“生淀粉”

糖蜜

生淀粉糖化酶介紹
    一、生淀粉酶與生淀粉糖化酶
所謂“生淀粉”就是指未經(jīng)糊化處理的、水不溶性淀粉顆粒。生淀粉酶是指可直接作用、水解或糖化未經(jīng)蒸煮的淀粉顆粒的酶。因此，生淀粉酶所涉及的酶有好幾種，α- 淀粉酶，β- 淀粉酶，葡萄糖淀粉酶（糖化酶）和異淀粉酶中都有對(duì)生淀粉作用的成分，所以均可以稱之為生淀粉酶。
糖化酶（葡萄糖淀粉酶）分為GAⅠ型和GAⅡ型。GAⅠ型糖化酶就是能水解未糊化的生淀粉的生淀粉糖化酶（RAW Starch-Digesting Glucoamlase）；GAⅡ型糖化酶就是一般的能水解糊化后的淀粉的糖化酶，它不能降解生淀粉。
國外早在三十年代Stamberg 等人就曾指出a 一淀粉酶能夠水解4 -10 ％的小麥生淀粉。B ol i s h、Samdsted 和Mecham  也發(fā)現(xiàn)了小麥中存在著一種能降解生淀粉的“生淀粉因素”， 這種因素有別于a -淀粉酶。此后schwimmer又觀察到胰臟和霉菌固體曲浸出液均有迅速降解生淀粉的現(xiàn)象。解釋這種現(xiàn)象時(shí), 多數(shù)學(xué)者認(rèn)為還是a 一淀粉酶的作用。
七十年代期間的兩次世界石油危機(jī)( 1 9 7 3,1 9 7 8年) 促使了節(jié)能型酒精發(fā)酵的研究, 其中包括各國學(xué)者對(duì)生淀粉直接糖化發(fā)酵的不懈嘗試。同時(shí), 由于淀粉酶研究工作的不斷深入,進(jìn)行了酶的分離、純化及其特性的研究, 才真正認(rèn)識(shí)到這是葡萄糖淀粉酶對(duì)生淀粉的降解作用 , 并且進(jìn)一步探討了生淀粉不經(jīng)過蒸煮, 直接用于酒精發(fā)酵的可能性。這不僅節(jié)能, 而且也是對(duì)以谷物或薯類等淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)糖類或者進(jìn)行酒類、酒精及各種有機(jī)酸發(fā)酵工藝的重大革新。       
二、生淀粉糖化酶和生淀粉α-淀粉酶降解生淀粉的機(jī)理
    生淀粉糖化酶（GAⅠ）和生淀粉α-淀粉酶降解生淀粉與一般的糖化酶（GAⅡ）和α-淀粉酶降解生淀粉的作用方式一樣，即:無論是生淀粉糖化酶還是一般的糖化酶，都以外切方式作用于淀粉分子的非還原性末端水解α-1，4葡萄糖苷鍵，轉(zhuǎn)化為葡萄糖；無論是生淀粉α-淀粉酶還是一般α-淀粉酶都以內(nèi)切方式水解淀粉分子中的α-1，4葡萄糖苷鍵，將其任意切成長短不一的短鏈糊精和少量的低分子量糖類。
生淀粉糖化酶（GAⅠ）和生淀粉α-淀粉酶能水解未糊化的生淀粉，其原因在于它們的分子結(jié)構(gòu)不同于一般的糖化酶（GAⅡ）和α-淀粉酶，如下圖：



圖中：Raw starch affinity site 表示生淀粉親和（吸附）域，TS region 表示TS 區(qū)域。GAⅡ結(jié)構(gòu)同AmylⅠ無 Raw starch affinity site 生淀粉親和（吸附）域。
從圖中可以清晰的看出，生淀粉糖化酶（GAⅠ）和生淀粉α-淀粉酶不同于一般糖化酶α-淀粉酶的地方在于，一般糖化酶（GAⅡ）和α-淀粉酶沒有生淀粉親和（吸附）域，而生淀粉糖化酶（GAⅠ）和生淀粉α-淀粉酶有生淀粉親和（吸附）域。生淀粉親和（吸附）域可以使得生淀粉糖化酶和生淀粉α-淀粉酶能夠吸附并緊密的結(jié)合于生淀粉，作用于生淀粉。一般的糖化酶和α-淀粉酶沒有生淀粉親和（吸附）域不能吸附生淀粉因而不能作用并水解生淀粉。
與一般的糖化酶和α-淀粉酶一樣，如完全水解淀粉需要生淀粉糖化酶和生淀粉α-淀粉酶聯(lián)合作用，互補(bǔ)（或增效）水解生淀粉從而使生淀粉迅速空化成洞，使淀粉微粒的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而達(dá)到完全水解生淀粉的目的。單獨(dú)的生淀粉α-淀粉酶或單獨(dú)的生淀粉糖化酶分別作用于生淀粉都不能完全水解生淀粉。
三、國內(nèi)外生淀粉糖化酶的研究及應(yīng)用
1、國外
1951年, 日本山崎等人曾發(fā)現(xiàn)黑曲霉的淀粉酶比較容易水解生淀粉, 要比黃曲霉和麥芽等的淀粉酶作用強(qiáng)得多。而且在生淀粉中, 谷物淀粉最易分解。之后他們認(rèn)識(shí)到這是糖化酶的作用,它對(duì)生淀粉的作用力很強(qiáng), 而液化酶在這方面作用則很弱。當(dāng)兩酶混用時(shí), 水解能力提高3倍。這種協(xié)同作用對(duì)煮沸過的淀粉并不發(fā)生, 但可把生淀粉完全水解成葡萄糖。與此同時(shí)，Ueda等人在1 9 5 6年前后探討了黑曲霉淀粉酶直接糖化生淀粉進(jìn)行無蒸煮發(fā)酵的可能性， 認(rèn)為玉米和木薯生淀粉更適于酒精發(fā)酵。后來,山崎等人直接以泡盛酒曲霉的鼓曲提取液進(jìn)行了米粉的糖化和發(fā)酵試驗(yàn), 酒精濃度達(dá)到15 ％左右( v / v ) 。后來，日本Hyushu大學(xué)農(nóng)化系Shinkasu Hayashida等人從清酒發(fā)酵時(shí)能積累20 ％( v / v ) 以上的酒精這一事實(shí)中得到啟發(fā),通過誘變篩選出一株能產(chǎn)大量生淀粉分解酶而又無蛋白酶和葡糖苷酶活力的泡盛酒曲霉( Aspregillus  awamor I var kanwaehi )的變異株H F -1 5。添加H F -15 菌絲體到w -y -2 酵母菌的基本培養(yǎng)基內(nèi)5天可達(dá)20.1 ％的酒精產(chǎn)率。接著他們又將幾丁質(zhì)與H F -15粗淀粉酶在室溫下混和2小時(shí), 而不采用任何交聯(lián)劑,制備了一種固定化生淀粉分解酶, 并研究了該酶的特性及重復(fù)糖化和重復(fù)發(fā)酵生玉米淀粉的能力。結(jié)果表明這種用幾丁質(zhì)固定化的H F -15 淀粉酶與游離的H F -15 淀粉酶具有相同的降解生玉米淀粉的能力,固定HF -15不具有葡糖苷轉(zhuǎn)移酶活力, 而游離的H F -15 淀粉酶具有此酶活力, 這點(diǎn)對(duì)制備高濃度的葡糖漿是十分有利的。固定化后的a -淀粉酶和糖化酶的協(xié)同作用將大大加速生淀粉的分解作用, 此項(xiàng)成果使得生淀粉糖化酶的研究達(dá)到了一個(gè)新的高度。
吉棲肇等人發(fā)現(xiàn)根霉糖化酶對(duì)生淀粉的作用力比黑曲霉更強(qiáng), 為其8 倍。他們以各種玉米和高粱為原料, 粉碎成各種不同細(xì)度, 以根霉葡萄糖淀粉酶進(jìn)行糖化, 還對(duì)生淀粉酒精發(fā)酵各種條件進(jìn)行了研究, 并取得了專利權(quán)。幾乎在同一時(shí)期, 秋山裕一等人也用根霉的
葡萄糖淀粉酶進(jìn)行了無蒸煮酒精發(fā)酵的研究, 并且也取得了專利權(quán)。之后，S.Ueda 等人又對(duì)雪白根霉( Rhizopus  niveus) 糖化酶特性進(jìn)行了研究, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)此菌含有5 種糖化酶, 且均有生淀粉酶的活性。
此外, 發(fā)現(xiàn)有水解生淀粉能力的菌種還有扣囊擬內(nèi)抱霉、羅爾伏格菌、黃曲霉、烏沙密曲霉、極毛桿菌、假單抱菌、Chalara  Para doxa、牛鏈球菌、環(huán)狀芽泡菌、德爾根霉等。
生淀粉直接糖化發(fā)酵早在石油危機(jī)的前25 年就己經(jīng)由山崎和上田提出。他們發(fā)現(xiàn)黑曲霉淀粉酶對(duì)生淀粉分解能力要比黃曲霉和麥芽之類的淀粉酶更強(qiáng), 并利用泡盛黑曲霉淀粉酶對(duì)未經(jīng)蒸煮的米粉原料發(fā)酵, 取得了可喜的結(jié)果。但由于當(dāng)時(shí)需要較多量的糖化酶價(jià)格昂貴,山崎等人的研究未能引起工業(yè)界重視。石油危機(jī)后, 這種節(jié)能型無蒸煮發(fā)酵法又受到注目, 許多研究者隨之進(jìn)行了活躍的研究。這方面最成功的例子是, 日本三得利公司于1981 年實(shí)現(xiàn)了生玉米淀粉無蒸煮發(fā)酵的工業(yè)生產(chǎn)。在他們所確立的無蒸煮發(fā)酵條件中, 采用根霉屬的糖化酶最合適。其添加量的調(diào)節(jié)應(yīng)使糖化速度與酵母的酒精發(fā)酵速度同步協(xié)調(diào), 而酶的組成中須含有酒化酶、蛋白酶、果膠酶及纖維素酶等各種酶活性。
此工藝砍掉了蒸煮工程, 簡化了工藝, 減少了設(shè)備, 不需冷卻水, 節(jié)能。同時(shí)由于采用濃醪發(fā)酵可大大提高生產(chǎn)力, 并減輕后處理的壓力。還可避免高溫蒸煮帶來的不良因素如原料損失和產(chǎn)生影響酵母生長的焦糖等, 優(yōu)越性是顯見的。
此外, 亦有生淀粉先采用二甲基亞礬、尿素等糊化( 熊谷有山等在日本淀粉學(xué)會(huì)上的報(bào)告“用尿素糖化生淀粉”), 然后以糖化酶糖化的資料, 但還無此類藥物在淀粉谷物上的應(yīng)用( 如糊化、糖化, 繼之發(fā)酵以生產(chǎn)酒精、有機(jī)酸等)。而秋山裕一等以N a O H、K O H 之類
堿性稀溶液糊化薯類淀粉, 再以糖化酶糖化并成功地進(jìn)行了酒精發(fā)酵。
2、國內(nèi)
我國多年來也積極開展了無蒸煮生淀粉酒精發(fā)酵技術(shù)的研究工作, 但總的來說起步比較晚。劉大杰1 9 72 年在“利用甘薯中所含酶系統(tǒng)代曲釀酒的研究”中注意到甘薯本身糖化酶緩慢糖化生淀粉的現(xiàn)象, 此后進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究, 并分別在1 9 84 年和1 9 8 6年通過了“ 淀粉質(zhì)原料無蒸煮酒精發(fā)酵新工藝”小試及中試鑒定。所用糖化劑為東酒1#麩曲和U V 11麩曲, 均來自作者所在的鄖縣酒廠制曲車間。趙雪松等人的研究主要選出了適合生玉米糖化的兩支糖化型菌株,即J F -0 1#和J F -04 #, 并以適合生玉米濃醪發(fā)酵的京發(fā)Z -07#  酵母菌株進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn), 其灑精度可達(dá)1 5.2％( V / V ), 發(fā)酵率達(dá)88％以上。
上海工業(yè)微生物研究所陳薇芳等人在“生玉米糖化酶菌種篩選” 的研究中, 通過對(duì)分屬于根霉、 曲霉、青霉毛霉等的1 43 株菌進(jìn)行大量細(xì)致的篩選, 最后確認(rèn)泡盛曲霉32#為生玉米粉濃醪發(fā)酵酒精的優(yōu)良菌種。并以此菌為糖化劑作發(fā)酵試驗(yàn),1 0 0小時(shí)終了酒精度可達(dá)
1 4.0 % ( V / V ), 淀粉利用率可與黑曲霉相比, 為85 ~ 87％。他們還對(duì)淀粉酶作用于完整淀粉顆粒的機(jī)制和淀粉顆粒立體結(jié)構(gòu)作了初步觀測, 發(fā)現(xiàn)被酶液腐蝕的生玉米淀粉顆粒在高倍顯微鏡下表面出現(xiàn)窟窿和放射狀溝紋兩種類型, 最后淀粉顆粒都破碎消失。山東大學(xué)方善康等人利用脈沖Y A G 泵浦染料激光器選育生淀粉糖化酶菌種的研究標(biāo)志著我國生淀粉搪化酶研究已達(dá)到了一個(gè)新水平。他們以不同能量( 0.1毫焦、5 毫焦) 及2 6 o n m 波長的激光,輻射生淀粉糖化酶出發(fā)菌黑曲霉的分生抱子, 使酶活力提高50 ~ 60 ％。