酶制剂在淀粉加工中的应用

2010年 南昌大学 硕士学位研究生 考试试卷

课程名称：粮油化学与加工

学号： [1**********]0 专业：粮食油脂与蛋白质工程 姓名：张忠

综述：大米（或油脂）深加工新技术（内容和题目自定）

1、新技术应用食品加工的范围，作用和机理；（40%）

2、新技术应用前景和今后研究的方向；（30%）

3、文章结构合理，文句通顺，参考文献引用正确；不小于4000字。（20%）

4、相关参考文献不小于25篇。（10%）

淀粉酶在淀粉加工中的应用

摘要

本文简要介绍了几种淀粉酶，以及酶在酶法加工淀粉中的糊化、液化与糖化过程，然后综述了酶制剂在淀粉制糖(包括结晶葡萄糖、淀粉糖浆、麦芽糖浆、果葡糖浆) 与食醋生产中的应用。通过与酸法的比较，指出了酶法的优越性。最后展望了该技术未来的发展趋势。

关键字: 淀粉酶；淀粉；应用；糖化；液化

Abstract

In brief, this paper introduces several kinds of starch enzyme, the processes of gelatinization, liquidation and saccharification of the starch processing. It reviews the industrial production of starch sugar and vinegar, including crystal glucose, starch syrup, maltose syrup and high glucose syrup by using enzymes. Compared with acid techniques, it points out the advantages of the enzyme techniques. Finally, it look ahead the prospects of the enzyme techniques in the future.

Keywords: starch enzyme; starch; application; saccharification; liquidation

前言

淀粉广泛存在于玉米、小麦、燕麦、马铃薯等农产品中，是由葡萄糖单体聚合成的天然高分子多糖，分直链和支链两种结构。淀粉是植物体中贮存的养分，贮存在种子和块茎中，各类植物中的淀粉含量都较高，大米中含淀粉62％～86％，淀粉作为主要的工业原料，应用于乙醇发酵、甜味剂、糖浆、丙酮等生产中. 生产过程中，淀粉都要经过液化与糖化过程[1-2]。传统工艺中，淀粉水解采用有机酸作为催化剂，其设备复杂，水解产物纯度不高，现已逐步被酶法技术所取代。与酸法技术相比，酶法技术具有设备简单、费用低、产物纯度高。利于大规模生产等优点，大大促进了淀粉工业的发展[3-4]。

1淀粉酶

1.1 α-淀粉酶

α-淀粉酶分布十分广泛，遍及微生物至高等植物。由于产物的末端残基碳原子构型为α构型，故称为α-淀粉酶。微生物的酶几乎都是分泌性的。以Ca2+为必需因子并作为稳定因子，既作用于直链淀粉，亦作用于支链淀粉，无差别地切断α－1，4-链。因此，其特征是引起底物溶液粘度的急剧下降和碘反应的消失，最终产物在分解直链淀粉时以麦芽糖为主，此外，还有麦芽三糖及少量葡萄糖。另一方面在分解支链淀粉时，除麦芽糖、葡萄糖外，还生成分支部分具有α-1，6-键的α-极限糊精。一般分解限度以葡萄糖为准是35-50％，但在细菌的淀粉酶中，亦有呈现高达70％分解限度的[5-6]。

1.2 β-淀粉酶

β-淀粉酶是一种外切型糖化酶，作用于淀粉时，能从α-1，4糖苷键的非还原性末端顺次切下一个麦芽糖单位，生成麦芽糖及大分子的β-界限糊精。由于该酶作用底物时，发生沃尔登转位反应，使产物由α-型变为β-型麦芽糖，故名β-淀粉酶。其广泛存在于大麦、小麦、玉米、大豆、甘薯等植物和一些微生物中[7]。β-淀粉酶含量因植物不同而异，其中麦芽粉含量最高，大麦、小麦、大豆、麸皮也存在大量的β-淀粉酶，甘薯含量稍低。啤酒酿造可直接利用麦芽中的β-淀粉酶糖化，但许多高含量的麦芽糖产品，如高麦芽糖浆、结晶麦芽糖及麦芽糖醇等的生产需较纯净、活力高的β-淀粉酶。相比而言，麦芽是进一步提取β-淀粉酶的最好原料[8]。

1.3 葡萄糖淀粉酶

葡萄糖淀粉酶又称γ-淀粉酶, 简称糖化酶[9]。糖化酶是由一系列微生物分泌的, 具有外切酶活性的胞外酶。糖化酶的主要作用是从淀粉、糊精、糖原等碳链上的非还原性末端依次水解a-1,4糖苷键, 切下一个个葡萄糖单元, 并像β-淀粉酶一样, 使水解下来的葡萄糖发生构型变化, 形成β-D-葡萄糖。对于支链淀粉, 当遇到分支点时, 它也可以水解a-1,6糖苷键, 由此将支链淀粉全部水解成葡萄糖。糖化酶也能微弱水解a-1,3连接的碳链, 但水解a-1,4糖苷键的速度最快, 它一般都能将淀粉百分之百地水解生成葡萄糖[10]。

2淀粉的糊化与液化

淀粉是以a-D-葡萄糖聚合而成的高聚物，以颗粒状态存在，具有结晶性结构，对于酶作用的抵抗力强。要使酶能较好地液化淀粉，首先应对淀粉进行糊化。所谓“糊化”，即淀粉颗粒在适当温度下(一般在60-80℃) ，在水中溶胀，分裂，形成均匀糊状溶液，使其中晶质与非晶态的淀粉分子间的氢键断开，分散在水中成为胶溶液。糊化后立即加人a-淀粉酶，并保持淀粉胶温度约80℃[11-12]，对淀粉进行液化。由于a-淀粉酶为Ca 2+酶，所以同时加人一定量的山Ca 2+，既可促酶

活化，又可起稳定作用，液化后，淀粉胶粘度降低，并被水解成糊精和低聚糖。工业上通过测定葡萄糖值(DE值) 来确定淀粉降解程度。

根据生产实践，淀粉在酶液化工序中，水解到DE 值15-20范围较合适。该过程主要使用a-淀粉酶，来源不同，其切断方式也各有不同。a-淀粉酶有较强的耐高温性，但不耐酸，其适宜温度为50-90℃，pH 为5.0-7.0[13-14]。当液化达到要求的葡萄糖值时，只需通过停止加热即可终止水解反应，所以酶法液化较酸法易于控制。

3淀粉的糖化

酶法糖化，是利用酶将液化淀粉进一步水解。根据生产目的不同，糖化时采用的酶制剂也不同。工业上常用的有β-淀粉酶，葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶。β-淀粉酶水解葡萄糖直链聚合物中的a-1，4糖昔键，从非还原性末端以麦芽糖单位逐个分解，生成麦芽糖的构型为β-麦芽糖; 葡萄糖淀粉酶是从淀粉的非还原性末端以葡萄糖单位逐个分解，产生β-葡萄糖; 异淀粉酶(别名脱枝酶) 对支链淀粉链状结构的分支点a-1，6糖昔键有专一性，使之水解而失去分支，将支链淀粉全部变为直链淀粉[15]。在糖化过程中，将异淀粉酶与β-淀粉酶协同作用，可减少界限糊精存在，增强糖化效果，降低糖化酶用量。糖化工艺操作较简单，将淀粉液化液引人糖化桶中，根据选用酶制剂的性质，调整适当的温度和pH 值，混人需要量的糖化酶制剂，保持2-3天，待DE 值达到预定要求时，即得糖化液。再将糖化液在80℃下恒温20min ，令酶活力全部消失，反应立即停止，防止葡萄糖发生复合反应，因为部分葡萄糖会以重新聚合成异麦芽糖等复合糖类。酶法糖化使用的设备简单，不需要耐压、耐酸设备，但工艺时间长，对酶制剂的要求较高; 酸法水解速度快，但不能制较高纯度的水解产品，因为葡萄糖的复合和分解反应趋向严重，影响颜色和味道，精制困难[16]。

4酶制剂在淀粉制糖中的应用

淀粉本身不具甜味，在无机酸或酶的催化作用下，可以水解成具甜味的产物。用酸催化水解方式杂乱，特定水解条件下，能得到一定的碳水化合物组份的水解液; 酶法水解的工序条件温和，由于酶的特异性，所得的水解液纯度较高。由于酶法技术的优越性，现代淀粉制糖工业多采用酶制剂进行生产，以获得纯度高的淀粉糖。产品种类大致分为结晶葡萄糖、淀粉糖浆、麦芽糖浆、果葡糖浆等[17-18]。

4.1结晶葡萄糖

工业上以含水葡萄糖生产最为普遍，产量也较大。采用酶制剂生产该糖的工艺主要：

器加热至105℃，15min 灭酶。糖化用葡萄糖淀粉酶，该酶为外切酶，具有一定的复合催化能力，当葡萄糖浓度高时，葡萄糖分子又重新聚合，形成麦芽糖和其它的复合糖。在实际生产中，可加人普鲁兰酶与糖化酶协同作用，以补单一使用糖化酶的缺点，提高糖化效率。糖化液的纯度高，有利于蒸发结晶[19-20]。

4.2淀粉糖浆

控制淀粉水解到一定程度停止，得葡萄糖、麦芽糖、其他麦芽低聚糖和糊精的混合糖浆，统称为淀粉糖浆。目前，我国以生产中等水解程度的产品为主，淀粉糖浆其酶法生产工艺与结晶葡萄糖相似，DE 值约为42左右。由于淀粉糖浆不是单一淀粉糖，且DE 值较低，所以采用酸法液化速度快，工艺简单; 糖化过程使用米曲霉或β-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶，前者生成麦芽糖，后者生成葡萄糖[21]。

4.3麦芽糖浆

麦芽糖又称饴糖，主要成份是麦芽糖，其余为较大分子的低聚糖和糊精。麦芽糖在我国历史悠久，早在3000年前，古代中国就利用大麦芽中天然的酶水解淀粉制造麦芽糖。随着食品、医药工业的发展，麦芽糖生产已开始规模化，主要 为了获取高麦芽糖浆，朱琴等[22]报道了分别用(a-淀粉酶与葡萄糖淀粉酶对淀粉乳进行两次糖化，缩短了糖化时间性，提高了设备利用率; 周家华等和施金堂等报道了用真菌a-淀粉酶进行糖化，控制一定的酶量，既使液化淀粉被长时间作用，也可生成较多的麦芽糖; 当用Termany 作液化酶时，液化淀粉的葡萄糖值对糖化产物中的麦芽糖影响甚小; 另外，采用脱枝酶与β-淀粉酶合并水解，脱枝酶可水解淀粉中a-1，6糖昔键。提高β-淀粉酶的酶解程度，大大提高了麦芽糖的产率。

4.4果葡糖浆

果葡糖浆为高果糖浆、富果糖浆、异构糖浆的统称，它的糖分组成主要是果糖和葡萄糖的混和糖浆，所以称为果葡糖浆。葡萄糖和果糖为同分异构体，通过

达95%以上，该工艺特别之处是，糖化淀粉要通过固定化异构床，使部分葡萄糖转化为果糖，得到含42%果糖(干基) 的糖浆，其余53%为葡萄搪，5%为高糖。固定化异构酶工艺时间快，效果好，成本低，但受异构反应平衡的限制，不能制造果糖含量高的糖浆[25-26]。工业上又用模拟流动床将F-42产品中果糖和葡萄糖分离开来，得到果糖液含果糖90%以上。目前，果葡糖浆的产品类型有:42型，含果糖42%;55型，含果糖55%;90型，含果糖90%。

4.5酶在食醋生产中的应用

我国的制醋工业多是在古老落后的生产工艺基础上发展起来的。随着生产的不断发展，在保持原有特色的基础上，醋厂开始采用纯酵母菌及固体糖化酶，进行大罐低温、边糖化边发酵生产酒醅，再用醋酸菌，以池代缸，固态分层醋酸发酵，新工艺制醋大大提高了劳动生产率[27]。上世纪90年代，国内大型制醋企业又开始对原制酒醅工艺落差式、开放式生产形式进行改造，采用原料粉碎后加入高温淀粉酶，连续蒸煮，加糖化酶糖化后酒精发酵的新工艺，取得了良好的效果。

目前，在食醋生产中常用的酶制剂有以下几种[28]：

1. 耐高温α-淀粉酶（HTAA ）, 为液体酶，规格为20000U/ml，添加在蒸煮前的调浆工序。高温淀粉酶在高温时能将原料中的淀粉水解为可溶性糊精和少量低聚糖，降低醪液的黏度，以利于醪液的流动和输送。其最适作用温度为90℃-110℃，pH 值为6-6.5。目前，一种耐酸型高效耐高温淀粉酶新品正推向市场，由于其很好的耐酸性，更适应生产过程中原料易变酸的情况，在糖化不调节pH 值的情况下，更有利于糖化酶发挥作用，且操作更加简便。

2.中温α-淀粉酶（LTAA ）, 中温α-淀粉酶为液体酶，其规格为2000U/ml和3000U/ml，作用方式与高温淀粉酶相同，最适作用温度为70℃-90℃，pH 值为6-7。对生产而言，针对不同的工艺条件，中温或高温淀粉酶二者选择一种即可。

3.高转化率糖化酶（GA ）, 糖化酶是一种外切酶，又称为葡萄糖淀粉酶，该酶分为固体和液体两种剂型，规格分为50000U/g和100000U/g。它能从液化淀粉

的非原性末端水解α-1，4-葡萄糖苷键，产生葡萄糖和少量低聚糖。糖化酶的作用温度为60℃，pH 值一般在4-5。

5展望

淀粉作为一种重要工业原料，具有较大的发展潜质。随着科学技术的发展，传统的酸法技术暴露出越来越多的缺点，酶法技术的应用已成为必然趋势。它不仅提高了原料利用率，而且还可获得多种较纯的目的产物。但我国酶制剂工业水平较低，影响了其在淀粉工业中的应用。

酶制剂在淀粉工业中应用的发展议程有以下几点:①重视对酶制剂的应用研究，提高酶制剂工业水平; ②使用酶制剂时，注意酶的协同作用。双酶协同作用已在淀粉制糖工业中显示出极大的优越性，随着生物技术水平的不断提高，酶的协同作用将会在淀粉工业中得以充分应用; ③连续喷射液化、糖化、双酶法制糖是我国淀粉行业发展的必然趋势，目前国内大部分厂家已经或准备采用此技术; ④对淀粉酶深人研究，开辟新型工业(如普鲁兰酶，环状糊精等) ，提高淀粉酶活力; ⑤采用固定a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶对淀粉进行液化和糖化。

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