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第六章玉米淀粉生产概述淀粉是食品的重要组分，是人体热能的主要来源。淀粉采用相应的技术改性，可得到各种变性淀粉，从而改善其应用效果，扩大应用范围。淀粉和变性淀粉可广泛应用于食品、纺织、造纸、医药、化工等许多行业。淀粉经水解作用可制得若干种类的淀粉糖产品，如糊精、麦芽糖、淀粉糖浆、葡萄糖、功能性低聚糖。葡萄糖经异构化还可以生产高果糖浆。淀粉经水解、发酵作用可转化成酒精、有机酸、氨基酸、核酸、抗生素、甘油、酶、山梨醇等若干种类的转化产品。一、玉米子粒结构及化学组成玉米是世界上主要粮食作物之一，在农业生产中占有重要的地位。美国为世界上玉米最大的生产国，2011年,产量为3亿多t，占全世界玉米总产量的46％。中国玉米产量为2亿t左右，居世界第2位。玉米有很多类型，如马齿型、半马齿型、硬粒型、甜质型、糯质型、爆裂型、高直链淀粉型、高赖氨酸型和高油型等。世界上大面积种植的主要是马齿型、半马齿型和硬粒型玉米。适合生产淀粉的原料主要是马齿型，糯质型和高直链淀粉型玉米是专用淀粉的原料。1.玉米种子结构2.玉米子粒的化学组成玉米子粒的化学组成主要是淀粉，约占子粒质量的71.8％，这是把玉米作为淀粉生产原料的主要依据。除此之外，还含有蛋白质、油脂、纤维素、可溶性糖、矿物质等。玉米子粒结构的不同部分所含化学成分的量是不同的，淀粉主要含在胚乳中，皮层主要含纤维素及灰分。胚芽中除脂肪外，蛋白质、灰分及可溶性糖含量也较高。表6-1马齿型玉米各部分的化学组成占子粒%淀粉蛋白质脂肪灰分可溶性糖胚芽11.58.318.534.410.311.0胚乳82.386.68.60.860.310.61种皮0.85.39.73.81.71.5果皮5.37.33.50.980.070.343.玉米子粒的特征与淀粉生产工艺的关系从玉米子粒中提取淀粉需要把子粒的各种化学组分进行有效地分离，以便最大程度地提纯淀粉，并回收其他成分。湿磨工艺是目前惟一有效的方法。玉米子粒硬度大，要采取浸泡法使其吸水软化。玉米子粒皮层结构紧密，通透性差，浸泡时要添加SO2等成分增加皮层膜的透性。胚芽含油量大，但韧性强，加工时根据这个特点，对玉米进行粗破碎、分离胚芽。可溶性成分一般通过浸泡工艺分离出来。玉米胚乳中淀粉与蛋白质的结合非常牢固，比小麦淀粉与蛋白质结合要牢固得多，在湿法加工中，单用水不能使蛋白质和淀粉很好地分离，要通过所添加的SO2氧化还原性质打开包围在淀粉粒表面的蛋白质网膜。皮层及纤维则主要是在湿磨后采取筛选方式去除。二、玉米淀粉提取工艺流程自1842年玉米淀粉湿磨工艺提取开始在美国应用以来，100多年中，人们对玉米湿磨工艺进行了许多改进。我国玉米淀粉工业起步较晚，湿磨工艺是1956年从前苏联引进的，直到20世纪80年代末期，我国的玉米淀粉工业开始有较大幅度的发展。现在，我国淀粉年产量约400万t，其中玉米淀粉约占80％。工艺流程中，大致可分为4个部分：①玉米的清理去杂；②玉米的湿磨分离；③淀粉的脱水干燥；④副产品的回收利用。其中玉米湿磨分离是工艺流程的主要部分。如果与淀粉的水解或变性处理工序连接起来，可以考虑用湿磨的淀粉乳直接进行糖化或变性处理，省去脱水干燥的步骤。三、玉米淀粉提取工艺及操作要点1.玉米原料选择、加工前的清理和输送a生产淀粉要求玉米要充分成熟，含水量符合标准，未经热风干燥处理。b玉米在收获、脱粒及运输、储藏的过程中，不可避免的要混进各种杂质。这些杂质在进入浸泡工艺之前必须清理干净，否则会给后面的工序带来麻烦，增加淀粉中的灰分，降低淀粉的质量。石子、金属杂质会严重损坏机器设备。c玉米的清理主要用风选、筛选、密度去石、磁选等方法。其除杂方法的原理与小麦、水稻的清理相同。d清理后的玉米送至浸泡罐进行浸泡。一般多采用水力输送法，水通过提升机把玉米送至罐顶上的淌筛之后与玉米分离再流回开始输送的地方，重新输送玉米，循环使用。这一输送过程也起到了清洗玉米表面灰尘的作用。在输送过程中，注意定时排掉含有泥沙的污水，补充新水，保证进罐玉米的洁净。2.玉米的湿磨分离从玉米的浸泡到玉米淀粉的洗涤整个过程都属玉米湿磨阶段，在这个阶段中，玉米子粒的各个部分及化学组成实现了分离，得到湿淀粉浆液及浸泡液、胚芽、麸质水、湿渣滓等。A.玉米的浸泡玉米的浸泡是湿磨的第一环节。浸泡的效果如何，影响到后面的各个工序，以至影响到淀粉的得率和质量。一般情况下，将玉米子粒浸泡在含有0.2％～0.3％浓度的亚硫酸水中，在48～55℃的温度下，保持60～72h，即完成浸泡操作。（1）浸泡作用a在浸泡过程中亚硫酸水可以通过玉米子粒的基部及表皮进入子粒内部，使包围在淀粉粒外面的蛋白质分子解聚，角质型胚乳中的蛋白质结晶型结构被破坏，亚硫酸氢盐离子与玉米蛋白质的二硫键起反应，从而降低蛋白质的分子质量，增强其水溶性和亲水性，使淀粉颗粒容易从包围在外围的蛋白质中释放出来。b亚硫酸作用于皮层，增加其透性，可加速子粒中可溶性物质向浸泡液中渗透。c亚硫酸可钝化胚芽，使之在浸泡过程中不萌发。胚芽的萌发会使淀粉酶活化，使淀粉水解，对淀粉提取不利。d亚硫酸具有防腐作用，它能抑制霉菌、腐败菌及其他杂菌的生命活力，从而抑制玉米在浸泡过程中发酵。e亚硫酸可在一定程度上引起乳酸发酵形成乳酸，乳酸有利于玉米的浸泡作用。f经过浸泡可起到降低玉米子粒的机械强度，有利于粗破碎使胚乳与胚芽分离。经过浸泡，玉米中7％～10％的干物质转移到浸泡水中。其中无机盐类可转移70％左右；可溶性碳水化合物可转移42％左右；可溶性蛋白质可转移16％左右。淀粉、脂肪、纤维素、戊聚糖的绝对量基本不变。转移到浸泡水中的干物质有一半是从胚芽中浸出去的。浸泡好的玉米含水量应达到40％以上。(2)浸泡方法玉米浸泡的工艺有3种，即静止浸泡法、逆流浸泡法和连续浸泡法。a静止浸泡法是在独立的浸泡罐中完成浸泡过程，玉米中的可溶性物质浸出少，达不到要求，现已淘汰。b逆流浸泡法是国际上通用的方法，该工艺是将多个浸泡罐通过管路串联起来，组成浸泡罐组。各个罐的装料，卸料时间依次排开，使每个罐的玉米浸泡时间都不相同。通过泵的作用，使浸泡液沿着装玉米相反的方向流动，使最新装罐的玉米，用已经浸泡过玉米的浸泡液浸泡，而浸泡过较长时间的玉米再注入新的亚硫酸水溶液，从而增加浸泡液与玉米子粒中可溶性成分的浓度差，提高浸泡效率。浸泡水中干物质的浓度是沿着顺时针方向提高的，而玉米粒中可溶性物质含量及单位时间浸泡程度则是按逆时针方向降低，这种方法又叫逆流扩散法。c连续浸泡是从串联罐组的一个方向装入玉米，通过升液器装置使玉米从一个罐向另一个罐转移，而浸泡液则逆着玉米转移的方向流动，工艺效果很好，但工艺操作难度比较大。(3)亚硫酸水溶液的制备浸泡玉米用的亚硫酸水溶液是通过硫磺燃烧炉，使硫磺燃烧产生的SO2气体与吸收塔喷淋的水流结合发生反应形成亚硫酸水溶液，经浓度调整后，进入浸泡罐。B.玉米的粗破碎与胚芽分离(1)胚芽分离的工艺原理玉米的浸泡为胚芽分离提供了条件，因为经浸泡、软化的玉米容易破碎。胚芽吸水后仍保持很强的韧性，只有将子粒破碎，胚芽才能暴露出来，并与胚乳分离。所以玉米的粗破碎是胚芽分离的条件。破碎后的浆料中，胚乳碎块与胚芽的密度不同，胚芽的相对密度小于胚乳碎粒，在一定浓度的浆液中处于漂浮状态，而胚乳碎粒则下沉，可利用旋液分离器进行分离。(2)玉米的粗破碎粗破碎就是利用齿磨将浸泡的玉米破成要求大小的碎粒。一般经过两次粗破碎，第一次破碎可将玉米破成4～6瓣，经第一次胚芽分离后，再进一步破碎成8～12瓣，将其中的胚芽再次分离。进入破碎机的物料，固液相之比应为1：3，以保证破碎要求，如果含液相过多，通过破碎机速度快，达不到破碎效果。如果固相过多，会因稠度过大，而导致过度破碎，使胚芽受到破坏。(3)胚芽的分离从破碎的玉米浆料中分离胚芽通用的设备是旋液分离器。水和破碎玉米的混合物在一定的压力下经进料管进入旋液分离器，破碎玉米的较重颗粒浆料做旋转运动，并在离心力的作用下抛向设备的内壁，沿着内壁移向底部出口喷嘴。胚芽和玉米皮壳密度小，被集中于设备的中心部位经过顶部喷嘴排出旋液分离器。在分离阶段，进入旋液分离器的浆料中淀粉乳浓度很重要，第一次分离应保持11％～13％，第二次分离应保持13％～15％。粗破碎及胚芽分离过程中，大约有25％的淀粉破碎形成淀粉乳，经筛分后与细磨碎的淀粉乳汇合。分离出来的胚芽经漂洗，进入副产品处理工序。C.浆料的细磨碎经过破碎和分离胚芽之后，由淀粉粒、麸质、皮层和含有大量淀粉的胚乳碎粒等组成破碎浆料。在浆料中大部分淀粉与蛋白质、纤维等仍是结合状态，要经过离心式冲击磨进行精细磨碎。物料进入冲击磨，玉米碎粒经过强力的冲击，使玉米淀粉释放出来，而这种冲击作用，可以使玉米皮层及纤维质部分保持相对完整，减少细渣的形成。为了达到磨碎效果，要遵守下列工艺规程：进入磨碎的浆料应具有30～35℃的温度，稠度120～220g/L。用符合标准的冲击磨，经一次磨碎，达到所要求的磨碎效果。其他各种磨碎机，一次研磨往往达不到磨碎效果，要经过多次研磨。这步操作的主要工艺任务是最大限度地释放出与蛋白质和纤维素相结合的淀粉，为以后这些组分的分离创造良好的条件。D.纤维分离细磨浆料中以皮层为主的纤维成分是通过曲筛逆流筛洗工艺从淀粉和蛋白质乳液中被分离出去。曲筛又叫120度压力曲筛，筛面呈圆弧形。浆料冲击到筛面上的压力要达到2.1～2.8kg/cm2。由6或7个曲筛组成筛洗流程。曲筛逆流筛洗流程的优点是淀粉与蛋白质能最大限度地分离回收，同时节省大量的洗渣水。分离出来的纤维经挤压干燥作为饲料。E.麸质分离通过曲筛逆流筛洗流程的第一道曲筛的乳液中的干物质是淀粉、蛋白质和少量可溶性成分的混合物，干物质中有5％～6％的蛋白质。前面已经提到，经过浸泡过程中SO2的作用，蛋白质与淀粉已基本游离开来，利用离心机可以使淀粉与蛋白质分离。在分离过程中，淀粉乳的pH值应调到3.8～4.2，稠度应调到0.9～2.6g/L，温度在49～54℃，最高不要超过57℃。离心机分离的原理是蛋白质的相对密度小于淀粉，在离心力的作用下形成清液与淀粉分离，麸质水和淀粉乳分别从离心机的溢流和底流喷嘴中排出。一次分离不彻底，还可将第一次分离的底流再经另一台离心机分离。分离出来的麸质(蛋白质)浆液，经浓缩干燥制成蛋白粉。F.淀粉的清洗分离出蛋白质的淀粉悬浮液干物质含量为33％～35％，其中还含有0.2％～0.3％的可溶性物质，这部分可溶性物质的存在，对淀粉质量有影响，特别是对于加工糖浆或葡萄糖来说，可溶性物质含量高，对工艺过程不利，严重影响糖浆和葡萄糖的产品质量。为了排除可溶性物质，降低淀粉悬浮液的酸度和提高悬浮液的浓度，可利用真空过滤器或螺旋离心机进行洗涤，也可采用多级旋流分离器进行逆流清洗，清洗时的水温应控制在49～52℃。经过上述6道工序，完成了玉米的湿磨分离的过程，分离出了各种副产品，得到了纯净的淀粉乳悬浮液。如果连续生产淀粉糖等进一步转化的产品，可以在淀粉悬浮液的基础上进一步转入糖化等下道工序，而要想获得商品淀粉，则必须进行脱水干燥。3.淀粉的脱水干燥湿淀粉不耐储存，特别是在高温条件下会迅速变质。从上述湿法工艺流程中分离得到的含量为36％～38％的淀粉乳要立即输送至干燥车间。淀粉脱水要相继用两种方法：机械脱水和加热干燥。a淀粉的机械脱水机械脱水对于含水量在60％以上的悬浮液来说是比较经济和实用的方法，脱水效率是加热干燥的3倍。因此，要尽可能地用机械方法从淀粉乳中排除更多的水分。玉米淀粉乳的机械脱水一般选用离心式过滤机。过滤筛网一般选用120目金属网，筛网借助金属板条和环固定在转子里。淀粉的机械脱水也可采用真空过滤机进行。淀粉的机械脱水虽然效率高，但达不到淀粉干燥的最终目的，离心过滤机只能使淀粉含水量达到34％左右。真空过滤机脱水只能达到40％～42％的含水量。而商品淀粉要干燥到12％～14％的含水量，必须在机械脱水的基础上