淀粉质原料糖化工艺

淀粉质原料糖化工艺

一、酶制剂

酒精生产过程中，淀粉质原料的糖化过程经历了从大麦芽到曲霉菌，从固体培养曲霉菌到液体培养曲霉菌。在一百多年的工业生产历程中，酒精企业最关键的问题是把淀粉转变为可发酵性糖。从1966年日本完成双酶法淀粉工业制糖后，酶制剂生产和活性干酵母一样从酒精企业独立出来。商品酶制剂不断进步，简捷的糖化工艺使酒精企业可以稳定地扩大生产规模，如今发酵罐的容积已增大到4200m3。以下介绍酒精生产糖化工艺中两种重要的淀粉酶系和发酵中的酸性蛋白酶。

1．耐高温α-淀粉酶

耐高温α-淀粉酶（EC3 .2 .1 .1）是一种淀粉内切酶，可随机水解淀粉、可溶性糊精及低聚糖中的α-1，4-葡萄糖苷键。该酶可使糊化淀粉的黏度迅速降低，故又称淀粉液化酶，水解产物有糊精及少量葡萄糖和麦芽糖。

①pH对酶活力及酶稳定性的影响。耐高温α-淀粉酶最适pH范围为5.5~7.0，稳定pH 范围为5.0~10.0，有效pH范围为5.0~8.0。pH对酶活力和酶稳定性的影响如图3-5和图3-6所示。

在液化工艺中，大型酒精企业均采用酒糟清液回用工艺，因酒糟清液酸度较高，需用碱液调整其pH至6左右，以利于保证α-淀粉酶的活性。

②温度对酶活力及酶稳定性的影响。在淀粉液化喷射过程中，耐高温α--淀粉酶热稳定性好，在高温下活力也相当稳定，可用于淀粉的间歇液化和连续液化过程。其最适作用温度在90℃以上（连续喷射液化过程中，耐热温度可达100~105℃。酶是一种蛋白质，一般蛋白质在60℃即失去活性，而耐高温α-淀粉酶却能在高温下保持非常高的活力，这一机理待深入研究）。温度对酶活力及酶稳定性的影响如图3-7和图3-8所示。

③Ca2 +浓度对酶稳定性的影响。α-淀粉酶是一种金属酶，Ca2+对酶的稳定性影响很大℃a2+的存在，可以使细菌淀粉酶活力的pH范围扩大；不含Ca2+的酶，pH范围狭窄，但Ca2+浓度不需要很高℃a2+浓度较低时，酶稳定性好，Ca2+浓度为50~ 70mg/kg时已足够。所以，用自来水配料时不需要另外添加Ca2+。

2．糖化酶

糖化酶（EC3.2.1.3）是一种淀粉外切酶，能使淀粉从非还原性末端逐一水解α-1，4-葡萄糖苷键，产生葡萄糖，也能缓慢水解α-1，6-葡萄糖苷键，转化成葡萄糖，故又将此酶称为葡萄糖淀粉酶。

①pH对酶活力及酶稳定性的影响。糖化酶最适pH范围为4.0~4.5。pH对酶活力和酶稳定性影响如图3-9和图3-10所示。

采用清液回配工艺时，液化醪需用酸液调整其pH至4.5，以利保证糖化酶的活性及达到酵母菌发酵的最适pH。

②温度对酶活力及酶稳定性的影响。糖化酶最适作用温度范围为58~60℃（可作用温度范围为40~65℃）。温度对糖化酶的活力及稳定性的影响如图3-11和图3-12所示。

③抑制剂对酶作用的影响。大部分重金属，如铜、银、汞、铅等都能对糖化酶产生抑

制作用。

3．酸性蛋白酶

目前我国酒精生产以玉米、小麦为主要原料，也有少数地方以木薯为主，这些原料都含有蛋白质，其中绝大部分蛋白质无法被酵母利用而留在残渣之中。由于酸性蛋白酶在发酵酒精生产中的应用，其水解作用可增加醪液中α-氨基氮含量，为酵母细胞的生长、繁殖提供丰富的氮源，增加主发酵时酵母菌的浓度，提高发酵速率，从而缩短发酵周期和提高发酵设备的生产能力。

在通常的发酵中，酵母菌不能利用淀粉质原料中的蛋白质。加入酸性蛋白酶后，对原料中的蛋白质有水解作用，一方面生成的短肽和氨基酸被酵母利用，进入代谢途径；另一方面蛋白质的水解破坏了淀粉颗粒间质细胞壁的结构，使其包裹的淀粉释放出来，利于糖化酶的作用，从而可利用的碳源增加，使原料酒精产率提高。为进一步提高酒精发酵速率，增加醪液中酒精浓度，实现高效率酒精发酵，必须提高目前酒精酵母质量。

酸性蛋白酶是采用黑曲霉3.4310菌株，经液体发酵培养，提取精制而成。它是一种在酸性环境下（pH 2.5~4.0）催化蛋白质水解的酶制剂，属于内肽酶，适用于在酸性介质中水解动物、植物蛋白质。酸性蛋白酶可将原料中的蛋白质水解得较为彻底，使发酵成熟醪黏度明显降低，有利于浓醪发酵和发酵罐的清洗及酒精蒸馏。

酸性蛋白酶最适作用条件为：对0.5%酪蛋白，在pH 3.0左右，最适温度为40℃（作用温度范围30~50℃）；在40℃条件下，最适pH 3.0 （作用范围pH 2.5~4.0）；在pH2.0~4.0条件下，40℃以下比较稳定，超过50℃酶活力损失较严重，60℃以上酶很快失活；金属离子对酸性蛋白酶活力有影响，该酶可被Mn2+、Ca2+、Mg2+等离子激活，被Cu2+、Hgz、、A13+等离子抑制。

目前在燃料酒精生产中常用的蛋白酶Spezyme FAN为内切肽酶。该酶外观呈琥珀色，密度为1.2g/mL，可溶于水，pH5.5~6.5。

二、液化喷射设备

在现代发酵酒精生产工艺中进步最大、发展最快的技术应该说是液化技术，其基础是液化喷射器的出现和耐高温α-淀粉酶的应用。液化喷射器自从1960年前苏联出版的专著《喷射器》问世以来，便在石油化工、制冷、轻工、纺织等行业得到广泛应用。美国、日本学者研究的蒸汽喷射技术在发酵工业中同耐高温α-淀粉酶一样发展迅速。我国液化喷射器研究较早的单位是华南理工大学、江南大学（原无锡轻工学院）、江苏石油化工学院、淮海工学院等，很多大专院校都已研究成功并在味精、酿酒、葡萄糖等行业使用。现在广泛使用的是低压液化喷射器。

1．液化喷射器的结构

液化喷射器是喷射液化的关键设备，其结构主要由料液进口、蒸汽进口、气液混合室、扩散管和缓冲管构成。图3-13是液化喷射器发展不同阶段的结构示意图。由图可见，A型液化喷射器解决了蒸汽与料液充分混合的问题，但液化程度有限；B型液化喷射器弥补了A型液化喷射器的不足。由于B型液化喷射器增加了厚壁，具有强剪切力的缓冲管，使液化淀粉液在喷射器中停留时间适当延长，提高了淀粉液化程度；同时具有可精确调整喷射孔大小以及缓冲管距离的结构设计，是目前使用中最理想的液化喷射器。喷射器在工作状态下，是由两股不同压力的蒸汽和料浆流体在喷射器内呈射流状相互混合，并进行快速能量交换，形成一股居中压力的混合液体。