细微玉米粉的生料发酵

李学英，谢俊彪，毛继荣，葛亮（新疆轻工职业技术学院，新疆乌鲁木齐830021）

细微玉米粉的生料发酵

李学英，谢俊彪，毛继荣，葛亮
（新疆轻工职业技术学院，新疆乌鲁木齐830021）

通过湿法球磨对玉米粉进行细微化处理，采用市售糖化酶和酵母菌进行生料发酵，调查细微化对玉米粉结晶结构及生料发酵的影响。结果发现，中位径为273.6μm的市售玉米粉经过湿磨球磨后，中位径达到8.3 μm。X-射线衍射分析表明，玉米粉中淀粉颗粒在细微化处理后转变为非晶态。细微玉米粉生料发酵的速率和酒精度均显著高于市售玉米粉；初始pH和料液浓度对细微玉米粉生料发酵具有显著性影响，发酵初始pH为6，料液浓度为20%时，发酵效果最好，酒精度达11.2%，残糖含量最低。由此可见，细微化可使玉米粉颗粒非晶态化，促进玉米粉的生料发酵。

玉米粉；细微化；发酵；酒精度

随着石油资源的日益枯竭和环境保护的迫切需要，目前燃料酒精的生产以淀粉质原料为主［1］。我国玉米产量高，可作为生产燃料酒精的主要原料［2］。目前，高温高压蒸煮法是酒精生产的主要方法，其能耗大是制约酒精工业发展的主要因素［3］。随着生淀粉糖化酶的出现，集蒸煮、糖化和发酵于一体的生料发酵技术，由于大大降低酒精发酵的能耗而引起人们的关注，但生料发酵中存在生淀粉糖化酶价格昂贵，用量大，且糖化能力弱［4］，发酵周期长［5］等问题，致使其迟迟不能工业化生产。目前的研究也局限于产高活力生淀粉糖化酶菌种的分离和筛选［6-7］。

玉米粉除其主要成分淀粉外，还含有蛋白质、果胶、纤维等，在结构上，淀粉以颗粒的形式存在于植物细胞玉米粉原料中，淀粉颗粒被蛋白、纤维、果胶等组成的植物细胞壁包裹［8-9］，因此为了促进淀粉颗粒的水解，必须首先破坏其保护层。淀粉是由葡萄糖组成的高分子化合物，以半晶质颗粒的形式存在。颗粒中存在结晶区域和非结晶区域［10］，淀粉颗粒的结晶区域对酶的作用具有很强的抵抗力［11-12］。

机械破碎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机械力作用，可以减小粒度，打破结晶结构［13］，从而导致其理化性质的变化，提高酶解反应活性，缪冶炼［14］等通过湿法球磨实现了低温酶解。本文的主要研究目的为，（1）阐明细微化对玉米粉结晶结构的破坏作用及生料发酵的促进作用；（2）探讨pH和料液浓度对细微玉米粉生料发酵的影响。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

玉米粉：超市购入（安徽燕之坊食品有限公司），其主要成分为水分10.6%、淀粉77.5%、蛋白质5.3%、脂肪4.1%，灰分0.7%；中温α-淀粉酶（2.0×103U/g）、糖化酶（1.0×105U/g）、酸性蛋白酶（5.0×104U/g）：肇东国科北方酶制剂有限公司，酸性蛋白酶与温水按质量比为1∶20的比例混合均匀后，在37℃条件下恒温活化1 h后使用；耐高温型酿酒活性干酵母：由安琪酵母股份有限公司提供，干酵母用2%的葡萄糖溶液30℃活化2 h后备用。

XQM-4L行星式球磨机：南京科析实验仪器研究所；X’TRA X-射线衍射仪：Thermo Electron Corporation；DHZ-DA摇床：太仓试验设备厂；U型酒精计：青县燕河仪器仪表有限公司。

1.2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，粉碎过程中玉米粉与水的质量比为1∶3。

1.2.2同步酒精发酵

取干物重量为40 g的玉米粉置于500 mL的三角瓶中，加入适量的去离子水，利用0.05 mol/L的H2SO4溶液和0.02 mol/L的NaOH溶液调整料液的pH，向料液中加入中温α-淀粉酶、糖化酶、酸性蛋白酶和酵母菌，其用量分别设定为10、200、14 U/g和0.1%。将三角瓶置于温度为30℃，转速为150 r/min的摇床中进行生料发酵。料液在初始pH分别为3、4、5、6、7，料液浓度分别为10%、15%、20%、25%的条件下发酵，调查初始pH和料液浓度对玉米粉生料发酵的影响。采用酒精计法测定发酵液中的酒精度，DNS法［15］测定残还原糖和残总糖含量。

1.2.3X-射线衍射分析

采用X-射线衍射仪，在室温下测定淀粉的X-射线衍射图谱。湿磨玉米粉在室温下风干后供测定使用。X-射线衍射分析试样皿为20 mm×20 mm的正方形，X-射线发生器的工作电压45 kV、工作电流35 mA，衍射角度2θ=5°～80°。

1.2.4粒度分析

采用粒度分布仪测定市售和细微玉米粉的粒度分布。

1.3数据分析

应用DPS软件对试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。

2　结果与分析

2.1玉米粉结晶结构的变化

市售玉米粉和细微玉米粉的中位粒径分别为273.6 μm和8.3 μm，如图1所示。经过微粉碎后，玉米粉颗粒减小，且分解集中。

图1 玉米粉的粒径分布Fig.1　Size distribution of corn flours

玉米粉的X-射线衍射谱如图2所示。

图2 玉米粉颗粒的X-射线衍射图谱Fig.2　X-ray diffraction patterns of starch granules

市售玉米粉在16.7°、17.9°、23.5°处出现晶峰，细微玉米粉已经没有明显的晶峰。

玉米粉的细微粉碎，主要是对淀粉颗粒结构的破坏作用。淀粉颗粒是由晶体结构和无定形结构组成的层状多晶体，具有一定刚度。干法粉碎也能破坏淀粉的晶体结构，但是使淀粉晶体结构完全消失的粉碎时间在25 h以上［16］。

湿磨对淀粉晶体结构具有较强破坏能力的原因在于，淀粉颗粒吸水后，在体积膨胀的同时，无定形区和晶体区之间的结合力减弱，使淀粉颗粒容易受到机械力作用而失去晶体结构。特别是在湿磨中，机械力作用增强了水对淀粉颗粒的渗透力［9］。因此采用湿法球磨对玉米粉颗粒进行微粉碎处理，可以大幅度缩短粉碎时间，降低粉碎能耗，提高玉米粉的生物反应活性，为淀粉质原料的细微粉碎提供一条新的技术途径。2.2细微化对玉米粉生料发酵的影响

在自然pH5.2，料液浓度20%条件下，玉米粉生料发酵中酒精度的变化如图3所示。

图3　玉米粉生料发酵中酒精度随时间的变化Fig.3　Change of alcoholicity in the fermentation of corn flours

与市售玉米粉相比，细微玉米粉生料发酵中酒精度的上升速度较快，在发酵55 h后，酒精度达到最高为10.6%，显著高于市售玉米粉的2.7%，当发酵时间继续延长，酒精度有降低趋势，这是由于发酵后期，发酵原料中大部分糖已被转化为乙醇，酵母菌处于饥饿状态，把发酵产物乙醇作为碳源，使之转化为酸［12］，因此发酵结束后，应尽快蒸馏，防止乙醇损失。微粉碎对玉米粉生料发酵的影响如表1所示。

表1　微粉碎对玉米粉生料发酵的影响Table 1　Effect of micronization on ethanol fermentation of cornflours

总糖含量下降至9.1%，而市售玉米粉发酵液中大量糖残存。这说明微粉碎对玉米粉的生料发酵具有促进作用。

2.3初始pH对生料发酵的影响

初始pH对细微玉米粉生料发酵的影响如表2所示。

将发酵结束后料液的pH定义为终点pH，随初始pH的升高，酒精度和终点pH逐渐增加，还原糖和总糖浓度急剧下降，当初始pH=6时，终点pH为4.0，酒精度达到最高位11.2%，还原糖和总糖浓度分别为0.3、5.0 g/L。pH大于6时，酒精度略有下降，还原糖和总糖浓度变化不大。

酵母的作用pH较广，约为2.5～8，中温α-淀粉酶、糖化酶和酸性蛋白酶三者之间的作用pH存在较大差异，其作用pH分别为5.0～7.0、2.5～6.5和2.0～4.5，因此3种酶的共同作用的pH相近为5.0，而酒精发酵过程中会产生酸，使得pH降低，因此需控制发酵初始pH在5以上［17］。

2.4料液浓度对生料发酵的影响

一般来说，料液浓度对酶活性和酵母代谢的影响很大。合适的浓度可以提高出酒率和设备利用率。

料液浓度对细微玉米粉生料发酵的影响见表3。

表2 初始pH对细微玉米粉生料发酵的影响Table 2　Effect of initial pH on ethanol fermentation of the micronized-corn flour

表3　料液浓度对细微玉米粉生料发酵的影响Table 3　Effect of concentration of feed mixture on ethanolfermentation of the micronized-corn flour

当料液浓度为25%时，酒精度最高达12.2%，而大量糖残留，其原因可能是料液浓度增加，粘度较大，物料不易与酵母和酶混合。另外由表可知当料液浓度在10%～20%之间时，其对还原糖和总糖浓度影响不大，因此最合适的料液浓度为20%。

3　结论与讨论

通过湿法球磨对玉米粉进行细微化处理，采用市售糖化酶和酵母菌进行生料发酵，调查细微化对玉米粉结晶结构及生料发酵的影响，得到结论如下：

1）采用湿磨法对玉米粉进行细微化处理后，玉米粉颗粒粒径减小，分布集中，X-射线衍射晶峰消失，淀粉颗粒完全转变为非晶态。

2）玉米粉生料发酵在55 h时基本结束，微粉碎可提高发酵速率和酒精度。

3）料液浓度和pH对酶活性和酵母代谢的影响很大。中温α-淀粉酶、糖化酶和酸性蛋白酶的共同作用pH相近为5.0，而酒精发酵过程中pH逐渐下降，在初始pH6.0时细微玉米粉酒精发酵效果最好；而料液浓度增加，黏度较大，物料不易与酵母和酶混合，料液浓度为20%，酒精发酵效率最高酒精度为11.2%，少量糖残留，为最适细微玉米粉生料发酵料液浓度。

目前淀粉质原料的生料发酵一般采用生淀粉糖化酶进行，发酵时间一般需要4 d以上，而且糖化能力弱［18］，玉米粉经过微粉碎后，采用普通糖化酶，即可将发酵时间减少到55 h，且残糖含量低。后期将探讨发酵过程中其他因素，及多种因素组合试验，进一步完善细微玉米粉的生料发酵工艺条件，获得最佳发酵效率。

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Ethanol Fermentation of Micronized Corn Flour

LI Xue-ying，XIE Jun-biao，MAO Ji-rong，GE Liang
（Xinjiang Institute of Light Industry Technology，Urumqi 830021，Xinjiang，China）

In order to study the effects of micronization on crystal structure and direct ethanol fermentation of corn flour，corn flour samples were prepared by wet-milling，and then the direct ethanol fermentation of corn flour were carried out by using commercially available glucoamylase and yeast.The commercial corn flour with a median diameter of 273.6 μm was micronized to 8.3 μm in median diameter by wet-milling.And X-ray diffracometry revealed that the crystals of starch granules in the corn flour could be destroyed by wet-milling.The fermentation rate and alcoholicity of micronized corn flour were significantly higher than that of the commercial corn flour.And when the initial pH and concentration of feed mixture were 6 and 20%respectively，the samples ferment most efficiently with alcoholicity of 11.2%.The results indicated that wet-milling led to the destruction of corn flour crystal structure，which resulted in a remarkable increase of alcoholicity in the ethanol fermentation of corn flour.

corn flour；micronization；fermentation；alcoholicity

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.10.045

李学英（1965—），女（汉），副教授，本科，主要从事农产品深加工方面的研究。

2015-04-17