β-淀粉酶
淀粉酶是水解淀粉和糖原酶类的统称,按水解淀粉方式不同,淀粉酶可分为α- 淀粉酶、β-淀粉酶、脱枝酶及葡萄糖淀粉酶4 大类.按照结构的差异,又可将其分为α、β型两大类.β-淀粉酶是一种外切酶,其作用于淀粉时,从α- 1,4糖苷键的非还原性末端顺次切下一个麦芽糖单位,产物为麦芽糖和大分子的β-界限糊精.因为该酶作用于底物时,发生沃尔登转化（Waldeninversion）,使产物由α型变为β型麦芽糖,释放的β-麦芽糖在C1位上有一个自由H基,为β型,故名β-淀粉酶.近年来,β-淀粉酶的研究引起了酶制剂行业的广泛关注.本文对β-淀粉酶的来源、性质、分离纯化及应用等方面的研究进展进行了综述,最后对β-淀粉酶在酶制剂行业的研究及应用进行了展望。
一、来源
β—淀粉酶广泛存在于大麦、小麦甘薯、大豆等高等植物中，目前商品β—淀粉酶绝大部份均是从植物中提取的，芽孢杆菌β—淀粉酶生产量极低。
很多微生物通过发酵能产生β-淀粉酶,如蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、假单胞菌等.但通过微生物发酵生产的β-淀粉酶耐热性差,且成本较高,要达到工业化生产还需一定距离.植物中β-淀粉酶酶活力高、耐热性好、作用 pH 范围较广,适合于高麦芽糖浆的生产要求.植物体中的β-淀粉酶主要存在于质体内,而在其他亚细胞区域内β-淀粉酶的分布都较少.甘薯
在自然栽培的条件下,只有块根中存在β-淀粉酶,其余的部位几乎检测不出β-淀粉酶的存在,但是只有存在于质体外的β-淀粉酶才具备活性.Zieglar认为β-淀粉酶在液泡中也有所分布,并且在多糖代谢中起到作用.单子叶植物中β-淀粉酶存在于胚乳细胞中,在其他器官中很少有分布,当种子萌发时,β-淀粉酶与其他相关酶一起协同完成淀粉的降解.而在高等植物中,存有两种不同酶活力的β-淀粉酶,它们分别存在于植物的不同组织器官中：一种是以高活力存在的β-淀粉酶,主要存在于禾本科植物的胚乳中,当这类植物的种子开始发芽时,β-淀粉酶的酶活力会显著升高；而另一种则是以相对酶活性较低的形式,普遍存在于植物的各个组织器官中的β-淀粉酶.这两种形式的β-淀粉酶虽然在抗原性上较相似,但在其他方面存在着较大的区别,而且它们的生成方式也不尽相同,推测得出,前一种β-淀粉酶可能是由后一种β-淀粉酶的基因转变而来的。
β-淀粉酶在高等植物体内是以游离态和结合态两种形式存在的,用水提的方法可以将植物中游离态的β-淀粉酶提取出来,而以结合态形式存在的β-淀粉酶的提取还需要添加还原剂或蛋白水解酶,这种结合态的β-淀粉酶由于与种子中的其他蛋白结合会成为复杂的不溶物质.这两种形态的β-淀粉酶在大麦种子中占所有蛋白含量的1%左右。
二、β—淀粉酶性质
β—淀粉酶能将直链淀粉分解成麦芽糖的淀粉酶。
可耐酸。
将麦芽汁调节pH值为3.6，在0℃下可使α-淀粉酶失去活力，而余下β-淀粉酶。
β-淀粉酶的唯一产物是麦芽糖，不是葡萄糖。
β-淀粉酶水
解淀粉产生麦芽糖。
长期以来，β-淀粉酶主要来源于大麦等粮食作物，应用受到限制微生物产的β-淀粉酶可全部或部分代替植物来源的β-淀粉酶，用来生产高麦芽糖浆、高纯度麦芽糖，医用针剂麦芽糖，麦芽糖醇，麦芽糊精，啤酒等。
此项技术共包括以下三项成果。
1、高产β-淀粉酶菌种及食品级β-淀粉酶制剂生产新工艺菌种为腊状芽孢杆菌，经物理、化学方法处理，得诱变株M-153，产β-淀粉酶活力提高了近300倍，产酶活力(45℃测定)高达2万单位/毫升左右。
2、用微生物β-淀粉酶生产高麦芽糖浆新工艺含麦芽糖55%-60%的试产品曾用于生产糖果、果脯、饼干、面包等代替饴糖和蔗糖，应用效果良好，提高了各类食品的质量，改善了风味。
3、用微生物β-淀粉酶代替部分大麦芽生产啤酒新工艺生产啤酒常规原料配比为70%大麦芽，30%大米为辅料。
新工艺将大麦芽与大米的比例由7：3改为5：5，补加微生物β-淀粉酶，在北京啤酒厂的20-100吨发酵罐的生产线上试生产成功。
三、β—淀粉酶的分离纯化
淀粉酶的纯化一般经过盐析、凝胶过滤或离子交换除盐等步骤，有时也采用海藻酸钠将酶沉淀。
在粗提液中，常含有一些可溶性糖和无机盐，也存在一些杂蛋白或其他酶系，为了获得较纯净的酶，通常要根据提取酶的特性确定纯化方法。
如采用加热、调pH值、添加蛋白质沉淀剂，使杂蛋白失活，再进一步配合过滤、离心等手段以纯化酶。
周中凯等通过调节滤液酸度至pH 3．7以实现Ot一淀粉酶失活，达到纯化B．淀粉酶的目的。
有时通过添加对目的酶无影响的蛋白质
沉淀剂(如醋酸铝、利凡诺、单宁酸、离子型表面活性剂等)不但可以去除杂蛋白，还可以去除黏性多糖和色素。
微生物来源的酶液常含有某些色素，可用活性炭、阴离子交换树脂等除去。
活性炭的用量、处理时间、温度等对脱色效果及酶的回收有影响。
采用孔径小、交联度大的树脂可达到仅吸附色素而不吸附酶的效果，脱色效果好。
四、β-淀粉酶的应用
β-淀粉酶在食品加工、粮食加工、发酵、酿造、医药、纺织品等行业具有重要作用.β- 淀粉酶作为糖化剂,可应用于啤酒、饴糖、饮料等工业生产,是食品加工与酿造行业的重要酶源.据报道,中科院于 1993 年用微生物β- 淀粉酶替代部分大麦芽生产啤酒新工艺,它将大麦芽与大米比例由7∶3改为5∶5,补加微生物β-淀粉酶,于北京啤酒厂20~100 t发酵罐生产线上试生产成功.2002年,周健芹等将 Maltogenase 和β-淀粉酶协同作用制取超高麦芽糖浆.2005年,徐忠等用β-淀粉酶和普鲁兰酶作用制备淀粉糖浆.在制糖方面,β-淀粉酶通过水解淀粉生产麦芽糖,主要应用于生产麦芽糖浆、高纯度麦芽糖,麦芽糊精,麦芽糖醇,医用针剂麦芽糖等.麦芽糖是自然界中常见的一种双糖,它是麦芽糖糖浆的主要成分.麦芽糖不但被广泛用作甜味剂,而且还是医用的静脉输液糖补充剂.同时,因为麦芽糖的低结晶度及低吸湿性,它在食品工业生产中也被广泛应用.玉米、马铃薯、甘薯和木薯淀粉都是麦芽糖较好的生产原料.工业生产中,将淀粉浆浓度调到10%~20%,可生产医用级麦芽糖；而调整到20%~40%时,可以生产食品级麦芽糖.在酿造工业中,β-淀粉酶是主要糖化酶之一.
如在啤酒生产中,专用糖浆的生产主要应用的酶制剂即为β-淀粉酶,其对啤酒糖浆质量、品种和成本具有关键作用.利用甘薯β-淀粉酶替代麦芽生产啤酒,可提高辅料比到50%~75%,这就节约了麦芽用量,提高糖化率,降低生产成本,并且生产出的啤酒色浅,泡沫洁白细腻,清亮透明,品质优良,口味爽口纯正,与常规工艺生产的啤酒相近.每生产万吨啤酒,节约用粮约17万kg,降低生产成本25万元左右.此外,β-淀粉酶还应用于制药行业。
五、展望
目前，国内外对B一淀粉酶的研究已取得了可喜的成绩，如KIHARA M等利用定点诱变和随机诱变的方法达到了取代原大麦β-淀粉酶7个氨基酸。
经诱变后的β-淀粉酶与原酶相比，耐热性提高了l 1．6。
C，且这种转基因的大麦种子能稳定地传给予代，从而为工业利用β-淀粉酶提供了种子质量保障。
中国科学院微生物研究所的陈炜等分析了坚强芽孢杆菌β-淀粉酶基因的核苷酸系列并探讨了微生物来源的B 一淀粉酶代替部分大麦芽生产啤酒新工艺。
尽管微生物来源的β-淀粉酶活力低，距工业应用还存在一定的差距，但通过诱变育种和基因工程手段处理菌株，可大大提高菌种产酶能力。
可以预见，通过物种定向改性以及转基因技术来提高酶的活性和热稳定性仍将是未来β-淀粉酶的研究热点。