玉米淀粉產酒精的復合酶制劑研究*

王晨， 馬文勤， 紀鈞麟， 鄭鑫， 賈正燕,夏迎春， 尹芳， 張無敵

(云南師范大學 能源與環(huán)境科學學院,太陽能研究所，云南 昆明 650500)

玉米作為我國境內主要播種的農作物之一，被廣泛用于酒精生產，但玉米中的抗營養(yǎng)因子(如植酸、纖維素和果膠多糖等)[1]和有機物質(如淀粉、粗蛋白質及粗脂肪等)[2]對傳統(tǒng)酒精生產中的水解和糖化存在一定影響，使得玉米中的還原糖利用率達不到理想要求.淀粉類原料產酒率的提高主要有提高發(fā)酵料液還原糖含量和提高酵母菌活性兩條途徑，復合酶制劑是將兩種以上酶制劑按一定比例混合用于提高出酒率和縮短發(fā)酵周期的酶添加劑.研究針對現(xiàn)酒精行業(yè)生產過程中⑴玉米原料淀粉的利用率低，大分子生物成分降解不完全[3]；⑵玉米原料中的纖維素、果膠多糖、植酸和粗蛋白未被充分利用；⑶現(xiàn)有的高效復合酶制劑大范圍使用成本較高等問題，結合玉米原料的特性，選定了纖維素酶[4]、果膠酶、植酸酶[5]和酸性蛋白酶[6]等低成本酶制劑作為協(xié)同試劑，利用雙酶法[7]發(fā)酵生產酒精，通過在糖化階段和液化階段提高淀粉原料轉化為還原糖的效率并提高發(fā)酵料液中氮、磷等酵母菌生長繁殖所必需的元素的含量，達到提高淀粉類原料產酒率的目的，從而獲得一種提高玉米淀粉轉化率和利用率，有效控制生產成本，提高社會經(jīng)濟效益的新型復合酶制劑，以期為整個酒精生產行業(yè)和淀粉類原料產酒的復合酶制劑研究提供參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原料

市售玉米粉，其材料特性如表1.

表1 玉米原料特性表

1.1.2 菌種和酶制劑

菌種和酶制劑均為市場采購，相關信息如表2.

表2 菌種和酶制劑

1.2 儀器與設備

1.2.1 試驗裝置

試驗采用容量為1 L的玻璃罐作為發(fā)酵罐，方形水槽加水作為水浴保溫裝置，其間置200 W電加熱棒和循環(huán)水泵保持水溫均勻，另置溫度控制器以保持水浴溫度(如圖1).

圖1發(fā)酵裝置圖

Fig.1Fermentation device diagram

1.2.2 其他設備

電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；V-5000可見分光光度計,上海元析儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器廠生產；電熱鼓風干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；PHS-3C酸度計，上海儀電科學儀器股份有限公司；電子萬用爐，北京科偉永興儀器有限公司.

1.3 試驗方法

1.3.1 傳統(tǒng)雙酶法酒精發(fā)酵試驗

傳統(tǒng)雙酶法酒精發(fā)酵試驗流程圖如圖2.

圖2 酒精發(fā)酵試驗流程圖

取容量為1 L的發(fā)酵罐放置在不銹鋼水槽中，按1∶4的料水比配制待加熱的粉糊并均勻攪拌，浸泡6 h.然后加水蒸煮至糊化并升溫至90 ℃水浴加熱30 min，冷卻至60 ℃添加液化酶(添加量為0.1%)水浴并不斷攪拌.液化完畢后，在50 ℃時添加糖化酶(添加量為0.1%)進行糖化，后冷卻至32 ℃加入已經(jīng)活化的酵母(添加量為0.5%)，然后放入長方形水槽30 ℃恒溫水浴進行酒精發(fā)酵.發(fā)酵結束后取200 mL發(fā)酵料液，加入50 mL蒸餾水然后進行蒸餾，蒸餾出100 mL蒸餾液，用比重計法測定酒精度數(shù)換算并計算出酒率.

1.3.2 添加纖維素酶提高還原糖含量的單因素試驗

玉米中的纖維素多存在于細胞壁中，不僅難以在玉米原料酒精發(fā)酵過程中被降解和利用，還會阻礙淀粉的釋放和利用.纖維素酶作用于玉米淀粉原料時，主要使難降解的纖維素分解成為還原糖，同時打破原料細胞壁的阻礙，協(xié)助提高淀粉向還原糖轉化的轉化率，增加原料發(fā)酵料液中糖含量[8]，從而提高玉米淀粉的利用率和原料出酒率.

在傳統(tǒng)雙酶法的基礎上液化，液化完畢后降溫，然后在50 ℃時按0.1%的添加量添加糖化酶(添加量為0.1%)進行糖化，待糖化結束后冷卻至40 ℃按設計添加量添加纖維素酶，在32 ℃加入酵母(添加量為0.5%)恒溫進行酒精發(fā)酵，發(fā)酵結束后取200 mL發(fā)酵料液，加入50 mL蒸餾水后蒸餾，蒸餾出100 mL蒸餾液，用比重計法測定酒精度數(shù)換算并計算出酒率.

1.3.3 添加果膠酶提高還原糖含量的單因素試驗

果膠多糖是玉米原料細胞壁中的又一抗營養(yǎng)因子，屬于非淀粉多糖，在液化和糖化過程中會增加發(fā)酵料液的黏度，阻礙液化酶和糖化酶與淀粉多糖充分接觸，從而降低原料的糖化率.果膠多糖在傳統(tǒng)雙酶法中不能被降解，通過添加果膠酶，可以降解發(fā)酵料液中的果膠多糖并使其轉化為還原糖為酵母利用，同時有利于打開細胞壁，降低其對液化和糖化過程中酶降解淀粉時的阻礙作用，使發(fā)酵料液中的還原糖含量顯著上升，提高原料的出酒率.

在傳統(tǒng)雙酶法的基礎上液化，液化完畢后降溫，然后在50 ℃時按0.1%的添加量添加糖化酶(添加量為0.1%)進行糖化，糖化結束后冷卻至40 ℃按設計添加量添加果膠酶，在32 ℃加入酵母(添加量為0.5%)恒溫進行酒精發(fā)酵，發(fā)酵結束后取200 mL發(fā)酵料液，加入50 mL蒸餾水后蒸餾，蒸餾出100 mL蒸餾液，用比重計法測定酒精度數(shù)換算并計算出酒率.

1.3.4 添加植酸酶提高出酒率的單因素試驗

磷酸在酵母菌的生長和代謝過程中扮演著重要角色，玉米原料中含有豐富的磷元素，但90%的磷元素都和肌醇結合成為植酸[9]，存于玉米的胚芽中，很難被酵母菌利用.植酸還能與發(fā)酵料液中諸多物質發(fā)生化學反應，形成螯合環(huán)，螯合能力強，降低發(fā)酵料液中蛋白質和金屬離子的有效性，影響酵母菌的繁殖和生長.植酸酶可以分解植酸使其中的磷被釋放出來供酵母菌利用，加快酵母菌對還原糖的吸收和利用，有效提高發(fā)酵效率[10].通過添加植酸酶水解玉米中的植酸，還可以解除植酸對酵母菌利用原料中蛋白質和其他礦物質的阻礙，促進發(fā)酵前期和發(fā)酵中期酵母菌的繁殖生長和發(fā)育，提高酵母菌對還原糖的利用能力，提升發(fā)酵速率.

在傳統(tǒng)雙酶法基礎上進行液化，然后在50 ℃時按0.1%的添加量添加糖化酶(添加量為0.1%)進行糖化，待糖化結束后冷卻至40 ℃按設計添加量添加植酸酶，在32 ℃加入酵母(添加量為0.5%)恒溫進行酒精發(fā)酵，發(fā)酵結束后取200 mL發(fā)酵料液，加入50 mL蒸餾水后蒸餾，蒸餾出100 mL蒸餾液，用比重計法測定酒精度數(shù)換算并計算出酒率.

圖3 單因素試驗流程圖

1.3.5 添加酸性蛋白酶提高出酒率的單因素試驗

在傳統(tǒng)雙酶法基礎上液化，然后在50 ℃時按0.1%的添加量添加糖化酶(添加量為0.1%)糖化，待糖化結束后冷卻至40 ℃按設計添加量添加酸性蛋白酶，32 ℃加入酵母(添加量為0.5%)恒溫進行酒精發(fā)酵，發(fā)酵結束后取200 mL發(fā)酵料液，加入50 mL蒸餾水后蒸餾，蒸餾出100 mL蒸餾液，用比重計法測定酒精度數(shù)換算并計算出酒率.

1.3.6 正交試驗

以前期進行的單因素試驗所得出結果作為設計依據(jù)，復合纖維素酶、果膠酶、植酸酶和酸性蛋白酶四種酶制劑，以他們的添加量作為影響因子設計開展正交試驗，采用L9(34)正交設計表，響應值為原料出酒率，通過正交試驗優(yōu)化復合酶制劑的配比，正交試驗因子水平表如表3.

表3 正交試驗因子水平表

1.4 測定項目和測定方法

酒精度:比重計法，采用酒精計法測定蒸餾出的酒的酒精度;

還原糖含量：DNS比色法(3,5-二硝基水楊酸比色法);

總糖含量:DNS比色法(3,5-二硝基水楊酸比色法);

纖維素含量：植物類食品中粗纖維的測定(國標法：GB/T 5009.10-2003);

速效磷含量:堿溶-鉬銻抗分光光度計法.

圖4 葡萄糖標準曲線

1.5 計算公式

還原糖含量(%)=

金融市場發(fā)展需要金融的科學監(jiān)管，才能保證其健康穩(wěn)定運行。金融市場的變化多端為金融業(yè)的科學監(jiān)管提出了新的課題。在現(xiàn)代市場環(huán)境中，金融監(jiān)管制度與模式多種多樣，包括金融監(jiān)管理念與監(jiān)管思維的形成、金融監(jiān)管機構的設立、各種金融監(jiān)管制度與政策的制定、金融措施和金融監(jiān)管行為的實施等。由于受到各種不斷變化經(jīng)濟環(huán)境的影響，常常導致金融監(jiān)管與金融市場之間的不匹配而使金融市場呈現(xiàn)順周期性，嚴重地阻礙著金融市場的健康發(fā)展。

總糖含量(%)=

原料出酒率(%)=

葡萄糖標準曲線：

線性回歸方程為y=1.0846x-0.0265,其中y是吸光度值(OD值)，x為葡萄糖含量.

2 結果與分析

2.1 不同纖維素酶添加量對發(fā)酵料液還原糖含量的影響

纖維素酶在糖化結束后添加，開展不同纖維素酶添加量的玉米原料酒精發(fā)酵試驗，試驗結果見表4.

表4纖維素酶不同添加量酒精發(fā)酵結果

Table 4Alcohol fermentation results with different amounts of cellulase

酶添加量/(U/g原料)還原糖/%殘還原糖/%出酒率/%028.173.1323.68428.893.0923.97829.832.8824.571230.172.7124.591630.192.6224.602030.192.6224.60

根據(jù)表4可以看出，當添加的纖維素酶小于16 U/g原料時，隨著纖維素酶添加量的提高，還原糖含量逐漸提高而殘還原糖含量逐漸降低，玉米原料出酒率逐漸增加.當纖維素酶的添加量為16 U/g原料，還原糖含量達到最大值30.19%，同時殘還原糖含量下降到最低值2.62%，玉米原料的出酒率達到最高值，為24.60%.當纖維素酶添加量大于16 U/g原料后，發(fā)酵料液的還原糖含量、殘還原糖含量和玉米原料出酒率基本不變.試驗結果表明，玉米原料產酒試驗中，纖維素酶的最適添加量為16 U/g原料.

2.2 不同果膠酶添加量對發(fā)酵料液糖含量的影響

果膠酶在糖化結束后添加，開展不同果膠酶添加量的玉米原料酒精發(fā)酵試驗，試驗結果見表5.

根據(jù)表5可以看出，在果膠酶的添加量小于100 U/g原料之前，隨著果膠酶添加量的提高，還原糖含量逐漸提高而殘還原糖含量逐漸降低，玉米原料出酒率逐漸增加.當果膠酶的添加量為100 U/g原料時，還原糖含量獲得最大值，為29.77%，同時殘還原糖含量下降到最低值2.88%，玉米淀粉的出酒率能夠達到24.83%，為最大值.在果膠酶添加量大于100 U/g原料之后，發(fā)酵料液的還原糖含量、殘還原糖含量和玉米原料出酒率基本不變.試驗結果表明，玉米原料產酒試驗中，果膠酶的最適添加量為100 U/g原料.

2.3 不同植酸酶添加量對出酒率的影響

植酸酶在糖化結束后添加，開展不同植酸酶添加量的玉米原料酒精發(fā)酵試驗，試驗結果見表6.

表5果膠酶不同添加量酒精發(fā)酵結果

Table 5Pectinase different addition amount of alcohol fermentation results

酶添加量/(U/g原料)還原糖/%殘還原糖/%出酒率/%028.174.0623.682528.513.6523.775028.903.0524.527529.522.8924.7910029.772.8824.8312529.772.8824.83

表6 植酸酶不同添加量酒精發(fā)酵結果

根據(jù)表6可以看出，當添加的植酸酶小于9 U/g原料時，隨著植酸酶添加量的提高，還原糖含量逐漸提高而殘還原糖含量逐漸降低，玉米原料出酒率逐漸增加.當植酸酶添加量為9 U/g原料時，有效磷含量和還原糖含量都上升到最高值，分別為3.15%和28.84%，同時殘還原糖含量下降到最低值2.24%，植酸酶的最適添加量為9 U/g原料.

2.4 不同酸性蛋白酶添加量對出酒率的影響

酸性蛋白酶在糖化結束后添加，開展不同酸性蛋白酶添加量的玉米原料酒精發(fā)酵試驗，結果見表7.

表7酸性蛋白酶不同添加量酒精發(fā)酵結果

Table 7Alcohol fermentation results of different amounts of acid protease

酶添加量/(U/g原料)殘還原糖/%殘總糖/%出酒率/%02.684.6523.6842.524.4024.1482.464.1824.74122.223.9224.90162.223.9424.90202.233.9224.89

根據(jù)表7可以看出，在酸性蛋白酶的添加量達到12 U/g原料之前，隨著酸性蛋白酶添加量的提高，殘還原糖含量和殘總糖均逐漸降低，玉米原料出酒率逐漸增加.當酸性蛋白酶添加量達到12 U/g原料，殘還原糖含量和殘總糖含量均達到最低值，分別為2.23%和3.92%，同時玉米原料的出酒率達到最高為24.89%.在酸性蛋白酶添加量高于12 U/g原料后，發(fā)酵料液的殘還原糖含量和殘總糖含量和玉米原料出酒率基本不變.試驗結果表明，酸性蛋白酶的最適添加量為12 U/g原料.

2.5 正交試驗

表8為正交試驗結果及數(shù)據(jù)分析，表9為方差分析.

表8 復合酶制劑正交試驗結果及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表8可以明顯看出，四種酶制劑A(纖維素酶)、B(果膠酶)、C(植酸酶)和D(酸性蛋白酶)對玉米原料產酒的影響程度依次為A>B>D>C,即纖維素酶>果膠酶>酸性蛋白酶>植酸酶，對于因素A、B、C和D對應的最大均值分別為k2、k3、k2和k1，即復合酶制劑的最佳配比為A2B3C2D1，因此玉米原料產酒的復合酶制劑最優(yōu)配比應為纖維素酶12 U/g原料、果膠酶125 U/g原料、植酸酶7 U/g原料和酸性蛋白酶8 U/g原料.以此優(yōu)化的復合酶制劑配比開展3批次驗證試驗，試驗結果表明玉米原料的出酒率提升至28.13%.

表9 正交試驗結果方差分析

由表9可知，纖維素酶、果膠酶、植酸酶、酸性蛋白酶按照不同的配比添加到玉米原料產酒的試驗中對發(fā)酵結果的影響性大小不一，其中纖維素酶和果膠酶對發(fā)酵結果影響極其顯著，酸性蛋白酶則是有顯著影響.

3 結論和討論

單因素試驗的試驗結果表明纖維素酶和果膠酶的最適添加量分別為16 U/g原料和100 U/g原料，而且添加纖維素酶和果膠酶能顯著提高發(fā)酵料液中還原糖的含量，這是由于原料中的纖維素和果膠多糖大部分構成了植物細胞壁，添加了纖維素酶和果膠酶后，不僅促進了細胞壁結構的進一步分解和淀粉的釋放利用，也使得纖維素和果膠多糖降解為可以被酵母利用的還原性糖，提高了原料的還原糖轉化率.

單因素試驗的試驗結果表明植酸酶和酸性蛋白酶的最適添加量分別為9 U/g原料和12 U/g原料.在淀粉類原料產酒發(fā)酵試驗中添加植酸酶和酸性蛋白酶提供了酵母菌生長繁殖過程中必需的磷元素和氮元素，加快發(fā)酵速率，提高玉米淀粉利用率和產酒率.

正交試驗考察了纖維素酶、果膠酶、植酸酶和酸性蛋白酶對玉米原料產酒發(fā)酵的影響，優(yōu)化后的復合酶制劑配比為纖維素酶12 U/g原料、果膠酶125 U/g原料、植酸酶7 U/g原料和酸性蛋白酶8 U/g原料.

復合酶制劑的優(yōu)化配比試驗結果表明纖維素酶和果膠酶對原料出酒率有顯著影響，酸性蛋白酶對原料出酒率有影響.若實際應用中考慮降低成本可以采用纖維素酶12 U/g原料、果膠酶125 U/g原料和酸性蛋白酶8 U/g原料的復合酶制劑配比.