稻米酶法制取超高純度麥芽糖漿工藝研究

林親錄，肖華西，喻鳳香，劉 星，李麗輝，王湛淅

(1.中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410128；2.糧油深加工與品質(zhì)控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙410128；3.萬福生科(湖南)農(nóng)業(yè)開發(fā)股份有限公司，湖南 常德 410300)

稻米酶法制取超高純度麥芽糖漿工藝研究

林親錄1,2，肖華西1，喻鳳香1，劉 星1，李麗輝1,2，王湛淅3

(1.中南林業(yè)科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410128；2.糧油深加工與品質(zhì)控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙410128；3.萬福生科(湖南)農(nóng)業(yè)開發(fā)股份有限公司，湖南 常德 410300)

以稻米為原料，以耐高溫α-淀粉酶為液化酶，以真菌淀粉酶和普魯蘭酶兩種糖化酶協(xié)同糖化，研究稻米高純度麥芽糖漿制取技術(shù)。結(jié)果表明：控制液化值為14左右，糖化時真菌淀粉酶和普魯蘭酶用量分別為0.6FAU/g干米淀粉和0.3PUN/g干米淀粉，糖化時間控制在18h左右、糖化溫度59℃、糖化pH5.5，可以制得麥芽糖含量85%以上的超高麥芽糖漿。

稻米；液化；糖化；酶；麥芽糖

Abstract：Liquefaction with heat-stable α-amylase and combined saccharification with fungal amylase and pullulanase for the production of high purity maltose syrup from early Indica rice were studied. Results showed that the final product containing more than 85% of maltose was obtained through liquefaction resulting in DE value followed by combined saccharification for 18 h with fungal amylase at a dosage of 0.6 FAU/g dried rice starch and pullulanase at a dosage of 0.3 PUN/gdried rice starch at 59 ℃ and pH 5.5.

Key words：early Indica rice；liquefaction；saccharification；enzyme；maltose

目前我國稻谷的年產(chǎn)量已經(jīng)達到了1.95億噸左右，占全國糧食總產(chǎn)量的40%、世界稻谷總產(chǎn)量的37%，居世界首位。每年稻谷初加工(碾米)中有近2000萬噸碎米等稻米副產(chǎn)品未得到很好的開發(fā)利用[1]。另外，我國稻谷生產(chǎn)階段性與結(jié)構(gòu)性過?，F(xiàn)象時有發(fā)生，如食用品質(zhì)較差的早秈稻壓庫嚴重，給國家財政造成沉重負擔，稻谷的價格下滑，嚴重影響農(nóng)民收入的提高和農(nóng)村經(jīng)濟的進一步發(fā)展。因此，如何通過稻米深加工途徑來達到高效增值的效果，一直是科研人員和企業(yè)共同努力的方向[2]。

麥芽糖因其優(yōu)越的加工性能和理化特性，應(yīng)用范圍非常廣泛，已引起國內(nèi)外食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的高度重視。依麥芽糖含量的高低，麥芽糖漿可分為普通麥芽糖漿、高麥芽糖漿和超高麥芽糖漿。干物質(zhì)中麥芽糖含量小于60%的為普通麥芽糖漿，大于60%而小于80% 的為高麥芽糖漿，大于80%的麥芽糖漿為超高麥芽糖漿[3-4]。目前生產(chǎn)麥芽糖漿的主要原料是玉米淀粉，以玉米淀粉生產(chǎn)麥芽糖漿技術(shù)比較成熟而且在生產(chǎn)上已大規(guī)?；懂a(chǎn)應(yīng)用，但是目前生產(chǎn)上投產(chǎn)的技術(shù)產(chǎn)品中麥芽糖含量(以干物質(zhì)計)少有超過80%的，因為超高麥芽糖漿不僅生產(chǎn)成本較高，而且技術(shù)很不穩(wěn)定，以稻米特別是低值稻米(節(jié)碎米等)為原料生產(chǎn)超高純度麥芽糖漿更是少有報道。

本實驗以我國早秈米等食用品質(zhì)較差的低值稻米為原料，研究耐高溫α-淀粉酶和真菌淀粉酶等幾種酶配合使用，生產(chǎn)高純度麥芽糖的工藝技術(shù)，旨在為稻米高純度麥芽糖生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)和實際參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通食用早秈米 市購。

耐高溫α-淀粉酶(Termamyl Supra，酶活力20000U/mL)、真菌淀粉酶(Fungamyl 800L，酶活力800FAU/g)、普魯蘭酶(Promozyme 500L，酶活力500PUN/g) 諾維信公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SHZ可調(diào)溫水浴振蕩器 上海醫(yī)療器械廠；W501可調(diào)溫溫油浴鍋 上海申勝生物技術(shù)有限公司；80-2高速離心機 上海手術(shù)器械廠；LC-20AT高效液相色譜(HPLC)系統(tǒng) 日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 超高麥芽糖漿工藝流程與操作要點

1.3.1.1 工藝流程

1.3.1.2 操作要點

稻米預(yù)處理：破碎成60目以上，加適當水浸泡2～6h。

調(diào)漿噴射液化：浸泡后的米漿加一定量耐高溫α-淀粉酶，調(diào)成質(zhì)量分數(shù)30%～33%的米漿液，調(diào)pH值，經(jīng)105～110℃噴射液化，在95℃保溫液化一定時間，控制液化DE值，滅酶。

脫渣：采用離心或過濾方法脫除米蛋白等成分。

糖化：調(diào)整濾液pH值，并加一定量的真菌淀粉酶和普魯蘭酶等糖化酶，在設(shè)定溫度下糖化一定時間，滅酶。

精制、濃縮：加活性炭脫色，離子交換脫除離子，通過降膜濃縮法濃縮至所需濃度即可。

1.3.2 檢測方法

DE值：采用碘量法[5]；麥芽糖含量：采用高效液相色譜法(HPLC)[6]。

1.3.3 色譜條件

LC-20AT高效液相色譜系統(tǒng)：色譜柱：碳水化合物分析柱(4.6mm×250mm)；流動相：乙腈-水(80:20，V/V)，流速1.0mL/min；柱溫：30℃。示差折光檢測器RID-10A。

2 結(jié)果與分析

2.1 液化參數(shù)的選擇與麥芽糖粉含量的關(guān)系

2.1.1 液化DE值對麥芽糖含量的的影響

本研究對適宜的液化程度進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)液化度太高或太低都不利于麥芽糖的生成(液化度越高則DE值越高，液化度越低則DE值越低)[7]。從圖1可以看出，液化后，真菌淀粉酶(用量為0.6FAU/g 干米淀粉)和普魯蘭酶(用量為0.3PUN/g干米淀粉)兩種糖化酶協(xié)同糖化，當DE值為14時，麥芽糖含量達到85%(干質(zhì)量)以上；液化度太高，即DE值大于14后，麥芽糖含量有降低趨勢。其主要原因可能是過度液化后，糖化過程中導(dǎo)致了葡萄糖等單糖的大量形成[7-8]。

圖1 液化DE值與成品麥芽糖含量的關(guān)系Fig.1 Effect of post-liquefaction DE value on maltose content in the final dried product

2.1.2 液化酶的用量和液化時間對DE值的影響

圖2 耐高溫α-淀粉酶液化時間與液化DE值的關(guān)系Fig.2 Relationship between heat-stableα-amylase dosage and post-liquefaction DE value

圖3 耐高溫α-淀粉酶液化時間與液化DE值的關(guān)系Fig.3 Relationship between liquefaction time and post-liquefaction DE value

影響液化DE值的因素很多，從經(jīng)濟的角度看，液化酶的使用量越低越好，在保證液化DE值為14的前提下，選用了不同用量的液化酶，從圖2可以看出，當耐高溫α-淀粉酶用量為9U/g干米淀粉時，DE值就可以達到14，用量增加不僅增加成本，而且促使DE值增加后不利于后續(xù)糖化過程中麥芽糖的形成[9]。從圖3可以看出，當液化時間為105min左右時，DE值達到14。1個酶活力單位定義為：1U為在確定的最適反應(yīng)條件下，每分鐘催化1μmol底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物所需的酶量。

2.2 糖化參數(shù)的選擇與麥芽糖含量的關(guān)系

2.2.1 糖化酶協(xié)同使用對麥芽糖含量的影響

真菌淀粉酶是一種常用的糖化酶，而且有產(chǎn)麥芽糖的功效，有些廠家就直接用真菌淀粉酶糖化生產(chǎn)麥芽糖漿[10]，但是本實驗研究發(fā)現(xiàn)，添加一定量的普魯蘭酶后，有極顯著的增效作用，能顯著提高麥芽糖產(chǎn)量。如表1所示，單獨用真菌淀粉酶(用量為0.6FAU/g干米淀粉)或普魯蘭酶(用量為0.3PUN/g干米淀粉)，糖漿中麥芽糖含量分別為60%或9%左右，而真菌淀粉酶和普魯蘭酶同時使用時，可以達到85%以上，差異極顯著。這主要是因為淀粉有直鏈和支鏈淀粉之分，秈米淀粉包含有部分支鏈淀粉，真菌淀粉酶主要是降解α-1,4糖苷鍵，很難降解支鏈中的α-1,6糖苷鍵，而普魯蘭酶是一種典型的分支酶，幾乎不能降解α-1,4糖苷鍵，卻能選擇性降解α-1,6糖苷鍵[11-12]，因此，該兩種糖化酶結(jié)合使用，具有協(xié)同增效作用，能極顯著提高麥芽糖含量，也有學者研究過以β-淀粉酶為主要糖化酶來生產(chǎn)麥芽糖漿，麥芽糖含量也比較高，但是β-淀粉酶價格太貴，目前在生產(chǎn)上推廣有一定的難度。

表1 不同糖化酶糖化18h后糖漿中麥芽糖含量比較Table 1 Comparison of maltose content in the final dried product obtained after 18 h saccharification with fungal amylase and pullulanase or each of them

2.2.2 真菌淀粉酶的用量對麥芽糖含量的影響

從2.2.1節(jié)結(jié)果可知，單獨使用真菌淀粉酶，也能使麥芽糖達到60%左右，普魯蘭酶在麥芽糖生產(chǎn)過程中只是起到“分支”的效果[13]，而主要催化降解淀粉生成麥芽糖的還得靠真菌淀粉酶，因此，很有必要對真菌淀粉酶的適宜用量進一步研究。從圖4可以看出，在通過預(yù)實驗選擇得到普魯蘭酶最佳用量為0.3PUN/g干米淀粉的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)當真菌淀粉酶使用量為0.6FAU/g干米淀粉時，麥芽糖得率最高，達到85%以上，繼續(xù)增加酶的用量并不能增加多少麥芽糖。

圖4 真菌淀粉酶的用量與糖漿中麥芽糖含量關(guān)系Fig.4 Relationship between fungal amylase dosage and maltose content in the final dried product

2.2.3 糖化時間、pH值和溫度對麥芽糖含量的影響

以兩種糖化酶協(xié)同糖化時，對于糖化時間、pH值和溫度等參數(shù)的選擇尤為重要，從圖5可以看出，當糖化時間為18h左右時結(jié)果比較理想；超過18h后，麥芽糖含量還略有降低，這可能是糖化時間過久，麥芽糖進一步轉(zhuǎn)化為單糖或合成其他三糖等寡糖[13]。

圖5 糖化時間與糖漿中麥芽糖含量的關(guān)系Fig.5 Relationship between saccharification time and maltose content in the final dried product

圖6 pH值與糖漿中麥芽糖含量的關(guān)系Fig.6 Relationship between saccharification pH and maltose content in the final dried product

酶對pH值非常敏感，普魯蘭酶的最適pH值范圍在4.5～5.5，而真菌淀粉酶的最適pH值范圍在5.0～6.0，把該兩種糖化酶混合使用時，調(diào)整適宜的pH值也是非常關(guān)鍵的。從圖6可知，pH值為5.5左右時比較理想，有助于提高麥芽糖得率，高于或低于pH5.5時，麥芽糖含量均顯著降低。

糖化過程中，另一個影響酶糖化的重要參數(shù)是溫度，真菌淀粉酶和普魯蘭酶的最適溫度不完全吻合，從圖7可以看出，兩種酶混合糖化時，最適溫度為59℃左右，高于或低于該溫度，麥芽糖含量都有所降低，因糖化時間比較長，糖化溫度過低則易發(fā)生酵母菌和細菌污染，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量和麥芽糖得率。因此，在不影響麥芽糖得率情況下，應(yīng)盡可能增加糖化溫度以抑制雜菌生長[14]。

圖7 糖化溫度與糖漿中麥芽糖含量的關(guān)系Fig.7 Relationship between saccharification temperature and maltose content in the final dried product

2.3.4 麥芽糖漿HPLC分析

圖8 麥芽糖高效液相(HPLC)色譜圖Fig.8 HPLC chromatograms of maltose standard and sample obtained in this study (tR= 8.07 min)

圖8為在真菌淀粉酶和普魯蘭酶用量分別為0.6 FAU/g干米淀粉和0.3PUN/g干米淀粉、糖化時間控制在18h左右、糖化溫度59℃、糖化pH5.5的最優(yōu)參數(shù)下提取的超高麥芽糖漿HPLC圖。從圖8可以看出，樣品中除有麥芽糖形成外，還有其他的物質(zhì)產(chǎn)生，5.633min出現(xiàn)的峰可能是單糖，第11.852min出現(xiàn)的峰可能是其他的雙糖甚至三糖。

3 結(jié) 論

為了提高麥芽糖漿中麥芽糖含量，以耐高溫α-淀粉酶為液化酶，液化度不能太高或太低，耐高溫α-淀粉酶用量為9U/g干米淀粉，液化時間105min，即可控制最佳液化DE值為14；以真菌淀粉酶和暜魯蘭酶兩種糖化酶混合協(xié)同糖化時，糖化產(chǎn)麥芽糖效果比單一糖化酶好，真菌淀粉酶和暜魯蘭酶用量分別為0.6FAU/g干米淀粉和0.3PUN/g干米淀粉、糖化時間控制在18h左右、糖化溫度59℃、糖化pH5.5。按照該工藝參數(shù)，以稻米為原料可以制得麥芽糖含量85%以上的超高麥芽糖漿，由該最優(yōu)參數(shù)下的麥芽糖漿HPLC圖可知，樣品中除有麥芽糖形成外，還有其他的物質(zhì)如單糖、雙糖等產(chǎn)生。

[1] 張德明. 湖南水稻生產(chǎn)的現(xiàn)狀與出路[J]. 湖南農(nóng)業(yè), 2002(8): 15-16.

[2] 王瑞元. 稻米加工副產(chǎn)品綜合利用大有可為[J]. 中國稻米, 2005(1):8-10.

[3] 周建芹, 羅發(fā)興. Maltogenase和β-淀粉酶制取超高麥芽糖漿的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2002, 18(1): 126-128.

[4] GOVINDASAMY S, CAMPANELLA O H, OATE C G. Influence of extrusion variables on subsequent saccharification behaviour of sago starch[J]. Food Chemistry, 1995, 54(3): 289-296.

[5] 徐忠, 張洪微, 韓玉潔. 酶法制備馬鈴薯高麥芽糖漿的研究[J]. 中國食品學報, 2005, 5(1): 38-42.

[6] PONTOH J, LOW H N. Glucose syrup production from Indonesian palm and cassava starch[J]. Food Research International, 1995, 28(4):379-385.

[7] GRZEKOWIAK-PRZYWECKA A, SOMISKA L. Saccharification of potato starch in an ultrafiltration reactor[J]. Journal of Food Engineering,2007, 79(26): 539-545.

[8] LI W, CORKE H, BETA T. Kinetics of hydrolysis and changes in amylose content during preparation of microcrystalline starch from highamylose maize starches[J]. Carbohydrate Polymers, 2007, 69(26): 398-405.

[9] MACGREGOR A W, BAZIN S L, MACRI L J. et al. Modelling the contribution of alpha-amylase, beta-amylase and limit dextrinase to starch degradation during mashing[J]. Journal of Cereal Science, 1999, 29(2):161-169.

[10] GAOUAR O, ZAKHIA N, AYMARD C.et al. Production of maltose syrup by bioconversion of cassava starch in an ultrafiltration reactor[J].Industrial Crops and Products, 1998, 7(2/3): 159-167.

[11] NODA T, FURUTA S, SUDA I. Sweet potatoβ-amylase immobilized on chitosan beads and its application in the semi-continuous production of maltose[J]. Carbohydrate Polymers, 2001, 44(3): 189-195.

[12] LI Y, CHARLES F S, MA J G, et al. Structure- viscosity relationships for starches from different rice varieties during heating[J]. Food Chemistry,2008, 106(3): 1105-1112.

[13] ROY I, GUPTA M N. Hydrolysis of starch by a mixture of glucoamylase and pullulanase entrapped individually in calcium alginate beads[J].Enzyme and Microbial Technology, 2004, 34(1): 26-32.

[14] 徐麗霞, 扶雄, 黃強. 淀粉酶在麥芽糖生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 中國甜菜糖業(yè), 2007(4): 29-31.

Enzymolysis of Early Indica Rice for Production of High Purity Maltose Syrup

LIN Qin-lu1,2，XIAO Hua-xi1，YU Feng-xiang1，LIU Xing1，LI Li-hui1,2，WANG Zhan-xi3
(1. College of Food Science and Engineering, Center South University of Forestry and Technology, Changsha 410128, China；2. Hunan Key Laboratory of Grain-oil Process and Quality Control, Changsha 410128, China；3. Wanfu Group, Changde 410300, China)

TS236.2

A

1002-6630(2010)10-0026-04

2009-08-14

國家“863”計劃項目(2006AA10Z341)；湖南省科技廳重大專項(2007FJ1007)

林親錄(1966—)，男，教授，博士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工研究。E-mail：lql0403@yahoo.com.cn