双酶法制糖工艺流程及控制介绍_2013

基本概念

聚合度 DP (Degree of Polymerization)：结合在一起的葡萄糖分子的数量， 例如: DP1, DP2, ……，DPx。 干物浓度DS (Dry Solid)：淀粉乳中淀粉的浓度。 葡萄糖%DX (Dextrose) ：实际葡萄糖溶液的浓度, 例如: 95% 。 还原糖%(DE)：葡萄糖值（Dextrose Equivalent)。是通过测定溶液中还原 糖计算出来的。 举例: 如果在溶液中有1000个葡萄糖分子，所有的分子都是 DP1，则 DE=100。如果有相同数量的分子，有500个是DP2分子, 则DE降为50。
0.440 0.772
100
加酶量过大会产生明显的可逆反应和复合反应。
复合糖化酶对葡萄糖收率的影响
98 97 96 95 94 93 92 91
A. niger GA, 0.550 L/MT 75/25 GA/PULL, 0.550 L/MT 40/60 GA/PULL, 0.550 L/MT
90
Germ 胚芽 12%
Solubles, ~30%Oil 可溶物，~30%油
Tip Cap 顶尖1%
~79%纤维
Horny, Hard Endosperm 角状，硬质胚乳（淀粉和麸质） Floury, Soft Endosperm 粉状，软质胚乳（绝大多数是淀粉）
淀粉的分子结构
葡萄糖 (C6H12O6) MW = 180 直链淀粉
液化的定义
液化： 是将淀粉水化并水解到一个可操作的粘度，并将水解物控制在 一定分子量，为在糖化过程中进一步转化为葡萄糖而准备的过程。 凝胶化: 指淀粉颗粒受热后吸水膨胀。玉米淀粉通常在63°C开始，这 一过程会导致粉浆粘度的最大化。
糊精化： 在淀粉酶的作用下，随机切开葡萄糖苷键外加释放一个水分 子。它紧随着凝胶化的过程，所产生的短链分子被称为“糊精”。
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糖化酶在糖化过程中的作用

专一水解a,1-4 葡萄糖苷键，从非还原性末端依次逐个释放葡萄糖。能水解 a,1-6葡萄糖苷键，但水解速度很慢。是外切酶。
糖化酶

水解非常缓慢
普鲁兰酶与糖化酶复合在一起，可以降低糖化酶的添加量，并降低逆反应 的发生。
糖化
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96-97+% 葡萄糖浆
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工业化生产葡萄糖的典型条件

糖化的目的是把液化的淀粉尽可能高的转化为葡萄糖，付出最少的成 本。理论上，可把淀粉几乎全部转化为葡萄糖(>99%)，但鉴于技术和经济 因素，实际上并达不到。
底物 干物浓度 pH 温度 酶添加量 DX
液化淀粉，DE 13-15% 25-35% (w /w ) 4.0-4.5 60-62℃ Optimax 4060VHP@0.4-0.6kg/ T 干物 (根据糖化时间) > 96%



加酶方式：分段加酶
增加酶制剂用量 调整干物浓度。



检查工艺参数（自控校正）：温度、pH校正、蒸汽压力
淀粉质量 工艺水中钙离子浓度


典型的糖化过程
液化
蒸汽
8-15 DE
95 ºC
冷却 pH 调节
糖化酶添加
糖化罐 48 – 96 hours pH 4.0 – 4.5 60-62 ºC
DS: 28-38%

使淀粉颗粒溶解（糊化）。 液化温度 >107 ℃可破坏淀粉和脂肪的复合体。 操控喷射器以保证良好的液化效果（高剪切力、压 差）。

获得聚合度（DP）<45 的糊精 (DE > 2)。
酶可以极大地降低所需的能量和反应时间。

目的：

加热使淀粉凝胶化或溶解。 破坏淀粉颗粒稳定的结构。 使淀粉的聚合度下降到合理的水平，防止阳性反应 产生。 破坏淀粉/脂肪复合物。
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淀粉降解酶
糖化酶
a- 淀粉酶
葡萄糖异构酶
普鲁兰酶
真菌淀粉酶 或 β –淀粉酶
什么是酶？
是蛋白质 由氨基酸组成的 由活的细胞生产的 具有特殊的具有活性的催化剂，可加速反应 可降低反应所需的能量 在反应过程中没有改变 在温和的条件下操作
专一性和不稳定性
协同因子
酶如何工作: E + S ---> E:S---> E + P
89 88 0 10 20 30
3D结构 催化三元组(D231, D328, E261). 2个钙结合点
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典型的液化过程
淀粉乳
液化酶
28-38% DS
配料பைடு நூலகம்
大气压
初级液化
5-10 min 105-110ºC pH 5.4 – 5.9
蒸汽 8-15 DE
二级液化
60-120 min 95ºC
灭酶
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初级液化
将糊精水解成葡萄糖
降低醪液粘度 生成氨基酸和多肽，为酵母提供食物
玉米由 4部分组成（干物质百分比）
Pericarp 表皮 5%
Bran, Fiber, Gluten Feed 麸皮，~87%纤维， 麸质饲料
Endosperm 胚乳 82%
~88%Starch and ~8%Gluten ~88%淀粉和~8%蛋白
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酶的典型生产流程
典型的原料
碳水化合物 (玉米糖浆) 蛋白质 (玉米浆, 大豆) 盐 (PO4, SO4)
不要对酶做什么？
不要储存在阳光下 不要长时间稀释和储存 不要和其他酶混合 不要加入浓酸或浓碱
不要加入氧化剂，如次氯化物或过氧化氢
不要让盖子打开
酶介绍的小结
酶是蛋白质 脆弱的 通常由细菌、酵母和霉菌产生 不是活的生物催化剂 酶由它们作用的底物来命名 受pH和温度的影响 酶在淀粉加工中扮演一个重要角色 将淀粉转化成糊精
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杜邦的创立之本
核心价值
安全和健康 环境管理 最高的道德行为 尊重人
提纲
淀粉制糖过程概述 酶的作用机理 液化过程介绍 糖化过程介绍 复合糖化酶在葡萄糖生产上的作用 杰能科的技术支持
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生产过程概述
谷物
淀粉
液化 糖化 过滤 浓缩 精制 异构化 精制/浓缩 残余液 色谱分离 F90 高果糖浆 F55 高果糖浆 葡萄糖异构酶 F42 果葡糖浆 α -淀粉酶 糖化酶 真菌淀粉酶 β-淀粉酶 普鲁兰酶
绑定
水解
释放
葡萄糖
pH和温度对酶活力/表现的影响
Effect of pH on Activity
未折叠
% Activity
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
pH
Effect of Temperature on Activity
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
折叠
图片源自: National Human Genome Research
% Activity
Temperature ( º C)
对于pH和温度，不同的酶有不同的稳定性
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影响酶性能的因素
酶的浓度 时间
温度
pH 底物 有些酶需要金属离子 制
酶是如何被生产出来的？
酶是通过发酵过程被生产出来的 工业用酶是被从非致病菌生产出来 酶不是活的 酶通常被纯化、浓缩、稳定后出售 通常提供给顾客的酶是澄清透明、棕 褐色液体
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普鲁兰酶在糖化过程中的作用

在支链淀粉的支点，专一水解a 1-6 葡萄糖苷键，不能水解a 1-4 葡萄糖苷键， 也不导致明显的逆反应。是内切酶。
普鲁兰酶
糖化酶

普鲁兰酶与糖化酶复合在一起，可以降低糖化酶的添加量，并降低逆反应 的发生。
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不好的液化：

DE值低，碘试不合格（蓝色和紫色）。 糊精分子量分布不均匀。 蛋白凝聚差，结团不紧密。 不澄清透明，透光率低，冷却后发白严重。




影响糖化DX值，导致糖化后过滤困难。
液化的改进及问题解决：

调整喷射温度。 喷射器的调整：协调管开度、配件磨损 一次喷射改为二次喷射
糖化模式
普鲁兰酶的重要性
合理的配置比例 减少糖化酶用量
DX
减轻复合反应 浓度的控制 糖化速度与成本
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糖化酶添加量对糖化的影响
反应条件: 60C, pH 4.2, and 32%DS
96 95 % Glucose 94 93 92
0.365
91 90 0 20 40 Time (hr) 60 80
降低离子交换的运行成本。 减少色素的产生和精制的费用。
1
0.5
0
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5
5.5
pH
6
6.5
7
好的液化的标准：

合理的DE值控制，糊精的分子量分布均匀。 碘试颜色合格，没有蓝色和紫色。 蛋白凝聚好，结块大且紧密。



液体澄清透明，透光率高。
液化结束后，及时杀灭或抑制淀粉酶的残余活性。
一个特殊的酶与一个特殊的底物相结合。
淀粉
T. reesei 糖化酶
Enzymes lower reaction energy by “catching” or binding to the substrate and “stressing” it
酶如何工作: E + S ---> E:S---> E + P
凝胶化 + 糊精化 = 液化
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耐高温α-淀粉酶

随机水解 α-1,4-葡萄糖苷键，降低 糊化淀粉的粘度，产生可溶糊精和 低聚糖。
α- 淀粉酶


特性: 基因工程提高热稳定性 来源自嗜热地衣芽孢杆菌(B. licheniformis)和/或 嗜热脂肪芽孢 杆菌(G. stearothermophilus)。 无需添加钙离子 pH有效范围5.4-6.0.



OD值
OD是optical density（光密度）的缩写，表示被检测物吸收掉的光密度，计算公式 为OD=log10（入射光/透射光）或OD=log10（1/透光率）或OD＝1og（1／trans）， 其中trans为检测物的透光值。 光密度的定义是：入射光强度与透射光强度之比值的常用对数值。专业书籍则这样 解释“吸光度”：入射光和透射光的透过率之比值的常用对数值，也称光密度。分 析可见，两个概念其实是一致的，“光密度”就是“吸光度”，且用“光密度”符 合国家标准，更规范。 吸光度,absorbance,是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶 液或物质后的透射光强度比值的对数，影响它的因素有溶剂、浓度、 温度等等吸光 系数与入射光的波长以及被光通过的物质有关。只要光的波长被固定下来，同一种 物质，吸光系数就不变。当一束光通过一个吸光物质（通常为溶液） 时，溶质吸收 了光能，光的强度减弱。吸光度就是用来衡量光被吸收程度的一个物理量。 吸光度用A表示。 A＝abc，其中a为吸光系数，单位L/(g·cm),b为液层厚度（通常 为比色皿的厚度），单位cm ， c为溶液浓度，单位g/L 影响吸光度的因数是b和c。 a是与溶质有关的一个常量。此外，温度通过影响c，而影响A。
•
玉米
大米 木薯
直链淀粉 28% 17% 17%
支链淀粉 72% 83% 83%
淀粉的微观结构
• 上图 (400X) 淀粉颗粒 (晶体) 尺寸分布 (5 to 40 µm) 中心有斑点 不定的形状 • 下图(偏振光) 马尔他清晰显示 十字晶体结构
用α-淀粉酶使直链淀粉和支链淀粉降解为寡糖的反应机理
占淀粉的20-30% • DP : 2,000-6,000 • 直链淀粉都是由α- 1,4葡萄糖苷键连接的
•
每个六边形代表一个葡萄糖分子
支链淀粉
占淀粉的70-80% • DP : 300,000-3,000,000 • 支链淀粉绝大多数由α- 1,4葡萄糖苷键连 接，但是有5~8%也可以有α- 1,6葡萄糖 苷键连接
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二级液化
维持温度: 95 ºC
液化DE值对糖化的影响
维持时间: 90-120 minutes

目的： 使淀粉完全溶解 进一步使蛋白质凝聚 为糖化提供均匀一致的底物 液化液的DE=13 ~ 15
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喷射温度对DE值的影响
14 12 DE（%） 10 8 6
103º C 105º C
4
2 0 0 0.5 1 1.5 2
107º C 110º C 115º C
2.5
二级维持时间(小时)
工艺条件：SPEZYME® FRED-L 10LU/g
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液化pH的重要性
无麦芽酮糖的产生。
2
减少化学品的消耗。
麦芽酮糖含量（%）
1.5
（5分钟，105℃+90分钟，95℃）