對生淀粉進行膨脹處理以及酶糖化的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及食品加工及生物能源領域，具體而言，本發(fā)明涉及一種對生淀粉進行 膨脹處理以及酶糖化的方法。
【背景技術】
[0002] 乙醇是主要的可再生液體燃料，它具有悠久的歷史和良好的性能，用于80%的汽 車和其他輕型運輸車輛。在乙醇的生產過程中需經微生物發(fā)酵，而微生物受生理生化特性 的制約，在進行新陳代謝時，只能有效地利用營養(yǎng)物中的單糖和二糖，不能利用多聚糖類， 如酵母菌和大部分細菌只能利用葡萄糖、果糖、蔗糖、半乳糖及部分麥芽糖等，不能利用糊 精、淀粉等大分子物質，因此，需要首先對淀粉進行糖化，即將淀粉物質轉化為短鏈糊精以 及單糖發(fā)酵糖。
[0003] 傳統(tǒng)的淀粉糖化工藝操作是：將大約30%的淀粉乳加入到耐高溫a -淀粉酶中， 在大約100°C左右進行糊化，然后在90°C下保持1~3h，接著冷卻至60°C，再添加葡萄糖糖 化酶，從而將淀粉轉化為小分子糖類物質。這一過程在經濟上存在不足，主要是由于蒸煮液 化操作步驟需要較高的設備投資以及高的能源消耗。
[0004] 目前，出現(xiàn)了一種新的替代方法，即采用生淀粉酶將淀粉顆粒或未經蒸煮的淀粉 水解為葡萄糖和其它發(fā)酵糖。該過程無需蒸煮和液化過程中所需的高溫，同時可以減少乙 醇生產過程中能量需求，并且降低美拉德反應中不良副產物的形成。另外，該方法可以簡化 操作，并消除了蒸煮和冷卻過程中以及設備需要處理高粘度淀粉漿的要求。生淀粉酶是市 售的，已經應用在同步糖化發(fā)酵生產乙醇的工藝中。
[0005] 然而，淀粉顆粒的酶法水解是一個固溶體兩相反應，這個反應中酶需要擴散至底 物，綁定到固體淀粉顆粒上，然后切割糖苷鍵。酶法水解淀粉顆粒的初始階段為酶與淀粉 顆粒相結合，因此，顆粒淀粉水解率與初始形態(tài)、孔隙率、淀粉顆粒的粒徑和表面積有關， a -淀粉酶和糖化酶的顆粒尺寸偏大，分別為幾納米。因為其相對較大的尺寸，這些酶與淀 粉顆粒的結合受到限制，從而降低了顆粒淀粉的水解率。為解決該問題，本發(fā)明人對酶與淀 粉顆粒的結合進行了研宄，發(fā)現(xiàn)顆粒膨脹可增加淀粉顆粒的比表面積（每單位質量的干淀 粉表面面積）并破壞淀粉顆粒表面。發(fā)明人推測，即使是微小的顆粒膨脹也會對顆粒淀粉 的酶促水解產生積極的影響。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種對生淀粉進行膨脹處理的方法，所述方法包括將水與生 淀粉混合制成淀粉漿，然后在40_90°C下，對所述淀粉漿進行熱處理，使得生淀粉顆粒膨脹。
[0007] 其中，所述生淀粉為玉米淀粉、木薯粉或大米淀粉，優(yōu)選玉米淀粉；所述熱處理 的溫度為40-60°C、優(yōu)選50-58°C、更優(yōu)選50-55°C ;所述熱處理的時間為至少0. 5h、優(yōu)選 0. 5-24h、或0. 5-4h ;并且，在進行所述熱處理后，所述生淀粉顆粒的膨脹系數為2-2. 5、 2.5-4、4-6、6-9 或 9-18。
[0008] 本發(fā)明的另一目的是提供一種對生淀粉進行酶糖化的方法，所述方法采用經處理 得到的膨脹后的生淀粉，并且使得所述膨脹后的生淀粉與酶接觸；優(yōu)選地，所述方法在同一 反應容器中完成。
[0009] 其中，所述酶為生淀粉酶、糖化酶、或兩者的混合物，優(yōu)選生淀粉酶與糖化酶的混 合物，所述生淀粉酶優(yōu)選為《 _淀粉酶；所述膨脹后的生淀粉的干物質含量按重量計為 15-40%、優(yōu)選15-30%、更優(yōu)選30% ;所述膨脹后的生淀粉與所述酶之間的反應在28~ 36°C、優(yōu)選在32°C下進行；所述膨脹后的生淀粉與所述酶之間的反應在pH = 4. 0-4. 5、優(yōu)選 pH = 4. 2的條件下進行。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0011] 首先，相對于現(xiàn)有生淀粉糖化工藝，本發(fā)明明確研宄了膨脹系數與生淀粉酶酶解 效率的相關性，因此提出了基于膨脹系數提高淀粉糖化效率的方法。
[0012] 其次，本發(fā)明在對生淀粉進行酶糖化以及發(fā)酵生產乙醇之前，首先在特定溫度下 對生淀粉顆粒進行熱處理，提高了生淀粉酶糖化的效率，從而降低了生淀粉酶的需要量。生 淀粉酶比傳統(tǒng)的酶價格更加昂貴，在乙醇生產的經濟學上，生淀粉酶的用量是一個重要因 素。雖然玉米淀粉顆粒的熱處理導致少量的能源消耗，但生淀粉酶量的減少能夠顯著降低 乙醇的生產成本。
[0013] 在進行同步糖化發(fā)酵生產乙醇的工藝中，本發(fā)明的方法在酶促反應的早期階段， 熱處理能夠顯著促進淀粉顆粒轉化為發(fā)酵糖，這也將有益于乙醇生產過程中酵母的發(fā)酵， 因為相對于發(fā)酵階段的后期，在發(fā)酵的早期階段酵母的快速增長（尤其是對數生長期）需 要更多的葡萄糖作為碳源，從而有利于乙醇的生產。
[0014] 再次，相對于現(xiàn)有工業(yè)化淀粉糖化工藝，本發(fā)明的生淀粉糖化工藝更加節(jié)能，并且 大大降低了工藝設備投資費用。
【附圖說明】
[0015] 圖1為普通玉米淀粉顆粒在不同溫度下的膨脹系數曲線，每個值為三次獨立測量 結果的平均值。
[0016]圖2為普通玉米淀粉的顆粒膨脹系數隨孵育時間的變化曲線，每個值為三次獨立 測量結果的平均值。
[0017] 圖3為普通玉米淀粉在特定溫度（a:對照，未經熱處理；b :50°C ;c :55°C ;d :60°C ; e :65°C :67. 5°C ;g :70°C ;h :75°C ;i :80°C ;j :90°C )下孵育 30 分鐘時，用 40 倍物鏡在 普通可見光下所觀察到的淀粉顆粒樣品。
[0018]圖4為在生淀粉酶糖化過程中原料生淀粉轉化率隨時間變化的曲線。
[0019] 圖5A-5I為在生淀粉酶糖化過程中，普通玉米淀粉樣品的掃描電子顯微圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明所使用的術語"生淀粉"是指未經熟化的淀粉，也可以理解為未經過糊化的 淀粉顆粒，即所述淀粉的晶體結構未被破壞；或者可以直接理解為直接從含淀粉的原料中 經粉碎、篩分等步驟后得到的淀粉顆粒?？捎糜诒景l(fā)明的生淀粉的實例包括：普通玉米淀 粉、糯玉米粉、蠟質玉米淀粉等，其中，優(yōu)選普通玉米淀粉，普通玉米淀粉為最常用的可通過 生淀粉酶酶解糖化生產乙醇的原料。在另一大量使用的淀粉中，木薯淀粉也可作為生產乙 醇的原料，其淀粉粒結構，以及淀粉、灰分、纖維、蛋白等的組成與玉米淀粉相近。
[0021] 本發(fā)明所使用的術語"生淀粉酶"是指對不經過蒸煮糊化的生淀粉顆粒能夠表現(xiàn) 出強水解活性的一類酶。例如a-淀粉酶。生淀粉酶如杰能科公司的StarGen 001型生淀 粉酶，其可以將生淀粉漿轉化為單糖。
[0022] 在本發(fā)明中，還可使用a _淀粉酶和糖化酶的混合物，兩者