利用电解水替代SO2改进玉米淀粉生产浸泡新工艺研究.DOC

1、1 利用电解水替代 SO2 改进玉米淀粉生产浸泡 新 工艺 研究 乌云达来 1* 郝建雄 2 刘海杰 3 （呼和浩特民族学院环境工程系 1，呼和浩特 010051） （ 河北科技大学生物科学与工程学院 2，石家庄 050018） （ 中国农业大学食品科学与营养工程学院 3，北京 100083） 摘 要： 采用电解水代替 SO2 以改进玉米淀粉生产工艺。 以传统工艺 （ 0.2% SO2） 作为对照，通过酸性电解水 （ AcEW） 与 碱性电解水 （ AlEW） 二次浸泡来提取玉米淀粉。 结果表明，最佳提 取 工艺为 AcEW 浸泡 43h 后再 使用 AlEW 浸 泡 5h， 此工艺下 淀粉收

2、率最高，达到（ 67.21.6） %， 并 与传统的湿法工艺（ SO2 浸泡 48h）的淀粉收率 （ 67.41.0） %比较， 无显著性差异（ P0.05）。 关键词：电解水 湿法生产 玉米淀粉 二氧化硫 中图分类号： TS2342 文献标识码： A 文章编号： 1003-0174（ ） - - Use of Electrolyzed water to substitute SO2 in corn wet-milling process Wuyun Dalai1 Hao Jianxiong2 Liu Haijie3 (Department of Environmental Engineeri

3、ng, Hohhot Minzu College1, Hohhot 010051) (College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology2, Shijiazhuang 050018) (College of Food Science & Nutritional Engineering, China Agricultural University3, Beijing 100083) Abstract Wet-milling process was widely used to p

4、roduce starch, during which sulfur dioxide (SO2) and water were used to penetrate corn kernels. However, the application of SO2 had caused increasing concerns in public due to its adverse effect on human health an environment. Using electrolyzed water (EW) including acidic electrolyzed water (AcEW)

5、and alkaline electrolyzed water (AlEW) to replace SO2 in the corn wet-milling procedure was studied in this present work. the EW wet-milling procedure was determined as the combination of AcEW steeping for 43 hours and AlEW steeping for 5 hours, whose starch yields (%) was 67.21.0. The further resul

6、ts showed基金项目：内蒙古 自治区 自然科学基金 （ 2015MS0210），内蒙古自治区高等学校科学研究项目（ NJZY233） 收稿日期： 2017-11-20 作者简介 ： 乌云达来 ， 男 ， 1969 年出生，博士， 讲师，食品科学 2 that the EW wet-milling procedure did not affect the starch yields. However, the application of AlEW could bring Na+ into the starch. Further research should be performed t

7、o determine the optimized process of EW wet-milling and the quality of the starch. Keywords electrolyzed water, corm wet-milling, corn starch, sulfur dioxide 玉米是我国主要粮食 作物 产物之一， 其淀粉 质量分数 达到 70%左右。 玉米淀粉广泛应用于食品、制药、造纸、纺织、化工、化妆品及 能源工业。 目前玉米淀粉的加工工艺主要有干 法 及湿法两种工艺，但由于干法加工所得的淀粉纯度较低 ， 因此 湿法加工工艺是生产 玉米淀粉 的主要工艺

8、1。 浸泡过程是玉米湿法生产加工工艺中的关键环节 ， 目前的浸泡工艺是把玉米籽浸泡在含有 0.20.3%的 SO2 的水溶液中，在 4855 下保持 4070 h，达到软化玉米 颗粒 ， 降低其机械强度的目的 2。 SO2 的作用有两个，一是防止腐败微生物的生长；二是亚硫酸离子作用于二硫键，把蛋白质从淀粉 颗粒 里分离出来，从而减少蛋白质的分子量，增加蛋白质的溶解度。浸泡 过程便于将淀粉从蛋白质的基质里释放出来从而增加淀粉的收率。然而，使用 SO2 的安全问题应得到重 视 ， SO2 会 对 人类的 健康 造成 严重 影响 ，当吸入或摄入 过量的 SO2 后，会对血液 产生 明显的毒副作用 ，

9、并且对肺、 肝脏及免疫系统都有一定程度的伤害 3。 针对 SO2作业工人的流行病的研究表明， 长期接触低浓度二氧化硫可 能 引起慢性损害 , 比如 慢性鼻炎、咽炎、气管炎、支气管炎、肺气肿、肺间质纤维化等病理改变 4。因此能找到代替 SO2的环保、安全的玉米湿法工艺显得非常重要。 许多研究已经开发和改进 SO2 浸泡玉米的传统湿法生产淀粉的工艺。 Singh 等 5在浸泡液中加入了乳酸 ，结果 不仅淀粉产量增加，而且浸泡时间也可缩短， 但是使用 乳酸 仅 可以使玉米的种皮和胚乳的软化速度加快，更有利于 SO2 吸收， 但 不能代替 SO2。 任海松 等 6加入酶对玉米湿磨过程的影响进行了报道，

10、结果表明， 此法可 消除 SO2 的加入量， 且 淀粉的收率和质量与常规方法 差异不大，但是酶法加工的成本偏高， 因而 将酶进行回收利用 有待进一步研究 。 Ruan 等 7研究使用臭氧来代替 SO2 的玉米浸泡的可行性，并证明了臭氧辅助浸泡处理的淀粉收率高于常规的 SO2 浸泡法 。这些方法在实践中操作复杂，成本高，也 对 环境 有一定的 负面影响。因此，研究一种适合于工业化应用的环保、安全、经济的新方法来代替 SO2浸泡的常规方法意义重大。 电解水（ Electrolyzed water， EW）是在电解槽内电解氯化钠溶液而获得。 强 酸性电解水（ Acidic electrolyzed

11、water， AcEW）产生于电解槽的阳极端，具有低 pH、高氧化还原电位、含有次氯酸的特性。碱性电解水 （ Alkaline electrolyzed water， AlEW） 产生于电解槽的阴极端，高 pH、 低氧化还原电位。酸性电解水具有广谱的杀菌性能，在水果蔬菜以及食品加工设备中的一些食源性致病菌包括沙门氏菌、 单 增 李斯特菌 、 副溶血性弧菌 和大肠杆菌表现出强烈的杀菌活性 8-9。酸性电解水的 广谱 的杀菌机理归功于其 pH、氧化还原电位和有效氯，其中 有效氯是主要因素 10。 电解水的制备简单，成本低，对环境友好，无二次污染，并且酸性电解水的高氧化性和杀菌性能以及碱性电解水的碱

12、性特性，具备了代替常规玉米湿法工艺中的 SO2 的条件。 本 实验 利用电解水浸泡玉米籽粒的方法代替传 统的 SO2 溶液浸泡方法，并与传统方法（ 0.2%SO2、浸泡 48 h）进行了比较研究。 1 材料 与 方法 1.1 材料 实验用玉米购自中国农业大学国家玉米改良中心，黄色的马齿形玉米，中农大 4 号， 含3 水量 14% (wb)，将玉米按 每 100 g 的 质量 分装塑料袋内密封，在 -4 下保存备用。 强酸性电解水 （ AcEW） 和强碱性电解水 （ AlEW） 的制备使用 CE-7001 电解水发生器（有隔膜电解槽 ， 广州 赛爱环境技术发展有限公司 ）。制备后的电解水 （ E

13、W） 将立即使用。EW 的 pH、 氧 化还原 电 位 （ ORP） 的测定，使用 510M-01 5-星多参数测量仪（ 美国 Thermo 公司 ）并配有 pH（ Orion 8102BNUMP）、自动温度补偿（ Orion 927005MD）、和 ORP（ Orion 9180NMD）电极。 AcEW 的有效氯 （ ACC） 采用碘量法测定。 实验中使用的 AcEW 和 AlEW 的有关物理化学参数列于表 1。亚硫酸氢钠 （ 分析纯 ） ，将用于传统玉米浸泡工艺。 表 1 实验所用电解水理化指标 电解水 pH ORP/mV ACC/mg/L AcEW 2.520.1 1 210.68.4

14、350.64.2 AlEW 12.760.1 -889.54.9 ND 注 ： 数值用 “ 平均值 标准偏差 ” 来表示 (n = 5)； 环境温度为 （ 232） 。 ND 为 未检出。 1.2 玉米籽粒 吸水量 实验 分别称取 10.00 g 的玉米 ， 浸泡在盛有 20 mL 浸泡液（含 2 000 mg/L 的 SO2 浸泡液或AcEW）的带密封塞的烧瓶中，烧瓶放在 52 恒温水浴锅中，然后每间隔 2 h 取出玉米，用吸水纸除去表面上的水分 ，进行称重确定每个时间 段 玉米的吸水量，同时也测定每个时间的pH 值，实验重复三次，取平均值，并下列公式计算出玉米的相对吸水量。 %1 0 0初

15、始玉米质量 初始玉米质量吸水后的玉米质量吸水率对玉米相1.3 工艺设置 根据前期实验数据基础上，设置了 AcEW浸泡和 AcEW+AlEW浸泡工艺并以传统的 SO2浸泡工艺作为对照，比较研究不同工艺之间的淀粉、 浸泡液 固 形 物 、胚 、 纤维、麸质的 收率 。在此基础上 确定最佳工艺条件。 工艺 流程见图 1。 4 1.3.1 强酸性电解水一次 浸泡工艺 将 100 g 玉米放入 500 mL 烧瓶里 ，加入 200 mL AcEW，在 52 水浴内静置浸泡 48 h。浸泡结束后把浸泡液倒进 250 mL 量筒内并记录其体积，取出三份 25 mL 浸泡液，在 50 鼓风烘干 24 h，测定

16、浸泡液里的固形物含量。将浸泡后的玉米谷粒用 100 mL 水清洗，清洗好的谷粒与 150 mL 水放在搅拌器中 在转速 7 500 r/min 下进行 3 min 的粗磨，浆液 备用 。 1.3.2 强酸性电解水和碱性电解水二次浸泡工艺 该方法采用两次浸泡法。把 100 g 玉米放入 500 mL 烧瓶里，加入 200 mL AcEW，在 52水浴内静置浸泡 指定时间（见 图 1） 。浸泡结束后把浸泡液倒进 250 mL 量筒内并记录其体积，取出三份 25 mL 浸泡液，在 50 鼓风烘干 24 h，测定浸泡液里的固形物含量。将 AcEW 浸泡后的玉米谷粒用 100 mL AlEW 清洗，清洗

17、好的谷粒与 150 mL AlEW 放在搅拌器中在转速图 1 工艺流程图 1.AcEW 浸泡工艺： A D； 2.AcEW、 AlEW 浸泡工艺： B D； 3.SO2 浸泡工艺： C D； 5 7 500 r/min 下进行 3 min 的粗磨，然后浆液倒入 1 000 mL 烧瓶里，并用 300 mL AlEW 清洗搅拌器，清洗液合并到浆液里，然后把浆液在 50 水浴内震荡（ 128 r/min）浸泡 指定时间（见 图 1） 。 1.3.3 传统 SO2 溶液浸泡工艺 把 100 g 玉米放入 500 mL 烧瓶里，加入 0.32%的亚硫酸氢钠溶液（ 2 000 mg/L 的 SO2），在

18、 52 水浴内静置浸泡 48 h。浸泡结束后把浸泡液倒进 250 mL 量筒内并记录其体积，取出三份 25 mL 浸泡液，在 50 鼓风烘干 24 h，测定浸泡液里的固形物含量。将浸泡后的玉米谷粒用 100 mL 水清洗，清洗好的谷粒与 150 mL 水放在搅拌器中在转速 7 500 r/min 下进行3 min 的粗磨，浆液备用。 1.4 淀粉的提取 淀粉 的提取 及 淀粉、浸泡液里的 固 形 物质、胚芽、纤维 、 蛋白质测定 参考 Eckhoff 等 11和 Singh 等 12的方法，并稍作改进。 浸泡结束后浆液通过 7 目的标准筛（ 2.8 mm）过滤，共用 1 100 mL 水冲洗所

19、使用的容器和筛上物，过滤结束后筛上物（胚和粗纤维）连同预先测重的筛子一起在 50 鼓风干燥24 h。干燥结束后测定其总重量，然后将筛上的干性物质轻轻散开、充分分离胚芽和粗纤维，并向左右振荡筛子，筛上物品就是胚，过筛物即粗纤维， 测定 质量 。通过筛子的浆液静置30 min 自然沉降，大约 1 040-1 340 mL 的上清液倒出作为上清液 A 保存。大约 210 mL 的底部浆液放在搅拌器 中在转速 12 500 r/min 下进行 3 min 的精磨。用 250 mL 水冲洗搅拌器，混合液通过 200 目的筛子（ 75 m）进行过滤分离精纤维，精纤维用上清液 A 冲洗后再用 750 mL

20、水清洗，分离出的精纤维用 50 鼓风干燥 24 h， 测定 质量 。浆液和冲洗水混合后静置 1 h，大约 1 8002 100 mL 的上清液被倒出作为上清液 B 保存。底部部分通过加入上清液调到比重为 1.041.045。调好比重的浆液用恒流泵以 50 mL/min 的流速泵到淀粉流槽（ 5.08 cm244 cm 铝槽，倾斜度 为 0.0104 cm/cm）上，然后剩余的上清液 B 以同样的流速泵到淀粉槽上，最后 150 mL 的水冲洗容器后以同样的流速泵到淀粉槽上。淀粉在淀粉槽上干燥 20 h 后用塑料铲收集，在 50 鼓风干燥 24 h， 测定 淀粉 质量 。收集从淀粉槽上流出来的液体

21、（麸质），测定其体积，并取 3 份 75 mL 均匀混合的该液体，在 50 鼓风干燥 24 h，测定 质量 。 1.5 Na+的含量 测定方法 实验中 因 使用了 AlEW，因此测定 了淀粉中的 Na+的 含量 ， 测定采用 GB/T 5009.91-2003方法。 1.6 数据 统计与 分析 实验 数据 以“平均值标准差”表示。 数据分析使用 SPSS17.0 统计软件处理 ， P 0.05表示差异显著 ， P 0.01 表示差异极显著 。 2. 结果和讨论 2.1 电解水 对 玉米籽粒 吸水 效果的影响 为了研究不同浸泡工艺中玉米籽粒的 吸水特性， 使用 AcEW 和 SO2 浸泡玉米籽粒

22、， 对其 吸水效果进行了研究。 结果 见 图 2。随着浸泡时间的延长 ，在前 12 h 内 SO2 的相对吸水率高于 AcEW 的相对吸水率， 吸水效果好于 AcEW，但 12 h 以后 AcEW 与 SO2 处理组 的玉米籽粒 都能达到基本饱和， 并且相对保持稳定 ，其相对吸水率在 48.5%左右 。 6 玉米籽粒的吸水程度对后期加工 中的影响较大， 其作用是 不仅软化玉米籽粒，降低机械强度， 并且 传统浸泡工艺中 还能把 SO2 带入淀粉颗粒内部， 打开 蛋白质的二硫键 13。 Ruan等 7发现臭氧浸泡玉米籽粒能够 增加水的吸收 。 本次 研究结果表明， 达到足够的浸泡时间（ 12 h）

23、后 AcEW 浸泡 效果能够达到传统的 SO2 浸泡效果。 另外， SO2 溶解后形成的亚硫酸具有杀 菌作用，防治浸泡的玉米长菌发霉、抑制杂菌的生长。 AcEW 具有很强的广谱杀菌作用，实验中未发现玉米籽粒 发霉变质现象。 0 10 20 30 40 500102030405060相对吸水率（%）Relativewater absorption(%)浸泡时间（ h ）St e e p i n g t i m e (h )AcEW 浸泡传统 SO2浸泡图 2 浸泡时间对吸水率的影响 2.2 电解水 浸泡 工艺 玉米淀粉工业中 ， 湿法玉米淀粉生产工艺凭借其淀粉得率高、生产工艺简单等优势占主体地位

24、。此法通常采用 含 0.2% SO2 的水溶液中浸泡 4872 h， 生产过程耗时长 ， 腐蚀设备 ，且对环境有污染。 利用 AcEW 的杀菌 功效 和 AlEW 的碱性性质 ，本实验设计不同的 几个 EW浸泡 工艺，通过优化设计确定最佳 EW 浸泡工艺。不同 EW 浸泡工艺的 淀粉 收率 结果 见 表 2。 表 2 不同的 EW 浸泡工艺 的 淀粉收率 浸泡工艺 AcEW 浸泡时间 (h) AlEW 浸泡时间 (h) 总浸泡时间（ h） 淀粉收率 (%) EW 浸泡 -1 48 0 48 64.31.2bc EW 浸泡 -2 46 2 48 64.41.0bc EW 浸泡 -3 43 5 4

25、8 67.21.6a EW 浸泡 -4 42 6 48 65.50.7b EW 浸泡 -5 40 8 48 64.21.5bc 7 注 ： 数值用 “ 平均值 标准偏差 ” 来表示 (n = 5)； 环境温度为 （ 232） 。 小写字母不同表示差异显著（ P0.05）。 从 研究结果发现 AcEW 和 AlEW 两次浸泡工艺比 AcEW 一次浸泡工艺 更有效。 AcEW一次浸泡工艺的淀粉收率低于传统湿法工艺， 原因 可能是 AcEW 虽然能防治腐败微生物的生长但在蛋白质基质中释放淀粉的能力不如 SO2。碱性溶液 有利于 分散胚乳细胞中的 蛋白质网，使淀粉和蛋白质部分分开， 从而 可以促进玉米

26、湿法工艺的淀粉产量 ，因此加入 AlEW 浸泡玉米籽粒的二次浸泡方法是 很有必要的。 充分利用 AcEW 的杀菌效果和 AlEW 的释放淀粉功效，达到完全代替传统湿法工艺中的 SO2 的目的。另外，无论是 SO2 浸泡还是 EW 浸泡，足 够的浸泡时间是必要的 ；当总浸泡时间 40 h 时，淀粉的收率远低于传统的湿法工艺 。 玉米湿法工艺中浸泡过程的另一个重要作用就是使玉米软化降低玉米籽粒的机械强度，便于后序的操作。 2.3 电解水浸泡工艺与传统湿法工艺比较 以传统湿法工艺（ 0.2% SO2）为对照，比较电解水浸泡新工艺（ AcEW 浸泡 43 h， AlEW浸泡 5 h）的 工艺效果，见表

27、 3。 表 3 传统浸泡工艺与 EW 浸泡工艺回收率比较 成分 传统浸泡工艺收率 (%)A EW 浸泡工艺收率 (%)A 显著性 浸泡液 固形物 4.20.1B 3.40.4 * 胚 4.60.7 4.41.1 纤维 C 12.61.4 11.81.3 胚 +纤维 17.21.5 16.21.4 淀粉 67.41.0 67.21.6 麸质 10.40.8 12.71.8 * 淀粉 +麸质 77.81.2 79.91.8 * 总 固 形 物 99.21.1 99.51.7 A 以玉米的初始干物质为对比，数值用 “ 平均值标准偏差 ” (n=10)来表 示。 B同一行中 *表示差异显著 （ P 0

28、.05） ， *差异极显著 （ P 0.01） 。 C纤维 表示果皮和细纤维 实验结果表明， 在淀粉的 回 收率方面， EW 浸泡工艺已达到传统浸泡工艺水平 ，其淀粉收率分别为 （ 67.21.6） %和 （ 67.41.0） %，经分析两个数据之间无显著性差异（ P0.05）；EW 浸泡工艺在浸泡液 固 形 物 、胚和纤维 的 收率 均 低于传统工艺 ， 其中 浸泡液固形物 具有 极显著性差异（ P0.01）； 而麸质收率高于传统工艺， EW 浸泡工艺的麸质收率为 （ 12.71.8） %，EW 浸泡 -6 24 16 40 62.31.7c EW 浸泡 -7 25 15 40 60.61.

29、0d EW 浸泡 -8 35 5 40 60.01.3d 传统湿法工艺（ 0.2% SO2 浸泡） - - 48 67.41.0a 8 传统工艺的麸质收率为 （ 10.40.8） %，具有 极 显著性差异（ P0.01），这 可能 与碱性条件有利于蛋白质的降解 有关 。实验证明 EW 浸泡玉米淀粉加工新工艺，能 够 完全 代替 SO2，从而使整个浸泡工艺不添加 SO2 也能达到传统工艺浸泡的最终效果。 2.4 EW 浸泡工艺中淀粉中的 Na+的 含量 本次实验中 使用的电解水 AcEW 和 AlEW 是通过 有隔膜的电解槽内电解 NaCl 而获得 ，在电解水浸泡玉米工艺中使用了 含有 Na+的

30、 AlEW， 因此该方法生产出的淀粉中可能含有Na+； 为此，本实验进一步考察了 使用 新工艺生产出的淀粉里的 Na+含量，同时与传统工艺进行了比较。表 -4 显示， EW 浸泡新工艺生产的淀粉中 Na+含量为 （ 25.491.16） mg/100g，传统 SO2 浸泡工艺生产的淀粉中 未 检测出 Na+。 Mistry 等分别用 0.1%和 0.4%的 NaOH 浸泡玉米粉，发现低浓度的 NaOH 在不同温度下对淀粉的 Na+含量没有显著性影响， 低浓度 NaOH 浸泡玉米粉的淀粉 ，其 Na+含量为88.9mg/100g14，是本工艺的 3.5 倍 ； 本研究的目的是 以 EW 完全代替

31、传统 玉米湿磨工艺 中使用的 SO2，从而 解决 传统 生产工艺 中 使用 SO2 而 引起的安全和环境问题 ； 实验 结果表明，电解水浸泡玉米 工艺中 Na+可以进入淀粉 的内部 。碱浸过程 会 改变淀粉的 性质 15，并可能改变 胚芽的 特性 16，因此 在以后的研究中 Na+对淀粉和胚芽的影响 需要 进一步的 考察和研究 。 表 4 EW 浸泡工艺中淀粉中的 Na+的含量 浸泡工艺 淀粉中 Na+ 的含量 (mg/100g) EW 浸泡 25.491.16 传统湿法 - 注： 数值用 “ 平均值 标准偏差 ” 来表示 (n=5)。 -为 未发现 。 3.结论 本研究 利用 电解水代替 S

32、O2 改进了传统玉米湿法生产淀粉工艺； AcEW 和 AlEW 二次浸泡提取玉米淀粉 新 工艺 与 传统工艺相比 因无需使用 SO2 而 具有安全、 对环境无污染 等优点 ，并且 淀粉的收率达到传统工艺水平 。 但是这种工艺仍存在一些问题，如 两次浸泡 操作较为繁琐 、 淀粉含有 Na+等，在这些方面仍需要进一步完善 。 对于现代玉米淀粉厂面临的污染严重的 问题， 利用 AcEW 和 AlEW 二次 浸泡提取玉米淀粉 的 工艺具有很好的应用前景 。 参考文献 1 邱 红 星 , 张 大力 , 修琳 , 等 . 玉米淀粉湿法生 产 工 艺 研究 J. 食品科技 , 2015, 40(12): 1

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