细微玉米粉同步糖化动力学分析

李学英

(新疆轻工职业技术学院,乌鲁木齐 830021)

细微玉米粉同步糖化动力学分析

李学英

(新疆轻工职业技术学院,乌鲁木齐 830021)

采用同步液化糖化法对细微玉米粉进行糖化处理,确定细微玉米粉同步糖化速率模型,考察pH和温度对同步糖化反应速率常数和葡萄糖收率的影响。实验结果表明,细微玉米粉的同步糖化反应为2级反应;pH对反应速率常数和葡萄糖收率具有显著性影响(p<0.05),温度对葡萄糖收率影响不大(p>0.05),对反应速率常数影响显著(p<0.05),在60 ℃、pH6.0条件下,葡萄糖收率最高,达到84.6%,反应速率常数为0.0088(g/L)-1·h-1;在30～70 ℃的温度范围内,糖化速率常数与温度的关系可用Arrhenius方程式表示,其反应活化能为3.3×104J/mol。玉米粉同步糖化动力学模型的建立及其活化能分析将为其在生产上的应用提供很好的指导意义。

细微玉米粉,同步糖化,反应动力学,葡萄糖收率

随着绿色化工的发展,玉米糖液作为制糖、酒精、丁二酸、柠檬酸等有机化工品生产原料的应用越来越广泛。玉米粉的双酶法糖化包括液化和糖化两个阶段,国内外普遍采用85～95 ℃的中温液化和 55～60 ℃糖化法,其存在能耗大,操作繁琐,对设备要求高等缺点[1-2]。上世纪70年代,部分学者在研究纤维素制备乙醇过程中,为了防止糖的积累和产物抑制,提出了同步糖化发酵的概念。该方法一提出便受到了广泛关注[3-4]。王兵[5]在玉米粉进行高温调浆后,将液化、糖化、酒精发酵工艺同步进行,工序减少,即可节约能源,又可缩短整理糖化时间,因此同步糖化是目前发酵工业的新趋势。生淀粉酶可将传统淀粉高温糊化、液化、糖化合并直接进行糖化[6],实现同步糖化,具有良好的前景,但是普遍存在糖化能力弱[7]、发酵技术不成熟[8]、淀粉利用率低等问题[9],致使其迟迟不能工业化生产,目前的研究也局限于高活力淀粉糖化酶菌株的分离和筛选[10-12]。

细微化可使淀粉颗粒结晶结构发生改变,采用球磨机和气流粉碎机对淀粉颗粒进行细微化处理,可以减小粒度,打破结晶结构,从而导致其理化性质的变化,提高酶解反应活性[13]。缪冶炼等[14]对玉米粉进行细微化处理,将双酶法中液化、糖化工序合并进行,利用普通糖化酶,实现了30 ℃温度条件下的同步糖化。此研究仅限于同步糖化可行性分析及其工艺优化,对其反应动力学特征未作深入探讨。本文的研究目的在于确定细微玉米粉同步糖化速率模型,考察pH和温度对细微玉米粉同步糖化反应速率常数和葡萄糖收率的影响,并求出Arrhenius方程式。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

玉米粉 购买于乌鲁木齐苏果超市,安徽燕之访食品有限公司生产,中位径为273.5 μm;中温α-淀粉酶 无锡赛德生物工程有限公司,酶活力 2000 U/mL;糖化酶 无锡赛德生物工程有限公司,酶活力100000 U/mL。

XQM-4L行星式球磨机 南京科析实验仪器研究所;HH-6水浴锅 国华电器有限公司;JB200-D型电动搅拌机 上海全简机电有限公司;SBA型葡萄糖传感分析仪 山东省科学院生物研究所。

1.2 实验方法

1.2.1 细微玉米粉的制备 细微玉米粉是采用行星式球磨机对市售玉米粉湿法粉碎3 h制备而成,粉碎过程中料液比为1∶3,细微玉米粉中位径为13.3 μm。

1.2.2 同步糖化实验设计 采用干燥失重法(GBGB/T 5009.3-2003)测定细微玉米粉的水分含量,称取干物质量为60 g的细微玉米粉于1000 mL三口烧瓶中,加入适量的去离子水,调制浓度为10%的料液;用5% H2SO4溶液和1% NaOH溶液调整料液的pH为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0;向料液中加入中温α-淀粉酶和糖化酶,酶用量以料液中的干物质量为基准,分别设定在10 U/g和200 U/g;将三口烧瓶装于电动搅拌机上,并置于温度分别为30、40、50、60 ℃的水浴锅中,持续均匀搅拌料液。按一定时间间隔取料液3 mL,离心,取上清液0.5 mL,稀释200倍后,用葡萄糖传感分析仪测定葡萄糖浓度,并计算葡萄糖收率。

1.2.3 葡萄糖收率的计算 根据各料液中的葡萄糖浓度,计算细微玉米粉的葡萄糖收率,公式为式(1):

式(1)

其中C为料液中葡萄糖浓度(mg/mL),V为料液总体积(mL),m为玉米粉干物总量(g)。

1.3 数据处理

应用DPS软件对实验数据进行统计分析,分析方法采用单因素方差分析中的Duncan法,显著性水平设为0.05。制图通过Excel 2010完成,数据为算术平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 同步糖化速率模型

采用尝试法确定淀粉的同步双酶法糖化反应的反应级数,尝试法确定其不适合一级反应速率模型,则假设淀粉的同步糖化反应为2级反应,则糖化过程中Cs与反应时间t的关系可用式(2)表示[15]:

式(2)

对式(1)进行定积分可得式(3):

式(3)

其中Cs为反应过程中底物淀粉浓度(g/L);C(s,t)为在t时刻底物淀粉浓度(g/L);C(s,0)为反应初始时底物淀粉浓度(g/L);k为反应速率常数[(g/L)-1·h-1],浓度一定时,k值愈大,反应速率愈快;t为时间(h)[16]。

图1 细微玉米粉同步液化糖化中与时间的关系Fig.1 Relationship ) and time in the SILS of micornized corn flour

2.2 pH对同步糖化速率的影响

细微玉米粉在60 ℃的温度条件下,pH分别为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0的条件下同步双酶法糖化,其葡萄糖收率的变化如图2所示。

图2 细微玉米粉同步糖化中pH对葡萄糖收率的影响Fig.2 Effect of pH on glucose yield in the SILS of micornized corn flour

各料液在糖化24 h后,在pH6.0时,葡萄糖收率最高,达到84.6%。这是由于液化酶的作用pH为5.0～7.0,糖化酶的作用pH是2.5～6.5,液化酶和糖化酶共同作用的pH为5.0～6.5[14]。

pH对同步糖化反应过程中速率常数的影响,如图3所示。pH在6.0时其反应速率常数最大为0.0088(g/L)-1·h-1,与同步糖化葡萄糖收率的结果相一致。

图3 细微玉米粉同步糖化反应中pH对反应速率常数的影响Fig.3 Effect of pH on rate constant in the SILS of micornized corn flour

2.3 温度对同步糖化速率的影响

在糖化pH为6.0,温度分别为30、40、50、60、70 ℃的条件下,葡萄糖收率的变化如图4所示。糖化开始后,葡萄糖收率上升迅速,温度越高,葡萄糖收率上升越快。随着糖化的进行,葡萄糖收率上升速度减慢,在30 ℃条件下,糖化20 h以后,葡萄糖收率达到平衡,在其他温度条件下,糖化5 h后,葡萄糖收率基本不变。

图4 细微玉米粉同步液化糖化中温度对葡萄糖收率的变化Fig.4 Effect of temperature on glucose yield in the SILS of micornized corn flour

糖化24 h后,在30、40、50、60、70 ℃温度条件下同步双酶法糖化,其葡萄糖收率分别为79.2%、79.2%、82.4%、84.6%、81.2%,糖化反应速率常数分别为0.0022、0.0053、0.0071、0.0088、0.0099(g/L)-1·h-1。由此可见,温度升高,葡萄糖收率增幅不大,而反应速度显著性增加(p<0.05)。细微玉米粉糖化温度由30 ℃升至60 ℃,葡萄糖收率由79.2%增至84.6%,达到最高,糖化反应速率显著性增加(p<0.05),由0.0022(g/L)-1·h-1增至0.0088(g/L)-1·h-1。

各料液在糖化24 h后,在70 ℃时,葡萄糖收率下降,为81.6%。这是由于糖化酶的最适作用温度为40～60 ℃,当糖化温度为70 ℃,超过其最适作用温度,酶活随温度升高而急剧下降[14]。

式(4)

可以求得,细微玉米粉在30～70 ℃温度范围内同步糖化的Arrhenius方程

式(5)

图5 细微玉米粉同步糖化的Arrhenius图Fig.5 Arrhenius plot for the SILS of micornized corn flour

细微玉米粉的同步糖化反应活化能为3.3×104J/mol,通常认为酶反应的活化能为4×104～40×104J/mol[17]。据报道市售玉米粉糖化反应活化能4.63×104J/mol[14],说明通过微粉碎后可以有效降低玉米粉糖化反应活化能,使糖化反应更易进行。

3 结论

采用二级反应速率模型对细微玉米粉同步液化糖化反应进行动力学分析,探讨了温度和pH对糖化速率和葡萄糖收率的影响,得到如下结论。

细微玉米粉的同步糖化反应符合2级反应速率模型,在30 ℃、pH为6.0条件下同步糖化反应速率常数为0.0022(g/L)-1·h-1,葡萄糖收率为79.2%。

pH对反应速率常数和葡萄糖收率具有显著性影响,而温度对葡萄糖收率影响不大,对反应速率常数呈显著性影响,在60 ℃、pH6.0条件下,葡萄糖收率最高,达到84.6%,反应速率常数为0.0088(g/L)-1·h-1。

在温度为30～70 ℃的温度范围内,糖化速率常数与温度的关系可用Arrhenius方程式表示,其反应活化能为3.3×104J/mol。

[1]郝向英. 马铃薯淀粉的催化水解动力学[J]. 内蒙古农业科技,1999,(5):18-19.

[2]钟坤,谭德冠,孙雪飘,等.木薯淀粉生料发酵生产酒精研究[J]. 中国农学通报,2014,30(6):119-123.

[3]Kimura A,Robyt JF. Reaction of enzymes with starch granules:kinetics and products of the reaction with glucoamylase[J]. CarbohydrRes,1995(277):87-107.

[4]杨敏,杨继涛,虎玉森,等. 马铃薯渣生料发酵同步糖化发酵生产乙醇工艺研究[J]. 中国酿造,2013,32(2):106-109.

[5]王兵,王蔚新.玉米粉醪液同步糖化发酵工艺研究[J]. 园艺和种苗,2012,71(4):62-63.

[6]肖长清,戚天胜，赵海.生淀粉糖化酶产生菌Aspergillus niger(6#)的分离筛选及其产酶条件[J].应用与环境生物学报,2006,12(1):76-79.

[7]Nakamura T,Ogata Y,Hamada S,et al. Ethanol production from Jerusalem artichoke tubers by Arpergillus niger and Saccharomyces cerevisiae.J[J].Fement Bioeng,1996,81:564-566.

[8]葛向阳,王丽森,张伟国. 利用根霉和酿酒酵母转化生玉米粉为高浓度酒精[J].微生物学通报,2007,34(2):261-264.

[9]Nakamura T,Ogata Y,Hamada S,et al. Ethanol production from Jerusalem artichoke tubers by Arpergillus niger and Saccharomyces cerevisiae.J[J].Fement Bioeng,1996,81:564-566.

[10]吴琴燕,杨敬辉,潘以楼,等.微粉碎甘薯原料的生料发酵[J].中国粮油学报,2010,25(2):50-53.

[11]孙子羽,迟乃玉,王宇，等. 低温生淀粉糖化酶菌株RS01分离及其酶学性质[J].微生物学通报,2010,37(6):798-802.

[12]Li Sen Wang，Xiang Yang Ge，Wei guo Zhang. Improvement of ethanol yield from raw corn flour by Rhizopus sp[J]. World J Microbiol Biotechnol,2007(23):461-465.

[13]吴俊,李斌,苏喜生，等.玉米淀粉的粒度效应与其微观形貌和性能关系研究[J].中国粮油学报,2004,19(5):23-26.

[14]缪冶炼,吴琴燕,姜岷,等. 细微玉米粉的低温酶解[J].中国农业工程学报,2007,23(9):220-224.

[15]张龙翔,张庭芳,李令媛. 生化实验方法和技术[M]. 北京:高等教育出版社,2001.

[16]许越.化学反应动力学[M].北京:化学工业出版社.2004.

[17]韩丙军,陈丽霞,黄华平,等.素 A 降解动力学研究[J].热带作物学报,2008,29(1):97-10.

Study on the kinetics of simultaneous liquefaction and saccharification with micronized corn flours

LI Xue-ying

(Xinjiang Institute of Light Industry Technology,Urumqi 830021,China)

In order to establish the rate model of simultaneous liquefaction and saccharification(SILS),simultaneous enzymatic hydrolysis of the micronized corn flour samples were carried out using commercially available a-amylase and glucoamylase,and effect of pH and temperature on rate constant and glucose yield were studied. Experimental results showed that the kinetics of SILS accorded with the character of the two order reaction. Both the glucose yield and reaction rate constant were affected significantly by the pH of feed mixture(p<0.05).The effect of SILS temperature on the glucose yield was not significant(p>0.05),but it had significant effect on the reaction rate constant(p<0.05). Under the condition of temperature at 60 ℃ and pH at 6.0,the highest glucose yield reached 84.6% and the reaction rate constant was 0.0088(g/L)-1·h-1. In the temperature range of 30～70 ℃,the relationship between reaction rate constant and temperature could be expressed by Arrhenius equation. The activation energy was 3.3×104J·mol-1for the SILS of micronized corn flours. The study on the Kinetics and activation energy of SILS could provide a good guiding significance for application in production.

micronized corn flour;simultaneous liquefaction and saccharification;reaction kinetics;glucose yield

2015-01-23

李学英(1963-), 女, 本科，副教授,研究方向： 农产品深加工，E-mail:64816324@qq.com。

TS245.4

A

1002-0306(2015)21-0115-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.015