木薯淀粉的生产及应用

木薯淀粉的生产及应用摘要：本文主要介绍了木薯淀粉的生产工艺以及木薯淀粉发酵产生酒精的工艺及要点和影响因素。关键词：木薯淀粉；生产；发酵木薯淀粉是从盛长与北回归线和南回归线自检大部分赤道区域的一种植物的肥大根制得的([美]R.L.惠斯特勒等，1987)。木薯块根干物质含量30-40%，鲜薯含淀粉32-35%，蛋白质1-2%，脂肪0.3-4.3%，纤维素1-2%，灰分1%，维生素C30mg/100g左右。还含有少量的维生素A、维生素B1、维生素B2等。木薯植株各部分都含有氢氰酸，其中叶部约占全株含量的2.1%，茎部约占36%，根部约占61%，块根以皮层含量最高，为肉质部的15-100倍。木薯的块根含30%的淀粉,木薯干则含有70%的淀粉,是被誉为“淀粉之王”,是很有前途的酒精生产原料。广西的木薯种植面积占全国的60%,年产鲜薯250-300万吨（章克昌,1995）。利用木薯块根和叶子作食物和饲料时，应注意去毒，即浸水、切片干燥、剥皮蒸煮、研磨制淀粉等。切片干燥一般可除去75%的氢氰酸，加工制淀粉后含量甚微。甜品种类型剥皮蒸煮或切片干燥后均可安全使用，苦品种类型去毒处理后，也可食用和饲用，但主要用于加工淀粉。木薯淀粉呈白色，无异味，口味平淡，无味道、无余味(例如玉米)，适用于需精调气味的产品，例如食品和化妆品等。木薯淀粉蒸煮后形成的浆糊清澈透明，适合于用色素调色。这一特性对木薯淀粉用于高档纸张的施胶也很重要。由于木薯原淀粉中支链淀粉与直链淀粉的比率高达80:20，因此具有很高的尖峰粘度，这一特点适合于很多用途。同时，木薯淀粉也可通过改性消除粘性产生疏松结构，这在许多食品加工中相当重要。木薯原淀粉浆糊表现出相对低的逆转性，因而在冷冻解冻循环中可防止水份丢失，这一特性还可通过改性进一步增强。木薯淀粉以原淀粉和各种变性淀粉两大类广泛应用于食品工业及非食品工业。木薯原淀粉广泛应用于食品配方中，例如焙烤制品，也应用于制作挤压成形的小食品和木薯粒珠。变性淀粉或淀粉衍生物已用作增稠剂、粘结剂、膨化剂和稳定剂，也是最佳的增量剂、甜味剂、调味剂载体和脂肪替代品。变性淀粉在含固体成份的饮料中用作胶体稳定剂。在饮料中，木薯淀粉甜味剂优于蔗糖，因为前者改善了加工过程并强化了产品特性，与其它甜味剂结合，能充分满足消费者需求。木薯淀粉水解形成的高水解度糖浆是啤酒酿造中易发酵糖的理想来源。木薯原淀粉和各种变性淀粉在糖果生产中有很多用途，如胶凝、增稠、稳定体系、增强发泡、控制结晶、粘结、成膜、增添光泽等。低粘度木薯淀粉广泛应用于胶质化糖果，例如果冻和口香糖。干淀粉用作糖果制作中的脱模剂。淀粉基聚糖实现了无糖口香糖的生产。木薯淀粉基糖浆可通过酸解或酶解过程实现低成本生产，从而作为原料用于生产各种化学品，例如谷氨酸钠、氨基酸、有机酸、乙醇、酮、维生素和抗生素等。木薯淀粉糊精是优良的胶粘剂，用途广泛，包括瓦楞纸板、纸袋、胶合板、胶纸、胶粘带、标签、邮票和信封等。变性淀粉应用于造纸工业可改善纸张质量、提高生产率和纸浆利用率。变性淀粉也在颜料涂布中用作粘合剂以生产光滑、洁白的高档纸张。在纺织工业中为了提高纺织效率，木薯淀粉常被用作上浆剂以硬化和保护纱线；用作整理剂以生产手感滑爽的布料；用作增色剂以获得清晰、耐磨的印花布料。对纺织应用而言，使用轻度蒸煮的淀粉效果更理想。木薯原淀粉和变性淀粉可用作药片生产的粘结剂、增量剂和崩解剂。特殊改性的淀粉可同作润肤剂载体，通常这类润肤剂是矿物油基物质。其它变性淀粉可用作乳化剂、封囊剂(维生素)、定型剂(发用摩丝)和增稠剂(洗发香波)等。木薯原淀粉和变性淀粉可与石油基或人工合成的高分子材料混和以改善材料的可生物降解性，从而使这类环保材料的生产成本降至最低。1.木薯淀粉的生产1.1木薯淀粉生产过程木薯淀粉生产过程，是物理分离过程，即是将木薯原料中的淀粉与纤维素、白、无机等其它物质分开。在生产过程中，根椐淀粉不溶于冷水和比重大于水的性质，用水及专用机械设备，将淀粉从水的悬浮液中分离出来，从而达到回收淀粉的目的。其生产工艺流程分为输送、清洗、碎解、浸渍、筛分、漂白、除砂、分离、脱水、干澡、风冷、包装等工序。1.1.1木薯清理木薯通常带有泥沙、杂草，加工前需先清洗。清洗的好坏直接影响粉碎和筛分系统设备的寿命和产品的质量。此外，木薯的表皮主要为木质纤维，并含有氢氰酸，在生产过程中会使淀粉变色，应尽量除去（梁于朝,李开绵,2007）。1.1.2木薯破碎碎解的作用是破坏木薯的组织结构，从而使微小的淀粉颗粒能够从木薯块根中解体、分离出来（梁于朝,李开绵,2007）。1.1.3纤维洗涤和提浆粉碎后的鲜木薯稀浆，再进入纤维逆流洗涤系统(立式离心筛组)，洗水由系统的尾端加入，粗淀粉乳则由第一级的筛下物出来，泵送入除砂旋流器除砂后，进入精筛(压力曲筛)，筛下物去分离精制工段，筛上物提出细纤维后回入洗涤系统。洗涤水用部分循环水和补充部分新鲜水。最后一级立筛出的湿纤维，经脱水立筛脱去稀浆后，直接用来做饲料。1.1.4蛋白分离及精制经纤维洗涤系统的粗淀粉乳，其中含有细砂、细纤维、蛋白质、脂肪及可溶物等。淀粉乳再经除砂器和旋转过滤器，除去细泥砂及细颗粒后再进入碟片分离机，经过除砂和过滤，不仅可以除去细砂等杂质，而且可以保护分离机。分离机从淀粉乳浆中分离出不溶性蛋白质及残余的可溶性蛋白质及其他杂质，从而达到淀粉乳洗涤、精制、浓缩的目的。1.1.5淀粉的脱水干燥精制后淀粉乳，浓度约18-21°Bé，进入刮刀离心机中脱水，脱水后，湿淀粉含水38％以下，再进入散蒸汽流干燥器中干燥，干燥器热源可采用锅炉、热风炉或导热油炉，热风温度160～200℃左右，尾气温度55℃时，对应的淀粉水分13％左右，使用一台水分自动调节器，可使淀粉水分限在很小的范围内波动。因为水分的蒸发是在湿淀粉与热空气直接接触下进行的，故干燥过程可在很短的时间内完成。1.2变性淀粉生产工艺流程化学药品板式换热器PH值测定仪中浓度分离机回收淀粉↓↑↓↑淀粉乳→淀粉乳调浆反应罐→洗涤→离心脱水→气流干燥→筛分→计量包装→成品图1变性淀粉工艺流程图1.3变性淀粉生产工艺说明淀粉乳被泵送入带调速搅拌的调浆反应罐内，然后加入化学药品进行搅拌反应，浆液通过板式换热器外循环调温的方式进行温度控制，f司时测得PH值。待反应达到要求后，泵入储罐，反应后的淀粉乳经旋转过滤器、流量计，计量后进入八级洗涤旋流机组进行逆流洗涤，清水由末级进入，洗去多余化学残留物等。第一、二级的溢流通过中间浓缩分离机回收淀粉，废液溢流排放。由末级底流排出的精淀粉乳浓度达20-21°Bé，靠背压压入高位储罐，然后经刮刀离心机脱水，得含水36％的湿淀粉，由螺旋输送机输入气流干燥系统干燥，经120-160目分级筛分，筛下物计量打包即为成品（廉卫,2006）。2.木薯淀粉发酵木薯属于高产作物，耐肥、耐瘠、耐水、耐旱，是酒精工业的良好原料，其所含的淀粉品质较纯，淀粉颗粒大，加工方便。2.1工艺流程与操作要点液化→糖化→加酒母发酵→蒸馏→酒精（赵江,赵华,2003）。2.1.1液化木薯淀粉中含直链淀粉17%,支链淀粉83%,淀粉浆的液化是将淀粉链打断,淀粉的网状结构被破坏,从而使淀粉浆的粘度降低,使淀粉水解为糖和糊精（薛万伟,党选举,李鑫.2005）。传统的液化工艺采用高温高压蒸煮法。原料和水混均后,于130℃下进行高温高压处理。随着酶工程的发展,传统的高压高温蒸煮逐渐被取代,液化可分为有蒸煮方式和无蒸煮方式,现在的有蒸煮液化方式与传统的高温高压蒸煮液化方式有着本质的不同,它是建立在酶制剂技术上的一种液化方式。液化过程中广泛使用液化酶(α-淀粉酶)对原料进行液化处理。根据蒸煮温度和加酶品种的不同,目前的有蒸煮液化处理方式可分为三种,高温蒸煮、中温蒸煮和低温蒸煮,高温蒸煮会造成原料中可发酵性物质损失,且安全性差;中温蒸煮不易染菌,但冷却设备投资大,耐高温淀粉酶价格高,酒精成本高;低温蒸煮节约蒸汽和冷却水效果显著,可发酵性物质损失少,但糊化、糖化不彻底,易染菌,发酵升酸高。无蒸煮方式又称为生料发酵工工艺,凡是完全排除对淀粉质原料进行热处理的酒精生产工艺属于无蒸都煮方式。但是,目前生料发酵中液化,糖化效果比有蒸煮方式要低。2.1.2糖化糖化是将短的淀粉链即糊精转化为可发酵性糖,糖化分前糖化阶段和后糖化阶段,因为糖化过程的时间限制,不可能将全部的淀粉转化为糖,所以在发酵过程中还存在糖化过程,称为后糖化（薛万伟,党选举,李鑫.2005）。糖化是一个复杂的生物化学变化过程,受糖化酶添加量、时间、温度等多种因素的影响。糖化酶在木薯酒精发酵中有很大的作用,它将木薯中的淀粉分解成可发酵性糖,以利于酵母酒精发酵。糖化酶的用量对酒精发酵有很大的影响,糖化酶的用量太少,会造成发酵不彻底;糖化酶太多,则增加了生产成本。糖化的效果不仅取决于糖化酶的添加量,而且与糖化时间有很大的关系,糖化时间不足,造成糖化不完全,不利于提高原料出酒率;糖化时间过长,会延长生产周期,降低设备的利用率。糖化温度的高低对糖化也有一定的影响，酶的化学本质是蛋白质,反应温度高于适宜温度时,酶蛋白会逐渐产生变性而作用减弱,甚至丧失其催化活性,温度过低于适宜温度容易染菌,所以糖化温度的控制是非常重要的，糖化阶段的温度在58-62℃。2.1.3发酵阶段从发酵罐消毒、淀粉的调浆到前糖化阶段完成需要3h,而后续的发酵阶段要进行60h左右,所以对发酵阶段的研究非常重要。2.1.3.1酵母的活化发酵前要进行酵母的活化,这是很重要的一个步骤（俞学锋,李雪松,李志军2002）。安琪耐高温干酵母可以在41℃下进行主发酵,可以大大节约冷却水,缩短整个发酵时间,被很多酒精厂采用。干酵母在包装袋内处于休眠状态,要通过复水使其苏醒,并且使酵母细胞适应发酵的环境,快速生长。2.1.3.2酵母接种常用的接种方法有三种（俞学锋,李雪松,李志军2002）:分隔主发酵法,驯化法,直接投加法。2.1.3.3生物发酵酒精的原理酵母菌属于兼性微生物,可以在有氧或者无氧条件下生长。在有氧条件下,酵母细胞中的酒化酶受到抑制,酵母会利用充足的氧气将葡萄糖分解为CO2,不产生酒精,细胞进行自我增殖;在无氧条件下,酵母才将葡萄糖分解为酒精和CO2,得到自身生命活动所需要的热量。所以在酒精发酵过程中要注意酵母菌生长条件的控制,保证适当的时间进行有氧呼吸,然后在无氧条件下酒精发酵,如果在发酵的时候还存在氧气就会产生巴斯德效应（俞学锋,李雪松,李志军2002）。2.1.3.3发酵阶段的控制酒精的发酵可以分为三个阶段:前发酵期、主发酵期、后发酵期（薛万伟,党选举,李鑫2005）。前发酵阶段是酵母增殖阶段,又称为对生长期。活化后的酵母加入到糖化醪中,因为有充足的氧气和糖分,酵母会快速的繁殖,以达到生长优势,抑制杂菌的生长,并且为发酵酒精作酵母数量上的准备。前发酵期的温度不能过高,否则影响酵母的活性,使酵母容易衰老,控制在31～33℃。由于前发酵期间,醪液中不可避免的存在杂菌,杂菌不仅要消耗糖分和其它营养物质,而且会产酸,影响酵母的生长。实验通过补加碱液来调节醪液的pH,碱液使用KOH和K2HPO4的混合溶液,同时起到补充K+、PO43-的作用。主发酵期间,由于发酵速度快,会产生大量的热量,导致醪液的温度升高,而温度的升高会造成酵母衰老,并且会造成杂菌的污染,所以要控制温度,耐高温酵母可以耐41℃的高温,控制温度在38～40℃,可以节约大量的冷却用水。主发酵期的时间在18～24h之间,这个时间主要取决于醪液中糖的浓度以及其他营养成份的含量。后发酵期。主发酵期结束后,进入后发酵期,随着糖分的消耗、酒精的积累,酵母的活性会逐渐降低,发酵速度减慢,直到大多数酵母死亡,发酵结束。后发酵期持续时间在34～40h。2.2影响因素2.2.1酶用量对发酵的影响糖化和发酵同时进行，若酶用量太少，则会导致淀粉糖化速度慢或糖化不完全，不利于发酵；若酶用量太多，则糖化速度大于发酵速度，过剩的葡萄糖有利于杂菌的生长，从而降低发酵率。另外，反应液中葡萄糖的浓度过高时，酶的活性会显著降低（松元信也等.1