玉米淀粉双酶法制取葡萄糖.docx
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玉米淀粉双酶法制取葡萄糖
综合实验报告
题目：
玉米淀粉双酶法制取结晶葡萄糖的工艺研究
姓名：
何雄飞
学号：
080700104
学院：
生物科学与工程学院
专业：
生物工程
指导教师：
朱秋享
2010年11月29日-2010年12月28日
综合实验
淀粉是植物体中贮存的养分，贮存在种子和块茎中，各类植物中的淀粉含量都较高，大米中含淀粉62％～86％，麦子中含淀粉57％～75％，玉米中含淀粉65％～72％，马铃薯中则含淀粉超过90％。
葡萄糖在自然界中分布极广，游离状态的葡萄糖存在于植物果实中，动物中也有存在。
葡萄糖是有机体能量的主要来源，是许多糖类化合物的组成部分，是多种有机醇和抗生素的糖质原料。
本实验所制结晶葡萄糖是主要以玉米淀粉乳为原料，采用双酶法降解转化为葡萄糖后，经过活性炭脱色、过滤等净化处理后，再经过蒸发浓缩、降温冷却结晶、分离、烘干等工序精制而成的一种全结晶体状态的葡萄糖，在经济上有较为诱人的应用价值。
本实验在前人工作的基础上，有针对地对双酶法制取葡萄糖晶体这一工艺进行了研究，主要进行了液化条件的优化选择。
一、实验原理
酶液化和酶糖化工艺称为双酶法、双酶法生产葡萄糖工艺是以作用专一的酶制剂作为催化剂，反应条件温和，复合分解反应较少，因此采用双酶法生产葡萄糖，可以提高转化率及糖液浓度，改善糖液质量，是目前最为理想的制糖方法。
首先对淀粉进行调浆;用纯碱调pH值至6.0左右，再加入耐高温的α-淀粉酶，搅拌均匀。
将调好后的淀粉浆进行糊化，其目的是打破淀粉分子的结晶结构，初步凝聚蛋白质。
待到液化均匀一致，达到合格的液化液，即合理的DE值、外观透明、无白色沉淀、粘度低、蛋白质絮凝好，液化结束。
将料液用酸将pH值调至4.5，加人糖化酶。
经过一定糖化周期后，料液达到预期的DE值，此时可以进行料液脱色以及离子交换的纯化处理（本次实验由于时间限制以及安排不当，故未能进行离子交换）。
最后，通过阶梯式降温的方法使晶体析出。
二、实验仪器
1、淀粉前处理
800mL烧杯一只、350mL烧杯三只、玻璃棒、500mL量筒、电子天平、药匙、胶头滴管、pH试纸
2、液化
温度计、水浴锅
3、糖化
pH试纸、水浴摇床
4、净化处理
布氏漏斗、纱布、滤纸、真空泵、水浴摇床、玻璃棒
5、浓缩结晶
水浴锅、阿贝折射仪、玻璃棒
6、DE测定
酸式滴定管、250mL（或200mL）三角瓶、沸石、5mL移液枪一只、1mL移液枪一致、电炉、镊子、50mL量筒、电子天平、阿贝折射仪、秒表
7、酶活测定
分光光度计、移液枪、试管、水浴锅、酸式滴定管、锥形瓶胶头滴管
三、实验试剂
玉米淀粉、碳酸钠溶液（调pH用）、盐酸溶液（调pH用）、氯化钙溶液、α-淀粉酶、糖化酶、活性炭、3，5-二硝基水杨酸、五水硫酸铜、四水合酒石酸钾纳、氢氧化钠、无水D-葡萄糖、亚甲基蓝、柠檬酸、柠檬酸钠、浓硫酸、碘、碘化钾
四、实验步骤
1、淀粉前处理
量取蒸馏水600mL，加入到事先称取好的200g淀粉中搅拌均匀，得到1：
3淀粉浆液。
平均分装到三只350mL烧杯中，用Na2CO3溶液以及HCl溶液调整pH至6.0左右，加入CaCl2溶液2mL，混匀。
2、液化最优条件的正交实验
按步骤1继续配制淀粉浆液6瓶。
将烧杯置于75℃的水浴锅中，持续搅拌至淀粉浆液粘稠成糊状。
立即加入α-淀粉酶，搅拌均匀。
分别置于55℃、65℃、75℃的水浴锅中，温度恒定不同的时间，期间持续搅拌。
时间到后移入100℃水浴10分钟，以充分使酶灭活。
冷却后测定其DE值（本实验采取的DE测定为费林滴定参考自“GB/T22482.1-2008：
淀粉水解产品还原力和葡萄糖当量测定”，这里便不再赘述），以DE落在15-20内为佳。
具体的实验条件控制如下：
表1：
液化最优条件正交实验表
列号
试验号
温度/℃
液化时间/min
酶用量/（g/50g淀粉）
A
B
C
1
1（55）
1（20）
1（0.1）
2
1
2（30）
2（0.15）
3
1
3（40）
3（0.2）
4
2（65）
1
2
5
2
2
3
6
2
3
1
7
3（75）
1
3
8
3
2
1
9
3
3
2
3、糖化
研究出最佳液化条件之后，在最佳液化条件重新进行液化。
灭活后料液冷却，调整pH为4.5，每个烧杯加入糖化酶1.20g。
搅拌混匀之后分别置于60℃、65℃、70℃的水浴摇床中，震荡反应16h,取出，测定其DE值，以DE值接近96为好。
4、净化
糖化液冷却后用四层纱布过滤。
粗略地除去絮凝物后，加入事先干燥好的3.5g活性炭（分两次添加，第一次稍多），。
置于80℃的水浴摇床中震荡20min后取出，先用四层纱布过滤，后用布氏漏斗抽滤。
得到无色澄清透明糖液。
5、浓缩
将糖液置于间歇沸腾的水浴锅蒸发浓缩，至干物质含量达70%，取出。
冷却至45℃。
在45℃的水浴锅中保温12h后，降至39℃继续保温12h。
再降至33℃保温12h，最后降至27℃保温12h，取出。
6、结晶干燥
将含晶体的溶液用布氏漏斗抽滤，得到固体。
将固体置于烘箱中，得到干燥的晶体，即为葡萄糖。
7、0.1%α-淀粉酶活力的测定
配制实验试剂如下：
①标准葡萄糖溶液（1mg/mL）:
准确称取100mg葡萄糖，用蒸馏水溶解并定容至100mL；
②3，5-二硝基水杨酸试剂：
精确称取3，5-二硝基水杨酸1g，溶于20mL2mol/L的NaOH溶液中，加入50mL蒸馏水，再加入30g酒石酸钾钠，待溶解后用蒸馏水定容至100mL。
盖紧瓶塞，勿使CO2进入。
若溶液浑浊可过滤后使用。
③0.1mol/LpH5.6的柠檬酸钠缓冲液
A液（0.1mol/L柠檬酸）：
称取C6H8O7·H2O21.01g，用蒸馏水溶解并定容至1L；
B液（0.1mol/L柠檬酸钠）：
称取Na3C6H5O7·2H2O29.41g,用蒸馏水溶解并定容至1L；
取A液55mL与B液145mL混匀，即为0.1mol/LpH5.6的柠檬酸钠缓冲液；
④2%淀粉溶液：
称取2g淀粉溶于100mL0.1mol/LpH5.6的柠檬酸钠缓冲液中；
实验步骤如下：
①葡萄糖标准曲线的制作
取7只干净的试管，编号，按表二加入试剂，做两份平行。
表2：
葡萄糖标准曲线的制作
试剂
管号
1
2
3
4
5
6
7
葡萄糖标准液/mL
0
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1.0
蒸馏水/mL
1.0
0.9
0.7
0.5
0.3
0.1
0
3，5-二硝基水杨酸/mL
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
摇匀，置沸水浴中煮沸5min。
取出后冷却接近室温，加蒸馏水8mL，即总体积10mL。
以1号管作为空白调零点，在540nm波长下比色测定光密度。
以葡萄糖含量为横坐标，光密度为纵坐标，绘制标准曲线。
②酶活力的测定
取干净的试管，编号，按表三进行操作。
表3：
酶活力测定取样表
操作项目
淀粉酶活力测定
1
2
3
0.1%淀粉酶液/mL
0.5
0.5
0.5
预保温
将各试管和淀粉溶液置于70℃恒温水浴中保温10min
3,5-二硝基水杨酸/mL
1.0
0
0
添加2%淀粉溶液/mL
0.5
0.5
0.5
保温
在70℃恒温水浴中准确保温5min
3,5-二硝基水杨酸/mL
0
1.0
1.0
沸水浴
5min
定容
加入8mL蒸馏水
将各试管摇匀，显色后进行540nm比色测定光密度，记录测定结果。
8、糖化酶活力的测定
实验采取的方法是次碘酸钠法，即在pH4.6，温度40℃的情况下每小时催化可溶性淀粉水解生成1mg葡萄糖的酶量为一个酶活力单位。
配制实验试剂如下：
①2%可溶性淀粉：
称取绝干可溶性淀粉2g，以少许蒸馏水调匀，倾入80mL左右的沸水中，继续煮沸至透明状。
冷却至室温后，加蒸馏水定容至100mL；
②pH4.6，0.1mol/L醋酸缓冲液：
用0.1mol/L的醋酸溶液与0.1mol/L的醋酸钠溶液等体积混合；
③0.1mol/L碘液：
称取碘化钾36g，溶于100mL蒸馏水中，加入碘12.7g，溶解后定容至1000mL；
④0.1mol/L氢氧化钠溶液：
称取4gNaOH，用水溶解后，定容至1000mL；
⑤1mol/L硫酸溶液：
量取56mL浓硫酸（相对密度1.84），换换倒入适量水中，定容至1000mL；
⑥0.025mol/L硫代硫酸钠溶液：
称取硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）6.25g，碳酸钠0.05g，溶于1000mL煮沸后冷却的蒸馏水中，存于棕色瓶内；
⑦0.5%淀粉指示剂：
称取0.5g可溶性淀粉，用少许水调匀，倾入80mL沸水中，继续煮至透明，冷却后定容至100mL。
具体实验步骤如下：
①吸取2%可溶性淀粉10mL，加入pH4.6醋酸缓冲液5mL，混匀后于40℃水浴中预热10min；
②加入酶液1mL（空白实验以煮沸失活的酶液代替），于40℃水浴中反应10min。
反应结束时，立即于沸水浴中加热使酶失活；
③取上述反应液5mL于碘量瓶，加入0.1mol/L碘液5mL及0.1mol/L氢氧化钠5mL，摇匀，在暗处放置15min，加入2mol/L硫酸溶液2mL；
④以0.5%可溶性淀粉为指示剂，用0.1mol/L硫代硫酸钠溶液滴定至蓝色消失为终点。
记录0.1mol/L硫代硫酸钠消耗的毫升数A以及空白滴定所消耗的硫代硫酸钠的毫升数B；
⑤计算酶活力。
在上述条件下每小时催化可溶性淀粉生成1mg葡萄糖的酶量定义为1个酶活力单位，即：
酶活力=（B-A）×N×90.05×16/5×60/10
式中：
A--加酶液组平均消耗的硫代硫酸钠溶液的量；
B--空白组消耗的硫代硫酸钠溶液的量；
N--硫代硫酸钠溶液的当量浓度；
90.05--与1ml硫代硫酸钠标准溶液（1mol/L）相当的葡萄糖的质量（g/mol）；
16--反应液的总体积（ml）；
5--吸取反应液的体积（ml）；
60/10--反应10min，换算成1h的酶活力系数。
五、实验数据与处理
1、费林混合溶液的标定
费林混合溶液的标定是以0.6%的葡萄糖标准液进行的，目的是在于确定费林混合液的浓度，以计算样品的还原力。
表4：
费林混合溶液标定记录表
1
2
3
初读数/mL
0.60
1.23
21.50
预加后读数/mL
18.60
18.20
21.80
最终读数/mL
21.50
21.90
41.20
滴定体积/mL
20.90
20.67
19.70
平均/mL
20.42
故而，V1=20.8mL
2、最优液化条件的正交实验
液化过程中，淀粉浆液从最开始的白色均匀液体在75℃水浴锅中慢慢变稠糊化，白色纯度进一步提高。
加入α-淀粉酶后置于水浴锅中继续搅拌，料液逐渐变稀变黄，呈黄白色均匀液体。
在100℃的水浴锅灭活，溶液再度变稠变黄，最终得到淡黄色乳状均匀胶体。
在表一条件下进行实验，得到的料液分别用阿贝折射仪测量其干物质浓度、量筒与电子天平测量其密度，最后测定其费林滴定消耗体积，测得数据如下（表中滴定用样品已经过8倍稀释）：
表5：
最优液化条件正交实验记录表
列号
试验号
温度/℃
液化时间/min
酶用量/（g/50g淀粉）
料液指标
滴定体积ml
A
B
C
D
5ml质量/g
干物质含量/%
1
2
1
1（55）
1（20）
1（0.1）
1
5.39
24
27.72
26.72
2
1
2（30）
2（0.15）
2
5.37
21.8
20.80
20.65
3
1
3（40）
3（0.2）
3
5.40
23
17.20
17.10
4
2（65）
1
2
3
5.54
23.5
20.60
20.80
5
2
2
3
1
5.47
22.5
15.10
15.80
6
2
3
1
2
5.41
23.8
17.30
16.40
7
3（75）
1
3
2
5.47
25.2
14.80
14.50
8
3
2
1
3
5.43
23
19.10
18.40
9
3
3
2
1
5.39
23.5
12.70
12.10
根据标准，还原力RP=
；
葡萄糖当量DE=
。
式中：
—混合费林试剂在标定时所消耗的D-葡萄糖标准溶液的体积，mL；
—在测定时所消耗的样品液的体积，mL；
—所测定样品液的稀释倍数；
—样品的密度，g/mL；
—样品的干物质含量，%。
按以上步骤，整理数据，得到如下结果：
表6：
最优液化条件正交实验数据处理表
列号
试验号
温度/℃
液化时间/min
酶添加量/（g/50g淀粉）
DE值
A
B
C
D
1
1（55）
1（20）
1（0.1）
1
13.90
2
1
2（30）
2（0.15）
2
20.18
3
1
3（40）
3（0.2）
3
22.988
4
2（65）
1
2
3
18.17
5
2
2
3
1
25.75
6
2
3
1
2
22.57
7
3（75）
1
3
2
24.24
8
3
2
1
3
20.91
9
3
3
2
1
31.17
K1
57.07
56.32
57.38
K总=199.90
K2
66.48
66.84
69.52
K3
76.32
76.72
72.98
K1'
19.02
18.77
19.13
K2'
22.16
22.28
23.17
K3'
25.44
25.57
24.33
R
6.42
6.80
5.20
由以上数据，可以得出在实验研究范围内，温度、液化时间以及酶添加量对DE值影响作用的大小表示如下：
液化时间>温度>酶添加量
可以明显的看出，在液化的正交实验中，条件4，即温度65℃、时间20min、酶添加量0.15g/（50g淀粉）能够较好地使液化后DE落在15~20的范围内。
因此，该条件即为液化的最佳条件。
在最佳条件下重复淀粉浆液的液化过程，即重复步骤1，调浆后在温度65℃、时间20min、酶添加量0.15g/（50g淀粉）的条件下反应，验证最优条件的重现性（滴定用样品同样稀释8倍）。
得到数据如表五。
实验数据表明，最优条件下进行的液化可以得到较好的重现，最终得到的料液DE值皆能落在15-20的范围内。
表7：
最优条件验证试验记录表
1
2
3
干物质/%
24.0
25.1
24.0
5mL质量/g
5.66
5.67
5.68
滴定体积/mL
19.70
19.10
19.10
17.80
19.30
19.10
平均体积/mL
18.75
19.20
19.10
DE值
19.22
17.92
18.80
3、糖化实验记录
经过16h的糖化，料液由粘稠胶体逐渐变稀，最终得到含少许沉淀的淡黄色溶液。
本次实验研究了3种不同温度对糖化的影响。
由于实验条件以及时间的限制，本次试验就没有涉及到糖化酶加量以及糖化时间对糖化的影响。
糖化酶的加量是在相关文献的基础上结合实验所用糖化酶的活力计算得出；糖化时间是间歇测定糖化液的DE值直至DE值达到96而得出的。
将糖化实验的结果记录如下（表中用于滴定的样品已经过40倍的稀释）：
表8：
糖化实验记录表
60℃
65℃
70℃
干物质/%
26.0
25.0
26.0
5mL质量/g
5.49
5.48
5.55
滴定体积/mL
17.35
17.90
17.50
17.35
18.15
17.80
对糖化结果进行数据处理，得到下表：
表9：
糖化实验数据处理表
60℃
65℃
75℃
滴定体积平均值/mL
17.35
18.02
17.65
DE值
98.84
99.12
96.11
由实验结果可以看出，本次实验的糖化结果较为接近96.0的预期值，其中又以65℃得到的糖化DE值最高。
因此可以推断实验控制的糖化时间应该在16h左右。
4、0.1%α-淀粉酶活力的测定
以葡萄糖标准溶液绘制标准曲线，测得数据如下
表10：
葡萄糖标准曲线测定记录表
管号
1
2
3
4
5
6
7
葡萄糖标准液/mL
0
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1.0
A540
0
0.046
0.180
0.288
0.430
0.575
0.612
以葡萄糖含量为横坐标，光密度为纵坐标，绘制标准曲线如图1。
图1：
葡萄糖标准曲线
对实验所用的α-淀粉酶进行活力测定，得到数据如下：
表11：
α-淀粉酶活力测定数据记录表
试管号
空白
1
2
样品平均
A540（稀释两倍）
0
0.537
0.530
0.534
注：
表中数据为样品稀释2倍后得到数值
由以上数据，可以得出0.1%α-淀粉酶在实验条件下催化生成的葡萄糖的物质的量：
n葡萄糖=0.534/0.6163×2/180×1000=9.63mol
可推算出实验用α-淀粉酶的活力如下：
E=9.63/5×1000=1926U/g
式中，酶活力U的定义：
在70℃下，1min转化生成1mol葡萄糖为1U。
5、糖化酶活力的测定
按照实验步骤测定糖化酶的活力，得到数据如下：
表12：
糖化酶活力测定数据记录表
空白
1
2
Na2S2O3滴定消耗体积/mL
19.00
10.95
10.92
由以上数据，有以下的数据处理：
表13：
糖化酶活力测定数据处理表
1
2
A/mL
10.95
10.92
/mL
10.94
B/mL
19.00
（B-
）/mL
8.06
1%酶液酶活力U/mL
348.38
固体酶酶活力U/g
34838
6、葡萄糖结晶
本次实验中我组采用沸水浴蒸发浓缩的方法，由于时间安排不当以及实验限制，未能将糖液干物质浓度浓缩至70%。
为达到浓度对比的效果，实验中将第二个烧瓶进行了较为剧烈的直接加热蒸发，最终干物质浓度达到了70%。
经过阶段降温结晶的处理，可以看到仅第二组的烧杯出现了较多的纯白色结晶，第一组和第三组只有在底部有白色颗粒和棱形透明结晶。
实验拟在烘箱中实现葡萄糖晶体的干燥，而事实表明在密闭烘箱中升温将会使葡萄糖重新湿润发潮。
可以认为由于烘箱中较高的温度，使得部分已析出的晶体重新溶解。
对烘箱处理后的晶体称量，得到其质量为38.3g。
但由于晶体含水以及在称量中有较多的损失，引入了较多的偏差，在此便不做实验得率的计算。
六、实验结果讨论
1、费林混合溶液当天现配现用，对每次重新配制的费林溶液，应该重新对其混合液浓度进行标定。
确保实验结果的可信度。
2、本实验研究讨论得到的最优糖化条件的前提是在本实验设备以及流程中操作。
对于不同的实验环境与操作流程，本实验的最优条件可能不适合。
3、实验中采取的容器规格对实验有一定的影响，广口容器可能引起料液较大程度的挥发，从而影响到实验数据的精确度。
4、由于实验室中糖化酶为粗制品，存在有较多的麸皮，因此本实验中糖化酶是在充分研磨之后才加入体系中的。
研磨过程中局部高温可能会对酶的活性有一定的影响，因此实验中测定的糖化酶活力是研磨后的酶活。
5、在晶体生成环节，第一组和第三组为得到大量晶体，只看到为数不多的白色颗粒和一些棱形透明晶体。
通过对晶体性状的比对，白色颗粒应为结晶葡萄糖，棱形晶体则可能是某种盐的结晶。
因此可以判断，实验得到的晶体仍然不够纯。
在结晶操作前应进行葡萄糖液的离子交换，从而去除糖液中的离子成分。
另外，若采取较小瓶口的容器，可以更大程度上的减少水分蒸发，使料液得到较好的保留，便于纯化与抽滤。
6、在晶体的烘干环节，可以看到烘箱内的晶体在升温过程中伴随着结晶水的重新析出，致使晶体潮湿，并不能达到完全烘干的效果。
考虑到直接的高温加热可能会导致晶体产生氧化反应，因此需要对该步骤实验方案进行改良，可以尝试在通风橱内低温加热装有晶体的蒸发皿烘干的方法。
七、实验心得
本次的综合实验是我大学以来为期最长的一个实验，也是我投入精力最多的一个实验。
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，诚然，这次的实验让我领悟到课本上学不到的许多知识。
接触课题伊始，我查阅了许多相关的文献，对实验有了比较大概的了解。
我意识到，这个实验的整体流程并不难，繁杂的步骤在于实验各项指标的测定，尤其是DE值的确定。
文献中提及较多的方法是费林滴定，该法需要在使用时当天混合试剂，并且要在沸腾情况下进行滴定操作。
考虑到这个操作存在一定的难度，我们便试图从其他方法入手，对还原端进行测定。
组内有同学提议使用DNS比色的方法，实验同样可以测得还原糖的含量，而且在操作上更为可行而且简便，于是我们便事先尝试了DNS比色法的可行性。
实验的操作步骤是先用一定浓度梯度的葡萄糖溶液绘制DNS比色的标准曲线，而后用已知浓度的葡萄糖进行DNS比色，分析数据的偏差，从而判断实验方案的精确度。
通过实验的比较，可以得出在葡萄糖溶液的比对上，DNS比色的实验方案数据较为可信。
但是，在将这个方案应用与实验样品的时候，便遇到了困难。
在文献推荐的操作条件下，我组的DNS比色法测得的DE值数值非常小，这不禁使我怀疑这种方法在处理样品时存在原理上的问题。
首先，实验处理得到的样品为偏黄色的胶体，在DNS处理后，溶液浑浊。
根据朗伯比尔（Lambert-Beer）定律：
当一束平行单色光通过均匀的非散射样品时，样品对光的吸光度与样品的浓度及厚度成正比。
试验样品本身不符合均匀非散射的前提，分光光度法已不适用。
其次，实验样品中有许多还原端成分并不是以还原糖的形式存在，DNS比色分析的方法也不再适合。
在DNS比色法的尝试受挫之后，我组只能接受传统经典的费林滴定。
滴定的步骤由我操作。
可以说，费林滴定是我接触到现在最难的一个滴定。
首先，滴定在沸腾的溶液上进行，高温的蒸汽要求操作人员尽快进行操作，否则会有烫伤之虞。
其次，实验对各个时间段的把握十分严格。
在费林混合溶液预加样品之后，要求在2min±15s内沸腾，沸腾两分钟后需马上加入亚甲基蓝指示剂，进行滴定，滴定时间控制在1min内，以避免空气影响。
这样严格的规定要求操作人员对实验十分熟练，而且对电炉火候把握十分精准，这无疑需要很多次的尝试。
最繁琐的问题是必须对样品进行稀释度的预估。
出于实验精确度的考虑，必须使样品滴定的体积控制在15-20mL的范围内，因此，需要对样品以不同倍数稀释反覆测定其滴定体积以确定最佳的稀释度。
滴定终点的判断也需要比较敏锐的感官与直觉。
经过多次的实践，我现在已经基本掌握了费林滴定的操作要领，也有了一些个人的切身体会。
第一，尽量不要使滴定管一直处于三角瓶正上方，只在滴定时从蝴蝶夹上取下
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