白酒酿造中淀粉及淀粉水解动力学研究进展.pdf
《白酒酿造中淀粉及淀粉水解动力学研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《白酒酿造中淀粉及淀粉水解动力学研究进展.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第52 卷第2 期2023年6 月发酵科技通讯Bulletin of Fermentation Science and TechnologyVol.52 No.2Jun.2023白酒酿造中淀粉及淀粉水解动力学研究进展朱霞 2,黄进”,班世栋1?,江涛”,邱树毅,聂明波”,王晓丹2(1.贵州大学酿酒与食品工程学院,贵州贵阳550 0 2 5;2.贵州大学贵州省发酵工程与生物制药重点实验室,贵州贵阳550 0 2 5;3.贵州安酒股份有限公司,贵州安顺56 10 0 0)摘要:淀粉是植物产生的由葡萄糖分子聚合而成的天然大分子物质,在各个行业中被广泛应用,尤其是酿造行业离不开原料中的淀粉。以淀粉为原
2、料的酿酒,需要经过糖化和发酵两个阶段,而糖化过程是发酵过程的先决条件和基础。为此,笔者对淀粉、淀粉酶、淀粉水解过程及其受限机制进行了系统阐述,并综述了淀粉水解动力学相关研究,以期为淀粉在白酒酿造过程中应用的进一步研究提供参考。关键词:淀粉;淀粉酶;淀粉水解;淀粉水解动力学中图分类号:TS262.3Research progress of starch and starch hydrolysis kinetics in industrial brewingZHU Xial2,HUANG Jin,BAN Shidongl,JIANG Tao”,QIU Shuyi2,(1.School of Liq
3、uor and Food Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Key Laboratory ofFermentation Engineering and Biopharmaceuticals in Guizhou Province,Guizhou University,Guiyang 550025,China;3.Guizhou An Wine Co.,Ltd.,Anshun 561000,China)Abstract:Starch is a natural macromolecule produced by plants
4、 from the polymerization ofglucose molecules and is widely used in various industries,especially in the brewing industry,where starch is indispensable as a raw material.Starch-based brewing requires two stages:saccharification and fermentation,and the saccharification process is a prerequisite and b
5、asis forthe fermentation process.For this reason,the author has systematically described starch,amylase,starch hydrolysis process and their restricted mechanism,and reviewed the researchrelated to starch hydrolysis kinetics,in order to provide reference for further research on theapplication of star
6、ch in the brewing process of white wine.Keywords:starch;amylase;starch hydrolysis;starch hydrolysis kinetics淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的天然大分子物质,它有直链淀粉和支链淀粉两类。淀粉的结构决定了淀粉的工业生产用途,作为一种可再生并能生物降解的天然资源,其被广泛应用于食品、化学品、药品制造、发酵和生物乙醇等行业1。当收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 0基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合成果2 0 2 1 一般0 48 号;黔科合成果2 0 2 2 重点0 0 2 号;黔科合支撑2
7、0 2 2 一般2 15号;黔科合支撑(2 0 2 1 一般2 7 9号);贵州省科技计划项目(黔科合支撑2 0 2 1 一般10 6)作者简介:朱霞(1996 一),女,四川泸州人,硕士研究生,研究方向为白酒酿造与微生物应用,E-mail:2 48 53910 6 5 q q.c o m。通信作者:王晓丹教授,E-mail:W a n g x i a o d a n 0 516 12 6.c o m。文献标志码:ANIE Mingbo,WANG Xiaodanl.2前,国内外均以淀粉为主要原料生产酒精,淀粉水解成糖和糊精是生物乙醇生产和酿造等工业过程中的关键步骤。王华等2 以山西五寨马铃薯淀
8、粉为原料,应用淀粉酶和糖化酶进行了双酶协同水解淀粉的动力学研究,建立了修正的双酶一步法文章编号:16 7 4-2 2 14(2 0 2 3)0 2-0 0 9 9-0 7100水解马铃薯淀粉的动力学速度方程。Santamaria等3 提出了一种将凝胶的腔尺寸、厚度壁与其黏度相关联的结构模型,认为水解动力学常数随着凝胶黏度的增加而降低。淀粉的结构、水解方式和水解速率直接关系到淀粉水解产物的生产效率和产品质量。酿造工业发展势头迅猛,特别是在白酒酿造领域,虽然每年有大量的原料淀粉投入在酿造过程中,但人们对于淀粉水解及其动力学研究知之甚少,这限制了酿造过程机械化和智能化的发展,而要实现机械化和智能化酿
9、造,对于淀粉结构变化和反应淀粉水解动力学数据的收集尤为重要,这些数据有助于深人了解淀粉水解的全过程,为后期逐步实现机械化智能化酿造奠定基础。鉴于此,笔者对近年来报道的淀粉及淀粉水解动力学相关研究进行了综述,介绍了淀粉、淀粉酶及淀粉水解动力学的相关研究进展,以期为淀粉及淀粉水解动力学在白酒酿造过程中应用的进一步研究提供理论参考。结晶区域1100m淀粉颗粒Fig.1 Schematic diagram of the internal structure connection of starch1.2淀粉的理化性质淀粉的性质及来源是影响其水解反应的主要因素。淀粉为白色粉末,淀粉粒有卵形、球形和不规则
10、等形状,以半结晶颗粒的形式存在于各植物的各器官中,因植物来源不同,其大小存在一定的差异。淀粉的吸水率和保水率虽然均较高,但天然淀粉颗粒不溶于冷水,高温会破坏淀粉中的氢键,导致淀粉溶解,淀粉的溶解度与其内部的氢键断裂程度成正比。在高温条件下,淀粉的物理性质发生显著改变,淀粉在一定的温度下发生糊化,在胶化区域内淀粉吸附水分并使其黏性增大。淀粉经过糊化冷却后,很容易产生回生反应,直链淀粉重新结晶,支链淀粉重新结晶的程度非常小,淀粉的线性分子重组,形成分子内的氢键,使其溶解性降低,从而形成具有弹性的凝胶,这种现象也称为淀粉老化。老化是糊化的逆过程,淀粉老化过程是不可逆的,老化的淀粉无法再回发酵科技通讯
11、1淀粉1.1淀粉的结构淀粉是葡萄糖通过糖苷键结合在一起而形成的一种共价聚合体,聚合体的一端包含一个隐性的醛基团,这一端称为还原端;在淀粉酶作用下,只有在淀粉非还原末端才会发生反应,而在淀粉分解过程中,则会出现新的非还原端。直链淀粉是由约6 0 0 0个葡萄糖残基以-1,4-糖苷键首尾相连构成的一种无分支的线性结构;支链淀粉中有数百条短-1,4葡聚糖直链,这些短直链通过-1,6糖苷键相互连接构成支链淀粉的支链,支链淀粉中约每2 0 个葡萄糖残基有1个分支,支链淀粉的平均分支率为5%4。天然淀粉中的直链淀粉占2 0%30%,支链淀粉占7 0%8 0%;直链淀粉和支链淀粉一起构成无定形区域和结晶区域
12、,这些区域被包装成颗粒,形成淀粉质材料的天然结构,其连接方式的示意图如图1所示5一还原端无定形区域直链淀粉簇支链淀粉图1淀粉内部结构连接方式示意图到原来的状态。由于淀粉有吸收碘的能力,淀粉与碘结合可形成有颜色的络合物,可以利用与碘溶液发生反应来区分直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉在水中溶解后,以氢键连接的形式螺旋缠绕在分子中,在添加碘溶液之后,碘分子钻入螺旋空隙当中并通过范德华力作用将其与直链淀粉结合形成复合物,该复合物很少吸收或不吸收蓝光,然后将淀粉呈现出深蓝色;支链淀粉在与碘反应后,通常呈紫红色或紫色,原料中直链淀粉和支链淀粉相对质量分数不同其与碘液反应后的颜色也不同。当前,在酒类企业采购的高
13、梁中,淀粉的质量存在很大的差别,支链淀粉和支链淀粉质量分数差异较大,鉴别不同高梁中直链淀粉和支链淀粉质量分数是保证白酒的质量的重要手段。除了传统的化学分析方法外,还可以利用高光谱成像(HIS)快速无损地检测直链淀粉和支链淀粉质量分数6 第52 卷葡萄糖链结构第2 期1.3白酒酿造原料及原料淀粉白酒是以粮谷为主要原料,以大曲、小曲、麸曲、酶制剂及酵母等为糖化发酵剂,经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、陈酿和勾兑而成的蒸馏酒7。在白酒酿造过程中,不同的原料种类和配比往往会影响白酒的品质和口感。目前中国白酒被分成了十二大香型,不同香型的白酒其酿造原料不同,十二大香型白酒酿造原料组成表如表1所示。常用的白酒酿造
14、原料以高梁、玉米、大麦、小麦、大米和糯米等粮食为主,这些谷物类粮食的淀粉质量分数为30%8 0%,其中高梁6 5%7 0%,玉米约7 3.2%,大麦约40%,小麦约7 5%,大米约7 5%,糯米7 5%8 0%。不同谷类的淀粉表现出特有的团粒形态,淀粉团粒形状有球形、椭球形、多边形、圆盘形、瘦长形和肾形,直径为110 0 m。玉米淀粉是球形和多边形的;小麦和大麦淀粉呈双峰粒径分布,这些淀粉中大团粒状淀粉(A型)呈圆盘形,而小团粒状淀粉(B型)呈球形;高梁淀粉虽然也呈双峰粒径分布,但形状迥异,大的高梁淀粉团粒呈多边形和球形,而不是圆盘形;大米和糯米淀粉含有复合团粒,复合淀粉团粒的形状主要是多边形
15、8 表1十二大香型白酒酿造原料组成表Table 1 Composition of raw materials for brewing twelvemajor types of whitewine文献香型代表酒浓香型五粮液贵州茅台酱香型酒、郎酒三花酒、米香型椿年酒凤香型西凤酒白云边酒、兼香型玉泉酒芝麻景芝白干小麦、麸皮香型面粉、麸特香型四特酒豉香型玉冰烧酒大米、黄豆小麦、大米、药香型董酒老白干衡水老白干香型汾酒、牛栏大麦、豌豆、清香型高梁、小麦19山、江小白大米、米糠馥郁高梁、糯米、大酒鬼酒小麦、大米香型米、小麦、玉米朱霞,等:白酒酿造中淀粉及淀粉水解动力学研究进展淀粉的水解2.1淀粉水解过程淀
16、粉的水解反应有糊化、液化和糖化3个阶段。淀粉在高温和水的双重作用下膨胀并分解成一种均匀糊状物的特性被称为淀粉的糊化,糊化过程中淀粉的结晶形态发生了改变,多糖分子的多糖链出现了不规则的构型,导致淀粉颗粒溶胀和破裂,变成对酶解反应更敏感的淀粉,这种变化使其更容易被淀粉酶催化水解2 1。液化反应是经糊化的淀粉在-淀粉酶作用下被随机内切为短链糊精和寡糖的过程,随着糖苷键断裂,淀粉黏度降低,流动性增强;淀粉的液化和糖化过程可同步进行,淀粉糖化是利用淀粉葡萄糖苷酶将淀粉液化后的产生的糊精和寡糖进一步分解为葡萄糖的过程2 。在发酵过程中,淀粉通过蒸煮糊化、淀粉酶液化,再经过糖化转化为葡萄糖以供酵母、细菌和霉
17、菌使用。以酱香型白酒为例,其生产工艺为1年1次的大循环,要经历2 次投料、9次蒸馏、8 次发酵、7次取酒,又称“一二九八七”。酱香白酒第1轮的“投粮”称为下沙,第2 轮的“投粮”称为糙沙,2 次“投粮”前都需要用95以上的热水对高梁进行“润粮”,而酿造过程中的“蒸粮”过程对应的就是淀粉的糊化过程,“蒸粮”前对原料进行润水,使淀粉颗粒吸主要制主要酿酒原料曲原料来源高梁、大米、糯小麦9米、小麦、玉米小麦高粱大米、米糠大米大麦、豌高粱豆、小麦小麦皮、酒糟中草药小麦.1012收水分,目的是为蒸煮糊化创造条件。“润粮”完成后开始上甄“蒸粮”,摊晾加大曲后将高梁堆积成堆进行糖化,又称糖化堆积。102.2淀
18、粉水解受限机制根据白酒的酿造工艺,从配料到蒸酒全过程采11用固态基质形态生产出的白酒为固态发酵酒。固态发酵过程中,淀粉的水解是在固相中发生的非均相12反应,这种非均相反应涉及酶在淀粉粒表面的扩散、高粱13高粱14大米15大米16高粱17高粱1820吸附以及最终的降解。由于淀粉的分子质量和支化度结构差异,无论是在固相还是在液相中,淀粉的酶促反应都会受到一定限制。淀粉水解受限制的总体机制可以大致归纳为两类:第一类是种子和胚乳中除淀粉之外的细胞壁、蛋白质和脂肪等组分对酶与淀粉接触所造成的空间的和化学的障碍;第二类是由于淀粉本身的结构特性使淀粉与淀粉酶的结合或接触有障碍2 3 。谷物、豆类和块茎中的淀
19、粉被不同比例的蛋白质和细胞壁所包围,这些非淀粉成分的存在成为淀粉酶移动的物理屏障;细胞壁会阻止淀粉分子充分膨胀和渗出,进而抑制了淀粉酶活性2 4。全谷类胚102乳里的淀粉被包裹在细胞中,细胞壁是淀粉酶作用的主要障碍,使它不能正常参与淀粉水解反应;通过碾磨或蒸煮的加工过程,细胞壁会受到不同程度的破坏,使淀粉更容易和淀粉酶发生反应。高梁与玉米的淀粉结构和蛋白质成分虽然相近,但高梁的淀粉消化速率较低,其原因是高梁胚乳蛋白中二硫键交叉结合,在加热时会形成难以消化的聚集体。表面蛋白质和脂质一定程度上会阻碍酶与淀粉颗粒表面的结合;谷物中的淀粉被完整脂质包含,且基本是单酰基脂质或者是直链淀粉-脂质复合物;脂
20、质在淀粉的热处理过程中与直链淀粉结合,限制了淀粉颗粒的溶胀和溶解性,与单螺旋直链淀粉链相比,天然直链淀粉与脂质的复合物更不容易被-淀粉酶水解2 5酶对淀粉粒子表面的吸附是酶催化反应的先决条件,并非只有吸附作用会对酶解反应产生影响;淀粉基质的不同构象,如未糊化的淀粉与糊化淀粉相比,其被酶水解的受限程度不同;淀粉的部分结构,如直链淀粉与支链淀粉的比值、微晶结构、微晶堆积及淀粉和非淀粉组分之间的交互作用等会对酶解反应产生影响;无定形的晶体结构是决定淀粉酶水解速率和水解程度的重要因素。此外,淀粉降解过程中会发生重结晶或重沉淀,从而影响淀粉的降解程度,淀粉的降解可能取决于淀粉酶消化动力学和分子重组动力学
21、之间的竞争2 6 。2.3淀粉酶淀粉酶指的不是某一种酶,而是一类酶的总称。我国对酶的研究是在解放后才逐渐发展起来的,回顾中国乃至世界的淀粉水解工业,以前常用的化学降解法基本已被酶法生产所取代,淀粉酶的种类丰富,不同的淀粉水解酶可以生产出不同的产物。酶的种类多样,淀粉行业中的水解酶大致可分为内切淀粉酶、外切淀粉酶、淀粉脱支酶和糖基转移酶4大类;白酒酿造过程中淀粉的水解依靠淀粉酶,主要为-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和-淀粉酶,酿造过程中的淀粉酶主要来自酒曲中的微生物。2.3.1内切淀粉酶-淀粉酶是内切淀粉酶中最具代表性的,-淀粉酶又称作糖化型-淀粉酶或液化型淀粉酶。内切淀粉酶是一种重要的工业水解酶,它是
22、从淀粉链的非还原端起开始作用,能对淀粉链的-1,4糖苷键进行任意切割,但不能切割-1,6 糖苷键。淀粉经-淀粉酶完全水解后,主要产生了葡萄糖、麦芽糖和糊精等产物。其来源主要是解淀粉芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、米曲霉、黑曲霉发酵科技通讯及根霉等微生物,该酶在食品、酿造、纺织、制药、烘焙和洗涤剂等多个领域得到了广泛的应用2 7 ;在白酒酿造中,-淀粉酶在复糟再发酵生产酒中的应用,可以为解决不少酒厂直接把丢糟作为废弃酒糟而形成资源浪费问题提供可能性2 8 。2.3.2外切淀粉酶外切淀粉酶包括:-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的功能虽然具有差异,但底物一致,都是从淀粉链的非还原末端开始水解产生单糖
23、、麦芽糖和寡糖。-淀粉酶能够断裂淀粉链的-1,4-糖苷键,不能切断支链淀粉的-1,6-糖苷键,也无法逾越-1,6-糖苷键而破坏其内部的-1,4-糖苷键;葡萄糖淀粉酶也叫糖化酶、-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶,它能切断-1,4糖苷键将粮食谷物中的淀粉等物质依次水解成单一的葡萄糖单元,也能慢慢分解淀粉的-1,6糖苷,葡萄糖淀粉酶的断链方式更彻底;-D-葡萄糖苷酶又称-葡萄糖苷酶,它从寡糖底物的非还原端裂解-1,4-糖苷键释放单个-D-葡萄糖分子2 9。-淀粉酶主要来自细菌属和小麦、大麦和大豆等粮谷中,对含有-淀粉酶的微生物进行基因改造,可以制备高纯度麦芽糖浆、麦芽糊精、医用注射麦芽糖等;葡萄糖淀粉酶主要
24、来自米根霉和黑曲霉等霉菌中,周天银等30 在发酵过程中添加糖化酶,使出酒率提升,白酒中高级醇的含量得到控制,孙金旭31通过对比对酱香型白酒生产中未添加与添加糖化酶的实验发现,添加糖化酶实验组的高级醇生成量显著降低;-葡萄糖苷酶来自动物、植物、细菌或真菌,其主要来源是微生物且在黑曲霉中最多,该酶常被应用于医药领域,-葡萄糖苷酶和-淀粉酶是降低餐后血糖的重要靶点,作用于该靶点的阿卡波糖临床运用制剂在中国糖尿病药物市场占据主导地位32 。2.3.3淀粉脱支酶普鲁兰酶和异淀粉酶是最具有代表性的淀粉脱支酶。淀粉脱支酶是一类淀粉水解酶,作用于多糖分支点的-1浇,6 键,淀粉脱支酶因催化方式和底物性质的不同
25、可分为普鲁兰酶(又称支链淀粉酶、极限糊精酶)、异淀粉酶、淀粉-1浇,6-葡萄糖苷酶、葡萄糖淀粉酶(又称为糖化酶、淀粉葡糖苷酶和-淀粉酶)4大类。当内淀粉酶和外淀粉酶作用完淀粉的-1浇,4糖苷键后,剩下的极限糊精需要通过淀粉脱支酶才能够被进一步降解,因此淀粉脱支酶和其他淀粉酶协同作用可以将淀粉完全水解,使得原材料的利用率得到了很大的提升。淀粉脱支酶存第52 卷第2 期在于大多数动物、植物和微生物中,它通常用于支链淀粉或糖原的合成或降解,是制备糖浆、抗性淀粉和环糊精的重要酶33。2.3.4糖基转移酶糖基转移酶通过催化将活化的糖基供体转移到糖类和非糖类受体上来形成糖苷键。环糊精糖基转移酶是由芽孢杆菌
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 白酒 酿造 淀粉 水解 动力学 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。