木聚糖酶产业化中试及在小麦加工中的应用

成果简述成果名称：木聚糖酶产业化中试及在小麦加工中的应用完成单位：河南农业大学编号：2007000050第一完成单位：河南农业大学第一完成人：陈红歌其他完成单位：河南莲花酶工程有限公司、河南莲花面粉有限公司小麦淀粉一厂其他完成人：陈红歌、刘新育、贾新成、刘亮伟、张焱堂、李瑞丰、朱峰、张世敏、王明道、赵玉萍成果简介：一、任务来源：本项目于2004年得到河南省重点科技攻关项目资助，项目名称为木聚糖酶生产中试与应用研究，项目编号0423021600。二．应用领域和技术原理木聚糖是自然界中含量最丰富的碳水化合物之一，约占植物性材料的20-35%。木聚糖酶则是专一性水解木聚糖分子β-1，4-木糖苷键的酶类，它将大分子木聚糖降解成木寡糖、木二糖及少量木糖。木聚糖酶的应用很广，主要包括以下几方面：（1）用于饲料：以小麦、玉米等为主的饲料中每公斤干料含有40-80克戊聚糖（主要为木聚糖），这些木聚糖本身不能被单胃动物所消化，但却因其保水性而增加鸡、猪等动物肠道中食糜的粘稠度，阻碍营养物质尤其是脂肪和蛋白质的消化吸收，导致饲料转化率降低，畜禽生产性能下降。在饲料中添加木聚糖酶是解决这一问题的最有效方法。（2）在小麦加工中的应用：由于木聚糖等戊聚糖的存在使小麦面粉浆液粘度增大，给谷朊粉和淀粉的物理分离过程带来极为不利的影响，从而降低谷朊粉和淀粉的得率，因此需要用木聚糖酶将其中的木聚糖成分降解掉，以降低料液的粘度，实现谷朊粉和淀粉的高效分离。另外，由于所用木聚糖酶液中还含有活力较高的β-葡聚糖酶和纤维素酶，在后续的淀粉制糖中还可通过加酶对淀粉乳中残留β-葡聚糖和纤维进行降解，以提高淀粉糖的得率，从而提高小麦的综合利用率。（3）纸浆漂白：加入木聚糖酶对纸浆进行处理可大大减少漂白剂氯/次氯酸的使用量，减少环境污染，并可提高纸张亮度。（4）在食品中工业中的应用：木聚糖酶在欧洲长期以来都被用作面粉调理剂，焙烤时可改善面团的机械性能和入炉急涨性能，从而获得较大体积的面包制品。另外，利用木聚糖酶进行半纤维素的酶法转化，可以生产功能性保健食品低聚木糖。（5）生物转化：木聚糖酶与纤维素酶共同作用下，可将农业植物性废弃物（约含1/3木聚糖）以及造纸工业废水中的戊聚糖降解为木糖，木糖再被细菌、酵母等转化成有价值的燃料乙醇、化工原料或单细胞蛋白饲料等。经过多年的微生物育种工作，我们已获得一株高产木聚糖酶产生菌黑曲霉A-25，其产酶活力达到国内领先，已对其发酵条件进行了摇瓶及40L实验罐的优化，然而实验室的产酶和生产罐的产酶无论是从接种方式还是物料性质、条件控制、酶的提取等诸多方面都存在明显的不同。本项目旨在将已有的木聚糖酶高产菌株及其实验室获得的发酵条件在工厂化中试水平上进行熟化，为规模化生产木聚糖酶提供熟化的生产工艺，同时建立木聚糖酶在小麦加工中的应用体系，拓宽木聚糖酶的应用领域，为最终将木聚糖酶推向工业化生产和应用奠定坚实的基础。三、性能指标（1）20吨生产罐液体发酵产酶水平达到900IU/mL以上，液态酶制剂产品活力达2500IU/mL，高于计划任务书指标。（2）木聚糖酶产品在室温贮存3个月，酶活力保持在90%以上，产品符合酶制剂行业标准（套用糖化酶行业标准QB1805.2-93）。（3）将木聚糖酶产品用于小麦谷朊粉及淀粉糖生产中，使总淀粉（折算成商品淀粉）对面粉的收率提高了1.4%，谷朊粉的蛋白含量提高了2.1%，换算成纯蛋白提取率，则加酶后纯蛋白提取率比不加酶时提高了1.82%，在制糖工段加酶后，又使淀粉转化成糖的粉糖转化率（纯糖/商品淀粉）提高了0.41%，显示了明显的应用效果。四、与国内外同类技术比较该项目的木聚糖酶产品活力达到2500IU/mL，接近美国杰能科同类产品活力（3000IU/mL），然而生产成本却远低于杰能科产品（每吨杰能科酶售价在8-10万元波动，该酶每吨售价1.5万元），因而该产品具有强劲的市场竞争力。另外，从酶组分看，该产品还同时是一个很好的饲用酶制剂，在木聚糖酶饲用酶制剂开发方面，目前除杰能科酶产品外，国内有一些尚不成规模的以固态发酵方式生产饲用复合酶制剂的企业，同时还有正在筹建的利用基因工程酵母菌生产木聚糖酶的报道，本产品与固态复合酶制剂相比，产品纯度高、活力高，而与基因工程菌生产木聚糖酶相比，本产品酶组分合理，特别适用于小麦加工及饲料行业，而工程菌生产的产品只含有单一组分木聚糖酶，不含在这些领域内使用所需要的β-葡聚糖酶组分，且本产品生产工艺简单，成本远低于工程菌木聚糖酶，因而该木聚糖酶具有其独特的产品优势。木聚糖酶用于小麦加工，可使淀粉收率提高1.4%、谷朊粉纯蛋白提取率提高1.82%、淀粉糖化时的粉糖转化率提高0.41%，此应用效果国内外未见报道。五、成果的创造性、先进性（1）利用粉碎的玉米芯、麸皮做为液体深层发酵的主料，经20吨罐发酵生产木聚糖酶，发酵液活力达到900IU/mL，经过滤和超滤，成品酶活力达到2500IU/mL，表明菌种活力高、生产成本低、工艺可行。而玉米芯、麸皮在其它研究中都只能用做菌种固态发酵的培养料，因而该生产菌种具有先进性。（2）所试产的木聚糖酶产品其酶组分非常适合于小麦加工及饲料添加，本项目将木聚糖酶产品成功用于小麦加工，拓宽了木聚糖酶的应用领域。六、作用意义（直接经济效益和社会意义）若按年产1000吨木聚糖酶计，按每吨1.5万元销售，则每年可创产值1500万元，而每吨木聚糖酶生产成本约为0.6万元，则上缴税收后，企业每年所得毛利润可达750万元，效益显著。木聚糖酶产业化的社会效益体现在以下方面：（1）本项目实现了木聚糖酶的实验室研究向产业化生产的实质性衔接，该项目木聚糖酶产品具有完全自主知识产权，其产业化将对改善我省酶制剂行业产品单一、结构不合理、应用领域狭窄的现状具有重要意义。（2）该木聚糖酶生产的主料均为农业废弃物如玉米芯、麸皮等，因此，木聚糖酶的产业化将提供一条新的农业废弃物资源化利用的途径。（3）该木聚糖酶的生产必将带动木聚糖酶应用领域的发展，如小麦加工、饲料、造纸等领域都需要木聚糖酶产品促进其进一步发展，木聚糖酶产业化的价值不仅仅在其生产企业本身，其更大的价值则在与木聚糖酶应用相关的产业中体现。七、推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见木聚糖酶的生产技术可由现有的酶制剂厂、氨基酸发酵厂等微生物发酵工厂接产，也可依托该技术新建木聚糖酶企业。目前木聚糖酶在造纸、饲料、食品等方面的应用不仅在观念上逐步被人们接受，而且在实践上已开始一些使用，从市场上看，木聚糖酶具有广阔的产业化前景。然而，木聚糖酶的产业化推进也存在一些问题，主要是木聚糖酶在应用领域的推广还有很多工作要做。如在小麦加工中的应用还要广为宣传，而木聚糖酶作为饲料添加剂能显著提高饲料转化率，其效果是业内共知的，然而饲料行业是一个低价行业，主要靠量来保证利润，所以对于饲料用酶制剂，控制酶制剂价格就是一个重点，并且中国的饲料业被几个大的饲料生产集团所控制，饲料配方均为固定化的，木聚糖酶作为饲用酶制剂的新产品，其推广阻力很大，还有待相关的企业去进行有效的市场开发工作。另外，木聚糖酶在纸浆生产领域的应用，可大大减少漂白剂氯/次氯酸的使用量，减少对环境的污染，然而此领域的应用推广工作难度更大，必须有国家相关政策支持。为使木聚糖酶产品真正走向大规模应用，使木聚糖酶成为我省酶制剂行业的新的增长点，特提出以下建议：（1）加强木聚糖酶应用领域的知识普及和技术培训，加强市场开发工作；（2）在木聚糖酶的生产上要特别重视针对不同应用领域的需要开发不同规格的复配酶；（3）在当前秸秆燃料乙醇开发中，建议重视该木聚糖酶产品在秸秆的酶法糖化中的作用。小麦在啤酒生产中的应用【燕京啤酒（曲阜三孔）有限责任公司/马爱华】水母网日期:2008-06-23来源:华夏酒报啤酒是以大麦芽为主要原料，添加酒花，经酵母发酵酿制而成的含二氧化碳、起泡的、低酒精浓度的酿造酒。目前，面对原料价格，尤其是啤酒大麦价格飞涨的压力，各啤酒厂家都在积极寻找大麦的替代品。提高辅料使用比例，已成为广大啤酒生产企业及相关技术人员关注的热点。在众多可酿造啤酒的辅料中，使用部分小麦替代大麦，既可以充分利用我国小麦的资源优势，解决大麦资源的不足，又可以降低生产成本，提高啤酒企业的市场竞争力。因此，小麦在啤酒生产中的应用试验在许多啤酒厂家相继展开，并陆续取得了一定的经验。笔者现结合本企业小麦的使用，谈谈自己的体会，供同行参考，并愿与同行作进一步的交流。一、小麦品种的选择我国小麦种植面积广泛，产量仅次于大米，同时在一些小麦产区，小麦价格远低于大麦。其中有些小麦品种蛋白质含量较低。它们并非食品行业的上选原料，却恰恰能满足啤酒酿造的要求，同时这些低蛋白小麦在产量和抗逆性等方面都明显优于高蛋白小麦及大麦，且种植效益显著。小麦按播种季节，可分为冬小麦和春小麦两种。我国以冬小麦为主。冬小麦秋季播种，次年夏季收获，分布广泛；春小麦春季播种，当年夏、秋收获，多分布在纬度较高的地区。春小麦籽粒两端较尖、腹沟较深、皮层较厚，出粉率较低。若按小麦皮色的不同，可分为白皮小麦与红皮小麦两种。白皮小麦呈黄色或乳白色，皮薄，胚乳含量多，出粉率较高；红皮小麦呈深红色或红褐色，皮较厚，胚乳含量少，出粉率较低。按籽粒胚乳结构呈玻璃质或粉质的多少，可分为硬质小麦和软质小麦。一般来说，优良的啤酒小麦应符合下列标准：1.粒大饱满，腹径大，体形短，籽粒大小均匀整齐，无虫蛀，无霉变，千粒重一般不低于35g；2.高产、低肥、抗病虫害，成熟期早、休眠期短；3.蛋白质含量适中，一般在11.9%—13.0%（绝干）；4.发芽力强，发芽率不低于90%；5.麦粒颜色为白色，胚乳为粉状、松软、非玻璃质；6.所制得的麦芽酶活力高，品质优良，制麦损失小。实际上，能够同时满足以上条件的小麦品种并不多。多数情况下，只能依据生产情况综合考虑，以选择适宜的品种。从整体来看，冬麦优于春麦；软质麦优于硬质麦。软质白皮冬小麦最适合啤酒的酿造（见表1），其余依次为软质红皮冬麦、硬质红皮冬麦、硬质红皮春麦。二、小麦中的主要物质1.淀粉小麦中淀粉含量因品种、产地和栽培条件等因素的不同而存在差异。一般认为，谷物中小麦的淀粉含量仅次于大米且稍高于大麦；麦汁浸出物则高于大麦低于大米。小麦淀粉颗粒的形状与大麦相似，有凸镜形和球形两种，其中支链淀粉的含量与大麦、大米基本相同，为23%左右，但糖化温度仅为54—620℃，明显低于大麦（70—800℃）和大米（68—780℃）。因此，小麦用作辅料时可以不经过单独糊化，直接与麦芽混合后进行糖化。2.蛋白质小麦的蛋白质含量通常高于大米和大麦，这对于啤酒的酿造有着重要的影响。其不利之处表现为：（1）随着蛋白质的增加，麦粒中淀粉的含量会相应降低，从而影响麦汁收得率；（2）随着蛋白质的增加，玻璃质及半玻璃质胚乳的比例也越来越高，这两种胚乳难以溶解，一般不宜用于啤酒酿造；（3）小麦蛋白质的组成与其他谷物有所不同，其中醇溶蛋白和谷蛋白的含量较高，达80%—90%，而且随着蛋白质含量的升高，这两种蛋白质所占比例也会增加。它们难以溶解，容易导致麦汁过滤困难，并严重影响啤酒的非生物稳定性。小麦用于啤酒酿造的主要优点是能有效改善产品的泡沫性能。其机制较为复杂，与小麦中蛋白质的含量及构成有直接关系。掺用小麦后，啤酒中高分子氮的比例较高，而泡沫的稳定性也明显得到改善。此外，有研究证实，蛋白质含量与小麦的发芽力，以及发芽过程中所形成的β－淀粉酶活力呈显著的正相关性。因此，小麦芽的糖化力和α－氨基氮水平普遍高于大麦芽，这对于啤酒酿造是非常有利的。3.非淀粉多糖小麦中的戊聚糖和β－葡聚糖具有比较重要的意义，因为它们与麦汁的粘度有关。大麦芽与小麦所含戊聚糖的总量相差不多，均远高于大米，但小麦中可溶性戊聚糖的含量高于大麦芽。它在糖化过程中形成的凝胶，可能是导致麦汁过滤困难的主要因素之一。从水溶性β－葡聚糖的含量来看，三者非常接近，但大麦中β－葡聚糖的总量显著高于小麦，且大部分不溶于水；而小麦中的β－葡聚糖几乎全部是水溶性的，这对于制麦及糖化过程中β－葡聚糖的降解是非常