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本研究旨在采用细微化处理的手段,实现玉米粉的低温同步液化糖化,并进一步将低温同步液化糖化操作与酒精发酵操作偶合,探明细微玉米粉生料酒精发酵的可能性。首先,采用湿法球磨对玉米粉进行细微化处理,解明细微化处理对玉米粉的机械力化学效应;其次,采用中温α-淀粉酶和糖化酶对细微玉米粉进行分步液化糖化和同步液化糖化,讨论温度和pH对反应速度、葡萄糖收率的影响;最后,将低温同步液化糖化操作与酒精发酵操作偶合,进行细微玉米粉的生料发酵,讨论发酵条件对淀粉转化率的影响。得到的结论如下:
1.市售玉米粉经过3h湿磨以后,中位径从273.6μm减小到13.3μm,偏光十字和X-射线衍射谱晶峰消失,淀粉颗粒转变成非晶态。湿磨对淀粉颗粒晶体结构的破坏能力大于干磨。
2.在30℃液化中,液化速度随着湿磨时间的延长而增大,20min湿磨玉米粉的终了DE值为23%,1~5h湿磨玉米粉的终了DE值为30%。对30℃液化后的料液进行60℃糖化中,葡萄糖收率随湿磨时间的延长而增大,20min湿磨玉米粉的葡萄糖收率为46.8%,湿磨3小时可以使葡萄糖收率增加到83.7%。葡萄糖收率的增加与淀粉颗粒的非晶态化、糊化温度的降低相一致。
3.市售玉米粉在40~70℃的温度范围内,细微玉米粉在30~70℃的液化温度范围内,液化速率常数与温度的关系可用Arrhenius方程式表示。细微粉碎使液化反应活化能从市售玉米粉的4.63×104J·mol-1降低到2.15×104J·mol-1。
4.在细微玉米粉的同步液化糖化中,30℃条件下的葡萄糖收率为79.2%,当温度为60℃时,葡萄糖收率可达84.6%。在30~60℃温度范围内,细微玉米粉同步液化糖化的反应速率常数与温度的关系可用Arrhenius方程式表示,反应活化能为3.77×104J·mol-1。市售玉米粉在30℃条件下不能液化。
5.细微玉米粉的同步液化糖化中,料液pH对葡萄糖收率和反应速率常数的影响均较大。料液的最佳pH为6.0。
6.与传统的液化糖化工艺相比,低温同步液化糖化工艺可节省能耗76.7%,降低成本201.2元/t-玉米粉。
7.在细微玉米粉的生料发酵中,温度、初始pH、料液浓度、酸性蛋白酶量和尿素添加量对发酵具有显著影响。在温度37℃、初始pH6、料液浓度20%、酸性蛋白酶用量14U/g-玉米粉、尿素添加量0.5%的条件下对细微玉米粉进行生料发酵40h,得到最高淀粉利用率84.8%。
以上结果表明,细微化处理是实现玉米粉低温同步液化糖化和生料发酵的有效手段。另外,低温同步液化糖化操作不但可以与酒精发酵操作偶合,也可方便地与柠檬酸、丁二酸等其它有机化工品的发酵操作偶合,达到提高生产效率、降低生产成本的目的。