课题三：淀粉糖品生产用酶制剂-2课时.ppt

课题三 淀粉糖品生产用酶制剂 基本内容 淀粉糖工业常用酶制剂的种类淀粉糖工业常用酶制剂的性质淀粉糖工业常用酶制剂的生产技术基本要求 了解淀粉糖工业常用酶制剂的种类 性能及其生产技术 一 酶制剂的定义酶是细胞原生质合成的一类具有高度催化活性的特殊蛋白质 它是由许多氨基酸组成 成为生物催化剂 酶制剂是指通过采取适当的物理化学方法 将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来 加工成具有一定纯度标准的生化制品 二 酶制剂的应用和特性 酶制剂的应用酶制剂工业发展迅速 应用领域扩大 应用技术提高 生产水平提高 2000年酶制剂产量已经达到24万吨 品种也达到了30个以上 酶制剂再科研和生产中占有重要地位 已经广泛的应用在 蛋白质工业 淀粉糖工业 烘培工业 果蔬加工 奶制品工业 味精 纺织 洗涤剂 饲料 有机酸等方面 目前中国最大的酶制剂厂家是 天津丹麦诺维信公司合资厂 无锡杰能科酶制剂厂 酶制剂发展方向 高活性 高纯度 高质量 酶制剂的特点1 催化效率高 由于酶所催化所需要的活化能较低 所以催化效率远高于化学催化剂 一般来说 催化效率可以提高108 1020倍 2 专一性强 酶对作用底物有严格的专一性 3 作用条件温和 能在常温常压下进行酶的催化作用 有利于简化设备 降低成本 4 收得率高 以淀粉作为原料 酶法水解比酸法水解淀粉转化率高6 8 5 纯度高 由于酶的专一性强 与原料中杂质不作用 故不会有副作用 产品纯度高 6 符合食品要求 食品酶制剂符合联合国等卫生组织的要求 无毒无害 对细菌等有害菌和有害物质要求严格 符合食用标准 7 操作方便 可以根据各种酶的特性 控制工艺参数 可以生产不同产品 8 来源广 酶制剂不仅可利用微生物发酵制得 也可以从动植物中提取 目前已经有300多个品种 9 费用低 不仅设备投资低 发挥作用块 就是酶的用量 相对于作用的底物来讲也是很少的 因此各项费用都低 10 综合利用 对于同种原料 可以利用各种酶的作用生产不同产品 使原料得以充分利用 降低成本 增加效益 11 污染低 一般使用的酶量低 在酶的反应过程中通常不需要别的添加物 而需要调节的酸度pH范围也不大 因此不会因酶制剂使加工废水增加BOD 生物好氧量 和COD 化学好氧量 三 酶的化学本质 1 酶是一种蛋白质 主要由氨基酸构成 具有两性电解质的蛋白质性质的一 二 三 四级结构 2 紫外线 热 表面活性剂 重金属盐以及酸碱变形剂等能使蛋白质变形和失活 3 酶本身能被水解蛋白质的蛋白质水解酶分解而丧失活力 4 酶蛋白酶和其他蛋白质处 它有活性中心 活性中心是由蛋白质结构决定的 破坏酶的活性中心和酶蛋白的结构 都会导致酶的失活 酶的活性中心定义p37 酶的分子量在104 106之间 酶与底物只能在一个区域内结合 酶分子中能与底物结合并发生催化作用的局部空间结构称为酶的活性中心 它具有必须 结合和催化基团 酶的活性中心 四 影响酶反应的因素 1 温度的影响 温度对酶的影响有两个 1 1提高温度可以加速催化 一般而言 温度每升高10 反应速度可以提高1 2倍 温度对酶反应速度的影响通常用温度系数Q10表示Q10 t 10 时的反应速度 t 时的反应速度1 2当温度升高到酶的变形温度时 完成了酶的变形过程 酶也失活 问题 如何控制温度 2 pH的影响pH对酶的影响非常大 在一定的pH下 酶的反应可以达到最大值 这一pH叫酶的最适pH 高于或低于这一pH 酶的反应速度都会降低 甚至是失活 在实际生产中 要严格控制pH pH对酶的变形是不可逆的 3 激活剂和抑制剂能增加酶促反应速度的物质都称为激活剂 无机离子K Ca 和具有蛋白质分子大小的物质等 工业中常用的是CaCl2 能与部分酶的活性部位结合 引起酶促反应速度下降的物质成为抑制剂 思考 绘出酶的pH与活力关系图 4 蛋白水解酶 因为很多微生物都能产生蛋白水解酶 能够开裂酶蛋白上的肽链 从而使酶失活 5 底物浓度 一般来说 初浓度与底物浓度成正比 食品工业中 为缩短时间 一般用过量的底物在短时间内达到最大的反应速度 6 酶浓度 一般来说 反应速度与酶浓度成直线正比关系 但在实际生产中 要考虑成本等综合效益 问题 底物浓度越高越好吗 为什么 为什么酶制剂染杂菌后会降低酶活力 7 作用时间 实际生产中 酶的使用量与酶的作用时间是成反比的 即作用时间越长 酶的相对使用量就少 8 工艺及设备情况 酶的作用效果在实际生产中跟与之配套的工艺及设备情况密切相关 要配上合适的工艺及与之配套的设备 问题单从成本考虑 酶的使用原则是什么 复习上节内容 1 依据酶制剂的特性 通常的灭酶方法有哪些 2 工业化酶制剂主要来源于动植物提取物 3 当酶制剂出现感染杂菌时 有可能出现什么样的现象 4 当反应温度越高 酶制剂的反应速度越快吗 如何控制反应温度 5 钙离子是酶制剂的激活剂 所以在制糖工业中经常要加入氯化钙 6 在淀粉的酶解反应中 如何有效控制底物浓度 7 如何控制水解反应的酶制剂使用浓度 8 如何控制淀粉水解时间 综合以上各点 谈谈在生产现场如何贮藏和使用酶制剂 五 酶制剂工业的发展 世界酶制剂工业发展 p39 我国酶制剂工业发展历史 1965年无锡酶制剂厂应用BF 7658淀粉酶 1979年进行糖化酶生产 在白酒 酒精行业推广 2709碱性蛋白酶在洗涤剂行业应用 使酶洗衣粉风行 166中性蛋白酶在毛皮制革汗液推广 提高了质量和效率 1993无锡厂引进耐高温淀粉酶 开始了双酶法技术 1998年 国外酶制剂建厂 高质量 高纯度 新型酶 六 酶制剂型号 酶制剂有液体和固体两种 液体酶制剂价格便宜使用也方便 将培养液过滤除去菌体 蒸发到适当浓度即为液体酶制剂 再加0 1 的苯甲酸钠防止染菌 在干燥 低温下半年期丢失10 活力 尽量使用液体酶 为什么 七 采用酶法糖化的意义淀粉转化为糖的方法主要有 酸法 酸酶法 酶酸法 双酶法 全酶法等 不同方法的比较主要是 问题 不同方法水解淀粉其中哪一种较好 为什么 看书几分钟 回答问题 水解方程式 酸法 它是以酸为催化剂在高温下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法 酶解法可分为两步 第一步 利用 淀粉酶将淀粉液化 第二步 利用糖化酶将糊精或低聚糖 缺点 酶解法是在酶的作用下进行的 反应条件较温和 不需要耐高温高压或而酸腐蚀的设备 酶作为催化剂的特点是专一性强 副反应少 故水解糖液纯度高 淀粉转化率高 可在较高的淀粉乳浓度下水解 如酸解法一般使用10 12Be 含18 20 淀粉 的淀粉乳 而酶解法可用20 23Be 含34 40 淀粉 的淀粉乳 并且可以采用粗原料 用酶解法制得的糖液较纯净 颜色浅 无苦味 质量高 有利于糖液的充分利用 酶解法反应时间较长 设备要求较多 且酶是蛋白质 易引起糖液过滤困难 当然 随着酶制剂生产及应用技术的提高 酶解法制糖将逐渐取代酸解法制糖 优点 酶解法特点 不同水解方法对比 八 淀粉糖工业用酶制剂的品种 性能及生产技术 淀粉糖工业用酶制剂品种淀粉糖工业常用的酶制剂有 淀粉酶 液化酶 淀粉酶 1 4麦芽糖苷酶 糖化酶 普鲁兰酶 低pH 热稳定脱支酶 异淀粉酶 异构酶等 基本都属于水解酶 可以水解淀粉分子中的葡萄糖苷键 淀粉糖工业主要产品及酶制剂品种 淀粉糖主要酶制剂介绍1 淀粉酶 Amylase 淀粉酶 是指能够任意从淀粉分子内部切开 1 4糖苷键而起液化作用的一类酶 不能水解 1 6糖苷键 但能越过而继续水解 示意图为 淀粉酶水解直链淀粉示意图 酶的作用示意图 在淀粉酶的作用下 淀粉分子迅速降解 粘度迅速下降 失去碘的成色反应 同时水解物的还原力增强 水解产生糊精及少量葡萄糖和麦芽糖 碘成色反应见下 液化作用 温度的影响 淀粉糖工业中应用较多的是由芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌所产的耐热 淀粉酶 在淀粉进行喷射液化时 耐高温淀粉酶在高温下非常稳定 液化迅速快捷 完全彻底 耐高温 淀粉酶的最适温度为95 100 pH值的影响 不同酶有不同的最适pH 一般的淀粉酶在5 2 8 0稳定 耐高温 淀粉酶在淀粉糖和味精生产中一般控制在5 4 6 2 pH越低 杂糖越少 糖液透光越高 a 淀粉酶的作用 问题 如何调节pH值 钙离子浓度的影响 淀粉酶是一种金属酶 1分子芽孢杆菌 淀粉酶中含有一个原子钙 钙起着保持酶分子有最适构象的作用 是维持最大活性与稳定性所必须 一般的酶需要150mg Kg 目前 已经开发出对钙离子需求很少的新型 淀粉酶 只需50 70mg Kg 自来水中残留的钙离子浓度已经足矣 酶添加量的影响加酶量将根据原料种类和不同行业 工艺特点 最终目的 底物的浓度等决定的 淀粉糖生产中的用量为0 5 0 7 5 8u g 而啤酒行业上一般为0 25 0 3 2 5 4u g 问题 加酶量如何确定 在特定条件下 1分钟内转化1微摩尔底物 或者底物中1微摩尔有关基团所需的酶量 称为一个国际单位 Iu或u 淀粉酶的水解产物P49 50不同种类的淀粉酶的淀粉水解产物是不同的 一般来说 相对分子量越小的底物和分支越多的底物越难水解 水解产物一般是C1 C7的系列低聚糖 耐高温 淀粉酶的特殊效果 大多数情况下 不需加入钙离子等而表现良好热稳定型良好低pH的稳定性 从而减少了龙胆二糖的生成 且减少了色素物质的形成和精炼的费用减少整个操作过程费用 一般选用该酶 二 淀粉葡萄糖苷酶 glucoamylase 淀粉葡萄糖苷酶通常叫做葡萄糖糖化酶 它是用来从液化淀粉中生产葡萄糖 又称为 淀粉酶 该酶是一种外切型酶 能够从淀粉分子非还原端依次水解 1 4键 切下葡萄糖单位 酶活力 指在40 pH4 6情况下 1小时内分解可溶性淀粉产生1mg葡萄糖的酶量为1个活力单位 1u 酶的作用方式 1 水解过程是C1 O C4中的C1 O键断裂 2 该酶也可以水解1 6糖苷键 但速度很慢 所以用该酶水解淀粉的最终产物是 3 工业上生产的酶制剂 还含有少量的其他如葡萄糖转移酶 纤维素酶等 这些杂酶如葡萄糖转移酶的存在会作用于麦芽糖 使其中的一个葡萄糖基转移到另一个麦芽糖分子上 经过1 6键结合生产潘糖 反应的结果是两个分子麦芽糖生成一个分子潘糖 C18H32O16 和葡萄糖 同时 它也可以使葡萄糖发生复合反应生成异麦芽糖 异麦芽糖和潘糖属于不发酵糖 从而影响收率 转移酶作用速度与糖液浓度成正比 所以 为了尽量减少这种反应 糖液浓度不宜过高 4 糖化酶对葡萄糖的复合反应也有催化作用 所以酶量也不宜过大 要理解 酶与温度的关系图 从图可以看出该酶的最适温度是 工艺控制酶添加量 一般添加量为0 5 1 3kg t干淀粉物质 但与具体的工艺和设备有关系 pH 一般控制4 0 4 4 温度 一般控制58 62 高效糖化酶 1 更高的葡萄糖产量 2 缩短糖化时间 3 糖化可在更多的干物质量下进行 4 减少逆反应 5 提高操作过程的灵活性 6 更高的热稳定性 三 淀粉酶 Amylase 定义 它是一种外切酶 作用于淀粉时 从非还原性末端一次切开 1 4键 不能水解1 6糖苷键 也不能越过 所以唯一产物是麦芽糖 与此同时C1从 变成了 型 主要用于饴糖 啤酒行业中 淀粉酶水解淀粉示意图 1 水解过程中糖苷键C1 O C4 是C1 O键断裂 2 遇碘着色反应没有a 淀粉酶的快 因为总是从尾端开始 总有较大分子的淀粉存在 3 水解过程中粘度下降不快 水解支链淀粉 淀粉酶的性质稳定性 比较差 一般在65 上就迅速失活温度 最适温度55 60 PH 作用范围5 7 5 最适PH为6 8 7 0 用量 100 200u g钙离子 对酶的稳定性与a 淀粉酶的作用相反 相关知识 工业中来源于发芽的大麦 俗称麦芽酶 常用作酿酒和饴糖的生产 四 脱支酶 Debranchingenzyme 定义 是水解支链淀粉或糖原大分子化合物的1 6糖苷键的酶 它切开分支点1 6键而使整个侧支切下成为短直链糊精 以利于 淀粉酶的作用 又称为R 酶 分类 包括普鲁兰酶和异淀粉酶 普鲁兰酶 pullulanase 是一种低pH值下的热稳定性脱支酶 它能切断支链淀粉的1 6糖苷键和完全切断普鲁兰糖 多聚麦芽三糖 但对于糖原等动物性淀粉则不起作用 它通常与糖化酶一起使用 可由液化淀粉糖浆来生产高葡萄糖浆和高麦芽糖浆 这是一种由基因改造的酶 工艺参数 pH最优4 0 5 0 温度最优55 65 异淀粉酶 Isoamylase 该酶可以切开支链淀粉的1 6糖苷键 从而切断整个侧支 形成长短不一的直链糊精 它往往与 淀粉酶 淀粉酶 糖化酶一起使用 协同其他酶一起生成麦芽低聚糖和液体葡萄糖等 复习上节内容 1 葡萄糖甘酶是外切酶吗 它的最终产物是什么 2 高效耐高温淀粉酶的特点有哪些 3 一般来说 工业上对于酶制剂的使用原则是什么 4 在淀粉糖化过程中 为什么要控制酶制剂的用量和底物物浓度 5 高效糖化酶的特点有哪些 6 脱支酶的作用是什么 7 淀粉酶的最终分解产物是什么 五 固定化葡萄糖异构酶 该酶是一种经过基因工程改造的酶 可以催化D 葡萄糖生成D 果糖异构化反应 工艺参数 3 典型特征 活力 140 250GIGIC g 最低 颗粒粒径 300 1200 m外观茶色到棕色 自由流动的颗粒1个GIGIC是指在标准条件下 催化速度为每分钟1mmol 把葡萄糖异构化成44 的果糖所需的酶量 条件为