微生物酵素之工业应用与大规模生产(一)

微生物酵素之工業應用與大規模生產(一)

緒言

酵素皆來自於生物體(含動物、植物及微生物)的細胞，特別是微生物可易於大量培養，且生長速度比其他動植物還快好幾倍以上，加上可利用重組DNA及人工誘發突變等技術，使微生物能生產不易獲得的酵素。因此，微生物可以說是酵素商業化生產之最佳來源。

1960以glucoamylase進行starch的酵素水解，取代以往的酸水解製程。

1965由Bacillus licheniformis生產之protease，廣泛應用於清潔劑中。

1968以無塵化(dust free)微粒包覆之酵素技術發展成功，解決過敏反應問題。1965-1970由微生物生產之凝乳 成功地應用在乳酪製造工業上。

1970利用glucose isomerase固定化技術將glucose轉化成fructose，大幅降低成本。

應用於工業上：

利用protease添加於清潔劑中。

利用glucose isomerase固定化技術將glucose轉化成fructose，大幅降低成本。

應用於農業上：

微生物之凝乳 酵素來替代小牛的凝乳 。

釀造業(如酒醋等)之糖化酵素(α-amylase, glucoamylase)等來提高經濟效益。應用於製藥工業上：

如胰臟萃取之酵素與微生物酵素混合，作為消化助劑。

利用penicillin acylase來生產青黴素

微生物酵素的工業應用

工業用酵素有80%是屬於具有去聚合能力之水解性酵素，主要是食品業；有60%是蛋白質分解酵素，應用於清潔劑、酪農業及皮革等工業；糖解酵素(carbohydrase)佔酵素使用量的30%，應用於澱粉、麵包烘焙、釀造及紡織工業，其餘為脂肪酵素及其他特用酵素。

食品工業上重要的三大酵素：

醣水解酵素(主要為澱粉水解酵素)

蛋白質水解酵素

脂肪水解酵素

澱粉水解酵素(amylase; amylolytic enzymes)：

starch為所有植物的貯存物質，主要為D-glucose的聚合物，依鍵結方式分為：

一、澱粉溶膠質(amylose)：α-1,4 linkage之直鏈聚合體。

二、澱粉粘膠質(amylopectin)：同時以α-1,4 (直鏈) & α-1,6 (支鏈) linkage之聚合體。

Amylase對澱粉具有糖化之效應(saccharifying effect)。

α-amylase (1,4,-α-D-glucan 4-glucanohydrolase) = endoamylase

只逢機切斷amylose及amylopectin的α-1,4 linkage，產生glucose, maltose, 直鏈oligosaccharide, 及含有α-1,6 linkage之有限糊精(limited dextrin)，並使降低澱粉之液體粘度，主要應用於澱粉工業之液化(liquefaction)，釀酒工業之製醪(mashing)，麵粉烘焙中將澱粉糖化提供酵母菌發酵所需之單糖及雙糖。

早期是由大麥麥芽中分離α-amylase，目前可由Bacillus subtilis, Aspergillus oryzae 工業化生產。

β-amylase (1,4-α-D-glucan maltohydrolase) = exoamylase

只切amylose 及amylopectin尾端之α-1,4 linkage鍵結水解，從高分子鏈之非還原端開始，一次切掉一個maltose(麥芽糖)為限，大約可以生產50~60%之maltose，其餘為糊精(dextrin)。此酵素主要存在於大多數的高等植物中，微生物較少（如Bacillus circulans, Bacillus megaterium），故商業化之生產主要源自於大麥麥芽及大豆。

Glucoamylase (amyloglucosidase, exo-1,4-α-glucosidase)

是一種exoenzyme，由非還原端一個個將glucose移去，同時也可將oligosaccharide 水解成最終產物─glucose，應用於澱粉之糖化製成葡萄糖糖漿(dextrose syrups)。所有的glucoamylase幾乎皆來自於黴菌，主要商業化生產菌種為Aspergillus niger 及Rhizopus niveus。其他如Aspergillus oryzae, Rhizopus delemar & Aspergillus phoenicis。

Pullulanase (pullulan 6-glucanohydrolase)

Pullulanase具有水解α-1,6 linkage及直鏈性多醣類的能力，故可作用於

amylopectin, 肝糖及limited dextrin之支鍵結點上，可完全分解成maltotriose及

maltose。與malt diastase一起使用可將starch轉化成高麥芽糖漿(high maltose syrup)，食品工業上具有發展潛力。Pullulanase大多來自於細菌，如Aerobacter aerogenes, Klebsiella aerogenes，亦可自Escherichia intermedium及Streptococcus mitis中分離出此酵素。

Isoamylase (glicogen 6-glucanohydrolase)

此酵素作用能力與pullulanase很類似，唯不能分解直鏈型之pullulane之聚合物，可自細菌及酵母菌分離，如Pseudomonas SB15及Cytophaga等。

其他與amylase作用相似的酵素有：

Dextranase & Invertase

α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase：

sucrose來源為甘蔗及甜菜，但製程中因糖汁中有澱粉及葡聚糖(dextran)，主要為α-1,6 linkage之聚合物，使糖汁粘度增大，使真空澄清(clarification)及結晶(crystallization)操作中，熱傳導不良，澄清效率不佳，結晶時間長，為解決此問題，通常加入耐熱的α-amylase去除澱粉及α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase 分解dextran。由於dextran非天然成份，細菌中Leuconostoc易滋生而使甘蔗變質或酸化。工業上使用的α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase生產菌係由Penicillium lilacinum (Paecilomyces lilacinum)生產而來。蛀牙現象(tooth decay)主要發生是微生物生成的dextran所引起的，若是將α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase加入牙膏或口香糖中，可做為預防蛀牙之藥劑。

invertase

Sucrose = glucose + fructose

invertase可將sucrose水解成還原糖(glucose + fructose)之能力，因果糖(fructose)的甜度比蔗糖(sucrose)還高出許多，故可使甜度大大提高，在食品工業上非常重要。常應用於糕餅業、果糖工業(confectionery)、人造蜂蜜、巧克力工業等。目前微生物中只有Saccharomyces cerevistiae及S. carlsbergensis具有商業價值。

Glucose isomerase (D-xylose ketol-isomerase)

Fructose是所有糖類中甜度最高的，故含量愈高，甜度就愈高。Glucose為一種便宜且易取得的原料，以往利用鹼性異構化(alkaline isomerization)將glucose轉換成