小麥B淀粉的糖化工藝

張軍合，饒平凡，王星麗，胡蕊薪

（河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003）

小麥B淀粉的糖化工藝

張軍合，饒平凡，王星麗，胡蕊薪

（河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003）

以谷朊粉生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物B淀粉為原料，通過測定反應(yīng)液DE值得變化，分析糖化時(shí)間、糖化酶添加量、普魯蘭酶添加量以及糖化酶和普魯蘭酶協(xié)同作用對糖化過程的影響規(guī)律，找出最佳糖化工藝，為B淀粉的進(jìn)一步發(fā)酵利用奠定基礎(chǔ)。結(jié)果顯示：反應(yīng)時(shí)間為120min，糖化酶和普魯蘭酶協(xié)同作用添加量為25 U/g（以B淀粉干基計(jì)），DE值達(dá)到93.8%。

B淀粉；糖化；DE值

B淀粉作為谷朊粉生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，因其含有戊聚糖、粗脂肪等而呈現(xiàn)出色澤比較暗，含雜質(zhì)多，粘性大，難以分離等特點(diǎn)，如果直接作為飼料，其含有的非淀粉多糖不能被內(nèi)源消化酶分解，不利于被單胃動(dòng)物吸收，直接排放又會(huì)造成環(huán)境污染。B淀粉中最主要的成分是，其數(shù)量可達(dá)原料面粉總量的10%～20%或者整個(gè)淀粉含量的35%左右[1]，關(guān)于B淀粉的綜合利用已經(jīng)有過一些報(bào)道，但到目前為止仍未有比較合理的方法。因此，隨著谷朊粉生產(chǎn)的迅速增加，開發(fā)其下腳料B淀粉漿的有效利用已成為刻不容緩的問題[2]。

由于小麥B淀粉顆粒小不易處理，排到環(huán)境中會(huì)造成環(huán)境污染，利用起來又比較困難，以B淀粉漿為原料直接發(fā)酵利用是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

對B淀粉糖化條件和普魯蘭酶協(xié)同作用進(jìn)行了分析，研究糖化過程中各DE值的變化規(guī)律，為B淀粉的后續(xù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

中鶴集團(tuán)三相臥螺法生產(chǎn)谷朊粉的B淀粉漿。水分含量由參考文獻(xiàn)[3]所示方法測定。將小麥B淀粉從冰箱中拿出，化凍后攪拌均勻，取一定量于培養(yǎng)皿上并記錄數(shù)據(jù)，放入干燥箱中，40℃干燥30min，105℃干燥，直至質(zhì)量相差小于0.002，得出B淀粉含量。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)試劑

氫氧化鈉、3，5-二硝基水楊酸：天津市德恩化學(xué)試劑有限公司；酒石酸鈉鉀、亞硫酸鈉：天津市博迪化工股份有限公司；葡萄糖、鹽酸、氯化鉀：天津市科密歐化學(xué)試劑廠；α-耐高溫淀粉酶（酶活2萬U/m L）：鄭州市福源生物科技有限公司；糖化酶（酶活5萬U/g）：內(nèi)蒙古赤峰蒙嬌生化有限公司；普魯蘭酶（酶活2 000U/ mL）：濟(jì)寧和美生物工程有限公司。

表1 原漿中干物質(zhì)含量Table1 Content of starch B in raw material

1.3 主要實(shí)驗(yàn)儀器

LT 502型電子天平：常熟市天量責(zé)任有限公司；722N型可見分光光度計(jì)：精科（上海）儀器有限公司；HH-4型恒溫水浴鍋：江蘇金壇市中大儀器廠；電冰箱：中國海爾集團(tuán)；濾紙：杭州特種紙業(yè)有限公司；pH計(jì)：上海盛磁儀器有限公司；電磁爐：中國美的；干燥箱：浙江余姚儀器有限公司。

1.4 B淀粉糖化工藝流程

1.5 DE值的測定

采用DNS法[4]。

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=7.108 6x-0.096 5，式中：x為葡萄糖濃度，（mg/mL）；y為OD值。

式中：C為標(biāo)準(zhǔn)曲線求得的還原糖濃度，（mg/mL）；V為稀釋后體積，m L；w為B淀粉含量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 糖化酶作用條件分析

影響B(tài)淀粉糖化的因素有很多本實(shí)驗(yàn)主要從時(shí)間加酶量兩個(gè)因素考慮，討論糖化酶的最適條件。2.1.1 時(shí)間對糖化DE值的影響

將液化后的料液降到60℃之下，調(diào)料液pH為4.0～4.5，加入25U/g（以干基計(jì)）普通糖化酶，在60℃水浴中分別保溫30、60、90、120、150、180min，取出后測定糖化液的DE值見圖1。

圖1 時(shí)間對糖化DE值的影響Fig.1 Effect of reaction time on saccharification

圖1中，30min～120min時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，底物被降解的速率較大，DE值增加顯著，120min后，糖化速率減慢，DE值趨于平穩(wěn)，因此，將響應(yīng)面中的時(shí)間定為60min～120min。

2.1.2 加酶量對糖化DE值的影響

將液化后的料液降到60℃之下，調(diào)料液pH為4.0～4.5，在60℃水浴中保溫120min，分別加入15、20、25、30、35、40 U/g（以干基計(jì)）普通糖化酶，取出后測定糖化液的DE值見圖2。

圖2 加酶量對糖化DE值的影響Fig.2 Effect of enzyme amount on saccharification

由圖2可知：加酶量為15U/g（以干基計(jì)）～25U/g（以干基計(jì)）時(shí)，由于酶量的增加，加快了底物的降解，DE值遞增；25 U/g后，DE值保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，這是因?yàn)榈孜镆驯伙柡停词乖黾用柑砑恿浚磻?yīng)速率也不會(huì)增大，DE值也不會(huì)增加。因此，將響應(yīng)面中的反應(yīng)時(shí)間定為15U/g（以干基計(jì)）～25U/g（以干基計(jì)）。

2.1.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

選擇時(shí)間、加酶量2個(gè)因素，使用設(shè)計(jì)專家軟件6.0（Design2Expert Software 6.0）做二因素三水平共13個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（5個(gè)中心點(diǎn)）的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。這13個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)可分為兩類：其一是析因點(diǎn)，自變量取值在各因素所構(gòu)成的三維頂點(diǎn)，共有8個(gè)析因點(diǎn)；其二是零點(diǎn)，為區(qū)域的中心點(diǎn)，零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，用以估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。液化液的DE為響應(yīng)值（指標(biāo)值）。表2為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表，表3為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table2 Factors and levels of response surface

Design-Expert Software6.0對表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后推薦使用“Quadratic”（二次方程式）的數(shù)學(xué)模型。表4為方差分析表，糖化液DE值的數(shù)學(xué)模型如下

式中：A為時(shí)間；B為加酶量。

從方差分析表可知在本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的區(qū)域范圍內(nèi)（見表4），時(shí)間、加酶量（它們的“Pro＞F”值分別為＜0.000 1、＜0.000 1）對糖化化液的DE值影響顯著。

表4 方差分析表Table4 Variance analysis

使用Design-Expert Software6.0軟件優(yōu)化得到的最佳液化工藝條件為加酶量25U/g（以干基計(jì)）、時(shí)間120min，理論液化DE值為40.837 2%（實(shí)現(xiàn)可能性100%）。表5是對最佳工藝條件的驗(yàn)證。

表5 最佳工藝條件驗(yàn)證Table5 Proof of optimal condition

由表5可見實(shí)際的平均提取率與理論提取率極為接近。

2.2 普魯蘭酶作用效果的結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)主要從時(shí)間加酶量兩個(gè)因素來考慮普魯蘭酶對糖化DE值的影響，討論最適糖化條件。

2.2.1 時(shí)間對糖化DE值的影響

將液化后的料液降到60℃之下，調(diào)料液pH為4.0～4.5，加入25U/g（以干基計(jì)）普魯蘭酶，在60℃水浴中分別保溫30、60、90、120、150、180min，取出后測定糖化液的DE值見圖3。

圖3時(shí)間對糖化DE值的影響Fig.3 Effect of reaction time on saccharification

圖3顯示：30min～120min時(shí)，DE值隨著反應(yīng)時(shí)間的延長增加的比較快，料液被降解的比較快，120min后，料液被分解速度減慢，DE值穩(wěn)定在一個(gè)水平。由圖3將響應(yīng)面中時(shí)間定為60min～120min。

2.2.2 加酶量對糖化DE值的影響

將液化后的料液降到60℃之下，調(diào)料液pH為4.0～4.5，在60℃水浴中保溫120min，分別加入15、20、25、30、35、40 U/g（以干基計(jì)）普通糖化酶，取出后測定糖化液的DE值近岸圖4。

由圖4可知：加酶量為15U/g（以干基計(jì)）～25U/g（以干基計(jì)）時(shí)，由于酶量的增加，加快了底物的降解，DE值遞增；25 U/g后，DE值保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，這是因?yàn)榈孜镆驯伙柡停词乖黾用柑砑恿浚磻?yīng)速率也不會(huì)增大，DE值也不會(huì)增加。因此，將響應(yīng)面中的反應(yīng)時(shí)間定為15U/g（以干基計(jì)）～25U/g（以干基計(jì)）。

圖4加酶量對糖化DE值的影響Fig.4 Effect of enzyme amount on saccharification

2.2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

選擇時(shí)間、加酶量2個(gè)因素，使用設(shè)計(jì)專家軟件6.0（Design2Expert Software 6.0）做二因素三水平共13個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（5個(gè)中心點(diǎn)）的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)。表6為響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平表。

表6響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 6 Facrors and levels of response surface

表7 響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table7 Results of response surface

Design-Expert Software6.0對表7中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后推薦使用“Quadratic”（二次方程式）的數(shù)學(xué)模型。表8為方差分析表，糖化液DE值的數(shù)學(xué)模型如下：DE=48.15+4.30A+4.79B+6.08AB

式中：A為時(shí)間，B為加酶量。

從方差分析表可知在本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的區(qū)域范圍內(nèi)（見表9），時(shí)間、加酶量、時(shí)間與加酶量的交互作用（它們的“Pro＞F”值分別為＜0.000 1、＜0.000 1、＜0.000 1）對糖化化液的DE值影響顯著。

表9方差分析表Table9 Variance analysis

使用Design-Expert Software6.0軟件優(yōu)化得到的最佳液化工藝條件為加酶量25U/g（以干基計(jì)）、時(shí)間120min，理論液化DE值為63.312 5%（實(shí)現(xiàn)可能性100%）。表10是對最佳工藝條件的驗(yàn)證。

表10 最佳工藝條件驗(yàn)證Table 10 Proof of optimal condition

由表10可見實(shí)際的平均提取率與理論提取率極為接近。

響應(yīng)面兩種因素得出一個(gè)立體圖形，能清晰看出時(shí)間、加酶量之間的關(guān)系見圖5。

圖5 時(shí)間與加酶量共同對糖化DE值的影響Fig.5 Effect of enzyme amount and time on saccharification

2.3 糖化酶與普魯蘭酶協(xié)同作用

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)對糖化過程進(jìn)行研究，探究整個(gè)過程糖化酶與普魯蘭酶的協(xié)同作用對糖化的影響。加糖化酶25U/g（以干基計(jì)）普魯蘭酶25U/g（以干基計(jì)）在60℃水浴鍋中分別加熱30、60、90、120、150、180min，結(jié)果見圖6。

由圖6可知在150min時(shí)糖化DE值達(dá)到最大93.8%，遠(yuǎn)大于糖化酶與普魯蘭酶的單獨(dú)作用，使糖化更為完全。

圖6 糖化酶與普魯蘭酶協(xié)同作用對糖化DE值的影響Fig.6 Effect of Cooperation of of saccharification enzyme and pullulan enzyme on saccharification

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)研究了反應(yīng)時(shí)間、加酶量對反應(yīng)液糖化DE值的影響，結(jié)果顯示：在120min內(nèi)隨著反應(yīng)時(shí)間增加的DE值逐漸增加，然后穩(wěn)定在一個(gè)水平：隨著加酶量的增加，反應(yīng)液糖化程度增大，當(dāng)加酶量增加到25U/g后，反應(yīng)液的DE值穩(wěn)定在一個(gè)水平。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了響應(yīng)面試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果得到了最優(yōu)的糖化（包括加糖化酶與普魯蘭酶兩種情況）工藝條件為：反應(yīng)時(shí)間為120min，加酶量為25U/g小麥B淀粉（以干基計(jì)）。

在糖化過程中同時(shí)加糖化酶與普魯蘭酶，DE值達(dá)到93.8%，同時(shí)縮短糖化時(shí)間，提高效率。

[1]吳加根.谷物與大豆食品工藝學(xué) [M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2005

[2] 金樹人,黃繼紅.中國小麥淀粉生產(chǎn)發(fā)展與前景[J].廣西輕工業(yè), 2005(4):14-15

[3] 柯惠玲,李慶龍.谷物品質(zhì)分析[M].武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社, 2008

[4]劉俊紅.生物乙醇原料——艾蒿纖維素降解優(yōu)化工藝研究[J].中國釀造,2011(10):58-61

Saccharification Technology Research of Wheat Starch B

ZHANG Jun-he，RAO Ping-fan，WANG Xing-li，HU Rui-xin
（Food College，Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，Henan，China）

Taking starch B，by-product of gluten production，as raw material，this paper analyzed effects of time，amount of saccharification enzyme，cooperation of saccharification enzyme and pullulan enzyme on saccharification.By measuring the change of DE value after the reaction liquid，find out the optimal reaction conditions，laying foundation for the further fermentation.Results showed that in the process of saccharification，DE increased first，then remain relatively stable，the optimum conditions of saccharification were as followed. DE value came to 93.8%with saccharification enzyme amount of 25 U/g（dry basis）by cooperation of pullulan enzyme and reaction time of120min.

starch B；saccharification；DE value

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.01.018

2014-08-26

新鄉(xiāng)市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（編號：ZG14029）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（編號：14A550013）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號：201310467051）

張軍合（1972—），男（漢），副教授，博士，研究方向：淀粉科學(xué)與工藝。