【摘要】：加酶擠壓是一種將高溫短時(shí)擠壓蒸煮與酶催化作用相結(jié)合的新型擠壓技術(shù),在谷物加工與熟化方面具有“綠色、高效、連續(xù)化”等工業(yè)生產(chǎn)屬性。黃酒釀造歷經(jīng)千年,是中華民族之“瑰寶”,然而目前黃酒業(yè)在當(dāng)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)體系下,其傳統(tǒng)預(yù)處理工序面臨著大米浸泡時(shí)間長(zhǎng)、廢水排放嚴(yán)重、蒸煮耗能大、米飯品質(zhì)不足(易夾生、過(guò)熟或回生)、功能活性成分大量損失等諸多問(wèn)題。因此,本課題擬采用加酶擠壓技術(shù)調(diào)控黃酒釀造大米品質(zhì),明確擠壓關(guān)鍵控制因素,并建立相應(yīng)的工程與動(dòng)力學(xué)模型,以期實(shí)現(xiàn)原料利用率、黃酒發(fā)酵效率和黃酒功能品質(zhì)的穩(wěn)步提高,推動(dòng)黃酒產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。首先,研究了大米加酶擠壓操作參數(shù)的寬幅調(diào)節(jié)對(duì)其系統(tǒng)參數(shù)變化規(guī)律與閾值水平的影響。結(jié)果表明:在擠壓過(guò)程中,物料溫度、模頭壓力、扭矩和機(jī)械能等系統(tǒng)參數(shù)均隨著加酶劑量、機(jī)筒溫度、喂料水分和螺桿轉(zhuǎn)速中一個(gè)或多個(gè)操作參數(shù)的變化而顯著變化。其中,機(jī)筒溫度和喂料水分較為特殊,既對(duì)擠壓物料本身產(chǎn)生直接作用,也通過(guò)限制外源淀粉酶活而間接影響物料狀態(tài)。三維響應(yīng)曲面分析顯示,于固定的酶濃度下,在機(jī)筒溫度86℃或114℃附近區(qū)域(即實(shí)際物料溫度～90℃或120℃)以及水分30%附近區(qū)域,會(huì)出現(xiàn)明顯的曲率增加現(xiàn)象,這表明淀粉酶受到激活或抑制;在水分48%時(shí)也呈現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象,主要是因?yàn)楦咚譂?rùn)滑作用弱化了物理機(jī)械作用。當(dāng)酶活穩(wěn)定表達(dá)時(shí),模頭壓力、扭矩、機(jī)械能均急劇下降(1.0MPa、6.7Nm、62kJ/kg)。其次,利用六階響應(yīng)模型的精細(xì)擬合進(jìn)一步探究了引入外源酶對(duì)大米品質(zhì)目標(biāo)參數(shù)的影響�；跀M合方程與相關(guān)性分析確定了加酶擠壓大米的關(guān)鍵目標(biāo)參數(shù)及其數(shù)值水平與變化規(guī)律:水溶性(76.8%～90.1%),隨著加酶劑量、喂料水分的增加而升高、隨著機(jī)筒溫度的升高先升高再平穩(wěn)后略有下降;吸水性(1.12～1.34 g/g),其變化規(guī)律與水溶性大致相反,僅對(duì)喂料水分升高表現(xiàn)為先降低后升高;粘度(41 cP),與吸水性影響相似;糊化度(99.57%),與水溶性影響相似;總酚含量(71.1%～90.5%),隨著加酶劑量、喂料水分和螺桿轉(zhuǎn)速的升高而升高、隨著機(jī)筒溫度升高而緩慢下降。據(jù)此進(jìn)一步限定其普適性的系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選范圍:物料溫度86.8℃～110.4℃;模頭壓力0.9 MPa;扭矩3.6 Nm;機(jī)械能45 kJ/kg。再次,通過(guò)建立加酶擠壓過(guò)程的滯留時(shí)間分布(RTD)模型,研究了大米物料在擠壓腔體中的混合與流動(dòng)特性。推導(dǎo)結(jié)果表明,引入外源淀粉酶會(huì)使RTD的E(t)函數(shù)曲線峰右移、峰型變矮變寬、拖尾現(xiàn)象明顯,且平均滯留時(shí)間延長(zhǎng)、混合程度增強(qiáng)。當(dāng)酶活穩(wěn)定表達(dá)時(shí),反應(yīng)時(shí)間在73.1～269.7 s之間,且隨著進(jìn)料速度與螺桿轉(zhuǎn)速的增加而縮短,符合雙倒數(shù)模型;軸向混合程度D/uL在0.059～0.097之間,且隨著進(jìn)料速度的減少、螺桿轉(zhuǎn)速的增加而升高,符合負(fù)載比分?jǐn)?shù)指數(shù)冪模型。標(biāo)準(zhǔn)化F(θ)函數(shù)表明加酶擠壓大米的運(yùn)行軌跡比傳統(tǒng)擠出米更趨近全混合流,雙可變參數(shù)的Yeh-Jaw簡(jiǎn)化模型(或Wolf-Resnick 模型,R2=0.9989,RSS=0.0040)可對(duì)其精確擬合。然后,將加酶擠壓對(duì)比傳統(tǒng)蒸煮、傳統(tǒng)擠壓以及自設(shè)計(jì)的無(wú)酶和加酶高壓蒸煮等大米預(yù)處理方式,證實(shí)了外源淀粉酶的生物降解作用與擠壓螺桿的動(dòng)態(tài)物理場(chǎng)耦合作用在大米降解上存在正向協(xié)同機(jī)制。發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)性分析表明,加酶擠壓大米相比其他方式處理米的狀態(tài)和性質(zhì)具有巨大差異,改變了傳統(tǒng)液態(tài)發(fā)酵模式且降解基質(zhì)多呈均勻分布,主要表現(xiàn)為高水溶性、高糊化度、低吸水性、低粘度以及低多酚損失率,從而導(dǎo)致其釀制黃酒的乙醇產(chǎn)量(36.72%)、發(fā)酵效率(91.97%)、總氨基酸(6 g/L)、可溶性固形物含量(9.71%)和多酚含量(597.3 mg GAE/L)等指標(biāo)均高于傳統(tǒng)法黃酒。此外,該酒的體外抗氧化功能(DPPH、ABTS、RP、FRAP)也提高10～79%�；谏鲜鲈囼�(yàn)結(jié)果與分析,分別對(duì)加酶擠壓過(guò)程中淀粉快速糊化與總酚緩慢降解過(guò)程進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建模,從而定向探究酶誘導(dǎo)各擠壓反應(yīng)的變化機(jī)理。結(jié)果表明,隨著擠壓環(huán)境劇烈化,傳統(tǒng)擠壓中的淀粉反應(yīng)常數(shù)(kG,9.08×10-3～2.08×10-2s-1)和總酚反應(yīng)常數(shù)(kP,4.74×10-3～1.54×10-2 s-1)呈正相關(guān),而引入外源淀粉酶則轉(zhuǎn)化kG(2.92×10-2～7.69×110-2s-1)和kP(1.58×10-3～5.26×10-3s-1)為負(fù)相關(guān)。當(dāng)酶活穩(wěn)定表達(dá)時(shí),淀粉糊化活化能從32.01 kJ/mol降低至0.24 kJ/mol,而總酚降解活化能則從37.49 kJ/mol提升至70.30 kJ/mol,說(shuō)明耐高溫α-淀粉酶在擠壓過(guò)程中差異性作用于其淀粉底物和非底物多酚。因此,推測(cè)加酶擠壓“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緩沖與柔性保護(hù)作用;另一方面,極端擠壓環(huán)境的改善(扭矩、機(jī)械能、壓力與剪切力等的顯著降低)削弱了多酚降解所需能量。最后,針對(duì)加酶擠壓大米發(fā)酵的黃酒,采用頂空固相微萃取(HS-SPME)與氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)表征了風(fēng)味形成并闡明了其影響機(jī)制。在優(yōu)化HS-SPME萃取的基礎(chǔ)上(酒精度,12%v/v;提取溫度50℃;提取時(shí)間45min),確定了加酶擠壓黃酒的66種揮發(fā)性組分。這些組分在發(fā)酵過(guò)程中的形成與變化趨勢(shì)與傳統(tǒng)蒸煮米大體類(lèi)似,但濃度水平有所區(qū)別:前者的醇類(lèi)(尤其是高級(jí)醇)、內(nèi)酯類(lèi)和酚類(lèi)化合物較多,而酸類(lèi)、酯類(lèi)、酮類(lèi)、醛類(lèi)、芳香族類(lèi)、呋喃類(lèi)、含硫和含氮化合物類(lèi)則偏少,導(dǎo)致黃酒的外觀、香氣、口味和風(fēng)格等傾向于清爽型黃酒的典型風(fēng)格。主成分分析表明,加酶擠壓黃酒可顯著區(qū)分于市售黃酒的特征風(fēng)味物質(zhì)主要包括但不限于以下6種:2-庚醇、1-辛烯-3-醇、4-羥基苯甲酸乙酯、2-戊基甲基戊酯、γ-己內(nèi)酯和4-乙烯基基愈創(chuàng)木酚。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TS262.4
【圖文】：

輸入與多變量輸出的“黑箱”擠壓過(guò)程。在規(guī)定的設(shè)備配置下，擠壓相關(guān)參數(shù)可大致簡(jiǎn)逡逑化地定義為三個(gè)部分：操作參數(shù)（自變量Ｘ）、系統(tǒng)參數(shù)（因變量和目標(biāo)參數(shù)（因變逡逑量ｚ）。如圖１－５，操作參數(shù)ｘ是擠壓過(guò)程的基本輸入變量，直接控制并影響著系統(tǒng)參數(shù)逡逑＞函數(shù)關(guān)系表達(dá)為尸你）；同時(shí)，操作參數(shù)也間接地影響目標(biāo)參數(shù)的改變，即２＝／勿＝難）。逡逑系統(tǒng)參數(shù)＾則是目標(biāo)參數(shù)Ｚ的直接影響因素，其結(jié)果可反饋到操作參數(shù)。目標(biāo)參數(shù)Ｚ又逡逑可以細(xì)分為擠出參數(shù)和產(chǎn)品參數(shù)，根據(jù)實(shí)際加工的需要分別與系統(tǒng)參數(shù)建模。該分析法逡逑已在食品擠壓研究中獲得廣泛使用，如擠壓谷物、豆類(lèi)、果蔬以及復(fù)合配方等［５７］。逡逑８逡逑

逡逑如圖１－６，概念流模型的基本組件為塞流反應(yīng)器（ｐｌｕｇｆｌｏｗｒｅａｃｔｏｒ，邋ＰＦＲ）和連續(xù)攪逡逑拌式反應(yīng)器（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ｓｔｉｒｒｅｄ邋ｔａｎｋ邋ｒｅａｃｔｏｒ，邋ＣＳＴＲ），此外還有其組合形式和變種形式，逡逑用于修正或建立更為精確的ＲＴＤ模型。逡逑－柱式邋邐Ｊ邋［Ｉ邋＊邐邐？邐ＰＦＲ－＾ＳＴＲ邋——？［邋［Ｉ邋＊邋Ｉ邐４＾１邐？逡逑（ＰＰＲ＞邐ＵＪ邐邋＾——邐￣逡逑＾？——？邐ＰＦＲ—ＣＳＴＲ邐．ｆ邋ＩＩ邐．邋／逡逑抽向擴(kuò)蚊邐ｉｌＳ＿Ｊ邐＾邐ｉ邋設(shè)計(jì)ｄｅａｄ邋咖￣￣＂逡逑連續(xù)攪拌式邐邐？串聯(lián)ｐＦＲ—ｃｓｔｒ邋—４１［邋？ｕｎｆｉ邋ｒｆｉ￣￣？逡逑串聯(lián)ＣＳＴＲ邐？邋ｄ＾＞邋—＊邋ｃＪ＾＞邋？串聯(lián)ＰＦＲ—ＣＳＴｆｔ邋—？邐？邋Ｉｒｒｔ．亦逡逑邐邐邐１邐《設(shè)計(jì)跨流ＣＳＴＲ）邋邐ｉ邋＿邋．＿３ＺＪ逡逑—？邋ｃｈ邋—＊邋ｊｉａ邋＊＊ｊ邋ｄｊ邋｜￣＊逡逑？＃？ＣＳＴＲ邋—邋一－邋—￣邐—邐串聯(lián)邋ＰＦＲ—ＣＳＴＲ邐ｐ，，￣［ｒｆｉ邋ｒ－ｈ逡逑（設(shè)計(jì)回流ＣＳＴＲ邋）邋—Ｈ邋ＩＩ—逡逑—＊邋N—＊邋ｊＬ邋ｃｔ＞逡逑＊邋環(huán)式邋ＣＳＴＲ邋—？邐－？邐？Ｊｆｊ￡ＰＦＲ—ＣＳＴＲ邐邐＞￡邋？邋｜￣——？逡逑４￣￣邋？ｔｅ邐？ｓｆｃ？邋＜￣邐Ｊ逡逑圖１－６常用的若干種擠壓流動(dòng)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擠壓物質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)逡逑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是物理化學(xué)的分支學(xué)科，揭示了物質(zhì)在反應(yīng)過(guò)程中的非平衡動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，逡逑如降解、合成、改性、吸附和解吸等行為。在食品領(lǐng)域中

本文編號(hào)：2715458