細微玉米粉同步糖化動力學分析

李學英

(新疆輕工職業技術學院,烏魯木齊 830021)

細微玉米粉同步糖化動力學分析

李學英

(新疆輕工職業技術學院,烏魯木齊 830021)

采用同步液化糖化法對細微玉米粉進行糖化處理,確定細微玉米粉同步糖化速率模型,考察pH和溫度對同步糖化反應速率常數和葡萄糖收率的影響。實驗結果表明,細微玉米粉的同步糖化反應為2級反應;pH對反應速率常數和葡萄糖收率具有顯著性影響(p<0.05),溫度對葡萄糖收率影響不大(p>0.05),對反應速率常數影響顯著(p<0.05),在60 ℃、pH6.0條件下,葡萄糖收率最高,達到84.6%,反應速率常數為0.0088(g/L)-1·h-1;在30～70 ℃的溫度范圍內,糖化速率常數與溫度的關系可用Arrhenius方程式表示,其反應活化能為3.3×104J/mol。玉米粉同步糖化動力學模型的建立及其活化能分析將為其在生產上的應用提供很好的指導意義。

細微玉米粉,同步糖化,反應動力學,葡萄糖收率

隨著綠色化工的發展,玉米糖液作為制糖、酒精、丁二酸、檸檬酸等有機化工品生產原料的應用越來越廣泛。玉米粉的雙酶法糖化包括液化和糖化兩個階段,國內外普遍采用85～95 ℃的中溫液化和 55～60 ℃糖化法,其存在能耗大,操作繁瑣,對設備要求高等缺點[1-2]。上世紀70年代,部分學者在研究纖維素制備乙醇過程中,為了防止糖的積累和產物抑制,提出了同步糖化發酵的概念。該方法一提出便受到了廣泛關注[3-4]。王兵[5]在玉米粉進行高溫調漿后,將液化、糖化、酒精發酵工藝同步進行,工序減少,即可節約能源,又可縮短整理糖化時間,因此同步糖化是目前發酵工業的新趨勢。生淀粉酶可將傳統淀粉高溫糊化、液化、糖化合并直接進行糖化[6],實現同步糖化,具有良好的前景,但是普遍存在糖化能力弱[7]、發酵技術不成熟[8]、淀粉利用率低等問題[9],致使其遲遲不能工業化生產,目前的研究也局限于高活力淀粉糖化酶菌株的分離和篩選[10-12]。

細微化可使淀粉顆粒結晶結構發生改變,采用球磨機和氣流粉碎機對淀粉顆粒進行細微化處理,可以減小粒度,打破結晶結構,從而導致其理化性質的變化,提高酶解反應活性[13]?？娨睙挼萚14]對玉米粉進行細微化處理,將雙酶法中液化、糖化工序合并進行,利用普通糖化酶,實現了30 ℃溫度條件下的同步糖化。此研究僅限于同步糖化可行性分析及其工藝優化,對其反應動力學特征未作深入探討。本文的研究目的在于確定細微玉米粉同步糖化速率模型,考察pH和溫度對細微玉米粉同步糖化反應速率常數和葡萄糖收率的影響,并求出Arrhenius方程式。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米粉 購買于烏魯木齊蘇果超市,安徽燕之訪食品有限公司生產,中位徑為273.5 μm;中溫α-淀粉酶 無錫賽德生物工程有限公司,酶活力 2000 U/mL;糖化酶 無錫賽德生物工程有限公司,酶活力100000 U/mL。

XQM-4L行星式球磨機 南京科析實驗儀器研究所;HH-6水浴鍋 國華電器有限公司;JB200-D型電動攪拌機 上海全簡機電有限公司;SBA型葡萄糖傳感分析儀 山東省科學院生物研究所。

1.2 實驗方法

1.2.1 細微玉米粉的制備 細微玉米粉是采用行星式球磨機對市售玉米粉濕法粉碎3 h制備而成,粉碎過程中料液比為1∶3,細微玉米粉中位徑為13.3 μm。

1.2.2 同步糖化實驗設計 采用干燥失重法(GBGB/T 5009.3-2003)測定細微玉米粉的水分含量,稱取干物質量為60 g的細微玉米粉于1000 mL三口燒瓶中,加入適量的去離子水,調制濃度為10%的料液;用5% H2SO4溶液和1% NaOH溶液調整料液的pH為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0;向料液中加入中溫α-淀粉酶和糖化酶,酶用量以料液中的干物質量為基準,分別設定在10 U/g和200 U/g;將三口燒瓶裝于電動攪拌機上,并置于溫度分別為30、40、50、60 ℃的水浴鍋中,持續均勻攪拌料液。按一定時間間隔取料液3 mL,離心,取上清液0.5 mL,稀釋200倍后,用葡萄糖傳感分析儀測定葡萄糖濃度,并計算葡萄糖收率。

1.2.3 葡萄糖收率的計算 根據各料液中的葡萄糖濃度,計算細微玉米粉的葡萄糖收率,公式為式(1):

式(1)

其中C為料液中葡萄糖濃度(mg/mL),V為料液總體積(mL),m為玉米粉干物總量(g)。

1.3 數據處理

應用DPS軟件對實驗數據進行統計分析,分析方法采用單因素方差分析中的Duncan法,顯著性水平設為0.05。制圖通過Excel 2010完成,數據為算術平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 同步糖化速率模型

采用嘗試法確定淀粉的同步雙酶法糖化反應的反應級數,嘗試法確定其不適合一級反應速率模型,則假設淀粉的同步糖化反應為2級反應,則糖化過程中Cs與反應時間t的關系可用式(2)表示[15]:

式(2)

對式(1)進行定積分可得式(3):

式(3)

其中Cs為反應過程中底物淀粉濃度(g/L);C(s,t)為在t時刻底物淀粉濃度(g/L);C(s,0)為反應初始時底物淀粉濃度(g/L);k為反應速率常數[(g/L)-1·h-1],濃度一定時,k值愈大,反應速率愈快;t為時間(h)[16]。

圖1 細微玉米粉同步液化糖化中與時間的關系Fig.1 Relationship ) and time in the SILS of micornized corn flour

2.2 pH對同步糖化速率的影響

細微玉米粉在60 ℃的溫度條件下,pH分別為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0的條件下同步雙酶法糖化,其葡萄糖收率的變化如圖2所示。

圖2 細微玉米粉同步糖化中pH對葡萄糖收率的影響Fig.2 Effect of pH on glucose yield in the SILS of micornized corn flour

各料液在糖化24 h后,在pH6.0時,葡萄糖收率最高,達到84.6%。這是由于液化酶的作用pH為5.0～7.0,糖化酶的作用pH是2.5～6.5,液化酶和糖化酶共同作用的pH為5.0～6.5[14]。

pH對同步糖化反應過程中速率常數的影響,如圖3所示。pH在6.0時其反應速率常數最大為0.0088(g/L)-1·h-1,與同步糖化葡萄糖收率的結果相一致。

圖3 細微玉米粉同步糖化反應中pH對反應速率常數的影響Fig.3 Effect of pH on rate constant in the SILS of micornized corn flour

2.3 溫度對同步糖化速率的影響

在糖化pH為6.0,溫度分別為30、40、50、60、70 ℃的條件下,葡萄糖收率的變化如圖4所示。糖化開始后,葡萄糖收率上升迅速,溫度越高,葡萄糖收率上升越快。隨著糖化的進行,葡萄糖收率上升速度減慢,在30 ℃條件下,糖化20 h以后,葡萄糖收率達到平衡,在其他溫度條件下,糖化5 h后,葡萄糖收率基本不變。

圖4 細微玉米粉同步液化糖化中溫度對葡萄糖收率的變化Fig.4 Effect of temperature on glucose yield in the SILS of micornized corn flour

糖化24 h后,在30、40、50、60、70 ℃溫度條件下同步雙酶法糖化,其葡萄糖收率分別為79.2%、79.2%、82.4%、84.6%、81.2%,糖化反應速率常數分別為0.0022、0.0053、0.0071、0.0088、0.0099(g/L)-1·h-1。由此可見,溫度升高,葡萄糖收率增幅不大,而反應速度顯著性增加(p<0.05)。細微玉米粉糖化溫度由30 ℃升至60 ℃,葡萄糖收率由79.2%增至84.6%,達到最高,糖化反應速率顯著性增加(p<0.05),由0.0022(g/L)-1·h-1增至0.0088(g/L)-1·h-1。

各料液在糖化24 h后,在70 ℃時,葡萄糖收率下降,為81.6%。這是由于糖化酶的最適作用溫度為40～60 ℃,當糖化溫度為70 ℃,超過其最適作用溫度,酶活隨溫度升高而急劇下降[14]。

式(4)

可以求得,細微玉米粉在30～70 ℃溫度范圍內同步糖化的Arrhenius方程

式(5)

圖5 細微玉米粉同步糖化的Arrhenius圖Fig.5 Arrhenius plot for the SILS of micornized corn flour

細微玉米粉的同步糖化反應活化能為3.3×104J/mol,通常認為酶反應的活化能為4×104～40×104J/mol[17]。據報道市售玉米粉糖化反應活化能4.63×104J/mol[14],說明通過微粉碎后可以有效降低玉米粉糖化反應活化能,使糖化反應更易進行。

3 結論

采用二級反應速率模型對細微玉米粉同步液化糖化反應進行動力學分析,探討了溫度和pH對糖化速率和葡萄糖收率的影響,得到如下結論。

細微玉米粉的同步糖化反應符合2級反應速率模型,在30 ℃、pH為6.0條件下同步糖化反應速率常數為0.0022(g/L)-1·h-1,葡萄糖收率為79.2%。

pH對反應速率常數和葡萄糖收率具有顯著性影響,而溫度對葡萄糖收率影響不大,對反應速率常數呈顯著性影響,在60 ℃、pH6.0條件下,葡萄糖收率最高,達到84.6%,反應速率常數為0.0088(g/L)-1·h-1。

在溫度為30～70 ℃的溫度范圍內,糖化速率常數與溫度的關系可用Arrhenius方程式表示,其反應活化能為3.3×104J/mol。

[1]郝向英. 馬鈴薯淀粉的催化水解動力學[J]. 內蒙古農業科技,1999,(5):18-19.

[2]鐘坤,譚德冠,孫雪飄,等.木薯淀粉生料發酵生產酒精研究[J]. 中國農學通報,2014,30(6):119-123.

[3]Kimura A,Robyt JF. Reaction of enzymes with starch granules:kinetics and products of the reaction with glucoamylase[J]. CarbohydrRes,1995(277):87-107.

[4]楊敏,楊繼濤,虎玉森,等. 馬鈴薯渣生料發酵同步糖化發酵生產乙醇工藝研究[J]. 中國釀造,2013,32(2):106-109.

[5]王兵,王蔚新.玉米粉醪液同步糖化發酵工藝研究[J]. 園藝和種苗,2012,71(4):62-63.

[6]肖長清,戚天勝，趙海.生淀粉糖化酶產生菌Aspergillus niger(6#)的分離篩選及其產酶條件[J].應用與環境生物學報,2006,12(1):76-79.

[7]Nakamura T,Ogata Y,Hamada S,et al. Ethanol production from Jerusalem artichoke tubers by Arpergillus niger and Saccharomyces cerevisiae.J[J].Fement Bioeng,1996,81:564-566.

[8]葛向陽,王麗森,張偉國. 利用根霉和釀酒酵母轉化生玉米粉為高濃度酒精[J].微生物學通報,2007,34(2):261-264.

[9]Nakamura T,Ogata Y,Hamada S,et al. Ethanol production from Jerusalem artichoke tubers by Arpergillus niger and Saccharomyces cerevisiae.J[J].Fement Bioeng,1996,81:564-566.

[10]吳琴燕,楊敬輝,潘以樓,等.微粉碎甘薯原料的生料發酵[J].中國糧油學報,2010,25(2):50-53.

[11]孫子羽,遲乃玉,王宇，等. 低溫生淀粉糖化酶菌株RS01分離及其酶學性質[J].微生物學通報,2010,37(6):798-802.

[12]Li Sen Wang，Xiang Yang Ge，Wei guo Zhang. Improvement of ethanol yield from raw corn flour by Rhizopus sp[J]. World J Microbiol Biotechnol,2007(23):461-465.

[13]吳俊,李斌,蘇喜生，等.玉米淀粉的粒度效應與其微觀形貌和性能關系研究[J].中國糧油學報,2004,19(5):23-26.

[14]繆冶煉,吳琴燕,姜岷,等. 細微玉米粉的低溫酶解[J].中國農業工程學報,2007,23(9):220-224.

[15]張龍翔,張庭芳,李令媛. 生化實驗方法和技術[M]. 北京:高等教育出版社,2001.

[16]許越.化學反應動力學[M].北京:化學工業出版社.2004.

[17]韓丙軍,陳麗霞,黃華平,等.素 A 降解動力學研究[J].熱帶作物學報,2008,29(1):97-10.

Study on the kinetics of simultaneous liquefaction and saccharification with micronized corn flours

LI Xue-ying

(Xinjiang Institute of Light Industry Technology,Urumqi 830021,China)

In order to establish the rate model of simultaneous liquefaction and saccharification(SILS),simultaneous enzymatic hydrolysis of the micronized corn flour samples were carried out using commercially available a-amylase and glucoamylase,and effect of pH and temperature on rate constant and glucose yield were studied. Experimental results showed that the kinetics of SILS accorded with the character of the two order reaction. Both the glucose yield and reaction rate constant were affected significantly by the pH of feed mixture(p<0.05).The effect of SILS temperature on the glucose yield was not significant(p>0.05),but it had significant effect on the reaction rate constant(p<0.05). Under the condition of temperature at 60 ℃ and pH at 6.0,the highest glucose yield reached 84.6% and the reaction rate constant was 0.0088(g/L)-1·h-1. In the temperature range of 30～70 ℃,the relationship between reaction rate constant and temperature could be expressed by Arrhenius equation. The activation energy was 3.3×104J·mol-1for the SILS of micronized corn flours. The study on the Kinetics and activation energy of SILS could provide a good guiding significance for application in production.

micronized corn flour;simultaneous liquefaction and saccharification;reaction kinetics;glucose yield

2015-01-23

李學英(1963-), 女, 本科，副教授,研究方向： 農產品深加工，E-mail:64816324@qq.com。

TS245.4

A

1002-0306(2015)21-0115-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.015