糖化车间制备糖理论基础

糖化车间制备葡萄糖糖化车间制备葡萄糖理论基础理论基础广东轻工职业技术学院食品与生物工程系广东轻工职业技术学院食品与生物工程系主讲：李平凡主讲：李平凡 职称：高级工程师职称：高级工程师、副教授、副教授一、淀粉水解理论基础一、淀粉水解理论基础问题：对味精行业而言，淀粉水解为葡萄糖的目的？问题：对味精行业而言，淀粉水解为葡萄糖的目的？问题：淀粉水解制备葡萄糖的方法有哪些？它们的区别？问题：淀粉水解制备葡萄糖的方法有哪些？它们的区别？就目前的状况而言，发酵工业所用的原料作以就目前的状况而言，发酵工业所用的原料作以淀粉或糖淀粉或糖质为主，而许多微质为主，而许多微生物并不能直接利用淀粉。例如，在以糖质为原料发酵生产氨基酸过程中，几乎所生物并不能直接利用淀粉。例如，在以糖质为原料发酵生产氨基酸过程中，几乎所有的氨基酸生产菌都不能直接利用（或只能微弱地利用）淀粉和糊精。同样在酒精有的氨基酸生产菌都不能直接利用（或只能微弱地利用）淀粉和糊精。同样在酒精发酵过程中，酵母菌也不能直接利用淀粉或糊精，这些淀粉或糊精必须经过水解制发酵过程中，酵母菌也不能直接利用淀粉或糊精，这些淀粉或糊精必须经过水解制成淀粉糖以后才能被酵母菌所利用。此外，在成淀粉糖以后才能被酵母菌所利用。此外，在抗生素、有机酸、有机溶剂以及酶制抗生素、有机酸、有机溶剂以及酶制剂发酵剂发酵过程中，大都也要求对淀粉进行加工处理以提供给微生物可利用的碳源。当过程中，大都也要求对淀粉进行加工处理以提供给微生物可利用的碳源。当然有些微生物能够直接利用淀粉作原料，但这一过程必须在微生物分解出胞外淀粉然有些微生物能够直接利用淀粉作原料，但这一过程必须在微生物分解出胞外淀粉酶类以后才能进行，过程非常缓慢，致使发酵过程周期过长，实际生产上无法被采酶类以后才能进行，过程非常缓慢，致使发酵过程周期过长，实际生产上无法被采用。用。谷氨酸和味精生产工艺谷氨酸和味精生产工艺玉米淀粉、谷物、马铃薯、玉米淀粉、谷物、马铃薯、木薯淀粉木薯淀粉不同水解方法的区别不同水解方法的区别酸法水解淀粉工艺因为设备要求高，环保难度大及酸法水解淀粉工艺因为设备要求高，环保难度大及对产对产品质量和下游产业不利品质量和下游产业不利等已经逐渐被淘汰，而双酶法则因为等已经逐渐被淘汰，而双酶法则因为提高了转化率、复合分解反应少，条件温和等逐渐成为目前提高了转化率、复合分解反应少，条件温和等逐渐成为目前比较理想的制糖方法。比较理想的制糖方法。双酶法是用专一性很强的双酶法是用专一性很强的淀粉酶和糖化酶淀粉酶和糖化酶作为催化作为催化剂将淀粉水解成为葡萄糖的方法。具体的优缺点见下页：剂将淀粉水解成为葡萄糖的方法。具体的优缺点见下页：常见的淀粉水解方法有：酸法、酸酶法、双酶法常见的淀粉水解方法有：酸法、酸酶法、双酶法下页下页酶法水解优缺点酶法水解优缺点优点酶酶解解法法是是在在酶酶的的作作用用下下进进行行的的，反反应应条条件件较较温温和和，不不需需要要耐耐高高温温高高压压或或 而酸腐蚀的设备；而酸腐蚀的设备；酶酶作作为为催催化化剂剂的的特特点点是是专专一一性性强强，副副反反应应少少，故故水水解解糖糖液液纯纯度度高高，淀淀粉转化率高；粉转化率高；可可在在较较高高的的淀淀粉粉乳乳浓浓度度下下水水解解。如如酸酸解解法法一一般般使使用用10-12Bx（含含18%-20%淀淀粉粉）的的淀淀粉粉乳乳，而而酶酶解解法法可可用用2023Bx（含含34%-40%淀淀粉粉）的的淀粉乳，并且可以采用粗原料。淀粉乳，并且可以采用粗原料。用酶解法制得的糖液较纯净、颜色浅、无苦味、质量高，有利于糖液用酶解法制得的糖液较纯净、颜色浅、无苦味、质量高，有利于糖液的充分利用。的充分利用。酶解法反应时间较长，设备要求较多，且酶是蛋白质，易引起糖液过滤酶解法反应时间较长，设备要求较多，且酶是蛋白质，易引起糖液过滤困难。当然，随着酶制剂生产及应用技术的提高，酶解法制糖将逐渐取代困难。当然，随着酶制剂生产及应用技术的提高，酶解法制糖将逐渐取代酸解法制糖。酸解法制糖。缺点葡萄糖对淀粉的理论转化率葡萄糖对淀粉的理论转化率 （C6H10O5）n+n H2O=n（C6H12O6）162.14 18.02 180.16淀粉产生葡萄糖的理论收率为：淀粉产生葡萄糖的理论收率为：淀粉葡萄糖转化率是指淀粉转化为葡萄糖的百淀粉葡萄糖转化率是指淀粉转化为葡萄糖的百分数，计算公式为：分数，计算公式为：介绍一些概念介绍一些概念不同企业有不同的计算方法不同企业有不同的计算方法值：值：值：值：糊精检测：糊精检测：判断糖化的彻底性，用无水乙醇检查（常用判断糖化的彻底性，用无水乙醇检查（常用OD表示）表示）淀粉液化糖化的目的是：、值尽量高，淀粉液化糖化的目的是：、值尽量高，O接近接近！OD值实际是用来检测液化结果的指标，用糖液滴值实际是用来检测液化结果的指标，用糖液滴加到无水酒精中来观察糖液中的糊精的多少，糊精与无加到无水酒精中来观察糖液中的糊精的多少，糊精与无水酒精作用变为白色混浊，通过测定透光度来检查糊精水酒精作用变为白色混浊，通过测定透光度来检查糊精的量。的量。OD越低越好。越低越好。一般检测方法为：正确吸取一般检测方法为：正确吸取0.5ml的糖液加到的糖液加到19.5ml的无水酒精中，用的无水酒精中，用581分光光度计在分光光度计在420nm波长比色，当波长比色，当然，因为糖化产生的低聚糖、异麦芽糖等不发酵性糖在然，因为糖化产生的低聚糖、异麦芽糖等不发酵性糖在OD值上反应不出来，所以，值上反应不出来，所以，OD只是作为一个重要参考只是作为一个重要参考。清糖液清糖液的检测的检测（一）淀粉的水解方法（一）淀粉的水解方法 我们的目的是要尽量使反应我们的目的是要尽量使反应彻底，彻底，减少反应减少反应副反应！副反应！淀粉水解制备葡萄糖示意图淀粉水解制备葡萄糖示意图1.1 淀粉酸水解工艺淀粉酸水解工艺 .定义：定义：又称酸糖化法，它是以又称酸糖化法，它是以酸为催化剂酸为催化剂在在高温高温下将淀粉水下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。解转化为葡萄糖的方法。淀粉淀粉蓝糊精蓝糊精红糊精红糊精无色糊精无色糊精麦芽糖麦芽糖葡萄糖葡萄糖水解过程：水解过程：（C6H10O5）n（C6H10O5）x 淀粉淀粉 糊精糊精 C12H22O11 C6H12O6 麦芽糖麦芽糖 葡萄糖葡萄糖1、水解反应、水解反应.酸水解淀粉影响因素：酸水解淀粉影响因素：（C6H10O5)n+nH2O n C6H12O6影响水解反应速度常数影响水解反应速度常数k的几个因素的几个因素 水解水解k=N 1）为催化剂活性系数催化剂HClH2SO4H3PO4HACHBrHI值10.5-0.520.30.0251.72.52）N为酸的摩尔浓度3）为多糖的水解性常数多糖的种类棉花淀粉木材稻草半纤维素蔗糖值14002.0-2.510-4001004）为水解温度温度119133138143k值0.1250.4700.7701.200不同温度下淀粉水解反应速度常数不同温度下淀粉水解反应速度常数 结论：淀粉水解所用的结论：淀粉水解所用的催化剂种类催化剂种类、浓度浓度、反应温度反应温度均对水解反应速度有很大的均对水解反应速度有很大的影响，是我们在水解过程中必须注意的主要因素。影响，是我们在水解过程中必须注意的主要因素。2、葡萄糖的复合反应2C6H12O6 C12H22O11+H2O 酸和热 复合反应中两个葡萄糖分子通过复合反应聚合成二糖时，并不是经过1，4-糖苷键聚合成为麦芽糖，而主要是经由1，6-糖苷键聚合成异麦芽糖或经由1，6-糖苷键聚合成龙胆二糖。当然此复合反应是可逆的，复合糖可以再水解变成葡萄糖。影响复合反应因素：影响复合反应因素：糖浓度、酸种类、温度等糖浓度、酸种类、温度等问题问题3、葡萄糖的分解反应葡萄糖（失水）5-羟甲基糠醛 +甲酸 氨基酸 腐植质（色素）酸法水解淀粉过程中，酸法水解淀粉过程中，由于反应温度、压力过高，由于反应温度、压力过高，时间过长，葡萄糖受酸和热时间过长，葡萄糖受酸和热的影响发生分解反应，生成的影响发生分解反应，生成5-羟甲基糠醛，因羟甲基糠醛，因5-羟甲基羟甲基糠醛的性质不稳定，又可进糠醛的性质不稳定，又可进一步分解生成一步分解生成乙酰丙酸乙酰丙酸、蚁蚁酸酸等物质，而这些物质又能等物质，而这些物质又能自身相互聚合，或与淀粉中自身相互聚合，或与淀粉中所含的其他有机物质相结合，所含的其他有机物质相结合，产生色素。产生色素。有实验结果证明：有实验结果证明：1）5-羟甲基糠醛 是产生色素的根源 2）色素的生成量随葡萄糖浓度的增加而增加 3）pH值等于3时，色素的生成量最小、酸水解工艺流程图酸水解工艺设备图酸水解工艺设备图、酸水解工艺目前进展、连续酸法；、连续酸法；、酸法升温设备用特殊材料制成的喷射器，升温快，时间短；、酸法升温设备用特殊材料制成的喷射器，升温快，时间短；、整个工艺线的酸气回收和治理；、整个工艺线的酸气回收和治理；、整个工艺用特殊材质的高效板式换热器进行充分的热交换。、整个工艺用特殊材质的高效板式换热器进行充分的热交换。End二、双酶法制备淀粉工艺二、双酶法制备淀粉工艺 酶酶 水解位置水解位置 水解次序水解次序 水解产物水解产物液化液化 淀粉酶淀粉酶 1，4糖苷键糖苷键 无先后次序无先后次序 葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖 异麦芽糖、低聚糖异麦芽糖、低聚糖糖化糖化 糖化酶糖化酶 1，4和和1，6 从非还原性从非还原性 葡萄糖葡萄糖 糖苷键糖苷键 末端开始末端开始1、淀粉酶解法的两个步骤、淀粉酶解法的两个步骤 见下页淀见下页淀粉的结构粉的结构CH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOHOOHCH2OHOOHOCH2OHOHOOH直链淀粉直链淀粉(15-25%)支链淀粉支链淀粉(75-85%)淀粉结构式淀粉结构式CCCC淀粉的分子式淀粉的分子式（)n,n是聚合度，直链一般在是聚合度，直链一般在100-6000；支链一般在；支链一般在1000-30000002、淀粉液化的条件及液化程度的控制、淀粉液化的条件及液化程度的控制 1）淀粉的糊化）淀粉的糊化淀粉的糊化淀粉的糊化 是指淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，互相接触变成糊状液体，即使停是指淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，互相接触变成糊状液体，即使停止搅拌，淀粉也不会再沉淀的现象。止搅拌，淀粉也不会再沉淀的现象。由于淀粉颗粒的结晶性结构对酶作用的由于淀粉颗粒的结晶性结构对酶作用的抵抗力非常强抵抗力非常强,不能使淀粉酶直接作用于淀不能使淀粉酶直接作用于淀粉粉,而需要而需要先加热淀粉乳先加热淀粉乳,使淀粉颗粒使淀粉颗粒吸水膨吸水膨胀、糊化，破坏其结晶性的结构胀、糊化，破坏其结晶性的结构。糊化的过程糊化的过程三个阶段：三个阶段：第一阶段，淀粉粒在水中，当水温未达到糊化温度时，水分子由淀粉粒的孔隙进第一阶段，淀粉粒在水中，当水温未达到糊化温度时，水分子由淀粉粒的孔隙进入淀粉粒内，与许多无定形部分的极性基相结合，或被吸附。这一阶段，淀粉粒内层入淀粉粒内，与许多无定形部分的极性基相结合，或被吸附。这一阶段，淀粉粒内层虽有膨胀，但悬浮液粘度变化不大，淀粉粒外形未变，在偏光显微镜下观察，仍可看虽有膨胀，但悬浮液粘度变化不大，淀粉粒外形未变，在偏光显微镜下观察，仍可看到偏光十字，这说明淀粉粒内部晶体结构没有变化，此时取出淀粉粒干燥脱水，仍可到偏光十字，这说明淀粉粒内部晶体结构没有变化，此时取出淀粉粒干燥脱水，仍可恢复成原来的淀粉粒。所以这一阶段的变化是可逆的。恢复成原来的淀粉粒。所以这一阶段的变化是可逆的。第二阶段，水温达到开始糊化温度时，淀粉粒突然膨胀，大量吸水，淀粉粒的第二阶段，水温达到开始糊化温度时，淀粉粒突然膨胀，大量吸水，淀粉粒的悬浮液迅速变成为粘稠的胶体溶液。这时若用偏光显微镜进行观察，则偏光十字全悬浮液迅速变成为粘稠的胶体溶液。这时若用偏光显微镜进行观察，则偏光十字