加酶挤压大米品质调控机理及其黄酒应用研究

发布时间：2020-06-16 03:21

【摘要】：加酶挤压是一种将高温短时挤压蒸煮与酶催化作用相结合的新型挤压技术,在谷物加工与熟化方面具有“绿色、高效、连续化”等工业生产属性。黄酒酿造历经千年,是中华民族之“瑰宝”,然而目前黄酒业在当代工业和经济体系下,其传统预处理工序面临着大米浸泡时间长、废水排放严重、蒸煮耗能大、米饭品质不足(易夹生、过熟或回生)、功能活性成分大量损失等诸多问题。因此,本课题拟采用加酶挤压技术调控黄酒酿造大米品质,明确挤压关键控制因素,并建立相应的工程与动力学模型,以期实现原料利用率、黄酒发酵效率和黄酒功能品质的稳步提高,推动黄酒产业的可持续发展。首先,研究了大米加酶挤压操作参数的宽幅调节对其系统参数变化规律与阈值水平的影响。结果表明:在挤压过程中,物料温度、模头压力、扭矩和机械能等系统参数均随着加酶剂量、机筒温度、喂料水分和螺杆转速中一个或多个操作参数的变化而显著变化。其中,机筒温度和喂料水分较为特殊,既对挤压物料本身产生直接作用,也通过限制外源淀粉酶活而间接影响物料状态。三维响应曲面分析显示,于固定的酶浓度下,在机筒温度86℃或114℃附近区域(即实际物料温度～90℃或120℃)以及水分30%附近区域,会出现明显的曲率增加现象,这表明淀粉酶受到激活或抑制;在水分48%时也呈现类似现象,主要是因为高水分润滑作用弱化了物理机械作用。当酶活稳定表达时,模头压力、扭矩、机械能均急剧下降(1.0MPa、6.7Nm、62kJ/kg)。其次,利用六阶响应模型的精细拟合进一步探究了引入外源酶对大米品质目标参数的影响。基于拟合方程与相关性分析确定了加酶挤压大米的关键目标参数及其数值水平与变化规律:水溶性(76.8%～90.1%),随着加酶剂量、喂料水分的增加而升高、随着机筒温度的升高先升高再平稳后略有下降;吸水性(1.12～1.34 g/g),其变化规律与水溶性大致相反,仅对喂料水分升高表现为先降低后升高;粘度(41 cP),与吸水性影响相似;糊化度(99.57%),与水溶性影响相似;总酚含量(71.1%～90.5%),随着加酶剂量、喂料水分和螺杆转速的升高而升高、随着机筒温度升高而缓慢下降。据此进一步限定其普适性的系统参数优选范围:物料温度86.8℃～110.4℃;模头压力0.9 MPa;扭矩3.6 Nm;机械能45 kJ/kg。再次,通过建立加酶挤压过程的滞留时间分布(RTD)模型,研究了大米物料在挤压腔体中的混合与流动特性。推导结果表明,引入外源淀粉酶会使RTD的E(t)函数曲线峰右移、峰型变矮变宽、拖尾现象明显,且平均滞留时间延长、混合程度增强。当酶活稳定表达时,反应时间在73.1～269.7 s之间,且随着进料速度与螺杆转速的增加而缩短,符合双倒数模型;轴向混合程度D/uL在0.059～0.097之间,且随着进料速度的减少、螺杆转速的增加而升高,符合负载比分数指数幂模型。标准化F(θ)函数表明加酶挤压大米的运行轨迹比传统挤出米更趋近全混合流,双可变参数的Yeh-Jaw简化模型(或Wolf-Resnick 模型,R2=0.9989,RSS=0.0040)可对其精确拟合。然后,将加酶挤压对比传统蒸煮、传统挤压以及自设计的无酶和加酶高压蒸煮等大米预处理方式,证实了外源淀粉酶的生物降解作用与挤压螺杆的动态物理场耦合作用在大米降解上存在正向协同机制。发酵试验结果与相关性分析表明,加酶挤压大米相比其他方式处理米的状态和性质具有巨大差异,改变了传统液态发酵模式且降解基质多呈均匀分布,主要表现为高水溶性、高糊化度、低吸水性、低粘度以及低多酚损失率,从而导致其酿制黄酒的乙醇产量(36.72%)、发酵效率(91.97%)、总氨基酸(6 g/L)、可溶性固形物含量(9.71%)和多酚含量(597.3 mg GAE/L)等指标均高于传统法黄酒。此外,该酒的体外抗氧化功能(DPPH、ABTS、RP、FRAP)也提高10～79%。基于上述试验结果与分析,分别对加酶挤压过程中淀粉快速糊化与总酚缓慢降解过程进行反应动力学建模,从而定向探究酶诱导各挤压反应的变化机理。结果表明,随着挤压环境剧烈化,传统挤压中的淀粉反应常数(kG,9.08×10-3～2.08×10-2s-1)和总酚反应常数(kP,4.74×10-3～1.54×10-2 s-1)呈正相关,而引入外源淀粉酶则转化kG(2.92×10-2～7.69×110-2s-1)和kP(1.58×10-3～5.26×10-3s-1)为负相关。当酶活稳定表达时,淀粉糊化活化能从32.01 kJ/mol降低至0.24 kJ/mol,而总酚降解活化能则从37.49 kJ/mol提升至70.30 kJ/mol,说明耐高温α-淀粉酶在挤压过程中差异性作用于其淀粉底物和非底物多酚。因此,推测加酶挤压“多酚保留”原因是:一方面,快速糊化的淀粉大分子包裹多酚小分子后可能起到了特殊的物理缓冲与柔性保护作用;另一方面,极端挤压环境的改善(扭矩、机械能、压力与剪切力等的显著降低)削弱了多酚降解所需能量。最后,针对加酶挤压大米发酵的黄酒,采用顶空固相微萃取(HS-SPME)与气质联用(GC-MS)表征了风味形成并阐明了其影响机制。在优化HS-SPME萃取的基础上(酒精度,12%v/v;提取温度50℃;提取时间45min),确定了加酶挤压黄酒的66种挥发性组分。这些组分在发酵过程中的形成与变化趋势与传统蒸煮米大体类似,但浓度水平有所区别:前者的醇类(尤其是高级醇)、内酯类和酚类化合物较多,而酸类、酯类、酮类、醛类、芳香族类、呋喃类、含硫和含氮化合物类则偏少,导致黄酒的外观、香气、口味和风格等倾向于清爽型黄酒的典型风格。主成分分析表明,加酶挤压黄酒可显著区分于市售黄酒的特征风味物质主要包括但不限于以下6种:2-庚醇、1-辛烯-3-醇、4-羟基苯甲酸乙酯、2-戊基甲基戊酯、γ-己内酯和4-乙烯基基愈创木酚。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS262.4
【图文】：

输入与多变量输出的“黑箱”挤压过程。在规定的设备配置下，挤压相关参数可大致简逡逑化地定义为三个部分：操作参数（自变量Ｘ）、系统参数（因变量和目标参数（因变逡逑量ｚ）。如图１－５，操作参数ｘ是挤压过程的基本输入变量，直接控制并影响着系统参数逡逑＞函数关系表达为尸你）；同时，操作参数也间接地影响目标参数的改变，即２＝／勿＝难）。逡逑系统参数＾则是目标参数Ｚ的直接影响因素，其结果可反馈到操作参数。目标参数Ｚ又逡逑可以细分为挤出参数和产品参数，根据实际加工的需要分别与系统参数建模。该分析法逡逑已在食品挤压研究中获得广泛使用，如挤压谷物、豆类、果蔬以及复合配方等［５７］。逡逑８逡逑

逡逑如图１－６，概念流模型的基本组件为塞流反应器（ｐｌｕｇｆｌｏｗｒｅａｃｔｏｒ，邋ＰＦＲ）和连续搅逡逑拌式反应器（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ｓｔｉｒｒｅｄ邋ｔａｎｋ邋ｒｅａｃｔｏｒ，邋ＣＳＴＲ），此外还有其组合形式和变种形式，逡逑用于修正或建立更为精确的ＲＴＤ模型。逡逑－柱式邋逦Ｊ邋［Ｉ邋＊逦逦？逦ＰＦＲ－＾ＳＴＲ邋——？［邋［Ｉ邋＊邋Ｉ逦４＾１逦？逡逑（ＰＰＲ＞逦ＵＪ逦邋＾——逦￣逡逑＾？——？逦ＰＦＲ—ＣＳＴＲ逦．ｆ邋ＩＩ逦．邋／逡逑抽向扩蚊逦ｉｌＳ＿Ｊ逦＾逦ｉ邋设计ｄｅａｄ邋咖￣￣＂逡逑连续搅拌式逦逦？串联ｐＦＲ—ｃｓｔｒ邋—４１［邋？ｕｎｆｉ邋ｒｆｉ￣￣？逡逑串联ＣＳＴＲ逦？邋ｄ＾＞邋—＊邋ｃＪ＾＞邋？串联ＰＦＲ—ＣＳＴｆｔ邋—？逦？邋Ｉｒｒｔ．亦逡逑逦逦逦１逦《设计跨流ＣＳＴＲ）邋逦ｉ邋＿邋．＿３ＺＪ逡逑—？邋ｃｈ邋—＊邋ｊｉａ邋＊＊ｊ邋ｄｊ邋｜￣＊逡逑？＃？ＣＳＴＲ邋—邋一－邋—￣逦—逦串联邋ＰＦＲ—ＣＳＴＲ逦ｐ，，￣［ｒｆｉ邋ｒ－ｈ逡逑（设计回流ＣＳＴＲ邋）邋—Ｈ邋ＩＩ—逡逑—＊邋N—＊邋ｊＬ邋ｃｔ＞逡逑＊邋环式邋ＣＳＴＲ邋—？逦－？逦？Ｊｆｊ￡ＰＦＲ—ＣＳＴＲ逦逦＞￡邋？邋｜￣——？逡逑４￣￣邋？ｔｅ逦？ｓｆｃ？邋＜￣逦Ｊ逡逑图１－６常用的若干种挤压流动模型逡逑Ｆｉｇ．邋１－６邋Ｇｅｎｅｒａｌ邋ｆｌｏｗ邋ｍｏｄｅｌｓ邋ｔｏ邋ｓｉｍｕｌａｔｅ邋ｅｘｔｒｕｄｅｒｓ逡逑１．２．２．２．２挤压物质反应转化动力学逡逑反应动力学是物理化学的分支学科，揭示了物质在反应过程中的非平衡动态转化，逡逑如降解、合成、改性、吸附和解吸等行为。在食品领域中

本文编号：2715458