淀粉酶及其应用0 引言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α-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α-1，4或α-1，4和／或α-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α-1，4键和绕过α-1，6键的酶，比如α-淀粉酶(内作用淀粉酶)。

(3)水解α-1，4键，但不能绕过α-1，6键的酶，比如β-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α-1，4和α-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α-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α-1，4键的酶，比如α-葡萄糖苷酶。

(7)将淀粉水解为一连串非还原环状口葡糖基聚合物，称为环糊精或塞查丁格(Sachardinger)糊精的酶，比如浸麻芽孢杆菌(Bacillus macerans)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一一淀粉的特性。

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70％。

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表1。

表1直链淀粉和支链淀粉的比较性质 直链淀粉 支链淀粉基本结构 基本直线 分岔在水溶液中稳定性 回生 稳定聚合度 C.103 C.104～105平均链长 C.103 C.20～25β淀粉酶水解 87％ 54％β淀粉酶和分支酶水解 98％ 79％碘复合物最大值 650nm 650nm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D-葡萄糖残基的α-1，4线性链组成。

因此，在广泛意义上说它可以被α-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)。

这是因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107～ 108之间，它具有分支结构，由20～25个连结D-葡萄糖残基的α-1，4链组成。

α-1，6联接出现分岔的支链淀粉含有4％到5％的α-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工艺(安德考夫勒(Underkofler)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。

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 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5min)。

采用耐热α-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(Macgrillivray)，l972年；博迟(Birch)和查林勃格(Schallenberger)，1973年)。

在酶法液化中，当平均聚合度达到10～l2时就要终止水解作用。

目前，有两种截然不同的耐热α-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α-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 Industri 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l05℃。

当淀粉浆通过蒸汽加压锅时，巨大的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5min，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℃。

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l40～150℃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100～95℃时加入酶制剂。

干物质含量为30％～40％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100℃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。

α-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-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％。