淀粉酶

淀粉酶在生活中的应用

摘要：淀粉酶是生产淀粉糖和发酵产品最重要的一种物质，对淀粉工业的发展起了巨大的促进作用。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。

关键词：淀粉酶；α-淀粉酶；β-淀粉酶；葡萄糖淀粉酶; 脱支酶; 水解酶

Abstract ：Starch enzymes are one of the most important materials for manufacturing starch sugars and ferment products. They have contributed greatly to the development of the starch hydrolysis industry. Amylase is widely distributed，is a kind of enzyme that studying by people.From textile industry to wastewater treatment, these enzymes have different scale applications.

Keywords ：starch enzymes; α- Amylase; β- Amylase;1, 4-

D-Glucanglucohydrolase; 1, 6- α- D- Glucano-hydrolase; hydrolysis

1. 酶的分类

淀粉酶（amylase）是一种能水解淀粉、糖原和有关多糖中的O-葡萄糖

键的酶，它属于水解酶类，是催化淀粉、糖元和糊精中糖苷键的一类酶的统

称。淀粉酶广泛分布于自然界，几乎所有植物、动物和微生物都含有淀粉酶。

它是研究较多、生产最早、应用最广和产量最大的一种酶, 其产量占整个酶

制剂总产量的50 %以上。按其来源可分为细菌淀粉酶、霉菌淀粉酶和麦芽

糖淀粉酶。根据对淀粉作用方式的不同，可以将淀粉酶分成四类：

1) α- 淀粉酶，它从底物分子内部将糖苷键裂开；

2) β- 淀粉酶，它从底物的非还原性末端将麦芽糖单位水解下来；

3) 葡萄糖淀粉酶，它从底物的非还原性末端将葡萄糖单位水解下来；

4) 脱支酶，只对支链淀粉、糖原等分支点的α- 1, 6- 糖苷键有专一

性。

1.1 α- 淀粉酶

α- 淀粉酶( α- amylase) 又称为液化型淀粉酶, 是一种催化淀粉水解生成糊精的淀粉酶, 系统命名为1, 4α- D- 葡聚糖葡萄糖水解酶( 1, 4- α-D- Glucan- glucanohydrolase, EC3.2.1.1) 。该酶作用于淀粉和糖原时, 所产生的还原糖在光学结构上是α- 型的, 所以将此酶叫做α- 淀粉酶。

α- 淀粉酶( α- 1, 4- D- 葡萄糖- 葡萄糖苷水解酶) 普遍分布在动物、植物和微生物中, 是一种重要的淀粉水解酶, 它以随机作用方式切断淀粉、糖原、寡聚或多聚糖分子内的葡萄糖苷键, 产生麦芽糖、低聚糖和α- 1, 4 葡萄糖等, 是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。

α- 淀粉酶作用于淀粉和糖原时, 从底物分子内部随机地切开α- 1, 4- 糖

苷键, 而生成麦芽糖、少量葡萄糖和一系列相对分子质量不等的低聚糖和糊精。α- 1, 4- 糖苷键裂开而产物的够型保持不变。然而从多黏杆菌得到的α- 淀粉酶却是一个例外, 他于外切的方式作用于淀粉, 而寡糖产物的异头炭具有β- 构型。α- 淀粉酶以直链淀粉为底物时, 反应一般按两个阶段进行。首先, 直链淀粉快速地降解产生寡糖, 这基本上是α- 淀粉酶以随机的方式作用于淀粉的结果。在这一阶段直链淀粉的黏度以及与碘发生呈色反应的能力很快地下降。第二阶段的反应比第一阶段的反应要慢得多。他包括寡糖缓慢地水解生成最终产物葡萄糖和麦芽糖。第二阶段的反应并不遵循第一阶段随机作用的模式。α- 淀粉酶作用于支链淀粉时产生葡萄糖、麦芽糖和一系列限制糊精( 由4 个或更多个葡萄糖构成的寡糖) , 后者都含有α- 1, 4- 糖苷键。

1.2 β-淀粉酶

β- 淀粉酶( β- Amylase) 又称为麦芽糖苷酶,是一种外切酶。系统名称为1, 4- α- D- 葡聚糖麦芽糖水解酶( 1, 4- α- D- Glucan

maltohydrolase,EC.3.2.1.2) 。它作用于淀粉时从淀粉链的非还原端开始, 作用于α- 1, 4- 糖苷键, 顺次切下麦芽糖单位, 由于该酶作用于底物时发生沃尔登

转位反应( Walden inversion) , 使生成的麦芽糖由α- 型转为β- 型, 故称β-

淀粉酶。β- 淀粉酶不能裂开支链淀粉中的α- 1, 6- 糖苷键, 也不能绕过支链淀粉的分支点继续作用于α- 1, 4- 糖苷键, 故遇到分支点就停止作用, 并在分支点残留1～3 个葡萄糖残基。因此, β- 淀粉酶对支链淀粉的作用是不完全的。

1.3 葡萄糖淀粉酶

葡萄糖淀粉酶( E.C.3.2.1.3) 系统名为α- 1,4- 葡聚糖- 葡萄糖水解酶, 他

能将淀粉全部水解为葡萄糖, 通常用做淀粉的糖化剂, 故习惯上称之为糖化酶。葡萄糖淀粉酶是一种重要的工业酶制剂, 目前年产量约70 000t, 是中国产量最

大的酶种。该酶广泛用于酒精、酿酒以及食品发酵工业中。葡萄糖淀粉酶只存在于微生物界, 许多霉菌都可以生产葡萄糖淀粉酶。

1.4 脱支酶

异淀粉酶( E.C.3.2.1.9) 又叫脱支酶, 其系统命名为支链淀粉α- 1, 6- 葡聚糖水解酶, 只对支链淀粉、糖原等分支点有专一性。该酶最早由日本丸尾等于1940 年在酵母细胞提取液中发现。以后又相继在高等植物及其他微生物中发现这种类型的酶。由于来源不同, 作用也有差异, 名称更不统一。

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。l959年，以淀粉为原料，用α-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(Marshall)，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(Norman)，1978年；巴夫德(Barfoed)，1976年；赫斯特(Hurst)．1975年；斯洛特(Slott)和麦德瑟(Madser)，1975年)。淀粉酶的一些应用如下：

2．1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)。

2．2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-O-α-D-吡喃葡糖基-D-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生产原料。将淀粉浆浓度调整到l0％～20％，生产医用级麦芽糖；调到20％～40％，生产食品级麦芽糖。生

产中使用的α-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和低聚糖混合物的生产

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。低聚糖混合物(麦芽低聚混合物)是用α-淀粉酶、β-淀粉酶和支链淀粉酶作用予玉米淀粉的结果。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％；麦芽三糖46．4％；麦芽四糖和大麦芽低聚糖14％。

2．4除垢剂中的应用

酶是现代高效除垢剂的成分之一。酶在除垢剂中最大的功能就是使除垢剂更温和无害。早期自动洗碗机的除垢剂非常粗糙，易在进食时对人体造成伤害，而且对陶瓷、木质餐具也会造成损害。α-淀粉酶从1975 年就被应用于制造洗衣粉。现在，90%液体除垢剂都含有α-淀粉酶，而且自动洗碗机的除垢剂对α-淀粉酶的需求也在不断增长。α-淀粉酶对Ca2+过于敏感，在低Ca2+的环境下稳定性很差，这限制了α-淀粉酶在除垢剂中的应用。并且，大多数野生型菌株所产生的α-淀粉酶对作为除垢剂原料的氧化剂也过于敏感。在家用除垢剂中，可通过增加一些工艺步骤进行改善。

最近，2 家主要除垢剂酶的生产厂家Novozymes 和Gcncncore International 已经利用蛋白质工艺改善淀粉酶的漂白稳定性。它们用亮氨酸替代地衣芽孢杆菌α-淀粉酶蛋白第197 位上的蛋氨酸，导致酶对氧化剂成分的抵抗能力大大增强，提高了其氧化稳定性，使酶在储存过程中的稳定性更好。这2 家公司已经在市场上推销了这些新产品。

2．5造纸工业

淀粉酶在造纸工业中的用途主要是改良纸张涂层淀粉。纸张上的浆糊主要是保护纸张在处理过程中免于机械损伤，它同样也改良了成品纸的质量。浆糊提高了纸张的硬度和强度，增强了纸张的可擦除性，是一种很好的纸张涂料。当纸张穿过2 个轧辊时，淀粉浆被加入纸张。这个过程的温度控制在45～60 ℃，需要淀粉有稳定的黏度。研磨同样可以根据不同纸张等级控制淀粉的黏度。自然界的淀粉浓度对于纸张上浆来说太高，可以利用α-淀粉酶部分降解淀粉来调节。

2．6淀粉的液化作用和糖化作用

α-淀粉酶的主要市场是淀粉水解的产物，如葡萄糖和果糖。淀粉被转化为

高果糖玉米糖浆（HFCS）。由于它们的高甜度，被用于饮料工业中软饮料的甜味剂。这个液化过程就用到在高温下热稳定性好的α-淀粉酶。α-淀粉酶在淀粉液化上的应用工艺已经相当成熟，已有很多相关报道。2．7 高分子量支链糊精的生产高分子量支链糊精是用α-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α-淀粉酶来去除的。

2．9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，1993年)。

2．10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(Beazell)，1942年)，补充面粉的糖化活性，改善一些动物饲料的可消化性。

3. 结语：

淀粉酶已经成为工业应用中最为重要的酶之一，并且大量的微生物可以用以高效生产淀粉酶，但是酶的大规模商业化生产仍然局限于几种特定的真菌和细菌中。得益于现代生物技术的发展，淀粉酶在制药方面的重要性日益凸显。当然，食品和淀粉工业仍然是主要市场，淀粉酶在这些领域的需求仍然是最大的。

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