酶法生产淀粉糖：纯酶催化，全自动化环保生产

淀粉糖是以来自谷物类、薯类的淀粉或者淀粉质为原料，通过酸法、酸酶结合法和酶法技术加工而成的液态或固态产品，依据其主体有效成分分类，包括葡萄糖粉和葡萄糖浆、果葡糖浆、麦芽糊精、结晶麦芽糖和麦芽糖浆、结晶果糖高果糖糖浆等产品。从生产工艺角度区分，淀粉糖的生产大致分为三个阶段：酸法水解阶段、酸酶结合法水解阶段和酶法水解阶段。

（1）酸法水解 就是利用无机酸或有机酸把淀粉链上的糖苷键进行水解生成葡萄糖、糊精等，但是必须经过中和酸处理，结果产生较多的灰分（盐分），需要进行脱盐处理，给产品的精制带来一定难度；而且，酸法水解技术所得到的淀粉糖品质比较差、品类少、成本偏高并存在一定的食品安全隐患，并且该工艺对环境造成较大的污染，是目前基本被淘汰的技术工艺。

（2）酸酶结合法水解 就是把酸水解与酶水解结合起来的生产工艺，主要基于淀粉酶对淀粉的催化水解作用初露尖角，两者的结合生产淀粉糖，可以减少酸液用量，减轻能量消耗、精制难度和环境污染状况，而且淀粉糖的品质也有所提升；然而，该工艺依然存在需要脱盐处理、酸水解带来食品安全隐患以及产品种类少等弊端，目前使用该工艺生产淀粉糖的企业很少。

（3）酶法水解 就是利用不同催化作用机制的淀粉酶，水解淀粉链上的各种糖苷键，并能实现可控调节水解程度，通过精准催化水解，可极大提高产品的品质，并且通过异构化催化作用，生产出新类型的淀粉糖。因为该工艺采用纯酶催化技术，而且可控，并容易实现全自动化和环境友好生产，是当前各大淀粉糖生产企业普遍采用的工艺技术。

酶法水解生产淀粉糖工艺技术起步于20世纪80年代初，我国在酶法生产淀粉糖具有重要标志性意义的，是由华南理工大学、广州第一制药厂和广东省微生物研究所承担的中央石化部和国家医药总局下达的“葡萄糖双酶法新工艺的研究”攻关项目，该项目在1980年10月6～10日通过了国家部委级技术鉴定，专家委员会的鉴定意见认为：该项目的研究采用连云港酶制剂厂生产的BF-7658细菌淀粉酶和无锡酶制剂厂生产的黑曲霉生产的糖化酶，以木薯淀粉和玉米淀粉为原料经过30多批次试验，糖化液DE值达到97%以上；注射用结晶葡萄糖达到1977年版《中华人民共和国药典》及行业优级品标准；注射葡萄糖产率比酸法提高20%，每t成品原料成本可降低14%左右；母液可继续回收利用，有利于环保；这是我国淀粉糖工业一项重大革新。自此，我国酶法生产淀粉糖有了可靠工艺技术，淀粉糖生产进入快速发展阶段，从当初的年产量20万t左右，发展到现今年产量1200万t以上。目前，我国有多家年产量超过100万t的淀粉糖企业，例如中粮集团有限公司、广州双桥股份有限公司、西王集团、焕发生物科技有限公司等。

淀粉为淀粉糖的生产原料，淀粉的分子结构与特性、淀粉的原料来源均会极大地影响淀粉糖的品质、生产成本以及加工的难易程度等，例如相对分子质量比较小、直链淀粉含量高一些、糊化温度低一些、淀粉颗粒结构相对松散一些等，均可有效提高淀粉糖的加工效能，降低生产过程成本。

1.淀粉的结构与特性

淀粉为植物贮存养分，通常存在于植物的种子（如谷物、豆类）和根茎部位（如薯类、芋头、马蹄和藕等）。淀粉的天然状态为颗粒状，由直链淀粉和支链淀粉所组成，一般情况下，直链淀粉占10%～25%，而支链淀粉约占75%～90%。直链淀粉是以葡萄糖为单元并以α-1，4-糖苷键方式连接而成，连接的葡萄糖单元多寡决定其分子量的高低，一般其分子质量为4000～400000u；而支链淀粉则由多个较短的、葡萄糖为单元并以α-1，4-糖苷键方式连接而成的分支链，再以α-1，6-糖苷键方式连接于主链所形成的大分子，其分子质量较大，为500000～1000000u；淀粉的相对分子质量大小因其来源不同而异，相对分子质量小，则其淀粉糊丝相对短一些。因此，直链淀粉则只有α-1，4-糖苷键，而支链淀粉则包括α-1，4-糖苷键和α-1，6-糖苷键，前者催化水解，只需断裂α-1，4-糖苷键的酶类，后者则还需断裂α-1，6-糖苷键的酶类。支链淀粉和直链淀粉的分子结构如图11-1所示。

淀粉分子的空间构象为卷曲成螺旋，直链淀粉和支链淀粉构成淀粉颗粒，并由结晶区和非结晶区交替组成，结晶区主要为支链淀粉分支的螺旋结构堆积在一起而形成的致密层。淀粉颗粒的这种结构导致其在冷水中不能溶解，只能轻微吸收水分；一旦在水中加热处理，淀粉颗粒的结构被打散，螺旋结构被破坏，其中的直链淀粉和支链淀粉大量吸水溶胀，最终形成黏稠的淀粉糊——淀粉糊化。淀粉糊化是催化水解淀粉分子的α-1，4-糖苷键和α-1，6-糖苷键之前必须进行的，否则严谨的淀粉颗粒会妨碍水解，使得水解效果很差。

图11-1 直链淀粉和支链淀粉的分子结构

2.淀粉的来源

含有淀粉的植物非常多，但并非所有含有淀粉的植物都可以作为淀粉糖生产的淀粉原料来源，可作为淀粉的来源应符合以下条件：一是淀粉含量高，而蛋白质和脂肪含量低；二是种植面积广且产量大；三是不可影响日常口粮供应；四是其他高分子黏性多糖含量低；五是尽量不含颜色物质或含量很低；六是价格相对便宜等。基于这些条件要求，玉米和木薯是淀粉糖生产所需淀粉的最佳来源。

玉米和木薯均是世界大宗种植的农作物，两者相比，玉米的种植适应范围更广，而木薯主要为热带和亚热带地区种植。目前在世界范围内玉米是第三大种植作物，种植面积和产量仅次于水稻和小麦；而且，玉米淀粉与木薯淀粉相比，其淀粉中支链淀粉含量相对低、淀粉相对分子质量相对小、价格更为便宜，尤为适合用于生产淀粉糖。

从淀粉的分子结构看到，淀粉水解制备淀粉糖，需要切断其 α-1，4-糖苷键和 α-1，6-糖苷键，最终释放出葡萄糖；而且，若要获得麦芽糖，则对切断位点有要求——需要以两个葡萄糖为单元切断释放；再者，要制备出果糖，则必须将葡萄糖进行异构化。淀粉糖生产所发生这一系列化学变化，则需要系列酶类进行催化实现，这些主要包括：α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、脱支酶和葡萄糖异构酶等。下面就这些酶的特性和来源，进行一一介绍。

1.α-淀粉酶（EC 3.2.1.1）

（1）α-淀粉酶的特点 α-淀粉酶（1，4-α-D-glucan Glucanohyrolase或 α-Amylase）作用于淀粉和糖原时，从底物分子内部随机内切α-1，4-糖苷键生成一系列相对分子质量不等的糊精和少量低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。它一般不水解支链淀粉的α-1，6-糖苷键，也不水解紧靠分支点α-1，6-糖苷键外的α-1，4-糖苷键。α-淀粉酶水解淀粉分子的最初阶段速度很快，将庞大的淀粉分子内切成较小分子的糊精，淀粉浆黏度急剧降低，因此，工业上将α-淀粉酶称为液化型淀粉酶，其催化反应所对应的工艺也称为液化。随着淀粉分子相对分子质量变小，水解速度变慢，而且底物相对分子质量越小，水解速度越慢。因此，工业生产上一般只利用α-淀粉酶对淀粉分子进行前阶段的液化处理。

α-淀粉酶是一种金属酶类，钙离子为其辅基，可使酶分子保持稳定而适当的构象，从而可以维持其最大的活力与稳定性。钙与酶蛋白结合的牢固程度因来源不同而有差异，其结合牢固程度依次为：霉菌＞细菌＞哺乳动物＞植物。用EDTA螫合并进行透析处理，可将钙离子与酶蛋白分开，重新加入钙后可恢复其稳定性。

（2）α-淀粉酶的来源及性质

α-淀粉酶广泛存在于动物、植物和微生物中，目前，工业上应用的α-淀粉酶主要来自细菌和曲霉，因而商业上有细菌α-淀粉酶和真菌α-淀粉酶之分；其中，来源于细菌的α-淀粉酶耐热性强，最适温度高，例如来源于芽孢杆菌的α-淀粉酶，其耐热性尤其强最适温度特别高，这是常用于淀粉糖生产的液化工艺。相比较而言，来自动植物和真菌的α-淀粉酶，其耐热性相对弱而且最适温度低很多。不同来源α-淀粉酶的性质差异，如表11-1所示。

表11-1 各种α-淀粉酶的性质

注：G₁，G₂，G₃……表示葡萄糖的聚合度；+表示正反应，-表示负反应。

工业生产的耐热性α-淀粉酶通常指最适反应温度为90～95℃，热稳定性在90℃以上的α-淀粉酶，比中等耐热性α-淀粉酶高10～20℃。与一般 α-淀粉酶相比，耐热性 α-淀粉酶具有反应快、液化彻底、可避免淀粉分子胶束形成难溶性的团粒等优点，而且液化后的淀粉浆易过滤，节省能源；并且液化时不需添加Ca^{2 +}，减少精制费用，降低成本。因此，在淀粉糖生产及发酵工业中，普通不耐热的淀粉酶逐步被耐热性淀粉酶取代。各种耐热性的α-淀粉酶特性如表11-2所示。一些耐热的α-淀粉酶商品名、厂商名及国别如表11-3所示。

表11-2 各种耐热性α-淀粉酶的特性

注：*超速离心法；**SDS-PAGE法。

表11-3 一些耐热α-淀粉酶商品名、厂名及国别

近十多年来，耐热性α-淀粉酶的研究进展较快。枯草芽孢杆菌 α-淀粉酶耐热性比霉菌要高，而地衣芽孢杆菌α-淀粉酶耐热性更高，它可以在高达105～110℃温度下使用，有底物存在时其耐热性更强。目前，地衣芽孢杆菌（Bacillus icheniformis）已成为许多国家酶制剂生产厂商普遍采用的菌种。该菌株经各种方法诱变和采用现代生物技术改造得到了许多新的变异株，产酶量比亲株提高了几十倍到几百倍，发酵液中酶活力达到7000U/mL以上。

例如，丹麦Novozyme公司的液化型淀粉酶，其商品名“Termamyl^R，LS型”，是一种液体酶制剂，是由地衣芽孢杆菌经基因工程诱变而成的特别耐热的α-淀粉酶制剂，在105℃的温度下仍具有很高的活力。该酶能任意水解直链淀粉和支链淀粉中的α-1，4-糖苷键，导致糊化淀粉的黏度迅速下降，其水解的产物是不同链长的糊精和低聚糖，现广泛应用于淀粉质原料制造葡萄糖、高浓度麦芽糖浆及高果糖浆等淀粉糖的工业生产。

2.β-淀粉酶（EC 3.2.1.2）

β-淀粉酶（1，4-α-D-Glucan maltohydro1ase或β-amylase）作用于淀粉分子，每次从淀粉分子的非还原端切下两个葡萄糖单位，并且将其原来的α-构型转变为β-构型。β-淀粉酶只能水解α-1，4-糖苷键，不能作用于α-1，6-糖苷键，故对支链淀粉的水解是不完全的，水解至分支前2～3个葡萄糖残基时停止作用，而残留分子的相对分子质量比麦芽糖高，即所谓极限糊精，同时水解转化生成大约50%～60%的麦芽糖，因此，β-淀粉酶常用于麦芽糖的生产。

β-淀粉酶广泛存在于植物（大麦、小麦、山芋、大豆类等）和微生物中，生产β-淀粉酶的微生物主要有芽孢杆菌、假单胞杆菌、放线菌等。

植物来源β-淀粉酶的最适pH5～6，最适作用温度在60～65℃。一般不能为生淀粉所吸附，也不能水解生淀粉。工业上，植物β-淀粉酶主要从麸皮、山芋淀粉的废水以及大豆提取蛋白后的废水中提取。常见的植物β-淀粉酶的性质如表11-4所示。

表11-4 植物β-淀粉酶的性质

由于植物来源的β-淀粉酶生产成本较高，所以微生物来源的β-淀粉酶逐步受到重视。1964年Robyt首先报道了多黏芽孢杆菌产β-淀粉酶，随后从巨大芽孢杆菌、芽孢杆菌BQ、环状芽孢杆菌以及蜡状芽孢杆菌中发现β-淀粉酶。高崎等发现蜡状芽孢杆菌β-淀粉酶也同时具有水解α-1，6-糖苷键的能力，因此，水解淀粉可生成92%的麦芽糖。虽然芽孢杆菌β-淀粉酶来源丰富，但因其最适pH偏碱性，热稳定性不及植物β-淀粉酶，工业上仍以植物β-淀粉酶为主生产麦芽糖。不同微生物来源的β-淀粉酶性质比较如表11-5所示。

表11-5 不同微生物来源的β-淀粉酶性质比较

注：沙丁格糊精是由浸订芽孢菌淀粉酶对淀粉作用而形成的一类低聚糖。

3.葡萄糖淀粉酶（EC 3.2.1.3）

葡萄糖淀粉酶（α-D-glucoside glucohydrolase）对淀粉的水解作用也是从淀粉分子非还原端开始依次水解一个葡萄糖分子，并把构型转变为β-型，因此，产物为β-葡萄糖。葡萄糖淀粉酶不仅能水解淀粉分子的α-1，4-糖苷键，而且能水解α-1，3-糖苷键、α-1，6-糖苷键，但水解速度是不同的（表11-6）。

表11-6 黑曲霉葡萄糖淀粉酶水解双糖的速度

葡萄糖淀粉酶即为糖化酶，其最基本的催化反应是水解淀粉生成β-葡萄糖，但在一定条件下也能催化葡萄糖合成麦芽糖或异麦芽糖。目前，通过对葡萄糖淀粉酶催化淀粉糊精降解各种键的速度和平衡值的研究表明，当葡萄糖浓度增加和温度提高时，这种逆反应速度也随水解速率的增加而增加。此外，葡萄糖淀粉酶水解速度与底物分子大小有关，如图11-2所示，底物分子越大，反应速度越快。

图11-2 根霉结晶糖化酶水解各种底物的反应曲线

目前，葡萄糖淀粉酶主要生产菌的基因已被分离出来，并克隆到噬菌体和酿酒酵母中表达，测定其碱基顺序和酶蛋白的氨基酸序列，并对其产生同工酶的原因进行了分析。葡萄糖淀粉酶的基因在酵母中表达所形成的菌株可利用淀粉同时进行糖化和发酵。这种酵母可转化非发酵性糖，从而可缩短或取消糖化工艺，提高发酵转化率和效能。

4.脱支酶（EC 3.2.1.9）

脱支酶（Debranching enzymes）对支链淀粉、糖原等分支点的α-1，6-糖苷键具有专一性。这种酶与β-淀粉酶一起使用以制造麦芽糖，可使麦芽糖的得率由50%～60%提高到90%以上，与糖化酶一起使用可将淀粉转化为葡萄糖得率提高到98%。

脱支酶广泛存在于植物和微生物中。与淀粉加工有关的微生物脱支酶有两类，一类为普鲁兰酶（Pullulanase），又称为茁霉多糖酶。其代表菌株为肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae），传统名为产气荚膜菌，这类酶能水解普鲁兰糖（聚麦芽三糖）。另一类脱支酶又称异淀粉酶（isoamylase），它只对支链淀粉和糖原的α-1，6-键有专一性，而对普鲁兰糖无作用，代表菌株是假单胞杆菌。两类脱支酶水解支链淀粉及糖原的比较如表11-7所示。

表11-7 两类脱支酶水解支链淀粉及糖原的比较

一般微生物的脱支酶因热稳定性太低（＜50℃）或最适pH太高，一般不宜与β-淀粉酶或葡萄糖淀粉酶合用。Novozyme公司在1982年开发出一种酸性普鲁兰糖芽孢杆菌（B.acidpullulyticus）生产的脱支酶（商品名Promozyme 200），它具有较好的耐热、耐酸性，更适合于淀粉糖化应用。各种微生物脱支酶的性质如表11-8所示。

表11-8 微生物脱支酶的性质

5.葡萄糖异构酶（EC 5.3.1.5）

葡萄糖异构酶（Glucose isomerase）是一种可催化醛糖转化为酮糖的酶，其所催化转化的醛糖主要为D-木糖、D-葡萄糖、D-核糖和L-阿拉伯糖等，因此，其更确切的名称为木糖异构酶（Xylose isomerase），但是，由于把葡萄糖异构化为果糖，对国民工业经济更具重要性，因而工业上还是将其称为葡萄糖异构酶。该酶异构反应过程包括三个阶段：一是开环阶段，醛糖从环状结构转为链状结构；二是分子结构异构化阶段，分子通过氢迁移而从醛转为酮；三是闭环阶段，链状酮结构通过闭环转为环状酮结构。

葡萄糖异构酶大多来源于细菌、放线菌，少部分来源于真菌。不同来源的葡萄糖异构酶的热稳定性和最适pH有些差异，来源于细菌的葡萄糖异构酶的热稳定性略差于来源于放线菌和真菌，来源于细菌的葡萄糖异构酶最适pH一般介于6.5～7.0，而来源于放线菌的葡萄糖异构酶最适pH则介于7.0～7.5，霉菌的葡萄糖异构酶的最适pH比较宽泛，一般介于7.0～9.0。

葡萄糖异构酶的活性和耐热性与二价阳离子关联性很强，其中Mg^{2 +}、Mn^{2 +}及Co^{2 +}等二价阳离子可显著提高其催化活性和稳定性，但Hg^{2 +}、Ag^{2 +}、Cu^{2 +}、Zn^{2 +}、Ba^{2 +}、Fe^{2 +}、Ni^{2 +}和Ca^{2 +}等二价阳离子对其催化活性有抑制作用。

淀粉糖生产的总工艺路线主要是基于各种淀粉糖的生产有其共性工序，均是以淀粉为原料，经过调整淀粉乳、在耐高温 α-淀粉酶催化作用下喷射蒸汽液化处理，得到低黏度液化淀粉乳（其构成主体为糊精），然后依据终产品不同分为两条线路走向：一是采用脱支酶+β-淀粉酶催化水解成麦芽糖，终产品为麦芽糖浆；二是通过脱支酶+β-淀粉酶+葡萄糖淀粉酶水解成葡萄糖，其终产品为葡萄糖浆。葡萄糖浆在葡萄糖异构酶催化作用下可逆转化为果糖糖浆，生产出果葡糖浆，并以此为原料通过分离技术处理，得到高果糖糖浆。

淀粉糖生产的总工艺路线，如图11-3所示。

图11-3 淀粉糖生产的总工艺路线

尽管各种各种淀粉糖均以淀粉为原料，但其终产品的组成成分、形态、含量不同，这使得其产业化技术各具特点，下面将分述各种淀粉糖的酶法产业化的内容。

（一）葡萄糖浆及葡萄糖粉的产业化

以淀粉原料生产葡萄糖，过往多采用酸法水解或者酸酶结合法水解生产，目前基本上是采用酶法水解生产，即是利用α-淀粉酶和糖化酶（由葡萄糖淀粉酶和脱支酶组成）水解淀粉分子而生成葡萄糖，也称为双酶法。其工艺流程（图11-4）和设备流程（图11-5）如下。

1.工艺流程

图11-4 双酶法生产葡萄糖工艺流程

2.设备流程

双酶法生产葡萄糖设备流程示意图如图11-5所示。

图11-5 双酶法生产葡萄糖设备流程示意图

1-调浆配料槽 2、8-过滤器 3、9、14、17-泵 4、10-喷射加热器5-缓冲器 6-液化层流罐 7-液化液贮槽 11-灭酶罐 12-板式换热器13-糖化罐 15-压滤机 16-糖化暂贮槽 18-贮糖槽

3.工艺控制

（1）淀粉的糊化与老化 淀粉的糊化是指淀粉受热后，淀粉颗粒膨胀，晶体结构消失，变成糊状液体。发生糊化现象时的温度称为糊化温度。糊化温度有一个范围，不同的淀粉有不同的糊化温度，表11-9所示为各种淀粉的糊化温度。

淀粉老化是分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氢键过程。在此情况下，淀粉酶很难使淀粉液化。因此，必须采取相应措施控制糊化淀粉的老化。淀粉糊的老化与淀粉的种类、酸碱度、温度和淀粉糊的浓度等有关。老化程度可以通过冷却时凝结成的凝胶体强度来表示（表11-10）。

表11-9 各种淀粉的糊化温度（范围）

表11-10 各种淀粉糊的老化程度比较(www.chuimin.cn)

（2）淀粉液化控制 淀粉液化方法包括酸法、酸酶法和酶法，采用液化喷射式以酶法为优（图11-6）。

图11-6 一次加酶喷射液化工艺

国产BF-7658淀粉酶在30%～35%淀粉浓度下，85～87℃时活力最高，但当温度达到100℃时，10min后，酶活力则全部消失。在淀粉的水解中，应用耐高温的淀粉酶，将使液化速度加快，不溶性微粒减少，糖液DE值升高。因此，在淀粉的液化过程中，需要根据酶的不同性质，控制反应条件。目前，发酵工厂按照常用淀粉乳浓度30%～40%、pH6.0～7.0、85～90℃进行生产。淀粉酶制剂的加入量，随酶活力的高低而定，但一般控制在5～8U/g淀粉。

淀粉经液化后，分子质量逐渐减小，黏度下降，流动性增强，给糖化酶的作用提供了有利条件。但是，必须很好控制液化程度，假如让液化继续下去，虽然最终水解产物也是葡萄糖和麦芽糖等，但最终葡萄糖值低，因为液化时间加长，一部分已液化的淀粉又会重新结合成胶束状态，使糖化酶难以作用，从而影响葡萄糖的产率。

液化达到终点后，酶活力逐渐丧失，为避免液化酶对糖化酶的影响，需对液化液进行灭酶处理，一般液化结束，升温至100℃保持10min即可完成。然后降低温度，供糖化作用。

（3）淀粉糖化控制 糖化是利用糖化酶将淀粉液化产物进一步水解成葡萄糖的过程，因为支链淀粉的存在，而且液化工艺是无法水解支链淀粉的α-1，6-糖苷键，因而在糖化工艺中除了使用葡萄糖淀粉酶外，还得添加脱支酶共同作用，以达到彻底水解淀粉，提高葡萄糖转化率的目的。

糖化初期，糖化进行速度快，葡萄糖值不断增加。迅速达到95%，达到一定时间后，葡萄糖值不再上升。因此，在葡萄糖值达到最高时，应当停止酶反应（可加热至80℃、20min灭酶），否则葡萄糖值将由于葡萄糖经α-1，6-糖苷键起复合反应而降低。复合反应的程度与酶的浓度及底物浓度有关。提高酶的浓度，可缩短糖化时间。

糖化温度和pH决定于糖化剂的性质。采用曲霉糖化酶，一般温度为60℃，pH4.0～5.0；根霉糖化酶一般在55℃，pH5.0。采用较低的pH可使糖化酶颜色浅，便于脱色，如应用黑曲霉3912生产的酶制剂，糖化在50～64℃、pH4.3～4.5下进行；根霉3092生产的糖化酶，糖化在54～58℃、pH4.3～5.0下进行，糖化时间24h，一般DE值都可以达到95%以上。而采用UV-11糖化酶，在pH3.5～4.2、55～60℃下糖化，DE值可达到99%。

（二）麦芽糖浆和结晶麦芽糖的产业化

以淀粉为原料经由α-淀粉酶、β-淀粉酶和脱支酶水解作用产生麦芽糖，其水解产物因麦芽糖含量的不同而有不同的名称，如饴糖、麦芽糖浆、高麦芽糖浆及超高麦芽糖浆等，超高麦芽糖浆通过结晶+干燥工艺处理，制备出结晶麦芽糖。高麦芽糖浆、超高麦芽糖浆和结晶麦芽糖是新型营养糖品，广泛应用食品、医药等工业部门作为营养甜味剂。

1.超高麦芽糖浆生产的工艺技术

以大米或红薯为淀粉质原料，用麦芽糖化后，淋出的糖液加以煎熬浓缩而成的传统麦芽糖浆称为饴糖，它已有2000多年历史，具有麦芽的特殊香味，其中麦芽糖含量为45%～50%。

随着酶制剂工业的发展，酶制剂已应用于麦芽糖浆的生产。与传统麦芽糖不同，现在麦芽糖生产原料不再是大米或红薯，而是主要使用玉米淀粉为淀粉质原料，其过程是：先用液化型α-淀粉酶液化，再用植物或微生物β-淀粉酶糖化，所制成的糖浆通常称为酶法饴糖；再经脱色精制过的饴糖也称高麦芽糖浆，麦芽糖含量达50%～60%；而在糖化时添加脱支酶水解支链淀粉分支点的α-1，6-糖苷键，使之产生更多的麦芽糖，麦芽糖含量高达75%～85%的麦芽糖浆称为超高麦芽糖浆。各种麦芽糖浆的主要组成成分如表11-11所示。

表11-11 各种麦芽糖浆的主要组成成分

注：DE表示水解度；G₁，G₂，G₃……表示葡萄糖的聚合度；D表示糊精的聚合度。

麦芽糖是由两分子葡萄糖通过α-1，4-糖苷键构成的双糖，其甜度仅为蔗糖的30%～40%，入口不留后味，具有良好防腐性和热稳定性，吸湿性低。并且在人体内具有特殊生理功能，不参与胰岛素调节的糖代谢，在食品和医药工业中有着广泛的应用。近年来，国内外对麦芽糖的需求量日益增加。

高麦芽糖浆在食品工业中应用包括糖果制造业，如添加高麦芽糖浆制造硬糖，不仅甜度柔和，且产品不易着色，硬糖透明度高，具有较好的抗砂性和抗龋齿性，可延长产品保质期；高麦芽糖浆代替部分蔗糖应用于制造香口胶、泡泡糖等，可明显改善产品的适口性和香味稳定性，提高这类产品质量；利用高麦芽糖浆抗结晶性好的特点，可应用于调味酱、果酱、果冻等生产；利用其良好的发酵性，大量应用于面包、糕点及啤酒制造。在医药工业上，用纯麦芽糖输液不易引起血糖升高。麦芽糖经氢化后加工成麦芽糖醇，其甜度与蔗糖相当，是一种低热值的甜味剂。

全酶法生产超高麦芽糖浆典型工艺流程图（图11-7）。

图11-7 酶法生产超高麦芽糖浆工艺流程

2.超高麦芽糖生产工艺控制

（1）液化 淀粉原料的液化也是利用耐热性的α-淀粉酶在95～105℃下高温喷射液化，DE值一般控制在5～10。DE值过低，液化不完全，影响后续工序的糖化速度及精制过滤；DE值过高，会减少麦芽糖的生成，而葡萄糖生成量增大。

（2）糖化 目前，生产超高麦芽糖糖化的方法主要有：利用糖化型淀粉酶糖化或利用β-淀粉酶和脱支酶协同作用糖化。

①利用糖化型淀粉酶糖化：20世纪60年代末70年代初发现了一些糖化型淀粉酶，将它们作用于淀粉液能生成70%以上的麦芽糖。这些糖化型淀粉酶都是由链霉菌产生的，其性质如表11-12所示。将液化液调整至酶的最适pH和温度，加入糖化酶糖化40h，精制浓缩可得到70%～80%的麦芽糖浆。由该法生产的麦芽糖浆的组成如表11-13所示。

表11-12 几种链霉菌生产的糖化酶性质

表11-13 各种制法所生产的麦芽糖浆的组成 单位：%（质量分数）

②利用β-淀粉酶和脱支酶协同作用糖化：应用β-淀粉酶和脱支酶协同作用形成的麦芽糖生成率可达90%以上。要提高麦芽糖的含量，淀粉液化程度应尽可能降低，DE值控制在5以上。可采用高温（150～160℃）液化淀粉或用少量α-淀粉酶中温液化淀粉。由于这样低的液化程度，冷却后凝沉性强，黏度大，混入酶有困难，需要分步糖化。液化淀粉乳喷入真空中急骤冷却至50～60℃，加入耐热性的β-淀粉酶或脱支酶作用几小时后，黏度降低，再加入脱支酶和β-淀粉酶进行第二次糖化。一般，在酶的最适pH下糖化48h左右。至于脱支酶与β-淀粉酶是同时加入或分开加入，主要取决于所选用的两种酶的最适pH和温度是否接近。如两者接近可同时加入进行糖化；如两者相差太远，则应先加脱支酶作用，然后调整条件再加β-淀粉酶糖化。这样可得到麦芽糖含量为90%～95%的糖浆。糖浆经精制浓缩，加入麦芽糖晶种，在35℃左右可结晶出麦芽糖。如果将糖浆喷雾干燥，可以得到流动性能良好的粉状麦芽糖产品。几种淀粉质原料糖化试验结果如表11-14所示。

表11-14 几种淀粉质原料糖化试验结果

注：表中α表示α-淀粉酶，β表示β-淀粉酶，E表示大肠杆菌酶，P表示假单胞杆菌，S表示放线菌。

（3）麦芽糖的精制方法

①吸附分离法

活性炭柱精制法：利用各种活性炭对糊精和寡糖的吸附能力不同，根据糖浆的成分，适当组合两种活性炭柱，吸附除去糊精和寡糖，得到较纯的麦芽糖。

阴离子交换树脂法：阴离子树脂（Dowexz，AmbeHite IRA-411等）OH^-型，吸附麦芽糖，不吸附糊精、寡糖，用水和2%的盐酸可洗脱麦芽糖，纯度可以达97%以上。

②有机溶剂沉淀法：待精制的麦芽糖液中加入丙酮30%～50%（体积分数），可将糊精沉淀而得到纯度为95%～98%的麦芽糖，其得率在50%以上。

③膜分离法：超滤、反渗透均可以分离，得到96%以上纯度的麦芽糖。但处理前糖浆浓度只能为15%～20%，否则影响处理能力。一般处理能力以超滤膜较高，而麦芽糖纯度则以反渗透膜较高。

④结晶法：纯度为94%的麦芽糖溶液，浓缩到70%的固形物，加入0.1%～0.3%的麦芽糖晶种，从40～50℃逐步冷却到27～30℃，保持1.15～1.30的过饱和度，40h结晶完毕，得率约为60%，纯度在97%以下。

（三）果葡糖浆、高果糖糖浆和结晶果糖的产业化

1.概述

高果糖浆（high fructose glucose syrup，HFGS）是具有高甜度保健功能的一种糖原。其甜度为砂糖的1.2～1.8倍，而且爽口、越冷越甜。其保健功能在于果糖进入人体肝细胞内以及磷酸化作用不会引起糖尿病、低血糖和肥胖等功效。1981年D.J.A.Jenkins等做了“血糖指数”（glyvemie index，GI）实验，证明果糖的GI为15～25，而蔗糖为49～69、葡萄糖为100、麦芽糖为93～117。而且，果糖与蔗糖相比，不易被人体口腔微生物利用，不易造成龋齿。因此，发展高果糖浆行业具有十分重要的学术价值和应用前景。

我国高果糖浆的开发应用较晚，始于20世纪70年代中后期。1976年在安徽省蚌埠市建立第一家年产1000t生产厂。1984年又在该市建立年产1万t高果糖浆生产线并引进了部分设备，随后又在湖北江陵、湖南长沙和江苏淮阴等地引进美国技术与设备。从此，我国拥有模拟移动床分离设备，可年产10万t F90、F55和F42等系列高果糖浆产品。

我国高果糖浆的生产与美国、日本等国比较，在果糖与葡萄糖的分离技术以及酶制剂质量等方面仍有较大差距，严重制约着高果糖浆产业化的发展。随着我国淀粉行业的蓬勃发展，进口酶制剂的广泛应用，生产纯葡萄糖技术日益接近国际先进水平，为高果糖浆工业的发展奠定了基础。目前，国内市场高果糖浆需求不断增加，质量要求也不断提高，应用领域更加广泛。由于高果糖浆具有优良特性和功能特性，尤其是它具有“协同增效、冷甜爽口”等特性，备受饮料厂家及顾客青睐。

2.果萄糖浆生产的工艺技术

果葡糖浆又称异构糖浆，是以淀粉为原料，先用 α-淀粉酶和糖化酶将其水解为葡萄糖，再通过异构酶的作用，使一部分葡萄糖转化为果糖而成的混合糖浆。由于葡萄糖的甜度只有蔗糖的70%，而果糖的甜度是蔗糖的1.5～1.7倍，故当糖浆中的果糖含量达到42%时，其甜度与蔗糖相当，在食品工业中可广泛代替蔗糖，特别是果糖在低温下甜度更为突出，因而最适合于冷饮食品。

生产果葡糖浆也是酶工程在工业生产中最成功、规模最大的应用。在实际生产中，为了提高酶的使用效果，异构酶是制成固定化酶柱后进行连续反应的。固定化酶的制法基本上有两种，一种是将含酶细胞在加热后以壳聚糖处理及戊二醛交联的方法而制成固定化细胞，也可将细胞包埋在醋酸纤维或蛋白质中，再交联而固定；另一种是将细胞中异构酶提取和纯化后，再用多孔氧化铝或阴离子交换树脂吸附，制成活力很高的固定化酶。通常用1000g固定化细胞可生产2000～3000kg果葡糖浆（以干物质计），高活力的酶生产能力可达6000～8000kg。

果葡糖浆的生产工艺流程如图11-8所示。

图11-8 果葡糖浆的生产工艺流程

按果葡糖浆的生产工艺过程及控制条件，可分为如下几个工序进行。

（1）淀粉液化 淀粉液化是果葡糖浆及其他淀粉生产中一个重要的工序，有酸法和酶法两种工艺。目前，世界各国基本上用酶法代替了酸法。酶法液化即利用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖。液化DE值的高低，直接影响到糖化DE值的高低。一般液化DE值控制在15～20。

目前，淀粉液化多采用耐热性淀粉酶，温度控制在95～105℃，而采用非耐热性 α-淀粉酶则控制在90℃。液化过程的关键设备为连续液化喷射器，其工作原理是将加酶的淀粉乳瞬间加热到淀粉酶的耐高温临界温度，在充分分散的条件下，进行液化反应，有利于避免被水解的淀粉链重新聚合。液化喷射器的种类有多孔喷气液化器、高压蒸汽喷射器和连续液化喷射器三种，其结构各有特点。

（2）糖化 经液化处理好的液化液，采用葡萄糖淀粉酶进一步水解成葡萄糖。该生产工序要求糖化DE值越高越好。糖化操作比较简单，用稀盐酸调整至pH4.0～5.0，加糖化酶量为100～200U/g（干物质），糖化温度60 ±1℃，最终糖化液DE值达到95～96即终止糖化，进入过滤、脱色、离子交换等精制工序，得到精制的葡萄糖液，利用葡萄糖异构酶进行异构化处理。

（3）葡萄糖异构化 随着酶固定化技术的发展，葡萄糖异构酶的固定化技术也不断地得到改进。现在1kg固定化酶所生产的果葡糖浆在6t以上，其生产能力是20世纪70年代初期的10倍以上。例如，美国Miles公司采用戊二醛交联固定化木立黄杆菌（Flavobacterium arborescens）细胞制备出“TakaSweet ®”，生产能力为1∶8000（Miles公司），且对底物含重金属不敏感，可降低产品纯化成本。Clinton公司用珠状DEAE纤维素吸附赤链霉菌（S.rubiginous）游离异构酶所做成的固定化酶，生产能力达到1∶9000。丹麦Novo公司采用鼠灰链霉菌（S.murinus）突变株代替原来使用的凝结芽孢杆菌，制成固定化异构酶“Sweetzyme T”，其生产能力比凝结芽孢杆菌的产品“Sweetzyme”提高了3～5倍，达到1∶10000。表11-15所示为Novozyme公司三代固定化酶发展的比较。

德国Miles Kaleieheme公司将锈赤链霉菌分离异构酶用二 氯 化 硅 吸 附制 成的“Optisweet22”，生产能力达到1∶22000；Singal公司以多孔陶土为载体，经聚乙烯亚胺浸渍处理，再用戊二醛交联链霉菌异构酶，其产品“KetomaxGI₁₀₀”在pH8.0，55℃下操作，酶活力半衰期达75～90d，酶活力下降到1/10时，生产能力为1∶2400，每生产1000t（以干物质计）55%果糖的果葡糖浆所消耗酶量仅为344kg。

表11-15 Novozyme公司三代固定化酶的比较

为了提高酶对底物葡萄糖的转化效率，脱氧工序是十分重要的。此外，对酶作用的底物葡萄糖液有一定的要求。葡萄糖浓度（干物）45%，电导率＜4×10^-3s/m，Ca^{2 +}≤1.5mg/kg，同时无需溶解氧。在异构化糖液中添加Mg^{2 +}1.5mmol/L、HSO₃^-2mmol/L，pH7.6～7.8，反应温度55～60℃，可活化酶和避免氧失活。

异构化生产果葡糖浆工艺有分批法、连续搅拌法、酶层过滤法和固定化酶床反应器法。现在普遍采用固定化酶床反应器法，即将纯的异构酶或细胞固定化于载体上，装于直立的保温反应柱中，经精制、脱氧的葡萄糖液由柱顶流经酶柱，发生异构化反应，由柱底流出异构化糖浆，整个生产过程连续操作。在连续反应过程中，酶活力逐渐降低，需要相应降低进料速度以保持一定的转化率。酶柱可连续使用800h左右。

20世纪80年代末研究开发出一种新型的异构化系统即“柱上负载”系统，这个系统是由两个单元组成：一个是具有惰性的可以再生的载体，它能有效地结合蛋白质；另一个是纯异构酶溶液。该系统首先像常规的异构化一样，载体使溶性酶完全负载，进行批量固定化。同时其载体可负载的使用，可逐步加酶固定化，这样可连续或半连续地往异构化柱中添加酶的技术称作“柱上负载”。柱上负载的原理是通过定期添加酶使生产线上酶的总活力保持稳定。因而在整个生产期间，可通过柱系统来调整葡萄糖异构化的生产能力。“柱上负载”系统有许多优点：①生产能力可根据市场情况灵活而迅速地调整；②异构酶的利用率大大提高；③对稳定和均匀生产操作需要的异构化柱数量少；④操作简单；⑤连续操作可达两年以上；⑥异构化成本低。因此，这种操作系统较为先进、科学，是一种具有推广价值的固定化工艺技术。

（4）果糖与葡萄糖分离技术 从含42%果糖的果葡糖浆中，将果糖分离得到含果糖90%以上的糖浆，再按1∶2～3的比例将其与42%果葡糖浆混合，便可以得到含果糖50%～60%的果葡糖浆。一般，含果糖50%以上异构糖浆称为高果糖浆。从普通果葡糖浆中分离果糖是制造55%以上果糖含量的高果糖浆的先决条件。曾经研究过多种分离果糖的方法，例如冷冻结晶法，利用果糖较葡萄糖不易结晶的原理，从42%果葡糖浆中除去葡萄糖而浓缩果糖，或将果糖制成钙盐，使之与葡萄糖相分离，也可将葡萄糖在碱性条件下氧化成葡萄糖酸钙后与果糖分离。也有采用离子交换树脂作吸附分离和无机分子筛吸附分离及新发展的色层吸附分离。目前，工业上使用的主要有离子交换、分子筛和色层吸附三种方法。美国环球石油（UOP）公司开发的以分子筛作吸附剂，用旋转阀模拟流动床连续分离果糖工艺（Sarex工艺），具有分离效果好，洗脱用水量少等优点。这种方法是根据色谱原理，果糖与葡萄糖和载体结合牢固程度不同，从分离柱先后被分离出来而达到目的。果糖提取率92%，果糖纯度可达94%以上，糖液中固形物浓度达18%～24%。

（四）啤酒糖浆的产业化

我国是啤酒大国和淀粉生产大国。随着啤酒产量的增长，从2002年开始，我国啤酒产量超过美国，位居世界第一。2013年，我国啤酒产量超过5000万kL，之后几年有所下降，到2017年，我国啤酒产量仍有4400万kL。啤酒酿造主要原材料大麦在我国多年来已不能满足需求，而以小麦淀粉和玉米淀粉为原材料生产的糖浆所含有的氮源、维生素、矿物质等酵母营养素与啤酒酿造的麦芽汁糖化液相当。因此，它可代替部分麦芽和大米辅料，既可降低啤酒生产成本，又可提高和稳定啤酒质量。我国啤酒专用淀粉糖浆需要量将达到100万t以上。国外也早已有应用，美国的一些玉米深加工企业均生产啤酒专用淀粉糖浆，欧洲的绝大部分啤酒企业的辅料均添加玉米或小麦淀粉制成的淀粉糖浆，日本等国添加的比例则更大。而我国啤酒工业使用淀粉糖浆起步较晚。1994年江南大学开始研究啤酒专用糖浆并在上海正广和葡萄糖厂试产成功。近年来，我国啤酒糖浆的生产及啤酒企业的应用已普及全国。实践证明，采用啤酒专用糖浆作辅料，“以糖代粮”，能简化啤酒酿造工艺，提高发酵度，降低成本，1t啤酒成本可降低30元以上，全国可降低啤酒生产成本接近10亿元。同时，也减少污染物的排放。

根据啤酒专用糖浆研究开发情况，可将啤酒专用糖浆分为大麦糖浆、营养型麦芽糖浆和功能性糖浆三大类。

（1）大麦糖浆 大麦糖浆以大麦和麦芽为原料，经α-淀粉酶液化和复合糖化酶糖化，再经脱色、过滤和浓缩等工序而成为麦芽糖含量高达45%～55%，而葡萄糖含量小于10%，α-氨基氮≥1400mg/L的大麦糖浆。其组成与麦芽汁一致，在啤酒生产中可以直接稀释加入煮沸锅作为啤酒专用糖浆进行啤酒酿造生产。其生产工艺流程如图11-9所示。

图11-9 大麦糖浆生产工艺流程

（2）营养型专用麦芽糖浆 营养型专用麦芽糖浆的生产采用玉米或玉米淀粉为原料，按照啤酒生产用麦汁的营养要求进行营养强化的一种啤酒专用糖浆。麦芽糖含量50%～60%，葡萄糖含量10%，氨基酸态氮1100mg/L，特别注意强化酵母所需要 α-氨基氮含量和合理的碳氮比。其组成与啤酒酿造的正常麦汁相似，可以完全替代以大麦或大米作为辅料，同时还能代替部分大麦芽。添加量可高达30%～50%，并且还可改善过滤速度，容易实现啤酒酿造的高浓度发酵，从而提高设备利用率。目前，此种糖浆在啤酒酿造中应用较多。生产工艺与大麦糖浆相似，核心工艺技术也是采用酶法生产技术。生产工艺流程如图11-10所示。

图11-10 营养型专用麦芽糖浆生产工艺流程

（3）功能性糖浆 目前，用于啤酒生产的功能性糖浆主要为异麦芽低聚糖浆，此种糖浆特点为：发酵度较低，价格较高，适合于生产醇和酒精含量较低的低醇保健型啤酒。产品的固形物75°Bx，异麦芽低聚糖45%，葡萄糖和麦芽糖小于10%。其生产工艺流程如图11-11所示。

图11-11 功能型糖浆生产工艺流程

（注：复合糖化酶包括葡萄糖淀粉酶、β-淀粉酶及支链淀粉酶等）

啤酒专用淀粉糖浆应用于代替部分大麦和辅料大米，实践证明是成功的。不仅促进淀粉糖工业化和规模经营的发展，也解决了啤酒工业在新形势下所面临的挑战。同时，淀粉糖浆在啤酒过程中实际应用具有以下几个优点：①玉米或小麦糖浆的营养组成与大麦芽汁相似，具有可代替性，又可解决进口大麦短缺和大米价格上涨的难题，大大降低啤酒酿造原材料成本；②糖浆无需再糖化，可直接添加入糖化锅中，工艺简单、使用方便、节约降耗，可相对提高设备利用率；③生产的啤酒色泽浅，口味清爽。④玉米和小麦原料来源广泛。但是，啤酒用淀粉糖浆的应用与生产优质啤酒尚有一定距离，尚需要酿造过程中控制 α-氨基酸态氮的水平和双乙酰的正常转化等问题。