高温酶法制备多孔淀粉的方法

专利名称：高温酶法制备多孔淀粉的方法
技术领域：
本发明涉及食品和化工领域淀粉的制备方法，具体是高温酶法制备多孔淀粉的方法。
背景技术：
淀粉酶已经在工业上广泛使用，用于生产葡萄糖、麦芽糖、异麦芽糖和果葡糖浆等各种淀粉糖品。目前常用的商品淀粉酶制剂，有几类可以用于酶解制备多孔淀粉(1)液化酶，也称为α-淀粉酶，如果以其最适作用温度来区分，还可以细分为中温淀粉酶和高温淀粉酶。该酶为内切酶，能够水解α-1，4糖甙键，对α-1，6糖甙键没有水解作用。(2)糖化酶，有葡萄糖淀粉酶、β-淀粉酶等多种，主要用于生产葡萄糖、麦芽糖浆等产品，其中葡萄糖淀粉酶为外切酶，能够水解α-1，4和α-1，6糖甙键，是适于酶解淀粉制备多孔淀粉的糖化酶。这些糖化酶与α-淀粉酶协同能够更快、更大程度的水解颗粒态原淀粉(简称生淀粉，与糊化态的淀粉对应，以下同)。(3)脱支酶，如普鲁兰酶，该酶只能够水解α-1，6糖甙键，单独使用不能水解生淀粉，可以与葡萄糖淀粉酶等糖化酶协同作用，显著地加快水解速度。其它的如葡萄糖转甙酶、异构酶等淀粉酶，不能用于制备多孔淀粉。目前国内外酶法制备多孔淀粉的传统方法包括如下步骤(1)颗粒态原淀粉调浆；(2)在糊化温度下的酶解反应；(3)过滤洗涤、脱水、干燥制得多孔淀粉。由此可见，酶解反应是制备多孔淀粉的关键步骤。其影响因素有三个方面(1)酶的种类，用量等。(2)淀粉的种类。(3)酶解条件，如反应温度、pH、时间、浓度等。
与糊化态的淀粉不同，不同种类的原淀粉不仅有链、支淀粉比例的差别，也有颗粒结晶结构、致密程度、粒度大小的差别，它们对酶促的敏感性、水解性不同。不是所有的淀粉被淀粉酶作用后都能产生多孔状，如香蕉、百合淀粉只在颗粒表面产生螺纹，适于制备多孔淀粉的材料有大米、玉米、小麦、木薯、马铃薯、红薯、芭蕉芋等淀粉，这些常用的淀粉也适于用本发明的方法来制备多孔淀粉。
淀粉分散在冷水中，搅拌成乳白色不透明的悬浮液，将淀粉乳不断加热升温，淀粉颗粒大量地吸水溶胀，体积不断变大，最后破裂、分散，结晶结构受到破坏，变成(半)透明粘稠的淀粉糊，淀粉发生糊化的温度称为糊化温度。因此，制备多孔淀粉的传统方法在酶解过程中，为了保持最终产物的颗粒形态，以及顺利进行后序的洗涤精制，酶解反应必须在糊化温度下完成，反应温度一般小于50℃，目前采用的反应温度范围为25～50℃，其他的酶解条件，如pH控制在淀粉酶的作用条件范围，以酶用量、酶解时间来控制淀粉颗粒的水解率。
酶是一类具有高度催化活性的特殊蛋白质，影响酶催化反应的因素，主要有反应温度、pH、酶浓度、底物浓度、激活剂等等，每种酶都有一个最适作用条件，即作用最适的温度、pH范围，只有在这种最适作用条件下，酶才显示最大的活性，作用条件超出这种最适范围，酶的催化活力将大大降低。国内外常用的商品淀粉酶制剂中，BF7658，BAN型等中温α-淀粉酶的最适作用温度为60～70℃，pH为6.0～7.0；Termamyl、GC、Spezyme AA型等耐高温α-淀粉酶的最适作用pH5.5～6.5，温度在90℃以上，在90～100℃可长时间保持酶的活力，在105～110℃时酶的活力的半衰期可达1～5分钟，适于淀粉的喷射液化；AMG，OPTIDEX等葡萄糖淀粉酶的最适作用温度55～65℃，pH4.0～4.5；β-淀粉酶的最适作用温度55～65℃，pH5.0～6.0；Promozyme、OPTIMAX等型号的普鲁兰酶的最适作用温度55～65℃，pH4.5～5.5，该酶与葡萄糖淀粉酶等糖化酶复配成的复合酶，最适温度55～65℃，pH4.2～4.8。
从以上两个方面的论述比较可见，在多孔淀粉的酶法制备的传统方法工艺中，酶解温度低于各种商品酶制剂的最适作用温度。其次，在糊化温度下，淀粉依然保持完整的颗粒与结晶结构，其可渗性、淀粉分子链柔性和活性以及与淀粉酶的结合能力差，所以，传统方法的酶解反应速度非常慢，水解程度较小，多孔性较差。因此，为了提高酶解反应速度、效率和淀粉水解度，采用了许多方法予以改进，用酸、热、冷冻干燥或十二烷基硫酸钠处理淀粉可以提高水解率；或者增加Ca2+浓度提高淀粉酶的活力的稳定性，采用α-淀粉酶、糖化酶等多种酶的协同作用，延长酶解时间(＞24hr)，提高酶解程度；更多的是采用增加酶用量的简单方法，葡萄糖淀粉酶或α-淀粉酶的用量高达1.0％以上(w/w对干淀粉，目前淀粉制糖工业酶用量一般0.04％～0.10％)。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种高温酶法制备多孔淀粉的方法，在传统方法基础上，对颗粒态原淀粉采用环氧氯丙烷(ECH)、三氯氧磷(POCl3)、三偏磷酸钠、甲醛、乙醛等具有多官能的化学试剂进行交联预处理，再用淀粉酶酶解制备多孔淀粉。
本发明的高温酶法制备多孔淀粉的方法包括如下步骤(1)把100重量份的淀粉原料用水调浆，乳浓度35.0％-50.0％重量，调节淀粉乳的pH在1.5～12.5之间，温度在10～55℃；(2)添加0.01～15重量份的多官能团的交联剂，在20～50℃下搅拌反应1～30小时，制备交联淀粉；(3)调节乳液pH值6.0～7.0，脱水洗涤，干燥得到固体粉末状的交联淀粉；(4)调节乳浓度为20～50％(w/w)，加入淀粉酶0.01～1.00重量份，酶解时间为0.3～10小时；(5)调节pH至6.0～7.0，过滤洗涤，离心脱水，滤饼经粉碎后干燥得到多孔淀粉。
所述多官能团的交联剂是环氧氯丙烷(ECH)、三氯氧磷(POCl3)、三偏磷酸钠、甲醛或乙醛。
所述淀粉酶是α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、真菌淀粉酶或β-淀粉酶。
所述淀粉原料是大米、玉米、小麦、木薯、马铃薯、红薯、芭蕉芋中的一种或一种以上。
在步骤(1)中淀粉乳浓度最好控制在35～45％重量，用4.0％的NaOH或10％的HCl溶液调节淀粉乳的pH在1.5～12.5之间，温度在20～50℃。
步骤(2)中在不断搅拌下添加交联剂，通过调节交联剂的用量、反应pH、温度和时间，可以制备出不同交联度、溶胀性质的系列交联淀粉，总之，其糊化温度要比原淀粉高。
步骤(3)中，干燥得到固体粉末状的交联淀粉后，可以再调浆进行下一步的酶解反应；或者交联反应结束后，用碱液或者酸液调节乳液的pH值至所用酶制剂的最适作用pH值范围，直接进入下一步的酶解反应。
步骤(5)中的干燥可以采用气流干燥器或其他干燥器进行干燥，得到多孔淀粉。
本发明的方法的生产流程可以分为三大部分淀粉交联预处理，酶解反应和后序的精制、脱水、干燥部分，与旧有的传统方法直接取原淀粉用于制备多孔淀粉相比，本发明则增加了“淀粉交联预处理”这一部分内容，后序处理则没有差别。酶解反应由于淀粉、交联淀粉性质的差异而采用不同的工艺和条件。
本发明与现有技术相比，具有如下优点本发明的主要特点是在高温作用下酶解制备多孔淀粉，具体表现在如下的方面1.预处理可以制造不用糊化、溶胀特性的系列交联淀粉，能够承受瞬间高温(＞110℃)，长时间的较高温度(90～100℃)及剪切的作用而保持颗粒的形态。因此，适于商品中温α-淀粉酶和各种糖化酶在55～70℃的温度下(协同)作用。总之，本发明方法可以在远高于原淀粉的糊化温度的条件下，制备多孔淀粉，并适于采用连续高温喷射的酶作用，高效快速。
2.淀粉颗粒在高温热作用下，颗粒结晶结构受到破坏，溶胀、渗透性增强，淀粉分子链的柔性和活性大为增强，底物与淀粉酶的结合、反应、脱离更加容易，对酶解作用十分有利；其次，酶解反应又可以调控在淀粉酶的最适作用温度下进行，因此，通过改善底物的特性，又合适于酶的作用性质，双管齐下，使酶促淀粉颗粒的反应速度加快，程度较大，因此，在低的酶用量下(传统方法酶用量的1/20～1/3)，在较短的反应时间里(1～4hr，传统方法8～30hr)，仍可以保持较高的酶解速度和程度，很容易控制水解率在5～80％。淀粉水解率过高或太低，都会降低多孔淀粉的比表面积，过高还会减少产品的收率，孔径变得太大，实用性变差，比较合适的水解率在15～50％之间。
3.在本方法中，除了用交联剂处理原淀粉，再进行酶促多孔化的作用外，只要合适，还可以直接采用(外购)交联淀粉商品为原料，再进行高温酶促处理制备多孔淀粉，具有方便性和实用性。
4.在本发明中，由于淀粉经交联强化颗粒结构处理后，可以在较宽的温度范围内进行酶促的多孔化处理，比较传统的方法，(多)酶解工艺、流程及其参数控制更具有多样性，因此，本法不仅能够方便的控制淀粉的水解程度，而且能够方便控制淀粉颗粒的微孔特性。
具体实施例方式
实施例11.交联淀粉的制备称取100重量份的木薯、玉米淀粉或其它原淀粉，以及0.1～10重量份的NaCl或Na2SO4等抑制剂，搅拌分散于水中，乳浓度为35～45％，并缓慢流加入4.0％(w/w)的NaOH溶液调节pH至8～13，反应温度为20～50℃，再加入0.01～10重量的ECH、POCl3、己二酸、柠檬酸和醋酸酐混合物等交联剂，搅拌反应0.5～20hr，用10％H2SO4或HCl至pH6～7，过滤、洗涤和脱水，干燥得到交联淀粉。
另外，某些交联剂(如甲醛等)要在酸性条件下才能起作用，则先用10％H2SO4或HCl溶液把淀粉乳浆的pH调节至1.5～4.0，反应温度20～50℃，加入0.01～10重量份的甲醛、乙醛、丙烯醛，反应时间0.5～10hr，然后用4.0％(w/w)的NaOH溶液中和体系的pH至6.0～7.0，过滤、洗涤、脱水和干燥，得到交联淀粉。
通过控制各种工艺条件及参数，主要是添加不同比例用量的交联剂，制备得到不同溶胀、糊化特性的交联淀粉系列，能够满足各种不同酶制剂在其合适作用条件下进行酶解多孔化处理。
2.酶解多孔化处理例1.取用6.0％ECH(对淀粉重)在30℃交联处理所得的交联木薯淀粉，调浆后用各种酶分别进行如下处理(1)用杰能科公司的OPTIDEXTML-400型糖化酶，酶用量为1000u/g，在温度56～60℃，pH4.2～4.4条件下进行作用，水解率随酶解时间的变化结果列于表1。
表1.水解率随酶解时间的变化结果

(2)用诺维信公司的DextrozymeTME型的复合糖化酶，酶用量1000u/g，在温度56～60℃，pH4.2～4.4，水解率随酶解时间的变化结果列于表2。
表2.水解率随酶解时间的变化结果

由表1、2结果可见，(复合)糖化酶对6.0％ECH交联淀粉的作用非常小，6.0％ECH交联淀粉不能用(复合)糖化酶进行作用，来制备多孔淀粉。
(3)用诺维信公司的BAN中温α-淀粉酶，酶用量为100u/g，在温度60～64℃，pH6.0～6.2，水解率随酶解时间的变化结果列于表3。
表3.水解率随酶解时间的变化结果

(4)用诺维信公司的TermamylRSupra高温液化酶，酶用量100u/g，经105～115℃瞬间高温作用后，在温度95～100℃，pH5.3～5.5下继续作用，水解率随酶解时间的变化结果列于表4。
表4.水解率随酶解时间的变化结果

(5)用诺维信公司TermamylRSupra高温液化酶，酶用量100u/g，在温度96～100℃，pH5.3～5.5，先酶解反应30min，然后降温至56～58℃，调节pH至4.3～4.5，添加DextrozymeTME型的复合糖化酶，酶用量1000u/g，其水解率随酶解时间的变化结果列于表5。
表5.水解率随酶解时间的变化结果

由表3、4和5结果可见，复合糖化酶的作用依然非常小，液化酶对6.0％ECH交联淀粉产生了一定的作用，适于制备低水解度的多孔淀粉。
例2.取同样用6.0％ECH(对淀粉重)在30℃交联处理所得的交联玉米淀粉为原料，分别进行上述例1的同样处理，所得的结果与木薯淀粉相近。
例3.取用0.6％ECH(对淀粉重)在30℃交联处理所得的交联木薯淀粉，调浆后分别用各种酶进行如下处理(1)用杰能科公司的OPTIDEXTML-400型糖化酶，在温度56～60℃，pH4.2～4.5条件下进行作用，水解率随酶用量和酶解时间的变化结果列于表6。
表6.不同糖化酶用量和酶解时间对0.6％ECH交联淀粉水解率的影响(％)

由表1和6结果可见，交联剂用量对糖化酶的酶解作用影响很大，6.0％ECH高度的交联使得糖化酶几乎不起作用，糖化酶对0.6％ECH交联淀粉的酶解作用已经有一定影响。
(2)用诺维信公司的DextrozymeTME型的复合糖化酶，酶用量1000u/g，在温度56～60℃，pH4.2～4.4，水解率随酶用量和酶解时间的变化结果列于表7。
表7.不同复合糖化酶用量和酶解时间对0.6％ECH交联淀粉水解率的影响(％)

表6、7结果显示复合糖化酶在较高的酶用量下，其作用才变得更明显，0.6％ECH交联淀粉以(复合)糖化酶进行作用，适于制备低至低中等水解度的多孔淀粉。
(3)用诺维信公司的BAN中温α-淀粉酶，在温度60～64℃，pH6.0～6.2，水解率随酶用量和酶解时间的变化结果列于表8。
表8.不同中温液化酶用量和酶解时间对0.6％ECH交联淀粉水解率的影响(％)

由表8结果可见，0.6％ECH交联淀粉用中温α-淀粉酶进行作用，适于制备低至中等水解度的多孔淀粉。
(4)用诺维信公司的TermamylRSupra高温液化酶，酶用量50u/g，在温度95～100℃，pH5.2～5.6，先酶解反应20min，然后降温至56～60℃，调节pH至4.2～4.5，添加OPTDEXTML-400型糖化酶，酶用量100u/g，其水解率随酶解时间的变化结果列于表9。
表9.水解率随酶解时间的变化结果

由表9结果可见，该工艺适合制备中高水解度的产品。
例4.取用0.3％POCl3(对淀粉重)在30℃，pH10.4～10.6交联处理所得的交联玉米淀粉，调浆后分别用各种酶进行如下处理(1)用杰能科公司的OPTIDEXTML-400型糖化酶，在温度56～60℃，pH4.2～4.5条件下进行作用，水解率随酶用量和酶解时间的变化结果列于表10。
表10. 不同糖化酶用量和酶解时间对0.3％ POCl3交联淀粉水解率的影响(％)

由表10结果可见，0.3％POCl3交联淀粉用糖化酶进行作用，适于制备低至中等水解度的多孔淀粉。
(2)用诺维信公司的BAN中温α-淀粉酶，在温度60～64℃，pH6.0～6.2，水解率随酶用量和酶解时间的变化结果列于表11。
表11不同中温液化酶用量和酶解时间对0.3％POCl3交联淀粉水解率的影响(％)

由表11结果可见，0.3％POCl3交联淀粉用中温α-淀粉酶进行作用，适于制备低至中高等水解度的多孔淀粉。
(3)用诺维信公司的TermamylRSupra高温液化酶，酶用量50u/g，在温度95～100℃，pH5.2～5.6进行作用，0.3％POCl3交联淀粉大量水解成可溶性的小分子，残余的淀粉颗粒溶胀糊化，粘性大，难以洗涤精制，得率低。低交联度的变性淀粉难以用高温液化酶在高温下作用制备产品。
例5.按照传统酶法制备多孔淀粉的常规方法，分别用玉米、木薯、小麦原淀粉，当加OPTIDEXTML-400型糖化酶1200u/g，在44～46℃，pH4.2～4.5，酶解反应24hr，它们的水解率分别为46.4％、35.9％和32.2％；当加OPTIDEXTML-400型糖化酶1200u/g，在56～60℃，pH4.2～4.5进行酶解，淀粉溶胀大，糊化，体系粘度不断增大，30～40min后，体系难以均匀和搅拌，变成含“生粉粒”得浆糊；当加BAN中温α-淀粉酶120u/g，在温度60～64℃，pH6.0～6.2进行作用，淀粉溶胀大，糊化，体系粘度不断增大，30～40min后，体系难以均匀和搅拌，变成含“生粉粒”得浆糊，保温作用约2.5hr后，体系粘度又开始降低，直至最后全部液化，此乃类似于旧有的已被淘汰使用的淀粉升温保温液化的工艺和方法。
显然，玉米、木薯、小麦等原淀粉在稍高温度下(56～64℃)，难以用酶法制备多孔淀粉。在更高温度下(95～100℃)进行酶解，只会被水解成葡萄糖、麦芽糖、低聚糖和糊精等淀粉水解的可溶物，更不用提制备多孔淀粉。例5的对比例子从另一方面反映了本发明方法的优点。
实施例2(1)把100重量份的玉米淀粉原料用水调浆，乳浓度35.0％重量，调节淀粉乳的pH在12.5，温度在10℃；(2)添加0.01重量份的环氧氯丙烷，在50℃下搅拌反应30小时，制备交联淀粉；(3)调节乳液pH值6.0，脱水洗涤，干燥得到固体粉末状的交联淀粉；(4)调节乳浓度为20％(w/w)，加入α-淀粉酶0.01重量份，酶解时间为10小时；(5)调节pH至6.0，过滤洗涤，离心脱水，滤饼经粉碎后干燥得到多孔淀粉。
实施例3(1)把100重量份的木薯淀粉原料用水调浆，乳浓度50.0％重量，调节淀粉乳的pH在8.5之间，温度在50℃；(2)添加15重量份的三偏磷酸钠，在20℃下搅拌反应3小时，制备交联淀粉；(3)调节乳液pH值7.0，脱水洗涤，干燥得到固体粉末状的交联淀粉；(4)调节乳浓度为50％(w/w)，加入葡萄糖淀粉酶1.00重量份，酶解时间为0.3小时；(5)调节pH至7.0，过滤洗涤，离心脱水，滤饼经粉碎后干燥得到多孔淀粉。
实施例4(1)把100重量份的马铃薯淀粉原料用水调浆，乳浓度45.0％重量，用4.0％的NaOH溶液调节淀粉乳的pH在10之间，温度在20℃；(2)添加10重量份的三氯氧磷，在30℃下搅拌反应1小时，制备交联淀粉；(3)调节乳液pH值6.5，脱水洗涤，干燥得到固体粉末状的交联淀粉；(4)调节乳浓度为30％(w/w)，加入真菌淀粉酶0.5重量份，酶解时间为5小时；(5)调节pH至6.5，过滤洗涤，离心脱水，滤饼经粉碎后干燥得到多孔淀粉。
实施例5(1)把100重量份的玉米和小麦淀粉原料用水调浆，乳浓度35.0％重量，用10％的HCl溶液调节淀粉乳的pH在1.5，温度在35℃；(2)添加0.05重量份的柠檬酸和醋酸酐混合物，在40℃下搅拌反应20小时，制备交联淀粉；(3)调节乳液pH值7.0，脱水洗涤，干燥得到固体粉末状的交联淀粉；(4)调节乳浓度为35％(w/w)，加入β-淀粉酶0.05重量份，酶解时间为0.8小时；(5)调节pH至7.0，过滤洗涤，离心脱水，滤饼经粉碎后干燥得到多孔淀粉。
权利要求
1.一种高温酶法制备多孔淀粉的方法，其特征在于包括如下步骤(1)把100重量份的淀粉原料用水调浆，乳浓度35.0％-50.0％重量，调节淀粉乳的pH在1.5～12.5之间，温度在10～55℃；(2)添加0.01～15重量份的多官能团的交联剂，在20～50℃下搅拌反应1～30小时，制备交联淀粉；(3)调节乳液pH值6.0～7.0，脱水洗涤，干燥得到固体粉末状的交联淀粉；(4)调节乳浓度为20～50％(w/w)，加入淀粉酶0.01～1.00重量份，酶解时间为0.3～10小时；(5)调节pH至6.0～7.0，过滤洗涤，离心脱水，滤饼经粉碎后干燥得到多孔淀粉；所述多官能团的交联剂是环氧氯丙烷(ECH)、三氯氧磷(POCl3)、三偏磷酸钠、己二酸、柠檬酸和醋酸酐混合物、甲醛或乙醛。
2.根据权利要求1所述的高温酶法制备多孔淀粉的方法，其特征在于所述淀粉酶是α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、真菌淀粉酶或β-淀粉酶。
3.根据权利要求1或2所述的高温酶法制备多孔淀粉的方法，其特征在于所述淀粉原料是大米、玉米、小麦、木薯、马铃薯、红薯、芭蕉芋中的一种或一种以上。
4.根据权利要求3所述的高温酶法制备多孔淀粉的方法，其特征在于在步骤(1)中淀粉乳浓度控制在35～45％重量，用4.0％的NaOH或10％的HCl溶液调节淀粉乳的pH，温度在20～50℃。
全文摘要
本发明涉及一种高温酶法制备多孔淀粉的方法，包括把100重量份的淀粉原料用水调浆，乳浓度35.0％－50.0％重量，调节淀粉乳的pH在1.5～12.5之间，温度在10～55℃；添加0.01～15重量份的多官能团的交联剂，在20～50℃下搅拌反应1～30小时，制备交联淀粉；调节乳液pH值6.0～7.0，脱水洗涤，干燥得到固体粉末状的交联淀粉；调节乳浓度为20～50％(w/w)，加入淀粉酶0.01～1.00重量份，酶解时间为0.3～10小时；调节pH至6.0～7.0，过滤洗涤，离心脱水，滤饼经粉碎后干燥得到多孔淀粉；本发明的方法酶用量低，时间短，易控制制备不同水解度产物。
文档编号C12P19/00GK1661028SQ20041007750
公开日2005年8月31日 申请日期2004年12月22日 优先权日2004年12月22日
发明者黄立新, 余若黔, 杨晓泉, 温其标, 黄农荣, 王航, 熊丽苹 申请人:华南理工大学