超高濃度液糖化的應用研究

李 義 ，彭 輝 ，白挨璽 ，陶 進 ，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，經過液化、糖化等生產工藝，獲得的大宗產品，包括葡萄糖、麥芽糖、果糖等一系列產品。與日常生活密切相關，在國民經濟中有重要地位[1]。2017年根據中國淀粉工業協會報表企業統計，我國淀粉糖總產量達1 178×104t[2]，如果再加上800×104t左右的氨基酸、有機酸等行業用糖，是名副其實的淀粉糖生產和使用大國。

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型淀粉酶熱穩定性較好，而S型淀粉酶熱穩定性一般，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，控制反應溫度、反應時間，最終生產葡萄糖糖漿的過程[5]。常規糖化工藝均是采用糖化酶與普魯蘭酶復配的酶制劑共同作用生產葡萄糖[6]。商業化的糖化酶是由黑曲霉發酵得來，在發酵過程中黑曲霉也會表達少量的蛋白酶、淀粉酶和α-葡萄糖苷酶（也稱轉苷酶）等[7]。其中，α-葡萄糖苷酶對糖化酶的品質影響最大，它會催化葡萄糖基轉移到另一個葡萄糖或麥芽糖等上，轉苷位點多在6-OH上，生成異麥芽糖、潘糖等[8]。

在傳統的淀粉制糖工藝中，一般采用25%～35%底物含量的淀粉漿底物進行液化。由于漿料濃度稀，導致下游工藝糖液濃縮過程中不得不蒸發大量的水，耗費大量的能源，導致生產成本增高[9]。目前大部分企業意識到高濃度淀粉漿制糖的優勢，逐漸開始對淀粉糖液化、糖化工藝進行優化，但高濃度液化、糖化工藝中依舊面臨諸多挑戰。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，故不具備可實際操作性；S型高溫淀粉酶盡管降黏快，但是熱穩定性差，醪液不能充分液化，二者均難以達到理想的液化效果。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苷酶活力，否則會產生較多的異麥芽糖、潘糖等，影響最終糖漿的葡萄糖值，即DX值[10-11]。

試驗在超高濃度液化中（底物濃度42%） 通過調整淀粉酶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界盼望已久的可實際操作性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗原料與試劑

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。葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、麥芽四糖，均為色譜純。

1.1.2 試驗酶制劑

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

1.2 儀器與設備

島津高效液相色譜儀LC20系列；流變儀，HAAKETMViscotesterTMiQ Air；阿貝折射儀，海能儀器公司產品；數顯恒溫水浴鍋，上海精宏實驗設備有限公司產品；ELTA320精密pH計、ME204E型電子分析天平，德國梅特勒-托利多公司產品；循環油浴鍋，優萊博技術（北京）有限公司產品。

1.3 試驗與分析方法

1.3.1 液化試驗方法

配置42%的新鮮玉米淀粉料液，使用1 mol/L HCl調節pH值至5.6。稱取20 g上述料液于反應釜中，加入高溫淀粉酶15 U/g DS，混勻后放置通過油浴鍋中進行110℃噴射，維持時間15 min。將噴射結束后的料液置于95℃水浴鍋中，維持120 min。最后將液化結束后的樣品檢測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調節pH值至5.6。稱取30 g上述料液于流變儀的內杯中，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，測量轉子型號為FL26 2B/SS。測量程序為Rot旋轉時間掃描。

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

配置底物質量分數42%的糖化液，使用濃度為1 mol/L HCl調節pH值至4.3。稱取50 g上述料液于200 mL藍蓋瓶中，加入復合糖化酶50 U/g DS（以糖化酶酶活計），混勻后放置搖床中反應，條件是溫度60℃，時間48 h。糖化結束后的樣品進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[12]。

1.3.5 高效液相色譜分析方法

分析方法參照文獻[13]。

1.3.6 糖化OD檢測方法

分析方法參照文獻[14]。

2 結果與分析

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用對比

在底物質量分數為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的復合高溫淀粉酶。

DE值結果見表2。

表2 DE值結果

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于L型淀粉酶。綜合考慮液化結果與黏度曲線，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用對比

為了考查L型與S型淀粉酶酶活比例為1∶20的復合淀粉酶與市面常見的百斯杰淀粉酶SuperLIQ的對比效果。在底物質量分數為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值結果見表4。

表4 DE值結果

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。與內標桿淀粉酶相比，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，故該比例下復合淀粉酶在高濃液化中有良好的應用效果。

2.3 不同復合糖化酶在底物濃度42%上糖化應用對比

在液化醪中加入50 U/g DS百斯杰糖化酶HighDEX Ultra復合糖化酶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遠低于普通糖化酶；并且隨著糖化酶比例降低，普魯蘭酶比例的增高，呈現出四糖及以上的高糖進一步降低，DP2含量進一步降低，DX值持續增高的趨勢；在糖化酶與普魯蘭酶的比例達到40∶1即可達到較好的糖化效果，DX值已經超過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，反應體系中糊精已經基本被水解。

3 結論

在傳統的淀粉制糖工藝中，一般采用25%～35%底物含量的淀粉漿底物進行液化，而實際上典型的玉米濕磨工藝的淀粉漿質量分數在40%左右，在傳統淀粉糖工藝中不得不先稀釋后液化；在一些發酵行業中，補糖的糖液質量分數通常需要為40%以上；在果糖生產中，配料起始質量分數為35%左右，需要濃縮到42%左右進行異構化[15-16]。研究在超高濃液化中，通過調整淀粉酶L型和S型比例，使得42%的超高質量分數液化醪液黏度大幅降低50%，泵送醪液可行；調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；從而使得超高質量分數液糖化具備了工業界盼望已久的可實際操作性。

眾所周知，隨著配料質量分數增高，淀粉顆粒的膨脹系數遞減，10%的粉漿膨脹系數為15，粉漿質量分數從10%增加到45%，膨脹系數降低70%左右，粉漿質量分數50%～60%的膨脹系數非常低，僅2～3，過低的膨脹系數會導致糊化不徹底[17]，裹挾淀粉的蛋白質、脂質體、非淀粉類多糖成分甚至少量淀粉的晶狀結構本身不能被有效破壞，從而液化不完全；超高質量分數液糖化的另一個挑戰來自底物和酶的擴散，隨著粉漿質量分數的增加，水分子的遷移率隨之降低，淀粉增加質量分數從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，而酶促反應的速率與高黏度水溶液中的擴散密切相關，反應系統中水分子的相對低的遷移率會阻礙擴散，淀粉濃度的增加會降低酶和底物的有效結合，這不僅會對α-淀粉酶催化的淀粉液化產生負面影響，也會對糖化酶和普魯蘭酶的糖化產生負面影響。除此之外，隨著底物質量分數的提高，醪液的泵送、攪拌等動力消耗會大幅增加；糖化結束后的過濾難度無疑也會大幅增加；應對這些挑戰需要更多、更深入的研究，如源頭管控玉米籽粒的品質；在淀粉濕磨過程中添加酶制劑以期改善淀粉乳的品質；進一步提升液化酶、糖化酶的質量；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商和工業界的通力合作，協同解決。