工艺技术_淀粉制糖工艺课件

第七章淀粉制糖 第一节淀粉糖的种类和性质第二节食品制造中的酵母菌及其应用第三节食品制造中的霉菌及其应用第四节微生物酶制剂及其在食品工业中的应用 淀粉糖是以淀粉为原料 通过酸或酶的催化水解反应生产的糖品的总称 是淀粉深加工的主要产品 淀粉糖行业得到快速发展 形成了各种不同甜度及功能的麦芽糊精 葡萄糖 麦芽糖 功能性糖及糖醇等几大系列的淀粉糖产品 淀粉糖的原料是淀粉 任何含淀粉的农作物 如玉米 大米 木薯等均可用来生产淀粉糖 生产不受地区和季节的限制 淀粉糖在口感 功能性上比蔗糖更能适应不同消费者的需要 并可改善食品的品质和加工性能 因此 淀粉糖具有很好的发展前景 第一节淀粉的种类及特性 一 淀粉糖的种类淀粉糖种类按成分组成来分大致可分为液体葡萄糖 结晶葡萄糖 全糖 麦芽糖浆 饴糖 高麦芽糖浆 麦芽糖 麦芽糊精 麦芽低聚糖 果葡糖浆等 淀粉糖工业上常用葡萄糖值 dextroseequivalent 简称DE值来表示淀粉水解的程度 将糖化液中还原糖全部当作葡萄糖计算 占干物质的百分率称葡萄糖值 二 淀粉糖的性质 1 甜度甜度是糖类的重要性质 但影响甜度的因素很多 特别是浓度 浓度增加 甜度增高 但增高程度不同糖类之间存在差别 淀粉糖浆的甜度还随转化程度的增高而增高 此外 不同糖品混合使用有互相提高的效果 2 溶解度各种糖的溶解度不相同 果糖最高 其次是蔗糖 葡萄糖 葡萄糖的溶解度较低 在室温下浓度约为50 过高的浓度则葡萄糖析出 3 结晶性质蔗糖易于结晶 晶体能生长很大 葡萄糖更易结晶 但晶体细小 果糖难结晶 淀粉糖浆是葡萄糖 低聚糖和糊精的混合物 不能结晶 并能防止蔗糖结晶 4 吸湿性和保湿性不同种类食品对于糖吸湿性和保湿性的要求不同 果糖的吸湿性是各种糖中最高的 5 渗透压力较高浓度的糖液能抑制许多微生物的生长 这是由于糖液的渗透压力使微生物体内的水分被吸走 生长受到抑制 不同糖类的渗透压力不同 单糖的渗透压力约为双糖的两倍 6 黏度葡萄糖和果糖的黏度较蔗糖低 淀粉糖浆的黏度较高 但随转化度的增高而降低 利用淀粉糖浆的高粘度 可应用于多种食品中 提高产品的稠度和可口性 7 化学稳定性葡萄糖 果糖和淀粉糖浆都具有还原性 在中性和碱性条件下化学稳定性低 受热易分解生成有色物质 也易与蛋白质类含氮物质起羰氨反应生成有色物质 蔗糖不具有还原性 在中性和弱碱性条件下化学稳定性高 但在pH值9以上受热易分解产生有色物质 食品一般是偏酸性的 淀粉糖在酸性条件下稳定 8 发酵性酵母能发酵葡萄糖 果糖 麦芽糖和蔗糖等 但不能发酵较高的低聚糖和糊精 淀粉糖浆的发酵糖分为葡萄糖和麦芽糖 且随转化程度而增高 生产面包类食品用发酵糖分高的高转化糖浆和葡萄糖为好 第二节淀粉糖的酸糖化工艺 第二节淀粉糖的酸糖化工艺 淀粉在酸或淀粉酶的催化作用下发生水解反应 其水解最终产物随所用的催化剂种类而异 在酸作用下 淀粉水解的最终产物是葡萄糖 在淀粉酶作用下 随酶的种类不同而产物各异 一 酸糖化机理淀粉乳加入稀酸后加热 经糊化 溶解 进而葡萄糖苷链裂解 形成各种聚合度的糖类混合溶液 在稀溶液的情况下 最终将全部变成葡萄糖 在此 酸仅起催化作用 淀粉水解生成的葡萄糖受酸和热的催化作用 又发生复合反应和分解反应 复合反应是葡萄糖分子结合生成异麦芽糖 龙胆二糖 潘糖和其他低聚糖 分解反应是葡萄糖分解成5 羟甲基糠醛 有机酸和有色物质等 葡萄糖的复合反应和分解反应 在糖化过程中 水解 复合和分解3种化学反应同时发生 而水解反应是主要的 复合与分解反应是次要的 且对糖浆生产是不利的 降低了产品的收得率 增加了糖液精制的困难 所以要尽可能降低这两种反应 二 影响淀粉酸糖化的因素1 酸的种类和浓度若盐酸的水解力为100 则硫酸为50 35 草酸为20 42 亚硫酸为4 82 醋酸为6 8 淀粉糖工业常用盐酸来水解淀粉 盐酸水解 用碳酸钠中和 生成的氯化钠 盐酸对设备的腐蚀性很大 对葡萄糖的复合反应催化作用也强 工业上很少使用硫酸 用硫酸水解后 会有少量溶于糖液中 在糖液蒸发时 形成结垢 影响蒸发效率 且糖浆在储存中 硫酸钙会慢慢析出而变混浊 草酸催化效率不高 但生成的草酸钙不溶于水 过滤时可全部除去 而且可减少葡萄糖的复合分解反应 糖液的色泽较浅 不过草酸价格贵 因此 工业上也较少采用 2 淀粉乳浓度淀粉乳浓度越高 水解糖液中葡萄糖浓度越大 葡萄糖的复合分解反应就强烈 生成龙胆二糖 苦味 和其他低聚糖也多 影响制品品质 降低葡萄糖产率 但淀粉乳浓度太低 水解糖液中葡萄糖浓度也过低 设备利用率降低 蒸发浓缩耗能大 生产淀粉糖浆一般淀粉乳浓度控制在22 24波美度 3 温度 压力 时间温度 压力 时间的增加均能增进水解作用 但过高温度 压力或过长时间 也会引起不良后果 生产上对淀粉糖浆一般控制在283 303kPa 温度142 145 时间8 9min 结晶葡萄糖则采用252 353kPa 温度138 147 时间16 35min 三 酸糖化工艺1 间断糖化法 设备密闭的糖化罐 步骤 罐压保持0 03 0 05MPa 排除罐内冷空气 连续进料 迅速升压 快速放料 避免过度糖化 2 连续糖化法 直接加热式淀粉与水在一个贮槽内调配好 酸液在另一个槽内储存 然后在淀粉乳调配罐内混合 调整浓度和酸度 利用定量泵输送淀粉乳 通过蒸汽喷射加热器升温 并送至维持罐 流入蛇管反应器进行糖化反应 控制一定的温度 压力和流速 以完成糖化过程 间接加热式淀粉浆在配料罐内连续自动调节pH值 并用高压泵打入3套管式的管束糖化反应器内 被内外间接加热 反应一定时间后 经闪急冷却后中和 第三节淀粉的酶液化和酶糖化工艺 一 淀粉酶淀粉的酶水解法是用专一性很强的淀粉酶将淀粉水解成相应的糖 如在葡萄糖及淀粉糖浆生产时应用 淀粉酶与糖化酶 葡萄糖苷酶 的协同作用 前者将高分子的淀粉割断为短链糊精 后者便迅速地把短链糊精水解成葡萄糖 1 淀粉酶 淀粉酶属于内切型淀粉酶 它作用于淀粉分子内部以随即的方式切断 1 4糖苷键 淀粉酶较耐热 以地衣芽孢杆菌所产 淀粉酶耐热性最高 可达95 因此又称为高温淀粉酶 由枯草杆菌所产生的 淀粉酶 最适反应温度为70 称为中温淀粉酶 来源于真菌的 淀粉酶 最适温度仅为55 为非耐热 淀粉酶 最适pH值为5 5 6 5不同来源的 淀粉酶均含有钙离子 钙与酶分子结合紧密 钙能保持酶分子最适合空间构象 使酶具有最高活力和最大稳定性 液化操作时 可在淀粉乳中加少量Ca2 对酶起保护作用 可增强其耐热力到90 以上 2 淀粉酶 淀粉酶是一种外切酶 它作用于淀粉时从非还原性末端依次切开相间隔的 1 4键 淀粉酶最适合pH值为5 0 6 5 但其热稳定性不佳 一般70 以上就失活 3 糖化酶糖化酶对淀粉的水解作用是从淀粉的非还原性末端开始 依次水解 1 4糖苷键 生成葡萄糖 不同来源的葡萄糖淀粉酶在糖化最适温度和pH值上有一定的差异 由黑曲霉来源的糖化酶为55 60 pH值3 5 5 0 根酶50 55 pH值4 5 5 5 拟内孢酶为50 pH值4 8 5 0 4 脱支酶脱支酶是水解支链淀粉 糖原等大分子化合物中 1 6糖苷键的酶 脱支酶在淀粉制糖工业上的主要应用是和 淀粉酶或糖化酶协同糖化 提高淀粉转化率 提高麦芽糖或葡萄糖得率 二 淀粉液化液化是使糊化后的淀粉发生部分水解 暴露出更多可被糖化酶作用的非还原性末端 它是利用液化酶使糊化淀粉水解到糊精和低聚糖程度 使黏度大为降低 流动性增高 所以工业上称为液化 液化还可以为下一步的糖化创造有利条件 糖化使用的糖化酶属于外切酶 在液化过程中 分子被水解到糊精和低聚糖范围的大小程度 底物分子增多 糖化酶作用的机会增多 1 液化机理液化使用 淀粉酶 它能水解淀粉和其水解产物分子中的 1 4糖苷键 使分子断裂 黏度降低 淀粉酶属于内切酶 水解从分子内部进行 不能水解支链淀粉的 1 6葡萄糖苷键 当 淀粉酶水解淀粉切断 1 4键时 淀粉分子支叉地位的 1 6键仍然留在水解产物中 得到异麦芽糖和含有 1 6键 聚合度为3 4的低聚糖和糊精 2 液化程度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 有利于生成这种络合结构 过大或过小都不适宜 根据生产实践 淀粉在酶液化工序中水解到葡萄糖值DE15 20范围合适 水解超过此程度 不利于糖化酶生成络合结构 影响催化效率 糖化液的最终葡萄糖值较低 利用酸液化 情况与酶液化相似 在液化工序中需要控制水解程度在葡萄糖值15 20之间为宜 水解程度高 则影响糖化液的葡萄糖值降低 若液化到葡萄糖值15以下 液化淀粉的凝沉性强 易于重新结合 对于过滤性质有不利的影响 3 液化方法 升温液化法 最简单 但效果差 将30 40 的淀粉乳调节pH值为6 0 6 5 加入CaCl2调节钙离子浓度到0 01mol L 加入需要量的液化酶 在保持剧烈搅拌的情况下 喷入蒸汽加热到85 90 在此温度保持30 60min达到需要的液化程度 加热至100 终止酶反应 冷却至糖化温度 高温液化法 液化欠均匀 将淀粉乳调节好pH值和钙离子浓度 加入需要量的液化酶 用泵引入液化桶中约90 的热水中 淀粉受热糊化 液化 由桶的底部流出 进入保温桶中 于90 保温40min或更长时间 达到所需的液化程度 喷射液化法先通蒸汽入喷射器预热到80 90 用泵将淀粉乳打入 蒸汽喷入淀粉乳的薄层 引起糊化 液化 蒸汽喷射产生的湍流使淀粉受热快而均匀 黏度也降低快 液化的淀粉乳由喷射器下方卸出 引入保温桶中在85 90 保温40min达到需要的液化程度 酸液化法的过滤性质好 但最终糖化程度低于酶液化法 酶液化法的糖化程度较高 但过滤性质较差 为了利用酸和酶液化法的优点 有酸酶合并液化法 先用酸液化到葡萄糖值约4 再用酶液化到需要程度 经用酶糖化 糖化程度能达到葡萄糖值约97 稍低于酶液化法 但过滤性质好 与酸液化法相似 此法只能用管道设备连续进行 因为调节pH值 降温和加液化酶的时间快 也避免回流 若不用管道设备 则由于低葡萄糖值淀粉液的黏度大 凝沉性也强 过滤性质差 三 糖化在液化工序中 淀粉经 淀粉酶水解成糊精和低聚糖范围的较小分子产物 糖化是利用葡萄糖淀粉酶进一步将这些产物水解成葡萄糖 1 糖化机理糖化是利用葡萄糖淀粉酶从淀粉的非还原性尾端开始水解 1 4葡萄糖苷键 使葡萄糖单位逐个分离出来 从而产生葡萄糖 2 糖化操作将淀粉液化液引入糖化罐中 调节到适当的温度和pH值 混入需要量的糖化酶制剂 保持2 3天达到最高的葡萄糖值 即得糖化液 糖化的温度和pH值决定于所用糖化酶制剂的性质 曲霉糖化酶一般用60 pH值4 0 4 5 根酶用55 pH值5 0 根据酶的性质选用较高的温度 可使糖化速度较快 感染杂菌的危险较小 选用较低的pH值 可使糖化液的色泽浅 易于脱色 达到最高的葡萄糖值以后 应当停止反应 否则由于葡萄糖发生复合反应 葡萄糖值趋向降低 第四节糖化液的精制和浓缩 淀粉糖化液的糖分组成因糖化程度而不同 如葡萄糖 低聚糖和糊精等 另外还有糖的复合和分解反应产物 原存在于原料淀粉中的各种杂质 水带来的杂质以及作为催化剂的酸或酶等 成分是很复杂的 这些杂质对于糖浆的质量和结晶 葡萄糖的产率和质量都有不利的影响 需要对糖化液进行精制 以尽可能地除去这些杂质 糖化液精制的方法 一般采用碱中和 活性炭吸附 脱色和离子交换脱盐 一 中和采用酸糖化工艺 需要中和 酶法糖化不用中和 使用盐酸作为催化剂时 用碳酸钠中和 用硫酸作为催化剂时 用碳酸钙中和 碱浓度多为5 的水溶液 在这里并不是中和到真正的中和点 pH 7 O 而是中和大部分催化用的酸 同时调节pH值到胶体物质的等电点 pH 4 8 5 2 促进蛋白质类物质的凝结 降低糖化液中蛋白质的含量 糖化液中的葡萄糖在高温时易分解 炭化 特别是在碱性条件下 高温会使糖液的颜色加深 因此中和操作时 糖化液的温度应在80 85 不能超过95 中和操作时 所需加入的碱液应在10 12min内加完 因过快加入 易引起急剧的反应而使糖液溢出 二 过滤过滤就是除去糖化液中的不溶性杂质 目前普遍使用板框过滤机 同时最好用硅藻土为助滤剂 来提高过滤速度 延长过滤周期 提高滤液澄清度 三 脱色1 脱色工艺条件 糖液的温度活性炭的表面吸附力与温度成反比 但温度高 吸附速率快 在较高温度下 糖液黏度较低 加速糖液渗透到活性炭的吸附内表面 对吸附有利 但温度不能太高 以免引起糖的分解而着色 一般以80 为宜 pH值糖液pH值对活性炭吸附没有直接关系 但一般在较低pH值下进行 脱色效率较高 葡萄糖也稳定 工业上脱色的pH值为4 0 4 8 脱色时间一般认为吸附是瞬间完成的 为了使糖液与活性炭充分混合均匀 脱色时间以25 30min为好 活性炭用量活性炭用量少 利用率高 但最终脱色差 用量大 可缩短脱色时间 但单位质量的活性炭脱色效率降低 因此要恰当掌握 一般采取分次脱色的办法 并且前脱色用废炭 后脱色用好炭 以充分发挥脱色效率 2 脱色设备糖液脱色是在具有防腐材料制成的脱色罐内完成的 罐内设有搅拌器和保温管 罐顶部有排汽筒 脱色后的糖液经过滤得到无色透明的液体 四 离子交换树脂处理糖液经活性炭处理后 仍有部分无机盐和有机杂质存在 工业上采用离子交换树脂处理糖液 起到离子交换和吸附的作用 离子交换树脂除去蛋白质 氨基酸 羟甲基糠醛和有色物质等的能力比活性炭强 经离子交换树脂处理的糖液 灰分可降低到原来的1 10 对有色物质去除彻底 因而 不但产品澄清度好 而且久置也不变色 有利于产品的保存 生产上多采用阳离子树脂柱和阴离子树脂柱串联使用 最后流出的糖液不含离子 呈中性 常用离子交换树脂 苯乙烯型强酸性树脂 弱酸性阳离子交换树脂 强碱性阴离子交换树脂 弱碱性阴离子交换树脂 五 浓缩经过净化精制的糖液 浓度比较低 不便于运输和储存 必须将其中大部分水分去掉 即采用蒸发使糖液浓缩 达到要求的浓度 淀粉糖浆为热敏性物料 受热易着色 所以在真空状态下进行蒸发 以降低液体的沸点 一般蒸发温度不宜超过68 蒸发操作有间歇式 连续式和循环式3种 第五节主要淀粉糖品的生产工艺流程 一 液体葡萄糖分为工艺有酸法 酸酶法和双酶法 1 酸法工艺流程淀粉 调浆 糖化 中和 第一次脱色过滤 离子交换 第一次浓缩 第二次脱色过滤 第二次浓缩 成品2 双酶法工艺流程淀粉 调浆 液化 糖化 脱色 离子交换 真空浓缩 二 结晶葡萄糖 全糖葡萄糖是淀粉完全水解的产物 由于生产工艺的不同 所得葡萄糖产品的纯度也不同 一般可分为结晶葡萄糖和全糖两类 酸法生产含水a 葡萄糖的工艺流程 三 麦芽糖浆 饴糖 高麦芽糖浆 超高麦芽糖浆 麦芽糖浆是以淀粉为原料 经酶法或酸酶结合的方法水解而制成的一种以麦芽糖为主 40 50 以上 的糖浆 按制法与麦芽糖含量不同可分为饴糖 高麦芽糖浆和超高麦芽糖浆等 1 饴糖饴糖为我国自古以来的一种甜食品 以淀粉质原料 大米 玉米 高梁 薯类经糖化剂作用生产的 糖分组成主要为麦芽糖 糊精及低聚糖 营养价值较高 甜味柔和 爽口 是婴幼儿的良好食品 2 高麦芽糖浆高麦芽糖浆与饴糖的制法大同小异 只是前者的麦芽糖含量应高于普通饴糖 一般要求在50 以上 而且产品应是经过脱色 离子交换精制过的糖浆 其外观澄净如水 蛋白质与灰分含量极微 糖浆熬煮温度远高于饴糖 一般达到140 以上 普通高麦芽糖浆 制造高麦芽糖浆的糖化剂除麦芽外 也常用由甘薯 大麦 麸皮 大豆制取的 一淀粉酶 为了保证麦芽糖生成量不低于50 糖化时常用脱支酶 超高麦芽糖浆 超高麦芽糖浆的麦芽糖含量超过70 其中发酵性糖的含量达90 或以上 麦芽糖含量超过90 者也称作液体麦芽糖 四 麦芽低聚糖浆在众多品种的淀粉糖中 麦芽低聚糖不仅具有良好的食品加工适应性 而且具有多种对人体健康有益的生理功能 正作为一种新的 功能性食品 原料 日益受到人们重视 麦芽低聚糖按其分子中糖苷键类型的不同可分为两大类 即以 1 4键连接的直链麦芽低聚糖 如麦芽三糖 麦芽四糖 麦芽十糖 另一大类为分子中含有 1 6键的支链麦芽低聚糖 如异麦芽糖 异麦芽三糖 潘糖等 这两类麦芽低聚糖在结构 性质上有一定差异 其主要功能也不尽相同 五 麦芽糊精麦芽糊精是指以淀粉为原料 经酸法或酶法低程度水解 得到的DE值在20 以下的产品 其主要组成为聚合度在10以上的糊精和少量聚合度在10以下的低聚糖 麦芽糊精具有独特的理化性质 低廉的生产成本及广阔的应用前景 成为淀粉糖中生产规模发展较快的产品 原料 碎米 浸泡清洗 磨浆 调浆 喷射液化 过滤除渣 脱色 真空浓缩 喷雾干燥 成品 麦芽糊精的酶法生产工艺流程 第六节果葡糖浆的生产 一 果葡糖浆的起源与型号果葡糖浆 高果糖浆 是淀粉经 淀粉酶液化 葡萄糖淀粉酶糖化 得到的葡萄糖液 用葡萄糖异构酶进行转化 将一部分葡萄糖转变成含有一定数量果糖的