淀粉水解（精选7篇）
淀粉水解 篇1
1 概述
高分子或颗粒态有机物因相对分子质量较大不能透过细胞膜, 而不能为细菌直接利用, 它们在水解阶段被细菌胞外酶分解为小颗粒。例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖, 淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖, 蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸。这些小分子的水解产物能够溶于水并透过细胞膜为细胞所利用。因此, 水解酸化主要用于改进废水的可生化性, 为废水的有效处理创造良好的条件, 研究表明水解过程尤其是难降解物质的水解过程通常比生物生长过程慢, 因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段, 特别是脂类在20℃以下的转化速率非常慢[1,2]。所以水解反应的研究在废水处理中具有广泛而重要的应用价值。一般认为有机物水解降解途经为:首先水解反应器中的大量微生物将进入水中的颗粒物质、胶体物质和大分子物质迅速截留和吸附, 即生物吸附过程, 截流下来的物质吸附在水解污泥的表面, 在大量水解细菌的作用下将大分子、难于生物降解的物质转化为易于生物降解的小分子物质后, 大部分重新释放到溶液中, 在较大的水力负荷下随水流移出系统。
尽管水解酸化废水处理技术已研究和应用多年, 但多是对工艺流程、工艺参数等实际应用技术的研究, 旨在针对废水处理过程的水解机理的研究却非常有限[3]。水解机理的研究主要是集中在食品发酵领域[4,5,6]或化学、生物学科目的教学实验中[7,8,9,10], 对动力学过程研究较少涉及, 而且在水解机理研究中较少有人将吸附作为胞外酶水解的前提步骤进行分析, 对吸附研究的文章多数是从等温吸附热力学角度进行吸附剂类型、影响因素、反应条件以及对重金属吸附等方面的研究[11,12,13,14,15], 动力学研究涉及较少。本文将着重从动力学角度研究淀粉水解过程中不同阶段吸附、水解、降解的动力学方程。
本文实验以可溶性淀粉为基质, 吸附过程中淀粉颗粒被吸附到污泥表面, 溶液中的淀粉浓度降低。在吸附的同时, 在污泥表面同时发生水解反应, 淀粉水解酶将淀粉逐步水解:淀粉→糊精→麦芽糖→葡萄糖, 水解最终产物葡萄糖一部分进入细胞内部, 被微生物吸收降解产生新细胞和能量, 大部分水解产物 (包括部分中间产物) 重新回到溶液中, 同时水解污泥又吸附淀粉在其表面, 当吸附达到最大值时, 达到吸附平衡即动态平衡。因此, 本研究将按生物吸附、淀粉水解和生物降解3个步骤进行分析。
2 实验材料及方法
2.1 接种污泥
取自贵州牛羊肉生产厂的生产废水处理站调节池。
2.2 实验试剂
可溶性淀粉、重铬酸钾、邻菲罗啉、硫酸亚铁铵、硫酸亚铁、硫酸银、硫酸、磷酸二氢钾、硝酸钠、碘、碘化钾。
2.3 仪器
FA2104S电子天平、CT4D离心机、UV7500分光光度计、SA31振荡机。
2.4 实验方法
重铬酸钾法—微波快速消解法测定COD。碘显色法测定淀粉浓度。
配制浓度为1 000 mg/L左右的淀粉溶液, 分别装在250 mL的烧杯中。淀粉溶液体积为150 mL, 每个烧杯中加入50 mL的水解污泥, 在振荡器上振荡不同时间后, 通过离心机离心, 取上清液测溶液中的淀粉浓度和COD。
2.5 实验安排
根据文献资料和本实验的探索性实验, 本实验进水淀粉浓度为1 000 mg/L左右, 分别采用反应时间150 min、间隔5 min采样1次和反应时间24 min、间隔3 min采样1次, 以研究水解反应全过程和重点研究吸附阶段的动力学方程。
3 结果和讨论
3.1 实验结果
根据上述实验安排进行实验得出结果, 分别用溶液中COD浓度和淀粉浓度 (用COD表示) 表征出来 (
图1、2) 。
3.2 实验分析
3.2.1 实验分析的假设和数据的物料衡算
在研究水解污泥水解反应动力学之前, 首先进行以下假设: (1) 水解污泥对淀粉的捕捉和吸附是瞬间进行的。 (2) 系统运行的温度恒定。因为许多系数是温度的函数, 为了考虑温度随时间的波动, 应该以速率的有关表达式详细表述此项功能。 (3) pH值恒定而且接近中性。尽管pH值影响许多系数, 但很少有表达式可用来表达这种影响, 因此假定pH值恒定。 (4) 在反应初始阶段没有考虑淀粉的生物降解, 即假设速率表达式中的系数是恒定值。 (5) 模型中没有考虑N、P、其他物及营养物对有机物质的去除及细胞生长的限制, 有足够的无机营养物保证生长平衡。 (6) 水解污泥的菌种在反应中不发生改变。以上假设表示本试验不考虑底物浓度梯度、反应器构造等对污泥性能的影响。
本实验的主要测试数据为不同反应时间的淀粉浓度和COD, 需要对数据进行处理, 以得到所需要的淀粉吸附量、水解量和降解量。下面对溶液中的COD进行物料平衡计算。
COD进水= COD溶液+COD吸附 (1)
COD溶液= COD淀粉+COD水解 (2)
COD进水= COD总淀粉 (3)
COD溶液为实验过程中在取样时间测定的溶液COD。
3.2.2 吸附动力学研究
主要研究淀粉水解过程中的吸附平衡过程吸附反应速率的动力学方程拟合。水解污泥对淀粉的吸附过程是一个动态过程, 目前, 针对活性细菌的吸附机理和速率而建立描述吸附反应速率的动力学方程有很多, 本文将采用Lagergren的一级吸附速率方程, 其表达式为:
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线性整合后为:
log (undefined
二级吸附速率方程表达式为:
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线性整合为:
undefined
方程式中qeq和q分别表示在吸附平衡和时间t时水解污泥吸附淀粉的吸附量 (mg/g) , k1, ad是此阶段的吸附常数 (1/min) , k2, ad是二级吸附常数 (g/ (mg·min) ) 。这两个方程已经用在许多吸附体系中, 如藻类等[16]。
通过前述水解污泥的水解淀粉过程可以看出, 在反应时间为24 min时淀粉的减少量趋于零, 说明吸附过程趋于平衡, 而27 min之后淀粉的减少率增加, 说明由于水解作用的滞后性, 水解继续进行淀粉的吸附平衡被打破, 进而在30～60 min之间达到水解和吸附的动态平衡。但是30 min后生物的降解作用影响逐渐加剧, 淀粉吸附的数据与水解、降解的数据拆分逐渐困难。因此, 本文对水解污泥的淀粉吸附过程的动力学研究假定反应24 min时达到吸附平衡, 在此过程中主要发生吸附和水解过程, 忽略淀粉水解产物 (葡萄糖) 的生物降解过程。
下面进行吸附动力学方程拟合。
一级吸附速率方程拟合结果:
log (qe-q) =2.452 2-0.079 5 t
qe=283.70 mg/g k1, ad=0.183 1/min
R2=0.958 3
二级吸附速率方程拟合结果:
undefined
R2=0.984 9
通过分析可知, Lagergren一级吸附速率方程和二级吸附速率方程都可以拟合吸附平衡过程, 而二级吸附速率方程的相关系数 (R2=0.984 9) 优于一级吸附速率方程的相关系数 (R2=0.958 3) 。Lagergren一级吸附速率方程描述的是准一级反应过程, 与真一级反应速率不同, 在拟合图中lnqe项有时不等于直线的截距, 二级吸附速率方程的优点是在拟合时不需要用到平衡吸附量, 而用它的线性方程又可以计算平衡吸附量, 这为平衡吸附量不好确定的吸附体系提供了方便。
3.2.3 胞外酶水解动力学研究
确定水解反应的模型可以通过多项式拟合的方法, 在反应条件的参数输入后, 确定了模型参数, 再将其带入模型。即在反应参数确定后, 使模型的参数模型也得到确定, 可通过多项式的形式, 给出在该条件下反应时间对水解度的关系图。对于一组数据{ (Xi, Yi) , i=1, 2, …, N}, 若希望采用多项式模型对数据组进行描述, 且拟合目标是对于形
如y (x) =f (a, x) =a1xn+a2xn-1+…+anx+an+1的n阶多项式模型, 求取参数a1, a2, …, an, an+1使得离差量最小。模型多项式的阶次取得太低, 拟合就粗糙;阶次太高, 拟合过头, 将使数据的噪声也被纳入模型, 因此在拟合过程中要判断模型多项式的阶次是否取得合适。本研究中在进水淀粉浓度为1 000 mg/L的条件下进行水解反应, 对淀粉水解度 (%) 和反应时间t通过多项式形式进行拟合。
首先估计参数的离差, 然后确定多项式阶数 (图5) ;拟合结果见图6, 有:
A =[-0.000 2 0.01 -0.192 4 1.528 2 0.508 8]
DA =[0.000 3 0.012 7 0.196 9 1.057 1 1.597 9]
则四阶多项式模型为y=-0.000 2 x4+0.01 x3-0.192 4 x2+1.528 2 x+0.508 8
通过以上分析可知:淀粉的水解过程是一个趋于动态平衡的过程, 该过程反应速率受前一个吸附过程吸附速率、基质浓度、传质速率等条件的影响;对水解过程的实验数据进行多项式拟合可以得到四阶多项式方程, 能够拟合淀粉的水解反应过程, 但距离指导生产设计和应用尚存在一定差距。
3.2.4 降解机理动力学研究
为确定淀粉水解酸化过程中COD降解反应的级数, 首先设S0为进水中COD的初始浓度 (即反应时间为0时的浓度) , St为反应时间t时的浓度。
以ln (S0/St) 对t作图, 确定水解酸化过程中有机物降解反应的级数。
从图7可看出, COD反应级数为1级, 呈直线关系。
在求解降解速率常数时, 采用长间隔法计算已得到精度较高的结果。1级反应为:
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式中:k1——反应速率常数, 1/min;
S0 ——进水中COD浓度, mg/L;
Si ——第i时溶液中的COD浓度, mg/L;
n ——试验数据个数;
ti——第i个反应时间。
计算出COD的反应速率常数k1, COD为0.000 569/min。
根据化学反应动力学及对COD降解反应级数的确定和反应常数的计算值, 建立有机物的降解反应动力学方程式St=S0e-kt。
4 结论
(1) 经过对水解池污泥的驯化, 水解污泥的性能得到改善, 污泥内的菌种得到优化, 具有良好的吸附和水解性能。水解污泥在较短时间内COD去除率可以达到28.2%, 而随着水解作用的加强, 溶液内COD增高, 最终由于微生物对有机物的降解作用COD呈降低趋势, 但是降解作用有限, 当反应时间为150 min时, COD去除率为30%。
(2) 对吸附平衡过程中的动力学方程拟合采用Lagergren的吸附速率方程q, 其一级吸附速率方程和二级吸附速率方程都可以拟合淀粉吸附平衡过程, 而二级吸附速率方程优于一级吸附速率方程。 二级吸附速率方程可以计算出平衡吸附量。
(3) 对水解过程的实验数据进行多项式拟合可以得到四阶多项式方程y=-0.000 2 x4+0.01 x3-0.192 4 x2+1.528 2 x+0.508 8, 能够拟合淀粉的水解反应过程。淀粉的水解过程是一个趋于动态平衡的过程, 该过程反应速率受前一个吸附过程吸附速率、基质浓度、传质速率等条件的影响, 在现有实验条件下进行多项式拟合存在误差, 距离指导生产设计和应用尚存在一定差距。
(4) 淀粉水解产物降解反应为1级反应。反应速率常数为0.000 569/min, 反应动力学方程式St=826.628 e-0.000 569 t。
淀粉水解 篇2
1β-淀粉酶
β-淀粉酶(EC3.2.1.2)是糖化酶的一种。该酶作用专一性底物时，可以使麦芽糖由α-型变为β-型，发生沃尔登转位反应(Waldeninversion)，因此得名β-淀粉酶。当它作用于淀粉时，会产生麦芽糖和β-界限糊精。其广泛存在于各种植物(甘薯、小麦、玉米、大豆)和微生物中。在制药方面，由于其可以制造麦芽糖，所以通常和α-淀粉酶一起用作消化剂[14]。β-淀粉酶在生产麦芽糖浆中的应用麦芽糖的生产只能依靠酶法制备。工业上经常利用耐高温α-淀粉酶的液化、β-淀粉酶糖化，再利用其他的酶进一步糖化，产生出90%以上的麦芽糖浆。生产医用级和食品级麦芽糖需要将淀粉浆浓度调至10%~20%。麦芽糖的吸收不依赖于胰岛素，所以糖尿病病人也可以摄取定量的麦芽糖。，徐忠等人用β-淀粉酶和普鲁兰酶作用成功制备了淀粉糖浆。β-淀粉酶在啤酒生产中的应用在酿造工业中，β-淀粉酶是一种重要的糖化酶。在啤酒生产中，其对啤酒的品质及品种起着关键性作用。将β-淀粉酶用于麦芽的糖化过程中，能够改善麦芽质量，提高得率。β-淀粉酶用于啤酒生产时，可以提高糖化率，节约麦芽的用量，并且可以使生产成本降低大约25万元，生产出来的啤酒品质良好，口味纯正。另外，β-淀粉酶在制药业中也有广泛地应用。
2葡萄糖淀粉酶
葡萄糖淀粉酶的系统名称为a-1，4葡聚糖葡萄糖苷水解酶，简称糖化酶，是一种单链的酸性糖苷水解酶，具有外切酶活性。它由淀粉或类似物分子的.非还原末端顺序切开a-1，4糖苷键，生成β-葡萄糖。另外，它还可以水解a-1，6糖苷键和a-1，3糖苷键。糖化酶还用于生产果葡糖浆，后者被广泛应用于食品工业，另外，其还是一种很好的面包面团改良剂。糖化酶在工业生产中具有非常广泛的应用。在酒类行业中，糖化酶制剂能够代替自制的麸曲，简化生产工艺，提高生产效率。在干啤酒酿造过程中，能提高麦汁中可发酵性糖的含量。在白酒和曲酒生产中以糖化酶代替酒曲，可以提高出酒率，减少食物的消耗，同时提升了酒的品质。
3异淀粉酶
异淀粉酶是一种脱支酶，可以专一性地切开α-1，6糖苷键形成直链淀粉。当单独使用异淀粉酶使支链淀粉变为直链淀粉，具有凝结成块的特点。利用它的这个特性，可以用作食品薄膜，这种薄膜对氧和油脂剧透具有良好的隔绝性，很适合作为食品的保护层。异淀粉酶与糖化酶协同作用时可以提高糖化速度，如：异淀粉酶与β-淀粉酶复合使用可以大大提高麦芽糖得率。在酒精发酵中采用异淀粉酶，不仅可以使发酵率提高1%~3%，同时还可以提高淀粉的利用率。
4结语
淀粉水解最佳酸度的探究 篇3
一、实验步骤及现象
(1) 溶液的配制。分别配制0.08mol/L I2-KI、0.1mol/L Na2S2O3、0.8mol/L Na OH和2mol/L HCl溶液。配制I2-KI溶液时, I2和KI质量比为1∶2。配制Na2S2O3溶液时, 要加入少量碳酸钠增强溶液稳定性。
(2) 不同反应时间下淀粉水解液消耗Na2S2O3溶液体积的测定。取6个三角烧瓶, 编号分别为1、2、3、4、5、6。用移液管在每个三角烧瓶中精确加入10m L0.08mol/L I2-KI溶液, 塞紧备用。在大试管中加入8m L20%的H2SO4溶液, 塞上塞子, 放入沸水浴中预热2min (水浴受热均匀, 可减少淀粉脱水炭化) 。再加入1g淀粉, 塞紧、摇匀并计时, 从2min开始每隔2min取1m L水解液, 依次注入三角烧瓶中, 立即用0.8mol/L Na OH溶液缓缓滴定 (滴定速度要慢, 否则淀粉水解产物来不及被氧化, 结果偏小, 约需5min) 至溶液颜色较浅 (黄色) 为止。放置10min后, 加入2m L2mol/L HCl和2滴淀粉溶液 (接近终点时加入) , 用0.1mol/L Na2S2O3溶液滴定, 记录每次消耗的Na2S2O3溶液体积, 见表1———步骤2实验结果。
(3) 不同酸度下淀粉水解液消耗Na2S2O3溶液体积的测定。取7支干燥洁净的试管, 编号分别为1、2、3、4、5、6、7。取7个三角烧瓶, 编号分别为1、2、3、4、5、6、7。用移液管在每个三角烧瓶中精确加入10m L0.08mol/L I2-KI溶液, 塞紧备用。在1-7号试管中依次加入10%、20%、30%、40%、50%、60%和70%的H2SO4溶液各4m L, 塞上塞子, 把试管依次放入沸水浴预热2min后, 分别加入0.5g淀粉, 用步骤2的方法测定消耗的Na2S2O3溶液体积, 并记录反应液颜色。实验结果如表2所示———步骤3实验结果。
三、结果分析
自然界的淀粉从分子结构看可分为两种, 一种是直链淀粉, 另一种是支链淀粉。直链淀粉溶于热水, 而支链淀粉不溶于热水。市售的淀粉一般是在550C~650C间将能溶于水的部分提取得到的直链淀粉, 是由约250~300个葡萄糖单位通过α-1, 4糖苷键连接成的一条长链。淀粉水解的过程, 实质上就是糖苷键断裂, 生成较小分子的过程。每断裂一个糖苷键, 就产生一个-CHO。市售淀粉 (直链淀粉) 水解度 (HD) 可用 (1) 式表示:
其中 (-CHO) 表示反应液中醛基的物质的量, m表示淀粉的质量, M表示淀粉分子中一个葡萄糖单位的摩尔质量 (为162g/mol) 。
测定淀粉的水解度可用碘量法, 其基本原理可用 (2) 式表示:
R-CHO~I2~2Na2S2O3 (2)
淀粉水解度计算公式可换算为 (3) 式:
其中V (I2) 表示I2-KI溶液体积, C (I2) 表示I2-KI溶液浓度, V (Na2S2O3) 表示Na2S2O3溶液体积, C (Na2S2O3) 表示Na2S2O3溶液浓度。
依据表1, 20%H2SO4溶液催化下淀粉水解度随时间变化关系见表3。可见, 随着反应时间延长, 淀粉的水解度不断增大。人教版教材加热淀粉水解时间为“3min~4min”, 对应的淀粉水解度不足50%, 水解度较小。延长反应时间到10min以上, 淀粉才能大部分水解, 但这样又占用了较多的课时。能否通过改变H2SO4的浓度, 使淀粉在规定的反应时间内达到较大的水解度呢?为此, 设计了步骤3的实验。
依据表2, 4min时H2SO4浓度与淀粉水解度数据如表4所示。可见, 随着H2SO4浓度增大, 淀粉水解度升高, H2SO4浓度在30%时淀粉水解度达到最大值。但随着H2SO4浓度的进一步升高, 淀粉水解度反而减小。这是因为淀粉被浓度较高的H2SO4脱水炭化, 使反应液的颜色也逐渐加深。当H2SO4浓度达到70%时, 反应液为黑色, 后续实验已无法进行。而且产物葡萄糖也会部分被H2SO4氧化, 因此表现为淀粉的水解度变小。
盐酸水解制备红薯微孔淀粉的研究 篇4
而近年来对改性的淀粉研究,采用酸水解来获得微孔淀粉取得很大的进展[5,6,7]。我国具有丰富的红薯资源,本文旨在利用盐酸水解制备红薯微孔淀粉,深入研究了对影响制备红薯微孔淀粉的各因素,如盐酸浓度、反应温度、淀粉浓度和反应时间,考察了微孔淀粉的吸附性能,获得最佳的工艺条件,为红薯淀粉的综合利用和研究提供了参考价值。
1实验药品与仪器
1.1实验原材料及药品
红薯淀粉(食品级),福建塞翁福食品股份有限公司; 天生一级花生油 ( 食品级),福建天生农业股份有限公司; 盐酸 (AR),Na OH碱液(AR),天津市永大化学试剂有限公司。
1.2实验仪器
DHG - 9070电热恒温干燥箱,上海君竺仪器制造有限公司; HH - 4电热恒温水浴锅,上海君竺仪器制造有限公司; 电子天平,上海越平科学仪器有限公司; 恒温磁力搅拌器,常州国华电器有限公司; 真空抽滤机,巩义市英峪予华仪器厂。
2实验方法
2.1红薯微孔淀粉的制备
称取25. 00 g的红薯淀粉(干基),置于250 m L锥形瓶中, 用一定浓度的盐酸溶液60 m L,将其调成均匀淀粉溶液,置于恒温水浴锅中,同时用恒温磁力搅拌器搅拌,调节好温度和转速,准确计时。反应一定时间后,即用饱和碳酸钠溶液中和盐酸以终止反应。用真空抽滤器抽滤,并用蒸馏水洗涤数次。在55 ℃ 恒温干燥箱中,将制取的改性淀粉放入干燥至恒重,研钵粉碎后,即得微孔淀粉。
2.2单因素实验
以盐酸浓度、反应温度、淀粉浓度、反应时间为制备条件的四个影响因素,保持以上四个条件中的三个条件为定值,而改变另一个条件做不同水平下的实验。
2.3正交实验
通过初步筛选四个条件中最适合梯度值,选择4因素3水平既有[L9(34)]进行正交实验,然后通过正交表格分析产品得率和吸油率的每个平行实验的总量,并分析总量的均值,然后算得极差可以分析出最佳的实验条件组合。
2.4产品得率
2.5吸附性能表征
微孔淀粉的吸附性能可以用吸油率进行表征:
精确称取烘干后的恒重样品质量m1(g),恒温下与食用油搅拌混合30 min,用真空漏斗抽滤,直至没有液滴滴下,精确称量其质量为m2(g)。按以下公式计算吸油率(S):
3单因素实验
以吸油率为主要考核指标。通过对盐酸浓度、反应温度、 淀粉用量、反应时间四个影响因素条件,改变其中一个条件其他条件不变,进行实验。
3.1盐酸浓度的影响
称取25. 00 g红薯淀粉,在温度为40 ℃ 、反应时间为4 h的条件下,通过改变盐酸浓度来制备红薯微孔淀粉,并对制得微孔淀粉的吸油率与盐酸浓度的关系进行实验。获得相应实验结果。原淀粉吸油率为17. 4% 。盐酸按1. 0% ,1. 5% ,2. 0% , 2. 5% ,3. 0% 的浓度变化进行实验。由图1可以看出,盐酸浓度对红薯微孔淀粉的形成和吸油率的影响较大。在盐酸浓度为1. 5% 时,吸油率最高。因此确定以盐酸浓度1. 5% 为适宜条件,获得相应产率89. 7% 。
3.2反应温度的影响
称取25. 00 g红薯淀粉,在最适盐酸浓度1. 5% ,反应时间4 h的条件下,通过控制反应温度来制备红薯微孔淀粉,得出如图2所示结果。从图2可以发现,随着温度升高,微孔淀粉产率增大,可能是由于温度升高盐酸的水解作用增强。温度高于40 ℃ 时,吸油率渐渐下降,是因为随着温度的升高,慢慢地接近了淀粉的糊化温度。从图2可以发现,反应温度为40 ℃ 时,微孔淀粉的吸油率最大,获得相应产率为89. 7% ,所以确定适宜反应温度为40 ℃ 。
3.3淀粉浓度的影响
在最适合的盐酸浓度1. 5% 、最适合的反应温度40 ℃ 、反应时间4 h的条件下,通过改变红薯淀粉用量制备微孔淀粉, 获得对应的产物吸油率,试验情况见图3。由图3可知,产物的吸油率随着淀粉用量的的增加,是先上升后下降的,在淀粉用量为20 g时,制得的微孔淀粉吸油率最高。初步确定微孔淀粉的吸油率最大时所对应的最适合的反应淀粉浓度为20 g,获得相应产率为87. 2% 。
3.4反应时间的影响
称取20. 00 g红薯淀粉,在最适合盐酸浓度1. 5% 、最适合的温度40 ℃ 条件下,通过改变反应时间制备微孔淀粉。并对制得微孔淀粉的吸油率与反应时间的关系进行实验研究,绘制得曲线图4。结合图4可以综合确定当微孔淀粉的吸油率最大时所对应的最适合反应时间为8 h,获得相应产率为89. 0% 。
4正交试验
通过初步筛选,考察盐酸浓度、反应温度、淀粉用量、反应时间为影响酸法制备红薯微孔淀粉的四个主要因素。设计四因素三水平即为[L9(34)]进行正交实验,结果见表1。
由正交实验表格可以得出各种因素对红薯微孔淀粉的吸油率的影响力顺序依次为: 盐酸浓度 > 反应时间 > 反应温度 > 淀粉浓度,即为A > D > B > C; 得到吸油率的最佳工艺条件组合为: 1. 5% ,45 ℃ ,20 g,8 h,即为A1B2C2D2。在所选实验范围内,影响微孔淀粉吸油率的因素中,盐酸浓度的极差最大, 它对实验效果影响最大; 反应时间对微孔淀粉的形成也至关重要; 淀粉用量的极差最小,它对实验效果影响最小。
5结论
通过实验可以得出:
(1) 获得红薯微 孔淀粉最 优的工艺 条件为: 盐酸浓度1. 5% 、反应温度45 ℃ 、淀粉用量为20 g、反应时间8 h。对应微孔淀粉产率为91. 4% ; 吸油率为23. 6% 。
(2) 影响微孔淀粉吸油率的因素顺序为: 盐酸浓度 > 反应时间 > 反应温度 > 淀粉用量。
参考文献
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淀粉水解 篇5
脂肪可以赋予食品良好的风味、细腻的口感;但是现代的医学研究表明, 摄入的脂肪过高是导致人们心血管、肥胖、癌症等疾病的重要原因。人体内摄入脂肪过多, 就能在血管壁上发生大量沉积, 从而导致动脉硬化和心血管疾病等一系列疾病。因此, 脂肪模拟物应运而生[1,2]。脂肪模拟物能够起到降低制品中脂肪含量的作用, 同时又具有类似脂肪的食品良好风味和细腻的口感。
脂肪模拟物在理化性质上非常相似于天然油脂, 因此在食品生产中可以等量地替换天然油脂。其可以通过化学合成制备, 或者是通过酶法改性提取获得的脂肪或油脂来制得[3]。但是, 化学合成的脂肪模拟物具有一定的缺陷, 既不利于胃肠消化, 又会引起渗透性腹泻或者肛漏, 同时会对其他营养素尤其是脂溶性维生素的吸收产生影响[4]。
近年来, 碳水化合物型脂肪模拟物用作脂肪替代品, 尤其是以淀粉为基质的脂肪模拟物的研究受到人们的广泛关注[2]。碳水化合物制备脂肪模拟物的来源广泛 (玉米、山芋、马铃薯、小麦、大米、木薯、高粱等) , 产量大, 在保持食品的风味的同时也没有提高成本, 因而倍受青睐。模拟物在形成凝胶后增加了水相粘度, 使水相结构特性发生改变, 产生类似奶油的粘稠度、增强了滑腻的口感, 具备脂肪的感官特性和外观, 可以替代焙烤食品、冰冻甜点、肉制品、涂抹食品、色拉调味料、沙司等食品中的脂肪。
研究表明, 利用玉米原淀粉直接生产制备脂肪模拟物, 其颗粒较大、乳状液的粘度高, 无法产生类似脂肪的性状和口感, 使其应用受到限制[2]。关于酸水解玉米淀粉制备脂肪模拟物的研究已有报道[5,6,7]。有研究证明, DE值在2~3之间脂肪模拟物的特性较接近脂肪的性质[8];但对于酶水解玉米淀粉制备脂肪模拟物的工艺及其凝胶特性的研究还有待深入和完善。为此, 主要探讨了以玉米淀粉为基质的脂肪替代物制备工艺, 以α-淀粉酶添加量、底物浓度、酶解时间和酶解温度4个因素对玉米淀粉水解度的影响进行了单因素试验, 并在此基础上进行了正交试验, 确定玉米淀粉脂肪模拟物最佳的水解条件。同时, 对玉米淀粉脂肪模拟物的凝胶特性进行了分析, 确定了玉米基脂肪模拟物的可行性, 从而为其工业生产提供了理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与主要试剂
玉米淀粉购于吉林大成集团;中温α-淀粉酶购于北京奥博星生物科技有限公司;氢氧化钠、次甲基蓝、硫代硫酸钠、硫酸铜等试剂均为国产分析纯。
1.2 仪器与设备
AL-104精密电子天平 (北京普析通用仪器有限公司) 、DK-S24电热恒温水浴锅 (上海一恒科学仪器有限公司) 、JD500-2型电子天平 (郑州南北仪器设备有限公司) 、p HS-25型p H计 (上海精科雷磁仪器厂) 、精密增力电动搅拌器JJ-1 (金坛市安普实验仪器厂) 。
1.3 试验方法
1.3.1 玉米淀粉脂肪模拟物制备工艺流程
将玉米淀粉溶入蒸馏水中, 制备12%的淀粉溶液备用, 用恒温水浴锅, 设定80℃条件下加热30min;同时, 使用电动搅拌机匀速搅拌, 将淀粉溶液充分糊化, 用保鲜膜封口, 在室温下自然冷却至适宜温度;然后, 向溶浆中加入适量已配制好的2%的中温α-淀粉酶, 匀速搅拌水解, 反应之后在沸水浴中灭酶活后, 停止反应;待冷却至室温 (约30min) , 进行冷冻干燥, 成为干粉之后, 用组织搅拌机搅碎后形成的乳白色粉末状即是成品脂肪模拟物。
1.3.2 DE值的测定[9]
DE (Dextrose Equivalent) 值指的是淀粉通过水解后水解液中所含有的还原糖的含量 (按干物质计) 占干物质的百分率, 也可称作葡萄糖值, 能间接地表示淀粉水解程度。依据已知的研究, 当DE值在2~3之间时, 产品的性质与脂肪能非常地类似[8]。
1) 标准曲线的绘制。将不同体积0、1、2、3、4、5、6m L的0.1%的葡萄糖标准液分别加入到7个试管中, 再用蒸馏水补足至6m L;然后, 向每个管中加入4m L的斐林试剂 (甲, 乙混合液) , 振荡混匀;用玻璃球将试管口盖好, 沸水浴15min, 冷却;在1 500r/min下离心5min, 取上清液, 在590nm波长处测定吸光度, 蒸馏水作参比, 记录吸光值。以各相对糖含量为横坐标, 纵坐标为空白管的吸光值减去各管不同浓度糖的吸光值, 绘制标准曲线。
2) 样品测定。取1g样品, 用蒸馏水溶解, 在70℃条件下不断搅拌15min, 萃取出还原糖并且冷却至室温。分别吸取6 m L样液, 加4m L斐林试剂后混匀, 用玻璃球盖好试管口, 在沸水浴中15min, 取上清液并且在590nm波长下进行比色测定。用差值法在标准曲线上查得糖含量, 然后乘以样品稀释倍数, 从而计算出单位体积或质量样品中的含糖量。
1.3.3 单因素试验设计
探讨了底物浓度、酶添加量、反应温度和酶解时间4个主要因素对于玉米淀粉水解程度的影响。将DE值作为检测指标, 进行单因素试验, 每个试验进行3次平行试验。
1) 酶添加量对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响。固定反应温度为65℃, 底物浓度为10%, 反应时间为15min, 分别添加1、3、5、7、9u/g (淀粉干基) 的酶进行水解, 测定DE值。
2) 底物浓度对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响。固定酶的添加量, 反应温度65℃, 反应时间15min, 分别以不同的底物浓度6%、8%、10%、12%、14%进行反应, 以DE值为检测指标。
3) 酶解时间对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响。固定酶的添加量, 反应温度65℃, 底物浓度10%, 在反应时每间隔5min对DE值进行一次测定。
4) 酶解温度对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响。固定酶的添加量, 底物浓度10%, 反应时间15min, 在不同的温度下55、60、65、70、75℃进行反应, 测定DE值。
1.3.4 正交试验设计
在单因素试验的基础上, 得到各因素的最佳值, 安排L9 (34) 正交试验, 以DE值为指标, 对玉米淀粉脂肪模拟物制备的最佳工艺条件进行筛选。正交试验因素水平表如表1所示。
1.4 玉米淀粉脂肪模拟物凝胶强度的测定
通过最佳制备工艺制得样品, 在80℃下分别配制质量分数为20%、25%、30%的溶液, 放置在4℃下12h, 形成凝胶后, 用质构仪测定凝胶性质。
物性仪参数如下:测定模式选择下压距离, 测试前速度为5 mm, 下压速度2.0mm/s, 接触凝胶后速度1.0mm/s;下压距离为凝胶高度的50%, 引发力为5g, 探头型号选择P/0.5。其中, 凝胶硬度 (强度) 是指第1次穿破样品时的压力峰值。重复3次试验, 测定结果采用平均值。
1.5 统计方法
每个单因素试验重复试验3次, 结果用平均数±SD表示。采用Statistix 8.1 (分析软件, St Paul, MN) 软件包中Linear Models程序进行数据统计分析, 用Tukey HSD程序进行差异显著性 (P<0.05) 分析, 用Sigmaplot 11.0软件进行作图。
2 结果与分析
2.1 酶添加量对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响
酶添加量对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响结果如图1所示。随着淀粉酶添加量的增加, 水解速度也迅速增加, 玉米淀粉基脂肪模拟物DE值显著增加 (P<0.05) 。当α-淀粉酶添加量达到5u/g时, 随着酶添加量的进一步增加, DE值增加的速度明显下降, 增加趋势也变得缓慢。这主要是因为淀粉酶对淀粉作用时, 作用于长链比短链更具有活性[10], 因此最初阶段的水解速度要较快, 将淀粉大分子水解成小分子多糖;随着反应的进行, 酶水解位点增加, 酶作用较困难。
2.2 底物浓度对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响
底物浓度对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响如图2所示。由图2可知, 随着底物浓度的不断增加, 玉米淀粉基脂肪模拟物DE值逐渐降低 (P<0.05) 。这是因为当底物浓度较低时, 淀粉液中糊化的淀粉颗粒能够吸收充分的水分进行膨胀, 相对完全地破坏分子间氢键, 达到糊化完全, 利于酶对淀粉分子的水解作用。当底物浓度较低时, 所得到的玉米淀粉基脂肪模拟物DE值较大;当底物浓度为10%~12%时, DE值在2~3范围内, 符合脂肪模拟物的要求;而底物浓度过高时, 淀粉颗粒糊化不彻底, 影响淀粉酶水解作用的进行。
2.3 酶解时间对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响
酶解时间对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响如图3所示。由图3可知, 随着酶解时间的延长, 水解程度逐渐增加, 还原糖含量不断增加, 样品的DE值也随之增大 (P<0.05) 。在15min以前, DE值增加较快;而在15~25min时, DE值增加较为缓慢。水解10min左右时, DE值为2~3, 符合试验所需的脂肪模拟物要求。
2.4 酶解温度对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响
酶解温度对玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的影响如图4所示。
由图4可知, 随着酶解温度的不断增加, 玉米淀粉基脂肪模拟物DE值逐渐升高 (P<0.05) 。当温度升高至70℃时, DE值出现拐点;当温度为75℃时, DE值反而下降。这是由于中温α-淀粉酶最适温度在65℃左右, 过高的温度会影响酶活所导致的。
2.5 酶解工艺的优化
通过α-淀粉酶对玉米淀粉酶解反应的单因素试验结果可知, 影响玉米淀粉基脂肪模拟物DE值的因素是互相影响的。将酶添加量、底物浓度、水解时间和反应温度四因素取三水平L9 (34) 正交试验, 试验结果如表2所示。
从极差分析的结果可以看出, 玉米淀粉基质模拟物DE值的极差R值主要在0.147~2.274之间变动。由结果可以看出:酶解时间对DE值的影响最大, 其R值为2.274;其次是酶添加量和底物浓度的影响;而酶解温度的影响最小, R值仅为0.147。从以上试验中可知, 制备玉米淀粉基脂肪模拟物DE值为2.0左右的最佳水解工艺条件为A2B1C2D3, 即酶添加量5U/g, 底物浓度8%, 酶解时间15min, 反应温度70℃。
2.6 玉米淀粉脂肪模拟物凝胶强度的测定
由图5可以看出, 任一浓度的未酶解的玉米淀粉凝胶强度均比同等浓度的脂肪模拟物的凝胶强度高 (P<0.05) ;同时, 随着浓度的增加, 溶液各组分形成的凝胶强度也有所增加 (P<0.05) 。由于脂肪模拟物的DE值较小, 其组成中仍存在大量的大分子物质, 长链分子较多, 在凝胶形成的过程中可以形成较多的活性结晶域, 连接较紧密, 所成凝胶的凝胶强度也较大。Eliasion等认为, 通过淀粉水解得到低DE值的水解物能够很好地模拟脂肪的质构和口感, 主要是因为能形成弱凝胶, 这与本研究的结果是一致的。
2.7 玉米淀粉脂肪模拟物凝胶性能的感官评定
将2.5制备的脂肪模拟物分别配制成10%、15%、20%、25%、30%的溶液, 搅拌均匀, 4℃环境放置24h后, 观察并记录凝胶的质地、润滑度、透明度等性质, 结果如表3所示。
通过此试验可拟定脂肪模拟物的使用浓度。从表3可以看出, 随着溶液浓度增加, 其凝胶质地逐渐变硬, 透明程度和润滑程度逐渐降低。在浓度15%~20%时, 脂肪模拟物形成的凝胶感官较好。
3 结论
本试验制备玉米淀粉脂肪替代物的最佳工艺条件为:酶添加量5U/g, 底物浓度8%, 酶解时间15min, 反应温度70℃。制备的产品的DE值为3.18, 制备的脂肪模拟物在浓度15%~20%时具有较好的凝胶感官性状。不同浓度的脂肪模拟物凝胶强度试验可以用来确定脂肪模拟物在应用中的添加量。
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高温酸法水解制备低分子量淀粉 篇6
现代淀粉水解工业即是通过控制水解条件,将淀粉根据应用的需要进行适度水解,获得不同分子量的适用产品,用作脂肪代用品、药物原料等[2,3,4]。目前常用的工艺主要有酶水解和酸水解。酶水解的产品外观好,质量容易控制,但是操作过程比较复杂,成本较高[5,6,7]。酸处理则是所有淀粉改性方法中最古老的一种,其主要优点是在不显著影响颗粒结构的基础上改变淀粉的功能特性,且成本较低。但是酸水解反应过程难以控制,后处理比较烦琐[8,9,10]。我们对常规酸水解的工艺条件进行了改进,在较高的温度下进行酸水解,则可以比较好地避免上述问题。采用高温低酸的反应条件,通过不同的反应时间控制产品分子量,最后的盐、酸量均很少,基本不需要后处理步骤。
1 材料与方法
1.1 材料
普通玉米淀粉(GB8885-88,武汉市太阳行食品有限责任公司),使用前用乙醇煮沸脱脂30min。
1.2 试剂与仪器
盐酸,氢氧化钠,乙醇;Agilent 1100高效液相色谱(配备GPC软件)。
1.3 实验方法
1.3.1 淀粉糊化
称取淀粉加适量水配制成淀粉乳液,在糊化温度之上恒温糊化60 min,使淀粉均匀分散。
1.3.2 淀粉水解
在淀粉乳液中加入适量盐酸,在要求的温度下进行水解反应,每30min取样1m L测定产物的分子量。
1.3.3 分子量的测定
分子量测定采用GPC方法,以葡聚糖为标样。色谱柱TSK-GEL G4000PWXL,柱温35℃;流动相为0.025 mol/L醋酸钠溶液,流速0.5 m L/min;检测器RID温度35℃。样品测试前用Na OH中和,0.45μm滤膜过滤。
2 结果与讨论
2.1 糊化对水解的影响
淀粉在常温下不溶于水,但当水温达到一定温度以上时,淀粉的物理性能发生明显变化。生淀粉的胶束结构全部崩溃,淀粉分子形成单分子,并为水所包围而成为溶液状态。由于淀粉分子是链状甚至分支状,彼此牵扯,因而形成的溶液为具有粘性的糊状。这种淀粉在高温下溶胀、分裂形成均匀糊状溶液的特性,称为淀粉的糊化(Gelatinization)。淀粉糊化温度必须达到一定程度,不同淀粉的糊化温度不一样,同一种淀粉,颗粒大小不一样,糊化温度也不一样,颗粒大的先糊化,颗粒小的后糊化[11]。为了使淀粉水解反应完全,在水解前需要使其分散均匀,因此必须将淀粉糊化。如图1所示,分别在糊化前后的淀粉乳液中加入适量盐酸配成0.50mol/L HCl水解液,60℃水解5h,每1h取样3m L测定分子量。糊化后的淀粉在5h内水解效果明显,在1h时水解产物分子量146 278,5h后分子量降为10878,得到均匀的低分子量淀粉溶液。而没有糊化的淀粉溶液中水解产物的分子量在水解反应过程中基本没有变化,始终处于10 000左右。水解反应5h后,仍有大量的淀粉不溶于水,沉积于反应容器的底部。因此为了提高酸水解反应的效率,必须在水解前将淀粉糊化。
2.2 糊化条件的确定
分别在水浴90℃(A)、油浴125℃(B)和2atm、125℃(C)条件下糊化淀粉1h,然后加入盐酸至0.5mol/L,在60℃下水解5h,取样测定分子量,结果如图2所示。三种糊化条件处理后的淀粉,水解产物的分子量随水解时间的增加而减小;但在同一时刻,A、B、C三种处理后的淀粉水解产物的分子量几乎一样。这表明,糊化工艺对水解的结果影响不大,因此从经济角度考虑,选择90℃糊化淀粉1h即可。
2.3 正交试验考察淀粉水解影响因素
淀粉糊化后加入适量盐酸开始水解。以水解温度、酸的浓度和水解时间为因素,分别取50℃、100℃;0.1mol/L、0.3mol/L和1h、3h三个水平,做正交实验考察水解反应的影响因素。通过极差分析可知,对淀粉水解影响最大的因素是反应的温度。提高水解反应的温度,可以大大缩短反应的时间和降低盐酸的用量,有利于工业生产,并能简化后续的中和及脱盐等步骤。因此在常压下水解,选择100℃为最佳的水解温度。
2.4 盐酸浓度对产物分子量的影响
淀粉糊化后加入盐酸分别至0.0001mol/L、0.001mol/L、0.01mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L、0.5mol/L和1mol/L,100℃水解1h后测定产物分子量,如图3所示。当盐酸浓度高于0.1mol/L时,水解速度过快,反应1h后水解产物的分子量均在10 000以下,不利于控制产物的分子量。同时酸用量的增加会给后继中和以及脱盐的步骤带来压力,因此应尽可能选择较低浓度的盐酸进行水解。但是采用0.0001mol/L和0.001mol/L的盐酸时水解速度又过慢,产物的分子量在150000以上,且反应瓶底有部分的糊化淀粉凝胶块沉淀。这说明酸的浓度不足以使淀粉充分反应,该条件下淀粉水解不均匀。所以,综合考虑水解速度及反应产物的性状,选择0.01mol/L盐酸为最佳的酸用量。
2.5 水解时间对产物分子量的影响
在100℃下用0.01mol/L的盐酸水解糊化后淀粉,每0.5h取样,中和后用GPC测定产物分子量,结果如图4。水解0.5h时,产物在GPC图谱中有四个峰,分子量分布很宽,该产物不具备应用价值。随着水解时间的增加,产物高分子量部分越来越少,而较低分子量部分显著增加,分子量分布也逐渐变窄。
A:0.5h B:1.0h C:1.5h D:2.0h E:2.5h F:3.0h G:3.5h H:4.0h I:4.5h J:5.0h
将水解产物的分子量Mw与水解时间t分别取对数后作图,如图5所示,ln(Mw)=10.97-1.44×ln(t)(r=0.999)。这表明Mw与t具有呈乘幂关系,即Mw=5.8×104×t-1.44,根据该公式,可以计算任意水解时间的产物分子量,有效地指导高温酸法水解制备需要分子量的淀粉。
3 结论
在酸法水解淀粉的工艺中,为了使淀粉水解均匀,首先必须将淀粉糊化,糊化工艺对水解无影响。在水解反应的各因素中,反应温度的影响最大,因此为了降低盐酸用量,加快反应速度,简化后继操作,选择100℃为水解温度。水解中盐酸用量过高或过低均不利于控制反应,这里选择0.01mol/L为最佳的反应浓度。在该水解条件下,产物分子量与反应时间具有呈乘幂关系,即Mw=5.8×104×t-1.44,该公式可以有效地指导高温酸法水解制备指定分子量的淀粉。
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淀粉水解 篇7
1 试验材料与方法
1.1 仪器与试剂
Agilent1100高效液相色谱仪，G1311A四元泵，示差折光检测器，Agilent HPLC2D色谱工作站;葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖(均为色谱纯)，北京康林科技有限责任公司;乙腈(色谱纯，0.45μm滤膜过滤)，Fisher公司;超纯水(0.45μm水性滤膜过滤);木薯淀粉，工业级，广西明阳生化科技股份有限公司;α-淀粉酶，BR，广东环凯微生物科技有限公司(酶活力为2000U/g);糖化酶，BR，北京奥博星生物技术有限责任公司;DF2101B集热式恒温磁力搅拌器，巩义市英峪予华仪器厂;HZ010t恒温振荡水槽，上海市试验仪器总厂;802B离心机，上海安亭科学仪器厂;机械活化装置，参见文献6。
1.2 色谱条件
色谱柱：大连依利特Hypersil NH2柱(5μm, 250mm×4.6mm i.d.);流动相：乙腈/水=70/30 (V/V);柱温：30℃;流速：1.0mL/min;压力：5.3MPa。
2 试验内容与结果
2.1 标准曲线绘制
准确称取葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖适量于5mL干净容量瓶中，以超纯水溶解并定容至刻度。分别取2、4、6、8、10μL进样，进样时经0.45μm针头过滤器过滤，得HPLC图。
1.葡萄糖2.麦芽糖3.麦芽三糖4.麦芽四糖
计算峰面积，做图，得标准曲线方程，分别为(Y为峰面积，X为浓度)：
葡萄糖：Y=7573.17X+516.18
麦芽糖：Y=7479.58X-6822.37
麦芽三糖：Y=7593.63X-3195.0
麦芽四糖：Y=6610.3X-5762.25
2.2 双酶协同作用糖化液的制备
分别称取原淀粉(沸水浴糊化15min)和活化60min淀粉样品(沸水浴糊化15min/不糊化)配成浓度7.2mg/mL的淀粉溶液。取20mL上述淀粉溶液分别注入20mm×200mm带刻度的试管中，加入5mL pH值4.6的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，将试管放入55℃恒温水浴振荡器中振荡预热10min，然后同时加入5Uα-淀粉酶和25U糖化酶，反应30min后，立即取出在沸水中加热15min灭酶终止反应，冷却后离心。离心液经0.45μm滤膜过滤，取5μL进样做色谱分析。
2.3 试验数据与分析
对木薯淀粉双酶水解液进行液相色谱分析，结果如图2所示。
计算峰面积，由标准糖曲线方程，计算各组分的含量，结果见表l。
1.葡萄糖2.麦芽糖3.麦芽三糖4.麦芽四糖
由表1可知：糊化木薯原淀粉、糊化与未糊化的活化60min木薯淀粉双酶作用下水解液中的葡萄糖含量依次为12.37%、21.24%、18.55%，活化淀粉水解成分中葡萄糖含量均较高，这主要是经机械活化处理后淀粉分散性更好，水溶性提高，与酶能更充分接触反应，证实机械活化处理对淀粉有强烈的活化影响作用。
3 结论
(1)淀粉的双酶协同水解，可以得到较高的葡萄糖成分，低聚糖的成分减少，说明糊精和低聚糖大部分转变成葡萄糖。
(2)活化淀粉未经糊化处理也能达到较好的水解作用，这为淀粉不经糊化直接进行酶解工艺提出了创新可行性。
机械活化应用于淀粉酶解具有广阔的研究前景，它有望突破以往淀粉水解所必须的糊化、液化、糖化的固有思路，为淀粉水解及淀粉糖系列产品、乳酸、酒精等的生产提供新思路，开拓了一个崭新的研究领域，从而为开发淀粉水解新工艺、创新淀粉水解新方法提供了理论基础。
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