1、大量的需求使部分工厂的淀粉生产供不应求。因此,通过合理的设计淀粉酶生产工艺可以降低淀粉酶生产成本,对淀粉酶生产普及应用及现代社会的可持续发展具有重大的意义。2、淀粉酶的理化性质根据淀粉酶对淀粉的水解方式不同3,可将其分为-淀粉酶、-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶等。其中,-淀粉酶(-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶)多是胞外酶,其作用于淀粉时可从分子内部随机地切开淀粉链的-1,4糖苷键4,而生成糊精和还原糖,产物的末端残基碳原子构型为-构型,故称-淀粉酶。-淀粉酶来源广泛,主要存在发芽谷物的糊粉细胞中5,当然,从微生物到高等动、植物均可分离到,是一种重要的淀粉水解酶,也是工业生产中应用最为广泛的
2、酶制剂之一。它可以由微生物发酵制备,也可以从动植物中提取。不同来源的-淀粉酶的性质有一定的区别,工业中主要应用的是真菌和细菌淀粉酶。目前,-淀粉酶已广泛应用于变性淀粉及淀粉糖、焙烤工业、啤酒酿造、酒精工业、发酵以及纺织等许多行业,是一种重要工业用酶。如在淀粉加工业中,微生物-淀粉酶已成功取代了化学降解法;在酒精工业中能显著提高出酒率。其应用于各种工业中对缩短生产周期,提高产品得率和原料的利用率,提高产品质量和节约粮食资源,都有着极其重要的作用6,7。3、淀粉酶的研究现状 我们利用基因工程技术构建了耐酸性淀粉酶和糖化酶的融合基因, 并获得了多拷贝此融合基因的白曲霉菌TR12株并加强菌种筛选诱变育
3、种工作。在pH3.0的AP培养基或在pH4.0的酸性酒精废糟液中, 培养液均表现出较高的耐酸性淀粉酶和糖化酶活性8,9 。用于固态制曲及酿酒发酵, 原材料利用率、发酵速度及产酒率等都得到了较大幅度的提高10。为了使耐酸性一淀粉酶的耐酸特性得到充分发挥, 使其优越性能得到更加广泛的利用, 同时也为了探讨通过一次发酵过程, 制备具有两种较高酶活力的新型酶制剂。目前,除开展大量常规诱变育种 T作外,国外已初步搞清产 -淀粉酶的调控基因,探讨了有关转导转化和基因克隆等育种技术。将枯草芽孢杆菌重组体的基因引入生产菌株,使 -淀粉酶产量提高710倍,并已应用于食品和制酒工业,给选育高产 -淀粉酶菌株开创了
4、新的途径11。4、-淀粉酶的特性 早在1967年,Jones 和Varner就对小麦中-淀粉酶的活性进行了研究12。不同来源的-淀粉酶的酶学和理化性质有一定的区别,它们的性质对在其工业应用中的应用影响也较大,在工业生产中要根据需要使用合适来源的酶,因此对淀粉酶性质的研究也显得比较重要。 4.1底物特异性 -淀粉酶和其它酶类一样,具有反应底物特异性,不同来源的淀粉酶反应底物也各不相同,通常-淀粉酶显示出对淀粉及其衍生物有最高的特异性,这些淀粉及衍生物包括支链淀粉、直链淀粉、环糊精、糖原质和麦芽三糖等。4.2最适 pH和最适温度 通常情况下-淀粉酶的最适作用pH一般在2到12之间变化。真菌和细菌类
5、-淀粉酶的最适pH在酸性和中性范围内,如芽孢杆菌-淀粉酶的最适pH为3,碱性-淀粉酶的最适pH在912。另外,温度和钙离子对一些-淀粉酶的最适pH有一定的影响,会改变其最适作用范围。不同微生物来源的仅一淀粉酶的最适作用温度存在着较大差异,其中最适作用温度最低的只有2530,而最高的能达到100130。另外,钙离子和钠离子对一些酶的最适作用温度也有一定的影响13。4.3金属离子 -淀粉酶是金属酶,很多金属离子,特别是重金属离子对其有抑制作用;另外,巯基,N-溴琥珀酸亚胺,p-羟基汞苯甲酸,碘乙酸,BSA,EDTA和EGTA等 对 仅一淀粉酶也有抑制作用。4.4电场强度 实验结果表明,不同强度电场
6、导致酶活性增加的效应不同,并且呈非单调性变化。我们认为,不同强度电场对酶蛋白分子的构象产生了不同影响,处理酶所用的电场能量虽然不足以改变酶蛋白氨基酸序列,但可以改变酶蛋白的构象姚占全等14用不同强度电场处理-淀粉酶5min,处理后分别在第1天与第1O天测定电场对-淀粉酶活性的影响。第1天测定结果表明,电场对酶产生明显影响,而且不同强度电场对-淀粉酶活性的影响程度不同,在0.56.0kV/cm范围内,酶活性随场强增加呈非单调性变化,与对照组相比,变化幅度在5.5%26.2%之间。第1O天测定,酶活性变化幅度在0.216.3%之间,表明电场对酶产生的影响经过一定时间后趋于消失。5、-淀粉酶的工业应
7、用 -淀粉酶是淀粉及以淀粉为材料的工业生产中最重要的一种水解酶,其最早的商业化应用在1984年,作为治疗消化紊乱的药物辅助剂。现在,-淀粉酶已广泛应用于食品、清洁剂、啤酒酿造、酒精工业、纺织退浆和造纸工业。5.1在焙烤工业中的应用 各种酶制剂在食品工业中的应用已有上百年的历史,最近几十年-淀粉酶广泛地应用于焙烤工业中焙烤工业中使用的酶制剂有很多,如蛋白酶、脂肪酶、普鲁兰酶、木聚糖酶、纤维素酶、糖化酶等,但没有一种酶能取代-淀粉酶在焙烤食品中的应用。-淀粉酶用于面包加工中可以使面包体积增大,纹理疏松;提高面团的发酵速度;改善面包心的组织结构,增加内部组织的柔软度;产生良好而稳定的面包外表色泽;提
8、高入炉的急胀性;抗老化,改善面包心的弹性和口感;延长面包心储存过程中的保鲜期。 面包等焙烤食品储存一定时间后逐渐变干变硬,易碎,风味变差,这些都是由于面包的陈化造成的,每年由于面包老化造成巨大的损失。在使用-淀粉酶时,对其加入量要求比较严格,稍微过量就会导致面包等焙烤食品粘度的增加。因此,最近人们逐渐使用中温-淀粉酶,由于其最适作用温度在5070左右,所以其在淀粉糊化时具有活性,而在焙烤过程中则会逐渐失活,最终在焙烤完成时活性丧失。而且,在加工过程中-淀粉酶会水解淀粉生成聚合度在49的糊精,这些糊精也具有抗老化性。但是,现在中温-淀粉酶仅能从极少的一些微生物中提取15,16。5.2在啤酒酿造中
9、的应用 啤洒是最早用酶的酿造产品之一,在啤洒酿造中添加-淀粉酶使其较快液化以取代一部分麦芽,使辅料增加,成本降低,特别在麦芽糖化力低,辅助原料使用比例较大的场合,使用-淀粉酶和-淀粉酶协同麦芽糖化,可以弥补麦芽酶系不足,增加可发酵糖含量,提高麦汁率 ,麦汁色泽降低,过滤速度加快,提高了浸出物得率,同时又缩短了整体糊化时间。啤洒酿造中糊化时添加-淀粉酶,在20世纪70年代主要用BF7658-淀粉酶;80年代用食品级枯草杆菌-淀粉酶;80年代末,我国无锡酶制剂厂首先生产出耐高温-淀粉酶,可使副原料比例从原来的30增加到40以上,实现了无麦芽糊化,节粮、节能显著,使啤酒行业的综合经济效益得到进一步提
10、高17。5.3在酒精工业上的应用在玉米为原料生产酒精中添加-淀粉酶低温蒸煮的新工艺,每生产1t酒精可节煤 224.42kg。又可减少冷却用水,提高出酒率8.8%,酒精成品质量也有显著提高。酒精生产应用耐高温-淀粉酶。采用中温95105蒸煮,既可有效地杀死原料中带来的杂菌,降低入池酸度和染菌机率,又可保护原材料中的淀粉组织不被破坏,形成焦糖或其它物质而损失,从而提高原料利用率18。6、淀粉酶的分离提纯 目前酶的分离提纯技术日益成熟,酶的分离纯化一般包括三个基本步骤:即抽提、纯化、结晶或制剂。首先将所需的酶从原料中引入溶液,此时不可避免地夹带着一些杂质,然后再将此酶从溶液中选择性地分离出来,或者从
11、此溶液中选择性地除去杂质,然后制成纯化的酶制剂。以下是一些概括: 细胞破碎:机械破碎法(捣碎、研磨、匀浆等)、物理破碎法(温度差、压力差、超声波等)(多用于微生物)、化学破碎法(使用甲苯、丙酮、氯仿等有机溶剂以及特里顿、吐温等表面活性剂)和酶促破碎法等等。 酶的提取:使用盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶剂等 沉淀分离:盐析沉淀、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、复合沉淀、选择性变性沉淀。 离心分离:离心机、离心方法、离心条件等。 过滤与膜分离:非膜过滤(粗滤、部分微滤)、膜过滤(大部分微滤、反渗透、透析、电渗析)。 层析分离:吸附、分配、离子交换、凝胶、亲和、层析聚焦等。 电泳分离:纸电泳、薄层电泳、薄
12、膜电泳、凝胶电泳、自由电泳、等电聚焦等。 萃取分离:有机溶剂、双水相、超临界、反胶束等。 浓缩结晶:盐析、有机溶剂、透析、等电点、温度差、金属离子等。 干燥成品:真空、冷冻、喷雾、气流、吸附等。197、淀粉酶的发展前景7.1固定化淀粉酶 固定化酶在食品技术,生物技术,生物化学和分析化学中的技术日渐重要。他们比游离酶的优点包括反应物分离容易,产品和反应介质易回收,重复或连续使用。酶可以固定化到多种不同的载体。通过吸附,离子和共价键结合等形式。共价结合法是非常有效的保留酶活性的方法,可以实现固定化20。随着科技的发展,淀粉酶的固定化使用越来越重要,也使大家在这方面的研究更加深入。8、展望 综上所述
13、,各种淀粉酶作为一种重要的工业用酶,已经广泛应用于淀粉及淀粉基工业中,且已经取得了很好的使用效果。对缩短生产周期,提高产品得率和原料的利用率,提高产品质量和节约粮食资源,都有着极其重要的作用。但由于不同来源淀粉酶的性质上 的差异,导致了其应用受到一定的局限,如耐高温淀粉酶在高温条件下才能发挥最大活力,在低温和中温时其利用效率很低,从而限制了其应用范围。另外,不同淀粉酶应用于食品中,其安全性有的尚未完全肯定。因此,在以后的研究中,可以通过化学方法或生物方法对淀粉酶进行改性,扩展其使用的范围,提高使用效率。无论如何,随着科技的发展、研究的深入,淀粉酶将会得到更加广泛的应用。参考文献1钱海丰,赵晓娟
14、,赵心爱-淀粉酶基因表达的调控J西北农业学报,2003,12(4):87-902张刚,汪天虹,张臻峰,等产低温淀粉酶海洋真菌筛选及研究J海洋科学,2002,26(2):3-53陈运中淀粉酶的性质和分类J武汉粮食工业学院学报,1990,1:15-224M. Saban Tanyildizia, Dursun Ozer, Murat Elibol. Production of bacterial a-amylase by B. Amyloliquefaciens under solid substrate fermentationJ. Biochemical Engineering Journal, 2007, 37: 269-274.5Shin-ichiro Mitsunaga, Midori Kobayashi, SatoeFukui. a-Amylase production is induced by sulfuric acid in rice aleurone cells J. Plant Physiology and Biochemistry, 2007, 45: 922-925.6Arnubio
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