淀粉制糖过程中关键生化参数的快速测定

杨俊慧，马恒，马耀宏，赵玉斌，孙慧囡，史建国*

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院生物研究所，山东省生物传感器重点实验室，山东 济南 250014;2.鲁洲生物科技(山东)有限公司，山东 临沂 276000)

淀粉糖是以农产品中淀粉含量较高的农作物为原料，经过一定的化学方法，运用液化、糖化、转苷、脱色以及离子交换等生物技术手段精制过程而生产的不同种类的糖品[1]。淀粉糖消费领域广、数量大，是淀粉深加工的支柱产品。我国的淀粉糖工业发展迅速，淀粉糖的产量、种类、质量、规模都处于较高水平，其中产量仅次于美国，居世界第二位。常用DE(dextrose equivalent)值是还原糖(以葡萄糖计)占糖浆干物质的百分比,表示淀粉水解的程度.通过改变淀粉糖的DE值来调节其甜度，根据所应用产品的要求可生产不同黏度的淀粉糖浆，符合不同种食品应用的要求，这是淀粉糖产品工业的重要特点[2-4]。但现阶段淀粉糖化生产过程中，对核心生化参数的分析与控制仍以人工控制和半自动控制为主[5-6]，缺乏核心过程参数快速检测方法，导致糖化过程中工艺控制的自动化程度较低，葡萄糖、DE值等关键参数自动控制困难，生产效率低。研究淀粉糖化过程中葡萄糖、还原糖含量自动检测方法，有利于淀粉制糖过程中关键参数的检测，便于淀粉制糖过程的控制[7-9]。

本研究建立了葡萄糖、还原糖、DE值等淀粉制糖过程中关键参数的快速分析方法，并对这些关键参数进行了测定。该快速分析方法操作简单，测试成本低[10-12]，可以实现快速、准确地测定制糖液中的葡萄糖、还原糖以及DE值的变化情况[13]，为淀粉制糖过程分析与控制以及食品加工过程控制提供了新的技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

淀粉(鲁州生物科技有限公司提供)；α-淀粉酶、糖化酶(南京诺唯赞生物科技有限公司)；五水合硫酸铜、次甲基蓝、氢氧化钠、亚铁氰化钾、酒石酸钾钠(国药集团)。

1.2 仪器

SBA生物传感分析仪(山东省科学院生物研究所)；SGD-IV全自动还原糖测定仪(山东省科学院生物研究所)；NAR-2THI型阿贝折光仪(ATAGO(爱拓)中国分公司)；Agilent 1100 高效液相色谱仪(安捷伦科技有限公司)。

1.3 实验方法

在山东鲁洲食品集团糖化3车间6号糖化罐上，对糖化样品按照工厂取样时间进行连续取样，每次从糖化罐中取出20 mL淀粉液，经定性滤纸简单过滤后作为待测样本。若样本中待测组分浓度超过仪器检测上限，则以去离子水对其按适当比例进行稀释。结果处理时，将检测结果数值乘以样本对应的稀释倍数得到最终检测结果。

1.3.1 葡萄糖含量测定

利用SBA生物传感分析仪测定淀粉糖化过程中葡萄糖的含量，测定时每次取样量为25 μL, 响应时间20 s，测定周期小于2 min,误差小于2 %。样品不需脱色、分离纯化就可直接测定。

1.3.2 还原糖含量测定

利用SGD-IV全自动还原糖测定仪测定淀粉糖化过程中还原糖的含量，测定时每次取样量为500 μL，响应时间90 s，测定周期小于3 min，误差小于1 %。测定时间缩短至3 min以内，测定速度更快，抗干扰能力强，不受样品颜色和浊度的影响。

1.3.3 干物质测定

使用NAR-2THI型阿贝折光仪测定。

1.3.4 DE值测定

还原糖与干物质的比值。还原糖测定方法如1.3.2所示，干物质测定方法如1.3.3所示。

2 结果与讨论

2.1 淀粉液化过程中关键参数变化情况

2.1.1 不同液化阶段关键参数变化情况

淀粉液化过程就是淀粉在α-淀粉酶的作用下，由高分子状态(淀粉颗粒)转变为较低分子状态(糊精)，同时淀粉的黏度降低，淀粉由半固态转变为液态的过程。液化过程如图1所示，随时间的增加，淀粉水解程度增加，淀粉水解为葡萄糖、麦芽糖等产物，导致葡萄糖、还原糖含量增加。由于葡萄糖含量增加，DE值随之增加。液化1 h之内，还原糖含量增加速度大于葡萄糖含量增加速度，所以葡萄糖/还原糖值随液化时间增加有所减小，液化1 h之后葡萄糖/还原糖值开始增加。

图1 淀粉液化过程参数变化Fig.1 Variations of parameters during starch liquefaction

2.1.2 色谱法分析液化对淀粉糖种类的影响

分别对两种未液化淀粉和液化淀粉(分别为样品1～4)进行色谱分析，结果如图2所示。由于生产工艺导致麦芽三糖含量高于麦芽糖和麦芽四糖。由图2知，液化后的淀粉葡萄糖含量明显高于未液化淀粉，而麦芽三糖、麦芽四糖含量低于未液化淀粉，液化与未液化样品麦芽糖含量基本相同。淀粉液化过程中，α-淀粉酶水解淀粉为葡萄糖，导致经过液化过程的样品葡萄糖含量升高，而未液化的淀粉没有经过水解，麦芽三糖、麦芽四糖含量较高。

图2 色谱法对比液化结果Fig.2 Liquefaction results of chromatography

2.2 淀粉糖化过程中关键参数变化情况

2.2.1 葡萄糖含量变化情况

淀粉糖化酶催化淀粉、糊精等多糖的非还原性末段，使其α-1,4-糖苷键断裂导致水解产生葡萄糖(图3)。掌握淀粉糖化过程中葡萄糖含量的变化情况对其糖化过程调控具有重要意义，SBA生物传感分析仪可以实现淀粉糖化过程中葡萄糖的快速、准确测定。如图4所示，淀粉糖化过程中葡萄糖含量随糖化时间的增加逐渐增加，主要是由于糖化过程是一个淀粉水解生成葡萄糖的过程，淀粉受到淀粉酶和糖化酶的分解，形成葡萄糖、低聚糊精等可发酵性糖。

图3 淀粉水解过程示意图Fig.3 Starch hydrolysis process

图4 淀粉糖化过程中葡萄糖含量变化情况Fig.4 Variations of glucose levels during starch saccharification

2.2.2 还原糖含量变化情况

还原糖是指葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖等具有还原性的糖类，在糖类分子中含有游离醛基或酮基的单糖和含有游离醛基的二糖都具有还原性。淀粉糖化过程中，淀粉黏度逐渐降低，流动性增高，还原糖含量逐渐增加。SGD-Ⅳ全自动还原糖测定仪操作简单，测定快速准确，测试成本低，是一种快速测定还原糖的较好方法。还原糖含量检测结果如图5所示，淀粉糖化过程中，由于工艺影响，还原糖含量变化存在一些波动，但总体趋势为还原糖含量随淀粉糖化过程逐步增加。

图5 淀粉糖化过程中还原糖变化情况Fig.5 Variations of reducing sugar levels during starch saccharification

2.2.3 DE值变化情况

国家标准中，DE值越高，葡萄糖浆的级别越高。通过SBA生物传感分析仪和阿贝折光仪可以测定淀粉糖化过程中DE值的变化情况。如图6所示，淀粉糖化过程中DE值随糖化时间的延长逐渐增加，受生产工艺影响，22 h时DE值略有下降，随后逐步趋于平稳，表示淀粉水解程度进行到一定程度后逐步趋于平稳。

图6 淀粉糖化过程中DE值变化情况Fig.6 Variations of DE during starch saccharification

2.2.4w(葡萄糖)/w(还原糖)值变化情况

糖化过程是一个淀粉水解为葡萄糖的过程，但水解过程中会存在果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖等其他还原糖，检测并分析w(葡萄糖)/w(还原糖)的值可以更好地掌握葡萄糖生产过程，为淀粉糖化生产葡萄糖提供依据。如图7所示，w(葡萄糖)/w(还原糖)的值随糖化时间增加逐渐升高，说明随糖化时间延长，葡萄糖含量增加速度大于还原糖含量增加速度。

图7 淀粉糖化过程中w(葡萄糖)/w(还原糖)值变化情况Fig.7 Variations of the w(glucose)/w(reducing sugar) ratio during starch saccharification

3 结论

本研究建立了葡萄糖、还原糖、DE值等淀粉制糖过程中关键参数的快速分析方法，并对其进行快速测定。结果发现，液化过程可以明显增加葡萄糖含量，降低麦芽三糖、麦芽四糖含量。淀粉液化过程中随淀粉水解程度增加，淀粉水解为葡萄糖、麦芽糖等产物，导致葡萄糖、还原糖含量增加。糖化过程中在淀粉酶与糖化酶作用下，水解辅料中的糊化醪和麦芽中淀粉形成葡萄糖、低聚糊精等可发酵性糖，导致随糖化时间延长葡萄糖含量增加，DE值升高。

本文介绍的快速分析方法操作简单，测试成本低，可以实现快速而准确地测定制糖液中的葡萄糖、还原糖以及DE值变化情况，为淀粉制糖过程分析与控制及食品加工过程控制提供了新的技术方法。