CN101096694A - 双酶法玉米粉低温同步糖化工艺及其应用 - Google Patents
双酶法玉米粉低温同步糖化工艺及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种玉米粉糖化的工艺，尤其涉及一种玉米粉低温同步糖化工艺及其应用。其具体步骤如下：将玉米粉与水混合，进行湿法粉碎，制备细微玉米粉浆料；调制料液浓度，调整pH值；向料液中加入α-淀粉酶和糖化酶；控制糖化温度和时间，同步制得葡萄糖液。本发明的特征在于以玉米粉为糖化原料；可以选择30℃的低温条件；液化和糖化过程的同步进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种玉米粉糖化的工艺，尤其涉及一种玉米粉低温同步糖化工艺及其应用。
背景技术
玉米粉中含有70％～75％的淀粉，12％左右的蛋白质，3％～6％的脂肪，2％左右的维生素等营养成分。玉米淀粉以支链淀粉为主，并以颗粒形式存在。玉米淀粉颗粒的直径约0.02mm，形状多样，堆积紧密，被蛋白质、脂肪、维生素、无机盐等网状结构相包围。玉米的含氮物几乎全是真蛋白质，而且是以醇溶蛋白为主，没有水溶性蛋白。因此，与单独的淀粉相比，玉米粉较难糖化。
玉米粉的双酶法糖化主要包括液化、糖化两个阶段[李大鹏，罗文斌.双酶法生产玉米酒精液化及糖化工艺条件的研究[J].黑龙江八一农垦大学学报，2004，16(3)：74-77][王兆升，董海洲.耐高温α-淀粉酶在玉米淀粉制备结晶葡萄糖中的应用研究[J].中国食物与营养，2006(4)：27-30]。淀粉的液化是在α-淀粉酶作用下完成的。α-淀粉酶能够水解淀粉分子内部的α-1，4糖苷键，生成糊精及低聚糖。随着淀粉糖苷键的断裂，淀粉链逐渐变短，淀粉浆粘度不断下降，流动性增强。液化的目的是为下一步的糖化创造有利条件。在液化过程中，淀粉分子被水解到糊精和低聚糖范围，底物分子数量增多，尾端基增多，糖化酶作用的机会也就增多，有利于糖化反应。
淀粉颗粒的结晶结构对α-淀粉酶的作用具有很强的抵抗力，例如，α-淀粉酶水解淀粉颗粒和水解已糊化淀粉浆的速度比约为1∶20000。由于这种原因，不能使α-淀粉酶直接作用于淀粉，需要先加热使淀粉颗粒吸水膨胀、糊化，破坏其结晶结构[张力田.淀粉糖[M].北京：中国轻工业出版社，1998：24～26]。根据液化温度，液化可以分为以下三种方法：(1)85-95℃中温液化[高嘉安.淀粉与淀粉制品工艺学.北京：中国农业出版社，2001][张成虎，马心如.低温双酶法液化、糖化工艺在我厂的应用[J].酿酒.2002，29(4)：108-109][李大鹏，罗文斌.双酶法生产玉米酒精液化及糖化工艺条件的研究[J].黑龙江八一农垦大学学报，2004，16(3)：74-77]，(2)97-130℃高温液化[薛侠.玉米原料酒精厂液化糖化工艺[J].酿酒科技.1999，5：53-54][王兆升，董海洲.耐高温α-淀粉酶在玉米淀粉制备结晶葡萄糖中的应用研究[J].中国食物与营养，2006(4)：27-30]，(3)120～145℃高温蒸煮90℃中温液化[李成涛，陈雪峰，田三德，赖崇德.酶法制取葡萄糖的工艺技术[J]，食品研究与开发，2005，26(1)：97-99]。目前，国内外普遍采用中温液化法，此方法避免了高温蒸煮过程，提高了原料的利用率，降低了对设备的要求[贾树彪，李盛贤和吴国峰编.新编酒精工艺学.北京：高等教育出版社，2004][刘振，王金鹏，张立峰，曾爱武，袁希刚.木薯原料同步糖化发酵生产乙醇.过程工程学报.2005，5(3)：353-357]。
糖化是利用葡萄糖淀粉酶，将淀粉、糊精和低聚糖水解成葡萄糖的过程。工业上主要使用来自黑曲霉的葡萄糖淀粉酶，其最适温度为55～60℃[Bjarne.R.N，Jan.L，Torben.P.F.Cloning，heterologous expression，and enzymatic characterization ofa thermostable glucoamylase from Talaromyces emersonii[J].Protein Expression andpurification，2002(26):1-8]。葡萄糖淀粉酶是一种外切酶，水解淀粉或糊精时，是从底物分子的非还原末端的α-1，4键开始，使葡萄糖单位分离，水解产物只有葡萄糖。葡萄糖淀粉酶优先水解α-1，4键，对α-1，6键也有一定的活性，只是水解速度较慢[Milan.P，Jolanta.B.Modelling of potato starch saccharificationby an Aspergillus niger glucoamylase[J]. Biochemical EngineeringJournal，2004(18)：57-63]。
孙鹏[孙鹏.玉米制取葡萄糖的酶法工艺研究[J].现代食品科技.2006，22(1)：89-90]以粒径为40～80目的玉米粉为原料，利用α-淀粉酶，在干物浓度为30％，酶用量为0.3％，温度为80℃的条件下液化40min后，在葡萄糖淀粉酶用量为0.6％，温度为60℃的条件下糖化32h，得到淀粉基准的葡萄糖收率98.5％。与淀粉相比，以玉米粉为原料，双酶法生产葡萄糖液的糖化时间较长，而且葡萄糖收率较低。
王兆升和董海洲[王兆升，董海洲.耐高温α-淀粉酶在玉米淀粉制备结晶葡萄糖中的应用研究[J].中国食物与营养，2006(4)：27-30]以玉米淀粉为原料，利用耐高温α-淀粉酶，在干物质浓度为25％，酶用量为24u/g淀粉，pH为6.0，温度为97℃的条件下液化60min，制得DE值为15％-20％的液化液后，利用葡萄糖淀粉酶在60℃的温度条件下糖化，淀粉基准的葡萄糖收率为94.9％。
李成涛等[李成涛，陈雪峰，田三德，赖崇德.酶法制取葡萄糖的工艺技术[J]，食品研究与开发，2005，26(1)：97-99]以80～120目的玉米粉为原料，在干物质浓度为30％条件下放入0.10～0.15MPa、120℃的压力锅内煮沸20min，利用α-淀粉酶在CaCl2的浓度为0.1mol/L、pH为6.2左右、85℃的温度条件下液化40min，利用糖化酶在pH为4.5、温度为60℃的条件下糖化30h，得到淀粉基准的葡萄糖收率103.7％。
普拉克生化公司于2005年提出了关于“由淀粉的同时糖化和发酵生产乳酸或其盐的方法”的专利，其特征在于使用了中度嗜热产乳酸微生物，该方法是在30～70℃的温度条件下，在淀粉培养基中加入葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶和微生物，将淀粉同时糖化并发酵生产乳酸和乳酸盐[普拉克生化公司.由淀粉的同时糖化和发酵生产乳酸或其盐的方法，专利申请号03814886.2，公开日：2005.08.31]。但是，该技术方案中使用的原料必须是淀粉，从而增加了从玉米粉到淀粉的加工成本，而且玉米粉成分在发酵中得不到综合利用。
本专利的申请人已经提交了“玉米粉的低温糖化工艺”专利申请[缪冶炼，吴琴燕，夏发俊.玉米粉的低温糖化工艺.发明专利申请，2006.7.20：No.200610086039.5]。该发明所述的技术方案仍然利用了液化和糖化两步法工艺，开发了低温液化工艺，未涉及到同步糖化工艺。但是两步法工艺的反应时间较长，能耗较大。
发明内容
本发明的目的是，提供一种双酶法玉米粉低温同步糖化工艺，以此改进现有液化和糖化两步法糖化工艺中操作复杂、能耗大，对设备要求高的不足，本发明的另一目的是提供上述工艺在酒精发酵中的应用。
本发明的技术方案为：一种玉米粉低温同步糖化工艺，其具体步骤如下：
A.玉米原料的粉碎
将玉米粉与水混合，采用行星式球磨机对脱皮、脱胚玉米粉进行湿法粉碎，制备细微玉米粉浆料；
B.玉米粉的同步糖化
称取上述细微玉米粉浆料于容器中，加入去离子水，调制料液浓度，并用酸溶液和碱溶液将料液的调整pH值；向料液中加入α-淀粉酶和糖化酶；将容器置于水浴锅中，均匀搅拌料液，控制糖化时间，制得葡萄糖液。
上述的α-淀粉酶为中温α-淀粉酶，优选无锡赛德生物工程有限公司的中温α-淀粉酶(酶活力2000u/ml，最佳温度60～70℃、最佳用量6～8u/g)；糖化酶优选无锡赛德生物工程有限公司的糖化酶(酶活力10万u/ml，最佳温度为60℃、最佳用量100～200u/g)。
其中步骤A中玉米粉与水按质量比为1∶2～1∶5混合；湿法粉碎时间为2～5h细微玉米粉浆料中玉米粉的中位粒径控制在5～15μm。
步骤B中玉米粉料液的质量百分比浓度控制在5％～25％；步骤B中α-淀粉酶和糖化酶的加入量以以玉米粉干物为基准分别为5～15u/g、150～300u/g；步骤B中pH值调整至4.5～7.0，糖化温度控制在20～60℃，糖化时间为20～40小时。
同步糖化中，按一定时间间隔取样3ml，利用生物传感分析仪分析糖化过程中液料的葡萄糖浓度，并计算葡萄糖收率。葡萄糖收率用玉米粉基准表示。
细微玉米粉在60℃的温度条件下，pH分别为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0的条件下同步双酶法糖化，其葡萄糖收率的变化如图1所示。各料液在糖化24h后，其葡萄糖收率随糖化pH的变化如图2所示。在pH＝6.0时，葡萄糖收率最高，达到84.6％。
在糖化pH为6.0，温度分别为30、40、50、60℃的条件下，葡萄糖收率的变化如图3所示。糖化开始后，葡萄糖收率上升迅速，温度越高，葡萄糖收率上升越快。随着糖化的进行，葡萄糖收率上升速度减慢，糖化20h以后，葡萄糖收率上升缓慢。糖化24小时后的葡萄糖收率如图4所示。在30、40、50、60℃温度条件下同步双酶法糖化，其葡萄糖收率分别为79.2％、79.2％、84.6％和82.8％。由此可以看出，温度对同步双酶法糖化的葡萄糖收率影响不大。本发明的平均葡萄糖收率为81.5％。
本发明还提供了上述双酶法低温同步糖化技术应用于酒精发酵，开发玉米粉的同步酒精发酵工艺。
将质量浓度为5％～25％的细微玉米粉放入容器中，用酸溶液和碱溶液将料液的pH调整至4.5～7.0。向料液中加入(以玉米干粉为基准)中温α-淀粉酶5～15u/g、糖化酶150～300u/g、酸性蛋白酶10～20u/g和酵母菌(以玉米干粉为基准的质量百分比)0.1％～0.15％，包扎后，在摇床转速为100～150r/min，温度分别为20-42℃的条件下发酵40～80小时。发酵中，测定酒精收率、葡萄糖含量和总糖含量，并以玉米粉干物基准表示。
上述的酸性蛋白酶优选肇东国科北方酶制剂有限公司(黑龙江)生产，酶活力为5万U/g，最佳温度为30～45℃、pH为2.5～5.0、用量为10～16U/g。
上述的酵母菌优选安琪酵母股份有限公司(湖北)，耐高温(主发酵温度40～42℃)、耐酸(pH2.5)、参考用量为0.1％，耐酒精浓度13％，耐浓糖(60％葡萄糖)。
如图5所示，细微玉米粉在25、30、37、42℃的温度条件下同步发酵制备酒精时，分别在84、72、40、36h时达到33.7％、36.8％、36.1％和26.8％，料液中的酒精浓度分别为4.2％、4.6％、4.5％、3.4％。
图6、图7分别表示残存葡萄糖和残存总糖的变化。在25、30、37、42℃的温度条件下分别发酵84、72、40、36h后，料液中的残存葡萄糖和总糖含量成为零，酒精发酵基本结束。残存葡萄糖含量、总糖含量与酒精收率的变化一致。
本发明也适合玉米粉糖化过程与柠檬酸、乳酸、丁二酸等有机化学品后续发酵生产过程的耦合。
有益效果
双酶法玉米粉低温同步糖化技术的特征在于，(1)以玉米粉为糖化原料；(2)可以选择30℃的低温条件；(3)液化和糖化过程的同步进行。
与传统的高温和中温液化、糖化技术相比，双酶法玉米粉低温同步糖化技术的优越性是，(1)省略了液化的操作和时间；(2)能耗低，设备投资小，生产成本低；(3)玉米粉中淀粉的葡萄糖转化率高，葡萄糖、蛋白质、脂肪、无机元素等成分在后续发酵中的综合利用效率高；(4)玉米粉糖化过程与酒精、柠檬酸、乳酸、丁二酸等有机化学品后续发酵生产过程的同步耦合，使得化学品生产成本大大降低。
说明书附图
图1为同步糖化中葡萄糖收率随时间的变化图，其中纵轴为葡萄糖收率(％)，横轴为糖化时间(h)，A代表pH为4.5、B代表pH为5.0、C代表pH为5.5、D代表pH为6.0、E代表pH为6.5、F代表pH为7.0。
图2为糖化24小时葡萄糖收率随糖化pH的变化图，其中纵轴为葡萄糖收率(％)，横轴为pH值。
图3为葡萄糖收率随温度的变化图，其中纵轴为葡萄糖收率(％)，横轴为温度(℃)；G代表温度为30℃，H代表温度为40℃，I代表温度为50℃，J代表温度为60℃。
图4为糖化24小时后的葡萄糖收率图，其中纵轴为葡萄糖收率(％)，横轴为温度(℃)。
图5为同步酒精发酵中酒精收率随时间的变化图，其中纵轴为酒精收率(％)，横轴为时间(h)，K代表温度为25℃，L代表温度为30℃，M代表温度为37℃，N代表温度为42℃。
图6为同少酒精发酵中残存葡萄糖随时间的变化图，其中纵轴为残存葡萄糖含量(％)，横轴为时间(h)。K代表温度为25℃，L代表温度为30℃，M代表温度为37℃，N代表温度为42℃。
图7为同步酒精发酵中残存总糖随时间的变化图。其中纵轴为残存总糖含量(％)，横轴为时间(h)，K代表温度为25℃，L代表温度为30℃，M代表温度为37℃，N代表温度为42℃。
具体实施方式
实施例1-6采用行星式球磨机(XQM-4L，南京科析实验仪器研究所)对脱皮、脱胚玉米粉进行湿法粉碎3h，制备细微玉米粉浆料，玉米粉与水的质量比为1∶3；采用粒度分布仪(2000，MALVERN，UK)测定玉米粉的粒径分布，其中位粒径为14.6μm：称取相当于干物质量60g的上述玉米粉浆料于容器中，调制浓度为10％的玉米粉料液；用酸溶液和碱溶液将料液的pH值分别调整至4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0；向料液中加入α-淀粉酶10u/g、糖化酶200u/g(玉米粉干物基准)；将容器置于60℃的水浴锅中，并用电动搅拌机均匀搅拌料液，糖化时间控制在24小时；按1小时间隔取样3ml，利用生物传感分析仪分析糖化过程中液料的葡萄糖浓度，并计算葡萄糖收率，葡萄糖收率用玉米粉基准表示。其结果见图1、图2。
实施例7-11 采用行星式球磨机(XQM-4L，南京科析实验仪器研究所)对脱皮、脱胚玉米粉进行湿法粉碎5h，制备细微玉米粉浆料，玉米粉与水的质量比为1∶5；采用粒度分布仪(2000，MALVERN，UK)测定玉米粉的粒径分布，其中位粒径为9.8μm；称取相当于干物质量60g的上述玉米粉浆料于容器中，调制浓度为20％的玉米粉料液；用酸溶液和碱溶液将料液的pH值分别调整至6.0；向料液中加入α-淀粉酶15u/g、糖化酶300u/g(玉米粉干物基准)；将容器分别置于30、40、50、60℃的水浴锅中，并用电动搅拌机均匀搅拌料液，糖化时间控制在25小时；按1小时间隔取样3ml，利用生物传感分析仪分析糖化过程中液料的葡萄糖浓度，并计算葡萄糖收率，葡萄糖收率用玉米粉基准表示。其结果见图3、图4。
实施例12-15 采用行星式球磨机(XQM-4L，南京科析实验仪器研究所)对脱皮、脱胚玉米粉进行湿法粉碎3h，制备细微玉米粉浆料，玉米粉与水的质量比为1∶4；采用粒度分布仪(2000，MALVERN，UK)测定玉米粉的粒径分布，其中位粒径为13.3μm；称取相当于干物质量60g的上述玉米粉浆料于容器中，调制浓度为10％的玉米粉料液；用酸溶液和碱溶液将料液的pH值分别调整至6.0；向料液中加入α-淀粉酶10u/g、糖化酶200u/g、酸性蛋白酶用量：16u/g，酵母菌用量：0.1％(玉米粉干物基准)；将容器包扎后置于摇床中，摇床温度分别设置25、30、37、42℃，转速为100～150r/min的条件下发酵72小时。发酵中，测定酒精收率、葡萄糖含量和总糖含量，并以玉米粉干物基准表示。其结果见图5、图6、图7。
Claims (8)
1、一种双酶法玉米粉低温同步糖化工艺，其具体步骤如下：
A.玉米原料的粉碎：将玉米粉与水混合，采用行星式球磨机对脱皮、脱胚玉米粉进行湿法粉碎，制备细微玉米粉浆料；
B.玉米粉的同步糖化：称取上述细微玉米粉浆料于容器中，加入去离子水，调制玉米粉料液浓度，并用酸溶液和碱溶液将调整料液的pH值；向料液中加入α-淀粉酶和糖化酶；然后将容器置于水浴锅中，搅拌料液，控制糖化时间，制得葡萄糖液。
2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的α-淀粉酶为中温α-淀粉酶。
3、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤A中玉米粉与水按质量比为1∶2～1∶5混合；湿法粉碎时间为2～5h；细微玉米粉浆料中玉米粉的中位粒径控制在5～15μm。
4、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤B中玉米粉料液的质量百分比浓度控制在5％～25％。
5、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤B中α-淀粉酶和糖化酶的加入量以玉米粉于物为基准分别为5～15u/g和150～300u/g。
6、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤B中pH值调整至4.5～7.0，糖化温度为20～60℃，糖化时间为20～40小时。
7、一种利用权利要求1所述的工艺制备发酵酒精的方法，其特征在于向料液中加入中温α-淀粉酶、糖化酶时同时加入酸性蛋白酶和酵母菌；发酵温度为20-42℃的发酵时间为40～80小时。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于酸性蛋白酶和酵母菌的加入量以玉米粉干物为基准分别为10～20u/g和0.1％～0.15％。
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