Амилаза, также известная как глюкоамилаза, является экзоферментом. Подобно опытному мастеру, она точно расщепляет α-1,4-глюкозидные связи на невосстанавливающих концах разжиженного крахмала, постепенно расщепляя молекулу крахмала с образованием молекул глюкозы. Однако, сталкиваясь с более сложными α-1,6-глюкозидными связями в амилопектине, амилаза менее эффективна и с трудом расщепляет их быстро и эффективно.
Для преодоления ограничений сахарифицирующих ферментов при работе с амилопектином были разработаны комбинированные сахарифицирующие ферменты. Эти комбинированные сахарифицирующие ферменты действуют как профессиональная «команда сахарификации», тщательно разработанная производителями ферментов, сочетая активность сахарифицирующих ферментов и активность пулуланазы в соответствующих пропорциях.
Пуллуланаза способна специфически гидролизовать α-1,6-D гликозидные связи в разжиженном крахмале, образуя линейные полисахариды, содержащие 1,4-α-D глюкозные связи. Работая в синергии с сахарифицирующими ферментами, она выступает в роли полезного помощника, помогая преодолеть трудности, связанные с амилопектином, и значительно повышая эффективность реакции сахарификации.
Помимо высокоэффективного синергетического эффекта, сложные гликозиды также обладают преимуществом низкой активности других ферментов. Чем ниже активность трансгликозилаз и других ферментов, тем меньше сложных реакций происходит, что повышает чистоту и выход глюкозы. Это похоже на работу команды, где каждый член выполняет свою специфическую задачу без лишних помех, что приводит к повышению эффективности и лучшим результатам.
Среди многочисленных комплексных ферментных препаратов для осахаривания, представленных на рынке, высокоэффективные комплексные ферменты для осахаривания от ведущих производителей пользуются большим спросом в отрасли благодаря своим превосходным характеристикам. Они отличаются высокой скоростью осахаривания, выходом глюкозы и контролем обратной реакции, предоставляя предприятиям более качественные и эффективные решения для осахаривания.
В промышленном производстве глюкозы путем гидролиза крахмала контроль концентрации субстрата подобен хождению по канату; необходимо найти точный баланс, чтобы обеспечить как высокую эффективность производства, так и высокое качество продукта. Концентрация субстрата, этот, казалось бы, простой параметр, оказывает глубокое влияние на реакцию осахаривания. Она не только влияет на производственные затраты, но и напрямую определяет эффект осахаривания и качество глюкозы.
1. Недостатки чрезмерно низкой концентрации
Когда концентрация субстрата слишком низкая, это как битва с недостаточным количеством войск: битва еще может быть, но эффективность и результаты значительно снизятся. В реакциях осахаривания чрезмерно низкие концентрации субстрата приводят к значительному увеличению потребления пара на последующих этапах. Это связано с тем, что в процессе последующего концентрирования сахара необходимо испарить большое количество воды, а для испарения этой воды требуется большое количество пара.
Представьте себе завод, способный перерабатывать большое количество крахмала за одну реакцию осахаривания для получения высококонцентрированного сахарного раствора, требуя лишь небольшого количества пара для его концентрирования до желаемой концентрации. Однако, если концентрация субстрата слишком низка, это означает, что каждая реакция осахаривания будет давать низкоконцентрированный сахарный раствор. Для достижения той же концентрации продукта необходимо испарять больше воды, что, несомненно, значительно увеличит потребление пара, что приведет к резкому росту производственных затрат. Это не только снизит рентабельность компании, но и может поставить ее в невыгодное положение на рынке.
2. Проблема чрезмерно высокой концентрации
И наоборот, чрезмерно высокие концентрации субстрата могут вызвать ряд других проблем. Чрезмерно высокие концентрации субстрата могут усугубить обратную реакцию сахарифицирующих ферментов, подобно тому, как машина, которая ранее работала исправно, внезапно перегружается слишком большим количеством материала, что приводит к ее неисправности или даже поломке.
В процессе катализа гидролиза крахмала до глюкозы сахарифицирующие ферменты также демонстрируют обратную реакцию, в которой глюкоза рекомбинирует, образуя сложные сахара, такие как изомальтоза. При слишком высокой концентрации субстрата концентрация глюкозы в реакционной системе также соответственно увеличивается, создавая более благоприятные условия для обратной реакции и повышая вероятность ее протекания. Интенсификация обратной реакции напрямую приводит к снижению уровня сахарификации, уменьшению выхода глюкозы и влияет на качество продукта и эффективность производства. Кроме того, высокие концентрации субстрата увеличивают вязкость реакционного раствора, что приводит к трудностям в массо- и теплопередаче, еще больше затрудняя реакцию сахарификации.
3. Оптимальный диапазон концентраций
После многолетней практики и исследований на заводах большинство предприятий, как правило, контролируют концентрацию субстрата в процессе разжижения крахмала в диапазоне 30–35% (массовая доля). Этот диапазон подобен «зоне Златовласки» — идеальному значению. В пределах этого диапазона концентрации обеспечивается достаточное количество субстрата для реакции осахаривания, при этом эффективно контролируется расход пара и возникновение обратных реакций. При концентрации субстрата 30–35% осахаривающий фермент может в полной мере проявлять свой каталитический эффект, эффективно превращая крахмал в глюкозу, избегая при этом потерь пара, вызванных слишком низкой концентрацией субстрата, и проблем с обратными реакциями, вызванных слишком высокой концентрацией субстрата.
В настоящее время максимальная концентрация субстрата для осахаривания в промышленности не должна превышать 38% (массовая доля). При превышении этого предела становится трудно контролировать обратную реакцию, уровень осахаривания значительно снижается, а гарантировать качество продукции становится сложно. Поэтому в реальном производстве строгий контроль концентрации субстрата в подходящем диапазоне является одним из ключевых факторов обеспечения бесперебойной работы промышленного производства глюкозы путем гидролиза крахмала.
В промышленном производстве глюкозы путем гидролиза крахмала количество используемого фермента и время реакции подобны ритмичному управлению в сладкой симфонии; их точность напрямую влияет на реакцию осахаривания и качество конечного продукта. Эти два фактора взаимосвязаны и взаимно влияют друг на друга, совместно определяя эффективность и результативность производства.
1. Влияние дозировки фермента
Количество используемого фермента подобно «дозировке катализатора» в этой сладкой трансформации, оказывая решающее влияние на реакцию осахаривания. На первый взгляд, увеличение количества фермента кажется своего рода «ускорением» реакции осахаривания, сокращающим время реакции и увеличивающим выход продукта. Однако, когда производственные мощности завода ограничены, но рыночный спрос постоянно растет, требуя увеличения производства, увеличение количества фермента может позволить реакции осахаривания завершить больше превращений за более короткое время, тем самым повышая эффективность производства.
Однако под этой поверхностью скрываются некоторые существенные проблемы. Увеличение дозировки фермента снижает конечное значение DE (глюкозного эквивалента) сахарификации, что напрямую влияет на выход сахарификации. Это происходит потому, что в процессе катализа гидролиза крахмала до глюкозы сахарифицирующие ферменты участвуют как в прямой, так и в обратной реакциях гидролиза. При чрезмерной дозировке фермента скорость реакции ускоряется, и концентрация глюкозы в системе быстро возрастает, создавая более благоприятные условия для обратной реакции. Интенсификация обратной реакции приводит к рекомбинации глюкозы в сложные сахара, такие как изомальтоза, тем самым снижая чистоту и выход глюкозы.
2. Выбор времени реакции
Время реакции — это «временная шкала» в этом процессе превращения сахара, и его длительность оказывает существенное влияние на реакцию осахаривания. Для производства глюкозы обычно рекомендуется время реакции осахаривания от 40 до 60 часов. Это оптимальный диапазон времени, определенный на основе обширной практики и исследований. В течение этого времени ферменты могут в полной мере проявить свой каталитический эффект, постепенно и эффективно превращая крахмал в глюкозу. Если время реакции слишком короткое, крахмал может быть не полностью гидролизован, что приводит к неполному осахариванию, низкому выходу глюкозы и трудностям в обеспечении качества продукта. И наоборот, если время реакции слишком длинное, это не только увеличивает производственные затраты, но и может вызвать побочные реакции, такие как разложение глюкозы и потемнение цвета, что также влияет на качество продукта.
Выбор оптимального времени реакции также может снизить затраты на ферменты. В оптимальные сроки ферменты могут эффективно выполнять свою каталитическую функцию, не требуя дополнительной дозировки для увеличения скорости реакции. Это не только экономит на затратах на приготовление ферментов, но и позволяет избежать ряда проблем, вызванных чрезмерным использованием ферментов. Подходящее время реакции также обеспечивает качество сахарификации, в результате чего получается глюкоза высокой чистоты и превосходного качества, соответствующая строгим требованиям различных отраслей промышленности.