實驗室100g玉米濕磨程序

  • 作者: 劉小兵 譯自《谷物化學》1996年第1期,總第73卷
  • 時間: 2019-08-28 14:16:33
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摘要  實驗室100g玉米濕磨程序是在檢測玉米樣品研磨特性時為減少所需的樣品規模和勞動時間而研發的。該程序的淀粉收率在統計學上類似于實驗室1kg程序的結果,如果在同一周內進行重復實驗,重復標準差為0.36%,如果一年時間內每周都進行重復實驗,重復標準差0.60%。在適當配備實驗設施的實驗室中,三名受過培訓的實驗員可以每周40個樣品的速率操作此程序。

ABSTRACT  A 100-g laboratory corn wet-milling procedure was developed in order to reduce sample size and labor time requirements for determining the milling characteristics of corn samples.  The procedure gives starch yields statistically similar to those of a 1-kg laboratory procedure with a standard deviation in replicates of 0.36% when the replicates were performed during the same week, and 0.60% when replicates were performed weekly during the course of a year.  In a properly equipped laboratory, the procedure can be performed at the rate of 40 samples per week using three trained personnel.

 

        生物技術和基因工程在開發玉米雜交品種上的應用提高了玉米濕磨裝置加工黃馬齒雜交玉米而非雜交商品玉米的可行性。目前廣泛使用的速度較慢的分析性研磨方法部分地限制了更適合于濕磨的雜交品種的鑒別。

        300~1,500g樣品并投入相應人力與時間的實驗室規模的研磨程序可以評估玉米的研磨質量(可研磨性)(Dimler等人 1944Watson等人 1951Watson等人 1955Zipf等人 1959Anderson 1963White等人 1990SteinkeJohnson 1991Eckhoff等人 1993Wehling等人 1993)。因為進行物料平衡時的步驟,所需的人力與時間常常把每位實驗員的試驗個數限制在每周四到六個樣品。為充分利用新的雜交品種開發技術,種子公司和濕磨企業需要在短時間內對大量樣品進行評估,滿足當前生產程序的決策需要。這就產生了對實驗室規模研磨程序的需求,要求它比現有的實驗室程序更加快捷,同時,樣品規模更小(100g或以下)

        PelshenkeLindemann(1954)100~200g的玉米研磨方法比傳統的300g1kg樣品規模方法要復雜得多。玉米浸泡后,手工解剖分離出胚芽,這增加了樣品處理所需的時間,而且,人們仍無法獲悉機械分離胚芽容易與否或胚芽耐受機械力方面的信息。這種方法還需要兩次離心分離和洗滌,然后,才能進行淀粉流槽分離,以及兩次纖維洗滌步驟。該方法還缺乏一些重要的詳細使用信息,如流槽斜率、每一步水的用量、最后洗滌時淀粉流槽上加水的流速以及上流槽前淀粉-蛋白質漿料的比重。雖然PelshenkeLindemann程序的樣品規模為100g,但它和其它實驗室方法一樣耗時。該方法準確度較高,淀粉收率約為69%時,淀粉收率標準差為0.2%

本次研究的目的是開發實驗室100g樣品規模濕磨程序,該程序融入了PelshenkeLindemann(1954)法的內容,但可以以更快的速度和相似的精度常規地操作,并對這個程序進行了評估。

方法與材料

1.1 100g濕磨程序的描述

        浸泡。將玉米(100g)樣品(濕重)置于500ml錐形平底燒瓶中,加入180ml浸泡液,浸入52水浴器中,無攪拌或浸泡液循環。用10372hr強制空氣烘箱法(AACC 1983)一式三份準確測量樣品初始水分含量,這對(樣品)初始干重的估算至關重要。浸泡時間可以視24hr浸泡的情況而改變,這是維持日常研磨體制的實用方法。浸泡液含2,000ppm的二氧化硫和0.5%(w/w)的乳酸,當然,二氧化硫和乳酸的量是可以調整的。

        浸泡結束后,將浸泡水倒入一個250ml的量筒,測量剩余的浸泡水體積。用兩步干燥法(AACC 1983)干燥浸泡水,檢測固形物含量。由于要蒸發的水很多,所以,兩步法優于一步干燥法。

        粗磨。用配有1L玻璃容器()和半徑緣不銹鋼刀片的Waring型攪拌器(美國康涅狄格州Dynamic Corp. of America出品)加入等量的水研磨浸泡好的玉米。刀片長6.3cm、厚0.3cm、寬1.0cm,仰角40°。攪拌器配有監測刀片轉速的轉速計,一個可變變壓器將刀片轉速保持在7,500~7,600rpm。轉速控制很重要,因為在相同負載下,攪拌器的工作轉速會不同。轉速的控制也彌補了攪拌器自然老化引起的功率損失。

        胚芽與粗纖維洗滌。500ml水將粗磨得到的漿料移入一10L桶底部的、量過皮重的標準測試篩(美國7號,2.80mm)。桶底和篩應該緊密無縫地結合就位。桶篩一體可搖動(Ro-tap測試篩振動器,美國俄亥俄州W. S. Tyler Co.,出品),輕叩篩分持續5min。振動期間,用一把小刮刀定期地將漿料分散在篩表面。篩上滯留物為完整和不完整的胚芽及大塊的玉米果皮(粗纖維)。篩子的振動是為了磨掉胚芽的胚乳和粗纖維,同時,也是清洗胚芽和纖維。胚芽的細小碎片通過篩子后,和細纖維一起回收。用兩步干燥法(AACC 1983)對帶有回收胚芽和粗纖維的、量過皮重的篩子進行干燥,通過稱重篩子、減去篩子的初始空重得到胚芽和粗纖維的總重。量過皮重的篩子的使用避免了因處理材料造成的損失。

        精磨。在一個平板磨(4-EQuaker City,美國賓州The Straub Co.出品)上細磨脫胚漿料(通過7號篩的漿料)。必要的研磨細度是增加磨的平板壓力來實現的,直到電機開始顯著加載。邊攪拌邊使漿料通過磨機。待脫胚漿料通過磨機后,用250ml水沖洗磨機、料桶等其它設備;該清洗水和樣品保存在一起。

        磨盤的準備對于保持磨機的精度非常重要。新磨盤需要研磨一下,使得盤面之間有足夠的接觸面積,這樣才能適當地研磨樣品。如果新磨盤沒有事先準備好,淀粉收率就會低。經驗表明,磨機需運行冷卻水研磨磨盤105hr,才能達到所需的接觸面積。在磨盤上保持足夠的壓力才能獲得所需的接觸面積,而且,應在與研磨玉米時通常使用的相同程度的電機負載下操作。為確保磨盤磨損充分,用舊磨盤估計收率數據的玉米樣品應用新磨盤進行研磨。應使用新、舊磨盤進行充分重復,確保結果具有可比性。還有一點也應注意到,不同的Quaker City磨,磨盤會因軸位的微小變化而稍有不同。建議磨機在磨盤的使用壽命期間內持續使用一組磨盤。

        磨盤的使用壽命約為1,000個樣品。樣品在1,000左右時,磨盤已經形成了足夠的接觸面積,若繼續使用,淀粉收率略有增加(1~2%)。使用磨合充分的磨盤的主要問題是樣品通過磨機所需的時間顯著增加,淀粉-蛋白質組分中含有過多的細纖維,會對淀粉的回收產生負面影響(EckhoffTso 1990)

        細纖維分離。精磨后,漿料靜置30~45min,之后,倒出約750ml水。將倒出的漿料移入一安裝在7.5L水桶(美國明尼蘇達州ACE Industries Inc.出品)上的標準試驗篩(美國200號,75μm)內。將安裝了篩子的水桶放置在Ro-Tap試驗篩振動器或類似的設備上,可輕叩篩分,邊振動,邊用水沖洗漿料,時間持續5min

        洗滌時,邊在漿料上倒水邊用一把小刮鏟連續地分散漿料。用水清洗后,篩上物用500ml瓶水進行噴射洗滌。

 用小扁鏟按壓洗滌后的篩上物脫水,移入兩個稱過皮重的杯子中,用兩段空氣烘箱法(AACC 1983)進行干燥。也可以事先對該篩子稱重,排除這種固體的轉移,但細纖維在200目的篩上有干燥和堵住篩網的趨勢。雖然建議定期使用超聲清潔器(USC 200-90,德國Haver & Boecker出品)清潔所有篩網,但在200目篩上干燥細纖維仍需要每天進行超聲清潔。

        淀粉-蛋白質分離。用稱過皮重的5.08cm×2.44m鋁制通道作為淀粉流槽來實現淀粉-蛋白質的分離,根據以前的研究(Singh 1995),流槽的斜率確定為0.0104(cm/cm)。使用前的干燥淀粉流槽橫跨在兩個天平——兩個天平分別置于流槽的兩端——上稱重。兩個天平重量之和為流槽初始重量。流槽長度根據其在實驗室內移動進行稱重和環境干燥的需要來確定。

        將去除細纖維后剩下的淀粉-蛋白質混合物中的液體持續1hr緩緩倒出,將其比重調整至1.04~1.045。如果傾析后,比重仍很高,可加入適量的傾析水,獲得理想的比重值。傾析液可用于后面的回收淀粉的洗滌。將傾析后的漿料以50~52ml/min的速度泵上淀粉流槽,收集溢流(主要為小而輕的顆粒狀淀粉和蛋白質)

        將淀粉-蛋白質混合物泵完后,立即以相同的泵速將傾析水(比重1.002)泵上流槽。用傾析水沖洗完成時,再用125ml水沖洗桶壁,然后,再將其泵上流槽。

        流槽分離完成后,讓淀粉置留在流槽上過夜(至少6hr),對分離出的淀粉進行環境空氣干燥。然后,在天平上對風干淀粉進行重新稱重,得到濕淀粉重量。將淀粉從流槽上刮下,放入兩個稱過皮重的、250ml鋁杯中,用1352hr強制空氣烘箱水分測量法(AACC 1983)檢測水分含量。通過流槽淀粉的水分和淀粉的總濕重,可以計算出淀粉的總干重。為確保準確估計水分含量,從流槽上刮下盡可能多的淀粉是很重要的,但不必回收所有的淀粉。

        因兩段干燥法能有損于淀粉的流變特性,所以,只能取一部分流槽分離的淀粉來檢測水分含量(一式三份,每份5g)。這就能有40~50g淀粉用于其它的檢測。然而,必須注意的是這15g用于水分檢測的淀粉應能代表整個淀粉樣品。

        蛋白質過濾。淀粉流槽的溢流在550~650mm.Hg下,用直徑為25.3cmBuchner漏斗和直徑為24cm的稱過皮重的定性濾紙進行真空過濾(英國Whatman International Ltd.出品)。測量通過真空過濾機的液體(蛋白質濾液)體積,取有代表性的樣品進行固形物分析。用兩段空氣烘箱法(AACC 1983)對濾紙上的固形物進行干燥,檢測總蛋白質分量干重。

        蛋白質組分的過濾即繁瑣又費力。對于主要目的是定量評估淀粉收率的實驗來說,可以測量淀粉流槽溢流的體積,像測量浸泡水固形物那樣,測量漿料的固形物含量。漿料應該充分攪拌,以確保有代表性的取樣,用兩段空氣烘箱法(AACC 1983)對三份75ml的樣品進行固形物分析。

        胚芽回收。如前所述,從烘箱中取出干燥的胚芽和粗纖維,與篩子一起稱重。減去篩重,得到胚芽和粗纖維總干重。然后,用手輕輕揉搓篩上干物質,破壞胚芽和纖維的連接,將它們徹底分開,用壓力為2,0002,500mm.Hg的吸氣嘴吸取粗纖維。吸氣嘴到篩底的距離應保持在20~30cm之間。在吸取粗纖維的同時,應保持篩子不停地左右搖晃。這種方法可為吸取纖維,而非胚芽,提供足夠的氣流。再次對篩上剩下的胚芽進行稱重,以估計回收胚芽的總干重。兩次稱重的差值為粗纖維的量。

1.2 樣品準備

        在一個篩眼為4.76mm(12/64英寸)的圓孔振動篩(美國明尼蘇達州Dean Gamet Mfg. Co.出品)上將黃馬齒玉米過篩,以去除外來物質和破碎玉米。取150g玉米用來檢測水分含量(AACC 1983),將剩余玉米置于4貯藏,直至開始濕磨。

1.3 100g濕磨法和1kg濕磨法之比較

        從當地獲得代表商業玉米雜交混合品種的樣品,并對其進行細分,等待研磨。將樣品分成若干等份,五份用Eckhoff等人(1993)1kg法研磨,另外五份用100g法研磨。

        用一臺未配對、參數化雙尾t檢測儀(SigmaStat統計分析系統,1.00版,Jandel Corp.出品)比較兩組受檢樣品的檢測平均值。

1.4 方法的準確性

        為了評估檢測的標準偏差,取1993年農業生產種植季里機械收獲的FR618×FR600玉米雜交品種并在室溫下將水分22%(wb)風干到14%(wb)。三十份,每份100g的重復樣品在一周內濕磨。

        為評估該方法在時間上的穩定性,取機械收割19931994農作物生產年種植的單一玉米雜交品種(FR1064×LH59),將水分含量22%風干至14%。將玉米分成若干小份,每份100g,封入塑料袋中,冰箱冷藏,直至使用。在實驗進行的幾個星期里,每周都要用一份雜交玉米樣品進行濕磨,并將淀粉收率作為檢驗該方法在一定時間內穩定與否的指標。

結果與討論

2.1 100g1kg方法的收率比較

 對于所有回收分量來說,100g1kg方法的各分量平均收率(1)均無明顯差異(α=0.05)。兩種方法的總收率都在98%以上。在100g方法中,98%的總收率由于格外的小心,減少了回收產品在容器之間的轉移。在1kg方法中,稱過皮重的淀粉流槽的使用最為關鍵,因為從流槽上回收干淀粉是一項繁瑣且耗時的工作,一定的淀粉損失在所難免。定量回收流槽表面的淀粉是不容易的。1kg方法中,98%的回收率意味著20g淀粉不能計算在內。而100g方法,98%的回收率意味著損失2g淀粉。

    浸泡水固形物的含量也有相似的情況。有人擔心100g方法所使用的靜態浸泡(浸泡水不會通過玉米強制循環)可能會造成浸泡不夠充分。1kg方法中,浸泡水的循環主要是有助于保持玉米浸泡的溫度均勻一致。因為100g方法所用的樣本量小,浸泡時可與浸泡水密切、充分接觸,溫度分布比大樣本量時要更均勻。基于本文提供的數據和我們實驗室另一些未公布的數據,似乎不需要在100g浸泡方法中實施浸泡的循環。

        至于回收的纖維量,這兩種方法之間沒有統計學上的差異。這很令人驚奇,因為在100g方法中,使用的是200(75μm)篩網來回收細纖維分量,而在1kg方法中,用的是325(50μm)篩,在100g方法中,粗纖維是從細纖維中分離出來并加以回收的。兩種方法均采用往復篩來加工纖維,但篩子振動器的作用不同。纖維加工對于回收淀粉非常重要,因為總有淀粉附著在纖維上,需要用機械剪切的方式來回收。

        盡管在5%的水平上沒有統計學上的差異,但胚芽平均收率差異為0.68%。目檢對比發現,100g方法回收的胚芽要更純凈一些,原因可能是100g方法使用篩選而非懸浮、撇取的方式回收胚芽。在粗磨得到的胚芽樣品中,胚芽很脆弱,易于破碎,1kg方法可以回收這些破碎的胚芽,但100g方法卻不能。在隨后的樣品中可以觀察到這個問題。然而,在檢測基因差異上,100g方法在描述胚芽回收特性上更為敏感。

        兩種方法在回收淀粉收率無顯著差異。100g方法的標準差小于1kg方法的標準差(0.400.89%)Eckhoff等人(1993)以前使用1kg方法淀粉收率的標準差為0.31%SinghEckhoff (1995)0.14%,這組數據比更早用1kg方法觀測到的數據更具可變性。另一些方法在檢測淀粉收率方面報告了類似和較高的標準差:0.5%(Anderson 1963)0.7%(SteinkeJohnson 1991)0.4%(Steinke等人 1991)2.24%(Wehling等人 1993)2.90%(Fox等人 1992)0.96%(Shandera等人 1995)。標準差0.5%可以用來描述具有商業意義的雜交品種之間的遺傳差異。商業雜交品種的淀粉收率將在10~18%之間變化。Eckhoff(1995)100g方法檢測了131個商業雜交樣品,發現淀粉收率在54~72%不等,而Fox等人(1992)27個商業雜交品種發現了50.9~60.0%的淀粉收率。0.5%的標準差意味著淀粉收率差異為1.0%的樣品可以被視為具有95%置信度的差異。淀粉收率增加1.0%,基于淀粉和麩質飼料價值的差值,淀粉生產企業每蒲式耳玉米的價值大約增加{value}.03

        兩種方法在蛋白質收率上無顯著差異。100g方法還是有較低的標準差(0.280.43%)。用1kg方法,Eckhoff等人(1993)報告了蛋白質收率0.31%的標準差,而SinghEckhoff(1995)則報告了0.22%的標準差。Anderson(1963)報告了0.8%的標準差,而SteinkeJohnson(1991)Fox等人(1992)則分別報告了0.30.61%的標準差。

2.2  方法的準確性

        三十份玉米雜交品種FR618×FR600,平均淀粉收率67.5%,標準差0.36%。用100g方法與我們實驗室另一些較小規模的研究進行比較來評估該方法的準確性,其中標準差從0.250.60%不等。Singh(1995)1kg方法濕磨了商品玉米(混合雜交品種)樣品,五份樣品的平均淀粉收率為67.3%,標準差為0.40%

    圖1顯示,在收集數據的兩年中,100g方法的標準差都保持在0.60%或更低。這兩年的平均淀粉收率有差異:1993年,淀粉平均收率為69.5%,標準差為0.55%1994年淀粉平均收率66.9%,標準差0.60%。如本次研究所觀察到的,隨著時間的推移,方法的精度通常低于短時間內復制實驗的精度(0.360.60%)。結果表明,隨著時間的推移,這種方法的漂移很小。最重要的是,結果表明,用冷藏的標準玉米可以為100g方法提供必要的質量控制。

2.3  方法執行的速率

        經驗表明,一個設備齊全的實驗室和三位受到適當訓練的實驗人員每天可處理八批次樣品,每周五天。對研磨操作人員的必要培訓比1kg方法所需要的更為廣泛(Singh 1995)。因為研磨過程中應該防止固形物的流失,所以,一些額外的培訓是需要。實驗人員需要有較高的實驗技能,才能執行有足夠重復性的實驗方法。

        雖然用該方法只需兩名實驗人員每天可研磨10~12批次樣品,但每批次各種空的、滿的秤盤和篩子的稱重仍是提高該方法執行速率的主要限制瓶頸。每天研磨八批次樣品需要2人;第3個人的工作是樣品稱重、給計算機輸入實驗數據、各種一次性物品的采購以及各種協調溝通。在剛剛過去的兩年里,我們的實驗室用這種方法每年執行了約1,500批次的研磨樣品。

結論

 本方法給出了總固形物回收及收率在統計學上與Eckhoff等人(1993)1kg方法相當的產品收率的可重復結果。在一周內反復進行一個雜交品種的實驗時,該方法的準確度為0.36%,當每周進行重復實驗時,準確度0.60%    

 

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