玉米粉的低溫糖化工藝的製作方法
2023-06-17 06:08:46
專利名稱：玉米粉的低溫糖化工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙酶法糖化工藝，尤其涉及一種玉米粉的低溫雙酶法糖化工藝。
背景技術：
澱粉製糖可以用任何種類的澱粉質農作物做原料如大米、小麥、木薯、燕麥、甘薯，馬鈴薯等等，其中以玉米為原料製糖效果較好。這是因為用玉米澱粉製糖的成本相對較低，糖產量卻較高，並且玉米在製糖過程中產生的副產品相對集中，其製糖效益也高。
因此，玉米澱粉糖的應用很廣泛，作為主要的工業原料它可以用於食品製糖業、發酵業及醫藥、化工等行業。具體來說，玉米澱粉糖在食品製糖行業可以用來生產各種澱粉糖如飴糖、糊精、麥芽糖、葡萄糖、果葡糖漿等；在發酵行業可以生產味精、檸檬酸、乳酸、賴氨酸、酶製劑、啤酒等等；在醫藥行業可以用來生產各種藥品和維生素等；在化工業用來生產酒精、丙酮、丁醇、有機酸等。
近年來，世界各國紛紛發展玉米澱粉糖技術，玉米澱粉糖產量也相應地有了很大的提高。美國利用本國玉米為原料發展澱粉製糖業，在上個世紀玉米澱粉糖的產量就已經遠遠超過了甘蔗糖和甜菜糖的製糖總產量，是世界上第一大玉米澱粉糖生產國。其次是日本，雖然國產玉米少，但以進口玉米發展澱粉糖工業，年產量也很高。我國玉米澱粉糖工業近年來也有很快的發展，但我國現仍存在糖產品產量不足、品種少等問題。
目前國內外生產上採用澱粉加工葡萄糖的液化、糖化方法主要有四種方法酸法、酸酶法、酶酸法和雙酶法。用澱粉製糖的酸水解理論於四十年代初在國外學術界已取得共識。六十年代末期，國外酶水解理論研究的新發展促進了澱粉酶法水解生產工藝技術的重大突破，日本率先實現了酶法製糖的工業化生產。近年來，世界各國逐漸淘汰了傳統的酸法製糖生產工藝，取而代之的酶法製糖生產工藝極大地推動了澱粉製糖工業的發展。
酸法製糖是用酸做催化劑，在加壓、加熱的條件下將澱粉水解成糖，最終製得的糖液DE值(葡萄糖值)可以達到91％。這種傳統的酸法技術水解製取葡萄糖工藝存在很多缺點需要耐酸耐壓設備；需要精製澱粉為原料進行水解；澱粉轉化為葡萄糖的收率低，不超過90％；水解選擇性差，催化反應速度快，不能製得純度較高的糖化液；反應結束後必須中和，所得糖液色澤深，精製費用大；且在貯存時糖化液會發生美拉德反應產生雜質，使成品色澤加深，透光率降低。因此，生產中直接採用該工藝的不多，此種製糖方法目前已經基本淘汰。
酸酶法製糖是將澱粉調漿到一定的質量濃度後，加入鹽酸調節pH值到1.8-2.0，在一定的高溫條件下液化，待糖液DE值達到15％左右，降溫、中和，最後用酶糖化，糖化結束後糖液的DE值可達95％。該法由於使用了酸進行水解，對使用設備要求相對較高，也需要耐高溫、耐高壓及耐酸的設備，因此成本也較高。
酶酸法製糖是先加入澱粉酶使澱粉液化，再加鹽酸調pH為1.5左右，然後加壓使澱粉糖化。此法是利用了酸水解效率高，速度快，時間短，過濾容易的特點，能有效避免葡萄糖的複合和分解反應，但酸水解的選擇性差，雜質分解多，顏色深，精製費用也相對較高。
雙酶法製糖是在澱粉液化和糖化兩個階段中分別加入α-澱粉酶和葡萄糖糖化酶從而使澱粉糖化的過程。
液化是使澱粉顆粒在合適的pH值、濃度和溫度等條件下吸水膨脹。在酶的作用下，破壞澱粉層結構，並使澱粉分子鏈迅速水解為糊精和低聚糖分子的過程。液化液的DE值還比較低，達不到液體葡萄糖的標準要求，因此還必須用糖化酶進一步催化水解，將主要含有糊精和低聚糖的液化液水解為更小的分子。糖化就是在合適的pH值、DE值和溫度的條件下，利用糖化酶將糊精和低聚糖進一步水解，轉變為葡萄糖，然後經滅酶、過濾獲得純淨的水解糖液。
一般用「葡萄糖轉化率」來表示澱粉的水解程度或糖化程度。糖化液中還原性糖全部當作葡萄糖計算，還原性糖佔原料乾物質的百分率稱為葡萄糖轉化率。葡萄糖的實際含量稍低於葡萄糖值，因為還有少量的還原性低聚糖存在。隨著糖化程度的增高，二者的差別逐漸減小。
雙酶法在經液化、糖化後製得的糖液DE值高於酸法和酸酶法，一般在95％～98％。雙酶法製糖液化徹底，DE值高，糖液的質量優於酸法和酸酶法。雙酶法製糖所需要的糖化條件相對溫和，不需要耐高溫、耐高壓、耐酸鹼設備，可在常溫常壓和溫和的酸度下，高效地進行催化反應，不僅簡化了設備，而且改善了勞動條件和降低了成本；酶催化所需的活化能級低，催化效率遠比無機酸高；雙酶法使用的酶本身是蛋白質，對酸鹼度極為敏感，故可簡單地採用調解酸鹼度、改變反應溫度或添加抑制劑等方法來控制反應的進行；而且酶的來源廣泛，許多動植物和微生物都可作為某些酶的原料；反應結束後，酶還可以回收重複利用；用雙酶法最終製得的糖液顏色較淺，產品的精製費用也較酸法、酶酸法低。現在生產中大多採用此法。但是，普通的酶法製糖相對生產周期較長，對酶製劑的要求也較高，能耗也較高。
自酶法製糖工藝問世以來，全世界迅速淘汰了酸法製糖，並迅速的推動了澱粉製糖工業的發展，雙酶法製糖已經成為目前應用最廣的製糖方法。
在雙酶法玉米糖化中，常用的液化溫度為120～145℃。但是，高溫法玉米粉糖化中存在有下列問題(1)不但水、電、汽消耗量大，對設備要求高，而且澱粉的過度分解生成不發酵性糖和其他雜質，使澱粉損失1.2％左右(張力田，1998；謝林和呂西軍編，2000；張成虎和馬心如，2002；李大鵬等，2004)；(2)液化溫度較高(如70℃以上)時，隨著料液濃度增加，粘度增大，不易拌勻(謝林和呂西軍編，2000)；(3)溫度在60℃左右即易使蛋白質變性，同時也會使玉米中的不飽和脂肪酸氧化成酮和醛，而且隨著溫度升高，變性速度加快(鍾立人，1999；夏延斌，2002；劉鄰渭，2000)，蛋白質和脂肪的熱變性，降低了它們在後續發酵中的利用率。相反，90℃液化、58℃糖化的玉米粉低溫糖化可以提高糖液質量，降低糖化能耗。低溫糖化的玉米粉糖液用於酒精發酵，可提高出酒率(李大鵬等，2004)。糖液中的蛋白質易於被後續發酵中酵母菌利用，特別在發酵生產酒精時，可以被酵母吸收利用，合成酵母菌體細胞(謝林和呂西軍編，2000)。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是為了克服上述技術澱粉轉化率降低、由於液化溫度高而導致生產成本高，能耗也較高、工藝過程複雜等不足而提出了一種玉米粉的低溫糖化工藝。
本發明所採取的技術方案為採用行星式球磨機對玉米粉、全粒玉米粉進行幹法或溼法粉碎處理，採用雙酶法對玉米澱粉、玉米粉和全粒玉米粉進行糖化，探討原料粒度、料液濃度、液化溫度和酶用量等對液化速度和葡萄糖轉化率的影響，開發玉米粉和全粒玉米粉的低溫糖化工藝。
本發明的具體技術方案為一種玉米粉的低溫糖化工藝，其步驟為(A)玉米微粉碎把市售玉米粉或全粒玉米採用粉碎機粉碎，得微粉碎的玉米粉；(B)液化在上述微粉碎的米粉中加入去離子水，配製微粉碎的玉米粉料液，並用稀酸溶液和稀鹼溶液調整pH值；向料液中加入α-澱粉酶，控制溫度進行液化；(C)糖化液化後的料液冷卻至室溫，利用稀酸溶液調整pH至4.0～4.5，加入液體糖化酶，在40-70℃溫度條件下進行糖化，得葡萄糖液。
本研究使用市售不同粒度的玉米粉為實驗材料。市售玉米粉(安徽燕之坊食品有限公司)在超市購買。細微玉米粉通過以下方法製備而成，優選採用球磨機溼法粉碎。粉碎後，玉米粉顆粒的中位粒徑為不大於50微米。
其中液化步驟中料液的重量百分濃度為5％～25％，並用稀酸溶液和稀鹼溶液調整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-澱粉酶，在30℃～70℃溫度條件下進行液化。
其中所述的稀酸為稀鹽酸或稀硫酸，優選為5％的稀硫酸；所述的稀鹼為NaOH或Na2CO3，優選1％的NaOH。
其中液化過程中的α-澱粉酶優選為中溫α-澱粉酶(無錫賽德生物工程有限公司的中溫α-澱粉酶)。
其中糖化過程中的糖化酶優選無錫賽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體糖化酶，優選在60℃條件下進行糖化。不同廠家糖化酶的加入量和糖化溫度根據產品說明書而定。
在液化過程中，按一定時間間隔取料液3ml，採用DNS法(張龍翔等，2001)測定其DE值，並在液化接近終了時，根據碘反應法判斷液化終點。
在糖化過程中，按一定時間間隔取樣0.5ml，稀釋100～200倍後，利用葡萄糖傳感分析儀(SBA型，山東省科學院生物研究所)測定葡萄糖濃度。
本發明分別對市售玉米粉和細微玉米粉的液化條件進行了正交試驗。正交試驗的因素和水平設定如表1和表2所示。液化後，在上述條件下對料液進行糖化，並以葡萄糖轉化率為正交試驗的指標。
表1市售玉米粉液化正交試驗的因素和水平
表2細微化玉米粉液化正交試驗的因素和水平
市售玉米粉、細微玉米粉液化過程中的DE值變化分別如圖1、圖2所示。DE值在液化後開始上升，並逐漸趨於穩定。市售玉米粉在70℃、60℃、50℃的溫度條件下達到的平衡DE值分別為21.6％、17.9％、16.1％，細微玉米粉在70℃、50℃、30℃的條件下達到的平衡DE值分別為54.8％、38.9％、27.9％。由此可見，溫度對市售玉米粉平衡DE值沒有顯著影響，而對細微玉米粉平衡DE值的影響較大。
圖3為市售玉米粉和細微玉米粉液化的Arrhenius圖。細微玉米粉在30℃條件下也有較大的液化反應速度。在50℃的溫度條件下，細微玉米粉的液化反應速率常數為0.918h-1，而市售玉米粉的液化反應速率常數為0.378h-1，細微玉米粉液化速度為市售玉米粉液化速度的2倍以上。在70℃的溫度條件下，市售玉米粉與細微玉米粉的液化速度差別不大。另外，從lnk與1/T的回歸直線方程式可以求得，市售玉米粉在50～70℃範圍內液化的活化能E＝6.45×104(J/mol)，頻率因子A＝2.78×106(s-1)。因此，市售玉米粉液化的Arrhenius方程式可以表示為如下。
k=2.78106exp(-6.45104RT)---(5)]]>此外，細微玉米粉在30～70℃範圍內液化的活化能E＝2.02×104(J/mol)，頻率因子A＝0.54(s-1)。因此，細微玉米粉液化的Arrhenius方程式可以表示為如下。
k=0.54exp(-2.02104RT)---(6)]]>在實際應用中，可以通過微粉碎提高玉米粉的液化反應速度、降低玉米粉液化反應溫度，從而節省能耗、提高糖化產品質量。
本發明還考察了液化條件對葡萄糖轉化率的影響市售玉米粉在不同溫度條件下液化後，進一步在60℃條件下糖化，糖化過程中葡萄糖轉化率的變化如圖4所示。各料液的葡萄糖轉化速度沒有明顯區別，但是葡萄糖轉化率的變化較大。70℃液化料液的葡萄糖轉化率最高，達到81.7％，而60℃、50℃液化料液僅有48.4％的葡萄糖轉化率。
按照表1所示的正交試驗表L9(34)進行試驗得到的葡萄糖轉化率及其級差分析如表3所示。在本實驗範圍之內，各因素對葡萄糖轉化率的影響順序是A＞C＞B，即液化溫度＞料液濃度＞酶用量，方差分析顯示，液化溫度對料液的葡萄糖轉化率的影響在p＝0.01水平上具有顯著性。市售玉米粉的最佳液化條件為A3B3C1，即溫度70℃，酶用量15u/g，料液濃度10％。由於在9次試驗中沒有包括這個組合，所以追加A3B3C1試驗，得到最高葡萄糖轉化率88.1％。
表3市售玉米粉液化試驗的級差分析
細微玉米粉在30℃、50℃、70℃條件下液化後，進一步在60℃條件下糖化，糖化過程中葡萄糖轉化率的變化如圖5所示。不同溫度液化後，各料液的葡萄糖轉化速度和葡萄糖轉化率都沒有明顯區別。糖化2～3小時後，各料液的葡萄糖轉化率在90％左右趨於穩定。
按照表2所示的正交試驗表L9(34)進行試驗得到的葡萄糖轉化率及其級差分析如表4所示。在本實驗範圍之內，各因素對葡萄糖轉化率的影響順序是B＞A＞C，即酶用量＞液化溫度＞料液濃度，但是，各液化條件對料液的葡萄糖轉化率的影響在p＝0.05水平上都沒有顯著性。細微玉米粉的最佳液化條件為A2B3C1，即溫度50℃，酶用量15u/g，料液濃度10％，得到最高葡萄糖轉化率99.3％。
表4細微玉米粉液化試驗的級差分析
市售玉米粉和細微玉米粉的葡萄糖轉化率與液化終了DE值的關係如圖6所示。市售玉米粉的液化終了DE值在11％～40％範圍變化，隨著DE值的升高，葡萄糖轉化率降低；而細微玉米粉的液化終了DE值在30％～55％範圍變化，葡萄糖轉化率與DE值無關，保持在92％左右。微粉碎減小了液化終了DE值對葡萄糖轉化率的影響，其原因可能是細微玉米粉在蛋白質網狀結構和澱粉結晶結構上的變化。在實際應用中，細微玉米粉的液化條件較易控制。
有益效果1.本發明採用較低的液化溫度，降低液化能耗；2.提高玉米粉的葡萄糖轉化率；3.保留玉米原料中的蛋白質、脂肪、無機元素、維生素等成分；4.工藝簡單。
圖1為市售玉米粉液化中的DE值變化圖，其中-○-70℃，-□-60℃，-△-50℃。
圖2為細微玉米粉液化中的DE值變化圖，其中-○-70℃，-□-30℃，-△-50℃。
圖3為玉米粉液化的Arrhenius圖，其中-○-代表細微玉米粉，-□-代表市售玉米粉。
圖4為市售玉米粉糖化中的葡萄糖轉化率變化圖，其中-○-70℃液化料液，-□-60℃液化料液，-△-50℃液化料液。
圖5為細微玉米粉糖化中的葡萄糖轉化率變化圖，其中-○-70℃液化料液，-□-60℃液化料液，-△-50℃液化料液。
圖6為玉米粉葡萄糖轉化率與液化終了DE值的關係圖，其中-○-代表細微玉米粉，-□-代表市售玉米粉。
具體實施例方式實施例1在料液pH6.0-6.5、料液濃度10％、酶用量10U/g-玉米粉原料、液化溫度分別為50℃、60℃、70℃的條件下，採用中溫α-澱粉酶對市售玉米粉(D50＝273.6μm)進行液化，調查DE值的變化。結果如圖1所示。
實施例2在料液pH6.0-6.5、料液濃度10％、酶用量10U/g-玉米粉原料、液化溫度分別為30℃、50℃、70℃的條件下，採用中溫α-澱粉酶對細微玉米粉(D50＝17.1μm)進行液化，調查DE值的變化。結果如圖2所示。
實施例3對實施例1和實施例2中的DE值變化進行反應動力學分析。結果如圖3。
實施例4實施例1完成以後，在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化溫度60℃的條件下，採用糖化酶對料液進行糖化，調查葡萄糖轉化率的變化。結果如圖4所示。
實施例5實施例2完成以後，在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化溫度60℃的條件下，採用糖化酶對料液進行糖化，調查葡萄糖轉化率的變化。結果如圖5所示。
實施例6在料液pH6.0-6.5的條件下，按照表1所示的因素和水平，採用中溫α-澱粉酶對市售玉米粉進行液化，然後在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化溫度60℃的條件下，採用糖化酶對料液進行糖化，調查葡萄糖轉化率的變化。結果如表3所示。
實施例7在料液pH6.0-6.5的條件下，按照表2所示的因素和水平，採用中溫α-澱粉酶對細微玉米粉(D50＝50μm)進行液化，然後在料液pH4.0-4.5、酶用量200U/g-玉米粉原料、糖化溫度60℃的條件下，採用糖化酶對料液進行糖化，調查葡萄糖轉化率的變化。結果如表4所示。
權利要求
1.一種玉米粉的低溫糖化工藝，其步驟為(A)玉米微粉碎把市售玉米粉或全粒玉米採用粉碎機粉碎，得微粉碎的玉米粉；(B)液化在上述微粉碎的米粉中加水，配製微粉碎玉米粉料液，並用稀酸溶液和稀鹼溶液調整pH值；向料液中加入α-澱粉酶，控制溫度進行液化；(C)糖化液化後的料液冷卻至室溫，用稀酸溶液調整pH至4.0～4.5，加入液體糖化酶，在40-70℃條件下進行糖化，得葡萄糖液。
2.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於步驟(A)中採用球磨機溼法粉碎；玉米粉顆粒的中位粒徑為不大於50微米。
3.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於步驟(B)中玉米粉料液的重量百分濃度為5％～25％。
4.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於步驟(B)調整pH至6.0～6.5。
5.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於步驟(B)α-澱粉酶的加入量為按5～15U/g-玉米粉原料的比例向料液中加入。
6.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於步驟(B)中的液化溫度為30℃～70℃。
7.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於所述的稀酸為稀鹽酸或稀硫酸；所述的稀鹼為NaOH或Na2CO3。
8.根據權利要求7所述的工藝，其特徵在於所述的稀酸為5％的稀硫酸，所述的稀鹼為1％的NaOH。
9.根據權利要求1所述的工藝，其特徵在於液化過程中的α-澱粉酶為中溫α-澱粉酶。
全文摘要
本發明涉及一種雙酶法糖化工藝，尤其涉及一種玉米粉的低溫雙酶法糖化工藝。本發明所採取的技術方案為採用行星式球磨機對玉米粉、全粒玉米粉進行幹法或溼法粉碎處理，採用雙酶法對玉米澱粉、玉米粉和全粒玉米粉進行糖化，探討原料粒度、料液濃度、液化溫度和酶用量等對液化速度和葡萄糖轉化率的影響，開發玉米粉和全粒玉米粉的低溫糖化工藝，本發明採用較低的液化溫度，降低液化能耗；提高玉米粉的葡萄糖轉化率；保留玉米原料中的蛋白質、脂肪、無機元素、維生素等成分且工藝簡單。
文檔編號C12P19/00GK1900300SQ200610086039
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月20日 優先權日2006年7月20日
發明者繆冶煉, 吳琴燕, 夏發俊 申請人:南京工業大學