CN106222212A - 一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法。采用分段逐级提高红薯渣和水固液比的循环酶解方式，即首先在较低的起始固液比(1:5‑1:20)下进行第一段酶解，然后分段逐级提高至较高的固液比(1:4‑1:2)，从而得到适于后续糖化液化的预酶解液。采用本发明的技术方案，可大幅度降低红薯渣酶解用水量，为后续酶解糖液的浓缩降低了大量能耗；且由于采用在较低固液比条件下，缓慢搅拌加料的方式进行酶解，因此搅拌的能耗较低。本发明所提供的技术方案将有助于解决红薯渣酶解制糖工艺中存在的糖终浓度低、浓缩至糖耗水量高、高固相酶解能耗高、及制糖成本高等问题，为我国红薯渣乃至红薯深加工产业提供技术参考。
Description
【技术领域】
本发明属于农产品加工废弃物资源化利用领域，特别涉及一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法。
【背景技术】
红薯营养平衡、齐全，其保健功能优良，是世界公认的营养食品和保健食品，不仅是人们喜爱的粮、菜兼用食品，也逐渐成为食品工业、淀粉工业、发酵工业和生物新能源化工业的重要原料。目前，我国的红薯总产量约保持在1亿t/年，占全世界的80％。而红薯渣是红薯粉厂生产红薯粉后和红薯淀粉厂提取红薯淀粉后的残渣，约占鲜重的45％～60％。红薯渣一般来源于红薯食品加工厂，是红薯挤压提取淀粉后的弃渣，每年加工淀粉、粉丝及小食品后产生的红薯渣约为24万t，一个年产红薯淀粉量为3000t的企业可产湿渣约4000t，如此庞大的产量却只有少部分被用作饲料原料，其余的都被当作废料丢弃而腐败酸化，造成资源的巨大浪费和严重的环境污染。
红薯渣价格低廉，纤维、淀粉等营养成分丰富，有毒有害物质含量低，经加工可生产出纤维素、果胶、饲料、饼干、食用菌、生物燃料等。由于甘薯渣(以折干计)一般含淀粉50％左右(40.44％～64.89％)，利用其中的淀粉制糖是红薯渣一个重要的深加工产品。目前淀粉制糖通常采用的是全酶法。这种生产技术是八十年代后期我国引进国外技术逐步发展起来的淀粉酶法制糖技术。然而，目前国内外在红薯渣制糖方面开展的研究工作非常有限。由于淀粉颗粒基本上是完整而团聚的，较难被淀粉酶降解。另外红薯膳食纤维占22％～27％，主要成分是纤维素、半纤维素、木质素和果胶等。因此，红薯渣液化后溶液粘度高，形成柔软的纤维胶体，造成红薯渣淀粉制糖与谷类淀粉水解制糖有所不同。在红薯渣制糖技术方面，吴允山发明了采用纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、酸性淀粉酶、果胶酶、α-高温淀粉酶和糖化酶等多种酶共同酶解制糖的方法(201210068852.5；201210090800.8)。这一方法虽然可以得到较高纯度的葡萄糖，但是由于此法涉及到多种酶的多种酶解作用条件，所以单元操作繁琐、设备成本较高，工业化难度较大。因此，在工业化应用上很难满足产品的经济成本需求。本发明的申请人在前期发明了一种红薯渣快速酶解成单糖的方法(201410198435.1)，该方法利用热解纤维素菌具有丰富的淀粉酶和纤维素酶的特点，采用热解纤维素菌发酵的粗酶液，在80℃左右将红薯渣中的淀粉和纤维素同时降解。但是，这两种酶解方法都存在酶解过程用水量高，酶解产物中葡萄糖浓度低，造成后续糖的浓缩及精制成本高的问题。本发明提供了采用循环酶解实现高固相底物酶解制备红薯渣葡萄糖的方法，既可以大幅度减少红薯渣酶解所需用水量，降低后续葡萄糖浓缩和精制的耗水量，又可以通过酶的循环利用降低酶解所需的用酶量，从而降低红薯渣葡萄糖的生成成本。
【发明内容】
【发明目的】
本发明旨在提供一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法。这一发明将有助于显著降低红薯渣酶解所需用水量，大幅提高产物葡萄糖的浓度，同时减少酶解用酶量，降低红薯渣葡萄糖的生成成本。
【本发明的技术方案】
本发明所述的一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法，包括如下步骤：
1)红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；
2)按照所需固液比在搅拌反应器中先加入所需量的水、纤维素酶和果胶酶；然后搅拌桨，缓慢加入所需红薯渣粉末的质量；
3)升温至所需的酶解温度，酶解2-24h，待红薯渣由粘稠变为汤状时，继续边搅拌边缓慢加入一定量的红薯渣至最终高固液比，并相应补充所需的纤维素酶和果胶酶，继续在所需温度下酶解2-24h，得到预酶解液；
4)预酶解液在α-淀粉酶的最适反应条件下进行液化，液化液体冷却后加入糖化酶，并在其最适条件下进行糖化；
5)红薯渣酶解糖化液进行固液分离，得到的液体即为葡萄糖粗糖液。
本发明中，步骤2)所述的起始红薯渣酶解固液比为1:5～1:20(w/v)。
本发明中，步骤3)所述的最终红薯渣酶解高固液比为1:4～1:2(w/v)。
本发明中，步骤2)和3)中所述的酸性纤维素酶的添加量为5～40U/g底物，果胶酶的添加量为5～100U/g底物，酶解pH为3-5，酶解温度为50-60℃。
本发明中，步骤4)中α-淀粉酶的添加量为10-40U/g底物，最适作用pH为5-6，最适作用温度为80-95℃；糖化酶的添加量为20-200U/g底物，最适作用pH为5-5.5，最适作用温度为60-70℃。
【本发明的优点】
本发明旨在提供一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法。由于采用了分段逐级提高红薯渣和水固液比的循环酶解方式，本发明具有如下优点：
1)采用本发明的技术方案，红薯渣酶解中纤维素酶和果胶酶的用量将得到大幅度的降低，从而显著降低了红薯渣酶解制糖中酶的成本；
2)本发明中，红薯渣酶解的固体底物与酶解用水量的比例低至1:2～1:4(w/v)，而现有报道的这一比例通常为1:8～1:20，这不仅节约了大量用水，而且为后续酶解糖液的浓缩降低了大量能耗；
3)本发明所提供的技术方案采用在较低固液比条件下，缓慢搅拌加料的方式进行酶解，因此搅拌的能耗较低。
总之，本发明所提供的技术方案将有助于解决红薯渣酶解制糖工艺中存在的糖终浓度低、浓缩至糖耗水量高、高固相酶解能耗高、及制糖成本高等问题，为我国红薯渣乃至红薯深加工产业提供技术参考。
【具体实施方法】
实施例1
红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；以1:5(w/v)为起始固液比，先在搅拌反应器中加入相应量的水、20U/g底物的酸性纤维素酶和20U/g底物的果胶酶；开启搅拌桨，边搅拌边加入固体红薯渣粉末，自然pH条件下(pH 4.35)调节酶解温度50℃酶解12h；然后继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:2.5，按照20U/g底物和20U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在50℃酶解12h；预酶解结束后，调节预酶解液的pH至5.8，然后加入20U/g底物的α淀粉酶，在90℃液化2h，液化液冷却后，加入100U/g底物的糖化酶，60℃糖化4h，压滤得到澄清透明的红薯渣酶解粗糖液。
按照此方法，红薯渣的底物转化率为57.6％，所得糖液的还原糖浓度为203g/L，其中葡萄糖纯度为91.3％，残渣中残留可溶性总糖含量为16.4％。
实施例2
红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；以1:8(w/v)为起始固液比，先在搅拌反应器中加入相应量的水、40U/g底物的酸性纤维素酶和40U/g底物的果胶酶；开启搅拌桨，边搅拌边加入固体红薯渣粉末，自然pH条件下(pH 4.35)调节酶解温度55℃酶解8h；然后继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:4，按照40U/g底物和40U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在55℃酶解8h；再继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:2，按照40U/g底物和40U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在55℃酶解8h；预酶解结束后，调节预酶解液的pH至5.5，然后加入40U/g底物的α淀粉酶，在90℃液化2h，液化液冷却后，加入150U/g底物的糖化酶，70℃糖化4h，压滤得到澄清透明的红薯渣酶解粗糖液。
按照此方法，红薯渣的底物转化率为63.8％，所得糖液的还原糖浓度为224g/L，其中葡萄糖纯度为89.2％，残渣中残留可溶性总糖含量为15.3％。
实施例3
红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；以1:10(w/v)为起始固液比，先在搅拌反应器中加入相应量的水、5U/g底物的酸性纤维素酶和40U/g底物的果胶酶；开启搅拌桨，边搅拌边加入固体红薯渣粉末，自然pH条件下(pH 4.35)调节酶解温度60℃酶解12h；然后继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:5，按照5U/g底物和40U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在60℃酶解12h；再继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:2.5，按照5U/g底物和40U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在60℃酶解12h；预酶解结束后，调节预酶解液的pH至5.5，然后加入20U/g底物的α淀粉酶，在85℃液化2h，液化液冷却后，加入60U/g底物的糖化酶，65℃糖化12h，压滤得到澄清透明的红薯渣酶解粗糖液。
按照此方法，红薯渣的底物转化率为62.1％，所得糖液的还原糖浓度为182.6g/L，其中葡萄糖纯度为90.2％，残渣中残留可溶性总糖含量为15.7％。
实施例4
红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；以1:20(w/v)为起始固液比，先在搅拌反应器中加入相应量的水、20U/g底物的酸性纤维素酶和5U/g底物的果胶酶；开启搅拌桨，边搅拌边加入固体红薯渣粉末，自然pH条件下(pH 4.35)调节酶解温度50℃酶解4h；然后继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:10，按照20U/g底物和5U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在50℃酶解4h；再继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:5，按照20U/g底物和5U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；最后再向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:2.5，按照20U/g底物和80U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在50℃酶解4h；预酶解结束后，调节预酶解液的pH至5.5，然后加入40U/g底物的α淀粉酶，在90℃液化2h，液化液冷却后，加入40U/g底物的糖化酶，60℃糖化6h，压滤得到澄清透明的红薯渣酶解粗糖液。
按照此方法，红薯渣的底物转化率为71.5％，所得糖液的还原糖浓度为218.2g/L，其中葡萄糖纯度为90.6％，残渣中残留可溶性总糖含量为14.2％。
实施例5
红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；以1:6(w/v)为起始固液比，先在搅拌反应器中加入相应量的水、30U/g底物的酸性纤维素酶和100U/g底物的果胶酶；开启搅拌桨，边搅拌边加入固体红薯渣粉末，自然pH条件下(pH 4.35)调节酶解温度50℃酶解8h；然后继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:3，按照30U/g底物和100U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在50℃酶解8h；预酶解结束后，调节预酶解液的pH至5.5，然后加入20U/g底物的α淀粉酶，在90℃液化2h，液化液冷却后，加入60U/g底物的糖化酶，60℃糖化12h，压滤得到澄清透明的红薯渣酶解粗糖液。
按照此方法，红薯渣的底物转化率为66.5％，所得糖液的还原糖浓度为159.2g/L，其中葡萄糖纯度为87.5％，残渣中残留可溶性总糖含量为13.86％。
实施例6
红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；以1:8(w/v)为起始固液比，先在搅拌反应器中加入相应量的水、20U/g底物的酸性纤维素酶和100U/g底物的果胶酶；开启搅拌桨，边搅拌边加入固体红薯渣粉末，自然pH条件下(pH 4.35)调节酶解温度50℃酶解24h；然后继续向预酶解液中边搅拌边加入固体红薯渣粉末至最终固液比1:4，按照20U/g底物和100U/g底物补充适量的酸性纤维素酶和果胶酶；并继续在50℃酶解24h；预酶解结束后，调节预酶解液的pH至5.5，然后加入100U/g底物的α淀粉酶，在90℃液化2h，液化液冷却后，加入200U/g底物的糖化酶，60℃糖化36h，压滤得到澄清透明的红薯渣酶解粗糖液。
按照此方法，红薯渣的底物转化率为70.8％，所得糖液的还原糖浓度为168.4g/L，其中葡萄糖纯度为89.5％，残渣中残留可溶性总糖含量为16.4％。
Claims (5)
1.本发明所述的一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法，包括如下步骤：
1)红薯渣除去泥土和细石等杂质，粉碎备用；
2)按照所需固液比在搅拌反应器中先加入所需量的水、纤维素酶和果胶酶；然后搅拌桨，缓慢加入所需红薯渣粉末的质量；
3)升温至所需的酶解温度，酶解2-24h，待红薯渣由粘稠变为汤状时，继续边搅拌边缓慢加入一定量的红薯渣至最终高固液比，并相应补充所需的纤维素酶和果胶酶，继续在所需温度下酶解2-24h，得到预酶解液；
4)预酶解液在α-淀粉酶的最适反应条件下进行液化，液化液体冷却后加入糖化酶，并在其最适条件下进行糖化；
5)红薯渣酶解糖化液进行固液分离，得到的液体即为葡萄糖粗糖液。
2.根据权利要求1所述的一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法，其特征在于步骤2)所述的固液比为1:5～1:20(w/v)。
3.根据权利要求1所述的一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法，其特征在于步骤3)所述的最终高固液比为1:4～1:2(w/v)。
4.根据权利要求1所述的一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法，其特征在于步骤2)和3)中所述的酸性纤维素酶的添加量为5～40U/g底物，果胶酶的添加量为5～100U/g底物，酶解pH为3-5，酶解温度为50-60℃。
5.根据权利要求1所述的一种红薯渣高固相循环酶解制备高浓度葡萄糖的方法，其特征在于步骤4)中α-淀粉酶的添加量为10-40U/g底物，最适作用pH为5-6，最适作用温度为80-95℃；糖化酶的添加量为20-200U/g底物，最适作用pH为5-5.5，最适作用温度为60-70℃。
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|---|---|---|---|---|
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- 2016-07-22 CN CN201610584846.3A patent/CN106222212A/zh active Pending
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