04 第四章 淀粉水解糖的制备工艺.ppt

第1页：第四章淀粉制糖工艺教学内容

本章教学内容：

• 淀粉水解糖的制备方法
• 淀粉酸水解工艺
• 酶解法制糖工艺
• 糖化

第2页：淀粉水解制糖的必要性

发酵工业原料以淀粉或糖质为主，而许多微生物并不能直接利用淀粉：

• 氨基酸生产菌几乎都不能直接利用（或只能微弱利用）淀粉和糊精
• 酒精发酵中酵母菌也不能直接利用淀粉或糊精，必须先水解成淀粉糖
• 抗生素、有机酸、有机溶剂及酶制剂发酵同样要求对淀粉进行加工处理
• 少数微生物能直接利用淀粉，但需先分解出胞外淀粉酶，过程缓慢、周期过长，实际生产不予采用

原料包括玉米淀粉、谷物、马铃薯、木薯淀粉，水解路径为：淀粉 → 蓝糊精 → 红糊精 → 无色糊精 → 麦芽糖 → 葡萄糖，反应式 (C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆（酸或酶催化）。

第3页：DE值与淀粉水解的三种方法

DE值（葡萄糖值）

糖化液中的还原糖含量（以葡萄糖计算）占干物质的百分率，即 DE 值 = 还原糖含量 / 干物质含量 × 100%，工业上用它表示淀粉糖的糖组成。

酸解法

又称酸糖化法，以酸为催化剂在高温下将淀粉水解转化为葡萄糖（优缺点见教材 P46）。

制糖原料主要有薯类、玉米、小麦、大米等富含淀粉的农产品。根据原料淀粉性质及催化剂不同，淀粉水解为葡萄糖的方法有酸解法、酶解法、酸酶结合法三种。

第4页：酶解法制糖的两个步骤

酶解法

利用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的方法，分为两步。

1. 第一步：利用 α-淀粉酶将淀粉液化
2. 第二步：利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解转化为葡萄糖

生产上这两步分别称为液化和糖化，由于均在酶的作用下进行，酶解法又称为双酶法或多酶法。

第5页：酶解法制糖的优缺点

酶解法的优点：

• 在酶的作用下进行，反应条件温和，不需要耐高温高压或耐酸腐蚀的设备
• 酶催化专一性强、副反应少，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：酸解法一般用 10—12 Bx（含 18%—20% 淀粉），酶解法可用 20—23 Bx（含 34%—40% 淀粉），且可采用粗原料
• 糖液较纯净、颜色浅、无苦味、质量高，有利于糖液的充分利用

缺点：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。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。

第6页：酸酶结合法与酸水解工艺导览

3、酸酶结合法：集中了酸解法和酶解法制糖的优点，又可分为酸酶法和酶酸法两类，各有其适用范围。

下面进入二、淀粉酸水解工艺，包括酸水解法原理与酸水解工艺两部分。

第7页：酸水解法原理与三大化学反应

1、酸水解法原理：淀粉依次水解为蓝糊精、红糊精、无色糊精、麦芽糖，最终生成葡萄糖。

水解过程中存在三大化学反应：

1. 水解反应：淀粉 → 葡萄糖
2. 复合反应：葡萄糖 → 复合二糖、复合低聚糖
3. 分解反应：葡萄糖 → 5-羟甲基糠醛 → 有机酸、有色物质

第8页：直链淀粉与支链淀粉的结构

直链淀粉

占 15%—25%，葡萄糖单元以 α-1,4 糖苷键连接，水解可生成麦芽糖、纤维二糖。

支链淀粉

占 75%—85%，分支点以 α-1,6 糖苷键连接，水解可生成异麦芽糖、龙胆二糖。

本页为淀粉分子结构式图示，具体键接方式请对照原课件结构图。

第9页：影响水解反应速度的因素

1、水解反应：(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆（酸催化）。

影响水解反应速度常数 k 的因素：k = α·N·δ·λ，其中 α 为催化剂活性系数，N 为酸的摩尔浓度，δ 为多糖的水解性常数，λ 为水解温度。

说明：源文件本页 δ 值为连续文本，稻草与半纤维素、蔗糖的对应数值推定如上，建议对照教材 P48—P49 原表复核。

第10页：水解温度对反应速度的影响与复合反应

结论：淀粉水解所用的催化剂种类、浓度、反应温度均对水解反应速度有很大影响，是水解过程中必须注意的主要因素。

2、葡萄糖的复合反应：2C₆H₁₂O₆ → C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O（酸和热）。两个葡萄糖分子复合时并非经 1,4-糖苷键聚合成麦芽糖，而主要经由 1,6-糖苷键聚合成异麦芽糖或龙胆二糖。该复合反应可逆，复合糖可再水解变成葡萄糖。

第11页：影响复合反应的因素

影响复合反应的因素主要有糖浓度（淀粉乳浓度）、酸种类、酸浓度和温度等。课件给出淀粉乳浓度与糖液纯度、复合糖量的关系曲线，以及 HCl、HAc、H₂SO₄ 在不同酸浓度下的复合糖生成量对比（结论见教材 P50）。

一般而言，糖浓度越高复合糖生成越多，酸种类与浓度也显著影响复合反应程度，应在工艺上加以抑制。

第12页：葡萄糖的分解反应与色素生成

3、葡萄糖的分解反应：葡萄糖失水生成 5′-羟甲基糠醛和甲酸，进而与氨基酸作用生成腐植质（色素）。

实验结果证明：

1. 5′-羟甲基糠醛是产生色素的根源
2. 色素的生成量随葡萄糖浓度的增加而增加（教材 P52 表）
3. pH 值等于 3 时，色素的生成量最小（教材 P51 表）

酸法水解淀粉过程中，反应温度、压力过高、时间过长时，葡萄糖受酸和热影响发生分解，生成性质不稳定的 5′-羟甲基糠醛，又可进一步分解生成乙酰丙酸、蚁酸等物质，这些物质相互聚合或与淀粉中其他有机物结合，产生色素。

第13页：酸法糖化工艺流程

1）酸法糖化工艺流程（教材 P52 图 4-3）：

淀粉 →（水、盐酸）调浆 →（蒸汽）糖化 → 冷却 → 中和（Na₂CO₃）→ 脱色（活性炭）→ 压滤 → 滤渣分离、得糖液

淀粉的酸水解工艺是根据水解反应和复合反应的规律性决定的。制定工艺条件时既要保证淀粉彻底水解、达到较高葡萄糖量，又要尽可能减少葡萄糖的复合与分解反应，同时还要符合目的产物的发酵条件与发酵工艺实际情况。

第14页：水解条件的选择与控制

2）水解条件选择及其控制包括淀粉的质量（教材 P53 表）、淀粉乳浓度的选择、酸的种类和用量。

由表可知，淀粉乳浓度越低 DE 值越高，生产中浓度一般控制在 18—19 Bx。各种酸催化作用各有利弊，一般用 HCl，用量为淀粉量的 0.5%—0.8%。

第15页：酸法水解的加酸方式

问题：酸法水解淀粉中，加酸的方法有哪几种，哪一种较好，为什么？

• 将所有的酸一次投入淀粉浆中，泵入糖化锅
• 将全部酸用水稀释，先放入锅内，再泵入粉浆进行糖化
• 将部分酸（如 1/3 左右）用水稀释放入锅内，其余酸放入粉浆中，再泵入糖化锅糖化

课件同时给出调浆槽、糖化锅与盐酸计量器的设备示意（水、排气、蒸汽走向见原图）。

第16页：糖化的温度、压力与时间

糖化温度、压力和时间：

• A、淀粉水解用蒸汽直接加热进行，温度与淀粉的水解速度成正比
• B、生产中常以压力为控制条件，糖化锅内不存在不凝性气体时，温度与压力为同一指标

C、掌握糖化终点、控制糖化时间十分重要。根据实践经验，采用高温、短时间、蒸汽压力 0.25—0.40 MPa 较为适宜。

第17页：糖化终点的控制

结论：根据实践经验，采用高温、短时间、蒸汽压力 0.25—0.40 MPa。

C、掌握糖化终点、控制糖化时间十分重要。课件给出 DE 值随糖化时间变化的曲线：糖化初期 DE 值上升，达到最高点后因复合与分解反应反而下降。

问题：糖化时如何保证整锅糖液有最高的葡萄糖值，即如何保证糖化液的质量最好、纯度最高？

第18页：糖化终点的检查方法与杂质影响

思考：淀粉原料中可能含有哪些杂质，它们对糖液质量和酸的催化作用有何影响？糖化时为何必须严格控制终点，如何检查糖化终点？

第19页：水解糖液的中和问题

3）水解糖液的中和、脱色和过滤——中和环节需弄清：

• A、中和的目的
• B、中和剂的选择
• C、中和过程终点 pH 值的确定
• D、中和 pH 值过高或过低会产生什么结果
• E、糖液中和的温度能否过高，生产中一般控制在多少温度

第20页：水解糖液的脱色与过滤

脱色：A、为什么要对糖液进行脱色处理？B、工业上常采用什么脱色剂（一般为活性炭）？

过滤：A、说说过滤的目的？B、工业上常采用什么过滤设备？

图 4-4 为某味精厂的直接加热连续糖化酸水解工艺实例，目前国内淀粉酸水解糖化工艺基本上还属于间歇单罐糖化法。

第21页：酸水解糖化工艺流程图与设备

酸水解糖化工艺流程（教材 P57 图 4-4），设备位号如下：

• 1、4—调浆槽
• 2—糖化锅炉
• 3—冷却罐
• 5—过滤机
• 6—糖液暂贮罐
• 7—糖液贮罐
• 8—盐酸计量器
• 9—水力喷射器
• 10—水槽

流程中投入淀粉、水、纯碱、活性炭，通入蒸汽并设排气、冷却水，最终得到糖液。

第22页：CPR式连续糖化流程

图 4-5 为 CPR 式连续糖化流程，日本和欧美一些国家的很多工厂已采用连续糖化法。主要设备包括：

• 淀粉乳贮罐、淀粉乳调节槽、硫酸稀释罐
• 粗滤器、定量泵
• 蒸汽喷射加热器、维持罐、蛇管
• 控制阀、分离器与贮罐
• 等压管、流量计、压力表、温度计

流程投入软水、淀粉、硫酸并通入蒸汽，设排气口连续排出不凝性气体。

第23页：间歇式与连续式糖化方式比较

第24页：酶解法制糖工艺的优点

由酸法水解工艺可知，以淀粉为原料用酸水解制备糖液，因需要高温、高压和催化剂，会产生一些不可发酵性糖及一系列有色物质，既降低淀粉转化率，又使糖液质量差。

自 60 年代以来，国外在酶水解理论研究上取得新进展，日本率先实现工业化生产，随后其他国家相继采用这一先进制糖工艺。

酶解法的优点：以作用专一性的酶制剂作催化剂，反应条件温和，复合和分解反应较少，不仅可提高淀粉转化率及糖液浓度，还可大幅度改善糖液质量，是目前最为理想、应用最广的制糖方法。

第25页：淀粉酶解法的液化与糖化两步

1、淀粉酶解法的两个步骤：

第26页：淀粉的糊化与液化前处理

淀粉的糊化

指淀粉受热后颗粒膨胀、晶体结构消失、互相接触变成糊状液体，即使停止搅拌也不再沉淀的现象。

由于淀粉颗粒的结晶性结构对酶作用的抵抗力非常强，不能使淀粉酶直接作用于淀粉，而需要先加热淀粉乳，使淀粉颗粒吸水膨胀、糊化，破坏其结晶结构，这就是液化前必须先加热淀粉乳的原因。

第27页：糊化温度与淀粉的老化

糊化温度

发生糊化现象时的温度称为糊化温度，一般有一个范围，玉米、马铃薯、木薯、小麦等不同淀粉的糊化温度各不相同。

老化

分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结晶过程（影响因素见教材 P59）。

思考：老化程度可通过冷却时结成的凝胶状态表示，试比较玉米、马铃薯、木薯、小麦淀粉老化的难易。

第28页：液化方法的分类与选择

2）液化的方法与选择（教材 P60 图 4-6）：按水解动力分为机械力（机械液化法）、酸催化（酸法）、酶催化（酶法）和酸酶法。

• 按升温方式：喷射液化法、半连续液化法（高温液化法、喷淋法）、间歇液化法（直接升温法）
• 按加酶方法：三次加酶、两次加酶、一次加酶液化法
• 按酶耐温性：中温酶法、高温—中温酶法、高温酶法
• 按原料粗细：精制淀粉液化法、淀粉原料直接液化法
• 按喷射器型式：高压蒸汽喷射液化法、低压蒸汽喷射液化法

第29页：两次加酶喷射液化工艺

两次加酶喷射液化工艺（DDS 公司，教材 P62 图 4-12）：

配料罐 → 喷射液化器（95—97 ℃）→ 保温罐 → 二次喷射（145 ℃）→ 二次液化罐

流程中分段加入淀粉酶并多次通入蒸汽。实验表明，该工艺可大大降低糖液的粘度，便于糖液过滤。

思考：1、比较酸法液化与酶法中喷射液化法；2、说说喷射液化的基本条件和优点；3、说说两次加酶的好处（教材 P63）。

第30页：低压蒸汽喷射液化的工艺流程

3、低压蒸汽喷射液化工艺及条件——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 →（糖化）

设备与温度：配料罐 → 喷射液化器（95—97 ℃）→ 保温罐 → 二次喷射（145 ℃）→ 二次液化罐。

第31页：低压蒸汽喷射液化的操作条件

在配料罐内将淀粉加水调浆成淀粉乳，用 Na₂CO₃ 调 pH 使处在 5.0—7.0 之间，加入 0.15% 的氯化钙作为淀粉酶的保护剂和激活剂，最后加入耐高温 α-淀粉酶，搅拌均匀后用泵打入喷射液化器。

• 一次喷射：料液与高温蒸汽直接接触，短时间升温至 95—97 ℃
• 保温罐保温 60 min，温度维持 95—97 ℃
• 二次喷射：温度迅速升至 145 ℃ 以上，在维持罐内维持 3—5 min，彻底杀死耐高温 α-淀粉酶
• 经真空闪急冷却进入二次液化罐，降温至 95—97 ℃ 后再加入耐高温 α-淀粉酶，液化约 30 min
• 用碘呈色试验合格后结束液化

第32页：喷射液化工艺的特点

工艺特点：利用喷射器将蒸汽喷射入淀粉乳薄膜，短时间内快速升温至 145 ℃，完成糊化、液化，使形成的“不溶性淀粉颗粒”在高温下分散、数量大为减少，所得液化液既透明又易于过滤，淀粉出糖率高；同时采用真空闪急冷却，提高了液化液浓度。

思考：1、液化过程中为何要加入氯化钙，浓度为多少？2、淀粉液化约需多少时间，液化温度多少？

第33页：α-淀粉酶的pH与温度特性

淀粉液化条件对酶反应的影响包括淀粉颗粒状态、pH 值与温度、金属离子等。课件给出 α-淀粉酶活力与 pH 的关系曲线（pH 约 5.7 时活力最高）以及活力与温度的关系曲线（结论见教材 P64，总结见 P65）。

思考：1、酶解包括哪两个步骤，分别用何种酶，水解有无先后次序？2、液化前为何得先加热淀粉乳？3、说说最佳液化的温度和 pH？

第34页：液化程度的控制

3）液化程度控制需讨论以下问题：

• 淀粉液化过程中，液化程度高好还是低好，为什么
• 淀粉液化的目的与液化程度如何把握
• 液化终点的控制方法，以及不同来源的酶对热的稳定性差异
• 液化结束后为何要进行灭酶处理，如何操作

液化终点可用碘呈色与无水酒精检验判断：淀粉显蓝紫色，蓝糊精显蓝色，红糊精显红色，无色糊精、麦芽糖、葡萄糖均无色；无水酒精中葡萄糖可溶、麦芽糖微溶、各级糊精与淀粉不溶。

第35页：糖化酶的作用与用量

四、糖化：利用糖化酶（也称葡萄糖淀粉酶）将淀粉液化产物糊精及低聚糖进一步水解成葡萄糖的过程。

酶的用量原则：酶活力低、液化液浓度高则用量多，反之则少。生产用量：30% 淀粉时为 80—100 单位/克淀粉。

第36页：糖化曲线与复合反应的抑制

课件给出不同用酶量下的糖化曲线：以糖化时间（h）为横坐标、葡萄糖 DE（%）为纵坐标，用酶量越大，达到最高 DE 值越快（曲线 A、B、C、D）。

葡萄糖的复合反应受温度和 pH 值影响，因酶而异，如曲霉糖化酶为 60 ℃、pH 4.0—5.0。

思考：大生产中为什么选用较高温度、较低 pH 值糖化较好？影响复合反应程度的因素有哪些？为防止葡萄糖复合反应可采取的措施包括：加入能水解 α-1,6 糖苷键的葡萄糖苷酶，并选用较高的糖化 pH（6.0—6.2）。

第37页：糖化工艺条件及控制

2、糖化工艺条件及控制：糖化是在一定浓度的液化液中调整适当温度与 pH 值，加入需要量的糖化酶制剂，保持一定时间，使溶液达到最高的葡萄糖值。

工艺过程：液化 → 糖化 → 灭酶 → 过滤 → 贮糖计量 → 发酵

操作要点：液化结束后迅速用酸将 pH 调至 4.2—4.5，同时迅速降温至 60 ℃，加入糖化酶保温数小时；用无水酒精检验无糊精存在时，将 pH 调至 4.8—5.0，同时加热到 90 ℃ 保温 30 min；然后降温至 60—70 ℃ 开始过滤，滤液进入贮糖罐备用。

第38页：双酶法制糖工艺流程图

双酶法制糖工艺流程（教材 P67 图 4-17），设备位号如下：

• 1—调浆配料槽；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—灭酶罐；12—板式换热器；13—糖化罐
• 15—压滤机；16—糖化暂贮槽；18—贮糖槽

流程投入淀粉、水、碱液、氯化钙、α-淀粉酶与糖化酶，并通入蒸汽，设有回流管路。

第39页：三种水解工艺的优劣比较

总结：说说酸水解法、酸酶法和酶水解法三种不同水解工艺的优劣。

• 从水解糖液的粘度看：以酶解法最低，酸解法最高（温度—粘度关系见图 4-18）
• 从糖液质量、原料利用率、糖收得率、耗能及对粗淀粉原料的适应情况看：酶解法最好，其次是酸酶法，酸法最差
• 从淀粉水解全过程所需时间看：酸法最短，酶法最长

第40页：第四章淀粉制糖工艺结束页

第四章淀粉水解糖的制备工艺内容结束。本章重点为酸解法、酶解法与酸酶结合法三类制糖方法及其工艺条件控制，下一章为培养基的灭菌。