谷物工程學(xué)第五章：淀粉糖生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)

1第五章淀粉糖生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)Basicprincipleofstarchsugar2第一節(jié)概述一、淀粉糖定義：以淀粉或淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)的糖品；是淀粉的水解產(chǎn)物，或衍生物或轉(zhuǎn)化產(chǎn)品；葡萄糖、麥芽糖、低聚糖、果葡糖漿、糖醇；是食糖替代品；國內(nèi)年產(chǎn)10萬t以上企業(yè)20余家，規(guī)模最大的80-100萬噸；廣泛用于食品、醫(yī)藥、造紙等。3第一節(jié)概述二、淀粉糖生產(chǎn)的方法及特點分成酸解法、酸酶結(jié)合法、雙酶法；葡萄糖值（DE值）：指還原糖含量（以葡萄糖計）占干物質(zhì)的百分率；葡萄糖實際含量（DX值）：指糖液中葡萄糖含量占干物質(zhì)的百分率；DX值低于DE值，糖液中麥芽糖等也具還原性。4第一節(jié)概述1.酸解法利用無機酸為催化劑，高溫高壓將淀粉水解為糖；2.酸酶法先用酸把淀粉水解為糊精或低聚糖，再用酶繼續(xù)水解為目標糖品；仍用酸和高溫。5第一節(jié)概述3.雙酶法（全酶法）液化酶對淀粉液化，糖化酶對液化產(chǎn)物進行糖化；與酸法比明顯優(yōu)越，副產(chǎn)物少，純度高，色淺，條件溫和；成為淀粉糖生產(chǎn)的主要方法。67第二節(jié)酶法制糖一、淀粉酶淀粉水解酶，水解淀粉中的糖苷鍵；主要有α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、β-淀粉酶；（一）α-淀粉酶EC3.2.1.1，名稱α-1,4-葡聚糖基水解酶；水解淀粉及其產(chǎn)物分子中的α-1,4糖苷鍵；生成產(chǎn)物的還原末端葡萄糖單位C1碳原子為α-構(gòu)型；8第二節(jié)酶法制糖1.酶的作用方式屬于內(nèi)切酶；從淀粉分子內(nèi)部開始，任意切割分子中間位置的α-1,4糖苷鍵；液化：水解最初階段速度較快，大分子變?yōu)樾》肿樱ざ燃眲〗档?，還原力增加；主要產(chǎn)物是糊精，由大變小；遇碘顏色由藍色轉(zhuǎn)變?yōu)樽稀⒓t、棕色，直至不變色；9第二節(jié)酶法制糖α-淀粉酶對直鏈淀粉的水解分2階段；先是將直鏈淀粉水解成麥芽糖、麥芽三糖和較大分子的低聚糖；把麥芽三糖水解為葡萄糖和麥芽糖；對麥芽三糖的α-1,4糖苷鍵水解十分困難；對麥芽糖中的α-1,4糖苷鍵不能水解；10第二節(jié)酶法制糖11第二節(jié)酶法制糖2.α-淀粉酶水解極限水解極限：水解，黏度下降，還原力上升；底物濃度減少，產(chǎn)物濃度增加，酶活力降低導(dǎo)致反應(yīng)速度降低，直至糖漿還原性不再增加，此時的水解率；一般α-淀粉酶水解率40-50%；有的達90-100%；直鏈淀粉水解極限，生成13份葡萄糖和87份麥芽糖；4%分支的支鏈淀粉達到水解極限時，生成73份麥芽糖、19份葡萄糖和8份異麥芽糖。12第二節(jié)酶法制糖3.主要α-淀粉酶13第二節(jié)酶法制糖4.影響α-淀粉酶作用效果的主要因素（1）熱穩(wěn)定性耐高溫α-淀粉酶，最適90℃,100-115仍有活性；普通α-淀粉酶，最適80℃；（2）pH值多數(shù)不耐酸，pH低于4.5失活；相對穩(wěn)定pH5.5-8.0；最適pH6-6.5；14第二節(jié)酶法制糖（3）Ca2+濃度對酶的穩(wěn)定起重要作用；除掉鈣，酶活力完全喪失；（4）淀粉乳濃度濃度提高，酶活力穩(wěn)定性加強；淀粉濃度10%80℃加熱1h，活力殘余94%；沒有淀粉存在，活力殘余24%。15第二節(jié)酶法制糖（二）葡萄糖淀粉酶EC3.2.1.3，名稱α-1,4-葡聚糖基水解酶，俗稱糖化酶；1.酶的作用方式由兩種同工酶組成，葡萄糖淀粉酶Ⅰ和Ⅱ；是一種外切型淀粉酶，從淀粉非還原末端逐一水解α-1,4糖苷鍵，產(chǎn)物β-型葡萄糖；水解過程中C1-O-C4中C1-O鍵斷裂，長鏈比短鏈活性大；16第二節(jié)酶法制糖優(yōu)先水解α-1,4糖苷鍵；對α-1,3、α-1,6糖苷鍵也有一定活力，水解速度為α-1,4糖苷鍵的6.6%和3.6%；水解淀粉和糊精分子時作用方式為單鏈式；水解完一個分子后，再水解另一分子；水解α-1,6糖苷鍵的前提是C6位羥基上結(jié)合其它葡萄糖基質(zhì)。17第二節(jié)酶法制糖圖葡萄糖淀粉酶對含α-1,6鍵基質(zhì)的切斷作用18第二節(jié)酶法制糖2.主要葡萄糖淀粉酶及其特點（1）主要葡萄糖淀粉酶來自黑曲霉、根霉、擬內(nèi)孢霉等真菌；（2）酶的復(fù)合反應(yīng)形成含α-1,6糖苷鍵或α-1,3糖苷鍵的異麥芽糖、潘糖等；（3）酶的純度一般含有其它雜酶，葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶、α-淀粉酶等；19第二節(jié)酶法制糖（4）酶活力沒有統(tǒng)一標準；國內(nèi)糖化酶活力標準：40℃、pH4.6,1h分解可溶性淀粉生成1mg葡萄糖的用酶量為一個糖化酶活力單位（IU)；3.影響葡萄糖淀粉酶作用的因素（1）pH和溫度20第二節(jié)酶法制糖（2）淀粉乳濃度30-40%；（3）酶用量每g底物用0.14-0.28葡萄糖淀粉單位；21第二節(jié)酶法制糖（三）β-淀粉酶國際統(tǒng)一分類號EC3.2.1.2，名稱α-1,4葡聚糖麥芽糖水解酶，簡稱麥芽糖酶；1.作用方式能水解α-1,4糖苷鍵，不能水解α-1,6糖苷鍵，也不能越過此糖苷鍵繼續(xù)水解；從非還原末端開始水解，水解相隔的α-1,4糖苷鍵，生產(chǎn)麥芽糖；C1-O-C4是從C1-O處斷裂；屬于外切酶。22第二節(jié)酶法制糖水解支鏈淀粉在接近α-1,6糖苷鍵時停止，生成β-極限糊精（β-LD)；大約產(chǎn)生40-60%的麥芽糖；23第二節(jié)酶法制糖2.主要β-淀粉酶及其特性來自植物或微生物，動物體中不存在；植物主要大麥、小麥、大豆和甘薯；微生物主要是芽孢桿菌；24第二節(jié)酶法制糖（四）脫支酶水解α-1,6糖苷鍵，將整個側(cè)鏈切斷成短直鏈糊精，以利于糖化酶作用；分為支鏈淀粉酶和異淀粉酶；1.支鏈淀粉酶國際編號EC3.2.1.41，名稱普魯蘭6-葡聚糖水解酶，簡稱普魯蘭酶，分子量51000-156000；25第二節(jié)酶法制糖來自植物的支鏈淀粉酶稱R酶；能水解支鏈、直鏈中的α-1,6糖苷鍵；工業(yè)使用主要來自微生物，諾維信公司生產(chǎn)的Promozyme200，最適pH5.0,溫度60℃，耐酸耐熱；2.異淀粉酶國際編號EC3.2.1.68，名稱葡萄糖6-葡聚糖水解酶；分子量90000，水解α-1,6糖苷鍵；區(qū)別是不能水解線性多糖普魯蘭糖、直鏈淀粉中的α-1,6糖苷鍵；26第二節(jié)酶法制糖（五）葡萄糖異構(gòu)酶國際編號EC5.3.1.18；催化葡萄糖異構(gòu)化生成果糖；分子量157000；最適pH8.0，溫度60℃；葡萄糖濃度40-50%。27第二節(jié)酶法制糖二、酶法制糖技術(shù)（一）淀粉的液化1.液化目的液化：利用α-淀粉酶將淀粉水解成糊精和低聚糖等小分子，獲得流動性好的液體的過程；目的一是淀粉乳邊糊化變水解獲得流動性好的料液；目的二是為糖化創(chuàng)造條件，水解的糊精、低聚糖，底物分子數(shù)量增多。28第二節(jié)酶法制糖2.液化程度的控制（1）DE值范圍控制在DE值10-20%為宜；可保持較多的糊精、低聚糖及少量單糖；（2）碘色反應(yīng)的控制水解程度用碘呈色反應(yīng)控制；（3）透光率及澄清度控制液化完全，蛋白凝膠好，過濾容易；29第二節(jié)酶法制糖表淀粉直鏈部分鏈長與碘色反應(yīng)關(guān)系30第二節(jié)酶法制糖3.酶法液化的影響因素（1）淀粉種類與濃度薯類較谷類和豆類易液化，不溶性淀粉顆粒少；指酶法液化后，尚存在于液化液中的不溶淀粉，不能被下步糖化酶水解；顆粒大小1-2um，V型X衍射，直鏈淀粉脂肪酸復(fù)合物；馬鈴薯淀粉乳40%，玉米淀粉乳27-33%。31第二節(jié)酶法制糖（2）酶的種類一般噴射液化用高溫α-淀粉酶；溫度可控制在97-100℃，瞬時噴射液化溫度105-115℃；（3）pH和溫度采用最適的；（4）酶的穩(wěn)定劑Ca2+提高穩(wěn)定性，0.01mol/L；Na+也能提高，0.02mol/L。32第二節(jié)酶法制糖4.液化方法與選擇（1）液化方法酶法液化包括直接升溫法、噴淋液化法（半連續(xù)液化法）、噴射液化法、分段液化法等；如表所示。33表酶法液化方法的比較液化方法基本條件優(yōu)點缺點間歇液化法（直接升溫液化法）淀粉乳濃度30%，pH6.5，Ca2+0.01mol/L,液化溫度85-90℃，30-60min，液化DE值15-18%設(shè)備要求低，操作容易液化效果一般，經(jīng)糖化后的糖化液過濾性差，糖濃度低半連續(xù)液化法（高溫液化法或噴淋液化法）淀粉乳濃度30%，pH5.5-6.0，液化溫度90℃，30-60min，液化DE值15-18%同上，且效果更好些料液易濺出，安全性差，蒸汽用量大，效果一般，糖化液過濾性差噴射液化法淀粉乳濃度30%，pH6.5，液化溫度95-140℃，100-120min，液化DE值15-18%液化效果好，液化液清亮、質(zhì)量好，葡萄糖收率高無34第二節(jié)酶法制糖（2）液化方法的選擇生產(chǎn)中選用噴射液化；薯類淀粉易液化，選用一次加酶液化；谷類淀粉蛋白≤0.3%時，一次加酶；谷類淀粉蛋白≥0.3%時，易產(chǎn)生不溶性淀粉顆粒，二次加酶；35第二節(jié)酶法制糖5.噴射液化工藝流程（1）噴射液化器高壓蒸汽由噴嘴噴入混合管；用泵把淀粉乳打入；蒸汽噴射產(chǎn)生的湍流形成淀粉乳薄層；淀粉乳糊化液化，黏度下降。36第二節(jié)酶法制糖（2）噴射液化流程1）一次加酶法流程淀粉漿離開噴射器后，在高溫維持罐105℃滯留5min左右；在保溫液化罐95-97℃,1h；不需添加鈣。37第二節(jié)酶法制糖2）多次加酶法流程普通玉米淀粉采用2次加酶；淀粉→調(diào)漿→一次噴射液化→保溫→二次噴射升溫→高溫維持→降溫→二次液化→冷卻后糖化38第二節(jié)酶法制糖（二）淀粉的糖化1.糖化目的將淀粉液化后獲得的糊精和低聚糖等利用糖化酶進一步水解成葡萄糖或麥芽糖等；理論上淀粉完全水解，100g產(chǎn)生111.11g葡萄糖；由于復(fù)合反應(yīng)、分解反應(yīng)及不完全水解，100g生成105-108g葡萄糖；39第二節(jié)酶法制糖2.糖化工藝與設(shè)備（1）工藝流程液化液→降溫、調(diào)pH→加糖化酶→糖化→滅酶→精制黑曲霉產(chǎn)生的糖化酶生成葡萄糖：調(diào)pH值4.0-4.5，迅速降溫至58-60℃；加入糖化酶，100-200U/g淀粉，60℃保溫；糖化時間24-48h；調(diào)pH4.8-5.0，加熱到80℃，保溫20min滅酶；DE值可達96%以上。40第二節(jié)酶法制糖（2）糖化設(shè)備糖化罐，多數(shù)工廠使用80-200m3；碳鋼表面涂上防腐材料即可；適當(dāng)攪拌；3.影響糖化工藝效果的因素（1）液化液DE值生產(chǎn)葡萄糖時，液化DE值15-20%；4-8葡萄糖含量越高越好；41第二節(jié)酶法制糖（2）糖化時間糖化初期DE值上升快，之后緩慢；20h可達90%，后面4h，只上升6-8%；達到最高點后，要及時終止反應(yīng)，避免復(fù)合和分解反應(yīng)降低DE值；（3）pH值曲霉4.0-4.5，根霉4.5-5.5，擬內(nèi)孢霉4.8-5.0；（4）糖化酶種類主要來自黑曲霉和根霉；黑曲霉活力高，廣泛使用；與脫支酶合并糖化，DE可達99%以上。42第二節(jié)酶法制糖（5）加酶量提高用酶量，可加快糖化速度，縮短糖化時間；濃度33%玉米淀粉乳，液化DE19%，60℃，pH4.0糖化,Novo糖化酶，每1t絕干淀粉用量:A0.75L，

B1.00L，

C1.50L，

D1.75L.43第二節(jié)酶法制糖4.雙酶法淀粉糖生產(chǎn)工藝流程44第三節(jié)糖化液的精制精制目的是除去糖化液中的雜質(zhì)；一、糖化液中的雜質(zhì)1.原料中的雜質(zhì)淀粉中含有蛋白質(zhì)、脂肪和灰分，約占1%；用于生產(chǎn)葡萄糖的淀粉，蛋白質(zhì)≤0.5%以內(nèi)；水溶性蛋白≤0.03%；2.輔料酶制劑（蛋白質(zhì)）；生產(chǎn)用水帶進的金屬離子有機水溶物等；45第三節(jié)糖化液的精制3.生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)（1）復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生的雜糖產(chǎn)生潘糖、異麥芽糖等雜糖；影響葡萄糖結(jié)晶速度和收率；占3-4%;（2）化合與分解反應(yīng)產(chǎn)生的色素葡萄糖分解產(chǎn)生5-羥甲基糠醛，與含氮物質(zhì)結(jié)合成類黑色物質(zhì)；濃縮過程溫度偏高會產(chǎn)生焦糖化反應(yīng)。46第三節(jié)糖化液的精制二、糖化液的精制1.過濾（1）目的去除糖化液中有一些不溶性雜質(zhì)，主要是絮凝的蛋白質(zhì)及其它不溶物；（2）過濾設(shè)備與過濾介質(zhì)的選擇1）過濾設(shè)備以前使用板框壓濾機，間歇操作；近年使用預(yù)涂層式真空過濾機，連續(xù)化；助濾劑：硅藻土4-8%定期涂在真空轉(zhuǎn)鼓表面。47第三節(jié)糖化液的精制2）過濾介質(zhì)濾布，常用棉纖維、尼龍及滌綸做濾布；（3）過濾工藝條件1）溫度：一般60-70℃；高，蛋白溶解多殘留多，低糖液黏度大；2）過濾壓力板框壓濾機，餅厚阻力大，增加壓力，前期慢中間快；過濾速度很小時，終點，停止過濾，洗脫濾餅。48第三節(jié)糖化液的精制（4）過濾新技術(shù)國外：采用陶瓷膜過濾技術(shù)；投資大，但運行成本低，產(chǎn)品質(zhì)量高；3.脫色目的除去色素物質(zhì)，糖化液澄清透明；（1）脫色原理采用骨炭和活性炭；活性炭分為粉末炭和顆粒炭；49第三節(jié)糖化液的精制炭的脫色主要是炭表面的吸附作用；有無數(shù)微小的孔隙，具有很大的表面積；通過物理吸附和化學(xué)吸附將色素分子吸附在炭粒表面；骨炭吸收無機灰分能力強；活性炭吸附5-羥甲基糠醛的能力強；脫色炭的吸附作用是可逆的；50第三節(jié)糖化液的精制（2）脫色炭的選擇與使用骨炭和顆?；钚蕴靠稍偕?，但再生設(shè)備復(fù)雜，大型工廠使用；粉末活性炭重復(fù)使用2-3次，設(shè)備簡便，小型工廠使用；1）粉末活性炭黑色，吸附面積500m2/g；設(shè)備只需混合罐和過濾機；把活性炭直接加入糖液中，80℃攪拌30min，過濾。51第三節(jié)糖化液的精制2）顆?；钚蕴科骄睆?.8-1.0mm，表面積1000m2/g；設(shè)備為脫色罐，較大的直徑3m，高10m；糖液由罐底進入，向上流經(jīng)炭床，灌頂流出；頂部裝有篩板以防炭粒流出；使用8h后放出少量廢炭再生，頂部加入等量的新炭；稱為活動床工藝，便于連續(xù)化生產(chǎn)。52第三節(jié)糖化液的精制（3）影響脫色操作因素1）脫色溫度：一般70-80℃；2）脫色時間：一般30min；3）脫色pH：pH4脫色能力較強；4）活性炭用量：一般為淀粉量的0.1-0.4%。53第三節(jié)糖化液的精制4.離子交換（1）目的離子交換樹脂有交換離子和吸附的作用；除去糖化液中的無機鹽和有機雜質(zhì)；陽離子樹脂可除去蛋白質(zhì)、Na+、

Fe2+、

Ca2+、

Mg2+等；陰離子樹脂可除去Cl-、

SO42-、

NO3-等；灰分可降至原來的1/10，色素可基本去除。54第三節(jié)糖化液的精制（2）離子交換樹脂1）離子交換樹脂的種類具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和離子交換能力的固態(tài)高分子化合物；淡黃至淡褐色球狀顆粒，粒度為16-50目；由本體和交換基團組成；常用732型陽離子交換樹脂；本體是苯乙烯和二乙苯烯組成的高分子聚合物；交換基團是磺酸基（—SO3-H+），H+起交換作用。55第三節(jié)糖化液的精制離子交換樹脂分4種；強酸性和弱酸性陽離子樹脂；強堿性和弱堿性陰離子樹脂；葡萄糖在堿性不穩(wěn)定，吸附陰離子時選用弱堿性樹脂，叔胺基陰離子交換樹脂；2）離子交換樹脂的工作原理樹脂中的可游離交換離子，與溶液中同性離子的交換反應(yīng)過程；服從質(zhì)量作用定律，可