木薯淀粉制备低聚异麦芽糖及沸石在其分离纯化中的应用DD王镇发

学生姓名：王镇发指导老师：李夏兰教授木薯淀粉制备低聚异麦芽糖及沸石在其分离纯化中的应用硕士论文答辩目录第1章引言第2章

木薯淀粉液化条件的优化第3章

糖化条件的优化及糖化液中糖成分分析第4章

木薯淀粉制备低聚异麦芽糖的工艺条件第5章

沸石在纯化低聚异麦芽糖中应用的探讨第6章

结论与展望

论文创新点第1章引言1.1低聚异麦芽糖的分类及国家标准按IMO含量分为：IMO-50型：IG2+P+IG3+Gn≥50%（干物质）IMO-90型：IG2+P+IG3+Gn≥90%（干物质）。1.2低聚异麦芽糖的性质及生理功能性质生理功能IMO因其独特的生理功能在食品、饲料以及医疗保健品等行业中得到了广泛的应用。1.3

低聚异麦芽糖的制备1、多酶法工艺：1.4低聚异麦芽糖的分离纯化酵母发酵技术色谱分离技术纳滤分离技术1.5

沸石在糖类分离中的应用1、β沸石在糖类分离纯化中的应用

Berensmeier等研究了用β沸石从高浓度的异麦芽糖-葡萄糖-果糖混合液中分离出异麦芽糖。1.5

沸石在糖类分离中的应用2、八面沸石在糖类分离纯化中的应用

Hashimoto等用CaY沸石填充的模拟移动床持续分离葡萄糖和果糖混合。Ho等研究发现CaX沸石对葡萄糖和果糖没有选择吸附作用，而CaY沸石和Ca2+交换树脂一样对葡萄糖和果糖有选择吸附作用。立题背景1、为木薯资源的综合利用开辟一条新的途径。木薯淀粉和玉米淀粉的结构是有差别的，因此工艺应该有差别。2、应用沸石来分离纯化IMO粗品中的葡萄糖。IMO的粗品中含有大量葡萄糖，因此必须把其中的葡萄糖和麦芽糖分离出来。第2章木薯淀粉液化条件的优化2.1耐高温α-淀粉酶液化木薯淀粉条件的优化（1）优化后的工艺条件pH为6.0~6.4；

温度为90℃；Ca2+浓度在0.0037‰~0.33‰影响很小；

耐高温α-淀粉酶酶量为2.27U/g（淀粉）。2.1耐高温α-淀粉酶液化木薯淀粉条件的优化（2）时间对木薯淀粉液化效果的影响图2.1时间与DE值的多项式拟合图时间/min预测值测量值绝对误差相对误差/%604.565.050.4910.75906.286.920.6510.351208.438.830.404.74表2.1时间与DE值多项式公式验证(2.9)本章小结（1）pH为6.0~6.4；温度为90℃；Ca2+浓度在0.0037‰~0.33‰影响很小；耐高温α-淀粉酶酶量为2.27U/g（淀粉）（2）木薯淀粉浓度为30%（m/v），pH为6.2，温度为90℃时，建立了耐高温α-淀粉酶液化木薯淀粉的DE值与时间的多项式关系，可通过液化时间来控制DE值。第3章糖化条件的优化及糖化液中糖成分分析3.1糖化条件的优化（1）真菌α-淀粉酶：温度为55℃，pH为5.5（2）β-淀粉酶：温度为55℃，pH为6.0（3）普鲁兰酶：温度为60℃，pH为6.03.2真菌α-淀粉酶糖化木薯淀粉成分分析图3.1真菌α-淀粉酶糖化时间对糖浓度的影响(3.8)葡萄糖浓度都保持在5mg/mL以下二糖浓度达到70mg/mL三糖达到55mg/mL四糖和五糖在18mg/mL和8mg/mL3.3β-淀粉酶糖化木薯淀粉成分分析图3.2β-淀粉酶糖化时间对糖浓度的影响（3.9）没有检测到葡萄糖二糖浓度达到55mg/mL三糖达到15mg/mL四糖达到8mg/mL五糖6mg/mL3.4普鲁兰酶糖化木薯淀粉成分分析图3.4普鲁兰酶糖化时间对糖浓度的影响（3.10）葡萄糖浓度保持在1mg/mL以下二糖浓度达到4.6mg/mL三糖达到15mg/mL四糖达到4.4mg/mL五糖6.9mg/mL3.5多酶混合糖化木薯淀粉成分分析图3.5多酶混合糖化时间对糖浓度的影响（3.11）

葡萄糖浓度小于5mg/mL二糖浓度达到75mg/mL三糖达到65mg/mL四糖达到23mg/mL五糖10mg/mL本章小结（1）真菌α-淀粉酶：温度为55℃，pH为5.5；β-淀粉酶：温度为55℃，pH为6.0；普鲁兰酶：温度为60℃，pH为6.0（2）真菌α-淀粉酶糖化产生的低聚糖中二糖最多，三糖也相对比较多，葡萄糖的量则非常的少；β-淀粉酶糖化产生的二糖含量最多，而葡萄糖浓度几乎为零；普鲁兰酶水解液化液产生的低聚糖中三糖最多，而葡萄糖的浓度非常少。（3）三酶混合水解液化液产生的二糖和三糖量是最多的而葡萄糖浓度非常少，利于低聚异麦芽糖的生产。第4章

木薯淀粉制备低聚异麦芽糖的工艺条件4.1单因素试验（1）液化时间对IG2+P+IG3的影响图4.1液化时间对IG2+P+IG3的影响不断降低4.1单因素试验（2）糖化时间对IG2+P+IG3的影响图4.2糖化时间对IG2+P+IG3的影响先糖化4h再转苷30h时IG2+P+IG3达到最大值，时间比先糖化0h和2h短，且IG2+P+IG3较大；比糖化6h和8h所用时间稍短，但是IG2+P+IG3相近。4.1单因素试验（3）糖化转苷pH对IG2+P+IG3的影响图4.3pH对IG2+P+IG3的影响pH选为5.5。4.1单因素试验（4）糖化转苷温度对IG2+P+IG3的影响图4.4温度对IG2+P+IG3的影响温度选为40℃。4.1单因素试验（5）β-淀粉酶酶量对IG2+P+IG3的影响图4.5β-淀粉酶酶量对IG2+P+IG3的影响β-淀粉酶酶量为0.87U/g(淀粉）。4.1单因素试验（6）普鲁兰酶酶量对IG2+P+IG3的影响普鲁兰酶酶量为0.73U/g(淀粉）。图4.6普鲁兰酶酶量对IG2+P+IG3的影响4.1单因素试验（7）真菌α-淀粉酶酶量对IG2+P+IG3的影响α-淀粉酶酶量为30.6U/g(淀粉）。图4.7真菌α-淀粉酶酶量对IG2+P+IG3的影响4.1单因素试验（8）α-转移葡萄糖苷酶酶量对IG2+P+IG3的影响α-转移葡萄糖苷酶酶量为0.43U/g(淀粉）图4.8α-转移葡萄糖苷酶酶量对IG2+P+IG3的影响4.2响应面优化（1）根据单因素考察结果选取温度（x1，℃）、pH（x2）、α-淀粉酶酶量（x3，mL）、β-淀粉酶酶量（x4，mL）、普鲁兰酶酶量（x5，mL）和α-转移葡萄糖苷酶酶量（x6，mL）作为考察因素，采用Box-Behnken法6因素3水平进行试验，以IG2+P+IG3（R，mg/mL）作为响应值。（P42）4.2响应面优化（2）利用DesignExpert软件，对数据进行多元回归拟合，获得二次多项回归方程。模型F值为9.033，“Prob>F”<0.0001，具有显著性；失拟项为0.1580，影响不显著，说明模型不失拟；整个模型R2=0.9070，变异系数5.79%，表明方程的因变量与全体自变量之间的回归效果显著，此模型拟合较好。4.2响应面优化（3）从方差分析结果可知，A、B、E、F、BF、A2、B2、C2、E2、F2对生成IG2+P+IG3有显著或极显著的影响，其它因素影响相对较小；方程的一次项和二次项（p<0.05）比较显著，因素的交叉项（p>0.05）相互作用不显著。（P45）4.2响应面优化（4）优化工艺条件验证：最佳工艺条件：糖化转苷温度为41.9℃，糖化转苷pH为5.45，真菌α-淀粉酶酶量为30.60U/g（淀粉）、β-淀粉酶酶量为1.04U/g（淀粉）、普鲁兰酶酶量为1.10U/g（淀粉）和α-转移葡萄糖苷酶酶量为0.48U/g（淀粉）。该条件下反应24h，IG2+P+IG3的预测值为103.8mg/mL。采用上述优化工艺进行验证实验，为104.3mg/mL，与预测值的相对误差0.48%。与优化前的工艺相比，IG2+P+IG3提高了25.7%。4.2响应面优化（5）产品质量分析图4.9时间对异麦芽糖、潘塘、异麦芽三糖及三者之和的影响（4.10）

从16h到26hω（异麦芽糖）逐步提高，在26h到达最大值，为25.3%，之后开始减少；异麦芽三糖、IG2+P+IG3变化情况和异麦芽糖相似，最大值分别为16.3%和47.3%；而ω（潘糖）从16h到32h一直在降低。4.2响应面优化（5）产品质量分析名称IMO-500巴罗莱夫生物糖50ISO-G1234YIG2+P+IG3，%32.84136.231.147.443.540.338.247.3表4.1自制样品与同类产品的比较（4.4）

IMO-500（日本昭和产业）[62]、巴罗莱夫（日本林原商事）[62]、生物糖50（日本食品化工）[62]、ISO-G（日本资粮工业）[62]，国内研究的样品1（以小麦淀粉为原料）[62]、2（以玉米淀粉为原料）[62]、3（以玉米淀粉为原料）[63]、4(以大米为原料)[64]4.3过程变温对生产低聚异麦芽糖的影响

温度为50℃糖化4h后调为41.9℃，接着加入转苷酶进行糖化转苷制备IMO。对照组变温组改变量（%）IG2+P+IG3含量（mg/mL）121.0127.8+5.6表4.2过程变温对IG2+P+IG3含量的影响（4.5）

本章小结（1）在研究单因素影响IMO中IG2+P+IG3的基础上，进一步采用Box-Behnken法响应面优化。响应面优化模型显著，失拟项不显著。优化后的制备条件为：耐高温α-淀粉酶酶量为2.27U/g(淀粉)、液化时间为50min、液化温度为90℃、液化pH为6.2，糖化转苷温度为41.9℃、糖化转苷pH为5.45、真菌α-淀粉酶酶量为30.6U/g（淀粉）、β-淀粉酶酶量为1.04U/g（淀粉）、普鲁兰酶酶量为1.10U/g（淀粉）、先糖化时间为4h和α-转移葡萄糖苷酶酶量为0.481U/g（淀粉）。与优化前的工艺相比，IG2+P+IG3提高了25.7%。本章小结（2）在过程变温的情况下，IG2+P+IG3含量从121.0mg/mL提高到127.8mg/mL，百分含量提高了5.6%；第5章沸石在纯化低聚异麦芽糖中应用的探讨5.1NaY沸石吸附糖工艺的研究（1）吸附时间对NaY沸石吸附葡萄糖的影响图5.1吸附时间对NaY沸石吸附葡萄糖的影响5.1NaY沸石吸附糖工艺的研究（2）转速对NaY沸石吸附葡萄糖的影响图5.2转速对NaY沸石吸附葡萄糖的影响5.1NaY沸石吸附糖工艺的研究（3）温度对NaY沸石吸附葡萄糖的影响图5.3温度对NaY沸石吸附葡萄糖的影响5.1NaY沸石吸附糖工艺的研究（4）

NaY沸石吸附葡萄糖的等温线图5.4葡萄糖在NaY沸石上的吸附等温线根据Freundlich等温线公式：m=Kc1/n（m为每克沸石吸附葡萄糖的量，mg/g；c为吸附平衡后葡萄糖浓度，mg/mL；K和n为经验参数）线性方程为y=0.985x-0.504，R2=0.9583，由图6.12得K=0.313，n=1.02。5.1NaY沸石吸附糖工艺的研究（5）pH对NaY沸石吸附葡萄糖的影响图5.5pH对NaY沸石吸附葡萄糖的影响pH为4.0~8.5时，NaY沸石吸附葡萄糖的量随pH的升高而降低，但是降低的量不大，基本维持在25mg/g（沸石）；5.1NaY沸石吸附糖工艺的研究（6）

NaY沸石纯化低聚异麦芽糖溶液的研究不同量的沸石各糖降低的百分比（%）五糖四糖三糖二糖葡萄糖1gNaY1.04%0.92%0.91%0.96%2.85%2gNaY-0.13%1.03%0.79%1.11%3.86%3gNaY-0.11%0.31%0.26%0.60%4.15%4gNaY-0.90%-0.03%0.23%0.77%4.63%5gNaY-1.13%-0.04%-0.02%0.38%4.81%表5.1不同量的NaY沸石吸附低聚异麦芽糖各糖的变化NaY沸石吸附的糖主要是葡萄糖，二糖、三糖、四糖和五糖都很少；随着沸石量的增加，吸附的葡萄糖也随着增加，当添加5g沸石时，葡萄糖的含量可以降低4.81%，吸附的量相对还是太小。5.1NaY沸石吸附糖工艺的研究（6）

NaY沸石纯化低聚异麦芽糖溶液的研究NaY沸石各糖降低的百分数（%）五糖四糖三糖二糖葡萄糖第一级-0.71%-0.29%0.16%0.86%1.87%第二级2.35%2.27%0.87%1.79%6.40%第三级0.57%1.15%1.08%1.68%9.57%表5.2NaY沸石三级吸附低聚异麦芽糖各糖的变化通过三级吸附后葡萄糖可以被NaY沸石吸附9.57%，而二糖以上的糖被吸附的量小于1.80%，相对很少。5.2NaX沸石吸附糖工艺的研究（1）吸附时间对NaX沸石吸附葡萄糖的影响图5.6吸附时间对NaX沸石吸附葡萄糖的影响5.2NaX沸石吸附糖工艺的研究（2）转速对NaX沸石吸附葡萄糖的影响图5.7转速对NaX沸石吸附葡萄糖的影响5.2NaX沸石吸附糖工艺的研究（3）温度对NaX沸石吸附葡萄糖的影响图5.8温度对NaX沸石吸附葡萄糖的影响5.2NaX沸石吸附糖工艺的研究（4）

NaX沸石吸附葡萄糖的等温线图5.9葡萄糖在NaX沸石上的吸附等温线根据Freundlich等温线公式：m=Kc1/n（m为每克沸石吸附葡萄糖的量，mg/g；c为平衡后葡萄糖浓度，mg/mL；K和n为经验参数）。线性方程为y=1.28x-0.00376，R2=0.9929，由图6.4得K=0.912，n=0.991。5.2NaX沸石吸附糖工艺的研究（5）pH对NaX沸石吸附葡萄糖的影响图5.10pH对NaX沸石吸附葡萄糖的影响在pH为1.5~9.0这个范围内，NaX吸附葡萄糖的量变化不明显，基本在180mg/g（沸石）左右5.2NaX沸石吸附糖工艺的研究（6）

NaX沸石纯化低聚异麦芽糖溶液的研究不同量的沸石各糖降低的百分比（%）五糖四糖三糖二糖葡萄糖NaX2.36%0.94%0.30%0.42%1.73%NaX2.07%0.75%0.20%0.25%3.08%NaX2.02%0.64%0.36%0.64%5.12%NaX3.27%1.92%0.66%0.85%5.79%NaX1.22%0.36%-0.40%0.41%5.51%表5.3不同量的NaX沸石吸附低聚异麦芽糖各糖的变化NaX沸石吸附的糖主要是葡萄糖，二糖、三糖、四糖和五糖都很少；随着沸石量的增加，吸附的葡萄糖也随着增加，当添加5g沸石时，葡萄糖的含量可以下降5.51%，吸附的量相对还是太小。5.2NaX沸石吸附糖工艺的研究（6）

NaX沸石纯化低聚异麦芽糖溶液的研究NaY沸石各糖降低的百分数（%）五糖四糖三糖二糖葡萄糖第一级-0.38%-0.21%0.26%0.87%3.62%第二级0.03%0.47%0.52%1.30%7.15%第三级1.28%2.07%1.07%1.52%10.73%表5.4NaX沸石三级吸附低聚异麦芽糖各糖的变化通过三级吸附后葡萄糖可以被NaX沸石吸附10.73%，而二糖以上的糖被吸附的量小于2.1%