第3章 淀粉质原料的糖化工艺4.doc

南阳师范学院课时教学计划章 节第3章 课 题淀粉质原料的糖化工艺计划课时数4授课班级教学目的 使学生掌握淀粉质原料的糖化工艺。教学重点1 淀粉浆糊化（蒸煮）、液化、糖化原理2 原料的糊化（蒸煮）工艺3 液化工艺4 糖化工艺5 双酶法液化糖化工艺介绍教学难点双酶水解法教学方法和手段采用课堂理论讲授的教学模式，利用多媒体辅助教学方法，启发式教学。备注教学内容备注本章主要内容：3.1淀粉浆糊化（蒸煮）、液化与糖化概述3.2 淀粉浆糊化（蒸煮）、液化、糖化原理3.3 原料的糊化（蒸煮）工艺3.4 液化工艺3.5 糖化工艺3.6 双酶法液化糖化工艺介绍3.7 关于糖化过程的争议3.8 展望第3章 淀粉质原料的糖化工艺淀粉的糊化（蒸煮）、液化以及糖化过程是淀粉质原料制取酒精的重要部分，对于后续的发酵有着重要的意义。3.1淀粉浆糊化（蒸煮）、液化与糖化概述一般来说，含在原料细胞中的淀粉颗粒，由于植物细胞壁的保护作用，不易受到淀粉酶系统的作用。另外，不溶解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非常缓慢，水解程度也不高。所以，淀粉原料在进行液化、糖化之前通常要经过蒸煮，使淀粉从细胞中游离出来、并转化为溶解状态（即糊化），以便淀粉酶系统进行液化糖化作用，这就是原料蒸煮处理的主要目的。当然，蒸煮处理同时可以达到部分杀菌的目的。糊化之后的淀粉浆要通过酶进行分解，酶解工艺主要包括淀粉的液化和糖化两个步骤。液化是利用液化酶使糊化的淀粉浆粘度降低，并将淀粉水解成糊精和低聚糖；糖化是利用糖化酶将液化得到的糊精和低聚糖彻底水解成葡萄糖，供酵母菌进行呼吸作用产生酒精。也就是说，淀粉质原料液化糖化实际上是淀粉在淀粉酶、糖化酶的作用下，使淀粉水解成葡萄糖的过程，其主反应式如下：(C6H10O6)n(C6H10O6)xC12H22O12C6H12O6 淀粉 糊精 麦芽糖 葡萄糖典型的糊化、液化与糖化全流程如图3-1所示。总之，为将薯类、谷类、野生植物等淀粉质原料中的淀粉水解为可发酵糖类，一般需要经过糊化（水热处理）、液化与糖化三个步骤。3.2 淀粉浆糊化（蒸煮）、液化、糖化原理3.2.1糊化（蒸煮）原理糊化（蒸煮）、液化和糖化的目的是将淀粉水解成可发酵糖类，即先通过-淀粉酶将淀粉水解为糊精和低聚糖；然后利用糖化酶（淀粉葡萄糖苷酶）水解糊精或低聚糖释放葡萄糖。然而，为了使-淀粉酶能够顺利和淀粉分子作用，首先必须打破淀粉的颗粒状结构，这一过程称为糊化。当谷物浆与水一起加热时，淀粉颗粒开始吸水膨胀，从而淀粉逐渐失去其晶体结构，变大，形成的凝胶囊往往填补所有可用空间，胶凝作用最高点也是糊状物的最大粘稠点。图3-2 ，3-3和3-4显示的是玉米淀粉逐步糊化，图3-1中的颗粒与周围的液体中的边界相当清楚，可以很容易地与周围液体相分辨；图3-2中相同的颗粒已经产生了一定规模的膨胀，即一些液体已进入颗粒；图3-3显示的是颗粒已经成为模糊的实体，液体已经大量进入颗粒，颗粒已扩大到了相当大的规模。图3-1 糊化、液化与糖化全流程示意图一般来说，淀粉以颗粒形态存在于谷物种子、薯类块根（甘薯）块茎（马铃薯）的细胞内，各种作物中的淀粉含量因品种、成熟度、气候、土质及其它生长环境不同而异。淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，淀粉颗粒内呈复杂的结晶组织，不同原料的淀粉颗粒具有不同的形状和大小，大体上分为圆形、椭圆形和多角形。淀粉颗粒具有抵抗外力作用较强的外膜，其化学组成与内层淀粉相同。但由于水分较少，密度较大，故强度较大。淀粉颗粒是由许多针状小晶体聚合而成的，而小晶体则是由淀粉分子链之间靠氢键的作用联结而成的。图3-2 显微镜中67 时糊化的玉米淀粉颗粒 （在正常照明下）图3-3 显微镜下75 糊化的玉米淀粉颗粒（正常照明） 图3-4 显微镜下85 糊化的玉米淀粉（正常照明） 淀粉属亲水胶体，遇水后，水分子在渗透压作用下，渗入淀粉颗粒内部使淀粉分子的体积和重量增加，这种现象称作膨胀。淀粉在水中加热，即发生膨胀。这时淀粉颗粒好像是一个渗透系统，其中支链淀粉起着半渗透膜的作用，而渗透压的大小及膨胀程度则随温度升高而增加。从40开始膨胀的速度明显加快。当温度升高到6080时，淀粉颗粒的体积可膨胀到原体积的50100倍，淀粉分子间的结合削弱，引起淀粉颗粒的部分解体，形成均一的粘稠液体，这种无限膨胀的现象称为淀粉的糊化，对应的温度称为糊化温度。糊化温度与淀粉颗粒大小、水中盐分含量等有关。由于任何原料的淀粉颗粒大小都不均一，所以糊化温度应该是一个温度范围（从糊化开始到结束）。表3-1给出了不同作物淀粉颗粒的大小，以及糊化液化温度。对于各种粉碎原料来说，其糊化温度要较相应品种的纯淀粉高一些。因为原料中存在的糖类、含氮化合物、电解质等物质会降低水的渗透作用，从而使膨胀作用速度变慢。淀粉在糊化过程中最明显的物理性状变化是醪液黏度的变化，变化情况如图35所示。表31 不同作物淀粉颗粒大小、糊化和液化温度（）作物种类颗粒大小(m)糊 化 温 度液 化 温 度初 始中 点终 结玉 米52562.067.072.0146151小 麦24558.061.064.0136141马 铃 薯1510050.063.068.0132木 薯53552.059.064.0大 米3868.074.578.0大 麦54051.557.059.5黑 麦55057.061.070.0121127高 粱52568.073.078.0淀粉浆液加热到3545时，醪液黏度略有下降（图中a区域），继续升温，黏度缓慢回升。当温度达到7585时，醪液黏度急剧上升，到90时达到顶点（图中b区域），再进一步提高温度，黏度又开始迅速降低（图中c区域）。由图可见，b区域是糊化区，与图中1，2相对应的t1和t2则是糊化温度范围；c区域为高温液化区。可用氢键理论来解释淀粉的糊化和高温液化现象。温度升高，淀粉颗粒中大分子间氢键结合减弱，造成淀粉颗粒部分解体，形成网状组织，发生糊化现象。如果温度继续上升并达到120以上时，升温能量破坏了水分子和淀粉分子之间的氢键，醪液胶体状态遭到破坏，黏度下降，即发生高温液化现象。高温液化了的淀粉醪液在温度降低时，黏度会逐步增加。降到60时，变得非常黏，到55以下会变成凝胶，时间一长，则会重新产生部分结晶，这种现象称为淀粉糊化醪的“反生”。反生现象是由于淀粉分子之间氢键的重新形成引起的。变成凝胶后的醪液无法输送，更不能与糖化酶充分混合，造成生产停顿。为此，在生产上，高温液化了的糊化醪应尽快冷却到6065，并立即与糖化酶混合，进行糖化作用，使淀粉变成糖或分子较小的糊精，以防止反生现象发生。特别是在糊化过程中发生较长时间的停电、停气等事故时，一定要果断采取措施，将糊化醪送入糖化罐，进行糖化，不能让糊化醪长时间停留在蒸煮罐中。目前，出于节能和工艺（高温液化了的糊化醪易于反生）方面的考虑，较少采用高温蒸煮，液化过程主要通过淀粉酶实现。因此蒸煮过程往往只进行到糊化阶段，而不再进行到高温液化阶段。3.2.2液化原理液化是通过-淀粉酶对淀粉分子的作用完成的。淀粉以两种形式存在。一种形式是直链淀粉，那里葡萄糖单位是通过- 1，4 糖苷连接的（图3-4 ） 。玉米的直链淀粉含量约为淀粉总数的10%；直链淀粉链长度多为2001000个葡萄糖单位，最近发现长度可达2000甚至6000个葡萄糖单位的直链淀粉。其他形式的淀粉被称为支链淀粉，约占玉米中淀粉的90%。支链淀粉的分支结构如图3-5所示。支链淀粉不仅具有与直链淀粉相同的- 1，4糖苷联接，而且还有通过- 1，6连接的分支结构。分枝点之间平均有58个葡萄糖单位，支链中的葡萄糖单位仍是1，4键连接，支链长度平均为25个葡萄糖单位。在支链淀粉中葡萄糖单位的数量可高达10000。三种最普通的乙醇生产原料，玉米，小麦和高粱中的淀粉分子大小是类似的，但直链淀粉和支链淀粉含量的百分比不同。图3-6 直链淀粉的结构图3-7 支链淀粉的结构直链淀粉溶于水后形成粘度不高的溶液，支链淀粉只有在一定温度下才溶于水，并生成粘性溶液；碘液可使直链淀粉变蓝，支链淀粉则变成紫红色。-淀粉酶可随机地与直链淀粉和支链淀粉分子中的与1，4 糖苷作用，并切断1，4 糖苷键，但不会切断- 1，6糖苷键。由此产生的短直链（低聚糖）淀粉称为糊精，而短支链淀粉被称为-极限糊精。混合糊精的粘度很小。3.2.3糖化原理糖化是从液化的混合糊精中释放单个的葡萄糖分子，糊精具有不同的链长，而且链长越短，胞外糖化酶就越容易发挥作用，这是因为糖化酶先从链状糊精分子的非还原端开始，连续水解- 1 ,4糖苷键，从而释放单葡萄糖分子，链长越短，该过程进行得越快。糖化酶也水解- 1,6糖苷键，但速度比较慢。因此糖化酶发挥作用的程度和糊精链的长度直接相关，但目前尚不知道如何妥善的使-淀粉酶生产出更多的小分子低聚糖。3.2.4 与液化糖化有关的酶类及其特性我国古代是用天然微生物制剂“大曲”来生产曲酒的。但是，酒精生产中长期以来是以大麦芽等谷芽作为糖化剂的。19世纪末，出现了“阿米诺”酒精生产法，采用的微生物是毛霉和根霉。20世纪初，日本首先研究成功利用黄曲霉来生产高峰淀粉酶，开创了表面培养，生产固体曲作为糖化剂的时代。实践证明，微生物来源糖化剂的性能优于麦芽。整个50年代我国在生产麸曲用的菌株和生产方法上进行了许多研究和改进，取得了明显的进展。50年代末，60年代初，国内外开始广泛采用液体深层通风培养曲霉菌，以生产液体曲来代替固体曲，随后又出现了将液体培养液中的淀粉酶进行浓缩或沉淀出来。制成浓缩酶液或干酶制剂出售，这就是糖化酶的来由。总之，糖化剂种类的演变可用下面的进程表示： 麦芽 木盒曲 帘子曲 通风制曲 液体曲 糖化酶酶制剂工业的兴起，始于19世纪日本人高峰让吉开设的生产黑曲霉淀粉酶的工厂，至今已有100多年的历史。到目前为止，已经在自然界中发现的酶有2500多种，申请专利的酶制剂有100多种，其中有经济价值的仅有60多种，而工业化生产的酶制剂只有约20种，占已知酶的0.8%。在全球酶制剂总产量中，有55%是水解酶，主要用于酒精、淀粉加工、酿酒、焙烤食品和纺织等工业中；有35%是蛋白酶，主要用于洗涤剂、制革和乳品工业；其余是药用酶制剂、试剂级酶制剂和工具酶。在世界酶制剂工业中，丹麦的NOVO公司几十年来一直处于世界领先地位，该公司以产品品种齐全、质量优良著称。美国Genencor公司在1996年兼并Gist Brocades公司工业用酶部分和1997年兼并Salvay公司（原Miles公司）后跃居世界第二。世界酶制剂市场已由多极化竞争转向大公司之间的竞争。我国的酶制剂工业是从1965年无锡酶制剂厂建成投产开始的，20世纪80年代后陆续建成一些小厂，主要是生产单一的干粉剂型糖化酶供应酿酒厂。国内目前仍以无锡酶制剂厂（无锡星达生物工程有限公司）生产的产品品种较多，质量较好。但我国酶制剂生产的总体水平与国际先进水平尚有一定的差距，表现在品种单一，且多是淀粉酶系列品种（糖化酶产品的产量占国内酶制剂总产量的50%60%）。近年来，国外酶制剂公司的介入，给我国酶制剂的生产带来了活力，同时也带来了挑战。1998年，在天津独资的丹麦NOVO公司投入生产，这给国内各酶制剂生产厂家带来更大的竞争压力。 如今，大多数酒精生产厂已不再自行生产淀粉酶与糖化剂，而是从专门的生产酶制剂的厂家直接购进，因此，本书不再详细介绍酶的生产条件等，而就几种重要的酶制剂进行介绍。3.2.4.1 -淀粉酶淀粉酶是水解淀粉酶和糖原酶类的统称，是最早实现工业化生产，迄今为止用途最广、产量最大的酶制剂品种。来源不同的液化型淀粉酶（-淀粉酶）对酒精生产极为重要，但很多生产厂家重视糖化酶而忽视了液化酶的作用。其实在生产过程中，液化作用并不逊于糖化作用，它不仅使淀粉糊液化，同时重要的是对颗粒物质的溶解。液化型淀粉酶来源不同，其作用、特性亦不同。在一般情况下，-淀粉酶主要从动物及细菌获得，霉菌一般糖化能力强而液化能力偏低。而麦芽却有极强的-淀粉酶及糖化淀粉酶，生产上所用麦芽的淀粉酶都不是纯品，是多种酶的混合体，只是以某种酶为主罢了。酿造工业上所用的是混合酶，由于酶的协同作用结果，反而比单一酶的效果更好。近年来发现许多种新型淀粉酶（其中包括-淀粉酶)，有耐酸性淀粉酶，耐热性淀粉酶，适于碱性的淀粉酶和专门糖化生淀粉的淀粉酶等。由于对淀粉酶的深入研究与发展，不但开辟了新型工业(如普鲁兰糖，环状糊精等)，并对研究淀粉结构也起到了重要作用。而且转基因技术发现了许多微生物新品种和新机能的代谢产物，在此基础上进行淀粉酶的切断方式及提高淀粉酶活力的研究，已经取得了新的进展。1、高温-淀粉酶通常是指具有较高最适反应温度的淀粉酶，是淀粉加工中有重要用途的一种酶，广泛应用于酿酒、食品、医药、纺织和环境治理等行业，已经成为工业上用量最多的酶之一。能产生高温-淀粉酶的菌种主要是芽孢杆菌属的凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)、枯草芽孢杆菌(B. subtilis)、嗜热芽孢杆菌(B. stearothermophilus)、地衣芽孢杆菌 (B. licheniformis和属于古细菌的Pyrococcus furiosus，Pyrococcus woesei，Thermococcus profundus等,目前工业生产中使用的高温淀粉酶主要来自地衣芽孢杆菌及其突变株。 该酶制剂是一种内切淀粉酶，能在较高温度下随机水解淀粉、可溶性糊精及低聚糖中的-1,4-葡萄糖苷键。酶作用后可使糊化淀粉的粘度迅速降低，变成液体淀粉，水解生成糊精和少量葡萄糖、麦芽糖。其适用条件为8597 ，pH 5.57.0。2中温-淀粉酶 中温-淀粉酶在作用淀粉时，能以随机的方式从淀粉分子内部切开-1,4葡萄糖苷键，使淀粉分解成长短不一的短链糊精和少量的低分子量糖类，从而使淀粉醪液的粘度显著下降，达到液化淀粉的作用，故又称为液化酶。其作用条件为6070 ，pH6.07.0。3.2.4.2 -淀粉酶-淀粉酶可以从多糖分子的非还原性末端，每隔2个葡萄糖苷切割-1,4葡萄糖苷键，生成麦芽糖。由于该酶水解淀粉只能到分枝点（支链淀粉的-1,6葡萄糖苷键）或反常键（直链淀粉的-1，3葡萄糖苷键）为止，因此淀粉和-淀粉酶作用的产物除了麦芽糖外，还有极限糊精。在谷物的支链淀粉水解时，极限糊精含量可达42%。-淀粉酶的分子量大约为57000。最适宜作用的pH值为5，但在46.5之间可以保持90%活性。温度为5557时活性最高，60以上活性急剧下降。重金属Ag，Cu2，Hg2等能与该酶的硫代基团作用，所以是抑制剂。3.2.4.3 外切-1，4-葡萄糖苷酶（葡萄糖淀粉酶，淀粉葡萄糖苷酶）该酶可以从多糖的非还原性末端连续切割-1，4葡萄糖苷键，也可分解-1，6葡萄糖苷键，甚至还能分解-1，3葡萄糖苷键，但分解后两种键的速度较慢。因此该酶可以将淀粉、糊精和麦芽糖完全转化成葡萄糖，是酒精生产中淀粉糖化过程所需的关键性酶，即所谓的糖化酶。该酶的产生菌主要是霉菌，特别是黑曲霉。其分子量大约为95000，最适宜的pH值为3.54.5，在pH值为3.05.5之间能保持80%的活性。6065之间活性最高，但高过60，活性迅速下降。pH4.2，温度60，保持1小时，仍能保持75%的活性。以上三种酶是酒精生产过程中使用的淀粉酶系统的最重要的组成部分。3.2.4.4 酶的作用机理酶的作用是在溶液状态下进行的，特别是水解酶类的作用更需要有水的参与。由于淀粉颗粒外层的网络结构极为致密，水分子要进入淀粉分子中去是很困难的，这就不利于淀粉酶的作用。传统生产工艺中，糊化的目的是利用温度破坏淀粉分子间的氢键，切断淀粉链。同时，每个淀粉分子链上借氢键维系的螺旋型空间结构也被破坏，链被拉长。这就更利于淀粉酶能充分与淀粉分子接触，从而水解淀粉。因此，淀粉是否经过糊化和糊化程度是否彻底，直接影响其水解速度。酶切断淀粉分子，使其转化为低聚糖、麦芽糖以及葡萄糖等小分子，这一过程受很多因素的影响，下面以酒精生产糖化工艺中两种重要酶系：耐高温淀粉酶和糖化酶为例分析各影响因素。1耐高温淀粉酶淀粉酶能水解淀粉及其产物分子中的1，4葡萄糖苷键，生成产物的还原末端葡萄糖残基中C1为构型。淀粉酶不能水解淀粉分子中的l，6葡萄糖苷键，但能越过此键继续水解1，4葡萄糖苷键，而将1，6键存留在水解产物中。淀粉酶水解淀粉是从淀粉分子内部进行的，随机水解淀粉链中的1，4键。糖苷键C1OC4的裂解在C1-O间进行，水解作用的最终产物因不同淀粉及作用时间而异。淀粉酶水解直链淀粉分子，最后阶段产物为葡萄糖、麦芽糖和麦芽三糖；在加酶量大、作用时间长的情况下，麦芽三糖也能被水解为麦芽糖和葡萄糖。淀粉酶水解支链淀粉，除了具有直链淀粉的水解产物外，在产物中还有异麦芽糖和含有1，6键的低聚糖（支链的分枝点存在1，6键）。1，6键的存在常使淀粉的水解速度减慢。耐高温淀粉酶是一种淀粉内切酶，能随机水解淀粉、可溶性糊精及低聚糖中的1，4葡萄糖苷键。该酶可使糊化淀粉的黏度迅速降低，故又称淀粉液化酶，水解产物有糊精及少量葡萄糖和麦芽糖。pH对酶活力及酶稳定性的影响 耐高温淀粉酶最适pH范围为5.57.0，稳定pH范围为5.010.0，有效pH范围为5.08.0。 在液化工艺中，大型酒精企业均采用酒糟清液回用工艺，因酒糟清液酸度较高，需用碱液调整其pH至6左右，以利于保证淀粉酶的活性。温度对酶活力及酶稳定性的影响 在淀粉的液化喷射过程中，耐高温淀粉酶在高温下酶的活力稳定，酶的热稳定性也相当好，可用于淀粉的间歇液化和连续液化过程。其最适作用温度在90以上（连续喷射液化中，耐热温度可达100105。酶是一种蛋白质，一般蛋白质在60即失去活性，耐高温淀粉酶却能在高温下保持非常高的活力，这一机理有待深入研究）。Ca2+浓度对酶稳定性的影响 淀粉酶是一种金属酶，Ca2+对酶的稳定性影响很大。Ca2+的存在，可以使细菌淀粉酶活力的pH范围扩大；不含Ca2+的酶，pH值范围狭窄。但Ca2+浓度不需要很高。Ca2+浓度较低时，酶稳定性很好。Ca2+浓度为5070mg/kg时已足够。所以，用自来水配料时不需要另外添加Ca2+。2、糖化酶糖化酶能作用于淀粉、糊精、低聚糖等，使糖苷键连接的葡萄糖残基逐个水解分离，产生的葡萄糖为构型。由于没有其它糖产生，故有葡萄糖酶之称。糖化酶对底物的作用从非还原性末端开始，将1,4键和1,6键逐一水解。糖化酶水解1，6键的速度较慢些。酶作用时糖苷键在CO间断裂。糖化酶也能水解麦芽糖为葡萄糖。pH对酶活力及酶稳定性的影响 最适pH范围为4.04.5。pH对酶活力和酶稳定性影响见图312、图313。采用清液回配工艺时，液化醪需用酸液调整其pH至4.5，以利保证糖化酶的活性及达到酵母菌发酵的最适pH。温度对酶活力及酶稳定性的影响 糖化酶最适作用温度范围为5860（可作用温度范围为4065）。抑制剂对酶作用的影响 大部分重金属，如铜、银、汞、铅等都能对糖化酶产生抑制作用。3.3 原料的糊化（蒸煮）工艺 随着科技的发展，生产厂家意识到节能的重要性，酒精生产工业中原料的蒸煮处理过程也由高温高压向低温低压直到无蒸煮工艺转变。然而由于无蒸煮工艺对酶制剂的要求很高，也会带来其他方面的经济投入，如今仍有很多酒精生产厂家应用高温高压蒸煮工艺。 3.3.1 高温高压蒸煮工艺高温高压蒸煮工艺分为间歇式和连续式两种，这两种工艺都已发展成熟，曾经被许多酒精厂采用。1、 间歇蒸煮工艺这种蒸煮方法，目前一些产量较低的小型酒精厂和液体白酒厂中仍在使用。这种方法的工艺流程如图3-16所示。其主要的工艺操作包括：（1）加水 生产过程中，般常使用回收的热水。块状或粒状原料的水温要求在80以上，加入高温水既可节约蒸煮时的蒸汽，又可使原料中的酶钝化，避免糖分增加。粉状原料的水温要求在50左右，水温不能过高，否则物料与水来不及混合均匀，已部分糊化而结块，造成蒸煮不彻底。加水比的确定，般是依据原料内淀粉与水的含量，并根据所要求的糖化醪含有干物质的浓度来确定原料的加水比。由于加水比大小对蒸煮醪质量有直接影响，所以生产中必须根据原料的性质控制加水比。图3-16 间歇蒸煮工艺流程（2）投料 间歇蒸煮时，每个蒸煮锅投入物料的总量不应超过蒸煮锅容量的75%。投料完毕后，蒸煮锅中的液面距离蒸煮锅顶部不应少于700mm。装液量过大会影响原料在蒸煮过程中的循环作用，影响蒸煮醪质量。同时，若装液量过大，蒸煮压力还会出现假压以及蒸煮容易跑醪。颗粒状原料在投料过程中，可通入少量蒸汽或废气便于上下翻动起搅拌作用，防止结块生团；粉状原料则应先在拌料桶内调匀后，再送入蒸煮锅内，投料时间应控制在1520min。（3）升温 投料完毕后，关闭加料盖打开排汽阀门，通入蒸汽排除蒸煮锅内的冷空气，以防锅内产生假压。当排汽管排出白色蒸汽时，表示冷空气已排完，然后关闭小排汽阀，使锅内压力缓慢升到工艺规定的压力和温度，要求升压升温时间控制在3045min。也可在升温前把原料先浸泡30min使原料吸水均匀，便于原料内淀粉溶解出来。开始进汽时，要注意阀门逐渐开大，以免升压过快引起蒸煮锅强烈震动。蒸煮锅受压时，严禁敲击检查，以防爆炸。（4）蒸煮当料温升到现定压力和温度时，保持压力和温度不变，维持一定的时间，使原料达到糊化效果。不同原料有不同的工艺要求。在蒸煮过程中由于恒压，锅内的物料翻动情况较差。为了使物料受热均匀和彻底糊化，采用放乏气的方法，以加强蒸煮锅内料液的循环翻动，使气料混合均匀。（5）排醪蒸煮已达到规定的时间蒸煮醪应立即排出，以免蒸煮过度造成可发酵性物质过多的损失。在排醪时，原料的淀粉颗粒受到压力的突然降低和绝热膨胀的影响，使淀粉颗粒和植物细胞彻底破坏。从理论上而言，吹醪速度越快越好，但在实际生产中排醪速度不宜过快，过快会使醪液从糖化罐内喷出，引起烫伤事故的发生。为了安全起见，一般排醪时间要控制在1015min内。此外，在排醪的时候，可预先在糖化罐内加入部分冷水(应预先计算好加水量，保证糖化醪浓度)，然后再排醪。排醪完毕后，将蒸煮锅内的余压放完，再进下一锅料。间歇蒸煮的主要优点在于设备简单，操作方便，投资也较少，适宜于生产规模较小的液体酒精厂采用。但与连续蒸煮相比，间歇蒸煮工艺存在一系列严重的缺点：蒸汽消耗量大，而且需要量不均匀，造成锅炉操作的困难和煤耗的增加；辅助操作时间长，设备利用率低；蒸煮质量较差，出酒率也较低；难以实行操作过程的自动化。因此，后来生产规模适宜的工厂都应采用连续蒸煮工艺代替间歇蒸煮工艺。2、连续蒸煮工艺高温高压连续蒸煮工艺，可根据蒸煮设备的不同分为三类：锅式（罐式）、管式以及塔式（柱式）连续蒸煮。（1）锅式（罐式）连续蒸煮锅式连续蒸煮最初是将酒精工厂原有的间歇式蒸煮锅经改装后几个锅串联起来，并增加一个预煮锅和一个汽液分离器而投入酒精生产的。锅式连续蒸煮便于自动化和连续化生产，生产能力扩大，出酒率提高，适合于老厂改造。一般工厂都采取3个蒸煮锅串联的方式进行连续蒸煮，如图3-17。其工艺流程如下：1- 斗式提升机 2-贮斗 3- 垂式粉碎机 4-粉料贮斗 5- 螺旋输送器6- 搅料桶7-往复泵 8-蒸煮罐组 9- 汽液分离器图3-17 罐式连续蒸煮工艺流程原料经斗式提升机(或者用气流输送)1运送到贮斗2，再由此经锤式粉碎机3进行粉碎，一般是两级粉碎，粉料贮存在料斗4中，由此经螺旋输送器5，边与水混合，边运送入拌料桶6，在拌料桶中最终配制成一定浓度的、均匀的粉浆，然后在拌料桶中用二次蒸汽将粉浆加热到预定的预煮温度，保持15min左右即可用泵7送往蒸煮锅组进行蒸煮。为了保证蒸煮的连续进行，拌料桶要有两只交替使用，即一只桶在往蒸煮锅组送料时，另一只桶在进行配料和预煮。也有的工厂预煮是在专门的加热随中进行的。预煮醪进入第一只蒸煮锅8的锥形部分的底部，在这里与加热蒸汽接触混合，加热到预定的蒸煮温度，第一只蒸煮锅充满醪液后，醪液溢流进入第二只锅，再进入第三只蒸煮锅。第三只锅流出的醪液以切线方向进入汽液分离器9，产生的二次蒸汽从分离器顶部导出，用于粉浆的预煮或其他加热目的。蒸煮醪从底部引出送往糖化工序。也可在蒸煮锅组前增加一个加热器，预煮醪在加热器中加热到蒸煮温度后再进入蒸煮罐。控制上述蒸煮工艺操作条件的方法，主要通过调节蒸煮进料的速度和蒸汽量的大小来控制1号锅的蒸煮温度和压力，最后一个锅的压力控制则通过排醪量的大小来调节。表3-2所示是几种原料锅式连续蒸煮的工艺条件。锅式连续蒸煮是利用温度渐减曲线来进行蒸煮的操作管理。其优点是中温缓慢蒸煮，操作方便，蒸煮醪质量较好，糖分损失少；由于容器大，后熟时间长，汽液在锅内混合较均匀，减少了原料夹生现象；压力稳定，容易控制；在原料含较多杂质、纤维、皮壳或醪液粘稠的情况下，也不易发生堵塞。缺点是设备占地面积大，蒸煮过程时间较长，蒸煮时还存在醪液滞留和滑漏现象，蒸煮醪质量有时不均匀。表3-2 几种原料锅式连续蒸煮的工艺条件原料号锅号锅号锅温度()时间(min)温度()时间(min)温度()时间(min)甘薯干粉玉米粉元麦粉135150145202020132146140202020125135135202020（2）管式连续蒸煮管式连续蒸煮工艺是将淀粉质原料在较高的温度和压力下进行蒸煮。在美国和前苏联通常认为这是一种比较理想的工艺艺流程。管式连续蒸煮是通过加热器和管道来完成的。物料先通过加热器在较高温度和压力下，使物料和蒸汽在短时间内充分混合，完成热交换。然后混合的高温物科再通过管道转弯处产生压力的间歇上升和下降，位醪液发生收缩膨胀、减压汽化、冲击等使淀粉软化和破碎，进行快速蒸煮。管式连续蒸煮的主要特点是高温快速，糊化均匀，糖分损失少，设备紧凑，易于实现机械化和自动化操作。但由于蒸煮温度高，加热蒸汽消耗量大，并形成较大数量的二次蒸汽、因而只有在充分利用二次蒸汽的条件下，才能提高其经济效益。又由于其蒸煮时间短，蒸煮质量不够稳定，生产操作难度大，不易控制，有时还会出现阻塞现象。成熟的管式连续蒸煮工艺是前苏联维尼兹基流程和美国西格莱姆流程。（3）塔式（柱式）连续蒸煮塔式连续蒸煮是介于锅式与管式之间的一种流程，我国酒精生产企业也多用这种蒸煮方式，如图3-18。它具有较广泛的适应性和良好的生产参数指标。 1-斗式提升机 2-贮料斗 3-锤式粉碎机 4-贮料斗 5-混和桶 6-离心泵7-加热器 8-缓冲器 9-蒸煮柱 10-后熟器 11-温度计图3-18 柱式连续蒸煮工艺流程在该流程中，原料经斗式提升机提升到料斗或贮料耀，经粉碎后在混合桶以6065热水配成粉浆。加水比为1：4，此时可添加-淀粉酶使淀粉浆更好地液化。粉浆用离心泵或往复泵送至加热器，用表压250260 kPa的蒸汽加热到130左右，经缓冲器进入蒸煮塔。蒸煮塔I和内共装有6个收缩口，醪液经过多次收缩、膨胀，促使原料细胞完全破裂。在蒸煮塔和IV内装有12块挡板，以保证汽液的良好接触。醪液在塔内停留15 min，塔出口处压力为150170 kPa。醪液从下部进入后熟器，后熟器中保持88 kPa压力，醪液在其中停留60 min。醪液从后熟器中部流出进入汽液分离器，分离器中压力为44 kPa。从后熟器和汽液分离器中排出的二次蒸汽应利用来加热预煮醪。前苏联全苏发酵产品科学研究院采用的塔式连续蒸煮流程也很成熟。在这里不作详细介绍。这三种连续蒸煮工艺流程各具特色，要根据生产厂的实际情况而定，如果决定选择高温高压连续蒸煮工艺，那么如要利用原有蒸煮锅改建时可采用锅式（罐式）连续蒸煮；如是新建连续蒸煮装置时应选用塔式（柱式）连续蒸煮工艺；如在有高压锅炉的地方可考虑采用管式连续蒸煮工艺。3.3.2 低温低压蒸煮工艺由华南理工大学负责设计和总承包的泰国宝利来酒精厂，采用加-淀粉酶的低温蒸煮工艺，其流程如图3-19所示。图3-19 木薯干片为原料的低温蒸煮工艺流程该工艺要求木薯干片经一级和二级粉碎后，原料的粉碎粒度应达到1.02.0 mm。在螺旋输送机中加入-淀粉酶和55热水，使的与粉料混合均匀。在粉浆检验罐中检查原料的加水比是否合适，并进行调整。粉浆在拌料罐中保温55左右，按不同来源的-淀粉酶控制粉浆的pH值。有些工厂为了操作方便，简化工艺过程，不专门调整粉浆的pH值，而是以粉浆的自然pH为淮。一般应控制pH值在5.07.0之间。在生产过程中，泰国宝利来酒精厂采用丹麦NOVO公司生产的TERMAMYLl20L淀粉酶。这种液化型淀粉酶的加入量，控制在每克原料1.02.5单位。用往复泵送入喷射加热器，加热至88，在3个低温蒸煮罐中维持液化100 min，即可达到规定的液化要求。以上蒸煮醪经冷却至60后，加入NOVO公司生产的糖化酶AMG300L进行糖化，糖化时间维持30 min。糖化完毕后，将糖化醒醪冷却至30，利用耐高温酵母HY8进行酒精发酵。图3-20所示为玉米粉为原料的低温低压蒸煮工艺流程图。低温低压蒸煮的主要特点如下：(1)淀粉出酒率较高，原料耗用率低。采用耐高温酵母可在平均气温34条件下，发酵温度40左右进行正常发酵，残糖降至0.45%。加上低温蒸煮减少了可发酵性糖的优化和分解反应，使淀粉利用率提高。(2)采用蒸煮温度为88，比高温高压蒸煮节约大量的蒸汽。加热蒸汽的压力只需350 kPa，比高压蒸煮要求的500 kPa降低了150 kPa。由于采用双酶法进行液化和糖化，省去了制曲车间，节约广水、电、汽的消耗量。(3)由于蒸煮的温度和压力较低，蒸煮醪从88冷却至糖化温度60时，所用的冷却水量比高温高压蒸煮所用的冷却水量大大减少。图3-20 玉米粉为原料的低温低压蒸煮工艺流程图3.3.3 生原料的无蒸煮工艺在淀粉原料发酵生产酒精传统工艺中，原料蒸煮耗能约占全部酒精发酵生产能耗的30-40%，因此砍掉蒸煮工序，节约能源、节约投资和降低成本是开发酒精发酵的新课题。解决办法之一是采用无蒸煮发酵法。从理论上讲无论淀粉是熟的还是生的，只要被转化成可发酵性糖，就能被酵母利用。1 无蒸煮工艺的理论基础高压蒸煮的目的是破坏植物细胞，使淀粉彻底糊化、液化，并使蒸煮物料成为均一的糊化醪，为淀粉进一步转化成糖创造良好的条件。加热还可以对发酵原料进行一次彻底地灭菌。生产实践表明，高温蒸煮的原料酒精产率比常压蒸煮时要高得多。但随着科学技术和生产工艺的进展，无蒸煮工艺已经成为或正在成为可以取代高压蒸煮的新工艺。其主要理论基础如下： (1) 20世纪初，制订高压蒸煮有关工艺条件和肯定高压蒸煮对常压蒸煮的一系列优点时，采用的原料是整粒不粉碎的。目前的酒精工厂已全部采用粉碎原料，其中相当一部分植物细胞被破坏，原料的吸水膨胀，糊化、液化的情况与整粒原料有很大的差别。因此，原来针对整粒原料的一系列理论阐述，已不完全适用。 (2) 20世纪50年代以前，世界上都采用大麦芽(绿麦芽)作为酒精生产的糖化剂，麦芽的纤维酶和果胶酶活性都比较低。现在使用的糖化酶大部分是属于黑曲糖化酶，它除有高活性的淀粉酶外，还具有相当活力的纤维酶和果胶酶。这种较全面的酶系是无蒸煮工艺良好的基础。 (3) 黑曲淀粉酶是耐酸淀粉酶（最适pH 4.5左右），这就使无蒸煮工艺可以用调节pH的方法控制杂菌。 (4) 目前，除了淀粉酶外，纤维素酶、果胶酶等多种酶制剂已商品化，为无蒸煮工艺的实施提供了条件。 (5) 高压蒸煮虽然能使淀粉彻底糊化，有利于糖化酶的作用，但它同时也会造成原料中可发酵糖的损失。这种损失随着蒸煮压力和时间的增加而增加。前苏联学者乌斯晋尼可夫对这个问题进行了详细的研究：可发酵糖的损失随温度的升高和时间的延长而增加。温度130，原料颗粒直径1.5 mm，蒸煮30 min，可发酵糖的损失可达6%。如果能充分利用现有的酶制剂和高新技术，合理地安排无蒸煮工艺，使无蒸煮工艺残淀粉高的损失同高压蒸煮造成的可发酵糖损失相当，那么，无蒸煮工艺的原料经酒精产率可能就与高压蒸煮接近。无蒸煮工艺可分为：生淀粉发酵、膨化工艺和超细磨技术，下面分别作以介绍。2、生淀粉发酵的实验研究各国都在进行无蒸煮酒精发酵技术的研究，国外已有一些成功的经验。国内近年来也进行了这方面的研究工作； 高活性生淀粉糖化酶产生菌的选育，黑曲霉普通糖化剂用于生料酒精发酵试验等。这些研究报导大多数需要制成曲，而国内酒精厂基本上取消了制曲车间，均改用普通糖化酶，因此上述研究成果的推广受到一定的限制。也有研究报导用普通糖化酶进行生料糖化发酵酒精，指出酶用量较大，发酵时间延长较多。无蒸煮酒精发酵技术的关键之一是提供生淀粉水解能力强的酶制备物，它的活性组成除糖化酶外还应含有蛋白酶、果胶酶、纤维素酶等多种酶，生淀粉糖化酶产生菌的选育也应该是生淀粉酶活力高，复合酶系协同作用强的优秀菌株。国产普通糖化酶用于生料酒精发酵用量大、发酵时间长， 可能与它酶系比较单纯有关。通过上述分析，我们可知，无蒸煮工艺的关键，是糖化酶对未蒸煮原料的分解能力，以及后续的发酵流程，因此，近年来我国内学者对无蒸煮工艺的研究主要集中在选取糖化剂进行糖化发酵实验上。王详观等人，以玉米面为原料，添加糖化酶（AS3.4309）、蛋白酶、-淀粉酶及酒母，进行了无蒸煮糖化发酵试验。根据他们的研究发现：国产普通糖化酶进行无蒸煮玉米面酒精发酵，大多数是可行的，但也有少数对生淀粉的糖化效果很差；单用普通糖化酶糖化生淀粉时用量较大，采用普通糖化酶与蛋白酶配合可以提高对生淀粉的糖化作用，减少糖化酶的用量；用与高温蒸煮法同样量的糖化酶只需添加少量蛋白酶进行无蒸煮发酵就能生产同样量的酒精；虽然无蒸煮发酵需要较长的发酵时间，但与高温蒸煮老工艺的投料蒸煮时间相比基本持平，设备利用率和单位时间的产量上都能接近老工艺水平。刘义刚则提出了一种淀粉质原料无蒸煮酿酒工艺，工艺流程如下：此工艺流程主要针对食用酒，而且是利用酒曲糖化发酵的，虽然与糖化酶糖化发酵的主流趋势有所出入，但此流程经过试产生产出的白酒完全达标，这也证明利用无蒸煮工艺制造酒精是可行的。此工艺出酒率同比提高10%以上，降低能耗30%，特备适合中、小酒厂。 马文超等人利用筛选的糖化酶作为糖化剂，进行玉米无蒸煮发酵酒精的试验。通过一系列的实验条件的改变，确定了糖化酶的最适添加量为100 u/g原料，料水比1：2，自然pH，以过40目筛的玉米粉为原料，活性干酵母添加量0.3%，30条件下恒温发酵6070 h，发酵醪酒精度达15%。外加氮源或酸性蛋白酶对发酵有促进作用，可使酒精度达16%，原料的淀粉利用率迭88%左右，在15 L发酵罐的扩大试验中也取得了较好的效果。实验研究了除糖化酶种类以外的其它条件对无蒸煮原料糖化发酵的影响，得出了具体的数据结果，并引入外加氮源的概念使酒精度提升。该条件下的发酵周期为6070小时，并且不需要添加液化酶等，而报道的生淀粉糖化酶糖化玉米发酵酒精，达到同样的发酵水平一般要150小时以上，还需添加辅助酶。，种生淀粉糖化酶和无蒸煮发酵工艺大大节省了发酵法生产酒精过程中的能源消耗，如果使这一工艺进一步趋于成熟，并在酒精工业化生产中得以应用，将具有极其重要的现实意义。 3、膨化工艺膨化技术分为气流膨化和挤压膨化两大类。气流膨化是我国流传于民间的古老传统技艺。挤压膨化是近20年来才在世界各国发展起来的一种玉米加工新技术。目前美国、日本和欧洲一些国家用挤压膨化技术来生产饲料，加工小食品，大豆组织蛋白。也有用于纤维素预处理方面的报道。 采用挤压技术使玉米瞬间膨化技术，不仅改变了玉米外形，而且也改变了它们的淀粉相蛋白质分子的微观结构，从而为淀粉酶系统的作用创造了良好的条件。我国四川广元溶剂厂进行了“膨化法制酒精”的研究，并通过了鉴定。黑龙江商学院也在膨化技术方面作了许多工作。膨化技术在酒精工业上的应用主要要解决一个规模性生产问题及最终的能源消耗问题。 4、超细磨技术前苏联将超细磨技术作为进一步提高连续蒸煮效益的一个主要措施，其实，如果能在能耗不太大的前提下解决原料的超细磨技术，那末，也将为无蒸煮酒精发酵提供一条新的途径。前苏联对许多形式的粉碎机进行了研究。其中包括对一种撞击式粉碎机的研究，这种粉碎机的粉碎作用是借助于一些以150 m/s的速度在机内作圆周运动的圆柱形钢梢对原料的撞击来实施的。前苏联学者认为，他们能找到一种足够经济的粉碎机来实行超细磨。 5、关于无蒸煮工艺的思考生淀粉发酵在节能方面无疑是较为理想的，到目前为止，国内黑龙江省轻工研究院在山东九九集团已经实现年产50万吨燃料乙醇的无蒸煮酒精发酵工艺。运行实践表明，生淀粉发酵虽然存在发酵时间长、糖化酶用量大或需要添加其它辅助酶制剂、污染危险性较大等问题，但该工艺还有一定的优势。国内外在这方面的研究正在不断取得新的进展，特别是不产蛋白酶的生淀粉糖化酶产生菌(曲霉菌)和其它生淀粉糖化酶产生菌的选育成功，将基本上克服上述诸项缺点。因此，在不远的将来，生淀粉(生料)特别是生玉米粉的酒精发酵将会得到工业生产上的广泛应用。膨化技术也是一种很有吸引力的酒精生产新技术，它能否推广取决于其工程扩大问题能否顺利解决。细磨技术取决于省能粉碎设备的研制能否成功，估计前景不太乐观。虽然无蒸煮工艺受到了学术界与产业界的广泛推崇，但其仍然存在许多问题，使其工业应用存在比较大的困难，因此，低温低压液化工艺更多的应用于生产实践中。低温低压液化工艺虽然在节能效果上较生淀粉发酵略差，但它解决了后者目前尚存在的一系列问题，所以从综合经济效益上看反而比生淀粉发酵更好，而且它可以成功地应用于各种原料的酒精发酵过程，因此它成为了当前我国酒精厂普遍采用的有效节能新工艺。3.3.4 水热处理工艺的发展趋势从上述可以看出，酒精生产中淀粉质原料的水热处理工艺，即通常所指的蒸煮过程近些年来的变化很大，由原来的高温蒸煮逐步向低温蒸煮甚至无蒸煮过程转变。目前由于工业上实用性、经济性的考虑，低温蒸煮采用较多（甚至有时采用热水拌料并保温一段时间的做法），但随着新技术的进步，尤其是生淀粉发酵所需酶性能的不断提高，无蒸煮发酵终将成为酒精生产的主流。3.4 液化工艺3.4.1 传统液化工艺液化的传统做法是将糊化后的淀粉浆送入液化罐，在保持一定温度，一定pH值的条件下流加耐高温-淀粉酶，使淀粉浆分解为糊精，为下一步糖化做好准备。3.4.2 喷射液化 喷射液化法是利用液化喷射器将蒸气直接喷射入淀粉浆薄层，瞬间达到淀粉液化所要求的温度（完成淀粉的糊化、液化）。此法已发展成为最优秀的液化方法。3.4.2.1 喷射液化工艺及特点喷射液化工艺是国内淀粉制糖行业比较先进的工艺，它具有以下三种工艺：（1） 高压喷射液化工艺流程：工艺特点：高压喷射液化所用的设备是高压蒸汽喷射液化器,喷射器用高压蒸汽(0.40.6 MPa)来操作，以蒸汽吸料的方式进行液化喷射，喷射器的推动力为蒸汽，它需要较平稳的高压蒸汽，并且要求蒸汽的抽吸力较强，此工艺对蒸汽的质量要求较高。 （2）低压喷射液化工艺流程： 工艺特点：低压喷射液化采用以料带汽的方式进行，喷射液化摧动力为料液，低压喷射采用的设备为HYW型喷射液化器，它适用于低压蒸汽，也适合过热蒸汽喷射液化，对蒸汽的要求较低，在105下喷射液化蒸汽压力仅需要0.20.4 MPa即可。 （3）二次喷射液化 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液化 工艺特点： 连续喷射液化此法是利用喷射器将蒸汽直接喷射入淀粉乳薄层，在短时间内达到要求的温度，完成淀粉糊化液化。 层压罐层流罐的应用 淀粉液化的目的是为了糖化酶作用创造条件，糖化酶水解糊精及低聚糖时需要先与底物分子结合生成络合结构然后才发生水解作用。为了保证底物分子的大小在一定范围内，客观上要求液化要均匀，三套管蒸煮柱先进入的料液不能保证先出去，造成先进料液液化过头，后进料液液化不完全。如此前后液化不均匀，为此设计了一层压罐及层流罐，料液从层压罐上部进入，下部排出,然后，切线方向进入层流罐上部，从层流罐下部排出，这样防止料液走短路，从而保证了料液先进先出最后液化均匀一致。3.4.2.2 液化喷射设备在现代发酵酒精生产工艺中进步最大、变化最快的技术应该说是液化技术，其基础是液化喷射器的出现和耐高温淀粉酶的应用。液化喷射器自从1960年俄罗斯学者喷射器专著问世以来，便在石油化工、制冷、轻工、纺织等行业得到广泛应用。美国、日本学者研究的蒸气喷射技术在发酵工业中同耐高温淀粉酶一样发