超高浓度液糖化的应用研究

李 义 ，彭 辉 ，白挨玺 ，陶 进 ，许宏贤 ，佟 毅

（1.南京百斯杰生物工程有限公司，江苏南京 211100；2.中粮生化总公司，北京 100005；3.玉米深加工国家工程研究中心，长春吉林 130033）

0 引言

淀粉糖是以玉米、木薯、小麦等富含的淀粉为原料，经过液化、糖化等生产工艺，获得的大宗产品，包括葡萄糖、麦芽糖、果糖等一系列产品。与日常生活密切相关，在国民经济中有重要地位[1]。2017年根据中国淀粉工业协会报表企业统计，我国淀粉糖总产量达1 178×104t[2]，如果再加上800×104t左右的氨基酸、有机酸等行业用糖，是名副其实的淀粉糖生产和使用大国。

目前，淀粉制糖工艺一般均采用双酶法，即包括液化与糖化工艺[3]。其中液化是指淀粉遇水后在加热情况下迅速膨胀，引起淀粉颗粒解体，高温淀粉酶开始作用，快速水解淀粉，最终得到短链糊精。常见的高温淀粉酶主要有来自地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis），简称L型和来自嗜热脂肪芽孢杆菌（B.Stearothermophilus），简称S型。其中L型淀粉酶热稳定性较好，而S型淀粉酶热稳定性一般，但其作用快，可以快速降低黏度，这对高浓度液化特别重要[4]。另外糖化工艺是指在淀粉浆在液化成糊精后，加入葡萄糖淀粉酶、普鲁兰酶等酶，控制反应温度、反应时间，最终生产葡萄糖糖浆的过程[5]。常规糖化工艺均是采用糖化酶与普鲁兰酶复配的酶制剂共同作用生产葡萄糖[6]。商业化的糖化酶是由黑曲霉发酵得来，在发酵过程中黑曲霉也会表达少量的蛋白酶、淀粉酶和α-葡萄糖苷酶（也称转苷酶）等[7]。其中，α-葡萄糖苷酶对糖化酶的品质影响最大，它会催化葡萄糖基转移到另一个葡萄糖或麦芽糖等上，转苷位点多在6-OH上，生成异麦芽糖、潘糖等[8]。

在传统的淀粉制糖工艺中，一般采用25%～35%底物含量的淀粉浆底物进行液化。由于浆料浓度稀，导致下游工艺糖液浓缩过程中不得不蒸发大量的水，耗费大量的能源，导致生产成本增高[9]。目前大部分企业意识到高浓度淀粉浆制糖的优势，逐渐开始对淀粉糖液化、糖化工艺进行优化，但高浓度液化、糖化工艺中依旧面临诸多挑战。众所周知，单一的L型由于粉浆糊化时黏度过高，醪液流动性差，故不具备可实际操作性；S型高温淀粉酶尽管降黏快，但是热稳定性差，醪液不能充分液化，二者均难以达到理想的液化效果。在糖化工艺中，高浓度糖化对糖化酶、普鲁兰酶性能、配比要求非常高，糖化酶要求不能有转苷酶活力，否则会产生较多的异麦芽糖、潘糖等，影响最终糖浆的葡萄糖值，即DX值[10-11]。

试验在超高浓度液化中（底物浓度42%） 通过调整淀粉酶L型和S型比例，使得42%的超高浓度液化醪液黏度大幅降低50%，泵送醪液可行；调整糖化酶和普鲁兰酶比例，使得糖化DX值依然维持96%以上，糖化得率不因超高醪液浓度而降低；从而使得超高浓度液糖化具备了工业界盼望已久的可实际操作性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验原料与试剂

100目玉米淀粉，市售。

盐酸、氢氧化钠、硫酸铜、硫酸、酒石酸钾钠，分析纯，国药集团。葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖，均为色谱纯。

1.1.2 试验酶制剂

L型淀粉酶、S型淀粉酶、糖化酶（是失活agdB基因（一种表达α-葡萄糖苷酶的基因） 的黑曲霉表达生产的，获取方法如专利CN104962594A所述的糖化酶）、普鲁兰酶（百斯杰研发产品）、百斯杰糖化酶HighDEX Ultra、百斯杰淀粉酶SuperLIQ。

1.2 仪器与设备

岛津高效液相色谱仪LC20系列；流变仪，HAAKETMViscotesterTMiQ Air；阿贝折射仪，海能仪器公司产品；数显恒温水浴锅，上海精宏实验设备有限公司产品；ELTA320精密pH计、ME204E型电子分析天平，德国梅特勒-托利多公司产品；循环油浴锅，优莱博技术（北京）有限公司产品。

1.3 试验与分析方法

1.3.1 液化试验方法

配置42%的新鲜玉米淀粉料液，使用1 mol/L HCl调节pH值至5.6。称取20 g上述料液于反应釜中，加入高温淀粉酶15 U/g DS，混匀后放置通过油浴锅中进行110℃喷射，维持时间15 min。将喷射结束后的料液置于95℃水浴锅中，维持120 min。最后将液化结束后的样品检测DE值。

1.3.2 液化黏度曲线测量方法

配置42%的新鲜玉米淀粉料液，使用1 mol/L HCl调节pH值至5.6。称取30 g上述料液于流变仪的内杯中，添加高温淀粉酶15 U/g DS，混匀后开始测量黏度曲线。黏度曲线测量方法：仪器为HAAKETMViscotesterTMiQ Air，测量杯型号为CCB DIN/SS，测量转子型号为FL26 2B/SS。测量程序为Rot旋转时间扫描。

黏度曲线测量阶段见表1。

表1 黏度曲线测量阶段

1.3.3 糖化方法

配置底物质量分数42%的糖化液，使用浓度为1 mol/L HCl调节pH值至4.3。称取50 g上述料液于200 mL蓝盖瓶中，加入复合糖化酶50 U/g DS（以糖化酶酶活计），混匀后放置摇床中反应，条件是温度60℃，时间48 h。糖化结束后的样品进行高效液相色谱分析。

1.3.4 DE值的测定

DE值检测方法参照文献[12]。

1.3.5 高效液相色谱分析方法

分析方法参照文献[13]。

1.3.6 糖化OD检测方法

分析方法参照文献[14]。

2 结果与分析

2.1 L型淀粉酶与S型淀粉酶不同配比在高浓玉米淀粉液化应用对比

在底物质量分数为42%的液化中添加L型与S型淀粉酶的酶活比例为1∶0，1∶5，1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，0∶1的复合高温淀粉酶。

DE值结果见表2。

表2 DE值结果

由表2可知，随着L型淀粉酶的加量增加，DE值也随之增加，说明L型淀粉酶更利于在110℃下高温喷射液化。另外，在黏度曲线测量中分别加入L型与S型淀粉酶的酶活比例为1∶0，1∶5，1∶10，1∶20，1∶30，1∶40，0∶1的高温淀粉酶，通过流变仪检测其黏度曲线。

L型与S型淀粉酶不同酶活比例的黏度曲线见图1，L型与S型淀粉酶不同酶活比例的峰值黏度与终黏度见表3。

图1 L型与S型淀粉酶不同酶活比例的黏度曲线

表3 L型与S型淀粉酶不同酶活比例的峰值黏度与终黏度

由此可知，S型淀粉酶的降黏效果明显优于L型淀粉酶。综合考虑液化结果与黏度曲线，L型与S型淀粉酶的酶活比例为1∶20最佳，既保证液化效果，又有良好的降黏效果。

2.2 L型与S型淀粉酶酶活比例为1∶20与百斯杰淀粉酶SuperLIQ在高浓度玉米淀粉液化应用对比

为了考查L型与S型淀粉酶酶活比例为1∶20的复合淀粉酶与市面常见的百斯杰淀粉酶SuperLIQ的对比效果。在底物质量分数为42%的液化中添加L型与S型淀粉酶的酶活比例1∶20的高温淀粉酶、百斯杰淀粉酶SuperLIQ。

DE值结果见表4。

表4 DE值结果

另外在黏度曲线测量中分别加入L型与S型淀粉酶的酶活比例为1∶20的高温淀粉酶、百斯杰淀粉酶SuperLIQ，通过流变仪检测其黏度曲线。

L型与S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的黏度曲线见图2，L型与S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ1000-1300s的局部黏度曲线见图3，L型与S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的峰值黏度与终黏度见表5。

图2 L型与S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的黏度曲线

图3 L型与S型淀粉酶酶活比例1∶20、百斯杰淀粉酶SuperLIQ1000-1300s的局部黏度曲线

表5 L型与S型淀粉酶酶活比例1∶20，百斯杰淀粉酶SuperLIQ的峰值黏度与终黏度

结果显示，L型与S型淀粉酶的酶活比例为1∶20的高温淀粉酶在液化后的DE值明显高于百斯杰淀粉酶SuperLIQ。与内标杆淀粉酶相比，峰值黏度降低了22%，从而降低超高浓度液化带给喷射器正常工作的巨大压力；终黏度降低了50.5%，使得液化醪的顺利泵送成为可能，故该比例下复合淀粉酶在高浓液化中有良好的应用效果。

2.3 不同复合糖化酶在底物浓度42%上糖化应用对比

在液化醪中加入50 U/g DS百斯杰糖化酶HighDEX Ultra复合糖化酶A，B，C，D（糖化酶与普鲁兰酶酶活比例80∶1，60∶1，40∶1，20∶1）。

酶解组分含量及体系OD值见表6。

表6 酶解组分含量及体系OD值/%

由表6可知，失活agdB基因的糖化酶逆反应远低于普通糖化酶；并且随着糖化酶比例降低，普鲁兰酶比例的增高，呈现出四糖及以上的高糖进一步降低，DP2含量进一步降低，DX值持续增高的趋势；在糖化酶与普鲁兰酶的比例达到40∶1即可达到较好的糖化效果，DX值已经超过96%。同时OD值也有大幅下降，说明采用糖化酶与普鲁兰酶的比例40∶1时，反应体系中糊精已经基本被水解。

3 结论

在传统的淀粉制糖工艺中，一般采用25%～35%底物含量的淀粉浆底物进行液化，而实际上典型的玉米湿磨工艺的淀粉浆质量分数在40%左右，在传统淀粉糖工艺中不得不先稀释后液化；在一些发酵行业中，补糖的糖液质量分数通常需要为40%以上；在果糖生产中，配料起始质量分数为35%左右，需要浓缩到42%左右进行异构化[15-16]。研究在超高浓液化中，通过调整淀粉酶L型和S型比例，使得42%的超高质量分数液化醪液黏度大幅降低50%，泵送醪液可行；调整糖化酶和普鲁兰酶比例，使得糖化DX值依然维持96%以上，糖化得率不因超高醪液浓度而降低；从而使得超高质量分数液糖化具备了工业界盼望已久的可实际操作性。

众所周知，随着配料质量分数增高，淀粉颗粒的膨胀系数递减，10%的粉浆膨胀系数为15，粉浆质量分数从10%增加到45%，膨胀系数降低70%左右，粉浆质量分数50%～60%的膨胀系数非常低，仅2～3，过低的膨胀系数会导致糊化不彻底[17]，裹挟淀粉的蛋白质、脂质体、非淀粉类多糖成分甚至少量淀粉的晶状结构本身不能被有效破坏，从而液化不完全；超高质量分数液糖化的另一个挑战来自底物和酶的扩散，随着粉浆质量分数的增加，水分子的迁移率随之降低，淀粉增加质量分数从10%到45%，水分子的迁移率降低＞90%，50%～60%的淀粉糊中水分子的流动性非常差，呈半固体状态，而酶促反应的速率与高黏度水溶液中的扩散密切相关，反应系统中水分子的相对低的迁移率会阻碍扩散，淀粉浓度的增加会降低酶和底物的有效结合，这不仅会对α-淀粉酶催化的淀粉液化产生负面影响，也会对糖化酶和普鲁兰酶的糖化产生负面影响。除此之外，随着底物质量分数的提高，醪液的泵送、搅拌等动力消耗会大幅增加；糖化结束后的过滤难度无疑也会大幅增加；应对这些挑战需要更多、更深入的研究，如源头管控玉米籽粒的品质；在淀粉湿磨过程中添加酶制剂以期改善淀粉乳的品质；进一步提升液化酶、糖化酶的质量；引入真正有效的、能显著提升液糖化效果的辅助酶制剂等等，这些工作都有待酶制剂生产商和工业界的通力合作，协同解决。