玉米湿磨生产浸泡工艺的发展与研究.doc

玉米湿磨生产浸泡工艺的发展与研究摘要：本文综述了国内外玉米浸泡工艺的发展，介绍了亚硫酸氢钠浸泡、SO2递减浸泡、乳酸浸泡、酶法浸泡、高压浸泡以及综合浸泡几种先进的工艺方法，缩短了玉米浸泡时间，提高了淀粉收率，为国内玉米浸泡工艺技术的应用提供了理论和实践依据。关键词：玉米；湿磨工艺；浸泡目前，国际上采用的淀粉加工的主要工艺是玉米淀粉湿法加工工艺，在加工过程中所涉及的第一道工序是玉米浸泡工序，浸泡效果的好坏、浸泡时间的长短直接影响加工中淀粉成品和其他副产品的收率、质量和生产成本,所以被称之为最重要的一道工序。传统的玉米浸泡工艺普遍采用0.2%-0.3%浓度的亚硫酸溶液在48-53条件下进行浸泡，浸泡时间为48-72h【1】。传统方法存在浸泡时间长，生产成本高、生产效率低，耗能高，废水排放量大等缺点，同时释放的SO2气体污染环境，应用较高浓度亚硫酸溶液浸泡玉米还会在一定程度上造成设备的腐蚀，地下水污染，产品中亚硫酸残留等结果【2】。基于以上原因，就有必要对浸泡工艺进行技术革新。近些年来，国内外的许多相关人员在玉米浸泡工艺上做了的大量研究工作。在此，本文就对国内外该技术的发展现状进行探讨。1 传统工艺改进浸泡法1.1 亚硫酸氢钠浸泡法近年来，有些工厂采用亚硫酸氢纳浸泡工艺，它是在亚硫酸溶液中加入氢氧化钠溶液，制得0.12%一0.14%的亚硫酸氢钠溶液后送往浸工序，同时控制浸泡温度50-52，浸泡时间32-36h。与亚硫酸浸泡工艺相比，该法浸后玉米指标提高，见表1，同时缩短了浸泡时间，保证了淀粉收率，降低了对周围设备的腐蚀程度。1.2 SO2递减浸泡法王勇【3】等发明了一种食用级玉米淀粉生产中的玉米浸泡工艺，它是对现有逆流浸泡法技术的改进：在亚硫酸浸泡阶段中，各浸泡罐或浸泡段中浸泡液的SO2浓度控制范围0.04-0.30%，表1 亚硫酸氢钠溶液与亚硫酸溶液浸渍玉米指标比较 单位：%Table1 The index of corn contrast between Na2HSO3 steeping and H2SO3 steeping Unit: %项目Na2HSO3溶液浸渍玉米H2SO3溶液浸渍玉米浸后玉米水分43.142.7浸后玉米SO20.03380.0343浸后玉米可溶物含量2.782.85浸后玉米可溶性蛋白质含量1.051.14其中进入破碎磨前的第一个浸泡罐或浸泡段浸泡液中SO2浓度，低于进入破碎磨前的第二个浸泡罐或浸泡段浸泡液中SO2浓度，进入破碎磨前的第二个浸泡罐或浸泡段浸泡液中SO2浓度为各罐最高浓度，其余各浸泡罐浸泡液中SO2浓度依亚硫酸倒罐的方向依次逐级递减，其浓度梯度差为0.01-0.10%。采用该工艺流程，可有效控制生产过程中SO2的百分含量，确保产品淀粉中SO2的百分含量稳定在0.003%以下。该法可缩短浸泡时间至28-32h，淀粉收率保持不变。2 乳酸浸泡法玉米浸泡过程中可生成乳酸。乳酸可降低浸泡液的PH值，限制其它微生物的生长，起到防止玉米及浸渍液腐败的作用。同时，乳酸还和亚硫酸结合，对提高玉米浸泡效果起协同作用，提高玉米籽吸水率，缩短浸泡时间，促进玉米籽中蛋白质和淀粉的分离，从而提高淀粉的产率和质量【4-6】。在实际生产中，浸泡液中的乳酸菌的接种源是玉米和水，因此接种量很少，从而导致了浸泡过程中乳酸菌的作用不明显。为了提高乳酸菌的数量，可采用人工接种的方法,以使其充分发挥作用。2.1 添加乳酸杆菌液目前，已有研究人员在玉米浸泡过程中添加乳酸杆菌液，进行试验研究【7】。试验结果表明，添加乳酸杆菌液(以浸泡水量的lO% 接入种子液)后可加强浸泡的效果，并同时证明了当亚硫酸浓度为0.1%时，玉米浸泡效果较好。所以，在浸泡开始时，把乳酸杆菌液以10%的量接种于玉米浸泡液中，同时保持亚硫酸的浓度为0.1%，这样在浸泡温度控制为50时，可使浸泡的时间由68h缩短到32h，同时也可以使玉米淀粉的得率提高1%。2.2 接种嗜热乳酸菌赵寿经【8】等从淀粉生产厂的玉米浆中筛选出耐50高温的嗜热乳酸菌，以不同浓度的接种量接种到玉米浸泡水（含0.2%H2SO3的自来水）中，研究嗜热乳酸菌对缩短玉米浸泡时间的效果。结果表明，接入10%的嗜热乳酸菌可缩短玉米细胞破壁所需有效乳酸浓度到达的时间，使浸泡过程第一阶段的浸泡时间由20 h缩短为14 h；乳酸菌发酵使浸泡液的PH值迅速降低并保持水平。因此，在玉米浸泡过程的第1阶段不加入SO2 同样可以抑制其他微生物的生长，从而减少了环境污染。同时浸泡时间减少到32h，淀粉收率为65.1%。3 酶法浸泡为了优化浸泡效果，缩短浸泡时间，研究人员尝试用酶代替亚硫酸来降解蛋白质网【9】。3.1 加入诺沃酶芬兰研制了一种新的鸡尾酒酶：Econaste EP434【10】, 它的主要成份包括纤维素、半纤维素、果胶酶和肌醇六磷酸钙镁降解酶。其研究的初衷是为了消化玉米细胞壁中的物质和肌醇六磷酸钙镁，以防玉米浸泡液蒸发浓缩时形成污泥。在进行扩大Econaste EP434酶的应用范围研究时，研究人员将其用于玉米浸泡实验中。用传统的方法，在实验室规模，浸泡48小时，温度为50，加入0.2%SO2，加入Econaste EP434（70PU/g），可使总淀粉收率增加2.1%，即从94.4%增加到95.5%，而淀粉纯度不变。在证明了应用型酶Econaste EP434能提高淀粉收率并能改善玉米浸泡液质量之后，研究人员又对用这种酶是否能缩短浸泡时间进行了实验，实验过程中，逐步减少浸泡时间，并同时反比地增加酶剂量，浸泡时间可以减少到12小时而淀粉收率没有任何明显的损失。采用两步浸泡可以减少浸泡时间至10小时，淀粉回收率也高于传统浸泡，但纤维的联结淀粉含量略高，具体数据见表2。 表2 酶制剂浸渍、两步法浸渍和亚硫酸浸渍对比试验结果 单位：%（干基）Table2 Experiment result contrast among enzymatic steeping、two steep steeping and H2SO3 steeping Unit: %对比项目0.2%SO2的亚硫酸水浸渍Econaste EP434酶制剂（70PU/g）浸渍两步法浸渍玉米浆（浸渍液）收率5.265.612.91胚芽收率7.347.128.80纤维渣收率9.79.219.64其中联接淀粉含量19.0117.1620.99淀粉收率64.0965.4965.53其中蛋白质含量0.370.370.37蛋白粉（麸质）收率7.316.246.8其中蛋白质含量46.5751.4356.47浸渍中干物含量2.212.355.45淀粉抽提率94.496.596.5总干物收率95.9195.9298.413.2 加入蛋白酶任海松【11】等以玉米为原料，设计了酶法提取玉米淀粉的工艺路线，并对此工艺进行了研究。研究表明：蛋白酶添加量为1.5 mL，浸泡液pH值为3.4，浸泡温度为50，浸泡时间为14h时，玉米得率为最高，为74.66%。赵寿经【12-13】等将蛋白酶活性高发期的发酵液添加到玉米浸泡液中进行试验研究。试验结果表明，当玉米在含有O.1的H2SO3和O.5%的乳酸的浸泡液中浸泡18 h后，调节浸泡液的PH值为7.0，然后加入2O%的蛋白酶发酵液继续浸泡6h，淀粉得率为67.79%。此法与传统工艺相比，淀粉得率提高了9.5%，S02含量降低了O.1%，总的玉米浸泡时间由36h缩短至24h。3.3 加入纤维素酶纤维素酶是一种复合酶,它可以使玉米籽粒的细胞壁很快分解、崩溃，从而提高玉米的浸泡效果，缩短浸泡时间。段玉权【14】等人研究了在玉米浸泡液中添加纤维素粗酶制剂，探讨纤维素酶对玉米浸泡效果的影响。通过合理的设计实验，找出了纤维素酶最佳酶解时间和纤维素酶解最佳浓度。实验结果显示：使用O.3%的纤维素酶与O.1%的SO2的浸泡液浸泡玉米12小时后,玉米淀粉得率为57.O%，为最佳值。4 高压浸泡法高压浸泡技术【15】是近年来发展的制取玉米淀粉的一项新技术，就是试图用高压方法来加速玉米的吸水速率，从而取代传统的亚硫酸浸泡工艺。试验证明，传统的亚硫酸工艺玉米吸水至少要12h才能达到饱和，而使用高压浸泡技术只需浸泡1-2h，玉米含水就可达40%-50%,当压力为1.5MPa，胚乳能充分膨胀并具有弹性，当压力为10.5Mpa,仅浸泡5 min就可使玉米含水率达35%，甚至更高。此法与常规方法即连续浸泡工艺比较，不使用亚硫酸，可大大降低设备防腐的投资；浸泡时间大大缩短；浸泡容积小，可大大减少设备和土建的投资；能耗和污水处理费用也将大幅度降低，具体数据见表3。表3 高压浸泡工艺与连续浸泡工艺参数的比较Table3 Technological parameter contrast between high pressure hydration and continuous steeping项目高压浸泡工艺连续浸泡工艺浸泡时间/h2-330-50浸泡装置容量/m35-650-85用水量/（m3/t玉米）0.4-0.81.2-1.8玉米干物质转入浸泡液的含量/%0.3-0.55-6废水量/（m3/t玉米）0.1-0.53-5淀粉得率/%70-7267-70浸泡及浸泡液蒸发耗能/%50-701005 综合浸泡法5.1发酵法和酶法综合浸泡赵寿经【16】首先将玉米籽粒在含有嗜热乳酸菌的浸泡液(502)中发酵浸泡12 h，让玉米籽粒充分吸水至饱和，细胞壁受到乳酸的破坏。然后加入菠萝蛋白酶，继续浸泡作用4h，使菠萝蛋白酶通过乳酸菌在细胞壁上产生的坑洞进入玉米籽粒细胞，降解包裹淀粉颗粒的蛋白质二硫键，充分释放淀粉。通过设计正交试验优化了嗜热乳酸菌发酵和菠萝蛋白酶酶法综合加工工艺，获得玉米淀粉的浸泡工艺条件为：浸泡水温度5O2；嗜热乳酸菌接种量10%；发酵液浸泡玉米籽粒时间12 h，然后加入0.2%菠萝蛋白酶，酶解反应4h，精磨后分离获得淀粉。改进后的工艺过程不添加SO2，浸泡时间从传统的48h缩短至16h，玉米得率为65.130.3%。5.2高压和复合酶联合浸泡法闵伟红【17】发明了一种利用高压和复合酶联合浸泡从而缩短玉米淀粉生产过程中玉米浸泡时间的方法。在玉米经过浸泡前处理后，按与玉米质量比为1-3:1加入自来水，然后按450-1350IU/g玉米加入蛋白酶，按15-80IU/g玉米加入纤维素酶，搅拌均匀。打开空气压缩机，维持压力为0.1-0.5Mpa，调整浸泡温度为30-60，在浸泡时间10-20h条件下，浸泡后玉米含水量41.7%-45.3%，玉米淀粉得率69.2%-71.6%，浸泡液中干物质的含量3.6%-4.1%，蛋白质含量0.040-0.045mg/mL。本发明方法克服了传统浸泡工艺存在的浸泡时间过长、能源消耗过大、SO2气体污染环境等缺点。6 其他浸泡法(1) 机械搅动:Kempf等研究了玉米粒于51-52，在0.75%的盐溶液中浸泡6h，可有助于玉米吸水。玉米粒在浸渍过程低速（150r/min）搅拌10h。前5h用约含4%干物老玉米浸渍液浸渍，然后将浸渍液排出，再用0.2%SO2的新亚硫酸浸渍，总共浸渍10h即可。(2) 裂化玉米：Gillenwater等将玉米裂化后浸渍，可缩短浸渍时间为2-6h。(3) 添加化学药品：Grindel报道，用硫酸溶液处理玉米，而后在亚硫酸氢钠热水溶液管道系统连续膨胀6h即可【18】。7 结论以上浸泡方法中，亚硫酸氢钠浸泡工艺的浸渍剂用量相对较高，在系统中增加了大量钠离子，增加了灰分；由于系统S02浓度相对较低，还要注意在生产过程适当添加亚硫酸，以免杂菌滋生。基于以上原因，此法目前只适用于少数规模比较大的自控型玉米淀粉厂；SO2递减浸泡法已经在少数的玉米淀粉厂使用，其效果较好，有待进一步的开发和利用；乳酸浸泡法虽然已经取得了一些研究成果，但在乳酸浸泡中由于乳酸与蛋白质反应比较剧烈，其条件比较难控制，容易产生过浸泡，未能得到广泛使用；酶法浸泡工艺在印度和马来西亚等国家已经得到使用，但由于其工艺还不够成熟，酶的价格也相对较高，所以还未能广泛用于国内实际生产中。但酶法浸渍的前景看好，如能研发出活力单位更高、价格更便宜的酶制剂，就更具广泛推广应用的价值；高压浸泡已在德国、澳大利亚、泰国等有10t/h规模的示范工厂采用。但此法设备要求高，动力费用高，经验也不够成熟，因此在国内未能采用；综合浸泡法和其他浸泡法目前都只适用于小规模的工艺生产中。相信经过未来的几年的研究和探索，我们会突破一些先进浸泡工艺的不足之处，就能使传统湿磨法工艺向前推动一大步。参考文献【1】Ramirez, Edna C.; Johnston, David B. ; McAloon, Andrew J. ; Yee, Winnie;Singh, Vijay. 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