泵速和流槽斜率对实验室100g湿磨淀粉收率的影响

  • 作者: 刘小兵 译
  • 时间: 2021-11-24 13:46:26
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摘要  在一个实验室100g湿磨程序中用作淀粉流槽的2.44m×5.08cm的铝制通道上,进行了一次全因子重复实验,用四种淀粉流槽斜率(0.00520.01040.01560.0208cm/cm)和五种泵速(4045505560ml/min),测定流槽斜率参数、浆料泵送速率和淀粉收率、淀粉的蛋白质含量之间的关系。这些试验表明,淀粉收率和淀粉蛋白质含量随流槽斜率和泵速的增加双双下降。淀粉收率因流槽斜率和泵速增加的损失速率约是线性的。然而,淀粉的蛋白质含量在流槽斜率>0.0104cm/cm时,影响相对较小。流槽斜率最小(0.0052)时,所获得的淀粉蛋白质比另外三个试验的流槽斜率明显多一些。实验室100g湿磨程序用到的、适当的流槽斜率和泵速选择是基于实验室1kg湿磨程序所表现的那样,将相同的淀粉浆倾倒在一个8.3cm×6.1m的流槽上所获得的淀粉收率和淀粉蛋白质结果。0.0104cm/cm的流槽斜率和50ml/min的泵速使得淀粉收率(81.8%80.0%)和淀粉中蛋白质含量(0.50%0.52%)最接近于1kg流槽倾倒程序。

ABSTRACT  A replicated full-factorial experiment with four starch table slopes (0.0052, 0.0104, 0.0156, and 0.0208cm/cm) and five pump rates (40, 45, 50, 55, and 60ml/min) was used to determine the relationship between the table parameters of slope and slurry pumping rate and starch yield and the protein content of starch for a 2.44m×5.08cm aluminum channel used as a starch table in a 100g laboratory wet-milling procedure.  The tests showed that both starch yield and the protein content in the starch decreased with increasing table slope and pumping rate.  The rate of starch yield loss with increasing table slope and pumping rate was approximately linear.  However, protein content of starch was relatively unaffected by table slope at slopes > 0.0104cm/cm.  The lowest table slope (0.0052) had significantly more protein in the starch than did the other three table slopes tested.  Selection of the appropriate table slope and pumping rate for use with the 100g laboratory wet-milling procedure was based upon starch yield and protein in starch results from tabling the same starch slurry on an 8.3cm×6.1m table as performed in a 1kg laboratory wet-milling procedure.  A table slope of 0.0104 cm/cm and a pumping rate of 50ml/min was the combination that gave the starch yield (81.8 vs. 80.0%) and protein content in starch (0.50 vs. 0.52%) closest to those of the 1kg tabling procedure.

 

        目前,玉米湿磨过程中淀粉和蛋白质的密度分离是用一系列连续运转的离心机和水力旋流器来实现的(Watson 1984Blanchard 1993)。然而,往前推大约40年,工业上,人们用泵把淀粉浆送入被称为淀粉流槽的倾斜木槽,将玉米淀粉从蛋白质中分离出来。淀粉沉淀在流槽上,而蛋白质仍旧悬浮在水中流向槽的终端。流槽一般是0.6m宽、40m长,斜率0.0052m/m(Kerr 1950)。影响工业淀粉流槽运行的因素包括流槽斜率、淀粉-蛋白质浆料比重、浆料温度、流槽长度以及流槽单位宽度的泵量(Berkhout 1976)

实验室和中试湿磨分离淀粉蛋白质的办法有三种:1) 间歇式离心分离(HassaneanAbdel-Wahed 1986SteinkeJohnson 1991)2) 水力旋流器(Rubins 1990SinghEckhoff 1995)3) 淀粉分离流槽(Watson等人 1951Eckhoff等人 1993PelshenkeLindemann 1954Anderson 19571963Weller 1987Wehling等人1993)。尽管SinghEckhoff (1995)对比过水力旋流器和淀粉流槽,但没有人对这三种办法做过直接比较。这两个人发现在他们操作水力旋流器的条件下,对于用水力旋流器法回收的淀粉来说,淀粉收率下降了,而淀粉中蛋白质的含量较高。他们觉得,如果对这种办法进行改良,包括对蛋白质溢流进行回收利用,会产生可接受的结果。上面所引述的以及其它一些参考文献(EckhoffTso 1991Steinke等人 1991Fox等人 1992WangJohnson 1992FoxEckhoff 1993Rausch等人 1993Shandera等人 1995)的结果表明,所有这三个方法似乎能使淀粉收率接近工业实际生产水平,同时,淀粉蛋白质含量较低,虽然并非所有的研究都获得了相同的准确度和精确度水平,但它们重复实验的标准差较低。

        这三个方法中的每一种似乎都有不同的优点。间歇离心法和水力旋流法的分离速度快于流槽,但流槽工作时所需的主观步骤较少,只需廉价的设备。离心分离法和水力旋流器的使用更准确地模仿了目前工业上的分离技术,占用较少的楼层空间,更易于适应多种难以分离的淀粉样品。然而,水力旋流器似乎不适合于规模不足1kg的样品分离。

对于100~200g的样品规模,PelshenkeLindemann(1954)用一个短的淀粉流槽分离淀粉和蛋白质,随后便是一个两级离心洗涤。他们没有将流槽斜率、浆的流速或浆的比重等基本信息报告出来,但淀粉高收率、淀粉中蛋白质低含量和检测淀粉收率的高精度表明他们能够获得良好的分离效果。

        100g样品规模的实验室湿磨程序的研发过程中,Eckhoff等人(1996)用一个2.44m×5.08cm铝制通道作为淀粉流槽。在流槽分离的诸多参数,如浆料温度、浆料比重、流槽长度、流槽斜率以及浆料泵送速度上,没有可供参考的数据。在实验室实践中,可以保持浆料温度、比重和流槽长度恒定不变。但还要必须了解淀粉品质、淀粉收率和流槽斜率、浆料泵速之间的关系。此次研究的目的就是确定在实验室100g湿磨程序中用作淀粉-蛋白质分离的2.44m×5.08cm铝制淀粉流槽上流槽斜率、泵速和所导致的淀粉收率、淀粉蛋白质含量之间的关系。

材料与方法

一次性地从湿磨设施的主离心机进料口处获取一定量的淀粉-蛋白质浆料。在尽量减少产生淀粉-蛋白质浆料的重复实验室湿磨过程中可能会出现的变异性试验中用到了商品淀粉-蛋白质浆料。为防止淀粉浆的衰败,将其冷藏保存,直至进行随机重复试验。操作时,充分混合浆料,取出有代表性的样品,加热至室温,加入蒸馏水将比重调至1.04(固形物含量9.8%),然后,再进行流槽分离。三份100ml浆样用于固形物两段气干法(AACC 1983)的检测。

        在比较四种流槽斜率(0.00520.01040.01560.0208cm/cm)和五种泵速(4045505560ml/min)的全因子重复实验设计中,我们将制备好的、比重为1.04的湿磨淀粉样品(1,000ml)20次倾倒在20个斜率和泵速不同组合的流槽上。将干燥、空的铝制淀粉流槽两端置于两个天平上,使其悬在两个天平之间,记下皮重。初始皮重为两个天平测得的重量之和。将浆料泵入指定流速和斜率的流槽上,溢流作为蛋白质组分回收。所有浆料通过流槽后,再泵入150ml洗桶蒸馏水冲洗流槽表面的淀粉。将淀粉流槽静置至少6hr,以便气干淀粉,之后,再将该流槽的两端坐在两个天平上称重,得到淀粉的湿重。然后,立即将流槽上的淀粉刮入量过皮重的铝制样杯中,用2hr135强制空气烘箱法(AACC 1983)检测水分。检测溢流(蛋白质组分)的体积,将三份75ml代表性样品置于量过皮重的铝制样杯中,用两段强制空气烘箱法(AACC 1983)检测蛋白质组分的总固形物含量。用微型凯氏(Kjeldahl)定氮法(AOAC 1984)检测淀粉中的蛋白质(N×6.25)

        按照Eckhoff等人(1993)制定的实验室1kg玉米湿磨指导原则,将完全一样的6,000ml代表性样品泵入一个6.1m×8.3cm的流槽上作为对照组。按照1kg指导原则操作时,选取其中的6,000ml作为倾倒流槽浆料体积的代表。流槽斜率为0.0093cm/cm、泵速300ml/min。分别检测淀粉收率、麸质收率和淀粉蛋白质含量的百分比。

结果与讨论

        1kg程序对照组的平均淀粉收率和淀粉中蛋白质含量分别为80.0%0.52%。如折算成淀粉-蛋白质浆料,淀粉的收率约为85%。按商业标准来看,这个收率不高,造成这一结果的原因可能是中间材料的过度循环或工厂内其它一些情况。当使用1kg程序时,这个淀粉中蛋白质含量中所报告的高端值。Eckhoff等人(1993)报告的值为0.32%TsoEckhoff(1991)也报告0.32%SinghEckhoff(1995)报告说,他们用1kg程序获得了0.42%的淀粉中蛋白质,而Anderson(1963)用类似方法,报告了0.54%的结果。高于期望值的淀粉中蛋白质含量与较低的淀粉回收率并存,表明特定的商业浆样难以分离。

100g流槽程序的淀粉收率随泵速和斜率的增加而下降(1)。保持斜率或泵速不变,结果基本相同:在所有试验的泵速下,淀粉收率随流槽斜率的增加而下降;在所有试验的斜率下,淀粉收率随泵速的增加而下降。泵速最低、斜率最小(40ml/min0.0052cm/cm)时,淀粉收率最高,为88%。最小和最大的流槽斜率(0.0052cm/cm0.0208cm/cm)使得淀粉收率的下降速度最快,分别下降了6.9%7.3%。中间的两个流槽斜率值(0.0104cm/cm0.0156cm/cm)分别使淀粉收率下降了4.3%4.2%

如预期的那样,通过流槽的淀粉中蛋白质含量也随泵速和流槽斜率的增加而下降(2)。最值得注意的是0.0052cm/cm的流槽斜率和另外三个流槽斜率之间淀粉蛋白质含量的明显不同,前者的蛋白质含量明显高于后三者。除最小的流槽斜率外,在泵速大于50ml/min时,回收的淀粉样品中蛋白质含量之间无显著性差异(α=0.05)Zipf等人(1950)在淀粉蛋白质含量上也发现了类似的下降趋势。

对于实验室100g湿磨程序来说,适当的流槽斜率和泵速的确定是建立在淀粉中蛋白质含量和淀粉收率与淀粉分离流槽1kg程序预期结果相似的条件之上的。根据工业规范要求,淀粉中蛋白质含量>0.5%是不可接受的。在流槽斜率和泵速的组合为0.0104cm/cm50ml/min时,淀粉中蛋白质含量<0.5%100g程序淀粉蛋白质<0.5%的最佳淀粉收率是81.8%,此时的泵速为50ml/min,斜率为0.0104,与对照组样品值(淀粉收率80.0%、淀粉蛋白质0.52%)相当。

        虽然确定流槽斜率和泵速的标准是基于与1kg程序结果的比较,但不能保证数值结果总在这两种方法之间高度相关。因为流槽斜率是不一样的(0.0104cm/cm0.0093cm/cm),单位横截面的流速也不相同(10ml/min/cm36ml/min/cm),这些混合值的相对排序在这两种方法中还是有相关性的,但数字上的收率值可能不同。

结论

        淀粉收率和淀粉中蛋白质含量随流槽斜率和泵速的增加双双下降。导致淀粉收率和淀粉蛋白质含量与同样浆料1kg流槽分离法结果相似的流槽斜率和泵速组合是0.0104cm/cm50ml/min

 

刘小兵  译自《谷物化学》1996年第1期,总第73