第三章发酵原料的制备（5月13）
为什么要对发酵原料进行选择？
1、微生物对简单的营养物质能够直接吸收利用。
2、微生物对碳源利用的选择性。
第一节淀粉质原料制备可发酵性糖技术
可发酵性糖主要包括有蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、果糖和半乳糖等。
淀粉质原料的优点：直接将原料中的淀粉分解成可发酵糖，其中蛋白质、微量元素和矿物质也为微生物的生长提供营养。
淀粉质原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等含淀粉原料。
方法：主要有酸水解法、酶水解法和酸酶结合法。
淀粉质原料预处理通常包括蒸煮（液化）、糖化等处理。
一、淀粉质原料制备可发酵性糖的必要性
（1）多种微生物不能直接利用淀粉
发酵工业所用的碳源：玉米粉、淀粉或糖质。
例如：氨基酸和酒精发酵
（2）能利用淀粉的微生物发酵过程缓慢
（3）淀粉质原料中存在的杂质影响糖液的质量
低聚糖类、杂糖
二、淀粉质原料的种类及其组成特点
利用制备可发酵性糖的淀粉质原料有薯类、粮谷类、野生植物类和农产品加工的副产品等。
薯类原料主要有甘薯（又名红苕、地瓜、番薯）、马铃薯（又名土豆、洋芋）、木薯等。
粮谷类原料有玉米、高梁、大麦、小麦、稻谷等。
野生植物类系指橡子、金刚头、土茯苓、芭蕉芋等。
农产品加工副产品主要有米糠、麸皮、各种粉渣等。
三、淀粉质原料的蒸煮
（一）蒸煮的目的：使植物组织和细胞破裂，淀粉由颗粒变成溶解状态的糊液；对原料进行了灭菌作用。
（二）蒸煮物料发生的物理和化学变化
1.淀粉糊化：淀粉的糊化是指淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，
互相接触变成糊状液体，即使停止搅拌，淀粉也不会再沉淀的现象。
2.不同淀粉种类的糊化差异性：直链淀粉溶解在热水中；支链淀粉
3.淀粉的糊化过程
糊精
二、淀粉质原料的糖化
（一）酸解法制备可发酵性糖
酸解法又称酸糖化法。
它是以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。
1.酸解法制备可发酵性糖的优缺点
用酸解法生产葡萄糖，具有生产方便、设备要求简单、水解时间短、设备生产能力大等优点。
1、要求有耐腐蚀、耐高温、耐高压的设备。
2、副反应的发生，造成葡萄糖的损失而使淀粉的转化率降低。
3、淀粉原料要求较严格
2. 酸解条件选择及其控制
（1）淀粉的质量：即使同一种类的淀粉，其内在质量也有区别，所以在糖化工艺条件上也要作适当调整。
（2）淀粉乳浓度的选择：
（3）酸的种类：盐酸、硫酸和草酸。
（4）加酸量。
（5）糖化温度、压力和时间：蒸汽压力0.25-0.40Mpa之间。
（二）酶解法制备可发酵性糖
酶解法是用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。
液化利用α-淀粉酶将淀粉液化转化为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加。
由高分子状态（淀粉颗粒）转变为较低分子状态（糊精），同时淀粉的黏度降低，表现为由半固态变为溶液态。
糖化利用糖化酶将糊精及低聚糖进一步水解转化为葡萄糖
1．酶法制备可发酵性糖的优缺点
优点：①采反应条件较温和。
②专一性强，副反应少。
③可在较高淀粉乳浓度下水解，而且可采用粗原料。
④颜色浅，较纯净，有利于糖液的充分利用。
缺点：反应时间较长（48 h），需要的设备较多；易引起糖液过滤困难。
2.淀粉质原料中淀粉的糊化与液化
糊化-------为糊化温度
液化-------α-淀粉酶的
目前针对淀粉质原料，常用低压蒸汽喷射液化工艺。
低压蒸汽喷射液化工艺流程为：
→
特点：利用喷射器将蒸汽喷射入淀粉乳薄膜，在短时间内通过喷射器快速升温至145℃，完成糊化、液化
3.淀粉糖化工艺条件及控制
糖化------糖化酶（也称葡萄糖淀粉酶）
（三）酸酶结合法制备可发酵性糖
酸酶结合水解法是集中酸法和酶解法制糖的优点而采用的结合生产工艺。
根据原料淀粉性质可采用酸酶水解法或酶酸水解法。
酸酶法是先将淀粉酸水解成糊精或低聚糖，然后再用糖化酶将其水解成葡萄糖的工艺。
酶酸法将淀粉乳先用α-淀粉酶液化到一定的程度，然后用酸水解成葡萄糖的工艺。
3.生料糖化
生料糖化就是借助外界酶作用将生淀粉直接水解为微生物可利用糖。
原料被水解速度依次为大米>小麦>玉米>高粱>木薯>甘薯、马铃薯。
（1）生淀粉水解酶生产菌
淀粉酶是一种包括α-淀粉酶及糖化酶混合物。
生产糖化酶微生物包括Aspergillus niger，Humicola grisea 和Rhizopus oryzae，活性最高的是Aspergillus niger。
生产淀粉酶微生物包括A.niger， A.kawachi，R.niveus，Bacillus circulans和B. polymyxa。
α-淀粉酶活性最高的是Rhizopus oryzae。
（2）生淀粉酶作用机理
直链淀粉在淀粉颗粒中整齐排列在胶囊间隙周围，而支链淀粉则形成结晶性胶囊，结果是淀粉在冷水中不溶解，且不易被水萃取。
（3）生料酒精发酵与传统蒸煮双酶法发酵比较
与蒸煮工艺相比，生料工艺中料液由配料罐直接进入发酵罐，省去喷射器、蒸煮罐及糖化罐；且生料发酵在原料处理时只需较低温度。
第二节非淀粉质原料制备可发酵性糖技术
一、木质纤维素制备可发酵性糖
纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。
不溶于水及一般有机溶剂。
是植物细胞壁的主要成分。
纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。
棉花的纤维素含量接近100%，为天然的最纯纤维素来源。
一般木材中，纤维素占40～50%，还有10～30%的半纤维素和20～30%的木质素。
木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，外观为棉絮状，呈白色或灰白色。
纤维微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性，吸水能力强，有非常优秀的增稠抗裂性能。
水解木质纤维素酶使纤维素和半纤维素分解成为单糖和低聚糖，再通过化学或生物化学法制取乙醇、木糖、木糖醇、糠醛、乙酰丙酸等产品。
（一）纤维素质原料常规预处理方法
常规的预处理的方法主要有物理法，化学法，物理-化学法和微生物法。
超低浓度酸预处理：超低酸水解（≦0.1%）是稀酸水解的一种新型工艺，具有酸浓度非常低，对反应器材质要求相对较低，而且酸液不需要回收，同时水解液中生成的抑制物较少等特点。
电解水预处理法：研究发现纯水在高温条件下会电离使反应液形成一定的酸性，热水在一定压力下可以穿透生物质细胞表皮结构，水解纤维素，去除半纤维素。
其中水的pK a 受反应温度的影响。
如当温度为200 ℃时，pH值大约为5.0 。
由于纯水具有特殊的高介电常数，使离子化半纤维素游离并且分解。
采用电解水预处理的好处是不需要额外的化学试剂的使用。
同时采用控制电解水的pH值的预处理方法相对于酸预处理来说可以很大程度的减少水解得到的寡糖降解降解成副产物，避免水解得到的寡糖在高温条件下生成乙醛、糠醛等物质。
无机盐、缓冲液预处理技术：金属无机盐的添加加速碳水化合物的降解，一是添加无机盐降低溶液的pH值，另外无机盐的添加影响了水的结构，或者盐本身是碳水化合物的降解的一种催化剂。
二、糖蜜制备可发酵性糖
糖蜜是糖厂产糖的副产物，又称糖浆。
是制糖工业将压榨出的甘蔗、甜菜、柑橘、玉米糖等的汁液，经加热、中和、沉淀、过滤、浓缩、结晶等工序制糖后所剩下的浓稠液体。
糖蜜前处理程序包括稀释，酸化，灭菌及澄清等过程。
主要处理方法有加酸通风沉淀法、加热加酸沉淀法、添加絮凝剂澄清处理法三种方法。
糖蜜原料的分类及组成：甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和高级糖蜜等。
甘蔗糖蜜中含有30%～36%的蔗糖和20%转化糖。
甜菜糖蜜含蔗糖5%，转化糖1%。
高级糖蜜是指甘蔗榨汁（糖浆）加入适量的硫酸或用酵母转化酶处理，制成转化糖，该糖蜜由于提高了溶解度，可使糖浓度提高70%～85%。
粗糖蜜；
葡萄糖蜜。
糖蜜的预处理
糖蜜的预处理，包括澄清和脱钙处理。
糖蜜澄清处理：加酸法、加热加酸法和添加絮凝剂澄清处理法几种。
举例：谷氨酸发酵中糖蜜的预处理
谷氨酸发酵中，使用生物素缺陷型菌株，发酵培养基中的生物素为5 μg/L左右，而糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中的生物素含量为1～10μg/g，显然不适合谷氨酸的发酵。
因此，在使用糖蜜原料发酵生产谷氨酸时，必须想方设法降低糖蜜中生物素含量。
一般有活性炭处理法、树脂法以吸附生物素；用化学药剂拮抗生物素或使用其他营养缺陷型菌株（如氨基酸缺陷型、甘油或油酸缺陷型、精氨酸缺陷型等菌株）。
还可能通过改进生产工艺如添加青霉素，改变细胞的渗透性，即使培养基中生物素含量高，细胞膜仍成为谷氨酸向外渗透模式，因而不影响谷氨酸产量。
