第3章 发酵工业原料及其处理

发酵工程,2/jing/C76/zcr-1.htm,南阳师范学院生命科学与技术学院,发酵工程,第一章发酵工程总论第二章发酵设备第三章发酵工业原料及其处理第四章发酵工业灭菌第五章发酵菌种的制备第六章发酵工业放大第七章微生物发酵机制第八章发酵动力学第九章发酵过程工艺控制第十章发酵染菌及防治第十一章发酵工业废物、废水处理和资源化技术第十二章展望,本节课的重点和难点,本节课的重点1、发酵培养基成分的确定2、淀粉的双酶法制糖3、淀粉水解糖的原理,本节课的难点1、淀粉水解糖的原理2、淀粉的双酶法制糖,1、发酵营养基质的组成2、工业发酵培养基3、工业发酵中营养基质的配制方法,第三章发酵工业原料及其处理,2/jing/C76/zcr-1.htm,发酵工业原料选择的标准,1、原料中碳的可利用率高；2、发酵产率高，而且尽可能使发酵残余物少；3、原料质量好，成分稳定，污染变质少，易灭菌；4、价廉，来源方便，易于贮存。,1.1碳源营养1.2氮源营养1.3无机盐及微量元素1.4生长因子、前体物质、产物促进剂和抑制剂1.5水,1发酵营养基质的组成,第三章发酵工业原料及其处理,1.1碳源：凡是作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质，统称为碳源。,1）作用,提供微生物菌种的生长繁殖所需的能源和合成菌体所必需的碳成分提供合成目的产物所必须的碳成分,2）来源,糖类、油脂、有机酸、正烷烃,1发酵营养基质的组成,3）工业上常用的碳源,葡萄糖,所有的微生物都能利用葡萄糖但是会引起葡萄糖效应工业上常用淀粉水解糖，但是糖液必须达到一定的质量指标,1.1碳源,不同的制糖工艺生产的糖液质量差别很大,葡萄糖,3）工业上常用的糖类,除葡萄糖外，糖类中其他单糖（如果糖）也是很好的碳源。其次是双糖（如蔗糖、麦芽糖、乳糖）和多糖（如淀粉和纤维素），再次是有机酸、醇类、烃类等。,其他糖类,淀粉、糊精,使用条件：微生物必须能分泌水解淀粉、糊精的酶类,缺点：难利用发酵液比较稠、一般2.0%时加入一定的-淀粉酶成分比较复杂，有直链淀粉和支链淀粉等。,优点：来源广泛、价格低难利用，但可以解除葡萄糖效应,糖蜜,糖蜜是制糖生产时的结晶母液，它是制糖工业的副产物。,糖蜜主要含有蔗糖，总糖可达50%75%。一般糖蜜分甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。,不用加工方法对甘蔗糖蜜的影响,糖蜜使用的注意点,除糖份外，含有较多的杂质，其中有些是有用的，但是许多都会对发酵产生不利的影响，需要进行预处理。,例：谷氨酸发酵,有害物质：胶体成分（起泡、结晶）、钙盐（结晶）生物素（发酵控制）,预处理：澄清脱钙脱除生物素,例：柠檬酸发酵,有害物质：铁离子含量高（导致异柠檬酸的生成）,预处理：黄血盐,酯类,使用条件：微生物必须能利用长链脂肪酸（如各种动物油和植物油）,缺点：发酵液要制成乳状液体，发酵罐的结构也要作一定改造。利用脂肪酸做碳源时，要进行-氧化，要比氧化糖的EMP和TCA途径花费更多的能量，因此，供氧必须保证。,烃类,使用条件：微生物必须能利用烃类做碳源。,优点：石油微生物分布广、种类多；常温常压下进行。,2/jing/C76/zcr-1.htm,例：地衣芽孢杆菌生产-淀粉酶,碳源对生长和产酶的影响,碳源细胞量-淀粉酶葡萄糖4.20蔗糖4.020糊精3.0638.2淀粉3.0940.2,李江华，无锡轻工大学学报，2004,(半纤维素酶),嗜碱芽胞杆菌(AC-2)中碳源对碱性纤维素酶分泌的影响,结果：各种碳源相差不大,推论：该菌种的碱性纤维素酶为组成型,苏勤，林业化学与工业，2004,1.2氮源,氮源主要用于构成菌体细胞物质（氨基酸，蛋白质、核酸等）和含氮代谢物。常用的氮源可分为两大类：有机氮源和无机氮源。,无机氮源,种类：氨盐、硝酸盐和氨水,特点：微生物对它们的吸收快，所以也称之谓迅速利用的氮源。但无机氮源的迅速利用常会引起pH的变化。如：(NH4)2SO42NH3+2H2SO4NaNO3+4H2NH3+2H2O+NaOH,1发酵营养基质的组成,无机氮源被菌体作为氮源利用后，培养液中就留下了酸性或碱性物质，这种经微生物生理作用（代谢）后能形成酸性物质的无机氮源叫生理酸性物质，如硫酸胺，若菌体代谢后能产生碱性物质的则此种无机氮源称为生理碱性物质，如硝酸钠。正确使用生理酸碱性物质，对稳定和调节发酵过程的pH有积极作用。,所以选择合适的无机氮源有两层意义：满足菌体生长稳定和调节发酵过程中的pH,无机氮源,毛霉产蛋白酶的研究,陈涛，中国酿造，2004,初始pH的影响:,pH偏酸比较好，中性蛋白酶影响大,无机氮源的影响：,硫酸铵硝酸铵硝酸钠尿素,有机氮源,来源：工业上常用的有机氮源都是一些廉价的原料，花生饼粉、黄豆饼粉、棉子饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉、鱼粉、蚕蛹粉、尿素、废菌丝体和酒糟。,成分复杂：除提供氮源外，有些有机氮源还提供大量的无机盐及生长因子。,例玉米浆：可溶性蛋白、生长因子（生物素）、苯乙酸较多的乳酸硫、磷、微量元素等,1.2氮源,有机氮源成分复杂可以从多个方面对发酵过程进行影响，而另一方面有机氮源的来源具有不稳定性。所以在有机氮源选取时和使用过程中，必须考虑原料的波动对发酵的影响。,有机氮源,1.2氮源,2/jing/C76/zcr-1.htm,氮源使用的一些相关问题,有机氮源和无机氮源应当混合使用,早期：容易利用易同化的氮源无机氮源中期：菌体的代谢酶系已形成、则利用蛋白质,有些产物会受氮源的诱导和阻遏,例：蛋白酶的生产,有机氮源选取时也要考虑微生物的同化能力,开发效果好、有针对性的有机氮源仍然是令人感兴趣的课题,1.2氮源,1.3无机盐及微量元素,1、作用：各种不一样,2、来源：C、N源，以盐的形式补充,3、用量：根据具体的产品，以实验决定,4、使用注意点,A.对于其他渠道有可能带入的过多的某种无机离子和微量元素在发酵过程中必须加以考虑,1发酵营养基质的组成,例：铁离子青霉素发酵中，铁离子的浓度要小于20g/mL发酵罐必须进行表面处理,B、使用时注意盐的形式（pH的变化）,例：黑曲酶NRRL-330，生产-淀粉酶，P对酶活的影响处理pH酶活不加4.25120min加K2HPO45.4530min加KH2PO44.6275min,1.4生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂,从广义上讲，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称生长因子。狭义的生长因子一般仅指维生素。,生长因子,如以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌均为生物素缺陷型，以生物素为生长因子,生长因子对发酵的调控起到重要的作用。,有机氮源是这些生长因子的重要来源，多数有机氮源含有较多的B族维生素和微量元素及一些微生物生长不可缺少的生长因子。,1发酵营养基质的组成,一些维生素生长因子及其生理功能,前体指某些化合物加入到发酵培养基中，能直接使微生物在生物合成过程中合成到产物分子中去，而其自身的结构并没有多大变化，但是产物的产量却因加入前体而有较大的提高。,前体,青霉素：分子量用寿命356,苯乙酸:分子量136,四、生长因子、前体和产物促进剂,作用：前体有助于提高产量和组份（P55）,用量：前体的用量可以按分子量衡算，具体使用有个转化率的问题,例：6000单位/mL的青霉素G，需要多少苯乙酸青霉素60000.6（微克）36mg/mL苯乙酸（36136）/356=13.8mg/mL=1.38%实际使用时的转化率在46-90%之间例某厂单耗为：0.337（kg/10亿青霉素）转化率为：13.8/(0.337/0.6)36=68%,前体,1.4生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂,用法：前体使用时普遍采用流加的方法。前体一般都有毒性，浓度过大对菌体的生长不利苯乙酸，一般基础料中仅仅添加0.07%。Why？前体相对价格较高，添加过多，容易引起挥发和氧化，流加也有利于提高前体的转化率。,前体,2/jing/C76/zcr-1.htm,几种常见的前体（p43）,有关前体的研究:,马成新,焦鹏.蛭弧菌J26发酵生产维生素C前体产物的鉴定.微生物学杂志,1998,18(3)董函竹,刘沛溢,谭天伟.补加前体L-蛋氨酸对高密度发酵生产S-腺苷-L-蛋氨酸的影响.生物工程学报,2006,22(2)陈珊,贺小贤,潘亚磊.氨基酸前体对酿酒酵母生产谷胱甘肽影响的研究.陕西科技大学学报(自然科学版),2008,26(3),产物促进剂所谓产物促进剂是指那些非细胞生长所必须的营养物，又非前体，但加入后却能提高产量的添加剂。常用促进剂有各种表面活性剂（洗净剂、吐温-80、植酸等）二乙胺四乙酸、大豆油抽提物、黄血盐、甲醇等。,1.4生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂,促进剂提高产量的机制还不完全清楚，其原因是多方面的。有些促进剂本身是酶的诱导物；有些促进剂是表面活性剂，可改善细胞的透性，改善细胞与氧的接触从而促进酶的分泌与生产；也有人认为表面活性剂对酶的表面失活有保护作用；有些促进剂的作用是沉淀或螯合有害的重金属离子。,产物促进剂,1.4生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂,有些抑制剂可抑制某些合成产物的途径而使代谢向所需产物的途径转化，常常被用在抗生素和有机溶剂发酵中。氯霉素、植酸、草酸等能抑制噬菌体的繁殖，可用于氨基酸发酵。（P44）,抑制剂,1.4生长因子、前体、产物促进剂和抑制剂,发酵工业常用的抑制剂（P44）,1.5水,对于发酵工厂来说，恒定的水源是至关重要的，因为在不同水源中存在的各种因素对微生物发酵代谢影响甚大。,水源质量的主要考虑参数包括pH值、溶解氧、可溶性固体、污染程度以及矿物质组成和含量。,对于酿造行业，水的重要性不言而喻。,对于常规发酵，可靠、持久，能提供大量成分一致清洁的水。,1发酵营养基质的组成,2.1培养基的类型与功能2.2营养基质的选择2.3培养基的设计与优化,2工业发酵培养基,第三章发酵工业原料及其处理,2/jing/C76/zcr-1.htm,广义上讲培养基是指一切可供微生物细胞生长繁殖所需的一组营养物质和原料。同时培养基也为微生物培养提供除营养外的其它所必须的条件。,发酵培养基的作用：,满足菌体的生长促进产物的形成,培养基,发酵培养基的要求,培养基能够满足产物最经济的合成。发酵后所形成的副产物尽可能的少。培养基的原料应因地制宜，价格低廉；且性能稳定，资源丰富，便于采购运输，适合大规模储藏，能保证生产上的供应。所选用的培养基应能满足总体工艺的要求，如不应该影响通气、提取、纯化及废物处理等。,培养基按其组成物质的纯度、状态、用途可分为三大类型,一、按纯度,合成培养基:原料其化学成分明确、稳定,适合于研究菌种基本代谢和过程的物质变化规律,培养基营养单一，价格较高，不适合用于大规模工业生产,天然培养基:采用天然原料,原料来源丰富(大多为农副产品)、价格低廉、适于工业化生产,原料质量等方面不加控制会影响生产稳定性,2.1培养基的类型与功能,二、按状态,固体培养基:适合于菌种和孢子的培养和保存，也广泛应用于有子实体的真菌类，如香菇、白木耳等的生产,半固体培养基:即在配好的液体培养基中加入少量的琼脂，一般用量为0.5%0.8%,主要用于微生物的鉴定。,液体培养基:80%90%是水，其中配有可溶性的或不溶性的营养成分，是发酵工业大规模使用的培养基。,三、按用途（从发酵生产应用考虑）,2.1培养基的类型与功能,培养基按其用途可分为孢子（斜面）培养基、种子培养基和发酵培养基三种,M培养基(1L)：Na2HPO46g，KH2PO43g，NaCl0.5g，NH4Cl1g，MgSO4.7H2O0.5g，CaCl20.011g，葡萄糖2-10g,pH7.0,YPS培养基：酪蛋白胨10g，酵母提取物（英国Oxoid）5g,NaCl10g，pH7.2,培养大肠杆菌常用两种培养基,2.2营养基质的选择,营养基质的种类营养基质原材料的质量问题营养基质选择的经济原则,2/jing/C76/zcr-1.htm,目前还不能完全从生化反应的基本原理来推断和计算出适合某一菌种的培养基配方，只能用生物化学、细胞生物学、微生物学等的基本理论，参照前人所使用的较适合某一类菌种的经验配方，再结合所用菌种和产品的特性，采用摇瓶、玻璃罐等小型发酵设备，按照一定的实验设计和实验方法选择出较为适合的培养基。,2.3培养基的设计与优化,一、培养基成分选择的原则,菌种的同化能力,代谢的阻遏和诱导,合适的C/N比,1000.22.0,pH的要求,2.3培养基的设计与优化,（一）理论转化率与实际转化率,理论转化率是指理想状态下根据微生物的代谢途径进行物料衡算，所得出的转化率的大小。,实际转化率是指实际发酵过程中转化率的大小。,如何使实际转化率接近于理论转化是发酵控制的一个目标,二、成分含量的确定,2.3培养基的设计与优化,例:在酒精生产中葡萄糖转化为酒精的理论转化率计算如下葡萄糖转化为酒精的代谢总反应衡算式为C6H12O62C2H5OH+2CO2葡萄糖转化为酒精的理论得率为246Y=0.57162,2.3培养基的设计与优化,2.3培养基的设计与优化,（二）、实验设计,培养基成分的含量最终都是通过实验获得的,合理的实验方法,均匀设计正交实验设计响应面分析,单因子实验,2.3培养基的设计与优化,多因子实验,当培养基成分确定后，剩下的问题就是各成分最适的浓度，由于培养基成分很多，为减少实验次数常采用一些合理的实验设计方法。,三培养基设计的步骤,根据前人的经验和培养基成分确定时一些必须考虑的问题，初步确定可能的培养基成分；,通过单因子实验最终确定出最为适宜的培养基成分；,2.3培养基的设计与优化,例：类胡萝卜素高产菌Y11的培养基的优化,郭秒,食品与工业发酵，2004,类胡萝卜素的作用：色素、营养保健,2.3培养基的设计与优化,2/jing/C76/zcr-1.htm,原培养基:,初步确定可能的培养基成分(以碳源为例),通过单因子实验确定适宜的培养基成分(以碳源为例),考虑到成本：乙酸钠是较为合适的碳源,进一步：乙酸钠的浓度2%比较好,结果：,碳源：乙酸钠0.2%,氮源：氯化铵0.2%酵母膏0.03%,无机盐:复合无机盐0.05%,正交设计确定优化的配方,改进后培养基,原培养基,改进后培养基的发酵结果,四摇瓶水平到反应器水平的优化配方,摇瓶、反应器培养基研究的两个层次,摇瓶培养基设计的第一步,反应器最终的优化的基础配方,2.3培养基的设计与优化,例：,青霉素发酵,发酵摇瓶：玉米浆4%，乳糖10%，(NH4)SO40.8%轻质碳酸钙1%,发酵罐:葡萄糖流加控制总量10-15%，玉米浆总量4-8%补加硫酸、前体等,摇瓶优化配方：菌种筛选，反应器研究的基础,2.3培养基的设计与优化,发酵罐：反应器水平,可以得出最终优化的基础配方,2.3培养基的设计与优化,pH控制摇床：反应器水平上的摇瓶研究,2.3培养基的设计与优化,案例pH控制摇床在1,3-丙二醇发酵中的应用,2.3培养基的设计与优化,1,3-丙二醇的用途：,最重要的用途是作为单体与对苯二甲酸丙二醇聚合生产聚酯聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT),可作为增塑剂、洗涤剂、防腐剂和乳化剂等用于食品、化妆品和制药等工业,PTT的性能,PTT目前性能最好的纤维被誉为21世纪的大型纤维,1,3-丙二醇两步发酵法,糖,甘油,1,3-丙二醇,酵母,伯氏肺炎杆菌、丁酸梭菌等,伯氏肺炎杆菌1,3-丙二醇的代谢,甘油,三羟基丙醛,1,3-丙二醇,二羟丙酮,丙酮酸,乙酸乙醇乳酸丁醇丁酸丁二醇,2H,H2O,pH下降,厌氧过程、pH下降,2H,不同pH条件对甘油消耗的影响,摇瓶培养基分批培养过程结果,补料培养过程,甘油,浓度为3.43%，对甘油转化率为19%,1,3-丙二醇的浓度5.37%，转化率为40%,进一步优化培养基后过程,1,3-丙二醇的浓度为6.72%，对甘油转化率为54.7%，生产强度为1.9g/L.h。,进一步优化条件后,五、培养基设计时注意的一些相关问题,原料及设备的预处理,原材料的质量,发酵特性的影响,在抗生素发酵生产中往往喜欢所谓的“稀配方”，因为它既降低成本、灭菌容易、且使氧传递容易而有利于目的产物的生物合成。如果营养成分缺乏，则可通过中间补料方法予以弥补。,灭菌,在大规模发酵中应该尽可能的采取连续灭菌的操作，而且保证灭菌条件的稳定是保证发酵稳定的前提。,有时避免营养物质在加热的条件下，相互作用，可以将营养物质分开灭菌。,有些物质由于挥发和对热非常敏感，就不能采用湿热的灭菌方法，可采用过滤方法灭菌。,Na2HPO4+CaCO3CaHPO4+Na2CO3,五、培养基设计时注意的一些相关问题,六、重组产品培养基的介绍,大肠杆菌高密度培养：,碳源：葡萄糖、甘油,氮源：胰蛋白胨、酵母粉,无机盐：磷、镁等,章越，生物工程学报，2004,重组产品培养基的介绍,动物细胞培养基,基础培养基:,F12、DMEM等,血清(5-10%)：胎牛(FBS)、小牛(CS)、马(HS),水：超纯水,其它：NaHCO3（CO2）、抗生素,重组产品培养基的介绍,培养基菌体生长所需的营养以及其他必须的条件,了解发酵培养基的组成，发酵培养基常用的原料以及其中的基本概念,发酵培养基的优化与设计是发酵工程的基本问题，掌握发酵培养基优化与设计的思路、了解其中的方法,小结,3.1淀粉水解糖的制备3.2糖蜜原料培养基的制备,3工业发酵中营养基质的配制方法,第三章发酵工业原料及其处理,2/jing/C76/zcr-1.htm,一、淀粉水解糖的概况二、淀粉水解糖的制备方法及原理三、水解糖液的质量要求,3.1淀粉水解糖的制备,2/jing/C76/zcr-1.htm,淀粉水解制糖的意义大多数微生物不能直接利用淀粉（所有的氨基酸生产菌不能直接利用）。2.有些微生物能够直接利用淀粉作原料，但必须在微生物产生淀粉酶后才能进行，过程缓慢，发酵周期延长。3.若直接利用淀粉作原料，灭菌过程的高温会导致淀粉结块，发酵液粘度剧增。,一、淀粉水解糖的概况1、淀粉的组成和特点1）淀粉是一种白色无定形结晶粉末，存在于很多植物组织中。2）淀粉的本质是由很多葡萄糖分子通过-1，4-糖苷键和-1，6-糖苷键连接而成的具有一定层次构造的化学大分子。3）淀粉的本质是碳水化合物，含碳44.4%，含氢6.2%，含氧49.4%。淀粉是由葡萄糖脱水聚合成的，可以表示为（C6H10O5）n。可以分为直链淀粉和支链淀粉两种。,3.1淀粉水解糖的制备,一、淀粉水解糖的概况1、淀粉的组成和特点4）淀粉没有还原性，也没有甜味，不溶于冷水、也不溶于酒精、乙醚等有机溶剂。淀粉在热水中能吸收水分而膨胀，最后淀粉颗粒破裂，淀粉分子溶于水中形成一种糊状胶体溶液，这就是糊化。各种淀粉的糊化温度不一样，如马铃薯淀粉为50%55%，玉米淀粉为55%62.5%，大米淀粉为62%69%。淀粉中含有较高的水分，如马铃薯淀粉含水约20%。5）利用淀粉质原料制备淀粉要经过粗淀粉的精制过程，因为在粗原料中除淀粉外还含有很多杂质，主要是蛋白质、纤维素、脂类物质、灰分等等。在淀粉厂中可以通过过筛、沉淀、离心等方法予以分离。精制后的淀粉纯度一般为83%84%。淀粉水解糖的原料：薯类（木薯、甘薯、马铃薯等）、玉米淀粉、小麦淀粉、大米淀粉等,3.1淀粉水解糖的制备,一、淀粉水解糖的概况2、淀粉水解的原理在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制的糖液称为淀粉水解糖。淀粉水解糖成分：葡萄糖、麦芽糖等复合二糖、低聚糖、杂质（蛋白质、脂肪等）及其分解产物氨基酸、脂肪酸等。,3.1淀粉水解糖的制备,2、淀粉水解的原理,首先，淀粉水解成葡萄糖会有糊精、低聚糖、麦芽糖等中间产物的生成；其次，反应生成的葡萄糖之间会发生复合反应，生成龙胆糖、异麦芽糖以及其他低聚糖；另外，还有一部分葡萄糖会发生分解反应，生成5羟甲基糠醛，然后再进一步分解为一些有机酸和有色物质。5-羟甲基糠醛是淀粉水解液色素产生的根源。,（1）水解过程：淀粉的水解反应是淀粉糖化过程中的主要反应。总反应式：(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6过程：(C6H10O5)n(C6H10O5)xC12H22O11C6H12O6淀粉糊精麦芽糖葡萄糖H+对作用点无选择性，-1,4-糖苷键和-1,6-糖苷键均被切断。,2、淀粉水解的原理,（2）葡萄糖的复合反应在淀粉水解过程中，一部分葡萄糖在热和酸的作用下可以发生聚合反应，生成一些二糖等低聚糖，这就是淀粉水解过程中的葡萄糖的复合反应。这里的二糖，一般不是2分子葡萄糖通过-1，4-糖苷键聚合成的麦芽糖，而是其他二糖，如通过-1，6-糖苷键聚合成的异麦芽糖，通过-1，6-糖苷键聚合成的龙胆二糖等等。这种复合反应是可逆的。工业生产常利用其逆反应，将水解糖液适当稀释，并加酸再水解一次，然后经中和、脱色、过滤再作为发酵培养基碳源，以提高葡萄糖的利用率。葡萄糖的复合反应对发酵是有害的。,2/jing/C76/zcr-1.htm,2、淀粉水解的原理,（3）葡萄糖的分解反应在淀粉的水解过程中，葡萄糖除发生聚合反应外，还发生较弱的脱水反应，生成5-羟甲基糠醛，5-羟甲基糠醛不稳定，又进一步分解成乙酰丙酸、甲酸等，这些物质相互聚合，或与氨基酸聚合，生成有色物质。,2、淀粉水解的原理,2/jing/C76/zcr-1.htm,（1）降低了葡萄糖的收率。（2）给产物的提取和糖化液的精制带来困难。复合反应：生成的多数复合糖不能被微生物利用，使发酵结束时残糖高。分解反应：生成的5羟甲基糠醛是产生色素的根源，增加了糖化液精制脱色的困难。,不利影响,淀粉葡萄糖复合二糖5羟甲基糠醛复合低聚糖有机酸、有色物质损失葡萄糖量71,复合反应,分解反应,盐酸,如何控制分解反应和复合反应的发生？（1）淀粉乳浓度（2）酸浓度不能过高（3）温度,2/jing/C76/zcr-1.htm,二、淀粉水解糖的制备方法及原理水解方法：酸水解法、酶水解法、酸酶水解法1）酸水解法（acidhydrolysismethod)：又称酸糖化法，是一种传统的水解方法，以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解葡萄糖的方法。优点：生产工艺简单、设备简易、生产周期短、设备生产能力大等特点。缺点：A要求耐腐蚀、耐高温、耐高压的储备；B淀粉转化率低；C给产物的提取和糖化液的精制带来困难；D对淀粉原料要求严格。,3.1淀粉水解糖的制备,淀粉酸水解法工艺流程,水,淀粉,盐酸,调浆,糖化,蒸汽,中和脱色,活性炭,冷却,压滤,滤渣,碳酸钠,糖液,糖化工艺的条件是根据淀粉水解和葡萄糖复合与分解反应的规律性决定的。选择工艺条件应尽量减少复合与分解反应，提高原料利用率，提高糖液浓度。,淀粉酸水解法工艺条件的确定,A淀粉原料的选择B无机酸的选择和用量C水解的温度与压力D淀粉乳浓度E糖化终点,工艺条件,DE值：dextroseequivalentvalue（葡萄糖当量值）表示淀粉糖的含糖量。还原糖含量（）DE值100干物质含量（）,二、淀粉水解糖的制备方法及原理水解方法：酸水解法、酶水解法、酸酶水解法2）酶水解法（enzymehydrolysismethod)：用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。该法采用专一的酶制剂为催化剂，反应条件温和，复合分解反应较少，可提高原料的转化率及糖液浓度，改善糖液质量，是目前是最理想的淀粉水解糖制备方法。,3.1淀粉水解糖的制备,酶水解法分两步：（1）液化(liquification)：用-淀粉酶将淀粉转化为糊精和低聚糖（2）糖化（saccharification）：用糖化酶（又称葡萄糖淀粉酶）将糊精和低聚糖转化为葡萄糖。所以，淀粉的液化和糖化均在酶作用下进行，又称双酶法(doubleenzymehydrolysismethod)。,酶水解法,双酶水解法的主要设备和工艺流程（参考韦革宏等.发酵工程,2008）,1.调降配料槽;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.灭菌罐;12.板式换热器;13.糖化暂贮罐;15.压滤机;16.糖化暂贮罐;18.贮糖罐；19.水;20.蒸汽;21.-淀粉酶;22.氯化钙;23.碱液;24.淀粉;25.糖化酶,（1）液化（liquification）淀粉酶（amylase)水解底物内部的1,4糖苷键，不能水解1,6糖苷键，一般采用耐高温淀粉酶，使液化速度加快。,酶水解法,液化理论,（1）淀粉的糊化：分三个阶段（预糊化；糊化；溶解）。（2）淀粉的老化：是分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新氢键的过程，也就是一个复结晶的过程。,酶水解法,对淀粉老化有影响的因素？,1)直链淀粉易老化,支链淀粉不易老化。（小麦、玉米）2)一般情况下DE值越小，越易老化。3)碱性条件会抑制淀粉老化。4)在高温条件下，淀粉不易老化。（一般大于60）5)快速升温或快速降温，淀粉不易老化。6)淀粉糊浓度过高，易发生老化。,液化理论,（3）液化温度在进行液化时应该尽量采取相对高一些的温度，原因：1)淀粉的彻底糊化必须在高温下才能完成。2)高温可以提高酶的活力，加快水解速度。3)减少不溶性微粒的产生。4)克服淀粉老化。5)蛋白质絮凝好。6)可以阻止小分子前体物质的生成，有利于提高葡萄糖收率。,酶水解法,液化理论,（4）液化方法与选择,酶水解法,（P69）,间歇液化法,半连续液化法,喷射液化法,液化方法,蒸汽喷射液化器,1.糖液的DE值低（-淀粉酶不能水解-1,6糖苷键）2.液化在较高温度下进行，液化时间加长，淀粉老化，使糖化酶难以利用。3.糖化酶水解的底物分子要求有一定的大小范围。,液化程度的控制（液化后需糖化的原因）,酶水解法,液化工艺,浓度：30%（17Be）pH：6.5酶用量：一次0.03%,二次0.02%(固形物)喷射温度：一次95,层流罐保温60min；二次145,保温3-5min二次液化温度：95-97,保温30min,酶水解法,根据生产经验，DE值在2030之间为好，液化终点可通过碘液判断，此时呈棕色。,（2）糖化（saccharification）糖化酶从非还原性末端水解-1,4糖苷键和-1,6糖苷键。终点确定：DE值达最高时，停止酶反应。,酶水解法,糖化理论,（1）糖化温度和pH：取决于糖化酶的性质。（2）加酶量：生产采用30%淀粉时，用酶量按80-100u/g干淀粉计。（3）液化液DE值的影响（4）异淀粉酶（isoamylase)的影响,酶水解法,糖化终点控制,检测糖化终点的方法：把无水乙醇滴入糖化液中，无白色沉淀则达到糖化终点。糖化达到终点后，一般加热到80，保温20min灭酶，阻止糖化酶进一步作用，达到控制反应终点的目的。,酶水解法,糖化工艺,酶水解法,液化,过滤,灭酶,糖化,成品糖液,糖化设备及操作简单，一般在敞口的装有搅拌和保温装置的糖化锅内进行。,3.酶水解法评价优点：（1）反应条件温和，不需高温、高压设备。（2）副反应少，水解糖液纯度高。（3）对原料要求粗放，可用粗原料并在较高淀粉乳浓度下水解。（4）糖液颜色浅，质量高。（5）由于微生物酶制剂菌体细胞的自溶，俣得糖液的营养物质较丰富，简化了发酵培养基。,酶水解法,3.酶水解法评价缺点：（1）生产周期长，一般48h；（2）需要更多的设备，且操作严格；（3）由于酶本身是蛋白质，易造成糖液过滤困难。,但是，随着酶制剂生产及应用技术的提高和酶制剂的大量生产，酶水解法制糖逐渐代替酸水解法制糖，已成为淀粉水解制糖的一个发展趋势。,酶水解法,二、淀粉水解糖的制备方法及原理水解方法：酸水解法、酶水解法、酸酶水解法3）酸酶水解法（acid-enzymehydrolysismethod)：集酸解法和酶解法的优点而采取的生产工艺。,3.1淀粉水解糖的制备,根据原料淀粉性质分：（1）酸酶法：先将淀粉酸水解成糊精和低聚糖，再用糖化酶将其水解为葡萄糖。适用：淀粉颗粒坚硬（如玉米、小麦）的原料，若用-淀粉酶液化，短时间液化，反应往往不彻底。优点：对液化液要求不高，液化速度快，可采用较高的淀粉乳浓度，提高了生产效率；用酸量较少，产品颜色浅，糖液质量高。,3）酸酶水解法（acid-enzymehydrolysismethod)：,（2）酶酸法：先用-淀粉酶液化，再用酸水解。适用：颗粒大小不一（如碎米淀粉）的淀粉原料，若用酸法，则水解不均匀。优