淀粉的化学.docx

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淀粉的化学

淀粉的化学

第二章淀粉

一．淀粉的物理性质

1.颗粒：

淀粉呈白色粉末状，在显微镜下观察是形状和大小各不相同的透明小颗粒，1kg玉米淀粉大约有17000亿个颗粒。

淀粉颗粒形状基本是圆形、椭圆形和多角形。

玉米淀粉的颗粒为圆形和多角形居多，椭圆形较少，故用显微镜大致可以将淀粉种类鉴别出来。

不同品种的淀粉颗粒大小不同，差别很大，同一种淀粉颗粒大小也不均匀，并且相差很多，玉米淀粉最小颗粒约5微米，最大颗粒约26微米，平均为15微米。

玉米淀粉在偏光显微镜下观察，淀粉颗粒呈现黑色十字，玉米淀粉十字交叉点在淀粉颗的中心。

2.水分含量

淀粉含有相当高的水分，玉米淀粉在一般情况下含水份约为12%，含有的水是通过淀粉中的羟基和水分子形成氢键，可以容纳大量的水，因此淀粉含有大量水份，仍呈干燥状态。

不同品种淀粉的水分含量有差别，是由于羟基自行结合和水分子结合成氢键的结合程度不同的缘故。

淀粉的水分含量受周围空气湿度的影响，空气湿度大，淀粉吸收空气中的水汽使水分含量增高，在干燥的天气湿度小，淀粉散失水分，使水分含量低。

随温度升高，湿度降低含水减少。

3.糊化：

淀粉混于冷水中，经搅拌成乳状悬浮液，称之为淀粉乳，若停止搅拌，则淀粉乳慢慢下沉，经过一段时间后，淀粉乳产生沉淀，因淀粉不溶于冷水，同时它的比重大于水的比重，淀粉的比重约为1.6。

若将淀粉乳加热到一定温度，淀粉乳中的淀粉颗粒开始膨胀，偏光十字消失。

温度继续升高时，淀粉颗粒继续膨胀，可达原体积的几倍到几十倍。

由于颗粒的膨胀，晶体结构消失，体积胀大，互相接触，变成粘稠状液体，此时停止搅拌，淀粉也不会沉淀，这种现象称为“糊化”，生成粘稠体称为淀粉糊，发生糊化时的温度称为糊化温度。

玉米淀粉乳的糊化温度为64-72℃，开始的温度为64℃，完成糊化的温度为72℃。

淀粉颗粒大小的不同，其糊化的难易也不同，较大的淀粉颗粒容易糊化，较小的颗粒糊化困难，不能糊化的颗粒称为糊精，不溶于水，也不溶于酒精，称之为醇不溶物。

二.淀粉的化学结构

淀粉的分子式，经过长期大量的研究证明为[C6H10O5]n,淀粉分子的化学结构通过现代的若干新的分析方法和分离方法的测定，确定淀粉是葡萄糖组成的多糖。

组成淀粉的葡萄糖单位是α-D-六环葡萄糖。

主要是由α-1，4键结合而成。

淀粉是由直链淀粉和支链淀粉两种分子结构混合组成

1、直链淀粉：

直链淀粉是指葡萄糖单位按直链形式连接的线性淀粉分子。

每个葡萄糖单位匀以α-1，4键连接成直链状的大分子。

直链淀粉分子大小差别很大，聚合的葡萄糖单位数目约在100-6000之间。

一般为300-800个，同一品种淀粉中的直链淀粉在分子大小方面也有很大差别，不同品种之间的差别更大。

直链淀粉溶液如果遇碘立即呈现蓝色反应，生产中即利用这一特性来鉴别淀粉的存在与否。

但是若加热淀粉至70℃这种蓝色反应消失，冷却后又重现蓝色。

因此可知这种反应并非化学反应，而是一种物理现象。

直链淀粉分子以每6-8个葡萄糖单位形成一圈呈螺旋形状，碘分子被吸于线圈中央。

吸附碘分子的显色反应与直链淀粉分子大小有关。

直链淀粉分子聚合的葡萄糖单位个数在30-35以上的才能呈现蓝色，聚合度8-12的遇碘变红色，聚合度4-6的遇碘不变色，生产中常用淀粉遇碘变色的反应判断DE值，称之为碘反应或碘试，在液化后测试，方法为：

取保温一定时间的液化液适量，降温50℃以下，加0.02N碘液1-2滴，观察所呈现的颜色判断液化液的DE值。

直链淀粉的凝沉性较强，凝沉能使淀粉溶液变浑，出现白色沉淀，粘性下降，这是一个从溶解或水合状态向不可溶状态转化的过程。

在这一过程中，淀粉回复到本来状态，但是却不能恢复其原有特性，及晶状结构，因此我们称之为回生（老化）温度在4℃时是回生的最佳温度，到50℃时回生停止，直链淀粉易于回生，支链淀粉不回生。

回生的淀粉不溶于水，难于被淀粉酶所分解，遇碘也不变蓝色，给液化带来困难。

回生速度和产生回生的程度受直链淀粉分子大小、PH值、温度和盐类等因素的影响。

大分子、浓度低、PH值低、温度低时均易产生回生现象，在生产中应加以注意。

物别是酶法制造淀粉糖，若出现淀粉乳液化困难、糖液过滤困难等情况，皆主要由产生回生现象而引起的。

1、支链淀粉：

支链淀粉具有立体结构，其分子为树枝状支叉的庞大球形物。

聚合的葡萄糖单位约在1000-300万之间，一般约在6000个以上。

所以支链淀粉是天然高分子化合物中最大的一种。

支链淀粉与直链淀粉分子不同之处在于除了直链结构部分中葡萄单位是以α-1，4键连接外，尚存有多个以α-1，6键连接的支链。

支链淀粉的分子比直链淀粉分子大得多，因为一般支链淀粉的支侧链在50个以上，每条分支链大约平均由23-27个葡萄糖单位组成。

支链淀粉各个支链尾端不具有还原性，仅在主链的一端有还原性，即仅有一个还原尾端基，还原性十分薄弱。

支链淀粉与直链淀粉除化学结构上的不同外，在特性方面也存在很多差别。

如支链淀粉易溶于水，生成稳定的溶液，具有很高的粘度。

淀粉糊的粘度主要来自支链淀粉。

一般地说，支链淀粉无凝沉（老化）性，遇碘分子，视吸收碘多少而呈兰紫色乃至紫红色，而且吸附碘量大大低于直链淀粉。

在植物淀粉中，一般含支链淀粉80%左右，而在粘性大的糯米淀粉中，几乎全部是支链淀粉。

三、工业淀粉的化学组成

由于工业淀粉生产是采用分离的方法，将原料中的非淀粉如纤维素、蛋白质、油脂、无机灰分、水溶杂质等分离出去得到淀粉。

但由于分离工艺的不完善，不可能将杂质全部分离出去，故淀粉中还存在一定量的杂质，一般的工业淀粉组成为：

水份：

11-14%

蛋白质<0.4%

可溶蛋白≤0.04%（0.02-0.026%）

脂肪≤0.15%

灰分≤0.12%

PH值4.5-5.5

其中还有几项，但在生产中可不用考虑。

淀粉中的杂质主要影响糖化液的质量，淀粉中的蛋白质，不但中和酸，降低催化效率（酸法制糖）增长糖化时间，又能水解成氨基酸，与还原糖发生“美拉德”反应，生成黑色素，使产品色泽加深，增加精制困难。

酶法生产时，酶中含有微量的蛋白酶，将蛋白质水解成氨基酸增加糖化颜色。

脂肪能升高糊化温度，脂肪为疏水性物质，加热不会凝固，在碱性条件下加热皂化，其粘性很大，能阻止过滤物料的通过，同时不溶性淀粉颗粒是直链淀粉与脂肪酸生成的络合物，因而脂肪的危害相当明显，所以杂质越少越好。

第三章酶

在介绍酶法制糖工艺之前，为更好地理解这套工艺掌握酶的作用是非常重要的，首先对酶有一个基本的认识，对酶的来源，性质，作用，及其对酶活性影响的因素等有一个详细的了解。

一.酶的特性

1.酶的种类

酶是一种由活细胞产生的生物催化剂，具有促进化学反应发生的作用，对能作用于淀粉的酶，统称为淀粉酶。

淀粉糖应用的酶主要以α-淀粉酶、β-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶，都属于水解酶，能水解分子中的葡萄苷键。

淀粉酶不仅能水解淀粉分子，也能水解淀粉的水解产物、糊精、低聚糖、生成麦芽糖和葡萄糖。

2.酶的特性

酶这类生物催化剂，除了具有一般化学催化剂的特性外，还有以下独特优点：

（1）催化效率高，由于酶催化所需的活化能极低，在某些环境中，其催化效率远远大于化学催化剂，它的催化速度可以比化学催化剂高1000万—10万亿倍。

例如：

1gα-淀粉酶结晶可以在65+℃条件下，用短短15分钟使2t淀粉转化为糊精。

（2）专一性强：

酶对作用底物有严格的专一性，因此可以从复杂的原料中加工某一成分，以制取所需的产品。

或者从某种物质中去除不需要的杂质而不影响其他成分。

例如啤酒中的蛋白质可用蛋白酶去除，桔汁中的苦味成分（柚苷）可用柚苷酶分解而不影响风味。

3.作用条件温和：

酶可以在常温常压和温和的酸碱度下，高效地进行催化反应，有利于简化设备，改善劳动条件和降低生产成本。

例如用酸作催化剂催化淀粉水解成葡萄糖，需要在0.25-0.3MPa的蒸气压力和135-145℃的高温下才能进行。

而α-淀粉酶在PH6.0-6.5条件下，85-93℃便可把淀粉水解成糊精再用糖化酶在PH4.5-5.0，55-65℃下便可把糊精水解生成葡萄糖，所以，酶法生产不需耐酸耐压设备及高温高压的反应条件。

4.影响酶催化因素：

（1）温度

温度对于酶促反应速度的影响有两个方面：

一方面当温度升高时，反应速度加快，一般每增高10℃，酶反应速度增加1-2倍。

另一方面，随温度升高，酶也逐步变性失活。

（2）PH值：

酶是两性化合物，其上分布着许多羟基和氨基等酸性碱性基团。

在一定的PH值下，酶的反应速度可达到最大值，这一PH值通常称为该酶作用的最适PH值，高于或低于这一PH值，酶促反应的速度都会降低。

（3）激活剂和抑制剂：

凡能增加酶促反应速度的物质都称为激活剂，Ca2+是α-淀粉酶的激活剂。

凡能与酶的活性部位结合，引起酶促反应速度下降的物质都称为抑制剂。

酶最重要的性质是它的催化能力，通常称为活力，活力不能测定，因活力消失后酶的化学组成和原先一样，不发生变化。

酶所作用的物质称为底物，如淀粉、糊精、低聚糖。

表示酶活力的方法，用“活力单位”表示。

酶制剂中含酶量，即用单位时间内底物的减少或产物的增加量来表示。

二.酶的品种及主要性能介绍

（一）.耐高温α-淀粉酶

以无锡星达生物工程有限公司产品为例，对耐高温α-淀粉酶作如下介绍。

1.作用原理

耐高温α-淀粉酶是一种内切淀粉酶，能随机水解淀粉、可溶性糊精及低聚糖中的α-1，4葡萄糖苷键。

酶作用后可使糊化淀粉的粘度迅速降低，变成液化淀粉，水解生成糊精及少量葡萄糖和麦芽糖。

2.PH值对酶活力及酶稳定性的影响

耐高温淀粉酶稳定PH范围5.0-10.0，有效PH范围5.0-8.0，最适PH范围5.5-7.0。

3.温度对耐高温α-淀粉酶活力及酶稳定性的影响。

在淀粉的喷射液化过程中，耐高温α-淀粉酶在高温下非常稳定，且该酶热稳定性也相当好，可以用于淀粉的间隙液化和连续液化过程中。

其最适作用温度为90℃以上（连续喷射液化中，温度可至100-105℃）。

4.钙离子浓度该酶在钙离子浓度较低时，稳定性相当好，在钙离子浓度为50-70mg/kg时已足够。

所以，用自来水配料时已不需加Ca2+

（二）.糖化酶

以无锡星达生物工程有限公司产品为例，对糖化酶作如下介绍。

1.作用原理

糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，它能将淀粉从非还原性末端水解α-1，4葡萄糖苷键，产生葡萄糖，也能缓慢水解α-1，6葡萄糖苷键，转化成葡萄糖。

2.PH对酶活力及酶稳定性的影响

糖化酶的PH范围为3.0-5.5，最适PH范围为4.0-4.5。

3.温度对酶活力及酶稳定性的影响

糖化酶温度范围为40-65℃，最适温度范围为58-60℃。

4.抑制剂

大部分重金属，如铜、银、汞、铅等都能对糖化酶产生抑制作用。

（三）、细菌淀粉酶（中温α-淀粉酶）

以无锡星达生物工程有限公司产品为例，对细菌淀粉酶（中温α-淀粉酶）作如下介绍

1.作用方式

细菌淀粉酶能水解淀粉分子中的α-1，4葡萄糖苷键，任意切断成长短不一的短链糊精及少量的低分子量糖类、直链淀粉和支链淀粉，均以无规则的形式进行分解，从而使淀粉糊的粘度迅速下降，即“液化”作用，故细菌淀粉酶又称液化酶。

2.PH稳定性

细菌淀粉酶在PH6.0-7.0时较稳定，最适PH6.0，PH5.0以下严重失活。

3.热稳定性

细菌淀粉酶在60℃以下较为稳定，最适作用温度60-70℃，在70-90℃之间，随着温度的升高，其反应速度加快，但失活也加快，适用于最高达90℃的液化过程。

4.与淀粉浓度的关系

淀粉和淀粉的水解产物糊精浓度的增加对细菌淀粉酶活力的稳定性有很大的提高作用，即淀粉浓度增加，酶活力稳定性增加。

5.钙离子浓度对酶活力的影响

钙离子对细菌淀粉酶活力的稳定性有提高作用，没有钙离子，酶活力完全消失。

6.PH稳定性与钙的关系

钙的存在，细菌淀粉酶活力的PH范围增广；不含钙的酶，酶的PH值范围狭窄。

（四）、β-淀粉酶

以无锡星达生物工程有限公司产品为例，对β-淀粉酶