課題四 雙酶法液化 糖化技術 重點 1 雙酶法制糖工藝2 淀粉液化技術 液化定義 原理 糊化和老化3 淀粉液化方法4 淀粉液化的選擇5 液化程度的控制6 低壓蒸汽噴射液化工藝流程7 低壓蒸汽噴射液化工藝條件8 噴射液化器及其技術9 美國水熱器及其技術 一 淀粉液化技術 淀粉制備糖工藝簡述淀粉水解常常有酸法 酸酶法和雙酶法 本章重點介紹雙酶法 雙酶法是用專一性很強的淀粉酶和糖化酶作為催化劑將淀粉水解成為葡萄糖的方法 思考 雙酶法包括哪兩個步驟 每種方法的優缺點 酶解法優點 淀粉水解糖的制備方法 1 2 3 葡萄糖對淀粉的理論轉化率 P92 C6H10O5 n nH2O n C6H12O6 162 1418 02180 16 淀粉產生葡萄糖的理論轉化率為 檢測內容 葡萄糖含量 DE值 糊精檢測 用無水乙醇檢查 常用OD表示 其它 液化技術 雙酶法制備糖酶解法制備葡萄糖可分為兩步 第一步是液化過程 利用 淀粉酶將淀粉液化 轉化為糊精及低聚糖 第二步是糖化過程 利用糖化酶將糊精或低聚糖進一步水解為葡萄糖 淀粉的液化和糖化都在酶的作用下進行的 故酶解法又稱為雙酶法 淀粉酶解法的兩個步驟 酶水解位置水解次序水解產物液化淀粉酶1 4糖苷鍵無先后次序葡萄糖 麥芽糖 麥芽三糖異麥芽糖 低聚糖糖化糖化酶1 4和1 6從非還原性葡萄糖糖苷鍵末端開始 液化的原理 淀粉酶是內切型淀粉酶 可從淀粉分子的內部任意切開 1 4糖苷鍵 不能水解 1 6糖苷鍵 液化產物除了麥芽糖和葡萄糖外 還含有一系列帶有 1 6糖苷鍵的寡糖 淀粉在糊化之前 淀粉酶是難以直接進入淀粉顆粒內部與淀粉分子發生作用的 所以淀粉一定要經過糊化階段 酶才能開始發生作用 液化的定義液化是利用液化酶使糊化淀粉水解成糊精和低聚糖等 使粘度大為降低 流動性增高 C6H10O5 n C6H10O5 x 用反應方程式表達 液化理論 糖化使用的糖化酶屬于外酶 水解作用從底物分子的非還原末端進行 為了增加糖化酶作用的機會 加快糖化反應速度 必須先將大分子的淀粉水解成糊精和低聚糖 酶水解顆粒淀粉和水解糊化淀粉的速度比約為1 20000 所以淀粉酶作用于淀粉前要先加熱淀粉乳 從而使淀粉顆粒吸水膨脹 糊化 破壞其晶體結構 所以淀粉乳糊化是酶法工藝第一個必要步驟 淀粉的糊化與老化 糊化 糊化溫度 淀粉顆粒開始膨脹 偏光十字消失 體積增大數倍 晶體結構消失 變成糊狀液體的溫度 互相接觸變成糊狀液體 即使停止攪拌 淀粉也不會再沉淀的現象 糊化過程 不同淀粉的糊化溫度是不同的 P72預糊化 糊化 溶解 由于淀粉顆粒的結晶性結構對酶作用的抵抗力非常強 不能使淀粉酶直接作用于淀粉 而需要先加熱淀粉乳 使淀粉顆粒吸水膨脹 糊化 破壞其結晶性的結構 影響糊化因素 顆粒大小 小顆粒 結構緊密 糊化溫度 直鏈含量 含量多 分子結合力強 糊化溫度 電解質 電解質可破壞分子間氫鍵 糊化溫度 非質子有機溶劑 如二甲基亞礬 脲等 促進糊化 糊化溫度 物理因素 強烈研磨 擠壓 蒸煮 射線等 促進糊化 糊化溫度 化學因素 酯化 醚化 糊化溫度 糖 鹽 破壞水化膜 降低水分活度 糊化溫度 脂類 淀粉與硬脂酸合成的復合物 糊化溫度 親水膠體 明膠 干酪素 CMC 等與淀粉爭水 糊化溫度 酸解和交聯 增加分子間形成氫鍵的能力 糊化溫度 生長環境 在高溫下 糊化溫度 淀粉糊的老化 老化 是淀粉分子間氫鍵已經斷裂的糊化淀粉又重新排列形成新氫鍵的過程 也就是復結晶過程 也就是說 淀粉稀溶液或淀粉糊在低溫下靜置一定時間 混濁度增加 溶解度降低 甚至出現沉淀 如果冷卻速度快 溶膠會變成凝膠體 在制糖過程中 淀粉酶很難進入到老化淀粉的結晶區域 淀粉液化困難 糖化更加沒法進行 所以必須嚴格控制淀粉糊的老化 老化的弊端是什么 老化是糊化的逆過程 溫度 發生老化所需的溫度稱為老化溫度 0 4 本質 糊化的淀粉分子在溫度降低時 由于分子運動減慢 此時直鏈淀粉分子和支鏈分子的分支都回頭趨向于平行排列 互相靠攏 彼此以氫鍵結合 重新組成混合的微晶束 淀粉糊老化的控制 1 分子組成的影響 直鏈較支鏈淀粉容易老化 淀粉老化程度可以用冷卻時結成的凝膠程度來表示 2 液化程度 因為葡萄糖淀粉酶是先與底物分子生成絡合結構 而后發生水解催化作用 這需要底物分子的大小具有一定的范圍 才會有利于絡合結構的生成 水解程度高會導致最終葡萄糖值低 過高則會導致液化淀粉的凝沉性強 易于重新結合 過濾會非常困難 一般而言 淀粉液化零時DE值控制12 18 思考 影響老化的因素 3 酸堿度 堿性條件更不易老化 但要考慮料液透光和酶的最適pH 4 溫度和加熱方式 一般采取高速升降溫 目前運用較多的是耐高溫淀粉酶 液化溫度可以達到110 5 淀粉糊的濃度 濃度越高 越易老化 一般控制在10 15Be 6 各種抗老化無機離子 CNS PO43 CO32 I NO3 Br Cl Ba2 Sr2 Ca2 K Na 液化方法的選擇 1 酸法糖化工藝流程 淀粉 鹽酸 蒸汽 水 調漿 糖化 冷卻 中和脫色 壓濾 濾渣 糖液 活性炭 Na2CO3 淀粉的酸水解工藝是根據淀粉在水解過程中的水解反應和復合反應規律性來決定的 在制定工藝條件時既要保證淀粉的徹底水解 達到較高葡萄糖量 又要盡可能減少葡萄糖復合 分解反應的發生程度 此外 還要符合目的產物的發酵條件 符合發酵工藝的實際情況 酸液化法 2 工藝條件 淀粉乳濃度 13 15Be 約30 w v pH 1 8 2 0 溫度 135 保壓 10min 液化DE值 15 18 3 水解條件的影響 淀粉乳濃度的選擇 淀粉的質量 酸的種類和用量 從表中可看出 4 該法優缺點 優點 適合任何精制淀粉 所得到的糖液過濾速度非常快 設備利用率高 缺點 因為酸液化法的工藝條件很劇烈 容易發生葡萄糖的復合分解反應 并生成大量的色素及復合糖類及不溶性糊精 降低了淀粉的轉化率和糖液質量 間歇液化法 工藝條件 淀粉乳濃度30 w v pH6 5 加酶和鈣離子 0 01mol l 溫度85 90 維持時間30 60min 液化DE值10 15 碘試反應合格 該法優缺點 操作簡單 設備簡單 投資費用少料液和蒸汽混合不均勻 料液內部受熱程度不一 液化不容易控制 所得糖液過濾效率差 酶液化法 升溫液化與噴射液化的糖化液性質比較 間隙液化與連續液化的比較 間隙液化設備工藝圖 半連續液化法 工藝控制 基本同間隙液化法該法優缺點 設備簡單 效果較間隙法好 但料液在開口罐內進行 容易濺出傷人 蒸汽用量大 液化溫度難得到保證 液化效果一般 糖液過濾困難因為間隙式和半連續液化法均是在敞開和不密封的容器中進行 溫度一般都在100 以下 所以兩種方法都用的是中溫淀粉酶 該兩種方法一般適合于中小廠 半連續液化法設備工藝圖 蒸汽 淀粉乳 連消器連續液化 1 料液與蒸汽在連消器內進行混合后 料液已經達到液化溫度 然后連續進入保溫罐液化 2 這種方法與罐內液化相比 料液與蒸汽混合更為均勻 但這種混合并不徹底 蛋白質的凝聚效果也不理想 連續液化法 連消器設備工藝圖 蒸汽 出料 進料 溫度計 自控裝置 保溫罐 噴射式連續液化噴射式液化是指料液與蒸汽的混合是通過噴射器在微湍流的狀態下完成的 所以比起其他形式的混合效果就更加完全 更均勻 噴射式液化與耐高溫淀粉酶的結合使用 使淀粉的液化技術達到了一個全新的水平 噴射液化工藝一 二 次加酶噴射的液化工藝流程 一 二 次加酶噴射的液化設備說明1 淀粉乳配料罐 一次加酶 2 淀粉乳輸送泵3 液化噴射器 關鍵設備 4 高溫維持管5 閃蒸罐 二次加酶 6 液化料輸送泵7 層流維持罐 一次加酶噴射液化工藝條件淀粉乳濃度 30 32 w v pH6 5耐高溫淀粉酶用量 控制在5 8u g淀粉如果是二次加酶則可以分別在1和5處各添加50 的淀粉酶 噴射溫度 105 110 高溫維持 5 8分鐘閃冷至95 維持時間 60 120min 一次和二次加酶噴射液化工藝比較 二次加酶可以節約淀粉酶添加量約15 一次加酶工藝更加穩定 二次加酶存在質量欠穩定現象 這是目前最常用的淀粉液化噴射工藝 二次加酶二次噴射的液化工藝流程 二次加酶二次噴射的液化設備說明 1 淀粉乳配料罐 一次加酶 2 淀粉乳輸送泵3 7 液化噴射器 關鍵設備 4 8 緩沖罐5 9 一次閃蒸罐 二次加酶 6 10 液化料輸送泵11 層流維持罐 管 二次加酶二次噴射液化工藝條件淀粉乳濃度 30 32 w v pH6 5耐高溫淀粉酶用量 控制在5 8u g淀粉 分兩次加入一次噴射溫度 110 保溫5min二次噴射溫度 136 保溫5min閃冷至95 維持時間 60 120min 液化工藝程度的控制 若液化程度太低 液化產物分子數少 糖化酶與底物接觸的機會也少 影響糖化的速度 且液化程度低 液化液容易老化 分子間氫鍵已斷裂的糊化淀粉又重新排列形成新氫鍵的復結晶過程 糖化酶很難進入老化產物的結晶區作用 影響糖化的程度 最終糖化液粘度大 過濾困難 如果液化程度過高 液化液分子較小 不利于絡合結構生成 從而影響糖化酶的催化效率 導致糖化液的最終DE值低 根據生產經驗 一般以DE值來衡量液化程度 在DE值在10 15時結束液化過程比較合適 液化終點可用碘顯色來判斷 達到終點后 需對液化液進行滅酶 升溫至120 保持10min可完成 滅酶后 冷卻至糖化酶的作用溫度 待糖化 液化程度與糖化終點葡萄糖值的關系為 淀粉液化程度與糖化程度的關系圖 在液化工藝中 可通過調節淀粉酶的用量 噴射溫度 維持溫度 液化時間等條件來控制液化程度 液化作用可在管道或罐內進行 其作用時間取決于料液的流量以及維持設備的容積 一般控制在60min由下式進行計算 式中 V 料液體積流量 m3 h Vw 維持容積 m3 充滿系數 一般取0 85 0 90 采用酸酶結合的方法來液化淀粉 可以兼有算法液化過濾性能好和酶法液化的糖化程度高的優點 酸酶法液化工藝 淀粉乳濃度 30 酸法PH2 2 溫度140 保壓5min 使液化DE值達到5 7 然后中和至PH6 5 冷卻至90 95 再加入液化酶 反應時間30min 液化值達到需要的程度 酸酶液化方法 不添加任何催化劑 使淀粉漿噴射入一個蒸汽加熱器中 在強烈的機械剪切力的作用下 使淀粉受熱立即糊化 分散 然后快速冷卻 以防止淀粉重新結合 這樣得到的糊精可以有利于葡萄糖淀粉酶的結合 機械液化方法 淀粉液化液質量的判斷 液化液要均勻液化液的DE值控制12 18 不要超過20 碘液反應 淀粉吸附碘分子的呈色反應使判斷液化程度最常用的直觀方法 作為淀粉液化完全的標準 一般應該達到淺紅色和棕色 蛋白質凝聚 蛋白質凝聚并結團的好壞 決定了蛋白質從溶液中分離去處的效果 過濾速度要接近正常值 用濾紙漏斗過濾 計算單位時間的過濾量 外觀 液化液的外觀必須透明 無白色渾濁粘度 液化液的粘度直接反映在過濾速度快 液化液流動性能好等方面 一般在實際生產中是用濾紙過濾相同體積的液化液的速度來判斷液化粘度的大小 液化原料的特點 液化所處理的原料有兩類 谷類和薯類淀粉蛋白質含量一般而言 谷類淀粉含量較薯類淀粉的高 不溶性淀粉顆粒 含量 液化液中存在的微量的不溶性物質 這些不溶性淀粉顆粒不能被糖化酶水解 降低葡萄糖產率 也降低了糖化液的過濾速度 對于葡萄糖生產非常不利 酶法液化產生的不溶性淀粉顆粒是直鏈淀粉與脂肪酸生成的呈螺旋狀的組織結構緊密的絡合物 不能被糖化酶所分解 而酸法液化產生的不溶性淀粉顆粒是直鏈淀粉通過氫鍵結合 屬于沉凝淀粉的結構 在糖化過程中幾乎能全部被溶解 液化液的用途 生產葡萄糖及果葡糖漿 過濾性能較好中轉化糖漿 過濾性能較差作為發酵碳源的葡萄糖液 要求過濾速度快 蛋白質過濾徹底 液化方法的選擇 國內目前運用較多的工藝是低壓 0 2 0 3mpa 或中壓 0 4 0 6mpa 蒸汽噴射較多 國內普遍采用的工藝是一次或兩次加酶一次中壓噴射液化法 難液化淀粉原料的液化方法 一段淀粉液化廣泛應用于各類淀粉如玉米淀粉 木薯淀粉等 但一段液化法對于哪些蛋白質含量較高 雜質含量較多的難液化的淀粉原料如小麥 小麥淀粉等液化效果并不理想 而往往需要采用二段液化法甚至更多段 通過多次高溫處理和多次加酶液化的方法 以促使這些難液化淀粉進一步膨脹斷裂 蛋白質進一步凝聚結團 以提高液化效果 低壓蒸汽噴射液化工藝介紹 工藝流程 調漿 一次噴射液化 液化保溫 二次噴射 高溫維持 二次液化 閃蒸冷卻 糖化 工藝控制 1 調漿 在調漿罐內把粉漿用工藝冷卻水調到15 19Be 并用純堿或燒堿調節pH至5 5 6 2 加入約0 15 的氯化鈣 再加入耐高溫 淀粉酶 粉漿溫度一般控制在50 58 之間 2 一次噴射 用濃漿泵將調好的粉漿送入噴射液化器 使蒸汽和粉漿直接相遇 溫度控制95 100 3 保溫 噴射后的粉漿進入層流罐保溫60min 溫度保持穩定 4 二次噴射 一次保溫結束的料液用泵送入噴射器進行二次噴射 溫度控制在135 145 此步驟作用是使淀粉進一步分散 蛋白質進一步凝固 并可以把耐高溫淀粉酶徹底殺死 5 高溫維持 經過二次噴射的粉漿進入管道進行高溫維持階段 時間約3 5min 通過高溫維持使已經形成的 不溶性淀粉顆粒 在高溫下分散 并使蛋白質進一步凝固 淀粉進一步分散 6 閃蒸冷卻 經過二次噴射 高溫維持后的料液進入真空閃蒸快速冷卻至95 100 進入二次液化罐 同時加入耐高溫 淀粉酶 通過閃蒸步驟可以實現 淀粉濃度增高 并可以通過壓力的突然改百年促使淀粉進一步分散 提高了出糖率 噴射后料液 蒸汽 閃蒸后料液 閃蒸罐 7 二次液化維持 在維持罐維持約30min左右 碘試合格后進入糖化罐進行糖化 連續噴射液化 可以在短時間內完成淀粉糊化和液化 蛋白質凝聚好 糖化液過濾速度快 設備簡單 并便于連續操作快速升溫 可以實現快速升溫 這樣產生的 不溶性淀粉顆粒 少 便于糖化 液化液透明 徹底 出糖率高 透光率高 低壓蒸汽噴射液化工藝特點 層流罐 層流罐設計要盡可能 高而廋 一般是1 5 2m 8 10m 料液流向一般是下進上出 以確保料液能夠先進先出 糖化 層流罐串連 影響液化的因素 液化的影響因素用因果圖 樹 表示 材料 人 方法 設備 管理 環境 測量 產出 淀粉 酸堿 酶 經驗 培訓 技能 程序 測試 噴射器 攪拌 層流罐 儀表 隊伍 質量 成本 決策 壓力 碘試 溫度 PH 流量 溫度 干物質 粘度 DE值 PH值的影響 在酶允許的情況下 PH越低越好 二次和一次加酶對DE值的影響 依據廠家情況而定 植酸 有機磷酸鹽與環己六醇結合物 對液化DE值的影響 植酸廣泛存在于淀粉中 一般含量為0 5 1 5 植酸越高 DE值長得越慢 噴射溫度 溫度一般控制在105 109 溫度高于110 會影響蛋白質的結構 從而影響酶的活力 溫度低于105 則淀粉與脂質體形成的復合物不能被破壞 而這個復合物不能被酶所分解 液化工藝中一個關鍵的設備即是噴射液化器 噴射液化器可以分為兩種 一種是噴射蒸汽 以帶動料液 稱為汽帶料式 一種是噴射料液 以帶動蒸汽 稱為料帶汽式 無論使汽帶料還是料帶汽 噴射過程中蒸汽或者料液進入噴射器都是強制性的 具體來說 蒸汽的進入一般使靠蒸汽本身的壓力 料液的進入則是靠泵輸送的 所以 協調好蒸汽和料液的進入 達到穩定和均衡使噴射液化成功的關鍵 液化關鍵設備 噴射液化器 噴射器工作原理 將淀粉乳中的淀粉 水 酶在瞬間接觸 均勻混合 瞬間糊化和液化 兩者交替進行 互相促進 在噴射器出口經常有一個擴大混合室 使三者在高溫下進一步混合 進一步液化 噴射器發展方向 三者接觸面大 反應快速 液化徹底 體積小 自動化程度高和價格便宜 國內生產噴射器最早的是華南理工大學 以后上海兆光生物工程公司 HYW型 無錫市錫南生物工程裝備廠都有生產 這些噴射器大多是以料帶汽 最近幾年由上海東潮科技公司引進美國公司水熱器 hydroheater 以特有的協調管 對流入漿料提供控制機制 在水熱器內 蒸氣以高度湍流方式直接與料液混合 熱在瞬間由蒸氣傳導給料液 如此快的熱交換導致蒸氣凝結并迅速分散到料液中 排除了一般簡單加熱器在加熱過程中常帶來的氣錘及震動等現象 其溫控精度高 工作穩定 噴射器的示意圖 其中A是表示蒸汽入口 B表示混有液化酶的淀粉粉漿入料 C表述噴射后的喇叭出料口 水熱器示意圖 水熱器反應溫度圖形 美國進口水熱器控制器 美國進口水熱器 美國進口水熱器 噴射器使用注意事項 見書P91 92 二 糖化技術 糖化的定義 糖化是將淀粉或糊精通過糖化酶在一定條件下轉化為各種糖的過程 糖化理論收率 111 11 糖化實際收率 收率 實際生產中 一般淀粉含量為81 85 葡萄糖含量一般為27 35 淀粉轉化率 是指淀粉轉化成葡萄糖的百分比 轉化率 DE和DX值的區別 葡萄糖的實際含量低于葡萄糖值 因為有少量還有還原性的低聚糖的存在 兩者一般相差1 2 具體見書P94表3 5 影響糖化DE值的因素 1 糖化時間對DE值的影響 達到最高DE值時 應當立即停止反應 否則 葡萄糖值會降低 這是因為葡萄糖會發生復合分解反應的緣故 2 液化液程度控制 即糖化零時DE值 與糖化液最終DE值的關系在碘試合格的前提下 液化液DE值與糖化最終DE值是呈反比的 3 脫支酶的混合使用對糖化液的DE值的影響淀粉酶能很快水解 1 4糖苷鍵 卻不能很快水解1 6糖苷鍵 因此 單獨使用糖化酶 糖化最終DE值很難達到98 所以往往添加一定比例的脫支酶如普魯蘭酶或異淀粉酶 所得糖化液DE值甚至可以達到99 糖化酶的作用方式 糖化酶 普魯蘭酶 真菌淀粉酶或 淀粉酶 4 酶制劑用量與糖化液DE值的關系為加快糖化速度 縮短糖化時間 可以采取加大酶制劑量 但要充分考慮到糖化工藝和原材料及液化液的控制等因素 同時 酶制劑的量不能過大 否則會因為復合反應嚴重而導致葡萄糖值降低 在實際生產中 要視企業設備情況 盡可能減少酶量 延長糖化時間 糖化時間與糖化酶用量的關系圖 糖化工藝流程及工藝說明 工藝流程 液化液 糖化罐 糖化液滅酶 過濾機 離子交換樹脂 貯罐 降溫 加酸調PH 加糖化酶 蒸氣 堿液 脫色罐 活性碳 助濾劑 計量 下工序 糖化罐示意圖 電磁流量表示意圖 離子交換柱示意圖 工藝說明 1 液化液結束后要迅速降溫至60 65 并加酸調節PH至4 2 4 5 2 調好溫度和pH后 要取樣檢測料液的DE值和含糖量 為什么 并按照要求加入糖化酶進行糖化 一般來說 糖化酶用量為10 150u g 3 糖化9 12小時 要取樣檢測料液的DE值和含糖量 4 糖化過程中每隔1 2小時要檢測PH和溫度 及時作出調整 至結束時 加堿調節PH至4 8 5 2 并升溫至80 85 保持15 20mim進行糖化滅酶 為什么要調節PH至4 8 5 2 5 滅酶完成的糖液要加入助濾劑 按照0 5kg m2添加 和活性炭 并攪拌約1 2小時進行脫色除雜 6 脫色完成的糖液要進行過濾 板框壓濾機或真空轉鼓機 制得清糖液 過濾要點見P96 7 經過壓濾機后的清糖液要經過離子交換樹脂進行進一步脫色和除雜 離子交換樹脂具有離子交換和吸附脫色作用 它能夠除去蛋白質 氨基酸 羥甲基糠醛和有色物質 它能夠去除絕大部分灰分和有機雜質 732型陽離子交換樹脂屬于酸性苯乙烯系 具有交換磺酸基 SO3H 可以與糖液中的Na Cu2 等交換樹脂上的H R SO3 H Na R SO3 Na H 701型陰離子交換樹脂屬于弱堿性環氧系陰離子樹脂 可以除去糖液中的陰離子 如CL SO32 等 R NH OH CL R NH CL OH 常見的方法是糖液流經串連起來的離子交換樹脂 陽離子 陰離子 陽離子 陰離子8 制得的清糖液要放入干凈的貯罐 保持溫度60 并及時供給下工序 以防染菌 發酵清糖液質量指標 清糖含量 27 清糖透光 85 DE值 96 PH值 4 8 5 2OD 0 05HPLC 高效液相色譜分析 二糖以下 98 清糖OD檢測 OD值實際是用來檢測液化結果的指標 用糖液滴加到無水酒精中來觀察糖液中的糊精的多少 糊精與無水酒精作用變為白色混濁 通過測定透光度來檢查糊精的量 OD越低越好 一般檢測方