酿造。我国有悠久的酿造历史， 3 0 0 0 多年前劳动人民掌握了酿酒技术。酿造的主要原料是高梁、玉米、 麦类等粮食作物。目前发酵的主要产品有酒精、乳酸、醋酸、柠檬酸、丙 酮、丁酵、谷氨酸及普鲁兰等。 1 1 。4 4 淀粉副产品综合利用的领域 植物淀粉原料供给淀粉提取后，剩下的副产物如玉米胚、米糠、麸皮、 渣、浆水等含有相当高的营养成分及利用价值。一个植物淀粉加工厂如将 这些副产物综合利用，必然会显著提高经济效益，还能净化环境，减少污 染。目前国内外十分重视这方面的综合研究，已形成的主要加工产品有玉 米油、杂醇油、小麦胚芽油、蛋白质( 包括面筋) 、植酸钙、植酸、肌醇 及利用酒糟生产食醋、米糠制饴糖等。 1 1 4 5 变性淀粉及淀粉衍生物的利用领域 在淀粉高分子具有的固有特性基础上，通过增强其机能或引进新的特 性，即取得高度发展的变性淀粉。利用加热、酸、碱、氧化剂、酶制剂及 具有各种官能团的有机反应试剂，改变淀粉天然性质，制备各种用途的变 9 玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究 性淀粉和淀粉衍生物。变性淀粉涉及范围广，特别是衍生物，更是按照用 途进行低粘化、交联、a 化和多变性的常规处理。这些衍生物广泛用于造 纸、纺织、印刷、食品、铸造等工业领域。 1 2 玉米淀粉 1 2 1 玉米及其结构 禾本科玉米属一年生草本植物，学名z e am a y sl ( 又称玉蜀黍) ，株形 高大，叶片宽长，雌雄花同株异位，雄花序长在植株的项部，雌花序( 穗) 着生在中上部叶腋间，为异花( 株) 授粉的一年生作物。有苞米、棒子、玉 茭、苞谷、珍珠米等俗称，起源于南美洲。玉米的果实也象其它禾本科植 物一样是颖果，玉米籽粒具有复杂的结构( 见图1 ，4 ) 。玉米的种子包括果 皮、种皮、胚和胚乳，但果皮和种皮紧密连结，不易分开。果皮覆盖在籽 粒的表面，它由坚硬而紧密的细胞( 表皮) 和一层很薄的不具备细胞结构 的半透明的膜( 种皮) 所组成。种皮保护玉米子粒免受寄生霉菌以及有害 液体的侵蚀。 图1 4 玉米籽粒结构图 f i g 1 , 4t h es t r u c t u r eg r a p ho f m a i z e 1 2 2 玉米淀粉的提取 玉米淀粉的提取方法很多，但是工业上普遍采用的是湿法提取，该法 已有数百年的历史。目前世界各国各地工厂所用机械设备和生产流程有很 1 0 山东农业大学硕士学位论文 大的差异，但是基本过程是一致的，具体流程如下： 杂质和碎玉米胚芽 ff 原料玉米卜清理浸泡粗磨胚芽分离 纤维饲料黄浆 ff 细磨纤维分离洗涤蛋白质分离 淀粉洗涤淀粉脱水干燥卜成品 1 2 2 1 浸泡工序 玉米浸泡是玉米淀粉生产中的首要工序也是最重要的工序。浸泡过程 的正确与否直接关系到以后各工序的正常进行，对整个生产的数量和质量 指标都有影响。 1 2 2 2 浸泡的目的 浸泡主要是通过亚硫酸的作用，软化玉米籽粒，降低玉米粒的机械强 度；分散玉米胚体细胞中的蛋白质网，削弱保持淀粉的联结键；使玉米籽 粒膨胀，较容易地将皮层、胚芽、胚乳分离；浸提籽粒中部分可溶性物质， 制成玉米浆；有效地抑制随玉米带来的微生物活动，起到防腐作用。 亚硫酸可把玉米中一部分不溶解蛋白质转变成溶解蛋白质，机理是亚 硫酸先通过胚芽，作用于玉米的种皮，使胚芽软化，使半透性的表皮变成 通透性表皮，有利于可溶性物质向浸泡水中渗透，在溶解玉米皮层后，亚 硫酸通过打断蛋白质分子之间的连接键，使蛋白质分子解聚，胚乳的蛋白 质失去自己的晶体结构，吸水膨胀变成凝胶体，促进淀粉颗粒从包围它的 蛋白质中释放出来。亚硫酸虽然具有打破蛋白质的网状结构，使玉米籽粒 表皮的半透性变成通透性，钝化胚芽，防腐，以及有助于乳酸形成等作用， 但应用较高浓度亚硫酸溶液浸泡玉米存在的主要问题是会在一定程度上 玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究 造成设备的腐蚀，地下水污染，产品中亚硫酸残留等。 1 2 2 , 3 浸泡液的作用 玉米的湿磨加工中现在普遍采用的浸泡剂是二氧化硫，二氧化硫在水 溶液中形成亚硫酸。浸泡中亚硫酸先经过胚芽，作用于玉米的种皮，使胚 芽钝化，使半渗透性的表皮变成渗透性的表皮。因而可以加速可溶性物质 向浸泡液中渗透。亚硫酸可把玉米中一部分不溶解蛋白质变成溶解蛋白 质。亚硫酸的作用就是通过分裂蛋白质分子之间的二硫键来削弱谷蛋白基 质。 在浸泡过程中亚硫酸的浓度过高或过低都十分不利，这是因为过低 时，乳酸菌繁殖加快，浸泡液酸度太高，部分淀粉水解为可溶性糖类，部 分大分子长链断开，造成淀粉回收率低。此外，天然蛋白质大量降解成溶 解状态，使浸泡液形成饱和溶液，大大降低了玉米中可溶物的扩散速度， 一部分已降解的蛋白质进一步分解成氨基酸，渗入至淀粉粒中，增加了湿 磨分离与洗涤工序的困难，而且淀粉吸附含氮物后在深加工时，也会造成 种种困难。过高时，一是乳酸菌受抑制，因为少量的乳酸菌的存在有利于 软化玉米籽粒，二是二氧化硫残留量高，生产过程中保护不好，易引起支 气管炎，三是二氧化硫或亚硫酸过高会水解淀粉。 1 2 3 浸泡方法 科学的浸泡工艺结合适宜的工艺条件，才能达到理想的浸泡效果。一 般来说，浸泡液中二氧化硫的含量控制在o 2 0 3 ，浸泡温度控制在 4 8 5 5 c 之间，温度低，浸泡时间要延长，高于5 5 ，淀粉会发生糊化， 蛋白质会发生变性而失去亲水性，不易分离。玉米浸泡方法大致有以下几 种： 1 2 3 1 静止浸泡法 静止浸泡法是用单罐浸泡玉米，即各罐的浸泡液不相互输送。它是用 温热的、浓度为o 2 0 0 2 5 的亚硫酸溶液浸泡新入罐的玉米，在浸泡过程 中不停的用离心泵循环浸泡液，浸泡结束后把这些液体用泵排出，再加入 新的温水浸泡洗涤玉米4 6 h 。 静止浸泡法处理玉米时，在最初阶段能很快将玉米的可溶性物质转移 到浸泡液中，因为只有在这个阶段玉米与浸泡液中含的可溶性物质的浓度 山东农业大学硕士学位论文 差达到最大值，随着浸泡的进行，这个浓度差逐渐减小，至浸泡终点浓度 差最小，可溶性物质的转移速度也变得最慢。静止浸泡法的最大缺点就是 浸泡后排出的浸泡水中干物质浓度一般较低( 5 6 ) ，而且此法在经济效 益上很差，只在小型工厂中适用。 1 2 3 2 逆流扩散浸泡法 逆流扩散浸泡法是国际上通用的浸泡工艺，它是把若干个浸泡罐、泵 和管道串联起来，利用逆流浸泡原理，亚硫酸浸泡水不像静止浸泡那样与 新鲜玉米一起打入罐内，而是打入已经浸泡时间最长的玉米罐内，循环以 后用泵将浸泡液打入稍短时间浸泡的玉米浸泡罐，这样将浸泡液逆着新进 玉米的方向依次从一个浸泡罐打入另一个浸泡罐，亚硫酸倒灌流动的方向 和玉米投料的方向相反，也就是玉米中可溶性干物质含量降低的方向和玉 米投料的方向相反，故而称之为逆流浸泡。 逆流浸泡的优点就是玉米与浸泡液中可溶性物质始终保持一定的浓 度差，从而促进了可溶性干物质向浸泡液中的转移。随着浸泡液从一个浸 泡罐移向另一个浸泡罐，水中干物质的浓度也随着增长。用这种方法浸泡 过的玉米浸出物浓度可达7 - 9 ，因此浸泡液在浓缩时所消耗的蒸汽量比 静止法少得多，而且由于浸泡过的玉米中可溶性物质的含量降低了许多， 所以在洗涤时就容易将残余的可溶性物质彻底排除。 1 2 3 3 改进工艺加乳酸、物理化学方法等 乳酸对玉米浸泡过程有很大影响，它不但能促进玉米蛋白质软化和膨 胀，缩短浸泡时间，还可保持溶液中的镁离子和钙离子，从而有利于减少 蒸发设备不溶性物质的沉积。但过量的乳酸在增加蛋白质溶解度的同时也 会促进蛋白质变性，使淀粉和蛋白质的分离更加困难。乳酸和亚硫酸对玉 米粒的协同作用，会使玉米淀粉的结构发生些变化。因此，玉米浸泡应 在适宜条件下进行，以防止这种变化的发生。 研究乳酸在浸泡过程中的作用，在国外已有相当长的时间和一定的研 究水平，一些入认为，玉米浸泡的质量主要取决于乳酸的作用。美国有研 究称，在浸泡时接种乳酸杆菌，浸泡时间可由6 0 h 缩短为2 5 h 。而另一些 人却持有不同的看法，他们认为是s 0 3 2 在起主导作用。s t a r k e 的试验将 含乳酸的陈的s 0 3 2 。溶液和添加化学纯乳酸的新的低浓度s 0 3 溶液与单纯 玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究 用新的低浓度s 0 3 。溶液浸泡玉米做比较，浸泡时玉米含水分相对地高些， 说明了玉米浸泡时水分的吸收与乳酸的存在有关，乳酸对玉米组织的软化 和蛋白质的分离起主导作用。 还有许多研究人员也曾经试图通过提高扩散速度来减少浸泡时间。 g u n a s e k a r a n 和f a r k a s 利用高压浸泡来减少水合时间，发现在压强为 1 , 4 0 0 p s i ( 磅英寸2 ) 下作用5 m i n 并在大气压下浸泡，能较为明显地减少 浸泡时间。m i s t r y 和e c k h o f f 利用碱法剥皮加工法分离玉米果皮，剥皮后 的玉米籽粒因减少了扩散障碍而水合较快。但这些改善虽然实现了降低浸 泡时间，却也引起了资金消耗大，现有设备必须改进，环境污染等一系列 问题。 1 2 3 4 新方法的研究加酶 传统的浸泡工序已有百年历史，虽然该方法能提取玉米籽粒中高达 9 0 的淀粉，但是它对时间、资本和能源的要求很高。从传统浸泡4 8 h 减 少浸泡时间可以减少工序的耗费，但却在工序和产品质量方面出现了各种 问题。目前，世界各国正致力于在保证浸泡效果的同时，降低浸泡水中二 氧化硫的含量，缩短浸泡时间的研究。 自1 9 7 1 年就有研究者想利用机械手段来降低浸泡要求，而同时也有 许多人设想利用生物方法来实现这一目标。r o u s h d i 等人提出加蛋白质水 解酶于浸泡液中，可缩短浸泡周期，对于破碎籽粒可缩短5 0 。s t c i n k e 和j o h n s o n 在1 9 9 1 年开始研究添加酶对浸泡过程的作用，该方法是在传 统浸泡的基础上进行的，他们用含有混合酶制剂的二氧化硫溶液来作为浸 泡液代替传统浸泡中只用二氧化硫的做法。结果用此溶液浸泡2 4 h 就能达 到仅用二氧化硫浸泡4 8 h 的效果，得到几乎相同的组分产量和纯度，而且 不影响所得淀粉的特性。这种浸泡新方法的发现使得湿磨加工更加经济， 从而降低了淀粉及其深加工产物的造价。 1 3 本研究的目的及意义 玉米是世界三大高产粮食作物之一，以玉米为原料制取淀粉具有原料 充足、工艺成熟、得粉率高、生产成本低、不受季节限制可周年生产等优 点，所以它是最具备工业化生产条件的谷物原料。玉米淀粉工业已经发展 成为世界性的新兴产业，世界上9 0 以上的淀粉都来自玉米。玉米也是我 幸 山东农业大学硕士学位论文 国主要的农作物之一，占世界总产量的2 1 ，位居世界第二位。但是，目 前我国所生产的玉米7 0 直接用于饲料，用于深加工的只占总产量的1 0 左右，而且玉米深加工技术落后、综合利用能力差等问题的存在，使得玉 米的经济效益未能得到充分发挥。因此必须加快玉米的深加工研究，以提 高玉米的使用价值。而玉米深加工的基础产品就是玉米淀粉，但是传统的 玉米淀粉提取工艺对时间、资本和能源的要求很高，环境污染严重。目前， 世界各国正在致力于在保证浸泡效果的同时，降低浸泡水中二氧化硫的含 量，缩短浸泡时间的研究。酶法湿磨工艺正是为此开发研究的，酶法湿磨 工艺的好处在于它比传统浸泡工艺减少了大约7 0 的浸泡时间，但是生产 的淀粉产量和质量优于或相当于传统工艺，使得大量的资金和能源因为浸 泡时间的缩短而被节约。此外，酶法湿磨的其它优势还有减少浸泡用水、 酶的回收利用等，这些都将有利于淀粉提取成本的降低。 本研究的目的就是要探索出一条玉米淀粉的酶法湿磨最佳工艺，从而 为工业化大规模生产提供理论依据和技术指导。开展本课题的研究，将会 极大地减少浸泡提取过程中的能量消耗，缩短浸泡时间，节约浸泡用水， 降低成本，减少污染。因此，本工艺将对玉米湿磨生产产生巨大的影响， 对玉米淀粉的提取具有极其重要的意义。 1 4 本研究的主要内容 1 4 1 玉米淀粉酶法湿磨工艺路线的确定 1 4 2 玉米淀粉酶法湿磨工艺影响因素的研究 1 4 3 玉米淀粉酶法湿磨最佳工艺参数的确定 1 4 4 酶磨淀粉的各种理化性质研究 玉米淀粉的酶法湿詹工艺及其理化性质研究 2 材料与方法 2 1 试验材料 市售玉米 2 2 主要试剂 名称生产单位纯级 无水乙醇天津市红岩化学试剂厂分析纯 冰乙酸天津市大茂化学试剂厂分析纯 柠檬酸天津市大茂化学试剂厂分析纯 乙酸钠上海试剂四厂化学纯 氢氧化钠天津市大茂化学试剂厂分析纯 葡萄糖天津市化学试剂厂分析纯 硫酸铜莱阳经济技术开发区精细化工厂分析纯 碘化钾天津市标准科技有限公司分析纯 碘天津市标准科技有限公司分析纯 磷酸氢二钠天津市四通化工厂分析纯 次甲基兰天津市大茂化学试剂厂分析纯 浓硫酸淄博化学试剂厂分析纯 酒石酸钾钠天津市四通化工厂分析纯 硼酸天津市天大化工实验厂分析纯 钨酸钠天津市大茂化学试剂厂分析纯 淀粉酶北京双旋微生物培养基制品厂 3 0 0 0 5 0 0 0 u g 酸性蛋白酶和氏鐾生物技术有限公司1 0 万u m l 2 3 主要试验仪器、设备 p s h 2 5 型酸度计 破碎机 s h z w - c 型循环水式多用真空泵 l x j - i i b 多管离心机 k d m 型调温电热套 1 6 上海伟业仪器厂 上海赛康电器有限公司 河南省巩义市英峪仪器厂 上海安亭科学仪器厂 山东邺城华鲁电热仪器有限公司 山东农业大学硕士学位论文 a y 2 2 0 电子分析天平日本岛津公司 托盘天平上海医用激光仪器厂 电热鼓风干燥箱上海甲光仪器仪表有限公司 仪表恒温水浴锅黄骅市综合电器厂 标准筛上虞市道墟分析仪器厂 r v as u p e r 3 快速粘度计 澳大利亚n e w p o r t 公司 j ) 认8 4 0 型电镜日本电子公司 i r - 8 1 0 红外光谱仪日本分光株式会社 电动搅拌器金坛市中大仪器厂 u v - 9 2 0 0 紫外可见分光光度计北京市瑞利分析仪器公司 k d n 0 4 a 定氮仪上海新嘉电子有限公司 2 4 研究方法 2 4 1 玉米淀粉的酶法湿磨工艺路线 第一阶段： 杂质和碎玉米 原料玉米 第二阶段： _ 浸泡_ 破碎_ 胚芽 f 胚芽分离 加酶纤维饲料黄浆 jff 浸泡卜细磨+ 纤维分离洗涤蛋白质分离 淀粉洗涤淀粉脱水干燥 成品 ，触 玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究 在传统湿磨工艺的基础上采用两阶段浸泡：第一阶段，样品在水中进 行初次浸泡( 不加二氧化硫、酶) ，第二阶段，初磨破碎除去胚芽后，加 入磷酸氢二钠一柠檬酸缓冲溶液，控制p h 值，再加入酸性蛋白质酶进行加 酶浸泡。 2 4 2 工艺参数单因素试验 通过单因素试验研究蛋白酶添加量、浸泡液p h 值、浸泡温度、浸泡 时间对玉米淀粉的酶法湿磨工艺的影响，确定出最佳工艺参数范围。 2 4 3 二次通用旋转试验设计 在单因素试验的基础上进行二次通用旋转试验设计。原料固定在 1 0 0 o o g ，料液比1 ：2 。选择蛋白酶添加量、浸泡液p h 值、浸泡温度、浸 泡时间作为试验因素，进行四因子二次通用旋转试验。 2 5 分析测定方法 2 5 1 淀粉含量的测定 样品经乙醚除去脂肪，乙醇除去可溶性糖类后，在淀粉酶的作用下， 使淀粉水解为麦芽糖和低分子糊精，再用盐酸进一步水解为葡萄糖，然后 按还原糖测定法中的直接滴定法测定还原糖的含量，并折算成淀粉含量。 淀撕) = 筹m ( 古一o 姗l u u uy f 一1 0 m i 碱性酒石酸铜相当的葡萄糖量，m g ； v 一滴定时样品水解液消耗量，m l ： v 0 _ 一滴定时空白溶液消耗量，m l 2 5 2 水分含量的测定 2 5 2 1 玉米水分含量测定 迅速从2 k g 原始样品中称取2 5 4 0 9 整粒试样置于烘至恒重的铝盒中， 立即加盖称重，再将装有试样的铝盒打开，连同盖子放进1 3 0 1 3 3 1 2 的烘 箱中，烘3 8 = t = 2 h 后取出铝盒，加盖置于干燥器中，冷却3 0 4 5 m i n 后称重。 2 5 2 2 淀粉水分含量测定 山东农业大学硕士学位论文 精确称取样品2 5 9 ，置于烘至恒重的称量瓶中，在1 3 0 ( 2 的烘箱中 烘2 3 h ，直至前后两次不超过o 0 0 1 9 为止。 2 5 3 蛋白质含量的测定 准确称取2 9 淀粉、7 9 k 2 s 0 4 、0 5 9 c u s 0 4 置于消化管中，同时吸取2 0 m l 浓h 2 s 0 4 ，将消化管放在消化炉上消化直至消化液呈现绿色，继续消化 o 5 h 。将所得的消化液置于自动凯式定氮仪上，加入6 0 m 1 4 0 n a o h 溶液 蒸馏，并用加入指示剂的4 硼酸溶液吸收，至吸收液为2 5 0 m l 停止蒸馏。 硼酸吸收液用o 0 1 m o l l 的标准盐酸溶液滴定，同时做空白实验，计算出 含氮量。( 采用微量酸式滴定管，以分析纯蔗糖作为对照) 2 5 4 灰分含量的测定 将坩埚用盐酸( 1 ：4 ) 煮1 2 小时，置于5 5 0 c 高温炉中灼烧1 5 小 时，冷却至恒重。准确称取淀粉样品5 9 置于坩埚，在电炉上小心加热使 样品在通气情况下逐渐炭化，直至无黑烟产生。将坩埚放入高温电阻炉内， 温度升至5 5 0 c ，并保持此温度至剩余的碳全部消失或无黑色炭粒为止。 关闭电源，待温度降至2 0 0 c 时，将坩埚取出放入干燥器内，加盖冷却到 室温，精确称重。 2 5 5 酸性蛋白酶活性的测定 2 s l 酶样的制各 准确称取o 1 9 固体酶或移取o 1 m l 液体酶样，用少量的适宜缓冲液溶 解并用玻璃棒捣研，然后将上液倒入容量瓶，沉渣中再添入少量缓冲液捣 研多次，最后全部移入容量瓶，稀释到刻度，用四层纱布过滤。滤液可作 为测试酶用，该酶已经稀释1 0 0 倍。 2 5 5 2 标准曲线的绘制 l - 酪氨酸标准溶液按下表配制。 玉米淀粉的酶法湿磨工艺及其理化性质研究 表2 1l 酪氨酸标准溶液的配制 t a b l e2 1t h es t a n d a r ds o l u t i o no f l - t y r o s i n e 试管号0 12 3 4 5 1 0 0 p g m l 酪氨溶液( i i l l ) 0 12345 蒸馏水( i i l l ) 1 098765 酪氨酸实际浓度( l g m 1 ) 0 1 02 0 3 0 4 0 5 0 分别取上述溶液各1 0 0 m l ( 须做平行试验) ，各加0 4 m o l l 碳酸钠溶液 5 0 0 m l 。福林试剂使用溶液1 0 0 m l ，置于4 0 士o 2 水浴中显色2 0 m i n ，取 出用分光光度计于波长6 8 0 n m ，比色，以不含酪氨酸的0 管为空白管调零 点，分别测定其吸光度值，以吸光度值为纵坐标，酪氨酸的浓度为横坐标， 绘制标准曲线如下图所示。 吸光度 a b s o r b a l l c c 图2 1 酪氨酸标准曲线 f i g2 it h es t a n d a r dc u r v eo f t y r o s i n e 2 5 5 3 蛋白酶活性的测定 将酪素溶液放入4 咖2 。c 恒温水浴中，预热5 m i n ，取4 支试管，各 加入l m l 酶液，取一支作为空白管，加2 m l 三氯乙酸，其他3 管作为测试 管，各加入l m l 酪素，摇匀，4 0 保温1 0 m i n ，取出试管，3 支测试管中 各加入2 m l 三氯乙酸，空白管中加l m l 酪素。静置1 0 m i n ，过滤沉淀，各 取l m l 滤液分别加o 4 m o l l 的n a 2 c 0 3 5 r r d ，福林试剂l m l 。在4 0 c 显色 的们加0 一一g、to甜石，q一。ais茸 一l、望)|世甏密撅髓 山东农业大学硕士学位论文 2 0 m i n 。6 8 0 r i m 处测o d 值。以空白管调零点。将测得的各平行样求o d 值的均值。依据以下公式： 蛋白酶的活力= a x k x 4 l o x nu g ( m 1 ) a ；样品平行试验的平均o d 值； k ：吸光常数； 4 ：反应试剂的总体积； 1 0 ：酶解反应时间； 1 1 ：酶液稀释总倍数 2 5 6 淀粉膨润力的测定 称取0 2 9 淀粉于具塞玻璃试管中，加入5 m lo 1 的a g n 0 3 。试管放 在7 0 的水浴中振荡加热1 0 m i n ，然后转入沸水浴中充分糊化2 0 m i n ，试 管使用2 0 c 的冷水冷却5 m i n ，最后在1 7 0 0 9 下离心4 m i n 。小心倒出上清 液，沉淀物的