淀粉酶及其应用

淀 粉与淀粉糖2009．No．1 0 引言 淀粉酶及其应用 淀粉酶分布非常广泛，是人们经常研究的一种 酶 。从纺织工业到废水处理 ，这些酶都有不同规模 的应用 。 淀粉酶是淀粉降解酶。它们广泛存在于微生 物、植物和动物体中。它们将淀粉及相关的聚合物 分解为带有具体淀粉分解酶特征的产品。最初 ，淀 粉酶一词用来指可以水解直链淀粉、支链淀粉 、肝 糖及其降解 产品 中 a一1，4-糖苷 键 的酶 (本 菲尔德 (Bernfeld)，1955年 ；费 希 尔 (Fisher)和 斯 坦 (Stein)，1960年 ；迈 拜 克 (Myrback)和 纽 慕 勒 (Neumuller)，1950年)。它们水解相邻葡 萄糖单 体之间的键 ，产生带有具体用酶特征的产品。 近年来 ，人们发现了很多与淀粉及相关多糖结 构降解 有关 的新型 酶，并 对其 进行 了研 究 (鲍 伊 (Boyer)和 英 格 尔 (Ingle)，1972年 ；博 诺 考 尔 (Buonocore)等人 ，1976年；格里 芬 (Griffin)和福 格蒂(Fogarty)，1973年 ；福格 蒂(Fogarty)和格里 芬(Griffin)，1975年)。 (1)有 一些微生物源 可以劈开这 些结构 中的 a—l，4或 a一1，4和／或 a-1，6键 ，人们将现在已经或 将来可能对这些微生物源工业化生产有重大影 响 的酶分为六种 (福格蒂 (Fogarty)和凯 利 (Kelly)， 1979年)。 (2)水解 a一1，4键和绕过 a一1，6键 的酶，比如 a一淀粉酶(内作用淀粉酶)。 (3)水解 a一1，4键 ，但不能绕过 a一1，6键的酶 ， 比如 t?-淀粉酶(把麦芽糖当作一个重要 的终端产 品 来生产的外作用淀粉酶)。 (4)水解 a一1，4和 a一1，6键 的酶，比如淀 粉葡 糖苷酶(葡萄糖淀粉酶)和外作用淀粉酶。 (5)仅水解 a一1，6键 的酶，比如支链 淀粉 酶和 其它一些脱支酶。 (6)优先水解其它酶对直链淀粉和支链淀粉所 起 的作用产生的短链低 聚糖中 a一1，4键的酶 ，比如 a一葡萄糖苷酶。 (7)将淀粉水解为一连串非还原环状 【)^葡糖 基聚合物 ，称为环糊精或塞查 丁格 (Sachardinger) 糊精的酶 ，比如浸麻芽孢杆菌 (Bacillus maeerans) 淀粉酶(环糊精生成酶)。 1 淀粉 在描述淀粉分解酶的作用方式和性质前 ，有必 要来讨论一下这种天然基——淀粉的特性。淀粉 是所有高等植物中主要储备碳水化合物的。在有 些植物中，淀粉 占整个 未干植物 的 7O 。淀粉是 不溶于水的细小颗粒。这些颗粒的大小和形状常 常由植物母体决定 ，具有植物品种的特征。当把淀 粉颗粒置于水 中加 热时，颗粒 中的连接氢键变弱 ， 颗粒开始膨胀 、凝胶化 。最终 ，它们根据多糖的浓 度或形成糊状物或形成弥散现象。淀粉来 自于植 物 ，比如玉米 、小麦 、高梁 、稻米的种子 ，或木薯 、马 铃薯 、竹芋的茎根 ，或来 自于西谷椰子的木髓 。玉 米是淀粉 的主要商业原料 ，通过湿磨生产工艺便可 获得商品淀粉(博考特(Berkhout)，1976年)。直 链淀粉和支链淀粉的特性见 1。 表 l 直链淀粉和 支链淀粉 的比较 淀粉是由直链淀粉和支链淀粉的高分子实体 组成的多糖。这两个聚合物有着不同的结构和物 · 49 · 淀 籽与淀扮糖2009．No．1 理性质(表 1)。在淀粉悬浮液 中加入极性溶剂，比 如正丁醇就可以将淀粉按其组成成分分 为两个 部 分。直链淀粉不溶于水 ，而支链淀粉则溶于水。直 链淀粉由连结 葡萄糖残基的 a一1．4线性链组成 。 因此，在广泛意义上说它可以被 a一淀粉酶降解。 有些直链淀粉并不完全被这种酶降解 为麦芽糖 。 直链淀粉具有数千个葡萄糖单体的聚合度(班克斯 (Banks)和格林 伍德 (Greenwood)，1975年)。由 于直链淀粉的分子形状和结构 ，它在水溶液中是不 稳定的 ，可从水中析出(自然沉淀)。这是 为它们 在与氢的结合中使 自己排成直链 ．从 而形成聚合 。 这个过程是不可逆的。可沉淀析 出的直链淀粉将 只溶于碱性溶液中。直链淀粉的分子形状决定了 它在碱性溶液中具有很高的粘度。直链淀粉和碘 形成合成物，具有很强烈的蓝 色，这就构成定量检 测淀粉酶方法的基础。 在大多 数 淀粉 中，支链 淀 粉 的 比例 可 高 达 75％至 85 。支链 淀粉 的分子量很 大，在 l0 ～ 1O 之间，它具有分支结构 ，南 2O～25个连结 D一葡 萄糖残基的 a一1，4链组成。a一1，6联接出现分岔的 支链淀粉含有 4 到 5 的 一1．6-D-糖苷键。在水 溶液 中，支链淀粉 由于分支 分子 而表 现得相 对稳 定 ，不会出现紧密聚集的现象 。在极限粘度值和聚 合度之间没有明显的关系。由于分支结构的本性 ， 削弱了碘的结合 力。淀粉的分 支部分是有着不同 链条类 型，如 A、B和 C链 的支链 淀 粉 (福格 蒂 (Fogarty)，1983年)。 酸和酶都可作为淀粉水解的催化剂。酶法水 解有几个好处：更有效．所以，水解过程 中形成的副 产品少 ，因此 ，收率较高 ；酶法水解 比较温和 ，这样 就使后面的除灰 、脱色精制得以最小化。淀粉的酶 法水解在多年以前就已经工业化应用了，目前 ，它 正逐渐取代传统酸水解丁艺(安德考夫勒 (Under— kofler)等人，1965年；巴夫德(Barfoed)，1976年)。 2 淀粉酶的应用 酶的工业化生产可 回溯至高峰让吉(Jhokichi Takamine)博士那个时代，1894年，他开始用麦麸 青酒曲培养米 曲霉(Aspergillus oryzae)，生产消化 酶制剂 。1959年 ．以淀粉为原料 ，用 a一淀粉酶和糖 化酶工业化生产葡萄糖粉和葡萄糖晶体。从那 时 · 50 · 一 一 } ～ 回外交 谚 起 ，淀粉酶就被广泛用于各种不同的场合中。将淀 粉转化为糖 、糖浆和糊精构成了淀粉加工工业的主 体 (马歇尔 (Marshal1)，1975年 )。水解物 除了在 食品饮料的生产被用作甜味来源外 ，它还被用作发 酵碳源 。将淀粉转化为含葡萄糖 、麦芽糖等产品的 水解过程是通过 可控降解来 实现的 (诺曼 (Nor— man)，1978年；巴夫德(Barfoed)，1976年；赫斯特 (Hurst)，1975年 ；斯洛特(Slott)和麦德瑟(Mads— er)，1975年)。淀粉酶的一些应用如下 。 2．1 液化 液化是不可溶的淀粉颗粒在水溶液中消散 ，随 后用耐热淀粉酶部分水解的过程。在生产中，有待 液化的淀粉悬 浮液一般 超过 35 (重 量／容量)。 所以，随着糊化的进行，粘度也变得非常高。耐热 a一淀粉酶作为稀释剂，它可以降低粘度并部分水解 淀粉。这样就避免了糊液冷却时淀粉的回生。 淀粉技术 中传统的稀释剂是酸(盐酸或草酸， pH值 2，140～150℃下 5rain)。采用耐热 ～淀粉 酶作为稀释剂意味着液化过程更加温和。减少 了 副产品的形成 ，降低 了精制 与回收的成本(格林榭 费尔茨(Greenshields)和麦克格里夫雷(Macgrilli～ vray)，1972年；博迟(Birch)和查林勃格(Schallen— berger)，1973年)。 在酶法液化中，当平均聚合度达到 1O～12时 就要终止水解作用。目前 ，有两种截然不同的耐热 a一淀粉酶被广泛应用于淀粉加工技术 中。第一种 大规模使用 的液化 a～淀粉酶 是解淀 粉芽孢杆 菌 (Bacillus amyloliquefaciens)淀 粉酶。后 来，一 种 更耐热 的地衣 芽孢 杆菌 (Bacillus licheniformis)， 酶被成功地 商业化 (麦德森 (Madsen)等人 ，1973 年)。液化可以下列两种方式进行 ： (1)单段酶液化法 1973年，哥本哈 根 的诺 维信公 司 (Novo In— dustri A／s Copenhagen)研究 出了这个方法 并为 其 申请了专利。这个方法是在给料罐 中调制 出含 30 ～40 干物质 的淀粉浆 。用氢氧化钠将淀粉 浆 pH值调整到 6～6．5。如果淀粉浆中的游离钙 离子低于 50ppm 时，需要加入钙盐。这时就可以 加入液化酶了。然后，用泵将淀粉浆连续打入一个 蒸汽加压锅，在直喷蒸汽流的作用下，锅内的温度 高达 105℃。当淀粉浆通过蒸汽加压锅时，巨大的 淀 籽与淀籽糖2009．No．1 剪切力作用在淀粉浆上。这样，除酶的降粘作用 外 ，还会有一些机械降粘的作用发生。淀粉浆在这 样高的温度下在加压锅内保持 5rain，之后，淀粉浆 经过一个弹簧释放 阀进入一个反应器 ，淀粉浆在那 里保持 2h，95_C，使酶继续发挥作用。经过这些步 骤之后 ，液化的淀粉依据所用的酶的多少，它的葡 萄糖值(DE)在 10~20之间。DE值定义为表述葡 萄糖的还原糖 ，计算为总干物质的百分比。这个方 法简单，能耗较低 ，因为与通常用 的 140～150℃的 工作温度相 比，它的最高工作温度只有 105℃。 (2)酸酶液化法 这是另一种 液化法 ，它利用 了地 衣芽孢 杆菌 (B．1icheniformis)酶 的热稳定性 。淀粉浆经 过蒸 煮 、冷却至 1O0～95℃时加入酶制剂 。干物质含量 为 3O 9／6～4O 的淀粉浆在高温下蒸煮 5min。由于 蒸汽加压锅可产生剪切作用 ，所 以，为产生足够的 机械降粘效果 ，应使用蒸汽加压锅 。淀粉浆 的 pH 值应调整至 2～5之 间，但不要过低 ，否则，副产品 将会影响正常液化 。但如果 pH值过 高则会 削弱 酸的降粘作用，同时，还会形成不必要的颜色。蒸 煮后，淀粉浆闪冷到 100C左右，将 pH值调整到 6 到 6．5，再加入酶制剂。用这种 办法，酶 的消耗 略 有减少。同时，也改善了过滤性能，因为在此之前 ， 较好的完成了脂肪／蛋白的分离 。但这种方法增加 了蒸汽用量 ，因高温蒸煮而使燃料成本上升。 液化是淀粉加工第一和最重要的一步。液化 的 目的是生成部分水解的淀粉悬浮液 ，这种悬浮液 的粘度相对较低 、无副产品、不易回生 ，适于后续进 一 步加工，如糖化 。如果液化不好 ，就会出现过滤 效果不佳和溶液混浊 的情况 。a一淀粉酶用量适 中， 温度在 105～107℃之 间，处理既快又均匀是 淀粉 浆液化最佳效果的关键所在 (服部(Hattori)，1984 年)。 2．2 麦芽糖的生产 麦芽糖是 自然界存在的一种 双糖 。它 的化学 结构是 4—0一a—I)_吡喃葡糖基一 吡喃葡萄糖 。它是 麦芽糖糖浆 的 主要 成 分 (杉本 (Sugimoto)，1977 年)。麦芽糖可广泛用作甜味剂 ，还可作为医用静 脉输液糖补充剂。由于麦芽糖的低结 晶度和低 吸 湿性 ，它在食品工业也有着广泛的应用 。 玉米 、马铃薯、红薯和木薯淀粉都是麦芽糖 的 j 国外 交捣· 生产原料。将淀粉浆浓度调整到 10 ～20 ，生 产医用级麦芽糖 ；调到 2O ～40 ，生产食品级麦 芽糖 。生产中使用 的 a一淀粉酶来 自地衣 芽孢杆菌 (B．1icheniformis)和解淀粉芽孢杆菌(B．amyloliq— uefaciens)。 2．3 玉米高果糖浆的生产 F42(果糖含量 ===42 )玉米高果糖浆 (HFCS) 是用葡萄糖异构酶对葡萄糖酶法异构产生 的。生 产玉米高果糖浆的第一步是通过酶法液化和糖化 ， 将淀粉转化成葡萄糖。 2．4 低聚糖混合物的生产 低聚糖混合物(麦芽低聚混合物)是用 a一淀粉 酶、 一淀粉 酶和支链 淀粉酶作 用于玉米 淀粉 的结 果 。麦芽低聚混合物是新 的商业产品。它 的成分 通常是：葡萄糖 2．2 ；麦芽糖 37．5 9／6；麦 芽三糖 46．4 ；麦芽四糖和大麦芽低聚糖 l4 。 喷雾干燥 得到的麦芽低聚混合物粉是极易吸 湿的。因此 ，它可作为食 品的湿度调节剂来使用。 麦芽低聚混合物 口感不如蔗糖甜。由于葡萄糖含 量较低 ，麦芽低聚混合物溶液粘度小于玉米糖浆。 麦芽低聚混合物主要用作 蔗糖 和其它糖类的替代 物。在食品中，用它代替蔗糖，可防止蔗糖结 晶现 象的发生并使食品在贮存期间保持一定的硬度 。 2．5 麦芽四糖糖浆的生产 麦芽 四糖糖浆(G4糖浆)是将淀粉置于麦芽 四 糖形成酶(G4淀粉酶)的作用下产生的。这种糖浆 的甜度仅为蔗糖 的 2O 。因此 ，用 G4糖浆取代部 分蔗糖可在降低食物甜度的同时不影 响食物的内 在口感和风味 。这种糖浆具有较强的保湿性 ，可防 止食品中淀粉成分 回生 ，使食 品保持适 中的湿度 。 G4糖浆 的葡 萄糖 、麦芽糖含量较 低，它 的美拉德 (Millard)反应 较弱 。这种 糖浆 的粘度 值高 于蔗 糖 ，因此，它可改善食品的质地 。G4糖浆可以比蔗 糖或高果糖浆更温和地降低水的冰点。所以，可以 用 G4糖浆控制冷冻食品的冰点。G4糖浆可以赋 予食品光泽 ，在工业上可用作纸张上胶剂 。地衣芽 孢杆菌(B．1icheniformis)或枯草芽孢杆菌(B．sub— tilis)商业耐热 a一淀粉酶可用来生产 G4糖浆 。 2．6 不规则连接低聚糖混合物 (Alo混合物 )的生 产 “Alo混合物”是指 由异麦 芽糖、潘糖 、异麦 芽 · 51 · 淀 挎与淀粉糖2009．No．1 三糖和由 4、5葡萄糖残基组成的分支低聚糖组成 的混合物。“Alo混合物”具有使其广泛应用于食 品工业的性质。它的甜度适中、低粘度、高保湿性 和便于控制微生物污染的低水活性。生产“Alo混 合物”时，用耐热细 菌 a一淀粉 酶将淀 粉转 化成糊 精。淀粉的水解(DE)程度保持在 6～10之间。与 此同时，用大豆 B一淀粉酶和黑曲霉(Aspergillus ni— ger)转葡糖苷酶进行糖化反应 和糊精的转糖苷作 用。最后 ，将反应混合物提纯并将其水分含量浓缩 至 25 。 2．7 高分子量支链糊精的生产 高分子量支链糊精是用 a一淀粉酶水解玉米淀 粉得到的产品。淀粉降解的程度取决于淀粉的类 型和想要的物理性质。在进行色谱分析和喷雾干 燥后就可得到粉末状的支链糊精 了。这种产品可 在粉状食品和年糕的生产中作为混合剂和掩饰剂 。 2．8 从织物上去除淀粉浆剂(脱浆) 在纺织工业 中，淀粉糊可用在经纱上，使 织物 在纺织的过程中有更好的强度。它还可以防止因 摩擦、切断和静 电等造成的线损。纺织结束后 ，应 该去除织物上的淀粉，织物经过洗涤、染色才能出 厂。织物 上的淀粉 通 常是使用 a一淀粉酶 来去 除 的 。 2．9 将淀粉直接发酵生产乙醇 在共培养基 中，淀粉分解 活性 率 (阿伯依德 (Abouzied)和莱迪(Reddy)，1986年)、淀粉利用量 和乙醇出率都可提高数倍 (范 ·莱能(Van Lenen) 和史密斯 (Smith)，1968年 )。在酒精生产和酿酒 工业 中使用霉菌淀粉酶。这种方法 的好处是发酵 物中酶的活性均匀一致 ，提高了糖化率 、酒精出率 和酶母的生长 (范 ·莱能 (Van Lenen)和史 密斯 (Smith)，1968年)。 2．10 淀粉生产废水(SPW)的处理 食品生产企业的废水 中也有淀粉。含淀粉的 废水可引起污染问题。用生物技术对食 品生产废 水进行处理可回收一些有价值 的产品，如微生物质 蛋白并对废水起到净化的作用(伯格曼(Bergman) 等人 ，1988年；弗兰德里奇 (Friendrich)等人， 1987年；杰 谬 纳 (Jamuna)和 瑞 哈 克 里 什 娜 (Radhakrishna)，1989年 ；金斯潘 (Kingspohn) 等人 ，l993年)。 · 52 ‘ j西 舞蠢 嗣 i 2．1l 其它应用 淀粉酶，尤其是碱性淀粉酶在各种洗涤剂产品 中有着广泛应用 。在某种程度上，淀粉酶也被用作 消化助剂(比塞尔(Beazel1)，1942年)，补充面粉的 糖化活性 ，改善一些动物饲料的可消化性。 参 考 文 献 (下转 第 48页) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 1 l l l 淀 挎与淀粉糖2009．N。．1 难消化糊精的推广应用 最近，日本的松谷化学公司经过策定的中期经 营计划后决定 ，强化海外市场为近期重点 ，在美国 扩大销售难消化性糊精产品“伐依 巴索尔一2”等，扩 大其市场需求。 水溶性食物纤维产品⋯一 难消化性糊精当初 是以马铃薯淀粉为原料在 13本 国内生产 的产 品。 在得到美国食品和药物管理局批准认可为一般公 认为安全物质(GRAS)后 ，企图正式在美 国市场展 开。而且原料也用玉米淀粉代替马铃薯淀粉。最 终还委托掌握 丰富原料 的 ADM 公 司进行生产 。 商品名称改变为“伐依 巴索尔一2”，由两家公司联合 在美国市场进行销售 。产品还导入 13本国内市场 。 早在 1999年就在美国设立了当地法人的美国 松谷化学公司，近年来扩大了人员体制 ，强化 了市 场销售。其次 ，还进一步设置了韩 国松谷化学公司 和驻上海的办事处(事务所)，进一步强化海外市场 的销售 。 近年来 ，尤其是美 国，当人们健康意识不断提 高后 ，从食物纤维摄取的必要性已使以食品业界为 首的普通人的认识普遍提高，这也加速了人们从各 种各样的食品中利用食物纤维。 现在美国市场上作为饮料中便于使用的有代 表性的食物纤维材料 ：由于 13本早就对聚合葡萄糖 和菊粉开始了研究 ，又进⋯步率先开发出难消化性 糊精、胍尔胶和果糖低聚糖等新颖材料，这些材料 在美国也被逐一引进利用。其 中的难消化性糊精 有包括人体试验在内丰富的关于生理作用 的资料， 在 日本 国内已经有批准认可的许多特定保健食品， 、!一 ，；＼!‘＼! 、!一；、!， ， 0 ‘ i、! (上接第 52页) 国外 彝捕 因此深得美国的研究者和食品技术工作者的理解。 而且 美 国 行 政 当 局 通 过 对 其 能 源 评 价 认 为， 5．86kJ／g(1．4kcal／g)是低热 量材 料。到 目前为 止，已经有大食品品牌的抢办尔汤料公司的汤料产 品、达能公司和雀巢公司等汤料和饮料产品也先后 使用。最近，饮料最大的生产公司可 口可乐公 司和 百事可乐公司生产的健康饮料中也采用了此材料。 此外 ，糕点甜食和饼干等一般食品也增加了对难消 性糊精的使用。而且在加利福尼亚的一般商店里 开始同甜味料一样，放置在店 内存放产品的陈列柜 展出此材料进行试销售，它作为食物纤维材料的市 场认知度得到提升，现在制造此材料的 ADM 公司 年生产能力已达到约 30000t。其中的 20000t是为 美国等海外市场利用 。 另一方面，在亚洲韩国以难消化性糊精为首的 包括淀粉和糊精产品利用和进 口增长，尤其在转基 因玉米解禁以后，该公司自夸得意的非转基因木薯 淀粉的市场需求也正在增加。对中国市场正在研 究今后正式进 入和开始正式销售。台湾和印度等 市场难消化性糊精的交易也十分活跃。就是 日本 国内市场也 出现 了新 的动 向：同便利商店连在一 起，正在it~,J和销售添加食物纤维的食品，目标是 进一步提高消费者的认知度。同时，为预防代谢综 合症症候群 ，已经提出了在公共伙食业的给食中配 入难消化性食物纤维的。配合该方案，近来还 推出便于使用的 i公斤装小包装品，上市销售。 !^ !， 、! ， !／0 1／j !， ， ／ ， 15 Sugimoto．I)enpunkagaku Handbook．Asakura Tokyo．1 977， 450— 461 16 Underkoflcr·l ·A，Danault·I|·J．Hotl·E ·F．Enzymes in · 48 · 盛国华译 自《食品化 学新闻}2008．7．3．第一版 ， i ， !百 ＼． ，； ．／ 、 i＼!， ， 0‘＼ 一 、 ! 、!／； starch industry．Die Starke．1965，17：1 79— 184 ]7 Van·I el'leD·J·M ，Smith·M ·B．US Patent 1968．3，418， 刘小兵译 自非洲生物技术杂志， 卷 4(13)，2005年 12月