李學(xué)英

(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊 830021)

細(xì)微玉米粉同步糖化動(dòng)力學(xué)分析

李學(xué)英

(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊 830021)

采用同步液化糖化法對(duì)細(xì)微玉米粉進(jìn)行糖化處理,確定細(xì)微玉米粉同步糖化速率模型,考察pH和溫度對(duì)同步糖化反應(yīng)速率常數(shù)和葡萄糖收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,細(xì)微玉米粉的同步糖化反應(yīng)為2級(jí)反應(yīng);pH對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)和葡萄糖收率具有顯著性影響(p<0.05),溫度對(duì)葡萄糖收率影響不大(p>0.05),對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)影響顯著(p<0.05),在60 ℃、pH6.0條件下,葡萄糖收率最高,達(dá)到84.6%,反應(yīng)速率常數(shù)為0.0088(g/L)-1·h-1;在30～70 ℃的溫度范圍內(nèi),糖化速率常數(shù)與溫度的關(guān)系可用Arrhenius方程式表示,其反應(yīng)活化能為3.3×104J/mol。玉米粉同步糖化動(dòng)力學(xué)模型的建立及其活化能分析將為其在生產(chǎn)上的應(yīng)用提供很好的指導(dǎo)意義。

細(xì)微玉米粉,同步糖化,反應(yīng)動(dòng)力學(xué),葡萄糖收率

隨著綠色化工的發(fā)展,玉米糖液作為制糖、酒精、丁二酸、檸檬酸等有機(jī)化工品生產(chǎn)原料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。玉米粉的雙酶法糖化包括液化和糖化兩個(gè)階段,國(guó)內(nèi)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(duì)設(shè)備要求高等缺點(diǎn)[1-2]。上世紀(jì)70年代,部分學(xué)者在研究纖維素制備乙醇過(guò)程中,為了防止糖的積累和產(chǎn)物抑制,提出了同步糖化發(fā)酵的概念。該方法一提出便受到了廣泛關(guān)注[3-4]。王兵[5]在玉米粉進(jìn)行高溫調(diào)漿后,將液化、糖化、酒精發(fā)酵工藝同步進(jìn)行,工序減少,即可節(jié)約能源,又可縮短整理糖化時(shí)間,因此同步糖化是目前發(fā)酵工業(yè)的新趨勢(shì)。生淀粉酶可將傳統(tǒng)淀粉高溫糊化、液化、糖化合并直接進(jìn)行糖化[6],實(shí)現(xiàn)同步糖化,具有良好的前景,但是普遍存在糖化能力弱[7]、發(fā)酵技術(shù)不成熟[8]、淀粉利用率低等問(wèn)題[9],致使其遲遲不能工業(yè)化生產(chǎn),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(xì)微化可使淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,采用球磨機(jī)和氣流粉碎機(jī)對(duì)淀粉顆粒進(jìn)行細(xì)微化處理,可以減小粒度,打破結(jié)晶結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)的變化,提高酶解反應(yīng)活性[13]?？娨睙挼萚14]對(duì)玉米粉進(jìn)行細(xì)微化處理,將雙酶法中液化、糖化工序合并進(jìn)行,利用普通糖化酶,實(shí)現(xiàn)了30 ℃溫度條件下的同步糖化。此研究?jī)H限于同步糖化可行性分析及其工藝優(yōu)化,對(duì)其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征未作深入探討。本文的研究目的在于確定細(xì)微玉米粉同步糖化速率模型,考察pH和溫度對(duì)細(xì)微玉米粉同步糖化反應(yīng)速率常數(shù)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(gòu)買(mǎi)于烏魯木齊蘇果超市,安徽燕之訪食品有限公司生產(chǎn),中位徑為273.5 μm;中溫α-淀粉酶 無(wú)錫賽德生物工程有限公司,酶活力 2000 U/mL;糖化酶 無(wú)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(jī) 南京科析實(shí)驗(yàn)儀器研究所;HH-6水浴鍋 國(guó)華電器有限公司;JB200-D型電動(dòng)攪拌機(jī) 上海全簡(jiǎn)機(jī)電有限公司;SBA型葡萄糖傳感分析儀 山東省科學(xué)院生物研究所。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 細(xì)微玉米粉的制備 細(xì)微玉米粉是采用行星式球磨機(jī)對(duì)市售玉米粉濕法粉碎3 h制備而成,粉碎過(guò)程中料液比為1∶3,細(xì)微玉米粉中位徑為13.3 μm。

1.2.2 同步糖化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用干燥失重法(GBGB/T 5009.3-2003)測(cè)定細(xì)微玉米粉的水分含量,稱(chēng)取干物質(zhì)量為60 g的細(xì)微玉米粉于1000 mL三口燒瓶中,加入適量的去離子水,調(diào)制濃度為10%的料液;用5% H2SO4溶液和1% NaOH溶液調(diào)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(zhì)量為基準(zhǔn),分別設(shè)定在10 U/g和200 U/g;將三口燒瓶裝于電動(dòng)攪拌機(jī)上,并置于溫度分別為30、40、50、60 ℃的水浴鍋中,持續(xù)均勻攪拌料液。按一定時(shí)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(cè)定葡萄糖濃度,并計(jì)算葡萄糖收率。

1.2.3 葡萄糖收率的計(jì)算 根據(jù)各料液中的葡萄糖濃度,計(jì)算細(xì)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(shù)據(jù)處理

應(yīng)用DPS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shè)為0.05。制圖通過(guò)Excel 2010完成,數(shù)據(jù)為算術(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)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(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù),嘗試法確定其不適合一級(jí)反應(yīng)速率模型,則假設(shè)淀粉的同步糖化反應(yīng)為2級(jí)反應(yīng),則糖化過(guò)程中Cs與反應(yīng)時(shí)間t的關(guān)系可用式(2)表示[15]:

式(2)

對(duì)式(1)進(jìn)行定積分可得式(3):

式(3)

其中Cs為反應(yīng)過(guò)程中底物淀粉濃度(g/L);C(s,t)為在t時(shí)刻底物淀粉濃度(g/L);C(s,0)為反應(yīng)初始時(shí)底物淀粉濃度(g/L);k為反應(yīng)速率常數(shù)[(g/L)-1·h-1],濃度一定時(shí),k值愈大,反應(yīng)速率愈快;t為時(shí)間(h)[16]。

圖1 細(xì)微玉米粉同步液化糖化中與時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship ) and time in the SILS of micornized corn flour

2.2 pH對(duì)同步糖化速率的影響

細(xì)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(xì)微玉米粉同步糖化中pH對(duì)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(shí),葡萄糖收率最高,達(dá)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(duì)同步糖化反應(yīng)過(guò)程中速率常數(shù)的影響,如圖3所示。pH在6.0時(shí)其反應(yīng)速率常數(shù)最大為0.0088(g/L)-1·h-1,與同步糖化葡萄糖收率的結(jié)果相一致。

圖3 細(xì)微玉米粉同步糖化反應(yīng)中pH對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響Fig.3 Effect of pH on rate constant in the SILS of micornized corn flour

2.3 溫度對(duì)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(kāi)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(jìn)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(dá)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(xì)微玉米粉同步液化糖化中溫度對(duì)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(yīng)速率常數(shù)分別為0.0022、0.0053、0.0071、0.0088、0.0099(g/L)-1·h-1。由此可見(jiàn),溫度升高,葡萄糖收率增幅不大,而反應(yīng)速度顯著性增加(p<0.05)。細(xì)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(dá)到最高,糖化反應(yīng)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(shí),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(dāng)糖化溫度為70 ℃,超過(guò)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(xì)微玉米粉在30～70 ℃溫度范圍內(nèi)同步糖化的Arrhenius方程

式(5)

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

細(xì)微玉米粉的同步糖化反應(yīng)活化能為3.3×104J/mol,通常認(rèn)為酶反應(yīng)的活化能為4×104～40×104J/mol[17]。據(jù)報(bào)道市售玉米粉糖化反應(yīng)活化能4.63×104J/mol[14],說(shuō)明通過(guò)微粉碎后可以有效降低玉米粉糖化反應(yīng)活化能,使糖化反應(yīng)更易進(jìn)行。

3 結(jié)論

采用二級(jí)反應(yīng)速率模型對(duì)細(xì)微玉米粉同步液化糖化反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,探討了溫度和pH對(duì)糖化速率和葡萄糖收率的影響,得到如下結(jié)論。

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

pH對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)和葡萄糖收率具有顯著性影響,而溫度對(duì)葡萄糖收率影響不大,對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)呈顯著性影響,在60 ℃、pH6.0條件下,葡萄糖收率最高,達(dá)到84.6%,反應(yīng)速率常數(shù)為0.0088(g/L)-1·h-1。

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

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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(xué)英(1963-), 女, 本科，副教授,研究方向： 農(nóng)產(chǎn)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