雙酶法制糖工藝流程及控制介紹_2013

1、17/6/2021安全和健康安全和健康 環(huán)境管理環(huán)境管理最高的道德行為最高的道德行為尊重人尊重人杜邦的創(chuàng)立之本杜邦的創(chuàng)立之本核心價(jià)值核心價(jià)值提綱提綱淀粉制糖過(guò)程概述酶的作用機(jī)理液化過(guò)程介紹糖化過(guò)程介紹復(fù)合糖化酶在葡萄糖生產(chǎn)上的作用杰能科的技術(shù)支持7/6/20213CONFIDENTIAL DUPONT生產(chǎn)過(guò)程概述生產(chǎn)過(guò)程概述液化液化 -淀粉酶糖化糖化糖化酶真菌淀粉酶-淀粉酶普魯蘭酶異構(gòu)化異構(gòu)化葡萄糖異構(gòu)酶淀粉淀粉過(guò)濾過(guò)濾濃縮濃縮精制精制F90 高果糖漿高果糖漿F55 高果糖漿高果糖漿精制精制/濃縮濃縮色譜分離色譜分離F42 果葡糖漿果葡糖漿殘余液殘余液谷物谷物7/6/2021淀粉降解酶淀粉降解

2、酶糖化酶糖化酶a- 淀粉酶淀粉酶普魯蘭酶普魯蘭酶真菌淀粉酶真菌淀粉酶或或 淀粉酶淀粉酶葡萄糖異葡萄糖異構(gòu)構(gòu)酶酶什么是酶？什么是酶？是蛋白質(zhì)是蛋白質(zhì)由氨基酸組成的由氨基酸組成的由活的細(xì)胞生產(chǎn)的由活的細(xì)胞生產(chǎn)的具有特殊的具有活性的催化劑，可加速反應(yīng)具有特殊的具有活性的催化劑，可加速反應(yīng)可降低反應(yīng)所需的能量可降低反應(yīng)所需的能量在反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有改變?cè)诜磻?yīng)過(guò)程中沒(méi)有改變?cè)跍睾偷臈l件下操作在溫和的條件下操作專一性和不穩(wěn)定性專一性和不穩(wěn)定性協(xié)同因子協(xié)同因子 酶如何工作酶如何工作: E + S - E:S- E + P一個(gè)特殊的酶與一個(gè)特殊的底物相結(jié)合。一個(gè)特殊的酶與一個(gè)特殊的底物相結(jié)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綁定綁定水解水解釋放釋放葡萄糖葡萄糖pH和溫度對(duì)酶活力和溫度對(duì)酶活力/表現(xiàn)的影響表現(xiàn)的影響9折疊折疊未折疊未折疊圖片源自圖片源自: National Human Genome Research對(duì)于對(duì)于pH和溫度，不同的酶有不同的穩(wěn)定性和溫度，不同的酶有不同的穩(wěn)定性影響酶性能的因素影響酶性能的因素酶的濃度時(shí)間溫度pH底物有些酶需要金屬離子制

4、11酶是如何被生產(chǎn)出來(lái)的？酶是如何被生產(chǎn)出來(lái)的？酶是通過(guò)發(fā)酵過(guò)程被生產(chǎn)出來(lái)的工業(yè)用酶是被從非致病菌生產(chǎn)出來(lái)酶不是活的酶通常被純化、濃縮、穩(wěn)定后出售通常提供給顧客的酶是澄清透明、棕褐色液體酶的典型生產(chǎn)流程酶的典型生產(chǎn)流程典型的原料碳水化合物 (玉米糖漿)蛋白質(zhì) (玉米漿, 大豆)鹽 (PO4, SO4)不要對(duì)酶做什么？不要對(duì)酶做什么？不要儲(chǔ)存在陽(yáng)光下不要長(zhǎng)時(shí)間稀釋和儲(chǔ)存不要和其他酶混合不要加入濃酸或濃堿不要加入氧化劑，如次氯化物或過(guò)氧化氫不要讓蓋子打開(kāi)酶介紹的小結(jié)酶介紹的小結(jié)酶是蛋白質(zhì)酶是蛋白質(zhì)脆弱的通常由細(xì)菌、酵母和霉菌產(chǎn)生不是活的生物催化劑酶由它們作用的底物來(lái)命名受pH和溫度的影響酶在淀粉加

5、工中扮演一個(gè)重要角色酶在淀粉加工中扮演一個(gè)重要角色將淀粉轉(zhuǎn)化成糊精將糊精水解成葡萄糖降低醪液粘度生成氨基酸和多肽，為酵母提供食物麩皮，87%纖維， 麩質(zhì)飼料玉米由玉米由 4部分組成（干物質(zhì)百分比）部分組成（干物質(zhì)百分比）淀粉的分子結(jié)構(gòu)淀粉的分子結(jié)構(gòu)葡萄糖葡萄糖 (C6H12O6) MW = 180直直鏈鏈淀粉淀粉占淀粉的20-30%DP : 2,000-6,000直鏈淀粉都是由- 1,4葡萄糖苷鍵連接的支支鏈鏈淀粉淀粉占淀粉的70-80%DP : 300,000-3,000,000支鏈淀粉絕大多數(shù)由- 1,4葡萄糖苷鍵連接，但是有58%也可以有- 1,6葡萄糖苷鍵連接每個(gè)六邊形代表一個(gè)葡萄糖分

6、子每個(gè)六邊形代表一個(gè)葡萄糖分子 直鏈淀粉 支鏈淀粉玉米 28% 72%大米 17% 83%木薯 17% 83%淀粉的微觀結(jié)構(gòu)淀粉的微觀結(jié)構(gòu) 上圖上圖 (400X) 淀粉顆粒淀粉顆粒 (晶體晶體)尺寸分布尺寸分布 (5 to 40 m)中心有斑點(diǎn)中心有斑點(diǎn)不定的形狀不定的形狀 下圖下圖(偏振光偏振光)馬爾他清晰顯示馬爾他清晰顯示 十字晶體結(jié)十字晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)用用-淀粉酶使直鏈淀粉和支鏈淀粉降解為寡糖的反應(yīng)機(jī)理淀粉酶使直鏈淀粉和支鏈淀粉降解為寡糖的反應(yīng)機(jī)理基本概念基本概念聚合度 DP (Degree of Polymerization)：結(jié)合在一起的葡萄糖分子的數(shù)量，例如: DP1, DP2, ，DP

7、x。干物濃度DS (Dry Solid)：淀粉乳中淀粉的濃度。葡萄糖%DX (Dextrose) ：實(shí)際葡萄糖溶液的濃度, 例如: 95% 。還原糖%(DE)：葡萄糖值（Dextrose Equivalent)。是通過(guò)測(cè)定溶液中還原糖計(jì)算出來(lái)的。 舉例: 如果在溶液中有1000個(gè)葡萄糖分子，所有的分子都是 DP1，則DE=100。如果有相同數(shù)量的分子，有500個(gè)是DP2分子, 則DE降為50。OD是optical density（光密度）的縮寫(xiě)，表示被檢測(cè)物吸收掉的光密度，計(jì)算公式為OD=log10（入射光/透射光）或OD=log10（1/透光率）或OD1og（1trans），其中trans為

8、檢測(cè)物的透光值。 光密度的定義是：入射光強(qiáng)度與透射光強(qiáng)度之比值的常用對(duì)數(shù)值。專業(yè)書(shū)籍則這樣解釋“吸光度”：入射光和透射光的透過(guò)率之比值的常用對(duì)數(shù)值，也稱光密度。分析可見(jiàn)，兩個(gè)概念其實(shí)是一致的，“光密度”就是“吸光度”，且用“光密度”符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，更規(guī)范。 吸光度,absorbance,是指光線通過(guò)溶液或某一物質(zhì)前的入射光強(qiáng)度與該光線通過(guò)溶液或物質(zhì)后的透射光強(qiáng)度比值的對(duì)數(shù)，影響它的因素有溶劑、濃度、 溫度等等吸光系數(shù)與入射光的波長(zhǎng)以及被光通過(guò)的物質(zhì)有關(guān)。只要光的波長(zhǎng)被固定下來(lái)，同一種物質(zhì)，吸光系數(shù)就不變。當(dāng)一束光通過(guò)一個(gè)吸光物質(zhì)（通常為溶液） 時(shí)，溶質(zhì)吸收了光能，光的強(qiáng)度減弱。吸光度就是用來(lái)衡量

9、光被吸收程度的一個(gè)物理量。 吸光度用A表示。 Aabc，其中a為吸光系數(shù)，單位L/(gcm),b為液層厚度（通常為比色皿的厚度），單位cm ， c為溶液濃度，單位g/L 影響吸光度的因數(shù)是b和c。a是與溶質(zhì)有關(guān)的一個(gè)常量。此外，溫度通過(guò)影響c，而影響A。 OD值值液化的定義液化的定義21 液化： 是將淀粉水化并水解到一個(gè)可操作的粘度，并將水解物控制在一定分子量，為在糖化過(guò)程中進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為葡萄糖而準(zhǔn)備的過(guò)程。 凝膠化: 指淀粉顆粒受熱后吸水膨脹。玉米淀粉通常在63C開(kāi)始，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致粉漿粘度的最大化。 糊精化： 在淀粉酶的作用下，隨機(jī)切開(kāi)葡萄糖苷鍵外加釋放一個(gè)水分子。它緊隨著凝膠化的過(guò)程，所產(chǎn)

10、生的短鏈分子被稱為“糊精”。凝膠化 + 糊精化 = 液化7/6/2021耐高溫耐高溫-淀粉酶淀粉酶隨機(jī)水解 -1,4-葡萄糖苷鍵，降低糊化淀粉的粘度，產(chǎn)生可溶糊精和低聚糖。特性: 基因工程提高熱穩(wěn)定性來(lái)源自嗜熱地衣芽孢桿菌(B. licheniformis)和/或 嗜熱脂肪芽孢桿菌(G. stearothermophilus)。無(wú)需添加鈣離子pH有效范圍5.4-6.0.3D結(jié)構(gòu)催化三元組(D231, D328, E261).2個(gè)鈣結(jié)合點(diǎn)- 淀粉酶7/6/2021典型的液化過(guò)程典型的液化過(guò)程蒸汽5-10 min 105-110CpH 5.4 5.9大氣壓初級(jí)液化二級(jí)液化淀粉乳液化酶28-38%

11、DS60-120 min 95C滅酶8-15 DE7/6/2021配料初級(jí)液化初級(jí)液化使淀粉顆粒溶解（糊化）。液化溫度 107 可破壞淀粉和脂肪的復(fù)合體。操控噴射器以保證良好的液化效果（高剪切力、壓差）。獲得聚合度（DP） 2)。酶可以極大地降低所需的能量和反應(yīng)時(shí)間。目的：加熱使淀粉凝膠化或溶解。破壞淀粉顆粒穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。使淀粉的聚合度下降到合理的水平，防止陽(yáng)性反應(yīng)產(chǎn)生。破壞淀粉/脂肪復(fù)合物。7/6/2021二級(jí)液化二級(jí)液化 維持溫度: 95 C 維持時(shí)間: 90-120 minutes目的：使淀粉完全溶解進(jìn)一步使蛋白質(zhì)凝聚為糖化提供均勻一致的底物液化液的DE=13 15液化DE值對(duì)糖化的影響7

12、/6/2021噴射溫度對(duì)噴射溫度對(duì)DE值的影響值的影響0246810121400.511.522.5DE（%）二級(jí)維持時(shí)間二級(jí)維持時(shí)間(小時(shí)小時(shí))103C105C107C110C115C工藝條件：SPEZYME FRED-L 10LU/g7/6/2021液化液化pH的重要性的重要性7/6/2021無(wú)麥芽酮糖的產(chǎn)生。減少化學(xué)品的消耗。降低離子交換的運(yùn)行成本。減少色素的產(chǎn)生和精制的費(fèi)用。好的液化的標(biāo)準(zhǔn)：好的液化的標(biāo)準(zhǔn)：合理的DE值控制，糊精的分子量分布均勻。碘試顏色合格，沒(méi)有藍(lán)色和紫色。蛋白凝聚好，結(jié)塊大且緊密。液體澄清透明，透光率高。液化結(jié)束后，及時(shí)殺滅或抑制淀粉酶的殘余活性。7/6/20212

13、8CONFIDENTIAL DUPONT不不好的液化：好的液化：DE值低，碘試不合格（藍(lán)色和紫色）。糊精分子量分布不均勻。蛋白凝聚差，結(jié)團(tuán)不緊密。不澄清透明，透光率低，冷卻后發(fā)白嚴(yán)重。影響糖化DX值，導(dǎo)致糖化后過(guò)濾困難。液化的改進(jìn)及問(wèn)題解決：液化的改進(jìn)及問(wèn)題解決：調(diào)整噴射溫度。噴射器的調(diào)整：協(xié)調(diào)管開(kāi)度、配件磨損一次噴射改為二次噴射加酶方式：分段加酶增加酶制劑用量調(diào)整干物濃度。檢查工藝參數(shù)（自控校正）：溫度、pH校正、蒸汽壓力淀粉質(zhì)量工藝水中鈣離子濃度典型的糖化過(guò)程典型的糖化過(guò)程96-97+% 葡萄糖漿蒸汽8-15 DE95 C 糖化罐48 96 hourspH 4.0 4.560-62 C冷卻

14、pH 調(diào)節(jié)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盡可能高的轉(zhuǎn)化為葡萄糖，付出最少的成本。理論上，可把淀粉幾乎全部轉(zhuǎn)化為葡萄糖(99%)，但鑒于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，實(shí)際上并達(dá)不到。工工業(yè)化生產(chǎn)葡業(yè)化生產(chǎn)葡萄萄糖的糖的典型條件典型條件7/6/202132CONFIDENTIAL DUPONT糖化酶在糖化過(guò)程中的作用糖化酶在糖化過(guò)程中的作用水解非常緩慢水解非常緩慢普魯蘭酶與糖化酶復(fù)合在一起，可以降低糖化酶的添加量，并降低逆反應(yīng)的發(fā)生。糖化酶糖化酶專一水解a,1-4 葡萄糖苷鍵，從非還原性末端依次逐個(gè)釋放葡萄糖。能水解a,1-6葡萄糖苷鍵，但水解速度很

15、慢。是外切酶。7/6/2021普魯蘭酶在糖化過(guò)程中的作用普魯蘭酶在糖化過(guò)程中的作用普魯蘭酶糖化酶在支鏈淀粉的支點(diǎn)，專一水解a 1-6 葡萄糖苷鍵，不能水解a 1-4 葡萄糖苷鍵，也不導(dǎo)致明顯的逆反應(yīng)。是內(nèi)切酶。普魯蘭酶與糖化酶復(fù)合在一起，可以降低糖化酶的添加量，并降低逆反應(yīng)的發(fā)生。7/6/2021杜邦與梅花集團(tuán)共享資料，僅供內(nèi)部參考，請(qǐng)勿與第三方分享！糖化模式糖化模式7/6/2021普魯蘭酶的重要性合理的配置比例減少糖化酶用量減輕復(fù)合反應(yīng)濃度的控制糖化速度與成本DX糖化酶添加量對(duì)糖化的影響糖化酶添加量對(duì)糖化的影響9091929394959601020304050607080% GlucoseT

16、ime (hr)反應(yīng)條件反應(yīng)條件: 60C, pH 4.2, and 32%DS0.3650.440.772加酶量過(guò)大會(huì)產(chǎn)生明顯的可逆反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)。復(fù)合糖化酶對(duì)葡萄糖收率的影響復(fù)合糖化酶對(duì)葡萄糖收率的影響8889909192939495969798010203040506070A. niger GA, 0.550 L/MT75/25 GA/PULL, 0.550 L/MT40/60 GA/PULL, 0.550 L/MT糖化時(shí)間糖化時(shí)間 (hr)工藝條件60C, pH 4.232% DSDX值更高。糖化速度加快杰能科公司的普魯蘭酶杰能科公司的普魯蘭酶 杰能科普魯蘭酶與糖化酶在溫度和pH上非常

17、匹配和協(xié)調(diào)； 杰能科高活力的普魯蘭酶，可以復(fù)配成高比例的復(fù)合糖化酶； 0 20 40 60 80 100 120 2 3 4 5 6 7 pH 相對(duì)酶活力 0 20 40 60 80 100 120 30 40 50 60 70 80 溫度相對(duì)酶活力 pH對(duì)酶活力的影響 溫度對(duì)酶活力的影響 糖化酶 糖化酶 普魯蘭酶 普魯蘭酶 對(duì)金屬離子相對(duì)遲鈍 pH 的范圍 4.30.2溫度范圍 601.5 干物濃度 28-36%糖化時(shí)間 30-90小時(shí)酶添加量，通常0.08 0.4 GAU/gds酶添加量的范圍由PU:GA的比例決定影響糖化酶和普魯蘭酶反應(yīng)的因素影響糖化酶和普魯蘭酶反應(yīng)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：最適：最適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糖化溫度

19、糖化溫度：最適溫度：最適溫度601939495969726283032343638% 葡萄糖干物濃度 (% ds)工藝條件: 60, pH 4.2, 0.221 GAU/g0 ASPU/g0.075 ASPU/g普魯蘭酶對(duì)糖化收率的影響普魯蘭酶對(duì)糖化收率的影響43讓葡萄糖收率最大化讓葡萄糖收率最大化避免麥芽酮糖減少潘糖替代糖化酶限制濃度提高切枝酶比例44避免麥芽酮糖形成避免麥芽酮糖形成避免麥芽酮糖避免麥芽酮糖45麥芽酮糖的形成：麥芽酮糖的形成：pH、時(shí)間和溫度、時(shí)間和溫度在高pH和高溫下所造成的高度的化學(xué)改性。避免麥芽酮糖避免麥芽酮糖460501001502001234Glucoamylase

20、 activityNumber of glucose units(n)糖化酶的作用糖化酶的作用: 直鏈淀粉直鏈淀粉 vs. 支鏈淀粉支鏈淀粉減少潘糖減少潘糖47淀粉酶的影響：最終淀粉酶的影響：最終DX 值和值和DP332 % DSpH 4.260C減少潘糖減少潘糖48減少潘糖減少潘糖 淀粉酶的滅活：溫度和淀粉酶的滅活：溫度和pH的影響的影響0204060801001200210203060120% Retained ActivityTime (Min)SPEZYME FRED-L Inactivation100 ppm Calcium, pH = 4.260C80C90C95C溫度溫度49淀粉酶滅活對(duì)糖化后淀粉酶滅活對(duì)糖化后DP3的影響的影響淀粉酶的及時(shí)滅活有利于DX值的最大化。減少潘糖減少潘糖5026 %DS液化淀粉，0.12 GAU/g，60808284868890929496981000102030405060708090100糖化時(shí)間（小時(shí)）% DP1 by LC20/80 0.12 GAU/g10/90 0.12 GAU/g5/95 0.12 GAU/g2.5/97.5 0.1