CN109628506A - 一种低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，属于淀粉深加工及发酵技术领域。玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，获得辐射玉米粉；辐射玉米粉与水按一定比例在低温下混合均匀，置于超声波中进行超声浸泡处理；超声浸泡处理后，添加淀粉酶进行低温酶解处理，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；液化清液配置发酵培养基，接种培养成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养。本发明提供的方法，实现了玉米粉低温高效酶解，大幅度降低蒸汽和水的消耗，直接降低了传统高温液化方式的能量消耗，降低生产成本；减少高温液化方式中非发酵性糖的产生，降低发酵液残糖，提高发酵转化率和发酵指数，显著提高发酵效率。本发明的低温酶解工艺简单、高效，具有重要的工业应用价值。

Description

一种低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法
技术领域
本发明属于淀粉深加工及发酵技术领域，尤其涉及一种低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法。
背景技术
柠檬酸来源于三羧酸循环的中间代谢产物，是当前世界上产量和消费量最大的食用有机酸；同时柠檬酸也是化学合成的中间体，是一种非常重要的平台化合物。伴随着新兴领域如药物运输，纳米医学等方面的应用，柠檬酸全球需求量不断增加，柠檬酸现已成为当前世界上第二大发酵产品。柠檬酸的合成主要采用微生物发酵法，其发酵生产主要以淀粉质为原料，淀粉质原料处理方式会显著影响柠檬酸的高效生产。
玉米粉是柠檬酸发酵工业中常用的一种良好碳源，在利用过程中要经过一定的液化处理，使大分子淀粉聚合物降解为小分子的糊精、葡萄糖等才可被微生物生长利用。玉米粉中淀粉颗粒结构紧密且外围被蛋白质包裹着，淀粉分子间的结合力较强，且玉米粉含脂类化合物较多，与直连淀粉易形成直链淀粉-脂类复合物，抑制淀粉颗粒膨胀和糊化，所以说玉米粉液化过程非常困难。在发酵工业中，玉米粉液化方式采用高温喷射液化方式，喷射温度120-140℃添加高温淀粉酶，液化温度90～95℃保温1～2h进行液化。目前采用的玉米粉水解工艺，存在粘度高且搅拌困难，能耗高易发生美拉德反应，对仪器设备要求苛刻，液化不彻底等系列问题，长期制约玉米粉深加工行业的提升。因此，如何实现玉米粉低温高效酶解是发酵工业以及制糖工业亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，可有效避免传统高温液化粘度高、液化不彻底以及能耗高易发生美拉德反应的瓶颈，同时降低能耗、水耗和生产成本。
本发明的技术方案如下：
(1)玉米粉原料置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，辐射强度为2～50kGy，获得辐射淀粉样品；
(2)辐射玉米粉与水按照1∶1～1∶3比例混合均匀，置于超声波中进行超声处理，超声功率为200W，同时在低温下进行浸泡处理，浸泡温度为50～60℃，浸泡时间为30～60min；
(3)浸泡超声处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，淀粉酶添加量为30～50U/g，酶解时间为1～2h，酶解液经固液分离获得液化清液；
(4)培养成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，液化清液直接用于柠檬酸发酵，柠檬酸发酵初始总糖浓度为16～18％；
(5)当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。
本发明具有如下有益技术效果：
本发明采用电子束辐射处理，使包裹在玉米淀粉外面的蛋白质变性被破坏，促进淀粉颗粒氢键和晶体结构的破坏，淀粉降解为小分子糊精，提高了玉米粉的溶解性。在低温条件下浸泡辐射玉米粉，促进辐射玉米粉吸水，并施加超声波处理，进一步促进水分子渗透，使得充分吸水溶胀。低温酶解工艺不仅降低美拉德反应副产物，同时可大幅度降低蒸汽和水的消耗及减少设备的使用，降低生产成本。本发明技术的应用，可降低粮食消耗成本，提高柠檬酸产量，缩短发酵周期，提高生产效率和淀粉利用率，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例，总糖、还原糖的测定方法采用菲林滴定法，柠檬酸的测定采用HPLC测定，如无特殊说明，均采用本领域常用设备和工艺方法。
实施例1
玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，辐射强度为2kGy，获得辐射玉米粉样品；辐射玉米粉与水按照1∶2比例混合均匀，在低温下进行浸泡处理，浸泡温度为60℃，同时置于超声波中进行超声处理，浸泡时间为30min，超声功率为200W；浸泡超声处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，淀粉酶添加量为50U/g，酶解时间为1.5h，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；液化清液配置发酵培养基，控制发酵初始总糖浓度为16.3％，接种成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养，当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。测得发酵周期57h，柠檬酸含量15.9％，残总糖1.8％。
实施例2
玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，辐射强度为15kGy，获得辐射玉米粉；辐射玉米粉与水按照1∶3比例混合均匀，在低温下进行浸泡处理，浸泡温度为50℃，同时置于超声波中进行超声处理，浸泡时间为60min，超声功率为200W；浸泡超声处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，淀粉酶添加量为35U/g，酶解时间为1.5h，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；液化清液配置发酵培养基，控制发酵初始总糖浓度为16.9％，接种成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养，当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。测得发酵周期59h，柠檬酸含量16.6％，残总糖2.1％。
实施例3
玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，辐射强度为50kGy，获得辐射玉米粉样品；辐射玉米粉与水按照1∶1比例混合均匀，在低温下进行浸泡处理，浸泡温度为58℃，同时置于超声波中进行超声处理，浸泡时间为50min，超声功率为200W；浸泡超声处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，淀粉酶添加量为30U/g，酶解时间为2h，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；液化清液配置发酵培养基，控制发酵初始总糖浓度为17.1％，接种成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养，当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。测得发酵周期61h，柠檬酸含量16.9％，残总糖2.2％。
实施例4
玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，辐射强度为20kGy，获得辐射玉米粉样品；辐射玉米粉与水按照1∶2.5比例混合均匀，在低温下进行浸泡处理，浸泡温度为55℃，同时置于超声波中进行超声处理，浸泡时间为40min，超声功率为200W；浸泡超声处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，淀粉酶添加量为45U/g，酶解时间为1h，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；液化清液配置发酵培养基，控制发酵初始总糖浓度为18％，接种成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养，当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。测得发酵周期64h，柠檬酸含量17.8％，残总糖2.0％。
实施例5
玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，辐射强度为40kGy，获得辐射玉米粉样品；辐射玉米粉与水按照1∶3比例混合均匀，在低温下进行浸泡处理，浸泡温度为55℃，同时置于超声波中进行超声处理，浸泡时间为55min，超声功率为200W；浸泡超声处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，淀粉酶添加量为40U/g，酶解时间为1.5h，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；液化清液配置发酵培养基，控制发酵初始总糖浓度为17.2％，接种成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养，当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。测得发酵周期60h，柠檬酸含量16.9％，残总糖1.9％。
实施例6
玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，辐射强度为25kGy，获得辐射玉米粉样品；辐射玉米粉与水按照1∶2.5比例混合均匀，在低温下进行浸泡处理，浸泡温度为55℃，同时置于超声波中进行超声处理，浸泡时间为45min，超声功率为200W；浸泡超声处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，淀粉酶添加量为50U/g，酶解时间为2h，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；液化清液配置发酵培养基，控制发酵初始总糖浓度为16.0％，接种成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养，当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。测得发酵周期53h，柠檬酸含量15.9％，残总糖1.7％。
对比例(现有技术)
玉米粉与水按照1∶2.5比例混合均匀，调节pH至5.8，然后添加高温α-淀粉酶，添加量为40U/g玉米淀粉；二次喷射液化(一次喷射温度98℃，二次喷射温度135℃)，液化温度90℃维持2h，得到液化混液，液化混液经过板框过滤得到液化清液；培养成熟的柠檬酸黑曲霉种子液；将成熟种子液接种发酵培养基进行发酵培养，调整柠檬酸发酵初始总糖浓度为16.2％，当还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。测得发酵周期64h，柠檬酸含量15.7％，残糖2.7％。
将实施例1～6各项测试指标与对比例进行比较，结果参见下表。
表1 实施例1～6与对比例各项测试指标对比结果
从表1可以看出，实施例1～6中采用了本发明技术，与对照组相比，发酵指数明和发酵转化率明显提升，其中发酵指数提高15％，发酵残总糖明显降低，提高发酵效率；同时，相比传统高温蒸煮工艺而言，本发明采用了玉米低温处理方式生产工艺，大幅度降低蒸汽和水的消耗，降低生产成本。本发明简便、高效，具有重要的工业应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)玉米粉置于直线加速器装置中，电子束辐射处理，获得辐射玉米粉；
(2)辐射玉米粉与水按照1∶1～1∶3比例混合均匀，置于超声波中超声处理，同时低温条件下进行浸泡处理；
(3)超声与浸泡处理的辐射玉米粉，添加淀粉酶进行酶解处理，获得玉米粉水解液，经固液分离获得液化清液；
(4)液化清液配置发酵培养基，接种成熟的柠檬酸黑曲霉种子液，进行发酵培养；
(5)当发酵液中还原糖浓度低于0.5％时结束发酵。
2.根据权利要求1所述低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(1)所述电子束辐射强度为2～50kGy。
3.根据权利要求1所述低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(2)所述超声功率为200W。
4.根据权利要求1所述低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(2)所述浸泡温度为50～60℃，浸泡时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(3)所述淀粉水解条件：淀粉酶添加量为30～50U/g，酶解时间为1～2h。
6.根据权利要求1所述低温酶解玉米粉及其用于高效发酵生产柠檬酸的方法，其特征在于：步骤(4)所述的柠檬酸发酵初始总糖浓度为16～18％。
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