对生淀粉进行膨胀处理以及酶糖化的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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a -淀粉酶中， 在大约100°C左右进行糊化，然后在90°C下保持1~3h，接着冷却至60°C，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。
[0004] 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。
[0005] 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， a -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宄，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】
[0006] 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°C下，对所述淀粉浆进行热处理，使得生淀粉颗粒膨胀。
[0007] 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°C、优选50-58°C、更优选50-55°C ;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。
[0008] 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。
[0009] 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《 _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°C、优选在32°C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。
[0010] 本发明的优点在于：
[0011] 首先，相对于现有生淀粉糖化工艺，本发明明确研宄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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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】
[0015] 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。
[0016]图2为普通玉米淀粉的颗粒膨胀系数随孵育时间的变化曲线，每个值为三次独立 测量结果的平均值。
[0017] 图3为普通玉米淀粉在特定温度（a:对照，未经热处理；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 分钟时，用 40 倍物镜在 普通可见光下所观察到的淀粉颗粒样品。
[0018]图4为在生淀粉酶糖化过程中原料生淀粉转化率随时间变化的曲线。
[0019] 图5A-5I为在生淀粉酶糖化过程中，普通玉米淀粉样品的扫描电子显微图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明所使用的术语"生淀粉"是指未经熟化的淀粉，也可以理解为未经过糊化的 淀粉颗粒，即所述淀粉的晶体结构未被破坏；或者可以直接理解为直接从含淀粉的原料中 经粉碎、筛分等步骤后得到的淀粉颗粒。可用于本发明的生淀粉的实例包括：普通玉米淀 粉、糯玉米粉、蜡质玉米淀粉等，其中，优选普通玉米淀粉，普通玉米淀粉为最常用的可通过 生淀粉酶酶解糖化生产乙醇的原料。在另一大量使用的淀粉中，木薯淀粉也可作为生产乙 醇的原料，其淀粉粒结构，以及淀粉、灰分、纤维、蛋白等的组成与玉米淀粉相近。
[0021] 本发明所使用的术语"生淀粉酶"是指对不经过蒸煮糊化的生淀粉颗粒能够表现 出强水解活性的一类酶。例如a-淀粉酶。生淀粉酶如杰能科公司的StarGen 001型生淀 粉酶，其可以将生淀粉浆转化为单糖。
[0022] 在本发明中，还可使用a _淀粉酶和糖化酶的混合物，两者