300吨淀粉酶工厂的初步设计开题报告.docx

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300吨淀粉酶工厂的初步设计开题报告

毕业设计开题报告

300吨淀粉酶工厂的初步设计

一、文献综述

1、研究的目的和意义

1.1目的

通过对淀粉酶性质及其发酵生产工艺参数及设备参数的充分认识，了解乳酸生产的原料组成，能源消耗情况；在进行淀粉酶工厂发酵装置设计时根据工厂的实际生产工艺和产能采取的最有效的发酵工艺，合理布局设计，使生产操作可靠性、方便性达到生产要求，降低成本，最终使生产效益最大化。

1.2意义

淀粉酶广泛存在于动物、植物和微生物中[1]，在食品、发酵、纺织和造纸等工业中均有应用，尤其在淀粉加工业中，微生物淀粉酶更是应用广泛并已成功取代了化学降解法；同时，它们也可以应用于制药和精细化工等行业[2]。

淀粉酶的使用已经融入了我们的生活当中。

大量的需求使部分工厂的淀粉生产供不应求。

因此，通过合理的设计淀粉酶生产工艺可以降低淀粉酶生产成本，对淀粉酶生产普及应用及现代社会的可持续发展具有重大的意义。

2、淀粉酶的理化性质

根据淀粉酶对淀粉的水解方式不同[3]，可将其分为α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶等。

其中，α-淀粉酶（α-1，4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶）多是胞外酶，其作用于淀粉时可从分子内部随机地切开淀粉链的α-1，4糖苷键[4]，而生成糊精和还原糖，产物的末端残基碳原子构型为α-构型，故称α-淀粉酶。

α-淀粉酶来源广泛，主要存在发芽谷物的糊粉细胞中[5]，当然，从微生物到高等动、植物均可分离到，是一种重要的淀粉水解酶，也是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。

它可以由微生物发酵制备，也可以从动植物中提取。

不同来源的α-淀粉酶的性质有一定的区别，工业中主要应用的是真菌和细菌α－淀粉酶。

目前，α-淀粉酶已广泛应用于变性淀粉及淀粉糖、焙烤工业、啤酒酿造、酒精工业、发酵以及纺织等许多行业，是一种重要工业用酶。

如在淀粉加工业中，微生物α-淀粉酶已成功取代了化学降解法；在酒精工业中能显著提高出酒率。

其应用于各种工业中对缩短生产周期，提高产品得率和原料的利用率，提高产品质量和节约粮食资源，都有着极其重要的作用[6,7]。

3、淀粉酶的研究现状

我们利用基因工程技术构建了耐酸性淀粉酶和糖化酶的融合基因,并获得了多拷贝此融合基因的白曲霉菌TR12株并加强菌种筛选诱变育种工作。

在pH3.0的AP培养基或在pH4.0的酸性酒精废糟液中,培养液均表现出较高的耐酸性淀粉酶和糖化酶活性[8,9]。

用于固态制曲及酿酒发酵,原材料利用率、发酵速度及产酒率等都得到了较大幅度的提高[10]。

为了使耐酸性一淀粉酶的耐酸特性得到充分发挥,使其优越性能得到更加广泛的利用,同时也为了探讨通过一次发酵过程,制备具有两种较高酶活力的新型酶制剂。

目前，除开展大量常规诱变育种T作外，国外已初步搞清产α-淀粉酶的调控基因，探讨了有关转导转化和基因克隆等育种技术。

将枯草芽孢杆菌重组体的基因引入生产菌株，使α-淀粉酶产量提高7～10倍，并已应用于食品和制酒工业，给选育高产α-淀粉酶菌株开创了新的途径[11]。

4、α-淀粉酶的特性

早在1967年，Jones和Varner就对小麦中α-淀粉酶的活性进行了研究[12]。

不同来源的α-淀粉酶的酶学和理化性质有一定的区别，它们的性质对在其工业应用中的应用影响也较大，在工业生产中要根据需要使用合适来源的酶，因此对淀粉酶性质的研究也显得比较重要。

4.1底物特异性

α-淀粉酶和其它酶类一样，具有反应底物特异性，不同来源的淀粉酶反应底物也各不相同，通常α-淀粉酶显示出对淀粉及其衍生物有最高的特异性，这些淀粉及衍生物包括支链淀粉、直链淀粉、环糊精、糖原质和麦芽三糖等。

4.2最适pH和最适温度

通常情况下α-淀粉酶的最适作用pH一般在2到12之间变化。

真菌和细菌类α-淀粉酶的最适pH在酸性和中性范围内，如芽孢杆菌α-淀粉酶的最适pH为3，碱性α-淀粉酶的最适pH在9～12。

另外，温度和钙离子对一些α-淀粉酶的最适pH有一定的影响，会改变其最适作用范围。

不同微生物来源的仅一淀粉酶的最适作用温度存在着较大差异，其中最适作用温度最低的只有25℃～30℃，而最高的能达到100℃～130℃。

另外，钙离子和钠离子对一些酶的最适作用温度也有一定的影响[13]。

4.3金属离子

α-淀粉酶是金属酶，很多金属离子，特别是重金属离子对其有抑制作用；另外，巯基，N-溴琥珀酸亚胺，p-羟基汞苯甲酸，碘乙酸，BSA，EDTA和EGTA等对仅一淀粉酶也有抑制作用。

4.4电场强度

实验结果表明，不同强度电场导致酶活性增加的效应不同，并且呈非单调性变化。

我们认为，不同强度电场对酶蛋白分子的构象产生了不同影响，处理酶所用的电场能量虽然不足以改变酶蛋白氨基酸序列，但可以改变酶蛋白的构象．姚占全等[14]用不同强度电场处理α-淀粉酶5min，处理后分别在第1天与第1O天测定电场对α-淀粉酶活性的影响。

第1天测定结果表明，电场对酶产生明显影响，而且不同强度电场对α-淀粉酶活性的影响程度不同，在0.5～6.0kV/cm范围内，酶活性随场强增加呈非单调性变化，与对照组相比，变化幅度在5.5%～26.2%之间。

第1O天测定，酶活性变化幅度在0.2％～16.3%之间，表明电场对酶产生的影响经过一定时间后趋于消失。

5、α-淀粉酶的工业应用

α-淀粉酶是淀粉及以淀粉为材料的工业生产中最重要的一种水解酶，其最早的商业化应用在1984年，作为治疗消化紊乱的药物辅助剂。

现在，α-淀粉酶已广泛应用于食品、清洁剂、啤酒酿造、酒精工业、纺织退浆和造纸工业。

5.1在焙烤工业中的应用

各种酶制剂在食品工业中的应用已有上百年的历史，最近几十年α-淀粉酶广泛地应用于焙烤工业中焙烤工业中使用的酶制剂有很多，如蛋白酶、脂肪酶、普鲁兰酶、木聚糖酶、纤维素酶、糖化酶等，但没有一种酶能取代α-淀粉酶在焙烤食品中的应用。

α-淀粉酶用于面包加工中可以使面包体积增大，纹理疏松；提高面团的发酵速度；改善面包心的组织结构，增加内部组织的柔软度；产生良好而稳定的面包外表色泽；提高入炉的急胀性；抗老化，改善面包心的弹性和口感；延长面包心储存过程中的保鲜期。

面包等焙烤食品储存一定时间后逐渐变干变硬，易碎，风味变差，这些都是由于面包的陈化造成的，每年由于面包老化造成巨大的损失。

在使用α-淀粉酶时，对其加入量要求比较严格，稍微过量就会导致面包等焙烤食品粘度的增加。

因此，最近人们逐渐使用中温α-淀粉酶，由于其最适作用温度在50℃～70℃左右，所以其在淀粉糊化时具有活性，而在焙烤过程中则会逐渐失活，最终在焙烤完成时活性丧失。

而且，在加工过程中α-淀粉酶会水解淀粉生成聚合度在4～9的糊精，这些糊精也具有抗老化性。

但是，现在中温α-淀粉酶仅能从极少的一些微生物中提取[15,16]。

5.2在啤酒酿造中的应用

啤洒是最早用酶的酿造产品之一，在啤洒酿造中添加α-淀粉酶使其较快液化以取代一部分麦芽，使辅料增加，成本降低，特别在麦芽糖化力低，辅助原料使用比例较大的场合，使用α-淀粉酶和β-淀粉酶协同麦芽糖化，可以弥补麦芽酶系不足，增加可发酵糖含量，提高麦汁率，麦汁色泽降低，过滤速度加快，提高了浸出物得率，同时又缩短了整体糊化时间。

啤洒酿造中糊化时添加α-淀粉酶，在20世纪70年代主要用BF7658α-淀粉酶；80年代用食品级枯草杆菌α-淀粉酶；80年代末，我国无锡酶制剂厂首先生产出耐高温α-淀粉酶，可使副原料比例从原来的30％增加到40％以上，实现了无麦芽糊化，节粮、节能显著，使啤酒行业的综合经济效益得到进一步提高[17]。

5.3在酒精工业上的应用

在玉米为原料生产酒精中添加α-淀粉酶低温蒸煮的新工艺，每生产1t酒精可节煤224.42kg。

又可减少冷却用水，提高出酒率8.8%，酒精成品质量也有显著提高。

酒精生产应用耐高温α-淀粉酶。

采用中温95℃～105℃蒸煮，既可有效地杀死原料中带来的杂菌，降低入池酸度和染菌机率，又可保护原材料中的淀粉组织不被破坏，形成焦糖或其它物质而损失，从而提高原料利用率[18]。

6、淀粉酶的分离提纯

目前酶的分离提纯技术日益成熟，酶的分离纯化一般包括三个基本步骤：

即抽提、纯化、结晶或制剂。

首先将所需的酶从原料中引入溶液，此时不可避免地夹带着一些杂质，然后再将此酶从溶液中选择性地分离出来，或者从此溶液中选择性地除去杂质，然后制成纯化的酶制剂。

以下是一些概括：

细胞破碎：

机械破碎法（捣碎、研磨、匀浆等）、物理破碎法（温度差、压力差、超声波等）（多用于微生物）、化学破碎法（使用甲苯、丙酮、氯仿等有机溶剂以及特里顿、吐温等表面活性剂）和酶促破碎法等等。

酶的提取：

使用盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶剂等 

沉淀分离：

盐析沉淀、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、复合沉淀、选择性变性沉淀。

离心分离：

离心机、离心方法、离心条件等。

过滤与膜分离：

非膜过滤（粗滤、部分微滤）、膜过滤（大部分微滤、反渗透、透析、电渗析）。

层析分离：

吸附、分配、离子交换、凝胶、亲和、层析聚焦等。

电泳分离：

纸电泳、薄层电泳、薄膜电泳、凝胶电泳、自由电泳、等电聚焦等。

萃取分离：

有机溶剂、双水相、超临界、反胶束等。

浓缩结晶：

盐析、有机溶剂、透析、等电点、温度差、金属离子等。

干燥成品：

真空、冷冻、喷雾、气流、吸附等。

[19]

7、淀粉酶的发展前景

7.1固定化淀粉酶

固定化酶在食品技术，生物技术，生物化学和分析化学中的技术日渐重要。

他们比游离酶的优点包括反应物分离容易，产品和反应介质易回收，重复或连续使用。

酶可以固定化到多种不同的载体。

通过吸附，离子和共价键结合等形式。

共价结合法是非常有效的保留酶活性的方法，可以实现固定化[20]。

随着科技的发展，淀粉酶的固定化使用越来越重要，也使大家在这方面的研究更加深入。

8、展望

综上所述，各种淀粉酶作为一种重要的工业用酶，已经广泛应用于淀粉及淀粉基工业中，且已经取得了很好的使用效果。

对缩短生产周期，提高产品得率和原料的利用率，提高产品质量和节约粮食资源，都有着极其重要的作用。

但由于不同来源淀粉酶的性质上的差异，导致了其应用受到一定的局限，如耐高温淀粉酶在高温条件下才能发挥最大活力，在低温和中温时其利用效率很低，从而限制了其应用范围。

另外，不同淀粉酶应用于食品中，其安全性有的尚未完全肯定。

因此，在以后的研究中，可以通过化学方法或生物方法对淀粉酶进行改性，扩展其使用的范围，提高使用效率。

无论如何，随着科技的发展、研究的深入，淀粉酶将会得到更加广泛的应用。

参考文献

[1]钱海丰，赵晓娟，赵心爱．α-淀粉酶基因表达的调控[J]．西北农业学报，2003，12（4）：

87-90．

[2]张刚，汪天虹，张臻峰，等．产低温淀粉酶海洋真菌筛选及研究[J]．海洋科学，2002，26

（2）：

3-5．

[3]陈运中．淀粉酶的性质和分类[J]．武汉粮食工业学院学报，1990，1：

15-22．

[4]M.SabanTanyildizia,DursunOzer,MuratElibol.Productionofbacteriala-amylasebyB.Amyloliquefaciensundersolidsubstratefermentation[J].BiochemicalEngineeringJournal,2007,37:

269-274.

[5]Shin-ichiroMitsunaga,MidoriKobayashi,SatoeFukui.a-Amylaseproductionisinducedbysulfuricacidinricealeuronecells[J].PlantPhysiologyandBiochemistry,2007,45:

922-925.

[6]Arnubio