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1、年产2000吨糖化酶工艺设计论文一、绪言1.1糖化酶简介1.1.1糖化酶特性及性状葡萄糖淀粉酶又称一淀粉酶, 简称糖化酶，是由一系列微生物分泌的，具有外切酶活性的胞外酶，是一种含有甘露糖、葡萄糖、半乳糖和糖醛酸的糖蛋白。一般真菌产生的糖化酶稳定性比酵母高, 细菌产生的糖化酶耐高温性能优于真菌。一般糖化酶都具有较窄的pH 值适应范围, 但最适pH 一般为4.56.5，糖化酶最适反应温度为 4060，糖化酶的等电点一般范围在 pH3.77.4，这一性质具有种属特异性。糖化酶对底物的水解速率不仅取决于酶的分子结构, 同时也受到底物结构及大小的影响，碳链越长, 亲和性越大。糖化酶主要作用于a- 1,4
2、糖苷键, 对a- 1,6 和a- 1,3 糖苷键也具有活性作用。糖化酶对底物的亲和力, 除了与酶本身的结构有关外, 还与寡糖链本身的长度有关。因此，糖化酶在工业上有广泛的应用。糖化酶为米黄色粉末，液体糖化酶为棕黄色液体。其有效成分为水溶性的酶蛋白分子，在50以下较稳定，在50下保温2小时酶活性损失3%,60半小时以上，酶活性损失显著增加。在液体中，pH为3.5-4.5时，耐热性较强；pH2.5以下时，酶的耐热性最差。糖化酶制品随作用温度升高而活力增大，超过60时又随作用温度升高而获刑急剧下降，本品最适合作用温度为60，最适合pH在4.5左右。1.1.2糖化酶结构及作用机制糖化酶是一种含甘露糖、
3、葡萄糖、半乳糖和糖醛酸的糖蛋白。它的分子量为60 000100 000。糖化酶是糖苷水解酶的一种, 它一般由催化域( catalyticdomain,C D) 、淀粉结合域(Starch- binding domain,SBD) 及连接CD 与SBD 的O- 糖基化连接域( O- glycosylatedlinker domain) 组成。黑曲霉、泡盛曲霉和子囊菌酵母糖化酶的催化域构型类似, 都有12 股- 螺旋参与折叠成“ 桶状”结构6。淀粉结合域对糖化酶的功能有很大影响, 如果缺失会让水解非水溶性底物的速度明显降低, 而降解水溶性底物的速度不变。SBD 上有两个结合位点, 可以结合两分子的
4、底物。SBD 扭转了淀粉链的方向, 使更多底物向催化域中心靠近。糖化酶的连接域( Link domain) 起连接CD 与SBD 的作用, 连接域一般被O- 糖基化修饰。糖化酶作用于淀粉、糊精、糖原分子的非还原型末端, 依次切开- 1, 4 糖苷键, 生成葡萄糖。糖化酶底物专一性较低, 除了能从非还原性末端断裂- 1, 4 糖苷键外, 也能水解- 1, 6 糖苷键和-1, 3 糖苷键, 但是相对水解速度较慢, 水解- 1, 6糖苷键的比速率仅为- 1, 4 糖苷键的0.2%。它们也能作用于支链淀粉的- 1, 6 键, 但是速度也很慢, 因此分解产物都是葡萄糖。糖化酶对淀粉的分解能力与酶活力、吸
5、附性、解支能力、原料的性质、温度、pH 等糖化工艺条件有关。底物的水解速率主要受底物分子的大小及结构的影响, 同时也受水解碳链序列中下一个键的影响。其底物亲和性与底物的碳链长度呈线性关系, 碳链越长底物亲和力就越大; 糖化酶所水解的底物分子越大其水解速度就越快, 而且酶的水解速度还受到底物分子排列上的下一个键影响, 邻近- 1 , 4 链的- 1, 6 糖苷键较独立的- 1, 6 链更易被打开。1.1.3糖化酶的应用糖化酶用于以葡萄糖作发酵培养基的各种抗生素、有机酸、氨基酸、维生素的发酵；还大量用于生产各种规格的葡萄糖。它在食品生产中有广泛的应用。我国传统酿酒生产大多使用淀粉质原料, 以曲为糖
6、化剂, 采用固态发酵法, 但成本高, 出酒率低。糖化酶的应用使粮醅入酵后发酵升温快, 幅度大, 提高原料的出酒率, 缩短发酵周期。在湘泉浓香型白酒的混蒸混烧工艺中添加糖化酶, 结果发现有助于提高己酸乙酯的含量, 抑制乙酸乙酯的生成, 取得了产量与质量的双赢。在混蒸混烧工艺中添加糖化酶, 在转型时可以明显缩短转型期, 在生产中可以使酒醅发酵更彻底、更充分, 提高出酒率。糖化酶应用于黄酒生产， 出酒率高达92.06%, 感官鉴定也得到了优。传统小曲酒的生产, 通常是以传统小曲作为糖化剂, 采用先培菌糖化后发酵工艺, 有学者用糖化酶代替部分小曲作为发酵剂, 同时对培菌糖化的时间、温度、用曲量进行了研
7、究, 对提高淀粉的利用率和小曲的产量均有增长。在啤酒生产上可以应用糖化酶, 采用多温度段糖化工艺, 提高了麦汁可发酵糖的比例, 制成了风味独特的干啤酒。在食用醋生产中, 应用糖化酶可以解决企业自制酒母质量不稳定和夏季高温等生产难题, 使食用醋生产正常进行。糖化酶在天然产物提取中也有一定的作用。因为皂素在植物中大多以糖苷的形式存在, 游离的甙元极少, 为了提高皂素的收率, 可以在酸水解之前先对黄姜原料进行酶解, 这样既可以减少酸用量, 又能明显地提高皂素的收获率与质量。山药汁容易沉淀并有令人难以接受的臭味。针对这个问题有研究人员将山药干片先用水提取, 然后再用酶水解, 应用此工艺加工出来的山药汁
8、, 沉淀少、无臭味, 并且酶用量少、酶解时间短。在医学上，糖化酶也有重要的用途，它可以用过消化药物的成分，来帮助消化；在检验鼠疫菌过程中，用尿嘧啶糖化酶来防止PCR产物污染。1.1.4糖化酶生产的研究状况葡萄搪淀粉的底物专一性较低, 不仅能从淀粉非还原端水解 -1,4-葡萄糖苷键, 且能部分地水解 -1,6-, 甚至 -1,3-葡萄糖苷键, 将直链或支链淀粉水解为右旋糖。该酶最初研究始于1938 年, 人们试图用真菌淀粉酶取代麦芽生产酒精。1941年用米曲霉麸曲生产酒精, 并部分取代了麦芽生产。1951年Phillips和Caldwell和Kerr等分别从德氏根霉和黑曲霉分离得到了类同于-淀粉
9、酶的淀粉水解酶, 分别称葡萄糖淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶。两者均水解淀粉为右旋糖。从水解底物淀粉的能力, 研究者将来源不同的真菌糖化酶分为两组, 即德氏根霉型和黑曲霉型, 前者水解淀粉可达100% , 而后者水解淀粉仅80% 左右。为了寻找既经济有效，又能充分发挥糖化酶菌种的生产能力的发酵工艺，国内外科学工作者作了大量的研究与探索。东德研究发现，先将预培养的双抱拟内袍霉种入PHS.5、玉米浆3%、菜籽油5%、磷酸氢二按0.3%和磷酸二氢钠0.2%的培养液中，于30搅拌通气24小时后，加入预培养的米曲霉、l%淀粉和0.5%碳酸钙连续发酵72小时，浓缩的发酵清液中含糖化酶3000u/ml和一淀粉酶70
10、00U/ml。印度研究了用农副产物制出的黑曲霉产糖化酶培养基，结果发现，联合使用以上各种不同物料、糖化酶产量为半合成培养基的10一15倍。用10%麦鼓浸出物和8%脱脂大豆粉组成的培养液、产量最高。在国内，山西省生物研究所许艳萍等用黑曲霉变异株Uvll一22和UVll一33进行了用玉米粉、高梁粉、土豆淀粉、甘薯淀粉、糊精、蔗糖、麦芽糖、葡萄糖作碳源的比较和用豆饼粉、玉米浆、米糠、麦皮、蛋白陈、酵母膏、硝酸按、尿素等不同N源的比较，C源以玉米粉为好，有机N源以豆饼粉和玉米浆为最好，无机氮是硝酸按最好。另外，还进行了玉米粉、玉米浆、豆饼粉的不同配比试验，结果发现，当它们的浓度分别为10%、3%、4%
11、时效果最好，最高摇瓶酶活可达10353U/nll，应用于15m3发酵罐酶活可达8792U/ml。四川省食品发酵工业研究设计院研究玉米粉、花生枯、玉米浆的不同配比对黑曲霉变异株N87一67生产糖化酶的影响时发现，当其浓度分别为18%、2.5%、2.5%时，20m3自吸式发酵罐生产能力可达19259u/ml，10m3罐可达20355u/ml。1. 1.5糖化酶生产的重要性糖化酶在工业生产中的应用非常广泛，在酒精工业中糖化酶制剂可代替自制麸曲简化生产工艺，提高生产效率； 在淀粉糖工业中，利用糖化酶水解淀粉的高度专一性，避免无机酸水解淀粉糖苷键的随机性， 控制糖浆产品的糖分组成， 提高产品纯度，克服酸
12、水解时对生产设备的腐蚀； 在干啤酒酿造过程中，可提高麦汁中可发酵性糖的含量； 在白酒和曲酒生产中，以糖化酶代替酒曲，可以提高出酒率，降低粮耗，改善酒的口味，提高质量； 在味精、柠檬酸等生产过程中，首先利用淀粉酶、糖化酶将其主要原料淀粉转化成低分子量糖类，再经发酵得到谷氨酸和柠檬酸。因此，糖化酶在轻工、食品、医药、发酵等行业中具有广泛的应用价值，受到国内外学者的高度重视。了解影响糖化酶生产的各种因素，熟悉并掌握米曲霉生产糖化酶的生产工艺，优化改善生产过程中的部分环节，设计出一条合理的生产工艺流程，提高糖化酶的生产量，创造更高的经济效益就县得十分重要。1.2糖化酶产生菌糖化酶具有的经济价值和某些特
13、殊用途，一直受到国内外许多研究人员的关注，要实现其大规模工业化生产, 关键在于获得能使生淀粉有效水解的糖化酶，目前糖化酶产生菌有曲霉、根霉、噬纤维菌属和芽孢杆菌等, 真正用于工业生产的微生物很少, 主要原因是菌种的稳定性和产酶量往往很难达到工业化生产的需求。根霉和曲霉是糖化酶的主要生产菌株, 而曲霉以米曲霉和黑曲霉应用最为广泛，也是研究得最多的生产菌株。在工业中应用的糖化酶主要是从黑曲霉、米曲霉、根霉等丝状真菌和酵母中获得, 从细菌中也分离到热稳定的糖化酶, 人的唾液、动物的胰腺中也含有糖化酶。就目前而言，生产上普遍应用黑曲霉。虽然目前生产上普遍应用黑曲霉，但米曲霉在生产糖化酶时有其自身优势。
14、1.2.1米曲霉性质特征及应用1.2.1.1米曲霉的生物学特征 米曲霉是一种好气性真菌，属于半知菌亚门曲霉属。菌丝一般呈黄绿色，后为黄褐色，分生抱子梗生长在厚壁的足细胞上，分生抱子头呈放射形，项囊球形或瓶形，小梗一般为单层，分生抱子球形平滑，少数有刺。米曲霉菌落生长快，质地疏松，菌落生长较快，分布甚广，主要在粮食、发酵食品、腐败有机物和土壤等处，是一种重要的工业微生物，其主要特征是菌丝体具有横隔。在土豆天然培养基上培养开始为白色的菌丝体，两天后即开始产抱子变绿;从平板反面看成同心圆，内圈颜色较深，外圈颜色很浅成白色。生长pH6.5-6.8，最适温度32-35，产酶温度28-30。米曲霉的菌丝由
15、多细胞组成，是一类产复合酶的菌株，除产乳糖酶外，还可产蛋白酶、糖化酶、淀粉酶、纤维素酶、植酸酶等。1.2.1.2米曲霉的应用米曲霉具有丰富的酶系，能产生多种稳定性高，能耐较高温度蛋白酶和糖酶，是我国传统酿造食品酱和酱油的生产菌种。也可生产淀粉酶、果胶酶和曲酸等，引起粮食等工农业产品霉变。米曲霉具有丰富的蛋白酶系,能产生酸性、中性和碱性蛋白酶,其稳定性高,能耐受较高的温度,广泛地应用于食品、医药及饲料等工业中。米曲霉是一类产复合酶的菌株，除产蛋白酶外，还可产淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、植酸酶等。米曲霉在工业上的应用:用于发酵生产豆豉、豆酱；与黑曲霉、绿色木霉复合发酵用于酱油生产；用于饲料工业；用于
16、酿酒制曲、生产低醇乳糖饮料。（1）生产乳糖酶消除乳糖不耐症，促进糖类的吸收由于乳糖不耐症的普遍存在，许多人无法接受牛乳这种天然且具有良好平衡性的食品，成为阻碍我国乳品工业发展的主要障碍之一。乳糖酶能将乳糖水解为易吸收和甜味品质好的半乳糖和葡萄糖，又能通过半乳糖昔反应合成低聚半乳糖，可以有效的消除人体对乳糖不耐症的症状。关于这方面的研究近年来倍受人们的关注。（2）用于发醉生产豆豉、豆酱豆豉、豆酱是我国古老的大豆发酵制品之一，营养丰富，药食兼用，对我国人民的饮食文化和医疗保健发挥着重大作用。在其传统的酿造工艺中，米曲霉用来酿造豆豉、豆酱在我国应用最早最广。由于古时没有显微镜，看不见微生物的个体形态，但人们通过微生物的群体形态“黄衣”来控制微生物的生长繁殖。随着科学发展，在前人基础上相继出现改良的多菌制曲和无盐固态发酵工艺，已达到相当高的水平，在生产实践中产生了良好的效果。（3）与黑曲舞、绿色
