超高濃度液糖化的應(yīng)用研究

李 義 ，彭 輝 ，白挨璽 ，陶 進(jìn) ，許宏賢 ，佟 毅

（1.南京百斯杰生物工程有限公司，江蘇南京 211100；2.中糧生化總公司，北京 100005；3.玉米深加工國家工程研究中心，長春吉林 130033）

0 引言

淀粉糖是以玉米、木薯、小麥等富含的淀粉為原料，經(jīng)過液化、糖化等生產(chǎn)工藝，獲得的大宗產(chǎn)品，包括葡萄糖、麥芽糖、果糖等一系列產(chǎn)品。與日常生活密切相關(guān)，在國民經(jīng)濟(jì)中有重要地位[1]。2017年根據(jù)中國淀粉工業(yè)協(xié)會報表企業(yè)統(tǒng)計，我國淀粉糖總產(chǎn)量達(dá)1 178×104t[2]，如果再加上800×104t左右的氨基酸、有機(jī)酸等行業(yè)用糖，是名副其實(shí)的淀粉糖生產(chǎn)和使用大國。

目前，淀粉制糖工藝一般均采用雙酶法，即包括液化與糖化工藝[3]。其中液化是指淀粉遇水后在加熱情況下迅速膨脹，引起淀粉顆粒解體，高溫淀粉酶開始作用，快速水解淀粉，最終得到短鏈糊精。常見的高溫淀粉酶主要有來自地衣芽孢桿菌（Bacillus licheniformis），簡稱L型和來自嗜熱脂肪芽孢桿菌（B.Stearothermophilus），簡稱S型。其中L型淀粉酶熱穩(wěn)定性較好，而S型淀粉酶熱穩(wěn)定性一般，但其作用快，可以快速降低黏度，這對高濃度液化特別重要[4]。另外糖化工藝是指在淀粉漿在液化成糊精后，加入葡萄糖淀粉酶、普魯蘭酶等酶，控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間，最終生產(chǎn)葡萄糖糖漿的過程[5]。常規(guī)糖化工藝均是采用糖化酶與普魯蘭酶復(fù)配的酶制劑共同作用生產(chǎn)葡萄糖[6]。商業(yè)化的糖化酶是由黑曲霉發(fā)酵得來，在發(fā)酵過程中黑曲霉也會表達(dá)少量的蛋白酶、淀粉酶和α-葡萄糖苷酶（也稱轉(zhuǎn)苷酶）等[7]。其中，α-葡萄糖苷酶對糖化酶的品質(zhì)影響最大，它會催化葡萄糖基轉(zhuǎn)移到另一個葡萄糖或麥芽糖等上，轉(zhuǎn)苷位點(diǎn)多在6-OH上，生成異麥芽糖、潘糖等[8]。

在傳統(tǒng)的淀粉制糖工藝中，一般采用25%～35%底物含量的淀粉漿底物進(jìn)行液化。由于漿料濃度稀，導(dǎo)致下游工藝糖液濃縮過程中不得不蒸發(fā)大量的水，耗費(fèi)大量的能源，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增高[9]。目前大部分企業(yè)意識到高濃度淀粉漿制糖的優(yōu)勢，逐漸開始對淀粉糖液化、糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化，但高濃度液化、糖化工藝中依舊面臨諸多挑戰(zhàn)。眾所周知，單一的L型由于粉漿糊化時黏度過高，醪液流動性差，故不具備可實(shí)際操作性；S型高溫淀粉酶盡管降黏快，但是熱穩(wěn)定性差，醪液不能充分液化，二者均難以達(dá)到理想的液化效果。在糖化工藝中，高濃度糖化對糖化酶、普魯蘭酶性能、配比要求非常高，糖化酶要求不能有轉(zhuǎn)苷酶活力，否則會產(chǎn)生較多的異麥芽糖、潘糖等，影響最終糖漿的葡萄糖值，即DX值[10-11]。

試驗(yàn)在超高濃度液化中（底物濃度42%） 通過調(diào)整淀粉酶L型和S型比例，使得42%的超高濃度液化醪液黏度大幅降低50%，泵送醪液可行；調(diào)整糖化酶和普魯蘭酶比例，使得糖化DX值依然維持96%以上，糖化得率不因超高醪液濃度而降低；從而使得超高濃度液糖化具備了工業(yè)界盼望已久的可實(shí)際操作性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)原料與試劑

100目玉米淀粉，市售。

鹽酸、氫氧化鈉、硫酸銅、硫酸、酒石酸鉀鈉，分析純，國藥集團(tuán)。葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、麥芽四糖，均為色譜純。

1.1.2 試驗(yàn)酶制劑

L型淀粉酶、S型淀粉酶、糖化酶（是失活agdB基因（一種表達(dá)α-葡萄糖苷酶的基因） 的黑曲霉表達(dá)生產(chǎn)的，獲取方法如專利CN104962594A所述的糖化酶）、普魯蘭酶（百斯杰研發(fā)產(chǎn)品）、百斯杰糖化酶HighDEX Ultra、百斯杰淀粉酶SuperLIQ。

1.2 儀器與設(shè)備

島津高效液相色譜儀LC20系列；流變儀，HAAKETMViscotesterTMiQ Air；阿貝折射儀，海能儀器公司產(chǎn)品；數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；ELTA320精密pH計、ME204E型電子分析天平，德國梅特勒-托利多公司產(chǎn)品；循環(huán)油浴鍋，優(yōu)萊博技術(shù)（北京）有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)與分析方法

1.3.1 液化試驗(yàn)方法

配置42%的新鮮玉米淀粉料液，使用1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至5.6。稱取20 g上述料液于反應(yīng)釜中，加入高溫淀粉酶15 U/g DS，混勻后放置通過油浴鍋中進(jìn)行110℃噴射，維持時間15 min。將噴射結(jié)束后的料液置于95℃水浴鍋中，維持120 min。最后將液化結(jié)束后的樣品檢測DE值。

1.3.2 液化黏度曲線測量方法

配置42%的新鮮玉米淀粉料液，使用1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至5.6。稱取30 g上述料液于流變儀的內(nèi)杯中，添加高溫淀粉酶15 U/g DS，混勻后開始測量黏度曲線。黏度曲線測量方法：儀器為HAAKETMViscotesterTMiQ Air，測量杯型號為CCB DIN/SS，測量轉(zhuǎn)子型號為FL26 2B/SS。測量程序?yàn)镽ot旋轉(zhuǎn)時間掃描。

黏度曲線測量階段見表1。

表1 黏度曲線測量階段

1.3.3 糖化方法

配置底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)42%的糖化液，使用濃度為1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH值至4.3。稱取50 g上述料液于200 mL藍(lán)蓋瓶中，加入復(fù)合糖化酶50 U/g DS（以糖化酶酶活計），混勻后放置搖床中反應(yīng)，條件是溫度60℃，時間48 h。糖化結(jié)束后的樣品進(jìn)行高效液相色譜分析。

1.3.4 DE值的測定

DE值檢測方法參照文獻(xiàn)[12]。

1.3.5 高效液相色譜分析方法

分析方法參照文獻(xiàn)[13]。

1.3.6 糖化OD檢測方法

分析方法參照文獻(xiàn)[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 L型淀粉酶與S型淀粉酶不同配比在高濃玉米淀粉液化應(yīng)用對比

在底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%的液化中添加L型與S型淀粉酶的酶活比例為1∶0，1∶5，1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，0∶1的復(fù)合高溫淀粉酶。

DE值結(jié)果見表2。

表2 DE值結(jié)果

由表2可知，隨著L型淀粉酶的加量增加，DE值也隨之增加，說明L型淀粉酶更利于在110℃下高溫噴射液化。另外，在黏度曲線測量中分別加入L型與S型淀粉酶的酶活比例為1∶0，1∶5，1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，0∶1的高溫淀粉酶，通過流變儀檢測其黏度曲線。

L型與S型淀粉酶不同酶活比例的黏度曲線見圖1，L型與S型淀粉酶不同酶活比例的峰值黏度與終黏度見表3。

圖1 L型與S型淀粉酶不同酶活比例的黏度曲線

表3 L型與S型淀粉酶不同酶活比例的峰值黏度與終黏度

由此可知，S型淀粉酶的降黏效果明顯優(yōu)于L型淀粉酶。綜合考慮液化結(jié)果與黏度曲線，L型與S型淀粉酶的酶活比例為1∶20最佳，既保證液化效果，又有良好的降黏效果。

2.2 L型與S型淀粉酶酶活比例為1∶20與百斯杰淀粉酶SuperLIQ在高濃度玉米淀粉液化應(yīng)用對比

為了考查L型與S型淀粉酶酶活比例為1∶20的復(fù)合淀粉酶與市面常見的百斯杰淀粉酶SuperLIQ的對比效果。在底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%的液化中添加L型與S型淀粉酶的酶活比例1∶20的高溫淀粉酶、百斯杰淀粉酶SuperLIQ。

DE值結(jié)果見表4。

表4 DE值結(jié)果

另外在黏度曲線測量中分別加入L型與S型淀粉酶的酶活比例為1∶20的高溫淀粉酶、百斯杰淀粉酶SuperLIQ，通過流變儀檢測其黏度曲線。

L型與S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的黏度曲線見圖2，L型與S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ1000-1300s的局部黏度曲線見圖3，L型與S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的峰值黏度與終黏度見表5。

圖2 L型與S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的黏度曲線

圖3 L型與S型淀粉酶酶活比例1∶20、百斯杰淀粉酶SuperLIQ1000-1300s的局部黏度曲線

表5 L型與S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的峰值黏度與終黏度

結(jié)果顯示，L型與S型淀粉酶的酶活比例為1∶20的高溫淀粉酶在液化后的DE值明顯高于百斯杰淀粉酶SuperLIQ。與內(nèi)標(biāo)桿淀粉酶相比，峰值黏度降低了22%，從而降低超高濃度液化帶給噴射器正常工作的巨大壓力；終黏度降低了50.5%，使得液化醪的順利泵送成為可能，故該比例下復(fù)合淀粉酶在高濃液化中有良好的應(yīng)用效果。

2.3 不同復(fù)合糖化酶在底物濃度42%上糖化應(yīng)用對比

在液化醪中加入50 U/g DS百斯杰糖化酶HighDEX Ultra復(fù)合糖化酶A，B，C，D（糖化酶與普魯蘭酶酶活比例80∶1，60∶1，40∶1，20∶1）。

酶解組分含量及體系OD值見表6。

表6 酶解組分含量及體系OD值/%

由表6可知，失活agdB基因的糖化酶逆反應(yīng)遠(yuǎn)低于普通糖化酶；并且隨著糖化酶比例降低，普魯蘭酶比例的增高，呈現(xiàn)出四糖及以上的高糖進(jìn)一步降低，DP2含量進(jìn)一步降低，DX值持續(xù)增高的趨勢；在糖化酶與普魯蘭酶的比例達(dá)到40∶1即可達(dá)到較好的糖化效果，DX值已經(jīng)超過96%。同時OD值也有大幅下降，說明采用糖化酶與普魯蘭酶的比例40∶1時，反應(yīng)體系中糊精已經(jīng)基本被水解。

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)的淀粉制糖工藝中，一般采用25%～35%底物含量的淀粉漿底物進(jìn)行液化，而實(shí)際上典型的玉米濕磨工藝的淀粉漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%左右，在傳統(tǒng)淀粉糖工藝中不得不先稀釋后液化；在一些發(fā)酵行業(yè)中，補(bǔ)糖的糖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常需要為40%以上；在果糖生產(chǎn)中，配料起始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%左右，需要濃縮到42%左右進(jìn)行異構(gòu)化[15-16]。研究在超高濃液化中，通過調(diào)整淀粉酶L型和S型比例，使得42%的超高質(zhì)量分?jǐn)?shù)液化醪液黏度大幅降低50%，泵送醪液可行；調(diào)整糖化酶和普魯蘭酶比例，使得糖化DX值依然維持96%以上，糖化得率不因超高醪液濃度而降低；從而使得超高質(zhì)量分?jǐn)?shù)液糖化具備了工業(yè)界盼望已久的可實(shí)際操作性。

眾所周知，隨著配料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高，淀粉顆粒的膨脹系數(shù)遞減，10%的粉漿膨脹系數(shù)為15，粉漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到45%，膨脹系數(shù)降低70%左右，粉漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%～60%的膨脹系數(shù)非常低，僅2～3，過低的膨脹系數(shù)會導(dǎo)致糊化不徹底[17]，裹挾淀粉的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)體、非淀粉類多糖成分甚至少量淀粉的晶狀結(jié)構(gòu)本身不能被有效破壞，從而液化不完全；超高質(zhì)量分?jǐn)?shù)液糖化的另一個挑戰(zhàn)來自底物和酶的擴(kuò)散，隨著粉漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水分子的遷移率隨之降低，淀粉增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%到45%，水分子的遷移率降低＞90%，50%～60%的淀粉糊中水分子的流動性非常差，呈半固體狀態(tài)，而酶促反應(yīng)的速率與高黏度水溶液中的擴(kuò)散密切相關(guān)，反應(yīng)系統(tǒng)中水分子的相對低的遷移率會阻礙擴(kuò)散，淀粉濃度的增加會降低酶和底物的有效結(jié)合，這不僅會對α-淀粉酶催化的淀粉液化產(chǎn)生負(fù)面影響，也會對糖化酶和普魯蘭酶的糖化產(chǎn)生負(fù)面影響。除此之外，隨著底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，醪液的泵送、攪拌等動力消耗會大幅增加；糖化結(jié)束后的過濾難度無疑也會大幅增加；應(yīng)對這些挑戰(zhàn)需要更多、更深入的研究，如源頭管控玉米籽粒的品質(zhì)；在淀粉濕磨過程中添加酶制劑以期改善淀粉乳的品質(zhì)；進(jìn)一步提升液化酶、糖化酶的質(zhì)量；引入真正有效的、能顯著提升液糖化效果的輔助酶制劑等等，這些工作都有待酶制劑生產(chǎn)商和工業(yè)界的通力合作，協(xié)同解決。