CN102618602B - 甘薯渣酶法水解糖工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物领域，具体涉及了以供微生物发酵用的生物质甘薯渣为糖源的制糖方法。本发明所述方法制得的液糖产品，其成分基本为葡萄糖。本发明所述方法工艺简单，专一性强，所得产品品质好，收率高，能解决甘薯渣严重污染环境问题，具有良好的工业应用前景。

Description

甘薯渣酶法水解糖工艺
技术领域
本发明涉及生物领域，具体涉及以供微生物发酵用的生物质甘薯渣为糖源的制糖方法。
背景技术
甘薯是我国重要的粮食作物之一，据统计，我国甘薯种植与加工均居世界第一，总产量达8520万吨，其中55％约4686万吨转成工业原料。甘薯渣是鲜甘薯加工淀粉过程中产生的大量渣滓而作废物处理，巨大的生物质再生资源尚待人们开发利用。
鲜甘薯一般含干物质30％，水分70％。甘薯加工产生大量的含细胞液废水即为甘薯淀粉废水，有各种营养有机物，如可溶性的碳水化合物、蛋白质、维生素和微量元素。对甘薯淀粉加工的薯渣进行分析，主要化学成分为水分、淀粉、粗蛋白、纤维、脂肪等。
用甘薯精细加工生产淀粉、粉条、方便面粉丝等食品产出废甘薯渣约占原料10％左右，刚下生产线时鲜甘薯渣通常含细胞液废水90％左右，数量巨大的湿甘薯渣堆积，未能有效的开发利用，且由于薯渣纤维高持水力和溶胀性，有糖、氮多种营养成分的新薯渣，含水90％以上，其废水化学耗氧量COD＞15000mg/L，存放又易受杂菌发酵而酸败，严重污染环境，造成生物质再生资源的巨大浪费。
近年来甘薯渣开发热点是用酸法、酶法、筛法去掉甘薯渣大部分的淀粉、蛋白和脂肪，提取膳食纤维和果胶、制成产品，但产品市场需求不旺，尚未形成大型产业化规模。
甘薯渣折干计，一般含淀粉50％以上，纤维22～26％，纤维主要构成成分是纤维素、半纤维素、木质素和果胶等，是数以千计葡萄糖糖基致密结构的碳水化合物，难以为市售的康氏木霉分泌的纤维素酶所降解；甘薯经锉磨机细碎和筛理设备产生的淀粉分离出来，薯渣中残留淀粉经α-淀粉酶液化和糖化酶糖化，其降解不完全；其他高分子多糖更难降解，水解率低。因此，寻找一种能够高效利用甘薯渣转化为葡萄糖的方法、开辟新糖源并实行产业化是当前开展生物质甘薯渣废弃资源综合利用的一项重要任务，这种非粮糖源具有显著的环保效益、社会效益和经济效益。
发明内容
本发明目的是提供多酶联合水解破坏薯渣几种多糖组分的细胞壁、释放单体，酶促多组分生化降解反应的一种制糖方法，该方法提高葡萄糖的转化率，保证产品糖的纯度。
本发明提供的一种利用甘薯渣制糖的方法，包含以下步骤：
步骤1：取甘薯渣粉碎或磋磨湿渣，加甘薯淀粉废水调浆；调浆料pH4.0～6.0，在20～70℃，加纤维素酶和加β-葡聚糖酶水解2～10h；
步骤2：在25～60℃，在pH3.5～6.0加木聚糖酶和果胶酶水解2～10h；温度30～50℃pH2.5～6.0，加酸性蛋白酶水解1～8h；升温110～120℃，30min进行灭酶处理；调pH 5.5～8.0，加耐高温α-淀粉酶或中温α-淀粉酶水解1～2h；降温40～65℃，调pH3.0～5.5，加糖化酶水解10～20h；
步骤3：对料液进行固液分离，液体浓缩即得液糖产品，其成分基本为葡萄糖。
作为优选，步骤1所述粉碎为筛径830μm～150μm。
作为优选，步骤1所述调浆为按料液质量比1∶4～6混合。
作为优选，步骤1每克料加70～200U纤维素酶。
作为优选，步骤1每克料加4.5～13.5Uβ-葡聚糖酶。
作为优选，步骤2每克料加14.5～29U木聚糖酶，每克料加9～30U果胶酶。
作为优选，步骤2每克料加酸性蛋白酶10～15U。
作为优选，步骤2每克料加耐高温α-淀粉酶12～20U。
作为优选，步骤2每克料加糖化酶100～300U。
作为优选，步骤2之后步骤3之前还包括以下步骤：调pH5.5～8.0，加耐高温α-淀粉酶进行二次液化，45min；降温至40～65℃，调pH3.0～5.5，加糖化酶和纤维素酶进行糖化；作为优选，每克料加糖化酶100U，每克料加纤维素酶70U。
采用本发明所述方法，用国产市售的纤维素酶、β-葡聚糖酶、木聚糖酶和果胶酶、酸性蛋白酶、耐高温α-淀粉酶、糖化酶对甘薯渣酶法制糖，以不同的料液比进行比较，甘薯渣干物质对葡萄糖转化率达65％以上，相对于甘薯渣中淀粉对还原糖的转化率可达110％，较传统双酶法的转化率有较大的提高。所述酶水解转化率是指对薯渣经酶法水解释放出的还原糖总量按葡萄糖计占试料薯渣干物质量的质量分数，表明薯渣中各种多糖(淀粉及果胶、半纤维素和纤维素等)水解的程度。
实验表明，薯渣中各种多糖组分用国产酶制剂水解技术难度大，特别是纤维素和木质素降解制糖转化率低。本发明采用联合酶解的机理是：纤维素酶、β-葡聚糖酶、果胶酶和木糖酶的协同作用，破坏细胞壁，拆开连接的木质素和果胶(保护纤维素基质)及结合态的糖蛋白，酶促甘薯渣中多组分高分子多糖降解成单糖的生化反应，提高转化率。
甘薯渣中含淀粉50％(干基)以上，结构疏松的半纤维素和果胶多糖均可由水解酶类完全或部分酶解转化为糖，本发明所述方法制得的样品经Dionex公司的HPAEC分析，选取PA10分析柱，以18mM的NaOH为缓冲液，流速：1ml/min，每个样收集时间为40min，鉴定基本为葡萄糖，是微生物发酵用的优质糖料，可用于工业发酵行业。
用本工艺制备的液糖组分，经中科院科学鉴定基本为葡萄糖，而不是其他还原性单糖，说明本专利的制备工艺可基本达到酶解完全。
本发明所述方法工艺条件温和，工艺设备简单，专一性强，提高了总还原糖转化率，产品品质纯，且能解决甘薯渣严重污染环境问题，具有良好的工业应用前景。
具体实施方式
本发明公开了一种甘薯渣制糖方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
取山东某地甘薯渣(水份12.7％，淀粉56.19％，粗蛋白3.69％)，粉碎至250μm筛径，在30L罐中按料液比1∶5加甘薯淀粉废水调浆。浆料调pH至5.5，升温至55℃，加纤维素酶(每克料加酶100U)和加β-葡聚糖酶(每克料加酶10U)水解4h。降温至45℃，pH4.5，加木聚糖酶和果胶酶(每克料加木聚糖酶29U，加果胶酶20U)水解4h。
在温度50℃、pH4.0，加酸性蛋白酶(每克料加酶10U)水解2h。升温110℃灭酶。调pH至6.5，加耐高温α-淀粉酶(每克料加酶12U)液化45min。降温至60℃调pH为4.5，加糖化酶(每克料加酶200U)水解10h。在该酶解罐批中直接调pH6.5，加耐高温α-淀粉酶(每克料加酶12U)进行二次液化，60min。降温至60℃，调pH4.5，加糖化酶(每克料加酶100U)和纤维素酶(每克料加酶100U)进行糖化。
糖化结束后对料液进行固液分离，液体浓缩即得液糖产品。甘薯渣干物质对葡萄糖转化率为65.6％。相对于甘薯渣中“淀粉”对单糖的转化率为108％。
甘薯渣淀粉含量计算按“中华人民共和国国家标准GB/T 5514-2008”粮油检验粮食油料中淀粉含量测定，方法如下：定量称取已测“淀粉”含量的甘薯渣，水解后的糖化醪离心，洗涤离心，测计清液还原糖总量，按下式计算转化率：
甘薯渣质量(折干)对糖的转化率(％)＝【清液还原糖总量(折干)÷甘薯渣质量(折干)】×100
实施例2：
取山东某地甘薯渣(水份12.7％，淀粉56.19％，粗蛋白3.69％)，粉碎至380μm筛径，在30L罐中按料液比1∶4.5加甘薯淀粉废水调浆。浆料调pH至5.0，升温至50℃，加纤维素酶(每克料加酶70U)和加β-葡聚糖酶(每克料加酶10U)水解4h。降温至42℃，pH4.0，加木聚糖酶和果胶酶(每克料加木聚糖酶14.5U，加果胶酶9U)水解4h。
在温度50℃pH4.0，加酸性蛋白酶(每克料加酶12U)水解2h。升温115℃灭酶。调pH至6.5，加耐高温α-淀粉酶(每克料加酶15U)液化45min。降温至60℃调pH为4.5，加糖化酶(每克料加酶100U)水解15h。在该酶解罐批中直接调pH6.5，加耐高温α-淀粉酶(每克料加酶12U)进行二次液化，45min。降温至60℃，调pH4.5，加糖化酶(每克料加酶100U)和纤维素酶(每克料加酶100U)进行糖化。
糖化结束后对料液进行固液分离，液体浓缩即得液糖产品。甘薯渣干物质对葡萄糖转化率为65.2％。相对于甘薯渣中“淀粉”对单糖的转化率为106％.
实施例3：
取山东某地甘薯渣(水份12.7％，淀粉含量＞62％，粗蛋白3.69％)，粉碎至230μm筛径，在30L罐中按料液比1∶4加甘薯淀粉废水调浆。浆料调pH至6.0，升温至60℃，加纤维素酶(每克料加酶200U)和加β-葡聚糖酶(每克料加酶13.5U)水解4h。降温至50℃，pH4.6，加木聚糖酶和果胶酶(每克料加木聚糖酶20U，加果胶酶30U)水解6h。
在温度50℃pH4.0，加酸性蛋白酶(每克料加酶15U)水解2h。升温120℃灭酶。调pH至6.5，加耐高温α-淀粉酶(每克料加酶20U)液化50min。降温至60℃调pH为4.5，加糖化酶(每克料加酶300U)水解20h。在该酶解罐批中直接调pH6.5，加耐高温α-淀粉酶(每克料加酶12U)进行二次液化，45min。降温至60℃，调pH4.5，加糖化酶(每克料加酶100U)和纤维素酶(每克料加酶100U)进行糖化。
糖化结束后对料液进行固液分离，液体浓缩即得液糖产品。甘薯渣干物质对葡萄糖转化率为68.4％。相对于甘薯中“淀粉”对单糖的转化率为110％。
实施例4：取实施例1-3任一项所得液糖产品分析
样品处理：
12000rpm，10min.取上清。用0.45um的Pal膜过滤。
样品分析：Dionex公司的HPAEC分析，选取PA10分析柱。
缓冲液：18mM的NaOH
流速：1ml/min
每个样收集时间为40min。
实验结果：
选取样品中可能含有的单糖做标准品，在PA10中分析。表中表示的单一糖的保留时间。
Figure BDA0000148973490000061
经验证木糖xylose和甘露糖mannose在此条件下不能分开，所以13.5分钟的保留时间是木糖xylose和甘露糖mannose的混合物。液糖组分分析
取样：在同一罐批中按时间顺序和加不同酶水解后取样送检。
代号1#：0～10h，加纤维素酶和β-葡聚糖酶(4h)；继之加木聚糖酶和果胶酶(4h)；又加酸性蛋白酶(2h)后取样、离心分离得离心清液。
代号2#：10h～11h(接1#工艺)继加α-淀粉酶水解的离心液。
代号3#：2#液化料液离心液的浓缩液。
代号4#：11h～26h(接2#工艺)继加糖化酶水解的糖化料液的离心液(即实施例1-3任一项所得液糖产品)
代号5#：4#糖化液离心液的浓缩液
1，2，3，4#样品均稀释100倍，5#样品稀释200倍，经中科院微生物所糖生物工程中心检测：用Dionex公司的HPAEC分析，选取PA10分析柱。使用鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和甘露糖标准品进行测试。
1#样品有两个峰：8.667和11.917，葡萄糖含量是10.5mg/ml。阿拉伯糖的含量很少。
2#样品的主峰时间是11.750，含量是172mg/ml。
3#样品：11.417，糖的含量为548mg/ml。
4#样品：11.583。糖的含量为184mg/ml，且未检测到二糖、多糖。
5#样品：11.5。糖的含量为511mg/ml，且未检测到二糖、多糖。
初步结果分析：样品中组分大部分是葡萄糖，即除了“液化工艺”前的1#样中含有微量鼠李糖和葡萄糖外，其他工艺重点的四个样全是葡萄糖，亦即糖化料液离心液全是葡萄糖。综合考虑，实施例1-3任一项所得液糖产品样品中组分基本全部是葡萄糖。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种利用甘薯渣制糖的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：取甘薯渣粉碎或磋磨湿渣，加甘薯淀粉废水调浆；调浆料pH4.0~6.0，在20~70℃，加纤维素酶和加β-葡聚糖酶水解2~10h；
步骤2：在25~60℃，pH3.5~6.0加木聚糖酶和果胶酶水解2~10h；温度30~50℃、pH2.5~6.0，加酸性蛋白酶水解1~8h；升温110~120℃，30min进行灭酶处理；调pH5.5~8.0，加耐高温α-淀粉酶水解1~2h；降温40~65℃，调pH3.0~5.5，加糖化酶水解10~20h；
步骤3：对料液进行固液分离，液体浓缩即得液糖产品，其成分基本为葡萄糖。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述粉碎为830μm~150μm筛径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1所述调浆为按料液质量比1：4~6混合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1每克料加70~200U纤维素酶。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1每克料加4.5~13.5Uβ-葡聚糖酶。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2每克料加14.5~29U木聚糖酶，每克料加9~30U果胶酶。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2每克料加酸性蛋白酶10~15U。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2每克料加耐高温α-淀粉酶12~20U。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2每克料加糖化酶100~300U。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2之后还包括以下步骤：调pH5.5~8.0，加耐高温α-淀粉酶进行二次液化，45min；降温至40~65℃，调pH3.0~5.5，加糖化酶和纤维素酶进行糖化。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，每克料加糖化酶100~300U，每克料加纤维素酶70~200U。
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