[发明专利]对生淀粉进行膨胀处理以及酶糖化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及食品加工及生物能源领域，具体而言，本发明涉及一种对生淀粉进行膨胀处理以及酶糖化的方法。

背景技术

乙醇是主要的可再生液体燃料，它具有悠久的历史和良好的性能，用于80％的汽车和其他轻型运输车辆。在乙醇的生产过程中需经微生物发酵，而微生物受生理生化特性的制约，在进行新陈代谢时，只能有效地利用营养物中的单糖和二糖，不能利用多聚糖类，如酵母菌和大部分细菌只能利用葡萄糖、果糖、蔗糖、半乳糖及部分麦芽糖等，不能利用糊精、淀粉等大分子物质，因此，需要首先对淀粉进行糖化，即将淀粉物质转化为短链糊精以及单糖发酵糖。

传统的淀粉糖化工艺操作是：将大约30％的淀粉乳加入到耐高温α-淀粉酶中，在大约100℃左右进行糊化，然后在90℃下保持1～3h，接着冷却至60℃，再添加葡萄糖糖化酶，从而将淀粉转化为小分子糖类物质。这一过程在经济上存在不足，主要是由于蒸煮液化操作步骤需要较高的设备投资以及高的能源消耗。

目前，出现了一种新的替代方法，即采用生淀粉酶将淀粉颗粒或未经蒸煮的淀粉水解为葡萄糖和其它发酵糖。该过程无需蒸煮和液化过程中所需的高温，同时可以减少乙醇生产过程中能量需求，并且降低美拉德反应中不良副产物的形成。另外，该方法可以简化操作，并消除了蒸煮和冷却过程中以及设备需要处理高粘度淀粉浆的要求。生淀粉酶是市售的，已经应用在同步糖化发酵生产乙醇的工艺中。

然而，淀粉颗粒的酶法水解是一个固溶体两相反应，这个反应中酶需要扩散至底物，绑定到固体淀粉颗粒上，然后切割糖苷键。酶法水解淀粉颗粒的初始阶段为酶与淀粉颗粒相结合，因此，颗粒淀粉水解率与初始形态、孔隙率、淀粉颗粒的粒径和表面积有关，α-淀粉酶和糖化酶的颗粒尺寸偏大，分别为几纳米。因为其相对较大的尺寸，这些酶与淀粉颗粒的结合受到限制，从而降低了颗粒淀粉的水解率。为解决该问题，本发明人对酶与淀粉颗粒的结合进行了研究，发现颗粒膨胀可增加淀粉颗粒的比表面积(每单位质量的干淀粉表面面积)并破坏淀粉颗粒表面。发明人推测，即使是微小的颗粒膨胀也会对颗粒淀粉的酶促水解产生积极的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种对生淀粉进行膨胀处理的方法，所述方法包括将水与生淀粉混合制成淀粉浆，然后在40-90℃下，对所述淀粉浆进行热处理，使得生淀粉颗粒膨胀。

其中，所述生淀粉为玉米淀粉、木薯粉或大米淀粉，优选玉米淀粉；所述热处理的温度为40-60℃、优选50-58℃、更优选50-55℃；所述热处理的时间为至少0.5h、优选0.5-24h、或0.5-4h；并且，在进行所述热处理后，所述生淀粉颗粒的膨胀系数为2-2.5、2.5-4、4-6、6-9或9-18。

本发明的另一目的是提供一种对生淀粉进行酶糖化的方法，所述方法采用经处理得到的膨胀后的生淀粉，并且使得所述膨胀后的生淀粉与酶接触；优选地，所述方法在同一反应容器中完成。

其中，所述酶为生淀粉酶、糖化酶、或两者的混合物，优选生淀粉酶与糖化酶的混合物，所述生淀粉酶优选为α-淀粉酶；所述膨胀后的生淀粉的干物质含量按重量计为15-40％、优选15-30％、更优选30％；所述膨胀后的生淀粉与所述酶之间的反应在28～36℃、优选在32℃下进行；所述膨胀后的生淀粉与所述酶之间的反应在pH＝4.0-4.5、优选pH＝4.2的条件下进行。

本发明的优点在于：

首先，相对于现有生淀粉糖化工艺，本发明明确研究了膨胀系数与生淀粉酶酶解效率的相关性，因此提出了基于膨胀系数提高淀粉糖化效率的方法。

其次，本发明在对生淀粉进行酶糖化以及发酵生产乙醇之前，首先在特定温度下对生淀粉颗粒进行热处理，提高了生淀粉酶糖化的效率，从而降低了生淀粉酶的需要量。生淀粉酶比传统的酶价格更加昂贵，在乙醇生产的经济学上，生淀粉酶的用量是一个重要因素。虽然玉米淀粉颗粒的热处理导致少量的能源消耗，但生淀粉酶量的减少能够显著降低乙醇的生产成本。

在进行同步糖化发酵生产乙醇的工艺中，本发明的方法在酶促反应的早期阶段，热处理能够显著促进淀粉颗粒转化为发酵糖，这也将有益于乙醇生产过程中酵母的发酵，因为相对于发酵阶段的后期，在发酵的早期阶段酵母的快速增长(尤其是对数生长期)需要更多的葡萄糖作为碳源，从而有利于乙醇的生产。

再次，相对于现有工业化淀粉糖化工艺，本发明的生淀粉糖化工艺更加节能，并且大大降低了工艺设备投资费用。

附图说明

图1为普通玉米淀粉颗粒在不同温度下的膨胀系数曲线，每个值为三次独立测量结果的平均值。