-淀粉酶的工業(yè)應(yīng)用與研究進(jìn)展

-淀粉酶的工業(yè)應(yīng)用與研究進(jìn)展

i-淀粉酶分布廣泛，包括高等植物。其國際酶學(xué)分類編號為EC.3.2.1.1,作用于淀粉時從淀粉分子的內(nèi)部隨機(jī)切開α-1,4糖苷鍵,生成糊精和還原糖,由于產(chǎn)物的末端殘基碳原子構(gòu)型為A構(gòu)型,故稱α-淀粉酶。現(xiàn)在α-淀粉酶泛指能夠從淀粉分子內(nèi)部隨機(jī)切開α-1,4糖苷鍵,起液化作用的一類酶。α-淀粉酶是一種十分重要的酶制劑,大量應(yīng)用于糧食加工、食品工業(yè)、釀造、發(fā)酵、紡織品工業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)等,它占了整個酶制劑市場份額的25%左右。目前,工業(yè)生產(chǎn)上都以微生物發(fā)酵法大規(guī)模生產(chǎn)α-淀粉酶。13淀粉酶的工業(yè)應(yīng)用1.1-淀粉酶提高產(chǎn)品的質(zhì)量作為保鮮劑酶應(yīng)用在焙烤工業(yè)中生產(chǎn)各種高品質(zhì)的產(chǎn)品已經(jīng)有幾百年的歷史。最近幾十年,麥芽α-淀粉酶和微生物α-淀粉酶被廣泛用于焙烤工業(yè)。這些酶用于面包工業(yè),使這些產(chǎn)品體積更大,顏色更好,顆粒更柔軟。至今,焙烤工業(yè)中的α-淀粉酶一直是從大麥麥芽和細(xì)菌、真菌葉提取的?，F(xiàn)代化連續(xù)焙烤過程中,在面粉中添加α-淀粉酶不僅可以增加發(fā)酵率、降低生面團(tuán)黏度(改進(jìn)產(chǎn)品的體積和質(zhì)地),增加生面團(tuán)中糖的含量,改良面包的口感、外皮顏色和焙烤質(zhì)量,還可以延長焙烤食品的保鮮時間。在儲存過程中,面包顆粒變得干燥、堅硬、表皮不再清脆,導(dǎo)致面包的口感變差。這些變化統(tǒng)稱為變質(zhì)。每年僅僅由于面包變質(zhì)而造成的損失超過1億美元。各種傳統(tǒng)的添加劑被用于防止食品變質(zhì),以改善焙烤食品的質(zhì)地和口味。最近,人們開始關(guān)注酶作為防腐劑、保鮮劑在生面團(tuán)改良方面的作用,如支鏈淀粉酶和α-淀粉酶配合可以有效的用于防腐。然而過量的α-淀粉酶會導(dǎo)致面包過粘。因此,最近的趨勢是使用中溫穩(wěn)定(ITS)α-淀粉酶,它們在淀粉液化后活性很高,但在焙烤過程完成前就失活。盡管已發(fā)現(xiàn)大量的微生物可以生產(chǎn)α-淀粉酶,但是具有中溫穩(wěn)定性質(zhì)的α-淀粉酶僅在幾種微生物中被發(fā)現(xiàn)。1.2-淀粉酶液hfcsα-淀粉酶的主要市場是淀粉水解的產(chǎn)物,如葡萄糖和果糖。淀粉被轉(zhuǎn)化為高果糖玉米糖漿(HFCS)。由于它們的高甜度,被用于飲料工業(yè)中軟飲料的甜味劑。這個液化過程就用到在高溫下熱穩(wěn)定性好的α-淀粉酶。α-淀粉酶在淀粉液化上的應(yīng)用工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟,已有很多相關(guān)報道。1.3表面層的材料現(xiàn)代纖維制造工藝在編織過程中會在紗線中產(chǎn)生大量的細(xì)菌,為防止這些紗線斷裂,往往會在紗線的表面加1層可去除的保護(hù)層。這些表面層的材料有很多種,淀粉是非常好的一個選擇,因為它便宜、容易獲取,并且可以很容易去除。淀粉脫漿可以利用α-淀粉酶,它能有選擇性地去除淀粉漿而不傷害紗線纖維,還能隨機(jī)地使淀粉降解為易溶于水的糊精,因而容易被洗掉。1.4成品紙的質(zhì)量淀粉酶在造紙工業(yè)中的用途主要是改良紙張涂層淀粉。紙張上的漿糊主要是保護(hù)紙張在處理過程中免于機(jī)械損傷,它同樣也改良了成品紙的質(zhì)量。漿糊提高了紙張的硬度和強(qiáng)度,增強(qiáng)了紙張的可擦除性,是一種很好的紙張涂料。當(dāng)紙張穿過2個軋輥時,淀粉漿被加入紙張。這個過程的溫度控制在45~60℃,需要淀粉有穩(wěn)定的黏度。研磨同樣可以根據(jù)不同紙張等級控制淀粉的黏度。自然界的淀粉濃度對于紙張上漿來說太高,可以利用α-淀粉酶部分降解淀粉來調(diào)節(jié)。1.5-淀粉酶的去除酶是現(xiàn)代高效除垢劑的成分之一。酶在除垢劑中最大的功能就是使除垢劑更溫和無害。早期自動洗碗機(jī)的除垢劑非常粗糙,易在進(jìn)食時對人體造成傷害,而且對陶瓷、木質(zhì)餐具也會造成損害。α-淀粉酶從1975年就被應(yīng)用于制造洗衣粉?，F(xiàn)在,90%液體除垢劑都含有α-淀粉酶,而且自動洗碗機(jī)的除垢劑對α-淀粉酶的需求也在不斷增長。α-淀粉酶對Ca2+過于敏感,在低Ca2+的環(huán)境下穩(wěn)定性很差,這限制了α-淀粉酶在除垢劑中的應(yīng)用。并且,大多數(shù)野生型菌株所產(chǎn)生的α-淀粉酶對作為除垢劑原料的氧化劑也過于敏感。在家用除垢劑中,可通過增加一些工藝步驟進(jìn)行改善。最近,2家主要除垢劑酶的生產(chǎn)廠家Novozymes和GcncncoreInternational已經(jīng)利用蛋白質(zhì)工藝改善淀粉酶的漂白穩(wěn)定性。它們用亮氨酸替代地衣芽孢桿菌α-淀粉酶蛋白第197位上的蛋氨酸,導(dǎo)致酶對氧化劑成分的抵抗能力大大增強(qiáng),提高了其氧化穩(wěn)定性,使酶在儲存過程中的穩(wěn)定性更好。這2家公司已經(jīng)在市場上推銷了這些新產(chǎn)品。1.6-淀粉酶檢測細(xì)胞中聚糖含量的初步檢測隨著生物工程的不斷發(fā)展,淀粉酶的應(yīng)用涉及到許多其他領(lǐng)域,比如臨床、制藥和分析化學(xué)。已有報道,基于α-淀粉酶的液體穩(wěn)定試劑已應(yīng)用于全自動生化分析儀(CibaComingExpress)臨床化學(xué)系統(tǒng),已經(jīng)建立起一種利用淀粉酶探測更高低聚糖含量的方法。據(jù)稱,這種方法比硝酸銀探測方法更為有效。23淀粉酶的科學(xué)研究2.1藥物的應(yīng)用,使淀粉生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步1965年,我國開始應(yīng)用淀粉芽孢桿菌BF-7658生產(chǎn)α-淀粉酶,當(dāng)時只有無錫酶制劑廠獨家生產(chǎn)。1967年杭州怡糖廠實現(xiàn)了應(yīng)用α-淀粉酶生產(chǎn)飴糖的新工藝,可以節(jié)約麥芽7%~10%,提高出糖率10%左右。1964年我國開始了酶法水解淀粉生產(chǎn)葡萄糖工藝的研究。l979年9月通過了酶法注射葡萄糖新工藝的鑒定,并先后在華北制藥廠、河北東風(fēng)制藥廠、鄭州嵩山制藥廠等單位得到應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。與傳統(tǒng)的酸法相比,可以提高收率10%,降低成本15%以上。另外,我國以酶法進(jìn)行檸檬酸生產(chǎn)、谷氨酸發(fā)酵、糖化制啤酒、酒精發(fā)酵、黃酒釀造、醬油制造、醋生產(chǎn)等方面也已經(jīng)研究成功并投入生產(chǎn)。2.2調(diào)控基因的育種技術(shù)目前,除開展大量常規(guī)誘變育種T作外,國外已初步搞清產(chǎn)α-淀粉酶的調(diào)控基因,探討了有關(guān)轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)化和基因克隆等育種技術(shù)。將枯草芽孢桿菌重組體的基因引入生產(chǎn)菌株,使α-淀粉酶產(chǎn)量提高7~10倍,并已應(yīng)用于食品和制酒工業(yè),給選育高產(chǎn)α-淀粉酶菌株開創(chuàng)了新的途徑。2.3-淀粉酶的生物活性及結(jié)構(gòu)由于α-淀粉酶是具有重要應(yīng)用價值的工業(yè)酶,國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)對它進(jìn)行了研究。例如:四川大學(xué),主要研究α-淀粉酶的生產(chǎn)菌株及其培養(yǎng)條件;江南大學(xué),主要研究α-淀粉酶的結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用性能,如耐熱性、耐酸性;西北大學(xué),主要研究α-淀粉酶的變性機(jī)理以及環(huán)境對α-淀粉酶的影響;華南理工大學(xué),主要研究α-淀粉酶的固定化和動力性質(zhì);還有華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所、天津科技大學(xué)、南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國科學(xué)院微生物研究所等多家研究機(jī)構(gòu)對多種α-淀粉酶生產(chǎn)菌的α-淀粉酶基因進(jìn)行了克隆以及表達(dá)研究。國外有代表性的研究單位有:加拿大的UniversityofBritishColumbia,他們對人胰腺的α-淀粉酶結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理進(jìn)行了深入的研究;丹麥的Carlsberg實驗室主要研究大麥α-淀粉酶結(jié)構(gòu)域與結(jié)合位點;美國的WesternRegionaResearchCenter主要研究大麥的α-淀粉酶與抗菌素的作用以及大麥α-淀粉酶的活性位點等。3