稻米酶法制取超高纯度麦芽糖浆工艺研究

2010-09-13林亲录肖华西喻凤香李丽辉王湛淅

食品科学 2010年10期

林亲录，肖华西，喻凤香，刘星，李丽辉，王湛淅

(1.中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南长沙 410128；2.粮油深加工与品质控制湖南省重点实验室，湖南长沙410128；3.万福生科(湖南)农业开发股份有限公司，湖南常德 410300)

稻米酶法制取超高纯度麦芽糖浆工艺研究

林亲录1,2，肖华西1，喻凤香1，刘星1，李丽辉1,2，王湛淅3

以稻米为原料，以耐高温α-淀粉酶为液化酶，以真菌淀粉酶和普鲁兰酶两种糖化酶协同糖化，研究稻米高纯度麦芽糖浆制取技术。结果表明：控制液化值为14左右，糖化时真菌淀粉酶和普鲁兰酶用量分别为0.6FAU/g干米淀粉和0.3PUN/g干米淀粉，糖化时间控制在18h左右、糖化温度59℃、糖化pH5.5，可以制得麦芽糖含量85%以上的超高麦芽糖浆。

稻米；液化；糖化；酶；麦芽糖

Abstract：Liquefaction with heat-stable α-amylase and combined saccharification with fungal amylase and pullulanase for the production of high purity maltose syrup from early Indica rice were studied. Results showed that the final product containing more than 85% of maltose was obtained through liquefaction resulting in DE value followed by combined saccharification for 18 h with fungal amylase at a dosage of 0.6 FAU/g dried rice starch and pullulanase at a dosage of 0.3 PUN/gdried rice starch at 59 ℃ and pH 5.5.

Key words：early Indica rice；liquefaction；saccharification；enzyme；maltose

目前我国稻谷的年产量已经达到了1.95亿吨左右，占全国粮食总产量的40%、世界稻谷总产量的37%，居世界首位。每年稻谷初加工(碾米)中有近2000万吨碎米等稻米副产品未得到很好的开发利用[1]。另外，我国稻谷生产阶段性与结构性过剩现象时有发生，如食用品质较差的早籼稻压库严重，给国家财政造成沉重负担，稻谷的价格下滑，严重影响农民收入的提高和农村经济的进一步发展。因此，如何通过稻米深加工途径来达到高效增值的效果，一直是科研人员和企业共同努力的方向[2]。

麦芽糖因其优越的加工性能和理化特性，应用范围非常广泛，已引起国内外食品、医药、化工等领域的高度重视。依麦芽糖含量的高低，麦芽糖浆可分为普通麦芽糖浆、高麦芽糖浆和超高麦芽糖浆。干物质中麦芽糖含量小于60%的为普通麦芽糖浆，大于60%而小于80% 的为高麦芽糖浆，大于80%的麦芽糖浆为超高麦芽糖浆[3-4]。目前生产麦芽糖浆的主要原料是玉米淀粉，以玉米淀粉生产麦芽糖浆技术比较成熟而且在生产上已大规模化投产应用，但是目前生产上投产的技术产品中麦芽糖含量(以干物质计)少有超过80%的，因为超高麦芽糖浆不仅生产成本较高，而且技术很不稳定，以稻米特别是低值稻米(节碎米等)为原料生产超高纯度麦芽糖浆更是少有报道。

本实验以我国早籼米等食用品质较差的低值稻米为原料，研究耐高温α-淀粉酶和真菌淀粉酶等几种酶配合使用，生产高纯度麦芽糖的工艺技术，旨在为稻米高纯度麦芽糖生产提供一定的理论指导和实际参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

普通食用早籼米市购。

耐高温α-淀粉酶(Termamyl Supra，酶活力20000U/mL)、真菌淀粉酶(Fungamyl 800L，酶活力800FAU/g)、普鲁兰酶(Promozyme 500L，酶活力500PUN/g) 诺维信公司。

1.2 仪器与设备

SHZ可调温水浴振荡器上海医疗器械厂；W501可调温温油浴锅上海申胜生物技术有限公司；80-2高速离心机上海手术器械厂；LC-20AT高效液相色谱(HPLC)系统日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 超高麦芽糖浆工艺流程与操作要点

1.3.1.1 工艺流程

1.3.1.2 操作要点

稻米预处理：破碎成60目以上，加适当水浸泡2～6h。

调浆喷射液化：浸泡后的米浆加一定量耐高温α-淀粉酶，调成质量分数30%～33%的米浆液，调pH值，经105～110℃喷射液化，在95℃保温液化一定时间，控制液化DE值，灭酶。

脱渣：采用离心或过滤方法脱除米蛋白等成分。

糖化：调整滤液pH值，并加一定量的真菌淀粉酶和普鲁兰酶等糖化酶，在设定温度下糖化一定时间，灭酶。

精制、浓缩：加活性炭脱色，离子交换脱除离子，通过降膜浓缩法浓缩至所需浓度即可。

1.3.2 检测方法

DE值：采用碘量法[5]；麦芽糖含量：采用高效液相色谱法(HPLC)[6]。

1.3.3 色谱条件

LC-20AT高效液相色谱系统：色谱柱：碳水化合物分析柱(4.6mm×250mm)；流动相：乙腈-水(80:20，V/V)，流速1.0mL/min；柱温：30℃。示差折光检测器RID-10A。

2 结果与分析

2.1 液化参数的选择与麦芽糖粉含量的关系

2.1.1 液化DE值对麦芽糖含量的的影响

本研究对适宜的液化程度进行了对比研究，发现液化度太高或太低都不利于麦芽糖的生成(液化度越高则DE值越高，液化度越低则DE值越低)[7]。从图1可以看出，液化后，真菌淀粉酶(用量为0.6FAU/g 干米淀粉)和普鲁兰酶(用量为0.3PUN/g干米淀粉)两种糖化酶协同糖化，当DE值为14时，麦芽糖含量达到85%(干质量)以上；液化度太高，即DE值大于14后，麦芽糖含量有降低趋势。其主要原因可能是过度液化后，糖化过程中导致了葡萄糖等单糖的大量形成[7-8]。

图1 液化DE值与成品麦芽糖含量的关系Fig.1 Effect of post-liquefaction DE value on maltose content in the final dried product

2.1.2 液化酶的用量和液化时间对DE值的影响

图2 耐高温α-淀粉酶液化时间与液化DE值的关系Fig.2 Relationship between heat-stableα-amylase dosage and post-liquefaction DE value

图3 耐高温α-淀粉酶液化时间与液化DE值的关系Fig.3 Relationship between liquefaction time and post-liquefaction DE value

影响液化DE值的因素很多，从经济的角度看，液化酶的使用量越低越好，在保证液化DE值为14的前提下，选用了不同用量的液化酶，从图2可以看出，当耐高温α-淀粉酶用量为9U/g干米淀粉时，DE值就可以达到14，用量增加不仅增加成本，而且促使DE值增加后不利于后续糖化过程中麦芽糖的形成[9]。从图3可以看出，当液化时间为105min左右时，DE值达到14。1个酶活力单位定义为：1U为在确定的最适反应条件下，每分钟催化1μmol底物转变成产物所需的酶量。

2.2 糖化参数的选择与麦芽糖含量的关系

2.2.1 糖化酶协同使用对麦芽糖含量的影响

真菌淀粉酶是一种常用的糖化酶，而且有产麦芽糖的功效，有些厂家就直接用真菌淀粉酶糖化生产麦芽糖浆[10]，但是本实验研究发现，添加一定量的普鲁兰酶后，有极显著的增效作用，能显著提高麦芽糖产量。如表1所示，单独用真菌淀粉酶(用量为0.6FAU/g干米淀粉)或普鲁兰酶(用量为0.3PUN/g干米淀粉)，糖浆中麦芽糖含量分别为60%或9%左右，而真菌淀粉酶和普鲁兰酶同时使用时，可以达到85%以上，差异极显著。这主要是因为淀粉有直链和支链淀粉之分，籼米淀粉包含有部分支链淀粉，真菌淀粉酶主要是降解α-1,4糖苷键，很难降解支链中的α-1,6糖苷键，而普鲁兰酶是一种典型的分支酶，几乎不能降解α-1,4糖苷键，却能选择性降解α-1,6糖苷键[11-12]，因此，该两种糖化酶结合使用，具有协同增效作用，能极显著提高麦芽糖含量，也有学者研究过以β-淀粉酶为主要糖化酶来生产麦芽糖浆，麦芽糖含量也比较高，但是β-淀粉酶价格太贵，目前在生产上推广有一定的难度。

表1 不同糖化酶糖化18h后糖浆中麦芽糖含量比较Table 1 Comparison of maltose content in the final dried product obtained after 18 h saccharification with fungal amylase and pullulanase or each of them

2.2.2 真菌淀粉酶的用量对麦芽糖含量的影响

从2.2.1节结果可知，单独使用真菌淀粉酶，也能使麦芽糖达到60%左右，普鲁兰酶在麦芽糖生产过程中只是起到“分支”的效果[13]，而主要催化降解淀粉生成麦芽糖的还得靠真菌淀粉酶，因此，很有必要对真菌淀粉酶的适宜用量进一步研究。从图4可以看出，在通过预实验选择得到普鲁兰酶最佳用量为0.3PUN/g干米淀粉的基础上，发现当真菌淀粉酶使用量为0.6FAU/g干米淀粉时，麦芽糖得率最高，达到85%以上，继续增加酶的用量并不能增加多少麦芽糖。

图4 真菌淀粉酶的用量与糖浆中麦芽糖含量关系Fig.4 Relationship between fungal amylase dosage and maltose content in the final dried product

2.2.3 糖化时间、pH值和温度对麦芽糖含量的影响

以两种糖化酶协同糖化时，对于糖化时间、pH值和温度等参数的选择尤为重要，从图5可以看出，当糖化时间为18h左右时结果比较理想；超过18h后，麦芽糖含量还略有降低，这可能是糖化时间过久，麦芽糖进一步转化为单糖或合成其他三糖等寡糖[13]。

图5 糖化时间与糖浆中麦芽糖含量的关系Fig.5 Relationship between saccharification time and maltose content in the final dried product

图6 pH值与糖浆中麦芽糖含量的关系Fig.6 Relationship between saccharification pH and maltose content in the final dried product

酶对pH值非常敏感，普鲁兰酶的最适pH值范围在4.5～5.5，而真菌淀粉酶的最适pH值范围在5.0～6.0，把该两种糖化酶混合使用时，调整适宜的pH值也是非常关键的。从图6可知，pH值为5.5左右时比较理想，有助于提高麦芽糖得率，高于或低于pH5.5时，麦芽糖含量均显著降低。

糖化过程中，另一个影响酶糖化的重要参数是温度，真菌淀粉酶和普鲁兰酶的最适温度不完全吻合，从图7可以看出，两种酶混合糖化时，最适温度为59℃左右，高于或低于该温度，麦芽糖含量都有所降低，因糖化时间比较长，糖化温度过低则易发生酵母菌和细菌污染，从而影响产品质量和麦芽糖得率。因此，在不影响麦芽糖得率情况下，应尽可能增加糖化温度以抑制杂菌生长[14]。

图7 糖化温度与糖浆中麦芽糖含量的关系Fig.7 Relationship between saccharification temperature and maltose content in the final dried product

2.3.4 麦芽糖浆HPLC分析

图8 麦芽糖高效液相(HPLC)色谱图Fig.8 HPLC chromatograms of maltose standard and sample obtained in this study (tR= 8.07 min)

图8为在真菌淀粉酶和普鲁兰酶用量分别为0.6 FAU/g干米淀粉和0.3PUN/g干米淀粉、糖化时间控制在18h左右、糖化温度59℃、糖化pH5.5的最优参数下提取的超高麦芽糖浆HPLC图。从图8可以看出，样品中除有麦芽糖形成外，还有其他的物质产生，5.633min出现的峰可能是单糖，第11.852min出现的峰可能是其他的双糖甚至三糖。

3 结论

为了提高麦芽糖浆中麦芽糖含量，以耐高温α-淀粉酶为液化酶，液化度不能太高或太低，耐高温α-淀粉酶用量为9U/g干米淀粉，液化时间105min，即可控制最佳液化DE值为14；以真菌淀粉酶和暜鲁兰酶两种糖化酶混合协同糖化时，糖化产麦芽糖效果比单一糖化酶好，真菌淀粉酶和暜鲁兰酶用量分别为0.6FAU/g干米淀粉和0.3PUN/g干米淀粉、糖化时间控制在18h左右、糖化温度59℃、糖化pH5.5。按照该工艺参数，以稻米为原料可以制得麦芽糖含量85%以上的超高麦芽糖浆，由该最优参数下的麦芽糖浆HPLC图可知，样品中除有麦芽糖形成外，还有其他的物质如单糖、双糖等产生。

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Enzymolysis of Early Indica Rice for Production of High Purity Maltose Syrup

LIN Qin-lu1,2，XIAO Hua-xi1，YU Feng-xiang1，LIU Xing1，LI Li-hui1,2，WANG Zhan-xi3
(1. College of Food Science and Engineering, Center South University of Forestry and Technology, Changsha 410128, China；2. Hunan Key Laboratory of Grain-oil Process and Quality Control, Changsha 410128, China；3. Wanfu Group, Changde 410300, China)

TS236.2

1002-6630(2010)10-0026-04

2009-08-14

国家“863”计划项目(2006AA10Z341)；湖南省科技厅重大专项(2007FJ1007)

林亲录(1966—)，男，教授，博士，主要从事农产品加工研究。E-mail：lql0403@yahoo.com.cn