細微玉米粉的生料發(fā)酵

李學英，謝俊彪，毛繼榮，葛亮（新疆輕工職業(yè)技術學院，新疆烏魯木齊830021）

細微玉米粉的生料發(fā)酵

李學英，謝俊彪，毛繼榮，葛亮
（新疆輕工職業(yè)技術學院，新疆烏魯木齊830021）

通過濕法球磨對玉米粉進行細微化處理，采用市售糖化酶和酵母菌進行生料發(fā)酵，調(diào)查細微化對玉米粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)及生料發(fā)酵的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中位徑為273.6μm的市售玉米粉經(jīng)過濕磨球磨后，中位徑達到8.3 μm。X-射線衍射分析表明，玉米粉中淀粉顆粒在細微化處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。細微玉米粉生料發(fā)酵的速率和酒精度均顯著高于市售玉米粉；初始pH和料液濃度對細微玉米粉生料發(fā)酵具有顯著性影響，發(fā)酵初始pH為6，料液濃度為20%時，發(fā)酵效果最好，酒精度達11.2%，殘?zhí)呛孔畹?。由此可見，細微化可使玉米粉顆粒非晶態(tài)化，促進玉米粉的生料發(fā)酵。

玉米粉；細微化；發(fā)酵；酒精度

隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境保護的迫切需要，目前燃料酒精的生產(chǎn)以淀粉質(zhì)原料為主［1］。我國玉米產(chǎn)量高，可作為生產(chǎn)燃料酒精的主要原料［2］。目前，高溫高壓蒸煮法是酒精生產(chǎn)的主要方法，其能耗大是制約酒精工業(yè)發(fā)展的主要因素［3］。隨著生淀粉糖化酶的出現(xiàn)，集蒸煮、糖化和發(fā)酵于一體的生料發(fā)酵技術，由于大大降低酒精發(fā)酵的能耗而引起人們的關注，但生料發(fā)酵中存在生淀粉糖化酶價格昂貴，用量大，且糖化能力弱［4］，發(fā)酵周期長［5］等問題，致使其遲遲不能工業(yè)化生產(chǎn)。目前的研究也局限于產(chǎn)高活力生淀粉糖化酶菌種的分離和篩選［6-7］。

玉米粉除其主要成分淀粉外，還含有蛋白質(zhì)、果膠、纖維等，在結(jié)構(gòu)上，淀粉以顆粒的形式存在于植物細胞玉米粉原料中，淀粉顆粒被蛋白、纖維、果膠等組成的植物細胞壁包裹［8-9］，因此為了促進淀粉顆粒的水解，必須首先破壞其保護層。淀粉是由葡萄糖組成的高分子化合物，以半晶質(zhì)顆粒的形式存在。顆粒中存在結(jié)晶區(qū)域和非結(jié)晶區(qū)域［10］，淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)域?qū)γ傅淖饔镁哂泻軓姷牡挚沽Γ?1-12］。

機械破碎可使淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，采用球磨機和氣流粉碎機對淀粉顆粒進行機械力作用，可以減小粒度，打破結(jié)晶結(jié)構(gòu)［13］，從而導致其理化性質(zhì)的變化，提高酶解反應活性，繆冶煉［14］等通過濕法球磨實現(xiàn)了低溫酶解。本文的主要研究目的為，（1）闡明細微化對玉米粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞作用及生料發(fā)酵的促進作用；（2）探討pH和料液濃度對細微玉米粉生料發(fā)酵的影響。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

玉米粉：超市購入（安徽燕之坊食品有限公司），其主要成分為水分10.6%、淀粉77.5%、蛋白質(zhì)5.3%、脂肪4.1%，灰分0.7%；中溫α-淀粉酶（2.0×103U/g）、糖化酶（1.0×105U/g）、酸性蛋白酶（5.0×104U/g）：肇東國科北方酶制劑有限公司，酸性蛋白酶與溫水按質(zhì)量比為1∶20的比例混合均勻后，在37℃條件下恒溫活化1 h后使用；耐高溫型釀酒活性干酵母：由安琪酵母股份有限公司提供，干酵母用2%的葡萄糖溶液30℃活化2 h后備用。

XQM-4L行星式球磨機：南京科析實驗儀器研究所；X’TRA X-射線衍射儀：Thermo Electron Corporation；DHZ-DA搖床：太倉試驗設備廠；U型酒精計：青縣燕河儀器儀表有限公司。

1.2方法

1.2.1細微玉米粉的制備

細微玉米粉是采用行星式球磨機對市售玉米粉濕法粉碎3 h制備而成，粉碎過程中玉米粉與水的質(zhì)量比為1∶3。

1.2.2同步酒精發(fā)酵

取干物重量為40 g的玉米粉置于500 mL的三角瓶中，加入適量的去離子水，利用0.05 mol/L的H2SO4溶液和0.02 mol/L的NaOH溶液調(diào)整料液的pH，向料液中加入中溫α-淀粉酶、糖化酶、酸性蛋白酶和酵母菌，其用量分別設定為10、200、14 U/g和0.1%。將三角瓶置于溫度為30℃，轉(zhuǎn)速為150 r/min的搖床中進行生料發(fā)酵。料液在初始pH分別為3、4、5、6、7，料液濃度分別為10%、15%、20%、25%的條件下發(fā)酵，調(diào)查初始pH和料液濃度對玉米粉生料發(fā)酵的影響。采用酒精計法測定發(fā)酵液中的酒精度，DNS法［15］測定殘還原糖和殘總糖含量。

1.2.3X-射線衍射分析

采用X-射線衍射儀，在室溫下測定淀粉的X-射線衍射圖譜。濕磨玉米粉在室溫下風干后供測定使用。X-射線衍射分析試樣皿為20 mm×20 mm的正方形，X-射線發(fā)生器的工作電壓45 kV、工作電流35 mA，衍射角度2θ=5°～80°。

1.2.4粒度分析

采用粒度分布儀測定市售和細微玉米粉的粒度分布。

1.3數(shù)據(jù)分析

應用DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析方法采用單因素方差分析中的Duncan法，顯著性水平設為0.05。制圖通過Excel 2010完成，數(shù)據(jù)為算術平均值。

2　結(jié)果與分析

2.1玉米粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化

市售玉米粉和細微玉米粉的中位粒徑分別為273.6 μm和8.3 μm，如圖1所示。經(jīng)過微粉碎后，玉米粉顆粒減小，且分解集中。

圖1 玉米粉的粒徑分布Fig.1　Size distribution of corn flours

玉米粉的X-射線衍射譜如圖2所示。

圖2 玉米粉顆粒的X-射線衍射圖譜Fig.2　X-ray diffraction patterns of starch granules

市售玉米粉在16.7°、17.9°、23.5°處出現(xiàn)晶峰，細微玉米粉已經(jīng)沒有明顯的晶峰。

玉米粉的細微粉碎，主要是對淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的破壞作用。淀粉顆粒是由晶體結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)組成的層狀多晶體，具有一定剛度。干法粉碎也能破壞淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，但是使淀粉晶體結(jié)構(gòu)完全消失的粉碎時間在25 h以上［16］。

濕磨對淀粉晶體結(jié)構(gòu)具有較強破壞能力的原因在于，淀粉顆粒吸水后，在體積膨脹的同時，無定形區(qū)和晶體區(qū)之間的結(jié)合力減弱，使淀粉顆粒容易受到機械力作用而失去晶體結(jié)構(gòu)。特別是在濕磨中，機械力作用增強了水對淀粉顆粒的滲透力［9］。因此采用濕法球磨對玉米粉顆粒進行微粉碎處理，可以大幅度縮短粉碎時間，降低粉碎能耗，提高玉米粉的生物反應活性，為淀粉質(zhì)原料的細微粉碎提供一條新的技術途徑。2.2細微化對玉米粉生料發(fā)酵的影響

在自然pH5.2，料液濃度20%條件下，玉米粉生料發(fā)酵中酒精度的變化如圖3所示。

圖3　玉米粉生料發(fā)酵中酒精度隨時間的變化Fig.3　Change of alcoholicity in the fermentation of corn flours

與市售玉米粉相比，細微玉米粉生料發(fā)酵中酒精度的上升速度較快，在發(fā)酵55 h后，酒精度達到最高為10.6%，顯著高于市售玉米粉的2.7%，當發(fā)酵時間繼續(xù)延長，酒精度有降低趨勢，這是由于發(fā)酵后期，發(fā)酵原料中大部分糖已被轉(zhuǎn)化為乙醇，酵母菌處于饑餓狀態(tài)，把發(fā)酵產(chǎn)物乙醇作為碳源，使之轉(zhuǎn)化為酸［12］，因此發(fā)酵結(jié)束后，應盡快蒸餾，防止乙醇損失。微粉碎對玉米粉生料發(fā)酵的影響如表1所示。

表1　微粉碎對玉米粉生料發(fā)酵的影響Table 1　Effect of micronization on ethanol fermentation of cornflours

總糖含量下降至9.1%，而市售玉米粉發(fā)酵液中大量糖殘存。這說明微粉碎對玉米粉的生料發(fā)酵具有促進作用。

2.3初始pH對生料發(fā)酵的影響

初始pH對細微玉米粉生料發(fā)酵的影響如表2所示。

將發(fā)酵結(jié)束后料液的pH定義為終點pH，隨初始pH的升高，酒精度和終點pH逐漸增加，還原糖和總糖濃度急劇下降，當初始pH=6時，終點pH為4.0，酒精度達到最高位11.2%，還原糖和總糖濃度分別為0.3、5.0 g/L。pH大于6時，酒精度略有下降，還原糖和總糖濃度變化不大。

酵母的作用pH較廣，約為2.5～8，中溫α-淀粉酶、糖化酶和酸性蛋白酶三者之間的作用pH存在較大差異，其作用pH分別為5.0～7.0、2.5～6.5和2.0～4.5，因此3種酶的共同作用的pH相近為5.0，而酒精發(fā)酵過程中會產(chǎn)生酸，使得pH降低，因此需控制發(fā)酵初始pH在5以上［17］。

2.4料液濃度對生料發(fā)酵的影響

一般來說，料液濃度對酶活性和酵母代謝的影響很大。合適的濃度可以提高出酒率和設備利用率。

料液濃度對細微玉米粉生料發(fā)酵的影響見表3。

表2 初始pH對細微玉米粉生料發(fā)酵的影響Table 2　Effect of initial pH on ethanol fermentation of the micronized-corn flour

表3　料液濃度對細微玉米粉生料發(fā)酵的影響Table 3　Effect of concentration of feed mixture on ethanolfermentation of the micronized-corn flour

當料液濃度為25%時，酒精度最高達12.2%，而大量糖殘留，其原因可能是料液濃度增加，粘度較大，物料不易與酵母和酶混合。另外由表可知當料液濃度在10%～20%之間時，其對還原糖和總糖濃度影響不大，因此最合適的料液濃度為20%。

3　結(jié)論與討論

通過濕法球磨對玉米粉進行細微化處理，采用市售糖化酶和酵母菌進行生料發(fā)酵，調(diào)查細微化對玉米粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)及生料發(fā)酵的影響，得到結(jié)論如下：

1）采用濕磨法對玉米粉進行細微化處理后，玉米粉顆粒粒徑減小，分布集中，X-射線衍射晶峰消失，淀粉顆粒完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。

2）玉米粉生料發(fā)酵在55 h時基本結(jié)束，微粉碎可提高發(fā)酵速率和酒精度。

3）料液濃度和pH對酶活性和酵母代謝的影響很大。中溫α-淀粉酶、糖化酶和酸性蛋白酶的共同作用pH相近為5.0，而酒精發(fā)酵過程中pH逐漸下降，在初始pH6.0時細微玉米粉酒精發(fā)酵效果最好；而料液濃度增加，黏度較大，物料不易與酵母和酶混合，料液濃度為20%，酒精發(fā)酵效率最高酒精度為11.2%，少量糖殘留，為最適細微玉米粉生料發(fā)酵料液濃度。

目前淀粉質(zhì)原料的生料發(fā)酵一般采用生淀粉糖化酶進行，發(fā)酵時間一般需要4 d以上，而且糖化能力弱［18］，玉米粉經(jīng)過微粉碎后，采用普通糖化酶，即可將發(fā)酵時間減少到55 h，且殘?zhí)呛康?。后期將探討發(fā)酵過程中其他因素，及多種因素組合試驗，進一步完善細微玉米粉的生料發(fā)酵工藝條件，獲得最佳發(fā)酵效率。

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Ethanol Fermentation of Micronized Corn Flour

LI Xue-ying，XIE Jun-biao，MAO Ji-rong，GE Liang
（Xinjiang Institute of Light Industry Technology，Urumqi 830021，Xinjiang，China）

In order to study the effects of micronization on crystal structure and direct ethanol fermentation of corn flour，corn flour samples were prepared by wet-milling，and then the direct ethanol fermentation of corn flour were carried out by using commercially available glucoamylase and yeast.The commercial corn flour with a median diameter of 273.6 μm was micronized to 8.3 μm in median diameter by wet-milling.And X-ray diffracometry revealed that the crystals of starch granules in the corn flour could be destroyed by wet-milling.The fermentation rate and alcoholicity of micronized corn flour were significantly higher than that of the commercial corn flour.And when the initial pH and concentration of feed mixture were 6 and 20%respectively，the samples ferment most efficiently with alcoholicity of 11.2%.The results indicated that wet-milling led to the destruction of corn flour crystal structure，which resulted in a remarkable increase of alcoholicity in the ethanol fermentation of corn flour.

corn flour；micronization；fermentation；alcoholicity

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.10.045

李學英（1965—），女（漢），副教授，本科，主要從事農(nóng)產(chǎn)品深加工方面的研究。

2015-04-17