Кинетика гидролиза

Гидролиз - Особенности ферментативного гидролиза крахмала



Величина константы скорости гидролиза зависит главным об разом от концентрации амилаз, рН и температуры. С увеличением концентрации фермента в растворе константа пропорционально возрастает. Для а-амилазы различного происхождения оптимальный рН среды неодинаков: для грибной 4,5—5,5, для солодовой 5,5—6, для бактериальной 6,5—Т. Для р-амилазы оптимум находится при рН 4,6—4,9. Оптимальным для глюкоамилазы является рН 4,Г)—4,6, а для глюкозоизомеразы даже 8,5—10. Наименее чувствительна к понижению рН среды р-амилаза.

Влияние температуры как самостоятельного фактора сложнее. Хорошо известно, что скорость гидролиза резко возрастает после клейстеризации и разжижения крахмала. Поэтому все ферментативные и кислотно-ферментативные способы предусматривают проведение гидролиза в две стадии: 1) клейстеризация и разжижение крахмала; 2) осахаривание.

Разжижение может быть осуществлено с помошыо «-амилазы или минеральной кислоты; осахаривание — с помощью гх-амилазы, р-амилазы и глюкоамилазы (при производстве патоки) или только глюкоамилазы (при производстве глюкозы). Во всех случаях крахмал клейстеризуется при температуре, превышающей до-« пустимую для сохранения активности ферментов. Обычно процессы клейстеризации и разжижения крахмала бактериальной о-амилазой совмещают II проводят при температуре 75—80° С; при этом амилаза частично инактивируется (см. рис. 121). При изомеризации применяют оптимальную температуру 75—85° С.

В производстве низкоосахаренной патоки (глюкозный эквивалент 25—30%) крахмал после разжижения а-амилазой продолжают гидролизовать той же амилазой, добавляя ее новую порцию. Поскольку гидролиз продолжается недолго (8—30 мин), температуру при осахаривании не снижают.

В производстве высокомальтозной патоки (глюкозный эквивалент 42—48%) разжиженный крахмал осахаривают р-амилазой, в производстве высокоосахаренной патоки (глюкозный эквивалент 63—71%)—р-амилазой и глюкоамилазой, в производстве глюкозы — глюкоамилазой, поэтому а-амилазу предварительно полностью инактивируют нагреванием до 100е С. Осахаривание ведут при температуре 35—55° С в течение 48—96 ч. В связи с большой продолжительностью гидролиза повышение температуры до 100° С имеет целью не только инактивацию а-амилазы и дальнейшее разжижение раствора крахмала, но и его стерилизацию, предотвращающую развитие диких молочнокислых и других бактерий.

Температура, соответствующая максимальной скорости осахаривания, называется оптимальной. Как показывает рис. 121, для осахаривания крахмала амилолитическими ферментами ячменного солода оптимальной является температура 50—55° С. Дальнейшее ее повышение вследствие инактивации амилаз снижает скорость гидролиза.

Оптимальная температура осахаривания почти никогда не совпадает с оптимальной температурой для сохранения активности ферментов. Повышение скорости объясняется тем, что частичная инактивация амилаз до определенного предела перекрывается ускоряющим влиянием температуры. Выбор для осахаривания той или иной температуры должен основываться на сохранении амилазами активности с учетом длительности гидролиза.

Различные амилазы обладают неодинаковой термоустойчивостью. Как правило, а-амилаза значительно стабильнее р-амилазы. Из а-амилаз наиболее термостабильна бактериальная, наименее — грибная. Глюкоамилаза по стабильности несколько превосходит грибную а-амилазу.

Амилолитические ферменты — сильные катализаторы. Энергия активации ферментативного гидролиза крахмала равна 55—67.2 кДж/моль, т. е. примерно вдвое меньше, чем кислотного гидролиза. Несмотря на это, продолжительность осахаривания значительно больше, чем продолжительность кислотного гидролиза. Причина заключается в невозможности применения для осахаривания высоких температур. Продолжительность осахаривания может быть несколько уменьшена за счет увеличения концентрации ферментов, однако очищенные ферментные препараты очень дороги и, очевидно, их повышенный расход не окупится в производстве.