双酶法液化技术.ppt

课题四 双酶法液化 糖化技术 重点 1 双酶法制糖工艺2 淀粉液化技术 液化定义 原理 糊化和老化3 淀粉液化方法4 淀粉液化的选择5 液化程度的控制6 低压蒸汽喷射液化工艺流程7 低压蒸汽喷射液化工艺条件8 喷射液化器及其技术9 美国水热器及其技术 一 淀粉液化技术 淀粉制备糖工艺简述淀粉水解常常有酸法 酸酶法和双酶法 本章重点介绍双酶法 双酶法是用专一性很强的淀粉酶和糖化酶作为催化剂将淀粉水解成为葡萄糖的方法 思考 双酶法包括哪两个步骤 每种方法的优缺点 酶解法优点 淀粉水解糖的制备方法 1 2 3 葡萄糖对淀粉的理论转化率 P92 C6H10O5 n nH2O n C6H12O6 162 1418 02180 16 淀粉产生葡萄糖的理论转化率为 检测内容 葡萄糖含量 DE值 糊精检测 用无水乙醇检查 常用OD表示 其它 液化技术 双酶法制备糖酶解法制备葡萄糖可分为两步 第一步是液化过程 利用 淀粉酶将淀粉液化 转化为糊精及低聚糖 第二步是糖化过程 利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解为葡萄糖 淀粉的液化和糖化都在酶的作用下进行的 故酶解法又称为双酶法 淀粉酶解法的两个步骤 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 麦芽三糖异麦芽糖 低聚糖糖化糖化酶1 4和1 6从非还原性葡萄糖糖苷键末端开始 液化的原理 淀粉酶是内切型淀粉酶 可从淀粉分子的内部任意切开 1 4糖苷键 不能水解 1 6糖苷键 液化产物除了麦芽糖和葡萄糖外 还含有一系列带有 1 6糖苷键的寡糖 淀粉在糊化之前 淀粉酶是难以直接进入淀粉颗粒内部与淀粉分子发生作用的 所以淀粉一定要经过糊化阶段 酶才能开始发生作用 液化的定义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 C6H10O5 n C6H10O5 x 用反应方程式表达 液化理论 糖化使用的糖化酶属于外酶 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 加快糖化反应速度 必须先将大分子的淀粉水解成糊精和低聚糖 酶水解颗粒淀粉和水解糊化淀粉的速度比约为1 20000 所以淀粉酶作用于淀粉前要先加热淀粉乳 从而使淀粉颗粒吸水膨胀 糊化 破坏其晶体结构 所以淀粉乳糊化是酶法工艺第一个必要步骤 淀粉的糊化与老化 糊化 糊化温度 淀粉颗粒开始膨胀 偏光十字消失 体积增大数倍 晶体结构消失 变成糊状液体的温度 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 糊化过程 不同淀粉的糊化温度是不同的 P72预糊化 糊化 溶解 由于淀粉颗粒的结晶性结构对酶作用的抵抗力非常强 不能使淀粉酶直接作用于淀粉 而需要先加热淀粉乳 使淀粉颗粒吸水膨胀 糊化 破坏其结晶性的结构 影响糊化因素 颗粒大小 小颗粒 结构紧密 糊化温度 直链含量 含量多 分子结合力强 糊化温度 电解质 电解质可破坏分子间氢键 糊化温度 非质子有机溶剂 如二甲基亚矾 脲等 促进糊化 糊化温度 物理因素 强烈研磨 挤压 蒸煮 射线等 促进糊化 糊化温度 化学因素 酯化 醚化 糊化温度 糖 盐 破坏水化膜 降低水分活度 糊化温度 脂类 淀粉与硬脂酸合成的复合物 糊化温度 亲水胶体 明胶 干酪素 CMC 等与淀粉争水 糊化温度 酸解和交联 增加分子间形成氢键的能力 糊化温度 生长环境 在高温下 糊化温度 淀粉糊的老化 老化 是淀粉分子间氢键已经断裂的糊化淀粉又重新排列形成新氢键的过程 也就是复结晶过程 也就是说 淀粉稀溶液或淀粉糊在低温下静置一定时间 混浊度增加 溶解度降低 甚至出现沉淀 如果冷却速度快 溶胶会变成凝胶体 在制糖过程中 淀粉酶很难进入到老化淀粉的结晶区域 淀粉液化困难 糖化更加没法进行 所以必须严格控制淀粉糊的老化 老化的弊端是什么 老化是糊化的逆过程 温度 发生老化所需的温度称为老化温度 0 4 本质 糊化的淀粉分子在温度降低时 由于分子运动减慢 此时直链淀粉分子和支链分子的分支都回头趋向于平行排列 互相靠拢 彼此以氢键结合 重新组成混合的微晶束 淀粉糊老化的控制 1 分子组成的影响 直链较支链淀粉容易老化 淀粉老化程度可以用冷却时结成的凝胶程度来表示 2 液化程度 因为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 才会有利于络合结构的生成 水解程度高会导致最终葡萄糖值低 过高则会导致液化淀粉的凝沉性强 易于重新结合 过滤会非常困难 一般而言 淀粉液化零时DE值控制12 18 思考 影响老化的因素 3 酸碱度 碱性条件更不易老化 但要考虑料液透光和酶的最适pH 4 温度和加热方式 一般采取高速升降温 目前运用较多的是耐高温淀粉酶 液化温度可以达到110 5 淀粉糊的浓度 浓度越高 越易老化 一般控制在10 15Be 6 各种抗老化无机离子 CNS PO43 CO32 I NO3 Br Cl Ba2 Sr2 Ca2 K Na 液化方法的选择 1 酸法糖化工艺流程 淀粉 盐酸 蒸汽 水 调浆 糖化 冷却 中和脱色 压滤 滤渣 糖液 活性炭 Na2CO3 淀粉的酸水解工艺是根据淀粉在水解过程中的水解反应和复合反应规律性来决定的 在制定工艺条件时既要保证淀粉的彻底水解 达到较高葡萄糖量 又要尽可能减少葡萄糖复合 分解反应的发生程度 此外 还要符合目的产物的发酵条件 符合发酵工艺的实际情况 酸液化法 2 工艺条件 淀粉乳浓度 13 15Be 约30 w v pH 1 8 2 0 温度 135 保压 10min 液化DE值 15 18 3 水解条件的影响 淀粉乳浓度的选择 淀粉的质量 酸的种类和用量 从表中可看出 4 该法优缺点 优点 适合任何精制淀粉 所得到的糖液过滤速度非常快 设备利用率高 缺点 因为酸液化法的工艺条件很剧烈 容易发生葡萄糖的复合分解反应 并生成大量的色素及复合糖类及不溶性糊精 降低了淀粉的转化率和糖液质量 间歇液化法 工艺条件 淀粉乳浓度30 w v pH6 5 加酶和钙离子 0 01mol l 温度85 90 维持时间30 60min 液化DE值10 15 碘试反应合格 该法优缺点 操作简单 设备简单 投资费用少料液和蒸汽混合不均匀 料液内部受热程度不一 液化不容易控制 所得糖液过滤效率差 酶液化法 升温液化与喷射液化的糖化液性质比较 间隙液化与连续液化的比较 间隙液化设备工艺图 半连续液化法 工艺控制 基本同间隙液化法该法优缺点 设备简单 效果较间隙法好 但料液在开口罐内进行 容易溅出伤人 蒸汽用量大 液化温度难得到保证 液化效果一般 糖液过滤困难因为间隙式和半连续液化法均是在敞开和不密封的容器中进行 温度一般都在100 以下 所以两种方法都用的是中温淀粉酶 该两种方法一般适合于中小厂 半连续液化法设备工艺图 蒸汽 淀粉乳 连消器连续液化 1 料液与蒸汽在连消器内进行混合后 料液已经达到液化温度 然后连续进入保温罐液化 2 这种方法与罐内液化相比 料液与蒸汽混合更为均匀 但这种混合并不彻底 蛋白质的凝聚效果也不理想 连续液化法 连消器设备工艺图 蒸汽 出料 进料 温度计 自控装置 保温罐 喷射式连续液化喷射式液化是指料液与蒸汽的混合是通过喷射器在微湍流的状态下完成的 所以比起其他形式的混合效果就更加完全 更均匀 喷射式液化与耐高温淀粉酶的结合使用 使淀粉的液化技术达到了一个全新的水平 喷射液化工艺一 二 次加酶喷射的液化工艺流程 一 二 次加酶喷射的液化设备说明1 淀粉乳配料罐 一次加酶 2 淀粉乳输送泵3 液化喷射器 关键设备 4 高温维持管5 闪蒸罐 二次加酶 6 液化料输送泵7 层流维持罐 一次加酶喷射液化工艺条件淀粉乳浓度 30 32 w v pH6 5耐高温淀粉酶用量 控制在5 8u g淀粉如果是二次加酶则可以分别在1和5处各添加50 的淀粉酶 喷射温度 105 110 高温维持 5 8分钟闪冷至95 维持时间 60 120min 一次和二次加酶喷射液化工艺比较 二次加酶可以节约淀粉酶添加量约15 一次加酶工艺更加稳定 二次加酶存在质量欠稳定现象 这是目前最常用的淀粉液化喷射工艺 二次加酶二次喷射的液化工艺流程 二次加酶二次喷射的液化设备说明 1 淀粉乳配料罐 一次加酶 2 淀粉乳输送泵3 7 液化喷射器 关键设备 4 8 缓冲罐5 9 一次闪蒸罐 二次加酶 6 10 液化料输送泵11 层流维持罐 管 二次加酶二次喷射液化工艺条件淀粉乳浓度 30 32 w v pH6 5耐高温淀粉酶用量 控制在5 8u g淀粉 分两次加入一次喷射温度 110 保温5min二次喷射温度 136 保温5min闪冷至95 维持时间 60 120min 液化工艺程度的控制 若液化程度太低 液化产物分子数少 糖化酶与底物接触的机会也少 影响糖化的速度 且液化程度低 液化液容易老化 分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新氢键的复结晶过程 糖化酶很难进入老化产物的结晶区作用 影响糖化的程度 最终糖化液粘度大 过滤困难 如果液化程度过高 液化液分子较小 不利于络合结构生成 从而影响糖化酶的催化效率 导致糖化液的最终DE值低 根据生产经验 一般以DE值来衡量液化程度 在DE值在10 15时结束液化过程比较合适 液化终点可用碘显色来判断 达到终点后 需对液化液进行灭酶 升温至120 保持10min可完成 灭酶后 冷却至糖化酶的作用温度 待糖化 液化程度与糖化终点葡萄糖值的关系为 淀粉液化程度与糖化程度的关系图 在液化工艺中 可通过调节淀粉酶的用量 喷射温度 维持温度 液化时间等条件来控制液化程度 液化作用可在管道或罐内进行 其作用时间取决于料液的流量以及维持设备的容积 一般控制在60min由下式进行计算 式中 V 料液体积流量 m3 h Vw 维持容积 m3 充满系数 一般取0 85 0 90 采用酸酶结合的方法来液化淀粉 可以兼有算法液化过滤性能好和酶法液化的糖化程度高的优点 酸酶法液化工艺 淀粉乳浓度 30 酸法PH2 2 温度140 保压5min 使液化DE值达到5 7 然后中和至PH6 5 冷却至90 95 再加入液化酶 反应时间30min 液化值达到需要的程度 酸酶液化方法 不添加任何催化剂 使淀粉浆喷射入一个蒸汽加热器中 在强烈的机械剪切力的作用下 使淀粉受热立即糊化 分散 然后快速冷却 以防止淀粉重新结合 这样得到的糊精可以有利于葡萄糖淀粉酶的结合 机械液化方法 淀粉液化液质量的判断 液化液要均匀液化液的DE值控制12 18 不要超过20 碘液反应 淀粉吸附碘分子的呈色反应使判断液化程度最常用的直观方法 作为淀粉液化完全的标准 一般应该达到浅红色和棕色 蛋白质凝聚 蛋白质凝聚并结团的好坏 决定了蛋白质从溶液中分离去处的效果 过滤速度要接近正常值 用滤纸漏斗过滤 计算单位时间的过滤量 外观 液化液的外观必须透明 无白色浑浊粘度 液化液的粘度直接反映在过滤速度快 液化液流动性能好等方面 一般在实际生产中是用滤纸过滤相同体积的液化液的速度来判断液化粘度的大小 液化原料的特点 液化所处理的原料有两类 谷类和薯类淀粉蛋白质含量一般而言 谷类淀粉含量较薯类淀粉的高 不溶性淀粉颗粒 含量 液化液中存在的微量的不溶性物质 这些不溶性淀粉颗粒不能被糖化酶水解 降低葡萄糖产率 也降低了糖化液的过滤速度 对于葡萄糖生产非常不利 酶法液化产生的不溶性淀粉颗粒是直链淀粉与脂肪酸生成的呈螺旋状的组织结构紧密的络合物 不能被糖化酶所分解 而酸法液化产生的不溶性淀粉颗粒是直链淀粉通过氢键结合 属于沉凝淀粉的结构 在糖化过程中几乎能全部被溶解 液化液的用途 生产葡萄糖及果葡糖浆 过滤性能较好中转化糖浆 过滤性能较差作为发酵碳源的葡萄糖液 要求过滤速度快 蛋白质过滤彻底 液化方法的选择 国内目前运用较多的工艺是低压 0 2 0 3mpa 或中压 0 4 0 6mpa 蒸汽喷射较多 国内普遍采用的工艺是一次或两次加酶一次中压喷射液化法 难液化淀粉原料的液化方法 一段淀粉液化广泛应用于各类淀粉如玉米淀粉 木薯淀粉等 但一段液化法对于哪些蛋白质含量较高 杂质含量较多的难液化的淀粉原料如小麦 小麦淀粉等液化效果并不理想 而往往需要采用二段液化法甚至更多段 通过多次高温处理和多次加酶液化的方法 以促使这些难液化淀粉进一步膨胀断裂 蛋白质进一步凝聚结团 以提高液化效果 低压蒸汽喷射液化工艺介绍 工艺流程 调浆 一次喷射液化 液化保温 二次喷射 高温维持 二次液化 闪蒸冷却 糖化 工艺控制 1 调浆 在调浆罐内把粉浆用工艺冷却水调到15 19Be 并用纯碱或烧碱调节pH至5 5 6 2 加入约0 15 的氯化钙 再加入耐高温 淀粉酶 粉浆温度一般控制在50 58 之间 2 一次喷射 用浓浆泵将调好的粉浆送入喷射液化器 使蒸汽和粉浆直接相遇 温度控制95 100 3 保温 喷射后的粉浆进入层流罐保温60min 温度保持稳定 4 二次喷射 一次保温结束的料液用泵送入喷射器进行二次喷射 温度控制在135 145 此步骤作用是使淀粉进一步分散 蛋白质进一步凝固 并可以把耐高温淀粉酶彻底杀死 5 高温维持 经过二次喷射的粉浆进入管道进行高温维持阶段 时间约3 5min 通过高温维持使已经形成的 不溶性淀粉颗粒 在高温下分散 并使蛋白质进一步凝固 淀粉进一步分散 6 闪蒸冷却 经过二次喷射 高温维持后的料液进入真空闪蒸快速冷却至95 100 进入二次液化罐 同时加入耐高温 淀粉酶 通过闪蒸步骤可以实现 淀粉浓度增高 并可以通过压力的突然改百年促使淀粉进一步分散 提高了出糖率 喷射后料液 蒸汽 闪蒸后料液 闪蒸罐 7 二次液化维持 在维持罐维持约30min左右 碘试合格后进入糖化罐进行糖化 连续喷射液化 可以在短时间内完成淀粉糊化和液化 蛋白质凝聚好 糖化液过滤速度快 设备简单 并便于连续操作快速升温 可以实现快速升温 这样产生的 不溶性淀粉颗粒 少 便于糖化 液化液透明 彻底 出糖率高 透光率高 低压蒸汽喷射液化工艺特点 层流罐 层流罐设计要尽可能 高而廋 一般是1 5 2m 8 10m 料液流向一般是下进上出 以确保料液能够先进先出 糖化 层流罐串连 影响液化的因素 液化的影响因素用因果图 树 表示 材料 人 方法 设备 管理 环境 测量 产出 淀粉 酸碱 酶 经验 培训 技能 程序 测试 喷射器 搅拌 层流罐 仪表 队伍 质量 成本 决策 压力 碘试 温度 PH 流量 温度 干物质 粘度 DE值 PH值的影响 在酶允许的情况下 PH越低越好 二次和一次加酶对DE值的影响 依据厂家情况而定 植酸 有机磷酸盐与环己六醇结合物 对液化DE值的影响 植酸广泛存在于淀粉中 一般含量为0 5 1 5 植酸越高 DE值长得越慢 喷射温度 温度一般控制在105 109 温度高于110 会影响蛋白质的结构 从而影响酶的活力 温度低于105 则淀粉与脂质体形成的复合物不能被破坏 而这个复合物不能被酶所分解 液化工艺中一个关键的设备即是喷射液化器 喷射液化器可以分为两种 一种是喷射蒸汽 以带动料液 称为汽带料式 一种是喷射料液 以带动蒸汽 称为料带汽式 无论使汽带料还是料带汽 喷射过程中蒸汽或者料液进入喷射器都是强制性的 具体来说 蒸汽的进入一般使靠蒸汽本身的压力 料液的进入则是靠泵输送的 所以 协调好蒸汽和料液的进入 达到稳定和均衡使喷射液化成功的关键 液化关键设备 喷射液化器 喷射器工作原理 将淀粉乳中的淀粉 水 酶在瞬间接触 均匀混合 瞬间糊化和液化 两者交替进行 互相促进 在喷射器出口经常有一个扩大混合室 使三者在高温下进一步混合 进一步液化 喷射器发展方向 三者接触面大 反应快速 液化彻底 体积小 自动化程度高和价格便宜 国内生产喷射器最早的是华南理工大学 以后上海兆光生物工程公司 HYW型 无锡市锡南生物工程装备厂都有生产 这些喷射器大多是以料带汽 最近几年由上海东潮科技公司引进美国公司水热器 hydroheater 以特有的协调管 对流入浆料提供控制机制 在水热器内 蒸气以高度湍流方式直接与料液混合 热在瞬间由蒸气传导给料液 如此快的热交换导致蒸气凝结并迅速分散到料液中 排除了一般简单加热器在加热过程中常带来的气锤及震动等现象 其温控精度高 工作稳定 喷射器的示意图 其中A是表示蒸汽入口 B表示混有液化酶的淀粉粉浆入料 C表述喷射后的喇叭出料口 水热器示意图 水热器反应温度图形 美国进口水热器控制器 美国进口水热器 美国进口水热器 喷射器使用注意事项 见书P91 92 二 糖化技术 糖化的定义 糖化是将淀粉或糊精通过糖化酶在一定条件下转化为各种糖的过程 糖化理论收率 111 11 糖化实际收率 收率 实际生产中 一般淀粉含量为81 85 葡萄糖含量一般为27 35 淀粉转化率 是指淀粉转化成葡萄糖的百分比 转化率 DE和DX值的区别 葡萄糖的实际含量低于葡萄糖值 因为有少量还有还原性的低聚糖的存在 两者一般相差1 2 具体见书P94表3 5 影响糖化DE值的因素 1 糖化时间对DE值的影响 达到最高DE值时 应当立即停止反应 否则 葡萄糖值会降低 这是因为葡萄糖会发生复合分解反应的缘故 2 液化液程度控制 即糖化零时DE值 与糖化液最终DE值的关系在碘试合格的前提下 液化液DE值与糖化最终DE值是呈反比的 3 脱支酶的混合使用对糖化液的DE值的影响淀粉酶能很快水解 1 4糖苷键 却不能很快水解1 6糖苷键 因此 单独使用糖化酶 糖化最终DE值很难达到98 所以往往添加一定比例的脱支酶如普鲁兰酶或异淀粉酶 所得糖化液DE值甚至可以达到99 糖化酶的作用方式 糖化酶 普鲁兰酶 真菌淀粉酶或 淀粉酶 4 酶制剂用量与糖化液DE值的关系为加快糖化速度 缩短糖化时间 可以采取加大酶制剂量 但要充分考虑到糖化工艺和原材料及液化液的控制等因素 同时 酶制剂的量不能过大 否则会因为复合反应严重而导致葡萄糖值降低 在实际生产中 要视企业设备情况 尽可能减少酶量 延长糖化时间 糖化时间与糖化酶用量的关系图 糖化工艺流程及工艺说明 工艺流程 液化液 糖化罐 糖化液灭酶 过滤机 离子交换树脂 贮罐 降温 加酸调PH 加糖化酶 蒸气 碱液 脱色罐 活性碳 助滤剂 计量 下工序 糖化罐示意图 电磁流量表示意图 离子交换柱示意图 工艺说明 1 液化液结束后要迅速降温至60 65 并加酸调节PH至4 2 4 5 2 调好温度和pH后 要取样检测料液的DE值和含糖量 为什么 并按照要求加入糖化酶进行糖化 一般来说 糖化酶用量为10 150u g 3 糖化9 12小时 要取样检测料液的DE值和含糖量 4 糖化过程中每隔1 2小时要检测PH和温度 及时作出调整 至结束时 加碱调节PH至4 8 5 2 并升温至80 85 保持15 20mim进行糖化灭酶 为什么要调节PH至4 8 5 2 5 灭酶完成的糖液要加入助滤剂 按照0 5kg m2添加 和活性炭 并搅拌约1 2小时进行脱色除杂 6 脱色完成的糖液要进行过滤 板框压滤机或真空转鼓机 制得清糖液 过滤要点见P96 7 经过压滤机后的清糖液要经过离子交换树脂进行进一步脱色和除杂 离子交换树脂具有离子交换和吸附脱色作用 它能够除去蛋白质 氨基酸 羟甲基糠醛和有色物质 它能够去除绝大部分灰分和有机杂质 732型阳离子交换树脂属于酸性苯乙烯系 具有交换磺酸基 SO3H 可以与糖液中的Na Cu2 等交换树脂上的H R SO3 H Na R SO3 Na H 701型阴离子交换树脂属于弱碱性环氧系阴离子树脂 可以除去糖液中的阴离子 如CL SO32 等 R NH OH CL R NH CL OH 常见的方法是糖液流经串连起来的离子交换树脂 阳离子 阴离子 阳离子 阴离子8 制得的清糖液要放入干净的贮罐 保持温度60 并及时供给下工序 以防染菌 发酵清糖液质量指标 清糖含量 27 清糖透光 85 DE值 96 PH值 4 8 5 2OD 0 05HPLC 高效液相色谱分析 二糖以下 98 清糖OD检测 OD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 糊精与无水酒精作用变为白色