目前发酵工业所用的碳源大都是玉米、薯类、大米等淀粉质原料，但许多微生物很难直接发酵淀粉。例如，几乎所有的氨基酸生产菌不能直接利用（或只能微弱利用）淀粉和糊精；酒精发酵过程中，酵母菌也不能直接利用淀粉和糊精。有些微生物能够直接利用淀粉作原料，但必须在微生物产生淀粉酶后才能进行，但发酵周期长。另外，淀粉原料在高温灭菌过程中会导致淀粉结块，发酵液黏度剧增。因此，发酵过程中，当以淀粉为原料时，必须先将淀粉水解成葡萄糖，才能供发酵使用。淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖。发酵生产中，淀粉水解糖液的质量，与生产菌的生长速度及产物的积累直接相关。
（一）淀粉水解的理论基础
1. 淀粉分子结构
淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，其内部呈复杂的结晶组织。随原料品种和种类的不同，淀粉颗粒具有不同的形状和大小。颗粒较大的薯类淀粉较易糊化，颗粒较小的谷物淀粉相对较难糊化。
淀粉可分为直链淀粉和支链淀粉两类，其结构如图3-1所示。直链淀粉通过α-1，4键连接，支链淀粉的直链部分通过α-1，4键连接，分支点则由α-1，6键连接。一般植物中直链淀粉含量为20%～25%，支链淀粉占75%～80%。直链淀粉在70～80℃的水中可溶，溶液黏度较小，遇碘液呈纯蓝色；支链淀粉在高温水中可溶，溶液的黏度大，遇碘液呈蓝紫色。
图3-1 直链淀粉和支链淀粉的结构示意图
2. 淀粉在水热处理过程中的变化
淀粉的水热处理是指将淀粉原料与水混合，在一定温度和压力条件下进行处理的过程。淀粉原料经过水热处理的主要目的是将淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用。
（1）膨胀 淀粉是一种亲水胶体，遇水并加热后，水分子渗入淀粉颗粒内部，因而淀粉颗粒的体积和质量增加，这种现象称为膨胀。
（2）糊化 在温水中，淀粉颗粒因膨胀而形成均一、黏稠液体的现象，称为淀粉糊化，此时的温度称为糊化温度。如表3-15所示为部分淀粉糊化温度范围。淀粉糊化前后的结构如图3-2所示。
表3-15 部分淀粉糊化温度范围
图3-2 淀粉颗粒糊化前后的结构示意图
（3）液化 淀粉糊化后，如果提高温度至130℃，由于支链淀粉的全部（几乎）溶解，网状结构彻底破坏，淀粉溶液的黏度迅速下降，变为流动性较好的醪液，这种现象称为淀粉液化。
3. 淀粉水解反应
淀粉的水解反应是在酸或酶等催化下进行的，其主要化学反应可用下面各步反应式表示：
在水解过程中，淀粉首先生成糊精、低聚糖、麦芽糖等中间产物，最后生成葡萄糖，其水解过程如图3-3所示。糊精是指分子大于低聚糖的碳水化合物的总称，由7～12个葡萄糖残基组成，低聚糖由3～6个葡萄糖残基组成。
（二）淀粉的液化和糖化工艺
淀粉液化和糖化主要有酸法和酶法两种工艺，目前双酶法已完全取代酸法，成为淀粉液化和糖化的主要手段。
1. 淀粉的双酶水解
淀粉的双酶水解工艺主要包括淀粉液化和糖化两个步骤。液化是利用液化酶使糊化的淀粉黏度降低，并水解成糊精和低聚糖；经过液化后的料液，加入一定量的糖化酶，使溶解状态的淀粉变成可发酵的糖类，完成糖化过程。可发酵性糖主要包括蔗糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖和半乳糖等。发酵工业中通常用的是蔗糖和葡萄糖，其次是麦芽糖和果糖。
图3-3 淀粉水解过程示意图
淀粉糖工业上常用还原糖值（DE值）来表示淀粉水解程度。糖化液中的还原糖含量（以葡萄糖计算）占干物质的百分率称为DE值，计算公式如下：
还原糖用斐林氏法或碘量法测定，干物质用阿贝折光仪测定。由于阿贝折光仪所测出的浓度是指100g糖液中所含有的干物质的克数，而还原糖含量指100mL糖液中所含有的还原糖的克数。因此，DE值实际还应除以糖液的相对密度。因此，实际上DE值的计算公式：
工业上为检验淀粉水解效果，往往还检测糖液OD值。在味精行业糖液制备工艺中，OD值可用来衡量液化结果。当然，OD值只是一个参考，因为糖化过程产生的其他低聚糖、异麦芽糖等不发酵性糖在OD值上是反映不出来的。
糊精不溶于乙醇，糊精与无水乙醇作用出现白色浑浊，通过测定吸光度来检查糊精的量，具体方法：正确吸取0.5mL的糖液加到19.5mL的无水乙醇中，用分光光度计在420nm波长比色，OD值越低，则糊精越少。
2. 酶法水解淀粉常用的酶(www.xing528.com)
（1）α-淀粉酶 为一种内切淀粉酶，俗称液化酶，能在较高温度下随机水解淀粉、可溶性糊精及低聚糖中的α-1，4-糖苷键。酶作用后可使糊化淀粉的黏度迅速降低，变成液体淀粉，水解生成糊精和少量葡萄糖、麦芽糖。工业上常用的α-淀粉酶有高温α-淀粉酶和中温α-淀粉酶。
（2）糖化酶 为一种外切淀粉酶，又称为葡萄糖淀粉酶，它是从淀粉的非还原末端开始水解α-1，4和α-1，6糖苷键，使葡萄糖单位逐个分离出来，从而产生葡萄糖。糖化酶水解α-1，6-糖苷键的速度较慢，仅为水解α-1，4-糖苷键速度的1/10。液化液经糖化酶作用后，原来的糊精和低聚糖逐渐转变成葡萄糖。
（3）β-淀粉酶 为可以从多糖分子的非还原性末端，逐次以麦芽糖为单位切割α-1，4-葡萄糖苷键，生成麦芽糖。由于该酶水解淀粉只能到分支点（支链淀粉的α-1，6-糖苷键）或反常键（直链淀粉的α-1，3糖苷键）为止，因此淀粉和β-淀粉酶作用的产物除了麦芽糖外，还有极限糊精。
（4）异淀粉酶 为能水解支链淀粉和糖原分子中支叉地位的α-1，6-糖苷键，使支叉结构断裂，但对于直链结构中的α-1，6-糖苷键却不能水解。
3. 酶法液化方法
（1）间歇（升温）液化法 将浓度30%～40%淀粉乳pH调整至6.5，加入氯化钙（0.01mol/L）和一定量淀粉酶（5～8U/g淀粉），剧烈搅拌，加热至85～90℃，保持30～60min，达到液化程度（DE 15～18），升温至100℃，灭酶10min。
此方法简便，但效果较差，能耗大，原料利用率低，过滤性能差。
（2）半连续（高温）液化法 将淀粉乳调整到适当pH和Ca2+浓度，加入一定量的液化酶，用泵打给喷淋头引入液化罐中（其中已有90℃热水），淀粉糊化后，立即液化，控制流量，由液化罐底部流出，进入保温罐，于90℃保温40min，达到液化的程度后继续升温至100℃，灭酶10min。
该法的优点是设备和操作简单，效果比间歇液化好；缺点是不安全，蒸汽消耗量大，温度无法达到最佳温度，液化效果差，糖液过滤性能也差。
（3）连续喷射液化法 利用喷射器将蒸汽直接喷射至淀粉薄层，以在短时间内达到要求的温度，完成糊化和液化。一次加酶一次喷射工艺是目前工厂采用较多的一种液化工艺，如图3-4所示。它是利用喷射器只进行一次高温喷射，在高温淀粉酶的作用下，通过高温维持、闪蒸降温和层流罐维持，完成对淀粉的液化。
图3-4 丹麦DDS公司一次加酶喷射工艺流程
1—调浆罐 2—泵 3—喷射器 4—闪蒸罐 5—泵 6—立式层流罐
喷射液化工艺的关键设备为喷射液化器，其结构如图3-5所示。喷射液化器大大节省能源，便于规模化生产，广泛应用在淀粉糖和味精等生产中。
4. 液化程度的控制
根据生产经验，液化程度一般控制DE为10%～20%比较合适。此时液化液中保持较多的糊精和低聚糖，较少的葡萄糖。液化程度太低，液化淀粉黏度大，操作困难，淀粉液还容易老化，不利于糖化；液化程度也不能太高，因为糖化酶是先与底物分子结合生成络合结构，而后再发生水解作用。所以，当液化超过一定程度，影响了催化效率，最终DE也不高。
图3-5 喷射液化器示意图
在液化工艺中，可通过调节淀粉酶用量、喷射温度、高温维持温度、液化层流罐维持时间等条件来控制液化程度。液化达终点，酶活力逐渐丧失，为避免其他酶影响糖化酶的作用，需对液化液进行灭酶活处理。一般液化结束，升温至100℃保持10min即可，然后降低温度，供糖化用。
5. 酶法糖化
酶法糖化工艺流程：
液化结束后，迅速将料液降温至59～61℃后打入糖化罐，并用盐酸调pH至4.4～4.6，然后加入一定量的糖化酶，加量按80～100U/g淀粉计算，搅拌30min，混合均匀后，停止搅拌进行糖化，58～60℃保温数小时。当DE值不再增长或者用无水乙醇检验无糊精存在时，将料液升温至80～85℃维持20min灭酶活，加入助滤剂或者活性炭对糖液过滤除杂脱色。
图3-6 糖化罐结构示意图
糖化的主要设备是糖化罐，一般包括冷却和升温设备，冷却或升温可以用夹套或内置列管完成，应用较多的是用内置列管交换器形式，其结构如图3-6所示。
6. 酶解过程的检验
淀粉水解过程中，生成糊精能溶解于水，不溶于酒精。因为分子大小的不同，糊精遇碘液呈不同的颜色，如表3-16所示。因此，在工业生产中，可用淀粉-碘液的显色反应来判断液化的终点。糖化是否完全，可测定还原糖或用无水乙醇进行检验。工业上可参考经验，根据糖化时间来判断糖化程度（工业生产中糖化时间一般控制在24h左右，此时DE可达到96%～98%），同时用无水乙醇检验糖液有无糊精存在来辅助判断。
表3-16 淀粉液化及糖化过程检验
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