淀粉制糖過(guò)程中關(guān)鍵生化參數(shù)的快速測(cè)定

楊俊慧，馬恒，馬耀宏，趙玉斌，孫慧囡，史建國(guó)*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院生物研究所，山東省生物傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014;2.魯洲生物科技(山東)有限公司，山東 臨沂 276000)

淀粉糖是以農(nóng)產(chǎn)品中淀粉含量較高的農(nóng)作物為原料，經(jīng)過(guò)一定的化學(xué)方法，運(yùn)用液化、糖化、轉(zhuǎn)苷、脫色以及離子交換等生物技術(shù)手段精制過(guò)程而生產(chǎn)的不同種類(lèi)的糖品[1]。淀粉糖消費(fèi)領(lǐng)域廣、數(shù)量大，是淀粉深加工的支柱產(chǎn)品。我國(guó)的淀粉糖工業(yè)發(fā)展迅速，淀粉糖的產(chǎn)量、種類(lèi)、質(zhì)量、規(guī)模都處于較高水平，其中產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)，居世界第二位。常用DE(dextrose equivalent)值是還原糖(以葡萄糖計(jì))占糖漿干物質(zhì)的百分比,表示淀粉水解的程度.通過(guò)改變淀粉糖的DE值來(lái)調(diào)節(jié)其甜度，根據(jù)所應(yīng)用產(chǎn)品的要求可生產(chǎn)不同黏度的淀粉糖漿，符合不同種食品應(yīng)用的要求，這是淀粉糖產(chǎn)品工業(yè)的重要特點(diǎn)[2-4]。但現(xiàn)階段淀粉糖化生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)核心生化參數(shù)的分析與控制仍以人工控制和半自動(dòng)控制為主[5-6]，缺乏核心過(guò)程參數(shù)快速檢測(cè)方法，導(dǎo)致糖化過(guò)程中工藝控制的自動(dòng)化程度較低，葡萄糖、DE值等關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)控制困難，生產(chǎn)效率低。研究淀粉糖化過(guò)程中葡萄糖、還原糖含量自動(dòng)檢測(cè)方法，有利于淀粉制糖過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)，便于淀粉制糖過(guò)程的控制[7-9]。

本研究建立了葡萄糖、還原糖、DE值等淀粉制糖過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的快速分析方法，并對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。該快速分析方法操作簡(jiǎn)單，測(cè)試成本低[10-12]，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地測(cè)定制糖液中的葡萄糖、還原糖以及DE值的變化情況[13]，為淀粉制糖過(guò)程分析與控制以及食品加工過(guò)程控制提供了新的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

淀粉(魯州生物科技有限公司提供)；α-淀粉酶、糖化酶(南京諾唯贊生物科技有限公司)；五水合硫酸銅、次甲基藍(lán)、氫氧化鈉、亞鐵氰化鉀、酒石酸鉀鈉(國(guó)藥集團(tuán))。

1.2 儀器

SBA生物傳感分析儀(山東省科學(xué)院生物研究所)；SGD-IV全自動(dòng)還原糖測(cè)定儀(山東省科學(xué)院生物研究所)；NAR-2THI型阿貝折光儀(ATAGO(愛(ài)拓)中國(guó)分公司)；Agilent 1100 高效液相色譜儀(安捷倫科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在山東魯洲食品集團(tuán)糖化3車(chē)間6號(hào)糖化罐上，對(duì)糖化樣品按照工廠取樣時(shí)間進(jìn)行連續(xù)取樣，每次從糖化罐中取出20 mL淀粉液，經(jīng)定性濾紙簡(jiǎn)單過(guò)濾后作為待測(cè)樣本。若樣本中待測(cè)組分濃度超過(guò)儀器檢測(cè)上限，則以去離子水對(duì)其按適當(dāng)比例進(jìn)行稀釋。結(jié)果處理時(shí)，將檢測(cè)結(jié)果數(shù)值乘以樣本對(duì)應(yīng)的稀釋倍數(shù)得到最終檢測(cè)結(jié)果。

1.3.1 葡萄糖含量測(cè)定

利用SBA生物傳感分析儀測(cè)定淀粉糖化過(guò)程中葡萄糖的含量，測(cè)定時(shí)每次取樣量為25 μL, 響應(yīng)時(shí)間20 s，測(cè)定周期小于2 min,誤差小于2 %。樣品不需脫色、分離純化就可直接測(cè)定。

1.3.2 還原糖含量測(cè)定

利用SGD-IV全自動(dòng)還原糖測(cè)定儀測(cè)定淀粉糖化過(guò)程中還原糖的含量，測(cè)定時(shí)每次取樣量為500 μL，響應(yīng)時(shí)間90 s，測(cè)定周期小于3 min，誤差小于1 %。測(cè)定時(shí)間縮短至3 min以?xún)?nèi)，測(cè)定速度更快，抗干擾能力強(qiáng)，不受樣品顏色和濁度的影響。

1.3.3 干物質(zhì)測(cè)定

使用NAR-2THI型阿貝折光儀測(cè)定。

1.3.4 DE值測(cè)定

還原糖與干物質(zhì)的比值。還原糖測(cè)定方法如1.3.2所示，干物質(zhì)測(cè)定方法如1.3.3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 淀粉液化過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)變化情況

2.1.1 不同液化階段關(guān)鍵參數(shù)變化情況

淀粉液化過(guò)程就是淀粉在α-淀粉酶的作用下，由高分子狀態(tài)(淀粉顆粒)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低分子狀態(tài)(糊精)，同時(shí)淀粉的黏度降低，淀粉由半固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程。液化過(guò)程如圖1所示，隨時(shí)間的增加，淀粉水解程度增加，淀粉水解為葡萄糖、麥芽糖等產(chǎn)物，導(dǎo)致葡萄糖、還原糖含量增加。由于葡萄糖含量增加，DE值隨之增加。液化1 h之內(nèi)，還原糖含量增加速度大于葡萄糖含量增加速度，所以葡萄糖/還原糖值隨液化時(shí)間增加有所減小，液化1 h之后葡萄糖/還原糖值開(kāi)始增加。

圖1 淀粉液化過(guò)程參數(shù)變化Fig.1 Variations of parameters during starch liquefaction

2.1.2 色譜法分析液化對(duì)淀粉糖種類(lèi)的影響

分別對(duì)兩種未液化淀粉和液化淀粉(分別為樣品1～4)進(jìn)行色譜分析，結(jié)果如圖2所示。由于生產(chǎn)工藝導(dǎo)致麥芽三糖含量高于麥芽糖和麥芽四糖。由圖2知，液化后的淀粉葡萄糖含量明顯高于未液化淀粉，而麥芽三糖、麥芽四糖含量低于未液化淀粉，液化與未液化樣品麥芽糖含量基本相同。淀粉液化過(guò)程中，α-淀粉酶水解淀粉為葡萄糖，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)液化過(guò)程的樣品葡萄糖含量升高，而未液化的淀粉沒(méi)有經(jīng)過(guò)水解，麥芽三糖、麥芽四糖含量較高。

圖2 色譜法對(duì)比液化結(jié)果Fig.2 Liquefaction results of chromatography

2.2 淀粉糖化過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)變化情況

2.2.1 葡萄糖含量變化情況

淀粉糖化酶催化淀粉、糊精等多糖的非還原性末段，使其α-1,4-糖苷鍵斷裂導(dǎo)致水解產(chǎn)生葡萄糖(圖3)。掌握淀粉糖化過(guò)程中葡萄糖含量的變化情況對(duì)其糖化過(guò)程調(diào)控具有重要意義，SBA生物傳感分析儀可以實(shí)現(xiàn)淀粉糖化過(guò)程中葡萄糖的快速、準(zhǔn)確測(cè)定。如圖4所示，淀粉糖化過(guò)程中葡萄糖含量隨糖化時(shí)間的增加逐漸增加，主要是由于糖化過(guò)程是一個(gè)淀粉水解生成葡萄糖的過(guò)程，淀粉受到淀粉酶和糖化酶的分解，形成葡萄糖、低聚糊精等可發(fā)酵性糖。

圖3 淀粉水解過(guò)程示意圖Fig.3 Starch hydrolysis process

圖4 淀粉糖化過(guò)程中葡萄糖含量變化情況Fig.4 Variations of glucose levels during starch saccharification

2.2.2 還原糖含量變化情況

還原糖是指葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麥芽糖等具有還原性的糖類(lèi)，在糖類(lèi)分子中含有游離醛基或酮基的單糖和含有游離醛基的二糖都具有還原性。淀粉糖化過(guò)程中，淀粉黏度逐漸降低，流動(dòng)性增高，還原糖含量逐漸增加。SGD-Ⅳ全自動(dòng)還原糖測(cè)定儀操作簡(jiǎn)單，測(cè)定快速準(zhǔn)確，測(cè)試成本低，是一種快速測(cè)定還原糖的較好方法。還原糖含量檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，淀粉糖化過(guò)程中，由于工藝影響，還原糖含量變化存在一些波動(dòng)，但總體趨勢(shì)為還原糖含量隨淀粉糖化過(guò)程逐步增加。

圖5 淀粉糖化過(guò)程中還原糖變化情況Fig.5 Variations of reducing sugar levels during starch saccharification

2.2.3 DE值變化情況

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，DE值越高，葡萄糖漿的級(jí)別越高。通過(guò)SBA生物傳感分析儀和阿貝折光儀可以測(cè)定淀粉糖化過(guò)程中DE值的變化情況。如圖6所示，淀粉糖化過(guò)程中DE值隨糖化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，受生產(chǎn)工藝影響，22 h時(shí)DE值略有下降，隨后逐步趨于平穩(wěn)，表示淀粉水解程度進(jìn)行到一定程度后逐步趨于平穩(wěn)。

圖6 淀粉糖化過(guò)程中DE值變化情況Fig.6 Variations of DE during starch saccharification

2.2.4w(葡萄糖)/w(還原糖)值變化情況

糖化過(guò)程是一個(gè)淀粉水解為葡萄糖的過(guò)程，但水解過(guò)程中會(huì)存在果糖、半乳糖、乳糖、麥芽糖等其他還原糖，檢測(cè)并分析w(葡萄糖)/w(還原糖)的值可以更好地掌握葡萄糖生產(chǎn)過(guò)程，為淀粉糖化生產(chǎn)葡萄糖提供依據(jù)。如圖7所示，w(葡萄糖)/w(還原糖)的值隨糖化時(shí)間增加逐漸升高，說(shuō)明隨糖化時(shí)間延長(zhǎng)，葡萄糖含量增加速度大于還原糖含量增加速度。

圖7 淀粉糖化過(guò)程中w(葡萄糖)/w(還原糖)值變化情況Fig.7 Variations of the w(glucose)/w(reducing sugar) ratio during starch saccharification

3 結(jié)論

本研究建立了葡萄糖、還原糖、DE值等淀粉制糖過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的快速分析方法，并對(duì)其進(jìn)行快速測(cè)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，液化過(guò)程可以明顯增加葡萄糖含量，降低麥芽三糖、麥芽四糖含量。淀粉液化過(guò)程中隨淀粉水解程度增加，淀粉水解為葡萄糖、麥芽糖等產(chǎn)物，導(dǎo)致葡萄糖、還原糖含量增加。糖化過(guò)程中在淀粉酶與糖化酶作用下，水解輔料中的糊化醪和麥芽中淀粉形成葡萄糖、低聚糊精等可發(fā)酵性糖，導(dǎo)致隨糖化時(shí)間延長(zhǎng)葡萄糖含量增加，DE值升高。

本文介紹的快速分析方法操作簡(jiǎn)單，測(cè)試成本低，可以實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確地測(cè)定制糖液中的葡萄糖、還原糖以及DE值變化情況，為淀粉制糖過(guò)程分析與控制及食品加工過(guò)程控制提供了新的技術(shù)方法。