双酶法制糖工艺流程及控制介绍_2013

1、17/6/2021安全和健康安全和健康 环境管理环境管理最高的道德行为最高的道德行为尊重人尊重人杜邦的创立之本杜邦的创立之本核心价值核心价值提纲提纲淀粉制糖过程概述酶的作用机理液化过程介绍糖化过程介绍复合糖化酶在葡萄糖生产上的作用杰能科的技术支持7/6/20213CONFIDENTIAL DUPONT生产过程概述生产过程概述液化液化 -淀粉酶糖化糖化糖化酶真菌淀粉酶-淀粉酶普鲁兰酶异构化异构化葡萄糖异构酶淀粉淀粉过滤过滤浓缩浓缩精制精制F90 高果糖浆高果糖浆F55 高果糖浆高果糖浆精制精制/浓缩浓缩色谱分离色谱分离F42 果葡糖浆果葡糖浆残余液残余液谷物谷物7/6/2021淀粉降解酶淀粉降解

2、酶糖化酶糖化酶a- 淀粉酶淀粉酶普鲁兰酶普鲁兰酶真菌淀粉酶真菌淀粉酶或或 淀粉酶淀粉酶葡萄糖异葡萄糖异构构酶酶什么是酶？什么是酶？是蛋白质是蛋白质由氨基酸组成的由氨基酸组成的由活的细胞生产的由活的细胞生产的具有特殊的具有活性的催化剂，可加速反应具有特殊的具有活性的催化剂，可加速反应可降低反应所需的能量可降低反应所需的能量在反应过程中没有改变在反应过程中没有改变在温和的条件下操作在温和的条件下操作专一性和不稳定性专一性和不稳定性协同因子协同因子 酶如何工作酶如何工作: E + S - E:S- E + P一个特殊的酶与一个特殊的底物相结合。一个特殊的酶与一个特殊的底物相结合。Enzymes lo

3、wer reaction energy by “catching” or binding to the substrate and “stressing” it淀粉淀粉T. reesei 糖化酶糖化酶酶如何工作酶如何工作: E + S - E:S- E + P绑定绑定水解水解释放释放葡萄糖葡萄糖pH和温度对酶活力和温度对酶活力/表现的影响表现的影响9折叠折叠未折叠未折叠图片源自图片源自: National Human Genome Research对于对于pH和温度，不同的酶有不同的稳定性和温度，不同的酶有不同的稳定性影响酶性能的因素影响酶性能的因素酶的浓度时间温度pH底物有些酶需要金属离子制

4、11酶是如何被生产出来的？酶是如何被生产出来的？酶是通过发酵过程被生产出来的工业用酶是被从非致病菌生产出来酶不是活的酶通常被纯化、浓缩、稳定后出售通常提供给顾客的酶是澄清透明、棕褐色液体酶的典型生产流程酶的典型生产流程典型的原料碳水化合物 (玉米糖浆)蛋白质 (玉米浆, 大豆)盐 (PO4, SO4)不要对酶做什么？不要对酶做什么？不要储存在阳光下不要长时间稀释和储存不要和其他酶混合不要加入浓酸或浓碱不要加入氧化剂，如次氯化物或过氧化氢不要让盖子打开酶介绍的小结酶介绍的小结酶是蛋白质酶是蛋白质脆弱的通常由细菌、酵母和霉菌产生不是活的生物催化剂酶由它们作用的底物来命名受pH和温度的影响酶在淀粉加

5、工中扮演一个重要角色酶在淀粉加工中扮演一个重要角色将淀粉转化成糊精将糊精水解成葡萄糖降低醪液粘度生成氨基酸和多肽，为酵母提供食物麸皮，87%纤维， 麸质饲料玉米由玉米由 4部分组成（干物质百分比）部分组成（干物质百分比）淀粉的分子结构淀粉的分子结构葡萄糖葡萄糖 (C6H12O6) MW = 180直直链链淀粉淀粉占淀粉的20-30%DP : 2,000-6,000直链淀粉都是由- 1,4葡萄糖苷键连接的支支链链淀粉淀粉占淀粉的70-80%DP : 300,000-3,000,000支链淀粉绝大多数由- 1,4葡萄糖苷键连接，但是有58%也可以有- 1,6葡萄糖苷键连接每个六边形代表一个葡萄糖分

6、子每个六边形代表一个葡萄糖分子 直链淀粉 支链淀粉玉米 28% 72%大米 17% 83%木薯 17% 83%淀粉的微观结构淀粉的微观结构 上图上图 (400X) 淀粉颗粒淀粉颗粒 (晶体晶体)尺寸分布尺寸分布 (5 to 40 m)中心有斑点中心有斑点不定的形状不定的形状 下图下图(偏振光偏振光)马尔他清晰显示马尔他清晰显示 十字晶体结十字晶体结构构用用-淀粉酶使直链淀粉和支链淀粉降解为寡糖的反应机理淀粉酶使直链淀粉和支链淀粉降解为寡糖的反应机理基本概念基本概念聚合度 DP (Degree of Polymerization)：结合在一起的葡萄糖分子的数量，例如: DP1, DP2, ，DP

7、x。干物浓度DS (Dry Solid)：淀粉乳中淀粉的浓度。葡萄糖%DX (Dextrose) ：实际葡萄糖溶液的浓度, 例如: 95% 。还原糖%(DE)：葡萄糖值（Dextrose Equivalent)。是通过测定溶液中还原糖计算出来的。 举例: 如果在溶液中有1000个葡萄糖分子，所有的分子都是 DP1，则DE=100。如果有相同数量的分子，有500个是DP2分子, 则DE降为50。OD是optical density（光密度）的缩写，表示被检测物吸收掉的光密度，计算公式为OD=log10（入射光/透射光）或OD=log10（1/透光率）或OD1og（1trans），其中trans为

8、检测物的透光值。 光密度的定义是：入射光强度与透射光强度之比值的常用对数值。专业书籍则这样解释“吸光度”：入射光和透射光的透过率之比值的常用对数值，也称光密度。分析可见，两个概念其实是一致的，“光密度”就是“吸光度”，且用“光密度”符合国家标准，更规范。 吸光度,absorbance,是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的对数，影响它的因素有溶剂、浓度、 温度等等吸光系数与入射光的波长以及被光通过的物质有关。只要光的波长被固定下来，同一种物质，吸光系数就不变。当一束光通过一个吸光物质（通常为溶液） 时，溶质吸收了光能，光的强度减弱。吸光度就是用来衡量

9、光被吸收程度的一个物理量。 吸光度用A表示。 Aabc，其中a为吸光系数，单位L/(gcm),b为液层厚度（通常为比色皿的厚度），单位cm ， c为溶液浓度，单位g/L 影响吸光度的因数是b和c。a是与溶质有关的一个常量。此外，温度通过影响c，而影响A。 OD值值液化的定义液化的定义21 液化： 是将淀粉水化并水解到一个可操作的粘度，并将水解物控制在一定分子量，为在糖化过程中进一步转化为葡萄糖而准备的过程。 凝胶化: 指淀粉颗粒受热后吸水膨胀。玉米淀粉通常在63C开始，这一过程会导致粉浆粘度的最大化。 糊精化： 在淀粉酶的作用下，随机切开葡萄糖苷键外加释放一个水分子。它紧随着凝胶化的过程，所产

10、生的短链分子被称为“糊精”。凝胶化 + 糊精化 = 液化7/6/2021耐高温耐高温-淀粉酶淀粉酶随机水解 -1,4-葡萄糖苷键，降低糊化淀粉的粘度，产生可溶糊精和低聚糖。特性: 基因工程提高热稳定性来源自嗜热地衣芽孢杆菌(B. licheniformis)和/或 嗜热脂肪芽孢杆菌(G. stearothermophilus)。无需添加钙离子pH有效范围5.4-6.0.3D结构催化三元组(D231, D328, E261).2个钙结合点- 淀粉酶7/6/2021典型的液化过程典型的液化过程蒸汽5-10 min 105-110CpH 5.4 5.9大气压初级液化二级液化淀粉乳液化酶28-38%

11、DS60-120 min 95C灭酶8-15 DE7/6/2021配料初级液化初级液化使淀粉颗粒溶解（糊化）。液化温度 107 可破坏淀粉和脂肪的复合体。操控喷射器以保证良好的液化效果（高剪切力、压差）。获得聚合度（DP） 2)。酶可以极大地降低所需的能量和反应时间。目的：加热使淀粉凝胶化或溶解。破坏淀粉颗粒稳定的结构。使淀粉的聚合度下降到合理的水平，防止阳性反应产生。破坏淀粉/脂肪复合物。7/6/2021二级液化二级液化 维持温度: 95 C 维持时间: 90-120 minutes目的：使淀粉完全溶解进一步使蛋白质凝聚为糖化提供均匀一致的底物液化液的DE=13 15液化DE值对糖化的影响7

12、/6/2021喷射温度对喷射温度对DE值的影响值的影响0246810121400.511.522.5DE（%）二级维持时间二级维持时间(小时小时)103C105C107C110C115C工艺条件：SPEZYME FRED-L 10LU/g7/6/2021液化液化pH的重要性的重要性7/6/2021无麦芽酮糖的产生。减少化学品的消耗。降低离子交换的运行成本。减少色素的产生和精制的费用。好的液化的标准：好的液化的标准：合理的DE值控制，糊精的分子量分布均匀。碘试颜色合格，没有蓝色和紫色。蛋白凝聚好，结块大且紧密。液体澄清透明，透光率高。液化结束后，及时杀灭或抑制淀粉酶的残余活性。7/6/20212

13、8CONFIDENTIAL DUPONT不不好的液化：好的液化：DE值低，碘试不合格（蓝色和紫色）。糊精分子量分布不均匀。蛋白凝聚差，结团不紧密。不澄清透明，透光率低，冷却后发白严重。影响糖化DX值，导致糖化后过滤困难。液化的改进及问题解决：液化的改进及问题解决：调整喷射温度。喷射器的调整：协调管开度、配件磨损一次喷射改为二次喷射加酶方式：分段加酶增加酶制剂用量调整干物浓度。检查工艺参数（自控校正）：温度、pH校正、蒸汽压力淀粉质量工艺水中钙离子浓度典型的糖化过程典型的糖化过程96-97+% 葡萄糖浆蒸汽8-15 DE95 C 糖化罐48 96 hourspH 4.0 4.560-62 C冷却

14、pH 调节糖化酶添加DS: 28-38%31糖化糖化液化液化7/6/2021 糖化的目的是把液化的淀粉尽可能高的转化为葡萄糖，付出最少的成本。理论上，可把淀粉几乎全部转化为葡萄糖(99%)，但鉴于技术和经济因素，实际上并达不到。工工业化生产葡业化生产葡萄萄糖的糖的典型条件典型条件7/6/202132CONFIDENTIAL DUPONT糖化酶在糖化过程中的作用糖化酶在糖化过程中的作用水解非常缓慢水解非常缓慢普鲁兰酶与糖化酶复合在一起，可以降低糖化酶的添加量，并降低逆反应的发生。糖化酶糖化酶专一水解a,1-4 葡萄糖苷键，从非还原性末端依次逐个释放葡萄糖。能水解a,1-6葡萄糖苷键，但水解速度很

15、慢。是外切酶。7/6/2021普鲁兰酶在糖化过程中的作用普鲁兰酶在糖化过程中的作用普鲁兰酶糖化酶在支链淀粉的支点，专一水解a 1-6 葡萄糖苷键，不能水解a 1-4 葡萄糖苷键，也不导致明显的逆反应。是内切酶。普鲁兰酶与糖化酶复合在一起，可以降低糖化酶的添加量，并降低逆反应的发生。7/6/2021杜邦与梅花集团共享资料，仅供内部参考，请勿与第三方分享！糖化模式糖化模式7/6/2021普鲁兰酶的重要性合理的配置比例减少糖化酶用量减轻复合反应浓度的控制糖化速度与成本DX糖化酶添加量对糖化的影响糖化酶添加量对糖化的影响9091929394959601020304050607080% GlucoseT

16、ime (hr)反应条件反应条件: 60C, pH 4.2, and 32%DS0.3650.440.772加酶量过大会产生明显的可逆反应和复合反应。复合糖化酶对葡萄糖收率的影响复合糖化酶对葡萄糖收率的影响8889909192939495969798010203040506070A. niger GA, 0.550 L/MT75/25 GA/PULL, 0.550 L/MT40/60 GA/PULL, 0.550 L/MT糖化时间糖化时间 (hr)工艺条件60C, pH 4.232% DSDX值更高。糖化速度加快杰能科公司的普鲁兰酶杰能科公司的普鲁兰酶 杰能科普鲁兰酶与糖化酶在温度和pH上非常

17、匹配和协调； 杰能科高活力的普鲁兰酶，可以复配成高比例的复合糖化酶； 0 20 40 60 80 100 120 2 3 4 5 6 7 pH 相对酶活力 0 20 40 60 80 100 120 30 40 50 60 70 80 温度相对酶活力 pH对酶活力的影响 温度对酶活力的影响 糖化酶 糖化酶 普鲁兰酶 普鲁兰酶 对金属离子相对迟钝 pH 的范围 4.30.2温度范围 601.5 干物浓度 28-36%糖化时间 30-90小时酶添加量，通常0.08 0.4 GAU/gds酶添加量的范围由PU:GA的比例决定影响糖化酶和普鲁兰酶反应的因素影响糖化酶和普鲁兰酶反应的因素40ECHIP

18、Model Saccharification With Optimax 4060 VHP 0.46 kg/to ds , 32%DS, 59C88909294969820406080Hours% GlucosepH 3.8pH 4.0pH 4.2pH 4.4pH 4.6糖化糖化pH：最适：最适pH 4.2-4.441Peak Glucose By Saccharification At 32% DS With Optimax 4060 VHP At 0.46 kg/to ds8890929496983.63.84.04.24.44.64.8pH% Glucose59C61C63C65C糖化温度

19、糖化温度：最适温度：最适温度601939495969726283032343638% 葡萄糖干物浓度 (% ds)工艺条件: 60, pH 4.2, 0.221 GAU/g0 ASPU/g0.075 ASPU/g普鲁兰酶对糖化收率的影响普鲁兰酶对糖化收率的影响43让葡萄糖收率最大化让葡萄糖收率最大化避免麦芽酮糖减少潘糖替代糖化酶限制浓度提高切枝酶比例44避免麦芽酮糖形成避免麦芽酮糖形成避免麦芽酮糖避免麦芽酮糖45麦芽酮糖的形成：麦芽酮糖的形成：pH、时间和温度、时间和温度在高pH和高温下所造成的高度的化学改性。避免麦芽酮糖避免麦芽酮糖460501001502001234Glucoamylase

20、 activityNumber of glucose units(n)糖化酶的作用糖化酶的作用: 直链淀粉直链淀粉 vs. 支链淀粉支链淀粉减少潘糖减少潘糖47淀粉酶的影响：最终淀粉酶的影响：最终DX 值和值和DP332 % DSpH 4.260C减少潘糖减少潘糖48减少潘糖减少潘糖 淀粉酶的灭活：温度和淀粉酶的灭活：温度和pH的影响的影响0204060801001200210203060120% Retained ActivityTime (Min)SPEZYME FRED-L Inactivation100 ppm Calcium, pH = 4.260C80C90C95C温度温度49淀粉酶灭活对糖化后淀粉酶灭活对糖化后DP3的影响的影响淀粉酶的及时灭活有利于DX值的最大化。减少潘糖减少潘糖5026 %DS液化淀粉，0.12 GAU/g，60808284868890929496981000102030405060708090100糖化时间（小时）% DP1 by LC20/80 0.12 GAU/g10/90 0.12 GAU/g5/95 0.12 GAU/g2.5/97.5 0.1