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普鲁兰酶在生产玉米淀粉全糖粉中的应用与研究 张银 志 ( 江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江苏无锡214122 ) 摘要 目的 提高产品的转化率。 方法 研究普鲁兰酶在酶法生产玉米淀粉全糖粉过程中的协同作用,探讨最佳的生产工艺。 结果 结果表明, 在糖化过程中,加入0.10 U / g 淀粉的普鲁兰酶后, 能缩短糖化时间, 提高糖化的程度, 提升产品的DE 值。糖化的最佳工艺参 数为:糖化温度60 、 pH 值4.5、 糖化时间60 h 、 葡萄糖淀粉酶用量250 U/ g 淀粉、 普鲁兰酶用量0.13 U / g 淀粉, 产品的DE 值达98% 以 上。 结论该研究为玉米淀粉制备高品质的全糖粉生产提供新的理论依据。 关键词 普鲁兰酶; 玉米淀粉; 全糖 中图分类号 TS210 .1 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611(2009)01- 00377 - 03 S tudy on T ota l-sugar Produ ced by Tw o-en zym atic T e chn o logy fromCorn S tarch ZHANG Y in -zh i ( The S tate K ey L ab of Food Science and T echnology , J iangnan U n iversity, W uxi , Jiangsu 214036) Abstrac t O bjective The purpose w as to enhance tran slationrate of p roduct . M ethod The cooperation action of p rom ozym e used the process of pro- ducing w hole-sugar w ere stud ied, andthe op ti m al p roductiontechn ics w ere d iscussed . Resu lt The results show ed that the p rom ozym e add ing glucoam y- lase of 0.10 U/ gcou ldshorten cycle tim e ,i m prove the saccharification exten t andincrease D Evalue o f product . T he op tim al techn ics param eters w ere the saccharification tem perature of 60 , pHvalue of 4.5 , saccharificationtim e of 60 h , glucoam y lase dosage of 250 U/ g(starch) and p rom ozym e dosage of 0.13 U / g( starch) , D Evalue of product w as over 98% . C onclusion T his study w ill p rovide the newtheoretical basis for total-sugar w ith high quality fromcorn starch. K ey words G lucoam y lase ; Corn starch; T otal-sugar ? 基金 项目 国家 科技支 撑计划 项目(2006BAD 05A07) 。 作者简 介 张银志( 1975 -) , 男, 陕西 汉 中 人, 工 程 师, 从 事 食 品科 学 的研究 。 收稿 日期 2008-10-17 全糖粉属于淀粉糖品的一种, 是淀粉经过液化、 糖化后, 不经过结晶分蜜得到的淀粉糖。采用酶法技术, 淀粉糖化转 化率达98 % 以上,DE 值达95 % 以上。但是, 生产过程中的一 个主要问题就是在糖化过程中葡萄糖的转化率不高, 且糖化 时间较长。葡萄糖淀粉酶是一种外切酶, 对 -1 ,4 糖苷键的 分解非常容易, 但对于 -1,6 糖苷键却分解的很慢1, 而玉米 淀粉中70% 的支链淀粉中都具有 -1 ,6 糖苷键。普鲁兰酶是 支链淀酚酶, 它对水解支叉结构的 -1,6 糖苷键具有很强的 作用2- 3。因此, 笔者利用普鲁兰酶对 -1,6 糖苷键的专一 性, 研究了加入普鲁兰酶后产品的得率和 DE 值的变化情况, 以便得到最佳的生产工艺, 提高产品的转化率和缩短生产 周期。 1 材料与方法 1.1 材料 玉米淀粉: 购于无锡沃尔玛超市( 质量达到国标 一级) 。糖化酶( 葡萄糖淀粉酶) :100 000 U / m l , 液体; 普鲁兰 酶OPTIM AX L300, 酶活力250 U / m l , 以上酶均为杰能科生物 工程有限公司提供。 1.2 仪器设备 AN -240 型电子分析天平, 梅特勒公司; 数显 恒温水浴锅, 常州国华电器有限公司提供;PH S -3D 型精密pH 计, 梅特勒公司; 恒温磁力搅拌器,IKA 公司;HQD98 型恒温 摇床, 武汉海声达公司。 1.3 方法4 - 6 1.3.1 调浆。将玉米淀粉配制成30 % 40%( 质量比) 的淀 粉乳。用 N a2CO3调节粉浆调解pH 值到6.2 6 .5 。 1.3.2 液化。该过程的目的是利用 - 淀粉酶水解淀粉和淀 粉水解物中的 -1,4 糖苷键, 使分子断裂为糊精和低聚糖, 使 底物分子数增加, 糖化酶作用的机会增多, 有利于下一步糖 化反应。采用二次喷射液化法进行液化, 第一次液化温度为 110 ,45 m in ; 第二次喷射液化温度为130 ,15 m in, 碘呈色 反应成阴性表示液化终点。升温到140 钝化酶, 然后降温 到60 。 1.3.3 糖化。糖化是利用葡萄糖淀粉酶进一步将底物 糊精和低聚糖水解到葡萄糖的程度。用 HC l 调节 pH 值为 4 .04.5, 温度控制在(60 1) , 液体按1 kg 淀粉1 m l 的比 例加入糖化酶( 10 万单位) , 糖化时间24 36 h,24 h 后每隔 2 .5 h 取样品测 DE 值, 当 DE 值几乎不变时, 结束糖化, 此时 葡萄糖的含量应该达到95 % 97 % 。 2 结果与分析 2.1 普鲁兰酶对糖化的协同作用 为了研究普鲁兰酶对糖 化的协同作用, 笔者做了1 组对比试验, 对同一液化程度的 液化液, 通过对比只加糖化酶( X) 与同时加普鲁兰酶和糖化 酶( Y) , 进行了糖化试验。糖化12 h 后每隔12 h 测定一次糖 化DE 值( 图1) 。由图1 可知, 在糖 化体系中加入普鲁兰酶 后, 在相同的糖化时间, 葡萄糖转化率高于只加葡萄糖淀粉 酶的体系, 当糖化到60 h 时, 体系中糖化DE 值已达97 .3% 。 若不加普鲁兰酶, 糖化72 h 的最终糖化DE 值也只有93.9% 。 这可能是普鲁兰酶能够水解支链淀粉分子中支叉点上 -1,6 葡萄糖苷键的原因, 使糖化酶能够顺利水解糊精成葡萄糖。 图1 普鲁兰酶对糖化的协同作用 F ig.1 Th esyn erg is tic rea c tion o f P u llu lan a seing lyca tion 2.2 液化液的DE 值对普鲁兰酶协同糖化作用的影响 取 8 个不同 DE 值的液化液, 每个浓度的液化液做2 种处理,A 安徽农业科学,Jou rn al o f Anhu i Agri .Sci .2009,37(1) :377- 379 责任编辑 李玮 责任校对 张士敏 组只添加糖化酶(300 U/ g 淀粉) ;B 组加入糖化酶(300 U / g 淀 粉) , 再加入普鲁兰酶(0 .10 U / g 淀粉) , 在pH 值为6 .0 时进行 糖化72 h, 测定DE 值( 表1) 。由表1 可知, 液化DE 值控制在 15 .0 % 23 .2% 时, 在任意一 DE 值条件下, 加入普鲁兰酶的 糖化液的DE 值都明显高出未加普鲁兰酶的糖化液。同时, 在DE 值为20 .0% 左右时, 加入普鲁兰酶糖化液的 DE 值达 到了最大, 然后开始逐渐降低, 分析其原因, 液化液的程度过 高( DE 值大 ) 或过低( DE 值小) 都会影响普鲁兰酶和淀粉底 物的结合速度。DE 值过小时, 液化程度低, 则料液粘度大, 不利于糖化酶与底物的结合, 导致糖化效率降低;DE 值过高 时, 表明液化程度高, 葡萄糖淀粉酶的底物变小, 这降低了葡 萄糖淀粉酶的作用速度。 表1 普鲁兰酶液化程度对糖化DE 值的影响 T ab le 1 Th e e ffe c t o f Pu llu lan a seliqu e fa c tion de gre e onth e DE va lu e o f g lyca tion% 液化DE 值 L iqu efact ion DEvalue 未加普鲁兰酶糖化D E 值 G lyca tion DEvalue w ith ou t P u llu lanase 加普鲁兰酶糖化D E 值 G lyca tion DE value w ith P u llu lanase 15.892.592.9 16.493.193.8 17.894.394.9 18.695.996.4 19.396.997.5 20.297.498.8 21.797.098.2 23.296.998.0 2.3 温度对普鲁兰酶协同糖化作用的影响 试验中所用的 OPT IMAX L-300 普鲁兰酶适用 范围为温度55 65 、 pH 值 4 .04.5, 这与葡萄糖淀粉酶的最适温度范围基本一致, 该研 究通过试验得到了最适合普鲁兰酶产生协同作用的温度。 用葡萄糖淀粉酶为糖化酶, 在一定条件下( DE 值为18 .0% 的 液化液, 糖化酶用量300 U / g 淀粉,0 .10 U / g 淀粉的普 鲁兰 酶,pH 值4 .5, 糖化时间60 h) 分别测定45、 50 、 55、 60 和65 下的糖化DE 值, 研究糖化温度与糖化 DE 值之间的关系( 图 2) 。由图2 可知, 温度在60 以下时,DE 值随温度升高而增 大;60 时达到最高值, 为95.2% ; 随着温度的升高, 达到64 时,DE 值反而下降至86.8% 。这说明该葡萄糖淀粉酶最 佳作用温度在60 左右; 超过60 后DE 值下降, 原因可能 是酶在温度较高时逐步失活7。因此, 该研究选择糖化温度 为60 。 2.4 糖化时间对普鲁兰酶协同糖化作用的影响 以葡萄糖 淀粉酶为糖化酶, 在一定条件下( DE 值为18.0% 的液化液, 酶 用量300U / g 淀粉, 糖化温度60 ,pH 值4.5) , 加入0.13 U / g 淀 粉的普鲁兰酶, 分别测定糖化12、24、36、 48、 60 和72h 的糖化DE 值,研究糖化时间与糖化 DE 值之间的关系( 图3) 。由图3 可 知, 糖化时间在36 h 以下时,DE 值增长很快,36 h 以后,DE 值 增长非常缓慢。在测试条件下, 即使到72 h 也只有97.4 %。导 致DE 值达到一定浓度后增长缓慢的原因可能与葡萄糖淀粉 酶的水解方式及玉米淀粉的分子结构有关。葡萄糖淀粉酶是 一种外酶, 水解淀粉或糊精时, 是从非还原末端的 -1,4 糖苷键 开始,使一个葡萄糖单位分离, 水解产物只有葡萄糖, 葡萄糖淀 粉酶作用于长链比短链活性大。随着水解的进行, 糊精链会越 来越小, 从而导致水解速度变慢。另外, 葡萄糖淀粉酶虽然能 水解 -1,6 糖苷键, 但水解速度很慢。玉米淀粉中支链淀粉的 含量达74% , 因此, 支链淀粉中 -1,6 糖苷键的存在也是导致 玉米淀粉糖化后期速度变慢的原因。考虑到整个生产过程的 成本, 选择糖化时间60 h 为宜。 图2 温度对普鲁兰酶协同作用的影响 F ig.2 Th ee ffec t o f tem pe ra tu reonth esyn erg e ticreac tiono f P u llu - lana se 图3 糖化时间对普鲁兰酶协同作用的影响 F ig.3 Th ee ffe c t o f g lyca tiontim eonth esyn e rg e ticre ac tiono f P u l- lu lan a se 2.5 pH 值对普鲁兰酶协同糖化作用的影响 在一定条件 下( DE 值为18 .0% 的液化液, 糖化酶用量300 U / g 淀粉, 糖化 温度60 , 糖化时间60 h) , 加入0 .10 U/ g 淀粉的普鲁兰酶, 分别测定了pH 值为3.0 、 3 .5 、 4.0、 4.5、 5.0 和5.5 时的糖化 DE 值, 研究pH 值和普鲁兰酶协同糖化作用之间的关系( 图 4) 。由图4 可知,pH 值为4 .0 4 .5 时糖化 DE 值较高,pH 值 在 3 .5以下及5 .0 以上时DE 值明显下降。因此, 该葡萄糖淀 粉酶的适用pH 值应控制在4 .0 4 .5。 2.6 普鲁兰酶加入量对它的协同糖化作用的影响 以曲霉 葡萄糖淀粉酶和新型普鲁兰酶为糖化酶, 在一定条件下( DE 值为18.0 % 的液化液, 葡萄糖淀粉酶用量300 U / g 淀粉, 糖化 温度60 , 糖化时间60 h ,pH 值4 .0 。分别测定普鲁兰酶用 量为0、 0 .05 、 0.10、 0.13、 0 .15 和0 .20 U / g 淀粉时普鲁兰酶用 量对糖化 DE 值的影响, 研究普鲁兰酶用量与糖化 DE 值之 间的关系 ( 图5) 。由图5 可知, 普鲁兰酶的用量并不是越多 越好。在测试条件下, 当用量达到0 .13 U / g 淀粉以后, 随着 酶量的增加,DE 值变化并不明显, 甚至稍有下降, 这可能是 因为过多的普鲁兰酶反而会减弱葡萄糖淀粉酶的作用, 从而 影响水解的进一步进行。因此, 普鲁兰酶用量应控制在0 .13 U / g 淀粉左右。 873 安徽农业科学 2009 年 图4 pH 值对普鲁兰酶协同作用的影响 F ig.4 Th ee ffec t o f pHva lu e onth esyn e rge tic reac tiono f P u llu lan a se 图5 普鲁兰酶用量对协同作用的影响 F ig.5 Th ee ffe c t o f Pu llu lan a se do sageonits syn e rge tic reac tion 3 小结 在试验过程中, 研究了普鲁兰酶在糖化过程中与pH 值、 温度、 用量、 以及最初液化 DE 值之间的相互关系。结果表 明, 普鲁兰酶在糖化过程中对糖化酶有协同作用, 可以提高 糖化液的DE 值, 缩短生产周期。在液化液的DE 值为20 .0 % 左右时, 得到了普鲁兰酶使用的最佳工艺参数。 以影响糖化各因素最佳取值范围为依据, 通过试验确定 出糖化最佳工艺参数为: 糖化温度60 、 pH 值4 .5 、 糖化时间 60 h、 葡萄糖 淀粉酶用量250 U / g 淀粉、 普鲁兰酶用 量0 .13 U / g 淀粉。利 用优化 参数 进行 糖 化, 最终 糖化 DE 值达 到 98 .8 % , 该研究为玉米淀粉制备高品质全糖粉生产提供了新 的理论依据。 参考文献 1 JENN YLYNDAJAM ES,BYON GHLEE. C ha racteriza tionof g lu coam ylasefrom Lactobacillus am ylovorus A TCC 33621 J . B iotechn ology L et te rs ( H isto rica l A rch ive) ,1996,18(12) :1401- 1406. 2 JEN SENBF,N ORM ANBE. Bacillus adidopulluly tiaus pu llu lan se app lica tion andregu laroryasp ecisinth e foodindu st ryJ .P rocess B ioch em,1984,19:129 - 134. 3 N A IRSU,S ING HALRS,K AM A T M Y.In ductionof pu llu lanase p roductionin Bacillus cereus FD T A -13J .B ioresou rce T echn ology,1998,4:856- 859. 4 尤新.淀粉糖生产与应用手册 M .北京:轻工业出版社,1997. 5 苏斯恩,胡晓军,慕长宏. 玉米全糖粉生产技术 J . 黑龙江粮油科技, 1998(2) :25- 27. 6 高嘉安.淀粉与淀粉制品工艺学 M .北京: 中国农业出版社,2001. 7 李志达.双酶协同作用酶解淀粉制取麦芽低聚糖的工艺研究 J .中国 粮油学报,1994,9(4) :48- 54. ( 上接第365 页) 表4 模拟培养状态下不同方法检测样品大肠菌群结果比较 Tab le 4 Com parison be tw eenth e de term in ing re su lts o f co liformby3M Pe trifil mcou n t p la te an d P la te m e thod o f MEFH -RDCin th e S im u la tin g Cu ltu recond itionlog10cfu/100g 样品 Sam p le 试验号 Experim en t N o . 平板法 ( XS) P la te m ethod 3M纸片法( XS) 3MP e trifilm coun t p late 分类 T -test C lassifica tion 花生12 .657 0.0282.6660.008 P eanu t22 .602 0.0002.6350.017P 0.5 32 .616 0.0342.6220.020 小米12 .045 0.0452.0300.039 M illet21 .971 0.0732.0480.024P 0.2 32 .309 0.0181.9800.032 玉米12 .598 0.0042.6020.000 C orn22 .637 0.0332.6430.000P 0.5 32 .479 0.0392.4640.076 大米12 .758 0.0362.7590.022 R ice22 .638 0.0232.6430.000P 0.5 32 .808 0.0182.8000.012 花生油14 .380 0.0004.3800.000P