淀粉原料的预处理.ppt

第四节柠檬酸生产的上游工程 可用于柠檬酸发酵的原料很多 含淀粉的农产品及其副产品 某些有机化合物以及石油中某些成分都可以用作发酵原料 但工业生产上 不但要考虑发酵工艺上的要求 还要考虑生产管理和经济上的可行 大规模工业化生产中 选择原料一般从以下几个方面考虑 1 因地制宜 就近取材 价格低廉 2 原料中可利用的成分高 未严重污染 抑制生长和产酸的物质较少 或能够除去 能满足生产工艺的要求 3 原料资源丰富 便于运输 一 发酵原料及其处理 目前工业上使用的发酵原料主要有以下几种 1 淀粉原料 甘薯 木薯 马铃薯等 2 粗制糖类 粗蔗糖 水解糖 葡萄糖 3 制糖工业副产品 糖蜜 葡萄糖母液等 4 含正烷烃较多的石油馏分 5 副原料 米糠 麦芽等 淀粉质原料甘薯类甘薯又名甜薯 红薯 白薯或番薯是高产作物 鲜甘薯含有大量水分和糖份 营养充足 但容易受到微生物的污染而腐烂 鲜薯难以贮藏 柠檬酸生产上一般用干粉或薯干片 化学成分查看有关资料 木薯木薯是亚热带高产经济产物 与甘薯一样 木薯可以制成粉状 片装 薯淀粉等加工产品 木薯中含有氰的配糖体 经酶水解可释放出HCN 对人体有害 但晒干制成薯干后大部分消失 另外在发酵前的蒸煮和液化也基本被除去 不致危害到发酵 马铃薯马铃薯的含氮量高 是天然的良好培养 糖蜜一原料糖蜜是制糖工业上的副产品 其中含有大量的可发酵性糖 1 甜菜糖蜜甜菜糖蜜外观是稠厚 黑褐色 带有三甲胺和甲硫醚的气味 其成分相当复杂 而且变化较大 它与甜菜的生长环境 栽培和收获方法 保藏条件 制糖工艺等因素有关 成分查看有关资料 甜菜糖蜜平均干物质80 水分20 甜菜糖蜜含转化糖 还原糖 较少 但如果贮藏条件不好 转化糖含量就会大幅增加 甜菜糖蜜的有机成分包括含氮物质 占0 6 0 8 主要成分是甜菜碱 有机酸 甜菜中的有机酸在制糖中被钙盐沉淀掉 转移到糖蜜中的主要是丙二酸 丁二酸 戊二酸等 糖的分解产物 主要包括脂肪醛是拟制柠檬酸发酵的物质 但在发酵过程中会消失 芳香族化合物质 2甘糖糖蜜甘糖糖蜜是甘蔗制糖工业的副产品 在我国南方产量很高 它的成分与甜菜糖蜜相差较大 主要在几个方面 1 蔗糖少 转化糖含量高 2 总氮低 不含甜菜碱和谷氨酸 3 胶体多 色度高 4 灰分中Fe Mn含量较低 Cu Zn含量较低 一 原料预处理 在发酵与酿造过程中 为了加速蒸煮 糖化 发酵的反应速度 对于使用的固体原料 常需将其粉碎 使大块固体物料破碎成小块物料的操作 通常称为粉碎 而使小块物料进一步粉碎为粉末状物料 则称为磨碎或研磨 在生产过程中 粉碎的效果好坏 不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性 而且会间接影响到蒸煮 糖化 发酵的效果 粉碎的方法 根据操作作用力的不同可区分为四种 挤压 冲击 磨碎 劈碎 无论是哪一种作用力 假如所施加的外力没有超过物料的弹性强度 则物料产生弹性变形 外力除掉后 物料恢复到原来情况 加入施加的外力稍超过物料的破碎强度 则物料即被粉碎 物料表面通常具有不规则的形状 因此外力首先作用在突出点上 产生局部的应力 破碎后应力分散 作用点发生变化 选择粉碎物料的方法 必须根据物料的物理性质 大小 粉碎的程度等 应特别注意物料的硬度和破裂性 对坚硬和脆性的物料 挤压和冲击很有效 对韧性物料剪切力作用较好 对方向性物料则以劈碎为宜 但不论哪一种粉碎 很少单独使用其中的一种方法 而是几种方法的组合 使粉碎更加有效 1 锤式粉碎机锤式粉碎机是利用快速旋转的锤刀对物料进行冲击粉碎 广泛用于各种中等硬度物料的中碎与细碎作业 由于各种脆性物料的抗冲击性较差 因此 这种粉碎机特别适用于脆性物料 锤式粉碎机筛网2 轴3 锤刀4 冲击板5 机壳 锤式粉碎机如上图主轴上有钢质圆盘或方盘转子 盘上装有可拆换的锤刀 锤刀可以自由摆动 当主轴经800 2500r min在密封的机壳内旋转时 刀片在各个不同的位置上 能够以很大的冲击力将物料粉碎 加入到粉碎机中的物料 首先与锯齿形的冲击板撞击 已经被粉碎的物料 通过机壳上的格栅网孔排出 未被粉碎的物料 被筛网阻截 再次受锤力冲击粉碎 如遇有坚硬不能粉碎的物料 由于锤刀是活动地悬挂在盘上 可以摇动而让开 可避免损伤机器 当然锤刀要受到较大的磨损 甚至损坏筛网 如遇有坚硬的物料 可再次或多次冲击粉碎 粉碎的物料 连续穿过机内的筛网排出 为了避免堵塞 除将筛网孔做成上小下大的锥形孔外 被粉碎的物料含水量不应超过10 15 2 辊式粉碎机辊式粉碎机广泛应用于粉碎颗状物料的中碎或细碎的作业 主要工作机件是两个直径相同的圆柱状辊筒 二辊式粉碎机1 弹簧2 物料3 滚筒4 机座 两个辊筒以相反的方向旋转 产生挤压力和剪力将物料粉碎 辊筒表面有光面和带波纹的两种 物料从辊筒间的空隙加入 两辊筒间的距离称为开度 凡物料颗粒小于开度的 可经空隙漏出 当要求产品较细时 可提高辊筒表面的圆周速度 达8 10r min 也可使两辊筒间有15 20 的转速差 这样可增加粉碎度 两个辊筒 有一个辊筒的轴承是固定的 另一个辊筒是可以移动的 这样可调节辊筒的开度 另外在可移动的轴承上 还装有弹簧 因此 当物料中混有较大块或硬的物料时 弹簧能稍微移动一点 使大块或硬的物料得以通过 以免使辊筒表面受到损伤 二 淀粉液化处理工艺 2 1淀粉的颗粒的外观淀粉颗粒呈白色 不溶于冷水和有机溶剂 其内部呈复杂的结晶组织 随原料品种和种类的不同 淀粉颗粒具有不同的形状和大小 形状不规则 大致上可分为圆形 椭圆形和多角形 一般说来 水份含量高 蛋白少的植物 颗粒较大 形状较整齐 大多为圆形或卵形 如马铃薯 甘薯的淀粉 颗粒较大的薯类淀粉较易糊化 颗粒较小的谷物淀粉相对较难糊化 淀粉颗粒的构成如下图 氢键聚集淀粉分子链 针状晶体 淀粉颗粒 2 2淀粉的分子结构淀粉可分为直链和支链淀粉两类 直链淀粉通过 1 4键连接 支链淀粉的直链部分通过 1 4键连接 分支点则有 1 6键连接 支链平均有25个葡萄糖基团 因而还原性末端数量较少 一般植物中直链淀粉含量为20 25 支链淀粉占75 80 直链淀粉在70 80 的水中可溶 溶液的粘度较小 遇I2呈纯蓝色 支链淀粉在高温水中可溶 溶液的粘度大 遇I2呈兰紫色 CH2OH OH O OH CH2OH OH O OH CH2OH OH O OH CH2OH OH O OH CH2OH OH O OH CH2OH OH O OH CH2OH OH O OH CH2OH OH O OH CH2 OH O OH O CH2OH OH O OH 淀粉种类及其结构 支链淀粉或糖原分支点的结构 淀粉的分枝结构 2 3淀粉在水 热处理过程的中变化 1 水 热处理的目的淀粉原料经过水热处理 使淀粉从细胞中游离出来 并转化为溶解状态 以便淀粉酶系统进行糖化作用 这就是原料水 热处理的主要目的 3 淀粉的膨胀和溶解膨胀 淀粉是一种亲水胶体 遇水加热后 水分子渗入淀粉颗粒的内部 使淀粉分子的体积和重量增加 这种现象称为膨胀 糊化 在温水中 当淀粉颗粒无限膨胀形成均一的粘稠液体的现象 称为淀粉的糊化 此时的温度称为糊化温度 溶解或液化 淀粉糊化后 如果提高温度至130 由于支链淀粉的全部 几乎 溶解 网状结构彻底破坏 淀粉溶液的粘度迅速下降 变为流动性较好的醪液 这种现象称为淀粉的溶解或液化 2 4淀粉液化的方法 1 按水解动力的不同分为 酸法 酶法 酸酶法 机械液化法 2 按工艺的不同分为 间歇式 半连续式 连续式 3 按设备的不同分为 管式 罐式 喷射式 4 按加酶方式的不同分为 一次加酶 两次加酶 三次加酶 5 按原料的精粗不同分为 淀粉质原料直接液化 精制淀粉液化 水解动力 催化剂 机械力 机械液化法 酸酶催化 酶催化 酸解 酸酶法 酸法 酶法 升温方式不同 加酶方法不同 酶耐温性不同 原料粗细不同 精制淀粉液化法 淀粉原料直接液化法 中温酶法 高温 中温酶法 高温酶法 三次加酶液化法 两次加酶液化法 一次加酶液化法 喷射液化法 半连续液化法 高温液化法 喷淋法 间歇液化法 直接升温法 喷射器型式 高压蒸汽喷射液化法 低压蒸汽喷射液化法 2 4 1液化的方法与选择 2 4 1酶解法液化 糖化淀粉常用的酶 淀粉酶 其作用是将淀粉迅速水解为糊精及少量麦芽糖 对淀粉的作用 可将长链从内部分裂成若干短链的糊精 所以也称内切淀粉酶 淀粉受到 淀粉酶的作用后 遇碘呈色很快反应 如下表现 蓝 紫 红 浅红 不显色 即碘原色 糖化酶 作用于淀粉的l 4键结合 能从葡萄糖键的非还原性末端起将葡萄糖单位一个一个的切断 因为是从链的一端逐渐地一个个地切断为葡萄糖 所以称为外切淀粉酶 淀粉酶 淀粉酶能水解 1 4糖苷键 不能水解 1 6糖苷键 遇此键水解停止 也不能越过继续水解 水解由淀粉分子的非还原末端开始 水解相隔的 1 4键麦芽糖 届于 构型 故叫 淀粉酶 淀粉酶届于外切酶 水解产物只有麦芽糖 淀粉的酶分解 淀粉的酶促水解解 淀粉酶 在淀粉分子内部任意水解 1 4糖苷键 内切酶 淀粉酶 从非还原端开始 水解 4糖苷键 依次水解下一个 麦芽糖单位 外切酶 脱支酶 R酶 水解 淀粉酶和 淀粉酶作用后留下的极限糊精中的1 6 糖苷键 淀粉酶的作用方式 2 4 2酶法液化方法 1 间歇 升温 液化法工艺 将浓度30 40 淀粉乳调整pH到6 5 加入CaCl2 0 01mol L 和一定量淀粉酶 5 8u 克淀粉 剧烈搅拌 加热到85 90 保持30 60分钟 达到液化程度 DE15 18 升温到100 灭酶10分钟 优点 此方法简便缺点 效果较差 能耗大 原料利用率低 过滤性能差 2 半连续 高温 液化法 喷淋连续进出料液化法 工艺 将淀粉乳调整到适当pH和Ca2 浓度 加入一定量的液化酶 用泵打给喷淋头引入液化罐中 其中已有90 热水 淀粉糊化后 立即液化 至保温罐90 保温40分钟 达到液化的程度 优点 设备和操作简单 效果比间歇液化好 缺点 不安全 蒸汽耗量大 温度无法达到最佳温度 液化效果差 糖液过滤性能也差 3 连续 喷射 液化法利用喷射器将蒸汽直接喷射至淀粉薄层 以在短时间内达到要求的温度 完成糊化和液化 喷射后 进入保温罐 85 90 保温45分钟 优点 设备小 便于连续操作 原料利用率高 转化率高 蛋白质凝聚好 缺点 但要求一定压力的蒸汽 进出料的速度要稳定 喷射液化的几种流程 连续出料 多段液化 多次加酶 多次加热 适用各种原料 特别是难液化的小麦 玉米淀粉 一段高温喷射液化工艺 单罐维持 工艺控制要点 淀粉乳浓度30 左右pH6 0 6 5喷射器出口温度 105 3 C 保温97 100 C 30 60min 两次加酶喷射液化工艺 酶 淀粉 水 酶 蒸汽 蒸汽 蒸汽 蒸汽 配料罐 喷射液化器 保温罐 95 97 145 二次液化罐 工艺流程调浆 配料 一次喷射液化 液化保温 二次喷射 高温维持 二次液化 冷却 糖化 酶 淀粉 水 酶 蒸汽 蒸汽 蒸汽 蒸汽 配料罐 喷射液化器 保温罐 95 97 145 二次液化罐 在配料罐内 将淀粉加水调浆成淀粉乳 用Na2CO3调PH 使PH值处在5 0 7 0之间 加入0 15 的氯化钙作为淀粉酶的保护剂和激活剂 最后加入耐高温 淀粉酶 料液经搅拌均匀后用泵打入喷射液化器 在喷射器中出来的料液和高温蒸汽直接接触 料液在很短时间内升温至95 97 此后料液进入保温罐保温60min 温度维持在95 97 然后进行二次喷射 在第二只喷射器内料液和蒸汽直接接触 使温度迅速升至145 以上 并在维持罐内维持该温度3 5min左右 彻底杀死耐高温 淀粉酶 然后料液经真空闪急冷却系统进入二次液化罐 将温度降低到95 97 在二次液化罐内加入耐高温 淀粉酶 液化约30min 用碘呈色试验合格后 结束液化 工艺的特点 利用喷射器将蒸汽喷射入淀粉乳薄膜 在短时间内通过喷射器快速升温145 完成糊化 液化 使形成的 不溶性淀粉颗粒 在高温下分散 数量也大为减少 从而使所得的液化液既透明又易于过滤 淀粉的出糖率也高 同时采用了真空闪急冷却 增高了液化液的浓度 三 糖化 100 糖化是利用糖化酶 也称葡萄糖淀粉酶 将淀粉液化产物糊精及低聚糖进一步水解成葡萄糖的过程 酶水解位置水解次序水解产物液化淀粉酶1 4糖苷键无先后次序葡萄糖 麦芽糖 麦芽三糖糖化糖化酶1 4和1 6从非还原性异麦芽糖 低聚糖 葡萄糖糖苷键末端开始 原则 酶活力低 液化液浓度高 用量则多 反之则少 生产用量 30 淀粉 80 100单位 克淀粉 酸水解糖化工艺流程 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 水 纯碱水活性炭 排气 排气 冷却水 蒸汽 淀粉 1 4 调浆槽2 糖化锅炉3 冷却罐5 过滤机6 糖液暂贮罐 7 糖液贮罐8 盐酸计量器9 水力喷射器10 水槽 针对工艺提问 而日本和欧美一些国家的很多工厂已采用连续糖化法 软水 排气 蒸汽 淀粉 硫酸 水 淀粉乳贮罐 淀粉乳调节槽 硫酸稀释罐 粗滤器 定量泵 蒸汽喷射加热器 维持罐 蛇管 控制阀 分离器 分离器 贮罐 等压管 流量计 压力表 温度计 17 5 3 2 蒸汽 淀粉碱液氯化钙 淀粉酶 糖化酶 双酶法制糖工艺流程 水 回流 1 4 6 5 6 11 7 10 89 12 13 14 15 16 18 1 调浆配料槽2 8 过滤器3 9 14 17 泵4 10 喷射加热器5 缓冲器6 液化层流罐 7 液化液贮罐11 灭酶罐12 板式换热器13 糖化罐15 压滤机16 糖化暂贮槽18 贮糖槽 说说酸水解法 酸酶法和酶水解法三种不同水解工艺的优劣 20 0 50 温度 C 粘度 pas 不同水解工艺与糖化液的粘度的关系 全酶 酸酶 酸 从制得的水解糖液的粘度来看 以酶解法为最低 酸解法最高 如图所示 从水解糖液的质量 原料利用率 糖收得率 耗能及对粗淀粉原料的适应情况来看 以酶解法最好 其次是酸酶法 酸法最差 从淀粉水解的整个过程所需的时间来看 酸法最短 酶法最长 间歇式与连续式糖化方式比较 二 培养基灭菌系统 发酵生产要求纯种培养 不仅斜面 种子和培养基以及发酵罐 管道须经灭菌除去各种杂菌 而且在需氧发酵中