第五章 淀粉的酶水解糖化要点

第五章淀粉的酶水解糖化

众所周知,以精制淀粉or其他原料为原料,应用酸水解法制葡萄糖(Glu,由于需要高温\高压和盐酸催化剂,因此在生产葡萄糖(Glu的同时,伴有葡萄糖(Glu的复合、分解反应,生产一些不可发酵性糖及其一系列有色物质,这不仅降低淀粉转化率,而且由于生产的糖液质量差,对后道精制带来不利影响,降低葡萄糖(Glu的收率。

40年代学术界已对酶水解理论取得共识。60年代末期,国外酶水解理论研究的新发展,促进淀粉酶水解取得重大突破。日本率先实现工业化生产,其他国家也相继采用这种先进的新工艺。采用酶糖化之前需要先使淀粉液化。液化是利用液化酶使糊化淀粉水解成糊精和低聚糖等,使粘度大为降低,流动性增高,所以工业上称为液化。酶液化和酶糖化工艺称为双酶法。双酶法生产Glu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Glu,提高了淀粉原料的转化率及糖液浓度,改善了糖液质量,是目前最为理想的制糖方法。

第一节液化

糖化使用的葡萄糖淀粉酶属于外切酶,水解作用从底物分子的非还原末端进行。为了增加糖化酶作用的机会,加快(因为液化淀粉转化成糊精、低聚糖等,底物分子数量增大,尾端增多糖化反应速度,必须用α-淀粉酶将大分子的淀粉水解成糊精和低聚糖。液化的目的是为糖化创造有利条件;淀粉糊黏度大,难于操作。但是淀粉颗粒的结晶性结构对于酶作用的抵抗力强。例如细菌α-淀粉酶水解淀粉颗粒和水解糊化淀粉的速度比约为1:20000。由于这种原因,不能使液化酶直接作用淀粉,需要先加热淀粉乳使淀粉颗粒吸水膨胀,糊化,破坏其结晶结构。

淀粉乳糊化是酶法工艺的第一必要步骤。淀粉乳糊化,黏度大,流动性差,搅拌困难,也影响传热,难获得均匀的糊化结果,特别是在较高浓度和大量物料的情况下操作有困难。α-淀粉酶对于糊化的淀粉具有很强的催化水解作用,能很快水解到糊精和低聚糖,黏度急剧降低,流动性增强.工业上生产将α-淀粉酶混入淀粉乳中,加热,淀粉糊化后立即液化。虽然淀粉乳浓度30-40%,液化后的流动性高,操作无困难。

一、液化酶

液化使用α-淀粉E,它水解淀粉和其他水解产物分子中的α-1,4糖苷键,使分子断裂,粘度下降,α-淀粉酶属内酶,水解从分子内部进行,不能水解支淀粉的α-1,6糖苷键,但能越过此键继续水解。

来源于枯草杆菌的α-淀粉酶最适pH6.0-7.0,在30-40%淀粉乳中,液化T:85-90℃,Ca++提高其稳定性,0.01mol/L。 Nacl调节Na+到0.02mol/L,也提高其稳定性。并有助于杂质凝聚,改善过滤性质。

地衣形杆菌的α-淀粉酶(Termamyl其耐温性高于枯草杆菌的α-淀粉酶约20℃。无须添加Ca++。

液化酶用量:8-10u/g干淀粉(or 1kg/吨干淀粉

二、液化程度

在液化过程中,淀粉糊化,水解成较小的分子,应当达到何种程度合适?因为葡萄糖淀粉酶属外酶,水解只能由底物分子的非还原尾端开始,底物分子越多,水解生成葡萄糖Glu的机会越多。但是,葡萄糖淀粉酶是先与底物分子生成络合结构,而后发生水解催化作用,这需要底物分子的大小具有一定的范围,有利于生成这种络合物,过大或过小都不适宜。根据生产实践,淀粉在E液化工序中水解到DE15~20范围合适,所以水解超过这程度,不利于糖化酶生成络合物,影响催化效率,糖化液的最终Glu值较低。若DE 在15以下,液化淀粉的凝沉性强。对于过滤有不利的影响。影响糖化速度,粘度大,难于操作。

三、不同淀粉的液化性质

不同品种的淀粉在酶液化性质方面存在差别。薯类淀粉较谷类和豆类淀粉容易液化。见图5-2和表5-2 P145-6。达到最低粘度的时间少,易液化,及最高粘度高也不易液化,最低粘度低,易液化。

因为不同品种淀粉的酶液化难易有差别,采用不同淀粉为原料时,有时需要改变液化工艺条件或液化

方法。不同液化方法应同于不同淀粉的情况见表5-3 P146

四、液化的方法与选择

液化有多种方法,效果不一,这里将逐一介绍并加以讨论。同时针对不同原料,不同的生产条件(如蒸汽压力高低,液化液不同的用途,推荐好的液化方法,以获得最佳液化效果和糖化结果。

1.液化方法

(1液化方法的分类液化分类方法很多,以水解动力不同可分为酸法、酸酶法、酶法及机械液化法;

以生产工艺不同可分为间歇式、半连续式和连续式;以设备不同可分为管式、罐式、喷射式;以加酶方式不同可分为一次加酶、二次加酶、三次加酶液化法; 以酶制剂耐温性不同可分为中温酶法、高温酶法、中温酶与高温酶混合法;以原料精粗分淀粉质原料直接液化法与精制淀粉液化法等。每一种方法又可分为几个类方法,并且各分类方法又存在交叉现象(见图3一1。

(2各种液化方法介绍

①酸液化法:这种液化方法的基本条件:淀粉乳浓度30%,pH1.8~2.0,在135℃时,加热l0min,液化DE 值l5%~18%。

此法优点:适合任何精制淀粉,所得到的糖化液过滤性好。

此法缺点:因为酸液化发生葡萄糖的复合分解反应,生成约有色物及复合糖类,降低了淀粉的转化率及糖液质量。另外,此法的液化液用来酶法糖化时,糖化最终会有微量醇不溶性糊精存在。

②酶法液化:1959年,日本葡萄糖生产厂家开始改用细菌淀粉酶进行液化,后来在推广过程中又找到了解决液化中出现不溶性淀粉颗粒的办法,1968年小牧(Komaki 和田治(TaJi提出了”两次加酶法(two一dose”工艺,完善了酶法工艺。生产实际中,酶法液化的方法繁多,现将主要方法介绍如下:

1间歇液化法(又称直接升温液化法:此为酶法液化中最简单的一种,具体工艺过程为:将30%浓度的淀粉乳调pH值为6.5,加入所需要的钙离子(0.01mol/L和液化酶,在剧烈的搅拌下加热到85~90℃,并维持30~60min,以达到所需的液化程度(DE值为15%~18%,碘试反应呈棕红色(或称碘液本色。若搅拌不足,则需要分段液化加热。如液化玉米淀粉,先加热到约72℃,粘度达到最高程度,保温约l5min,粘度下降,再继续加温至85~90℃。此法需要的设备简单,操作也容易,但与喷射液化相比液化效果差,经糖化后物料的过滤性差,糖的浓度也低(见表3一3。

为改进此法过滤性差的缺点,液化完成后加热煮沸l0min。谷类淀粉(如玉米液化较为困难,应加热到140℃,保持几分钟,虽然如此处理能改进过滤性质,但仍不及其他方法好。

2半连续液化法(又称高温液化法或称喷淋液化法:在液化桶内放入底水并加热到90℃,然后将调配好待液化的淀粉乳,用泵送经喷淋头引入液化桶内,并便桶内物料温度始终保持在(90土2℃。淀粉受热糊化、液化,由桶底流入保温桶中,在(90土2℃时,维持30~60min,达到所需的液化程度。对液化困难的玉米等谷物淀粉,液化后最好再加热处理(140℃加热3~5min,以凝聚蛋白质,改进过滤性能。

该液化方法的设备和操作也简单,效果比直接升温法要好,但与喷射液化法相比有如下缺点:

a.由于喷淋液化在开口的容器内进行,故料液溅出而烫伤操作人员的事故时有发生,安全性差。

b.由于喷淋液化在开口容器内进行,故蒸汽用量大;与喷射液化相比多用煤15%。