超聲波輔助雙酶法酶解玉米淀粉的工藝條件優化

孟國良，亓翠英，何超元 (萊蕪職業技術學院，山東萊蕪271100)

我國是淀粉制糖生產大國，但是我國由淀粉轉化為葡萄糖的工業化水平較低，需要尋找提高淀粉轉化率的有效途徑［1－6］。超聲波是頻率髙于20 kHz的聲波，超聲波處理能使生物質高分子的形態結構和超微結構發生明顯變化，有利于提高酶的催化活性［7］。目前對超聲波輔助液化酶和糖化酶水解淀粉的作用已有研究［8］，但是在試驗中僅考察單一因素對于葡萄糖含量的影響，所得到的工藝條件不夠科學，說服力不強。

筆者采用正交設計對超聲波輔助液化酶和糖化酶水解淀粉進行研究，試驗的代表性強，避免了全面試驗所帶來的復雜性，減少了工作量，所得到的最優工藝條件能夠為企業提髙糖收率、降低生產成本提供參考。

1 材料與方法

1．1 材料與儀器

1．1．1 原料及試劑。玉米淀粉，自制;耐高溫 α-淀粉酶(100 000 U/ml)，諾維信(中國)生物技術有限公司;糖化酶(100 000 U/ml)，諾維信(中國)生物技術有限公司;其他試劑均為分析純。

1．1．2 主要儀器。JY92-II DN型超聲波細胞粉碎機，寧波新藝超聲設備有限公司;HH-A型恒溫水浴攪拌器，江蘇省金壇市中大儀器廠;UV-1601型紫外可見分光光度計，北京北分瑞利分析儀器有限公司。

1．2 超聲波輔助酶解淀粉的正交試驗設計

1．2．1 液化過程試驗設計。選取淀粉質量濃度、加酶量(耐高溫α-淀粉酶)、超聲功率、反應時間為主要考察因素，設計正交試驗，根據預試驗結果，試驗因素水平見表1。為減少試驗誤差，同一條件下的試驗重復3次。

表1 液化過程正交試驗因素水平

1．2．2 糖化過程試驗設計。在上述“1．2．1”液化過程優選工藝的基礎上，選取加酶量(葡萄糖淀粉酶)、超聲功率、反應時間為主要考察因素，根據預試驗結果，設計正交試驗，試驗因素水平見表2。

表2 糖化過程正交試驗因素水平

1．3 玉米淀粉的酶解工藝流程［6］

1．3．1 液化過程超聲處理。將淀粉和蒸餾水按一定比例進行混合，然后用0．1 mol/L 的 HCl溶液調 pH 為(5．9 ±0．1)，加入液化酶，于95℃恒溫水浴攪拌器中將超聲波變幅桿插入淀粉乳液面以下2 cm，磁力攪拌轉速70%，超聲輔助液化10 min，液化完成后，冷卻至60℃，用HCl溶液調pH為2．2，滅酶30 min，測其DE值。

1．3．2 糖化過程超聲處理。吸取上述按“1．3．1”方法液化完成后的液化液，用 1 mol/L NaOH 調 pH(4．4±0．1)，加入糖化酶，放入60℃恒溫水浴攪拌器中，將超聲波變幅桿插入淀粉乳液面以下2 cm，磁力攪拌轉速70%，超聲輔助糖化一定時間，糖化完成后，冷卻，測其DE值。

1．4 DE值測定 參考GB/T 22428．1－2008淀粉水解產品還原力和葡萄糖當量測定。

2 結果與分析

2．1 超聲波輔助淀粉酶酶解玉米淀粉的工藝條件優化［9］由方差分析可知，FA=4．367 187 5，FB=0．968 75，FC=3．898 437 5，FD=2．023 437 5，F(0．05)(2，18)=3．55;由此可以看出，淀粉濃度、超聲波功率對液化液中DE值影響顯著。結合表3試驗結果可知，淀粉濃度選0．3 g/ml最優，超聲波功率選100 W最優，加酶量和反應時間對液化液中DE值影響不顯著，3個水平可以任選其一，但考慮到降低生產成本，提高企業效益，加酶量宜選最低水平20 U/g，液化反應時間1 h為宜。綜上分析，超聲波輔助淀粉酶酶解淀粉的最佳工藝參數為:淀粉質量濃度0．3 g/ml，加酶量20 U/g，超聲功率100 W，反應時間1 h。

表3 超聲波輔助淀粉酶酶解玉米淀粉正交試驗的結果

2．2 超聲波輔助糖化酶酶解玉米淀粉的工藝條件優化 由方差分析可知，FA=151，FB=39，FC=43，F0．05(2，2)=19．0，F0．01(2，2)=99．0;由此可看出，加酶量、超聲波功率和糖化時間對糖化液中葡萄糖含量影響顯著。結合表4試驗結果可知，加酶量選50 U/g淀粉最優，超聲波功率選100 W最優，糖化反應時間選60 h最優。綜上分析，超聲波輔助糖化酶酶解淀粉的最佳工藝參數為:加酶量50 U/g淀粉，超聲功率100 W，糖化反應時間60 h。

表4 超聲波輔助糖化酶酶解玉米淀粉正交試驗的結果

3 討論

在淀粉酶解轉化為葡萄糖的過程中，液化液的質量對于糖化液中葡萄糖的轉化率起著決定性的作用，為此，在預先試驗的基礎上，液化過程試驗在酶解溫度、pH保持不變的條件下，確定了淀粉質量濃度、加酶量、超聲功率、反應時間4個因素3個水平的試驗方案，并且同一條件下做了3次重復試驗，目的是為了確保優選出最高液化DE值下的工藝條件，從而為糖化液中糖轉化率的提高奠定堅實的基礎。

經優化試驗研究后，獲得的最佳液化工藝條件如下:淀粉質量濃度0．3 g/ml，加酶量20 U/g淀粉，超聲功率100 W，反應時間1 h;獲得的最佳糖化工藝條件如下:加酶量50 U/g淀粉，超聲功率100 W，糖化反應時間60 h。

預試驗表明，酶解活性與超聲頻率無關，僅與超聲功率相關，與相關文獻結論一致［10］。玉米淀粉按照優化工藝條件制得的糖漿經驗證，DE值達到107%以上，完全符合GB/T20880－2007中的要求。

［1］周治國，徐樹來，劉利軍．玉米淀粉糖生產新工藝的研究［J］．農機化研究，2012(10):169－225．

［2］郝曉敏，王遂，崔凌飛．α-淀粉酶水解玉米淀粉的研究［J］．食品科學，2006，27(2):141 －143．

［3］林親錄，周麗君，符瓊．淀粉轉化生產葡萄糖工藝研究進展［J］．食品工業科技，2011(4):412－414．

［4］丁皓，王冠，徐麗，等．α-淀粉酶的應用研究進展［J］．飼料博覽，2012(8):12 －14．

［5］李平凡，邱玉美，吳海峰．雙酶法生產葡萄糖工藝優化研究［J］．現代食品科技，2008，24(3):262 －264．

［6］李玉芹，袁正求，馮岳，等．α-淀粉酶和糖化酶協同酶解馬鈴薯淀粉的工藝條件優化［J］．西北農林科技大學學報(自然科學版)，2011，39(7):148 －152．

［7］石文奇，易長海，甘厚磊，等．超聲波對液體α-淀粉酶酶學活性的影響［J］．天津工業大學學報，2012，31(2):43 －46．

［8］王振斌，趙帥，邵淑萍，等．超聲波輔助淀粉雙酶水解技術及其機理［J］．中國糧油學報，2014，29(5):42 －47．

［9］于勝．玉米淀粉制糖生產工藝與設備的改進分析［J］．應用方法論，2011(21):166－211．

［10］陳小麗，黃卓烈，巫光宏，等．超聲波對淀粉酶催化活性的影響［J］．華南農業大學學報，2005，26(1):76 －79．