超声波辅助双酶法酶解玉米淀粉的工艺条件优化

孟国良，亓翠英，何超元 (莱芜职业技术学院，山东莱芜271100)

我国是淀粉制糖生产大国，但是我国由淀粉转化为葡萄糖的工业化水平较低，需要寻找提高淀粉转化率的有效途径［1－6］。超声波是频率髙于20 kHz的声波，超声波处理能使生物质高分子的形态结构和超微结构发生明显变化，有利于提高酶的催化活性［7］。目前对超声波辅助液化酶和糖化酶水解淀粉的作用已有研究［8］，但是在试验中仅考察单一因素对于葡萄糖含量的影响，所得到的工艺条件不够科学，说服力不强。

笔者采用正交设计对超声波辅助液化酶和糖化酶水解淀粉进行研究，试验的代表性强，避免了全面试验所带来的复杂性，减少了工作量，所得到的最优工艺条件能够为企业提髙糖收率、降低生产成本提供参考。

1 材料与方法

1．1 材料与仪器

1．1．1 原料及试剂。玉米淀粉，自制;耐高温 α-淀粉酶(100 000 U/ml)，诺维信(中国)生物技术有限公司;糖化酶(100 000 U/ml)，诺维信(中国)生物技术有限公司;其他试剂均为分析纯。

1．1．2 主要仪器。JY92-II DN型超声波细胞粉碎机，宁波新艺超声设备有限公司;HH-A型恒温水浴搅拌器，江苏省金坛市中大仪器厂;UV-1601型紫外可见分光光度计，北京北分瑞利分析仪器有限公司。

1．2 超声波辅助酶解淀粉的正交试验设计

1．2．1 液化过程试验设计。选取淀粉质量浓度、加酶量(耐高温α-淀粉酶)、超声功率、反应时间为主要考察因素，设计正交试验，根据预试验结果，试验因素水平见表1。为减少试验误差，同一条件下的试验重复3次。

表1 液化过程正交试验因素水平

1．2．2 糖化过程试验设计。在上述“1．2．1”液化过程优选工艺的基础上，选取加酶量(葡萄糖淀粉酶)、超声功率、反应时间为主要考察因素，根据预试验结果，设计正交试验，试验因素水平见表2。

表2 糖化过程正交试验因素水平

1．3 玉米淀粉的酶解工艺流程［6］

1．3．1 液化过程超声处理。将淀粉和蒸馏水按一定比例进行混合，然后用0．1 mol/L 的 HCl溶液调 pH 为(5．9 ±0．1)，加入液化酶，于95℃恒温水浴搅拌器中将超声波变幅杆插入淀粉乳液面以下2 cm，磁力搅拌转速70%，超声辅助液化10 min，液化完成后，冷却至60℃，用HCl溶液调pH为2．2，灭酶30 min，测其DE值。

1．3．2 糖化过程超声处理。吸取上述按“1．3．1”方法液化完成后的液化液，用 1 mol/L NaOH 调 pH(4．4±0．1)，加入糖化酶，放入60℃恒温水浴搅拌器中，将超声波变幅杆插入淀粉乳液面以下2 cm，磁力搅拌转速70%，超声辅助糖化一定时间，糖化完成后，冷却，测其DE值。

1．4 DE值测定 参考GB/T 22428．1－2008淀粉水解产品还原力和葡萄糖当量测定。

2 结果与分析

2．1 超声波辅助淀粉酶酶解玉米淀粉的工艺条件优化［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，淀粉浓度、超声波功率对液化液中DE值影响显著。结合表3试验结果可知，淀粉浓度选0．3 g/ml最优，超声波功率选100 W最优，加酶量和反应时间对液化液中DE值影响不显著，3个水平可以任选其一，但考虑到降低生产成本，提高企业效益，加酶量宜选最低水平20 U/g，液化反应时间1 h为宜。综上分析，超声波辅助淀粉酶酶解淀粉的最佳工艺参数为:淀粉质量浓度0．3 g/ml，加酶量20 U/g，超声功率100 W，反应时间1 h。

表3 超声波辅助淀粉酶酶解玉米淀粉正交试验的结果

2．2 超声波辅助糖化酶酶解玉米淀粉的工艺条件优化 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、超声波功率和糖化时间对糖化液中葡萄糖含量影响显著。结合表4试验结果可知，加酶量选50 U/g淀粉最优，超声波功率选100 W最优，糖化反应时间选60 h最优。综上分析，超声波辅助糖化酶酶解淀粉的最佳工艺参数为:加酶量50 U/g淀粉，超声功率100 W，糖化反应时间60 h。

表4 超声波辅助糖化酶酶解玉米淀粉正交试验的结果

3 讨论

在淀粉酶解转化为葡萄糖的过程中，液化液的质量对于糖化液中葡萄糖的转化率起着决定性的作用，为此，在预先试验的基础上，液化过程试验在酶解温度、pH保持不变的条件下，确定了淀粉质量浓度、加酶量、超声功率、反应时间4个因素3个水平的试验方案，并且同一条件下做了3次重复试验，目的是为了确保优选出最高液化DE值下的工艺条件，从而为糖化液中糖转化率的提高奠定坚实的基础。

经优化试验研究后，获得的最佳液化工艺条件如下:淀粉质量浓度0．3 g/ml，加酶量20 U/g淀粉，超声功率100 W，反应时间1 h;获得的最佳糖化工艺条件如下:加酶量50 U/g淀粉，超声功率100 W，糖化反应时间60 h。

预试验表明，酶解活性与超声频率无关，仅与超声功率相关，与相关文献结论一致［10］。玉米淀粉按照优化工艺条件制得的糖浆经验证，DE值达到107%以上，完全符合GB/T20880－2007中的要求。

［1］周治国，徐树来，刘利军．玉米淀粉糖生产新工艺的研究［J］．农机化研究，2012(10):169－225．

［2］郝晓敏，王遂，崔凌飞．α-淀粉酶水解玉米淀粉的研究［J］．食品科学，2006，27(2):141 －143．

［3］林亲录，周丽君，符琼．淀粉转化生产葡萄糖工艺研究进展［J］．食品工业科技，2011(4):412－414．

［4］丁皓，王冠，徐丽，等．α-淀粉酶的应用研究进展［J］．饲料博览，2012(8):12 －14．

［5］李平凡，邱玉美，吴海峰．双酶法生产葡萄糖工艺优化研究［J］．现代食品科技，2008，24(3):262 －264．

［6］李玉芹，袁正求，冯岳，等．α-淀粉酶和糖化酶协同酶解马铃薯淀粉的工艺条件优化［J］．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2011，39(7):148 －152．

［7］石文奇，易长海，甘厚磊，等．超声波对液体α-淀粉酶酶学活性的影响［J］．天津工业大学学报，2012，31(2):43 －46．

［8］王振斌，赵帅，邵淑萍，等．超声波辅助淀粉双酶水解技术及其机理［J］．中国粮油学报，2014，29(5):42 －47．

［9］于胜．玉米淀粉制糖生产工艺与设备的改进分析［J］．应用方法论，2011(21):166－211．

［10］陈小丽，黄卓烈，巫光宏，等．超声波对淀粉酶催化活性的影响［J］．华南农业大学学报，2005，26(1):76 －79．