9000-92-4/淀粉酶的分類及應(yīng)用

【背景及概述】^[1][2][3]

淀粉酶屬于水解酶類，是催化淀粉、糖元和糊精中糖苷鍵的一類酶的統(tǒng)稱。淀粉酶廣泛分布于自然界，幾乎所有植物、動物和微生物都含有淀粉酶。他是研究較多、生產(chǎn)最早、應(yīng)用最廣和產(chǎn)量最大的一種酶，其產(chǎn)量占整個酶制劑總產(chǎn)量的50 %以上。按其來源可分為細(xì)菌淀粉酶、霉菌淀粉酶和麥芽糖淀粉酶。根據(jù)對淀粉作用方式的不同，可以將淀粉酶分成四類：α- 淀粉酶，他從底物分子內(nèi)部將糖苷鍵裂開：β- 淀粉酶，他從底物的非還原性末端將麥芽糖單位水解下來： 葡萄糖淀粉酶，他從底物的非還原性末端將葡萄糖單位水解下來：脫支酶，只對支鏈淀粉、糖原等分支點的α- 1，6- 糖苷鍵有專一性。其中α-淀粉酶以淀粉或糖原為底物，從分子內(nèi)部水解α-1，4 -糖苷鍵，廣泛存在于動物、植物和微生物中，應(yīng)用于糧食加工、食品工業(yè)、釀造、發(fā)酵、紡織、醫(yī)藥及石油開采等行業(yè)。由于該酶是一種有內(nèi)切活性的淀粉酶，可在中性pH條件下將淀粉水解為糊精、寡糖、麥芽糖和葡萄糖等，從而使黏稠的淀粉糊很快失去黏性而液化，碘的呈色反應(yīng)很快消失，故又稱為淀粉液化酶。β-淀粉酶是一種外切型糖化酶，作用于淀粉時，能從α-1，4糖苷鍵的非還原性末端順次切下一個麥芽糖單位，生成麥芽糖及大分子的β-界限糊精。由于該酶作用底物時，發(fā)生沃爾登轉(zhuǎn)位反應(yīng)，使產(chǎn)物由α-型變?yōu)?beta;-型麥芽糖，故名β-淀粉酶。其廣泛存在于大麥、小麥、玉米、大豆、甘薯等植物和一些微生物中。

【名稱及來源】^[2]

【生產(chǎn)】^[1][3]

1.α-淀粉酶分離純化方法的研究

高純度α-淀粉酶是一種重要的水解淀粉類酶制劑，可用于研究酶反應(yīng)機理和測定生化反應(yīng)平衡常數(shù)等。分離純化α-淀粉酶的方法很多，一般都是依據(jù)酶分子的大小、形狀、電荷性質(zhì)、溶解度、穩(wěn)定性、專一性結(jié)合位點等性質(zhì)建立的。要得到高純度α-淀粉酶，往往需要將各種方法聯(lián)合使用。鹽析沉淀、凝膠過濾層析、離子交換層析、疏水作用層析、親和層析和電泳等，是蛋白質(zhì)分離純化的主要方法。通過乙醇沉淀、離子交換層析和凝膠過濾層析等方式，從白曲霉菌A.kawachii的米曲粗抽出液中，分離純化到兩個耐酸性α-淀粉酶比活性極高的組分。用疏水吸附法和DEAE-cellulose柱層析法分離純化α-淀粉酶，所得酶活力為110 000 U/g。用硫酸銨沉淀和垂直板制備凝膠電泳對地衣芽孢桿菌A.4041耐高溫α-淀粉酶進行分離純化，得到3種電泳均一的組分。通過超濾、濃縮、脫鹽和聚丙烯酰胺垂直板凝膠電泳，對利用基因工程菌生產(chǎn)的重組超耐熱耐酸性α-淀粉酶進行純化，得到電泳純級的超耐熱耐酸性α-淀粉酶，純化倍數(shù)為11.7，活力回收率29.8% 。

但上述方法存在的共同問題是，連續(xù)操作和規(guī)模放大都比較困難。反膠團萃取具有選擇性高、正萃與反萃可同時進行、分離與濃縮同步進行、操作簡單和易于放大等優(yōu)點，并能有效防止生物分子變性失活。采用DMBAC(十二烷基二甲基芐基氯化銨)/正庚反膠團體系萃取分離純化α-淀粉酶，克服了以前最常用的AOT(丁二酸-2 -乙基己基酯磺酸鈉)/異辛烷體系無法對分子量大于30000的酶進行有效萃取分離的缺點，并對萃取工藝條件進行優(yōu)化，易于實現(xiàn)各種酶分離，單級萃取率高，總回收率可達(dá)78.0%，但對連續(xù)萃取及有關(guān)工藝條件的完善有待進一步研究。雙水相技術(shù)具有處理容量大、能耗低、易連續(xù)化操作和工程放大等優(yōu)點。應(yīng)用雙水相系統(tǒng)PEG/磷酸鹽分離純化α-淀粉酶，增PEG濃度有助于酶富集上相。同樣用PEG/磷酸鹽雙水相體系從發(fā)酵液中直接萃取分離低溫α-淀粉酶，分配系數(shù)及回收率分別為4.8 和87%。

采用PEG/硫酸銨雙水相體系，進行分離純化α-淀粉酶，結(jié)果表明，在室溫下由PEG和硫酸銨所組成的雙水相體系，對α-淀粉酶的回收率可達(dá)94.84%，分配系數(shù)可達(dá)17.10。雙水相技術(shù)有著溶液粘度高、分相時間長，易造成界面乳化等缺點，給實際操作帶來很多問題。PVP和硫酸銨對酶活力具有保護作用，利用PVP/硫酸銨液-固萃取體系分離提取耐高溫α-淀粉酶，酶活力回收率高，體系成相時間短，操作時需雙水相體系所用的分液漏斗和離心操作，用傾液法即可實現(xiàn)相分離，因此，與雙水相體系相比，液-固取體系具有更大的優(yōu)越性。高效液相色譜屬于硬基質(zhì)色譜，比軟基質(zhì)色譜分離速度快，效率高，分辨率高，用強陰離子高效液相色譜分離純化工業(yè)α-淀粉酶可獲得較高的重復(fù)性和回收率，既可用于工業(yè)α-淀粉酶純化，也可用于其他來源的α-淀粉酶純化。

2. β-淀粉酶的純化

與一般蛋白質(zhì)純化方法相同，β-淀粉酶的純化一般經(jīng)過（NH₄）₂SO₄ 鹽析、凝膠過濾或離子交換除鹽等步驟，有時也采用海藻酸鈉將酶沉淀。在粗提液中，常含有一些可溶性糖和無機鹽，也存在一些雜蛋白或其他酶系，為了獲得較純凈的酶，通常要根據(jù)提取酶的特性確定純化方法。如采用加熱、調(diào)pH值、添加蛋白質(zhì)沉淀劑，使雜蛋白失活，再進一步配合過濾、離心等手段以純化酶。

【分類及應(yīng)用】^[1][2][3]

1. α-淀粉酶的應(yīng)用

1）α-淀粉酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用：分別以玉米和木薯淀粉為原料，采用α-淀粉酶和不同枝切酶的雙酶協(xié)同作用，研究適合工業(yè)化生產(chǎn)麥芽低聚糖的工藝。將耐高溫α-淀粉酶用于超高麥芽糖漿生產(chǎn)中，淀粉液化更為完全，并且降低了酶的用量。在冷飲制作中，由于淀粉糊具有老化的物理性質(zhì)，低溫靜置會形成不溶性的硬性凝膠塊，影響冷飲的質(zhì)量及口感。α-淀粉酶的加入，能很快將淀粉水解到糊精和低聚糖范圍大小的分，使料液粘度急速降低，流動性增高，從而保證了高淀粉冷飲的質(zhì)量，使其在口感上更適合于人們的需要。假蜂蜜中添加了耐高溫α-淀粉酶，在高溫下，假蜂蜜α-淀粉酶活力未發(fā)生明顯變化，真蜂蜜在同樣的高下，α-淀粉酶活力會明顯下降，由此可以判別蜂蜜的真假。α-淀粉酶作為一種安全、高效的改良劑，多用于面制品行業(yè)，適量的α-淀粉酶可改良面包品質(zhì)，用于面包工業(yè)。將自制真菌α-淀粉酶用作面包添加劑，其效果與進口的酶制劑相當(dāng)，可替代進口的添加劑，且成本大大低于進口面包添加劑，縮短了發(fā)酵時間，為工業(yè)化生產(chǎn)縮短了周期：可代替國內(nèi)原有面包改良劑中有致癌作用的溴酸鉀。由于不同種類的α-淀粉酶對面包品質(zhì)影響不同，就常用的幾種α-淀粉酶對面包品質(zhì)及貯存性的影響作了研究，由面包比容、評分及壓縮值結(jié)果得到，較好的酶為細(xì)菌α-淀粉酶。研究細(xì)菌α-淀粉酶對饅頭品質(zhì)的影響，表明細(xì)菌α-淀粉酶添加量為2 mg/kg時，能較好地提高饅頭貯存過程中的感官評分和儀器測量結(jié)果。真菌α-淀粉酶是一種傳統(tǒng)的酶制劑，最適溫度范圍為50～60 ℃，常用作小麥粉α-淀粉酶增補劑，是饅頭生產(chǎn)中需要控制的一個重要指標(biāo)。最經(jīng)濟、安全及有效的酶為真菌α-淀粉酶。谷朊粉和真菌α-淀粉酶兩種添加劑不僅具有營養(yǎng)價值及改善食品的功效，而且在使用上具有較強的安全性。麥芽糖α-淀粉酶是一種新型的酶制劑，由DNA重組的細(xì)菌經(jīng)深層發(fā)酵獲得，酶的最適作用溫度范圍為45～75 ℃，比真菌α-淀粉酶具有更寬的溫度適應(yīng)范圍，具有延長面食保鮮期的潛在優(yōu)勢。

2）α-淀粉酶在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用：為了彌補乳酸脫氫酶(LDH)、α-淀粉酶(α-Amy)、癌胚抗原(CEA)各單項檢查在卵巢血清學(xué)診斷中靈敏度較低的不足，對LDH、-Amy、CEA三者進行了聯(lián)合檢測。經(jīng)臨床試驗證實：三者聯(lián)合檢測，以其中任意兩項為聯(lián)檢陽性，均可提高卵巢癌的陽性檢出率，并有助于卵巢癌與卵巢良性腫瘤的鑒別診斷。分析血鏈球菌群中的細(xì)菌與α-唾液淀粉酶的結(jié)合能力，可有效鑒定不同血鏈球菌群中各菌株。研究唾液α-淀粉酶與致齲血鏈球菌粘附的關(guān)系，為齲病的病因?qū)W研究和預(yù)防提供了理論依據(jù)。麥角隱亭是具有藥理活性的生物堿，能用于治療高血壓和處理外周血管組織障礙。用α-淀粉酶對淀粉的水解液作為碳源，發(fā)酵培養(yǎng)麥角菌ATCC20019，麥角隱亭產(chǎn)量較高。黑曲霉α-淀粉酶因具有耐酸性，適用于制造助消化的藥物，開發(fā)適合于胃酸性環(huán)境的耐酸性α-淀粉酶，用于制備消化助劑，將會使醫(yī)療效果更為有效。

2. β-淀粉酶的應(yīng)用

作為一種糖化劑，β-淀粉酶在食品工業(yè)中主要用于制造麥芽糖漿、啤酒、面包、醬油等。在制醋工業(yè)中，常用β-淀粉酶代替部分麩曲節(jié)省成本，在白酒和其他工業(yè)中也可以用其作糖化劑。在醫(yī)藥工業(yè)上，β-淀粉酶的一個重要用途是制造麥芽糖，醫(yī)學(xué)上常用該酶和α-淀粉酶一道作為消化劑使用。

3. 葡萄糖淀粉酶

葡萄糖淀粉酶能將淀粉全部水解為葡萄糖，通常用做淀粉的糖化劑，故習(xí)慣上稱之為糖酶。葡萄糖淀粉酶是一種重要的工業(yè)酶制劑，目前年產(chǎn)量約70 000t，是中國產(chǎn)量最大的酶種。該酶廣泛用于酒精、釀酒以及食品發(fā)酵工業(yè)中。

4. 異淀粉酶

異淀粉酶又叫脫支酶，其系統(tǒng)命名為支鏈淀粉α- 1，6- 葡聚糖水解酶，只對支鏈淀粉、糖原等分支點有專一性。目前有兩種分類方法，一種是把水解支鏈淀粉和糖原的α- 1，6- 鍵的酶統(tǒng)稱為異淀粉酶，包括異淀粉酶和普魯藍(lán)酶。另一種分類根據(jù)來源不同，分為酵母異淀粉酶、高等植物異淀粉酶和細(xì)菌異淀粉酶。

1）異淀粉酶：異淀粉酶是水解支鏈淀粉、糖原、某些分支糊精和寡聚糖分子的α- 1，6- 糖苷鍵的脫支酶，曾先后從酵母、極毛桿菌和纖維細(xì)菌等微生物中分離出來。他對支鏈淀粉和糖原的活性很高，能完全脫支，但是不能從β- 限制糊精和α- 限制糊精水解由兩個或三個葡萄糖單位構(gòu)成的側(cè)鏈，而對茁霉多糖的活性卻很低。異淀粉酶只能水解構(gòu)成分支點的α- 1，6- 糖苷鍵，而不能水解直鏈分子中的α- 1，6- 糖苷鍵。異淀粉酶對α- 1，6- 糖苷鍵所處位置的嚴(yán)格要求，使他成為研究糖類結(jié)構(gòu)很有價值的工具。

2）普魯藍(lán)酶：普魯藍(lán)酶是催化支鏈淀粉、普魯糖、極限糊精的一種線性α- 1，6- 糖苷鍵酶。系統(tǒng)名稱為支鏈淀粉6- 葡聚糖水解酶。他們能夠水解支鏈淀粉和相應(yīng)的β- 限制糊精中的α- 1，6- 糖苷鍵。也能裂開α- 限制糊精中的α- 1，6- 糖苷鍵結(jié)合的α- 麥芽糖和α- 麥芽三糖殘基，但是不能除去以α- 1，6- 糖苷鍵結(jié)合的葡萄糖單位。支鏈淀粉酶不能作用于糖原，但是他能降解支鏈淀粉。

【主要參考資料】

[1] 王慧超; 陳今朝; 韓宗先. α-淀粉酶的研究與應(yīng)用.重慶工商大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2010, 27.4: 368-372.

[2] 康明麗. 淀粉酶及其作用方式.食品工程, 2008, 3: 11-14.

[3] 張劍, et al. β-淀粉酶研究進展.中國釀造, 2009, 4: 5-8.