CN1900300B - 玉米粉的低温糖化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双酶法糖化工艺，尤其涉及一种玉米粉的低温双酶法糖化工艺。本发明所采取的技术方案为：采用行星式球磨机对玉米粉、全粒玉米粉进行干法或湿法粉碎处理，采用双酶法对玉米淀粉、玉米粉和全粒玉米粉进行糖化，探讨原料粒度、料液浓度、液化温度和酶用量等对液化速度和葡萄糖转化率的影响，开发玉米粉和全粒玉米粉的低温糖化工艺，本发明采用较低的液化温度，降低液化能耗；提高玉米粉的葡萄糖转化率；保留玉米原料中的蛋白质、脂肪、无机元素、维生素等成分且工艺简单。

Description

玉米粉的低温糖化工艺

所属技术领域：

本发明涉及一种双酶法糖化工艺，尤其涉及一种玉米粉的低温双酶法糖化工艺。

背景技术：

淀粉制糖可以用任何种类的淀粉质农作物做原料如：大米、小麦、木薯、燕麦、甘薯，马铃薯等等，其中以玉米为原料制糖效果较好。这是因为用玉米淀粉制糖的成本相对较低，糖产量却较高，并且玉米在制糖过程中产生的副产品相对集中，其制糖效益也高。

因此，玉米淀粉糖的应用很广泛，作为主要的工业原料它可以用于食品制糖业、发酵业及医药、化工等行业。具体来说，玉米淀粉糖在食品制糖行业可以用来生产各种淀粉糖如：饴糖、糊精、麦芽糖、葡萄糖、果葡糖浆等；在发酵行业可以生产味精、柠檬酸、乳酸、赖氨酸、酶制剂、啤酒等等；在医药行业可以用来生产各种药品和维生素等；在化工业用来生产酒精、丙酮、丁醇、有机酸等。

近年来，世界各国纷纷发展玉米淀粉糖技术，玉米淀粉糖产量也相应地有了很大的提高。美国利用本国玉米为原料发展淀粉制糖业，在上个世纪玉米淀粉糖的产量就已经远远超过了甘蔗糖和甜菜糖的制糖总产量，是世界上第一大玉米淀粉糖生产国。其次是日本，虽然国产玉米少，但以进口玉米发展淀粉糖工业，年产量也很高。我国玉米淀粉糖工业近年来也有很快的发展，但我国现仍存在糖产品产量不足、品种少等问题。

目前国内外生产上采用淀粉加工葡萄糖的液化、糖化方法主要有四种方法：酸法、酸酶法、酶酸法和双酶法。用淀粉制糖的酸水解理论于四十年代初在国外学术界已取得共识。六十年代术期，国外酶水解理论研究的新发展促进了淀粉酶法水解生产工艺技术的重大突破，日本率先实现了酶法制糖的工业化生产。近年来，世界各国逐渐淘汰了传统的酸法制糖生产工艺，取而代之的酶法制糖生产工艺极大地推动了淀粉制糖工业的发展。

酸法制糖是用酸做催化剂，在加压、加热的条件下将淀粉水解成糖，最终制得的糖液DE值(葡萄糖值)可以达到91％。这种传统的酸法技术水解制取葡萄糖工艺存在很多缺点：需要耐酸耐压设备；需要精制淀粉为原料进行水解；淀粉转化为葡萄糖的收率低，不超过90％；水解选择性差，催化反应速度快，不能制得纯度较高的糖化液；反应结束后必须中和，所得糖液色泽深，精制费用大；且在贮存时糖化液会发生美拉德反应产生杂质，使成品色泽加深，透光率降低。因此，生产中直接采用该工艺的不多，此种制糖方法目前已经基本淘汰。

酸酶法制糖是将淀粉调浆到一定的质量浓度后，加入盐酸调节pH值到1.8-2.0，在一定的高温条件下液化，待糖液DE值达到15％左右，降温、中和，最后用酶糖化，糖化结束后糖液的DE值可达95％。该法由于使用了酸进行水解，对使用设备要求相对较高，也需要耐高温、耐高压及耐酸的设备，因此成本也较高。

酶酸法制糖是先加入淀粉酶使淀粉液化，再加盐酸调pH为1.5左右，然后加压使淀粉糖化。此法是利用了酸水解效率高，速度快，时间短，过滤容易的特点，能有效避免葡萄糖的复合和分解反应，但酸水解的选择性差，杂质分解多，颜色深，精制费用也相对较高。

双酶法制糖是在淀粉液化和糖化两个阶段中分别加入α-淀粉酶和葡萄糖糖化酶从而使淀粉糖化的过程。

液化是使淀粉颗粒在合适的pH值、浓度和温度等条件下吸水膨胀。在酶的作用下，破坏淀粉层结构，并使淀粉分子链迅速水解为糊精和低聚糖分子的过程。液化液的DE值还比较低，达不到液体葡萄糖的标准要求，因此还必须用糖化酶进一步催化水解，将主要含有糊精和低聚糖的液化液水解为更小的分子。糖化就是在合适的pH值、DE值和温度的条件下，利用糖化酶将糊精和低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖，然后经灭酶、过滤获得纯净的水解糖液。

一般用“葡萄糖转化率”来表示淀粉的水解程度或糖化程度。糖化液中还原性糖全部当作葡萄糖计算，还原性糖占原料干物质的百分率称为葡萄糖转化率。葡萄糖的实际含量稍低于葡萄糖值，因为还有少量的还原性低聚糖存在。随着糖化程度的增高，二者的差别逐渐减小。

双酶法在经液化、糖化后制得的糖液DE值高于酸法和酸酶法，一般在95％～98％。双酶法制糖液化彻底，DE值高，糖液的质量优于酸法和酸酶法。双酶法制糖所需要的糖化条件相对温和，不需要耐高温、耐高压、耐酸碱设备，可在常温常压和温和的酸度下，高效地进行催化反应，不仅简化了设备，而且改善了劳动条件和降低了成本；酶催化所需的活化能级低，催化效率远比无机酸高；双酶法使用的酶本身是蛋白质，对酸碱度极为敏感，故可简单地采用调解酸碱度、改变反应温度或添加抑制剂等方法来控制反应的进行；而且酶的来源广泛，许多动植物和微生物都可作为某些酶的原料；反应结束后，酶还可以回收重复利用；用双酶法最终制得的糖液颜色较浅，产品的精制费用也较酸法、酶酸法低。现在生产中大多采用此法。但是，普通的酶法制糖相对生产周期较长，对酶制剂的要求也较高，能耗也较高。

自酶法制糖工艺问世以来，全世界迅速淘汰了酸法制糖，并迅速的推动了淀粉制糖工业的发展，双酶法制糖已经成为目前应用最广的制糖方法。

在双酶法玉米糖化中，常用的液化温度为120～145℃。但是，高温法玉米粉糖化中存在有下列问题：(1)不但水、电、汽消耗量大，对设备要求高，而且淀粉的过度分解生成不发酵性糖和其他杂质，使淀粉损失1.2％左右(张力田，1998；谢林和吕西军编，2000；张成虎和马心如，2002；李大鹏等，2004)；(2)液化温度较高(如70℃以上)时，随着料液浓度增加，粘度增大，不易拌匀(谢林和吕西军编，2000)；(3)温度在60℃左右即易使蛋白质变性，同时也会使玉米中的不饱和脂肪酸氧化成酮和醛，而且随着温度升高，变性速度加快(钟立人，1999；夏延斌，2002；刘邻渭，2000)，蛋白质和脂肪的热变性，降低了它们在后续发酵中的利用率。相反，90℃液化、58℃糖化的玉米粉低温糖化可以提高糖液质量，降低糖化能耗。低温糖化的玉米粉糖液用于酒精发酵，可提高出酒率(李大鹏等，2004)。糖液中的蛋白质易于被后续发酵中酵母菌利用，特别在发酵生产酒精时，可以被酵母吸收利用，合成酵母菌体细胞(谢林和吕西军编，2000)。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是为了克服上述技术淀粉转化率降低、由于液化温度高而导致生产成本高，能耗也较高、工艺过程复杂等不足而提出了一种玉米粉的低温糖化工艺。

本发明所采取的技术方案为：采用行星式球磨机对玉米粉、全粒玉米粉进行干法或湿法粉碎处理，采用双酶法对玉米淀粉、玉米粉和全粒玉米粉进行糖化，探讨原料粒度、料液浓度、液化温度和酶用量等对液化速度和葡萄糖转化率的影响，开发玉米粉和全粒玉米粉的低温糖化工艺。

本发明的具体技术方案为：一种玉米粉的低温糖化工艺，其步骤为：

(A)玉米微粉碎：把市售玉米粉或全粒玉米采用粉碎机粉碎，得微粉碎的玉米粉；

(B)液化：在上述微粉碎的米粉中加入去离子水，配制微粉碎的玉米粉料液，并用稀酸溶液和稀碱溶液调整pH值；向料液中加入α-淀粉酶，控制温度进行液化；

(C)糖化：液化后的料液冷却至室温，利用稀酸溶液调整pH至4.0～4.5，加入液体糖化酶，在40-70℃温度条件下进行糖化，得葡萄糖液。

本研究使用市售不同粒度的玉米粉为实验材料。市售玉米粉(安徽燕之坊食品有限公司)在超市购买。细微玉米粉通过以下方法制备而成，优选采用球磨机湿法粉碎。粉碎后，玉米粉颗粒的中位粒径为不大于50微米。

其中液化步骤中料液的重量百分浓度为5％～25％，并用稀酸溶液和稀碱溶液调整pH至6.0～6.5；按5～15U/g-玉米粉原料的比例向料液中加入α-淀粉酶，在30℃～70℃温度条件下进行液化。

其中所述的稀酸为稀盐酸或稀硫酸，优选为5％的稀硫酸；所述的稀碱为NaOH或Na₂CO₃，优选1％的NaOH。

其中液化过程中的α-淀粉酶优选为中温α-淀粉酶(无锡赛德生物工程有限公司的中温α-淀粉酶)。

其中糖化过程中的糖化酶优选无锡赛德生物工程有限公司的糖化酶，按200U/g原料的比例向料液中加入液体糖化酶，优选在60℃条件下进行糖化。不同厂家糖化酶的加入量和糖化温度根据产品说明书而定。

在液化过程中，按一定时间间隔取料液3ml，采用DNS法(张龙翔等，2001)测定其DE值，并在液化接近终了时，根据碘反应法判断液化终点。

在糖化过程中，按一定时间间隔取样0.5ml，稀释100～200倍后，利用葡萄糖传感分析仪(SBA型，山东省科学院生物研究所)测定葡萄糖浓度。

本发明分别对市售玉米粉和细微玉米粉的液化条件进行了正交试验。正交试验的因素和水平设定如表1和表2所示。液化后，在上述条件下对料液进行糖化，并以葡萄糖转化率为正交试验的指标。

表1  市售玉米粉液化正交试验的因素和水平

水平	因  素
				A(温度，℃)	B(酶用量，μ/g)	C(料液浓度，％)
	1	50	5				10

水平	因  素
				A(温度，℃)	B(酶用量，μ/g)	C(料液浓度，％)
	2	60	10				17
3				70	15	24

表2细微化玉米粉液化正交试验的因素和水平

水平	因  素
				A(温度，℃)	B(酶用量，μ/g)	C(料液浓度，％)
	1	30	5				10
2				50	10	17
	3	70	15				24

市售玉米粉、细微玉米粉液化过程中的DE值变化分别如图1、图2所示。DE值在液化后开始上升，并逐渐趋于稳定。市售玉米粉在70℃、60℃、50℃的温度条件下达到的平衡DE值分别为21.6％、17.9％、16.1％，细微玉米粉在70℃、50℃、30℃的条件下达到的平衡DE值分别为54.8％、38.9％、27.9％。由此可见，温度对市售玉米粉平衡DE值没有显著影响，而对细微玉米粉平衡DE值的影响较大。

图3为市售玉米粉和细微玉米粉液化的Arrhenius图。细微玉米粉在30℃条件下也有较大的液化反应速度。在50℃的温度条件下，细微玉米粉的液化反应速率常数为0.918h^-1，而市售玉米粉的液化反应速率常数为0.378h^-1，细微玉米粉液化速度为市售玉米粉液化速度的2倍以上。在70℃的温度条件下，市售玉米粉与细微玉米粉的液化速度差别不大。另外，从1nk与1/T的回归直线方程式可以求得，市售玉米粉在50～70℃范围内液化的活化能E＝6.45×10⁴(J/mol)，频率因子A＝2.78×10⁶(s^-1)。因此，市售玉米粉液化的Arrhenius方程式可以表示为如下。

$k=2.78\×{10}^6\exp (-\frac{6.45\×{10}^4}{\mathrm{RT}})---\left(5\right)$

此外，细微玉米粉在30～70℃范围内液化的活化能E＝2.02×10⁴(J/mol)，频率因子A＝0.54(s^-1)。因此，细微玉米粉液化的Arrhenius方程式可以表示为如下。

$k=0.54\exp (-\frac{2.02\×{10}^4}{\mathrm{RT}})---\left(6\right)$

在实际应用中，可以通过微粉碎提高玉米粉的液化反应速度、降低玉米粉液化反应温度，从而节省能耗、提高糖化产品质量。

本发明还考察了液化条件对葡萄糖转化率的影响

市售玉米粉在不同温度条件下液化后，进一步在60℃条件下糖化，糖化过程中葡萄糖转化率的变化如图4所示。各料液的葡萄糖转化速度没有明显区别，但是葡萄糖转化率的变化较大。70℃液化料液的葡萄糖转化率最高，达到81.7％，而60℃、50℃液化料液仅有48.4％的葡萄糖转化率。

按照表1所示的正交试验表L₉(3⁴)进行试验得到的葡萄糖转化率及其级差分析如表3所示。在本实验范围之内，各因素对葡萄糖转化率的影响顺序是A＞C＞B，即液化温度＞料液浓度＞酶用量，方差分析显示，液化温度对料液的葡萄糖转化率的影响在p＝0.01水平上具有显著性。市售玉米粉的最佳液化条件为A₃B₃C₁，即温度70℃，酶用量15u/g，料液浓度10％。由于在9次试验中没有包括这个组合，所以追加A₃B₃C₁试验，得到最高葡萄糖转化率88.1％。

表3市售玉米粉液化试验的级差分析

K1	127.6	165.6	176.6	499.3
					K2	140.4	166.4	158.4
K3	231.3	167.2	164.3
					k1	42.5	55.2	58.9
k2	46.8	55.5	52.8
					k3	77.1	55.7	54.8
R	34.6	0.5	6.1

细微玉米粉在30℃、50℃、70℃条件下液化后，进一步在60℃条件下糖化，糖化过程中葡萄糖转化率的变化如图5所示。不同温度液化后，各料液的葡萄糖转化速度和葡萄糖转化率都没有明显区别。糖化2～3小时后，各料液的葡萄糖转化率在90％左右趋于稳定。

按照表2所示的正交试验表L₉(3⁴)进行试验得到的葡萄糖转化率及其级差分析如表4所示。在本实验范围之内，各因素对葡萄糖转化率的影响顺序是B＞A＞C，即酶用量＞液化温度＞料液浓度，但是，各液化条件对料液的葡萄糖转化率的影响在p＝0.05水平上都没有显著性。细微玉米粉的最佳液化条件为A₂B₃C₁，即温度50℃，酶用量15u/g，料液浓度10％，得到最高葡萄糖转化率99.3％。

表4细微玉米粉液化试验的级差分析

7	3(70)	1(5)	3(24)	90.1
					8	3(70)	2(10)	1(10)	97.4
9	3(70)	3(15)	2(17)	93.6
					K1	286.9	277.7	288.6	859.2
K2	291.3	289.4	285.1
					K3	281.1	292.2	285.6
k1	95.6	92.6	96.2
					k2	97.1	96.5	95.0
k3	93.7	97.4	95.2

7	3(70)	1(5)	3(24)	90.1
					R	3.4	4.8	1.2

市售玉米粉和细微玉米粉的葡萄糖转化率与液化终了DE值的关系如图6所示。市售玉米粉的液化终了DE值在11％～40％范围变化，随着DE值的升高，葡萄糖转化率降低；而细微玉米粉的液化终了DE值在30％～55％范围变化，葡萄糖转化率与DE值无关，保持在92％左右。微粉碎减小了液化终了DE值对葡萄糖转化率的影响，其原因可能是细微玉米粉在蛋白质网状结构和淀粉结晶结构上的变化。在实际应用中，细微玉米粉的液化条件较易控制。

有益效果：

1.本发明采用较低的液化温度，降低液化能耗；

2.提高玉米粉的葡萄糖转化率；

3.保留玉米原料中的蛋白质、脂肪、无机元素、维生素等成分；

4.工艺简单。

附图说明：

图1为市售玉米粉液化中的DE值变化图，其中-○-70℃，-□-60℃，-△-50℃。

图2为细微玉米粉液化中的DE值变化图，其中-○-70℃，-□-30℃，-△-50℃。

图3为玉米粉液化的Arrhenius图，其中-○-代表细微玉米粉，-□-代表市售玉米粉。

图4为市售玉米粉糖化中的葡萄糖转化率变化图，其中-○-70℃液化料液，-□-60℃液化料液，-△-50℃液化料液。

图5为细微玉米粉糖化中的葡萄糖转化率变化图，其中-○-70℃液化料液，-□-60℃液化料液，-△-50℃液化料液。

图6为玉米粉葡萄糖转化率与液化终了DE值的关系图，其中-○-代表细微玉米粉，-□-代表市售玉米粉。

具体实施方式：

实施例1：在料液pH6.0-6.5、料液浓度10％、酶用量10U/g-玉米粉原料、液化温度分别为50℃、60℃、70℃的条件下，采用中温α-淀粉酶对市售玉米粉(D₅₀＝273.6μm)进行液化，调查DE值的变化。结果如图1所示。

实施例2：在料液pH6.0-6.5、料液浓度10％、酶用量10U/g-玉米粉原料、液化温度分别为30℃、50℃、70℃的条件下，采用中温α-淀粉酶对细微玉米粉(D₅₀＝17.1μm)进行液化，调查DE值的变化。结果如图2所示。

实施例3：对实施例1和实施例2中的DE值变化进行反应动力学分析。结果如图3。

实施例4：实施例1完成以后，在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化温度60℃的条件下，采用糖化酶对料液进行糖化，调查葡萄糖转化率的变化。结果如图4所示。

实施例5：实施例2完成以后，在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化温度60℃的条件下，采用糖化酶对料液进行糖化，调查葡萄糖转化率的变化。结果如图5所示。

实施例6：在料液pH6.0-6.5的条件下，按照表1所示的因素和水平，采用中温α-淀粉酶对市售玉米粉进行液化，然后在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化温度60℃的条件下，采用糖化酶对料液进行糖化，调查葡萄糖转化率的变化。结果如表3所示。

实施例7：在料液pH6.0-6.5的条件下，按照表2所示的因素和水平，采用中温α-淀粉酶对细微玉米粉(D₅₀＝50μm)进行液化，然后在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化温度60℃的条件下，采用糖化酶对料液进行糖化，调查葡萄糖转化率的变化。结果如表4所示。

Claims (5)

1.一种玉米粉的低温糖化工艺，其步骤为：

(A)玉米微粉碎：把市售玉米粉或全粒玉米采用球磨机湿法粉碎，得到中位粒径为不大于50微米的玉米粉；

(B)液化：在上述微粉碎的玉米粉中加水，配制微粉碎玉米粉料液，并用稀酸溶液和稀碱溶液调整pH值至6.0～6.5；向料液中加入中温α-淀粉酶，控制液化温度为30℃～70℃进行液化；

(C)糖化：液化后的料液冷却至室温，用稀酸溶液调整pH至4.0～4.5，加入液体糖化酶，在40-70℃条件下进行糖化，得葡萄糖液。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤(B)中玉米粉料液的重量百分浓度为5％～25％。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤(B)α-淀粉酶的加入量为按5～15U/g玉米粉原料的比例向料液中加入。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的稀酸为稀盐酸或稀硫酸；所述的稀碱为NaOH或Na₂C0₃。

5.根据权利要求4所述的工艺，其特征在于所述的稀酸为5％的稀硫酸，所述的稀碱为1％的NaOH。

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