范玉艷 段方方 佟 童 田 震 杜 鑫 馬成業(yè)

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000)

添加淀粉酶脫胚玉米的擠壓停留時間分布和淀粉轉(zhuǎn)化率研究

范玉艷 段方方 佟 童 田 震 杜 鑫 馬成業(yè)

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000)

應(yīng)用四因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究單螺桿擠壓機(jī)操作參數(shù)(脫胚玉米中耐高溫淀粉酶添加量、螺桿轉(zhuǎn)速、脫胚玉米含水量和擠壓機(jī)末端套筒溫度)對停留時間分布跨度和擠出物制取糖漿的淀粉轉(zhuǎn)化率的影響。試驗(yàn)中以赤蘚紅為示蹤劑，使用分光測色儀測試脫胚玉米加酶擠出物的a值，通過a值的變化得出物料的擠壓停留時間分布，停留時間分布跨度在1.07～1.73。采用嶺回歸尋優(yōu)分析，得到停留時間分布范圍131.59～145.45 s的擠壓系統(tǒng)參數(shù)：耐高溫淀粉酶添加量0.71～0.75 L/t、原料含水量24.7%～25.5%、擠壓機(jī)末端套筒溫度97.8～101.2 ℃、擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速102.3～107.2 r/min。對擠壓停留時間分布跨度和淀粉轉(zhuǎn)化率進(jìn)行回歸分析，回歸模型均達(dá)到高度顯著性水平，該二次模型能夠擬合真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果；典型相關(guān)性分析表明，二者之間有低度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.396 3。

擠壓 停留時間分布 脫胚玉米 淀粉酶 色差

酶聯(lián)合擠壓活化技術(shù)是淀粉生物和機(jī)械降解、加快淀粉酶的水解速度和提高淀粉利用率的一種重要、有效的方法和手段[1-2]。擠壓過程中淀粉受到水分、熱、機(jī)械剪切等的聯(lián)合作用，維持顆粒結(jié)構(gòu)的部分氫鍵斷裂、結(jié)晶結(jié)構(gòu)解體，膨脹的淀粉粒破裂[3-4]。擠壓過程使得淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失，分子量降低，使淀粉顆粒和半結(jié)晶體系轉(zhuǎn)變成高黏和塑性態(tài)[5]，擠壓過程還可增加淀粉酶與顆粒形態(tài)消失的淀粉的作用面積，加快酶的水解速度。停留時間分布(Residence Time Distribution，RTD)是描述物料在擠壓機(jī)內(nèi)經(jīng)歷的時間范圍[7-8]。停留時間分布直接影響淀粉在擠壓過程中糊化、降解、淀粉脂復(fù)合物的形成等化學(xué)乃至生化反應(yīng)，并決定生化反應(yīng)程度的大小和最終擠壓產(chǎn)品的特性[6]。由于物料在擠壓機(jī)內(nèi)流動不是均勻的，使得同時進(jìn)入的物料在擠壓機(jī)內(nèi)的停留時間不等，一部分物料被擠出，另一部分后被擠出，也就是物料在擠壓機(jī)內(nèi)的停留時間分布是決定反應(yīng)進(jìn)行程度的重要因素，要實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品品質(zhì)的有效預(yù)測及控制，就必須知道反應(yīng)時間，也就是物料在擠壓機(jī)內(nèi)的停留時間[9]。眾多學(xué)者研究谷物原料在單、雙螺桿擠壓機(jī)的停留時間分布[9-12]，但是脫胚玉米谷物在酶聯(lián)合擠壓中的停留時間分布研究較少。

本試驗(yàn)采用赤蘚紅示蹤法，從擠壓機(jī)中染色劑濃度的變化計(jì)算出脫胚玉米的擠壓停留時間。擠壓機(jī)操作參數(shù)和物料性質(zhì)對停留時間分布的影響較大[10]，因此，通過分析物料在擠壓機(jī)內(nèi)的停留時間，研究螺桿擠壓機(jī)操作參數(shù)對停留時間分布跨度和擠出物制取糖漿的淀粉轉(zhuǎn)化率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

脫胚玉米(含水量12.6%，淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)75.36%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.05%，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.04%)：市售；耐高溫α-淀粉酶(活力80 000 μ/mL)：博立生物工程有限公司；赤蘚紅B鈉鹽：上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器和設(shè)備

單螺桿擠壓試驗(yàn)臺為山東理工大學(xué)自制，生產(chǎn)效率為100 kg/h，由組合套筒和螺桿組成，套筒內(nèi)徑79 mm，套筒長度1 280 mm，螺桿直徑77 mm，螺桿尖端直徑60 mm，有效螺桿長度1 263 mm，螺紋深度11 mm，螺桿轉(zhuǎn)速為0～1 200 r/min無級可調(diào)。套筒溫度為0～300 ℃連續(xù)可調(diào)，配有溫度數(shù)顯儀表閉環(huán)自控系統(tǒng)，擠壓機(jī)?？卓讖?6.0～16.0 mm)有級可調(diào)。CM-3600a分光測色儀：柯尼卡美能達(dá)。

1.3 脫胚玉米擠壓與收集

準(zhǔn)備2.0 kg原脫胚玉米，調(diào)整含水量為30.0%，按照表1和表2添加適量的耐高溫α-淀粉酶，混勻，備用；啟動擠壓機(jī)，并喂入添加酶制劑的脫胚玉米，當(dāng)擠壓機(jī)操作狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定時，將0.5 g(0.025%，占原料比例)赤蘚紅瞬間投入擠壓機(jī)進(jìn)料口，并啟動秒表開始記錄時間，同時進(jìn)行5 s為一收集區(qū)間。

表1 因素水平編碼表

表2 擠壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)

注：A第一道阻流環(huán)前二節(jié)螺紋；B第一道阻流環(huán)上；C第一道阻流環(huán)后一節(jié)螺紋到第二道阻流環(huán)前一節(jié)螺紋之間；D第二道阻流環(huán)上；E1回流槽內(nèi)；E2回流槽外；F螺桿端部與模板之間間隙。圖1 單螺桿擠壓機(jī)螺桿結(jié)構(gòu)

將取得的樣品晾干，粉碎，過篩(60目)，使用分光測色儀測量各個樣品的a值(a值表示從洋紅色至綠色的范圍)，再經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)曲線的校正及轉(zhuǎn)換可獲得各點(diǎn)的染料的真實(shí)濃度值。根據(jù)不同時間段t擠出的染色劑的濃度C(t)分別計(jì)算停留時間分布函數(shù)E(t)及累計(jì)停留時間分布函數(shù)F(t)的值[13]，繪出E曲線圖與F曲線圖。

(1)

(2)

物料在擠壓機(jī)內(nèi)受到擠壓操作參數(shù)(螺桿轉(zhuǎn)速、套筒溫度、?？字睆?、結(jié)構(gòu)參數(shù)(螺紋形式、阻流環(huán)分布)、原料參數(shù)(顆粒度、含水量、淀粉酶添加量)等影響，停留時間分布變化較大。根據(jù)停留時間分布函數(shù)E(t)及累計(jì)停留時間分布函數(shù)，計(jì)算t10、t50、t90，引入停留時間分跨度描述物料在擠壓機(jī)內(nèi)停留時間分布情況，數(shù)值大的停留時間分布跨度寬，數(shù)值小的停留時間分布跨度窄。則停留時間分跨度計(jì)算公式見式(3)。

(3)

式中：t10為F(t)縱坐標(biāo)累計(jì)分布10%所對應(yīng)的橫坐標(biāo)RTD值；t50為F(t)縱坐標(biāo)累計(jì)分布50%所對應(yīng)的橫坐標(biāo)RTD值；t90為F(t)縱坐標(biāo)累計(jì)分布90%所對應(yīng)的橫坐標(biāo)RTD值。

1.4 低溫?cái)D壓機(jī)試驗(yàn)因素水平編碼表和試驗(yàn)安排

以脫胚玉米為原料，以擠壓時耐高溫α-淀粉酶添加酶量、擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和擠壓機(jī)末端套筒溫度為試驗(yàn)因子，以停留時間分布為考察指標(biāo)。采用四因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示。

1.5 淀粉轉(zhuǎn)化率測試

脫胚玉米酶聯(lián)合擠出物制曲糖漿工藝流程為：脫胚玉米→粉碎→添加酶制劑→擠壓膨化→擠出物→液化→糖化→滅酶→過濾→指標(biāo)測定。

淀粉轉(zhuǎn)化率的測定參考《淀粉糖品生產(chǎn)與應(yīng)用手冊》中的方法[14]：

(4)

1.6 數(shù)據(jù)分析

結(jié)果使用SAS 9.1處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用Origin 8.0繪制圖形。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓停留時間范圍結(jié)果分析

繪制出擠出停留時間分布與a值、每個時間點(diǎn)擠出的染色劑所占百分比及其累積百分比的曲線E(t)、F(t)，圖2為代表性樣品。根據(jù)所繪制的累積百分比曲線，確定10%、50%和90%的赤蘚紅染色劑被擠出的時間。

圖2 停留時間分布函數(shù)E(t)及累計(jì)停留時間分布F(t)函數(shù)曲線

2.2 擠壓停留時間分布跨度回歸方程建立和檢驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立停留時間分布跨度的回歸模型，并對模型方差分析，結(jié)果表明，響應(yīng)面回歸模型達(dá)到高度顯著性水平(P=0.045 5)(見表3)?；貧w方程模型失擬P=0.503 3>0.05，不顯著，說明該二次模型能夠擬合真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。淀粉轉(zhuǎn)化率回歸模型達(dá)到極顯著水平(P=0.000 1)，回歸方程模型失擬P=0.472 2>0.05，不顯著，說明該二次模型能夠擬合真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。

擠壓停留時間分跨度(Y1)和淀粉轉(zhuǎn)化率(Y2)的回歸方程為：

Y1=1.476 3-0.034 0x1-0.080 1x2-0.000 4x3+0.087 8x4-0.028 3x1x1-0.047 1x2x1-0.028 9x2x2+0.007 8x3x1-0.037 4x3x2-0.020 0x3x3+0.258 8x4x1-0.015 3x4x2-0.020 4x4x3-0.013 5x4x4

(5)

Y2=8.475 8-2.528 8x1+1.223 8x2+4.682 1x3-14.404 9x4-10.698 6x1x1-2.610 6x2x1-11.554 9x2x2-9.659 4x3x1+2.123 1x3x2-6.806 1x3x3-10.778 1x4x1-1.173 1x4x2-3.591 9x4x3-6.0249x4x4

(6)

表3 停留時間分跨度和淀粉轉(zhuǎn)化率回歸模型分析和失擬分析

2.3 擠壓參數(shù)對考察指標(biāo)影響的響應(yīng)面圖

根據(jù)試驗(yàn)安排和試驗(yàn)結(jié)果，考慮每2個因素之間的交互影響對擠壓停留時間的影響，使用SAS軟件建立擠壓停留時間的響應(yīng)面。

物料在機(jī)筒內(nèi)的停留時間及其分布被認(rèn)為是擠壓加工過程中的重要參數(shù)，決定了生化反應(yīng)程度的大小和最終擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量[10]。在實(shí)際的擠壓過程中，機(jī)筒內(nèi)的溫度通常是不等溫的,溫度的變化影響著物料的黏度以及機(jī)筒內(nèi)的壓力梯度[15]。本試驗(yàn)中，預(yù)混合耐高溫淀粉酶的脫胚玉米在擠壓過程中的停留時間分布跨度隨著溫度的升高先升高后降低，在擠壓機(jī)末端套筒溫度為70 ℃時的停留時間跨度最大。停留時間跨度隨著耐高溫淀粉酶添加量的增加而降低，當(dāng)酶添加量為0.7 L/t時的停留時間分布跨度最大。當(dāng)物料中的耐高溫α-淀粉酶添加量少時，物料在擠壓機(jī)中的停留時間短(如圖3所示)。這是因?yàn)槲锪媳旧砗幸欢ǖ乃?，流動性較強(qiáng)，物料加酶量在一定范圍內(nèi)，加酶量越高，物料中的淀粉在耐高溫α-淀粉酶的作用下發(fā)生液化，物料的流動性隨之降低，停留時間分布跨度降低。停留時間分布跨度隨著螺桿轉(zhuǎn)速和原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。物料原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，原料由于水的潤滑作用，物料之間、物料和套筒與螺桿之間的黏度低[16]，流動性越強(qiáng)，在擠壓機(jī)中的停留時間越短(圖3)。

擠出物制取糖漿的淀粉轉(zhuǎn)化率隨著原料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和耐高溫淀粉酶添加量的升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢；螺桿轉(zhuǎn)速增大，淀粉轉(zhuǎn)化率升高；當(dāng)末端套筒溫度升高時，淀粉轉(zhuǎn)化率先升高后降低。

圖3 擠壓參數(shù)對停留時間分布的影響

由圖4可知，加酶量增加時，物料的淀粉轉(zhuǎn)化率隨之增大，但增加到一定程度時，淀粉的轉(zhuǎn)化率反而降低；當(dāng)溫度升高時，物料的淀粉轉(zhuǎn)化率隨之增加，溫度升高有利于淀粉分子間的氫鍵斷裂，淀粉易被降解、糊化，有利于淀粉轉(zhuǎn)化，但溫度過高不利于酶的作用，導(dǎo)致淀粉轉(zhuǎn)化率降低。淀粉的轉(zhuǎn)化率與螺桿轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速增加，使淀粉在擠壓機(jī)中所受的剪切力變大，淀粉的晶型結(jié)構(gòu)遭到破壞更易被酶水解轉(zhuǎn)化成淀粉糖；當(dāng)擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速低時，物料的淀粉轉(zhuǎn)化率主要受加酶量的影響。

圖4 酶聯(lián)合擠壓參數(shù)對轉(zhuǎn)化率的影響

2.4 停留時間分布和淀粉轉(zhuǎn)化率的相關(guān)性分析

典型相關(guān)性分析用來考察2個變量相互變化的關(guān)聯(lián)關(guān)系，變量之間沒有因果關(guān)系[17]。使用SAS軟件的CANCORR程序分析停留時間分布和淀粉轉(zhuǎn)化率之間的相關(guān)性，典型相關(guān)系數(shù)為0.396 3(P=0.049 7)，表明2個變量之間存在低度正相關(guān)關(guān)系，即隨著停留時間分布跨度變寬，淀粉轉(zhuǎn)化率有增加的趨勢。

采用嶺回歸分析，當(dāng)耐高溫淀粉酶添加量為0.71～0.75 L/t，原料含水量為24.7%～25.5%，擠壓機(jī)末端套筒溫度為97.8～101.2 ℃，擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速為102.3～107.2 r/min時物料在擠壓中的停留時間較長，為131.59～ 145.45 s。

3 結(jié)論

以赤蘚紅為示蹤劑，研究單螺桿擠壓機(jī)操作參數(shù)對停留時間分布跨度和擠出物制取糖漿的淀粉轉(zhuǎn)化率的影響。停留時間分布跨度在1.07～1.73；當(dāng)耐高溫淀粉酶添加量為0.71～0.75 L/t，原料含水量為24.7%～25.5%，擠壓機(jī)末端套筒溫度為97.8～101.2 ℃，擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速為102.3～107.2 r/min時物料在擠壓中的停留時間較長，為131.59～145.45 s。對擠壓停留時間分布跨度和淀粉轉(zhuǎn)化率進(jìn)行回歸分析，回歸模型均達(dá)到高度顯著性水平，該二次模型能夠擬合真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果；典型相關(guān)性分析表明，二者之間有低度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.396 3。

致謝：感謝山東省高等學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科人才團(tuán)隊(duì)培育計(jì)劃和金誠謙老師對本項(xiàng)目的支持。

[1]Baks T,Kappen F H J,Janssen A E M,et al.Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch-water mixtures with alpha-amylase from B.licheniformis[J].Journal of Cereal Science,2008,47(2):214-225

[2]葛潔，吳春森，徐學(xué)明.加酶擠壓處理玉米淀粉對低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響[J].食品與機(jī)械，2016，33(9)：183-186

Ge Jie,Wu Chunsen,Xu Xueming.Influence of enzymatic extrusion of corn starch on preparation of isomalto-oligosaccharides[J].Food and Machinery,2016，33(9)：183-186

[3]Raphaelides S N,Dimitreli G.Effect of processing history on the physicochemical and structural characteristics of starch-fatty acid extrudates plasticized with glycerol[J].Carbohydrate Polymers,2011,83(2):727-736

[4]馬成業(yè)，申德超.玉米粗淀粉加酶制取糖漿擠壓參數(shù)優(yōu)化[J].食品研究與開發(fā)，2012，33(7)：11-15

Ma Chengye,Shen Dechao.The optimization of extrusion parameters of producing syrup with extruded corn raw starch added enzyme[J].Food Research and Development,2012，33(7)：11-15

[5]O’Brien S,Wang Y J,Vervaet C,et al.Effects of shear and pH on starch phosphates prepared by reactive extrusion as a sustained release agent[J].Carbohydrate Polymers,2009,76(4):57-566

[6]Gogoi B K,Yam K L.Relationships between residence time and process variables in a corotating twin-screw extruder[J].Journal of Food Engineering,1994,21(2):177-196

[7]馬秀清.嚙合同向雙螺桿擠出過程停留時間分布實(shí)驗(yàn)研究[J].中國塑料，2003，17(9)：85-88

Ma Xiuqing.Experimental study of residence time distribution in intermeshing co-rotating twin-screw extrusion[J].China Plastics,2003，17(9)：85-88

[8]Engisch W,Muzzio F.Using residence time distributions(RTDs)to address the traceability of raw materials in continuous pharmaceutical manufacturing[J].Journal of Pharmaceutical Innovation,2015,11(1):1-18

[9]趙學(xué)偉，魏益民，張波.小米-豆粕混合物在雙螺桿擠壓機(jī)內(nèi)的停留時間分布及其模擬[J].食品工業(yè)，2012，33(9)：146-149

Zhao Xuewei,Wei Yimin,Zhang Bo.RTD of foxtail millet flour-soybean meal blend in a twin-screw extruder and its simulation[J].Food Induustry,2012，33(9)：146-149

[10]張?jiān)Ｖ?張文明.物料在雙螺桿擠壓機(jī)中停留時間分布的研究[J].糧食與飼料工業(yè)，2000，12(12)：48-50

Zhang Yuzhong,Zhang Wenming.A study on residence time distribution of material in the twin-screw extruder[J].Cereal and Feed Industry,2000，12(12)：48-50

[11]張先明,李廣贊,馮連芳,等.雙螺桿擠出機(jī)中局部停留時間分布研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2008，22(3)： 435-440

Zhang Xianming,Li Guangzan,Feng Lianfang,et al.Local residence time distribution in twin-screw extruder[J].Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2008，22(3)：436-441

[12]Seker M.Residence time distributions of starch with high moisture content in a single-screw extruder[J].Journal of Food Engineering,2005,67(67):317-324

[13]Kumar A,Ganjyal G M,Jones D D,et al.Digital image processing for measurement of residence time distribution in a laboratory extruder[J].Journal of Food Engineering.2006,75(2):237-244

[14]尤新.淀粉糖品生產(chǎn)與應(yīng)用手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2010：40-41

You Xin.Manual of Starch sugar production and applications[M].Beijing：China Light Industry Press, 2010:40-41

[15]張?jiān)Ｖ?，戴?食品物料在雙螺桿擠壓機(jī)中流動狀態(tài)分析[J].包裝與食品機(jī)械，2000，18(5)：7-10

Zhang Yuzhong,Dai Ning.The analysis on the flowing behavior of food material in the screw extruder[J].Packaging and Food Machinery,2000，18(5)：7-10

[16]Lin S,Huff H E,Hsieh F.Extrusion process parameters,sensory characteristics,and structural properties of a high moisture soy protein meat analog[J].Journal of Food Science,2002,67(3):1066-1072

[17]傅德印,黃健.典型相關(guān)分析中的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)問題[J].統(tǒng)計(jì)研究，2008，25(7)：110-112

Fu Deyin,Huang Jian.Statistical test problems of canonical correlation aanalysis[J].Statistical Research,2008，25(7)：110-112.

Residence Time Distribution and Conversion Ratio of Degermed Corn with Thermostable α-amylase in a Single Screw Extruder

Fan Yuyan Duan Fangfang Tong Tong Tian Zhen Du Xin Ma Chengye

(College of Agricultural Engineering and Food Science,Shandong University of Technology,Zibo 255000)

In this paper,degermed corn was enzymatic extruded by the method of the quadratic orthogonal rotating combination design of four factors and five levels,and the influence of enzymatic extrusion system parameters(additive amount of thermostable amylase in degermed corn,screw speed,moisture content of degermed corn and temperature of end sleeve of extruder)on residence time distribution(RTD)and conversion rate(CR)of starch to syrup was studied.The test used erythrosine as tracer agent,and value a of enzymatic extrudate was measured by spectrophotometer.The RTD distribution obtained from the value changes of a,showed that the RTD is at 1.07～1.73.The optimized extrusion parameters for RTD between 131.59 s and 145.45 s by ridge analysis were drawn as follows:the thermostable amylase content of feed was 0.71～0.75 L/t,the barrel temperature 97.8～101.2 ℃,the moisture content of feed 24.7%～25.5%,the screw rotating speed 102.3～107.2 r/min.The regression analysis on RTD and CR showed that the regression models reach a significance level,and such secondary model can simulate the real test results.Typical relative analysis indicated that RTD and CR were positively correlated at a low level of 0.396 3.

enzymatic extrusion,residence time distribution,degermed corn,thermostable α-amylase,chromatic aberration

TS201

A

1003-0174(2017)11-0059-06

國家自然科學(xué)基金(31471676)，山東理工大學(xué)青年教師發(fā)展支持計(jì)劃(4072-112010)，山東理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃(2016032)

2016-10-25

范玉艷，女，1994年出生，碩士，食品科學(xué)與工程

馬成業(yè)，男，1978年出生，副教授，農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工