CN102965409A - 一种生物酶法同步提取糖和淀粉纳米晶的绿色技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物酶法同步提取糖和淀粉纳米晶的绿色技术，以天然淀粉为原料，配成一定浓度的淀粉乳，利用生物酶法酶解淀粉颗粒，然后借助超声波，高压均质等物理手段，对淀粉颗粒进一步破碎，最后再酶解一段时间，离心反应液，向上清液中滴加无水乙醇，析出淀粉糖，沉淀经冷冻干燥得到淀粉纳米晶。本工艺制取的淀粉纳米纳米晶克服了传统酸解淀粉的污染环境、低效率、原料利用率低的缺点，使淀粉纳米晶这类生物可降解、相容性好的纳米材料得到规模化生产。

Description

一种生物酶法同步提取糖和淀粉纳米晶的绿色技术

技术领域

本发明涉及一种利用超声波结合酶处理淀粉颗粒，使淀粉颗粒破裂并酶解为淀粉糖和淀粉纳米晶的方法，属于农产品加工和纳米结构材料技术领域。

背景技术

纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，一些发达国家投入大量的资金进行科学研究工作。在国内，许多科研院所、高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，并取得了一定的研究成果。淀粉具有来源广泛、生物可降解、生物相容及低成本的特点，以淀粉为原料的纳米技术将成为未来几年的研究热点。

淀粉是碳水化合物在绿色植物中的贮藏形式，广泛存在于各种各样的植物中。由于其具有价格低、可再生周期短、生物降解性好、密度小等优点，成为目前研究最多和最有可能成为制备可降解塑料原材料的天然高分子。

淀粉是具有一定结晶结构的天然高分子，其中的直链淀粉和支链淀粉形成了淀粉颗粒的半结晶结构。通常认为支链淀粉是形成淀粉颗粒中结晶区域的主要成分，而直链淀粉则主要形成了无定型区域。无定型区域结构比较松散，能被水所浸入并溶胀，用无机酸对其进行温和水解后，其中的无定型区域基本上可以反应生成葡萄糖、麦芽糖等糖类，不易被水解的结晶区则生成结晶度高、粒径小的淀粉纳米晶。

近年来，制备淀粉纳米晶均采用酸解淀粉颗粒的方式，在盐酸催化体系中用40天左右的水解时间制得了产量大约为0.5％(质量分数)的淀粉纳米晶粒。此外国外学者通过优化酸解条件制备淀粉纳米晶粒，利用3.16mol/L的硫酸在40℃硅浴中搅拌5天，将产量提高到了15％(质量分数)，并且将其应用到增强天然橡胶、热塑性淀粉和聚乳酸之中制备纳米复合材料。

通过制备工艺的优化，虽然明显提高的淀粉纳米晶的产量，但是生产过程中使用的高浓度硫酸，不仅污染环境，增加生产成本，而且对生产设备要求很高，不利于规模化生产，限制了淀粉纳米晶的进一步利用。

本发明的目的是提供一种采用物理方法（超声波、高压均质等）处理淀粉，经酶解后分别得到糖(葡萄糖、麦芽糖、麦芽糊精等）和纳米晶的绿色环保高效的生物制备方法，以天然淀粉为原料，经超声波破坏淀粉颗粒，然后酶解，无定形区域酶解为糖，结晶区不易被酶解，得到纳米晶，向水解液中加4%的氢氧化钠灭酶，离心，沉淀冷冻干燥得到粒径为50～800nm的纳米晶，上清液中含有糖，用无水乙醇将糖分离出来，干燥得到成品。

本发明具有以下优点：①原料来源广、安全、可再生；②操作简单，适合大规模生产；③适用于普通仪器设备，对设备器面没有腐蚀性；⑤可同时得到淀粉纳米晶和糖，原料利用率高；⑥绿色生产，产品可放心食用。

发明内容

本发明是这样来实现的，制备步骤方法为：

(1)   缓冲溶液配制：配制pH为4.2的缓冲溶液，待用；

(2)   糖化酶预处理：首先测定糖化酶的活性，然后加热糖化酶溶液，使之激活，待用；

(3)   制备淀粉乳：将淀粉按10%～20%浓度加入缓冲液中，并把处理好的糖化酶按15～55 U/g淀粉的酶量加入其中，搅拌均匀；

 (4)   糖化酶解反应：将搅拌均匀的淀粉乳酶混合液在50～65℃水浴中搅拌5～10小时，不同的淀粉酶解时间不同。反应过程中，用显微镜观察淀粉颗粒形貌；

(5)   超声波处理：显微镜下观察淀粉颗粒出现裂纹时，用超声波处理反应液，功率设置在150～250W，处理20～40分钟，间歇时间1～2秒，超声波处理1～2秒；

(6)   淀粉酶解反应：调节pH值至6.5，向上述溶液中按70～90U/g淀粉加入淀粉酶，同时调节到酶最适温度55～65℃,水浴中搅拌5～10小时，并且用显微镜跟踪观察淀粉颗粒形貌；

(7)   高压均质处理：当淀粉颗粒完全破裂直至用显微镜观察不到淀粉颗粒及其破裂片层时，用高压均质机处理反应液30～60分钟，静置1.5～2小时；

(8)   分离：首先将乳浊液在8000～10000r/min转速下离心10～20分钟，得到的沉淀经冷冻干燥处理后即是粒径为50～800nm的淀粉纳米晶，取出上清液，向上清液中加入乙醇，析出的沉淀经干燥后即为淀粉糖(葡萄糖、麦芽糖、麦芽糊精等）。

按照此步骤可生产出绿色天然、高效节能，适合工业化生产的淀粉纳米晶，该制备方法大大提高了原料利用率，不使用高腐蚀性高毒性化学药品，生产出的淀粉纳米晶可以在食品中应用，更能应用于药品的缓释，还可用于新材料领域。

下面结合实例对一种超声波结合酶同步提取糖和淀粉纳米晶的绿色技术的发明做进一步描述，但本发明不仅限于这些例子。

实施例1

称取100g蜡质玉米淀粉，放在1000mLpH为4.6的磷酸氢二钠-柠檬酸的缓冲溶液中，加入预处理好的糖化酶1500U，将上述混合液放在温度为60℃水浴锅中搅拌8小时，期间每隔半小时用400倍显微镜观察淀粉颗粒，作好记录。然后超声波处理，设置条件为：功率160w，间歇时间1.5秒，处理时间2秒，处理20分钟。之后向溶液中加入α-淀粉酶8000U，在相同pH、相同温度下搅拌8小时，取出反应液，高压均质20分钟，静置半小时，在8000r/min转速下离心20分钟，取上清液，向上清液中按1:1比例加入无水乙醇，可看出有沉淀析出，即为糖(葡萄糖、麦芽糖、麦芽糊精等）。取沉淀，冷冻干燥后得到粒径为50～300nm的淀粉纳米晶。

实施例2

称取100g豌豆淀粉，置于1000mLpH为4.8的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，加入激活完全的糖化酶2000U，混合均匀后放在55℃水浴锅中，以100r/min的速率搅拌10小时，酶解过程中每隔40分钟用显微镜观察淀粉颗粒，记录，对比。然后用超声波发生器处理，设置功率为200W，间歇时间1秒，处理时间2秒，处理30分钟。取出反应液，调节pH至6.0，加入α-淀粉酶10000U，在相同温度下搅拌15小时，之后高压均质30分钟，静置40分钟，在10000r/min转速下离心20分钟。向上清液中按1：1.5比例加入无水乙醇，有沉淀析出，过滤干燥后得到葡萄糖、麦芽糖、麦芽糊精等淀粉糖。向沉淀中加入丙酮，在鼓风干燥箱中干燥3小时得到粒径为200～800nm淀粉纳米晶。

实施例3

将100g大米淀粉置于1000mLpH为4.0的磷酸氢二钠-柠檬酸的缓冲溶液中，加入测定酶活并激活的糖化酶2000U，混合均匀后置于温度为50℃的水浴锅中搅拌10小时，并每隔30分钟用显微镜观察淀粉颗粒的形貌，可以看出淀粉颗粒表面出现大小不均的裂痕，做好记录。用超声波处理淀粉颗粒，利用超声波的空化作用，使淀粉颗粒进一步破碎，超声波发生器的设置条件为：功率180W，间歇时间1秒，处理时间2秒，处理30分钟。处理结束后调节溶液pH至中性，升高水浴锅温度至65℃，向溶液中加入α-淀粉酶10000U（不同类型α-淀粉酶，质量不同），继续搅拌15小时，用显微镜跟踪观察，可以明显看到淀粉颗粒变小，直至消失。此时用高压均质机处理30分钟，静置1小时，在10000r/min转速下离心15分钟。取上清液，按1:1的比例加入无水乙醇，此时有沉淀析出，过滤干燥得到糖(葡萄糖、麦芽糖、麦芽糊精等），快速取出沉淀，置于平皿中，经冷冻干燥得到粒径为100～800nm淀粉纳米晶。

物理方法结合生物酶法制得淀粉纳米晶和葡萄糖、麦芽糖、麦芽糊精等淀粉糖，操作简单，易于生产，对原料利用率高。相比传统的制备工艺，此工艺低碳环保，生产成本低廉，为今后纳米科技的进步奠定的基础。

Claims (6)

1.一种超声波结合酶同步提取糖和淀粉纳米晶的绿色技术，其特征在于：采用原淀粉乳经酶解后，超声波处理，然后经淀粉酶酶解，之后高压均质，再酶解一段时间，最后分离出上清液和沉淀，用无水乙醇析出上清液中的糖，沉淀经冷冻干燥或丙酮洗涤后干燥，得到淀粉纳米晶。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所用淀粉包括蜡质玉米淀粉（糯玉米淀粉）、普通玉米淀粉、马铃薯淀粉、甘薯淀粉、豌豆淀粉、小麦淀粉、绿豆淀粉、大米淀粉等（包括两者及两者以上的混合物）。

3.根据权利要求1、2的方法，其特征在于：缓冲液可以是可以配制酶最适pH的磷酸氢二钠–柠檬酸缓冲液、柠檬酸–柠檬酸钠缓冲液、乙酸–乙酸钠缓冲液、磷酸盐缓冲液等。

4.根据权利要求1、2、3的方法，其特征在于：糖化酶的生产厂家不同，生产工艺不同，其活性也不同，要采用15～55 U/g淀粉的酶参与反应。

5.根据权利要求1、2、3、4的方法，其特征在于：超声波处理条件为，功率设置在150～250W，处理20～40分钟，间歇时间1～2秒，超声波处理1～2秒。

6.根据权利要求1、2、3、4、5的方法，其特征在于：α-淀粉酶的生产工艺不同，来源不同，其活性不尽相同，要按70～90U/g淀粉加入α-淀粉酶。