“生淀粉”

糖蜜

生淀粉糖化酶介绍
    一、生淀粉酶与生淀粉糖化酶
所谓“生淀粉”就是指未经糊化处理的、水不溶性淀粉颗粒。生淀粉酶是指可直接作用、水解或糖化未经蒸煮的淀粉颗粒的酶。因此，生淀粉酶所涉及的酶有好几种，α- 淀粉酶，β- 淀粉酶，葡萄糖淀粉酶（糖化酶）和异淀粉酶中都有对生淀粉作用的成分，所以均可以称之为生淀粉酶。
糖化酶（葡萄糖淀粉酶）分为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。
国外早在三十年代Stamberg 等人就曾指出a 一淀粉酶能够水解4 -10 ％的小麦生淀粉。B ol i s h、Samdsted 和Mecham  也发现了小麦中存在着一种能降解生淀粉的“生淀粉因素”， 这种因素有别于a -淀粉酶。此后schwimmer又观察到胰脏和霉菌固体曲浸出液均有迅速降解生淀粉的现象。解释这种现象时, 多数学者认为还是a 一淀粉酶的作用。
七十年代期间的两次世界石油危机( 1 9 7 3,1 9 7 8年) 促使了节能型酒精发酵的研究, 其中包括各国学者对生淀粉直接糖化发酵的不懈尝试。同时, 由于淀粉酶研究工作的不断深入,进行了酶的分离、纯化及其特性的研究, 才真正认识到这是葡萄糖淀粉酶对生淀粉的降解作用 , 并且进一步探讨了生淀粉不经过蒸煮, 直接用于酒精发酵的可能性。这不仅节能, 而且也是对以谷物或薯类等淀粉质原料生产糖类或者进行酒类、酒精及各种有机酸发酵工艺的重大革新。       
二、生淀粉糖化酶和生淀粉α-淀粉酶降解生淀粉的机理
    生淀粉糖化酶（GAⅠ）和生淀粉α-淀粉酶降解生淀粉与一般的糖化酶（GAⅡ）和α-淀粉酶降解生淀粉的作用方式一样，即:无论是生淀粉糖化酶还是一般的糖化酶，都以外切方式作用于淀粉分子的非还原性末端水解α-1，4葡萄糖苷键，转化为葡萄糖；无论是生淀粉α-淀粉酶还是一般α-淀粉酶都以内切方式水解淀粉分子中的α-1，4葡萄糖苷键，将其任意切成长短不一的短链糊精和少量的低分子量糖类。
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，其原因在于它们的分子结构不同于一般的糖化酶（GAⅡ）和α-淀粉酶，如下图：



图中：Raw starch affinity site 表示生淀粉亲和（吸附）域，TS region 表示TS 区域。GAⅡ结构同AmylⅠ无 Raw starch affinity site 生淀粉亲和（吸附）域。
从图中可以清晰的看出，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-淀粉酶没有生淀粉亲和（吸附）域，而生淀粉糖化酶（GAⅠ）和生淀粉α-淀粉酶有生淀粉亲和（吸附）域。生淀粉亲和（吸附）域可以使得生淀粉糖化酶和生淀粉α-淀粉酶能够吸附并紧密的结合于生淀粉，作用于生淀粉。一般的糖化酶和α-淀粉酶没有生淀粉亲和（吸附）域不能吸附生淀粉因而不能作用并水解生淀粉。
与一般的糖化酶和α-淀粉酶一样，如完全水解淀粉需要生淀粉糖化酶和生淀粉α-淀粉酶联合作用，互补（或增效）水解生淀粉从而使生淀粉迅速空化成洞，使淀粉微粒的晶体结构被破坏，进而达到完全水解生淀粉的目的。单独的生淀粉α-淀粉酶或单独的生淀粉糖化酶分别作用于生淀粉都不能完全水解生淀粉。
三、国内外生淀粉糖化酶的研究及应用
1、国外
1951年, 日本山崎等人曾发现黑曲霉的淀粉酶比较容易水解生淀粉, 要比黄曲霉和麦芽等的淀粉酶作用强得多。而且在生淀粉中, 谷物淀粉最易分解。之后他们认识到这是糖化酶的作用,它对生淀粉的作用力很强, 而液化酶在这方面作用则很弱。当两酶混用时, 水解能力提高3倍。这种协同作用对煮沸过的淀粉并不发生, 但可把生淀粉完全水解成葡萄糖。与此同时，Ueda等人在1 9 5 6年前后探讨了黑曲霉淀粉酶直接糖化生淀粉进行无蒸煮发酵的可能性， 认为玉米和木薯生淀粉更适于酒精发酵。后来,山崎等人直接以泡盛酒曲霉的鼓曲提取液进行了米粉的糖化和发酵试验, 酒精浓度达到15 ％左右( v / v ) 。后来，日本Hyushu大学农化系Shinkasu Hayashida等人从清酒发酵时能积累20 ％( v / v ) 以上的酒精这一事实中得到启发,通过诱变筛选出一株能产大量生淀粉分解酶而又无蛋白酶和葡糖苷酶活力的泡盛酒曲霉( Aspregillus  awamor I var kanwaehi )的变异株H F -1 5。添加H F -15 菌丝体到w -y -2 酵母菌的基本培养基内5天可达20.1 ％的酒精产率。接着他们又将几丁质与H F -15粗淀粉酶在室温下混和2小时, 而不采用任何交联剂,制备了一种固定化生淀粉分解酶, 并研究了该酶的特性及重复糖化和重复发酵生玉米淀粉的能力。结果表明这种用几丁质固定化的H F -15 淀粉酶与游离的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不具有葡糖苷转移酶活力, 而游离的H F -15 淀粉酶具有此酶活力, 这点对制备高浓度的葡糖浆是十分有利的。固定化后的a -淀粉酶和糖化酶的协同作用将大大加速生淀粉的分解作用, 此项成果使得生淀粉糖化酶的研究达到了一个新的高度。
吉栖肇等人发现根霉糖化酶对生淀粉的作用力比黑曲霉更强, 为其8 倍。他们以各种玉米和高粱为原料, 粉碎成各种不同细度, 以根霉葡萄糖淀粉酶进行糖化, 还对生淀粉酒精发酵各种条件进行了研究, 并取得了专利权。几乎在同一时期, 秋山裕一等人也用根霉的
葡萄糖淀粉酶进行了无蒸煮酒精发酵的研究, 并且也取得了专利权。之后，S.Ueda 等人又对雪白根霉( Rhizopus  niveus) 糖化酶特性进行了研究, 结果发现此菌含有5 种糖化酶, 且均有生淀粉酶的活性。
此外, 发现有水解生淀粉能力的菌种还有扣囊拟内抱霉、罗尔伏格菌、黄曲霉、乌沙密曲霉、极毛杆菌、假单抱菌、Chalara  Para doxa、牛链球菌、环状芽泡菌、德尔根霉等。
生淀粉直接糖化发酵早在石油危机的前25 年就己经由山崎和上田提出。他们发现黑曲霉淀粉酶对生淀粉分解能力要比黄曲霉和麦芽之类的淀粉酶更强, 并利用泡盛黑曲霉淀粉酶对未经蒸煮的米粉原料发酵, 取得了可喜的结果。但由于当时需要较多量的糖化酶价格昂贵,山崎等人的研究未能引起工业界重视。石油危机后, 这种节能型无蒸煮发酵法又受到注目, 许多研究者随之进行了活跃的研究。这方面最成功的例子是, 日本三得利公司于1981 年实现了生玉米淀粉无蒸煮发酵的工业生产。在他们所确立的无蒸煮发酵条件中, 采用根霉属的糖化酶最合适。其添加量的调节应使糖化速度与酵母的酒精发酵速度同步协调, 而酶的组成中须含有酒化酶、蛋白酶、果胶酶及纤维素酶等各种酶活性。
此工艺砍掉了蒸煮工程, 简化了工艺, 减少了设备, 不需冷却水, 节能。同时由于采用浓醪发酵可大大提高生产力, 并减轻后处理的压力。还可避免高温蒸煮带来的不良因素如原料损失和产生影响酵母生长的焦糖等, 优越性是显见的。
此外, 亦有生淀粉先采用二甲基亚矾、尿素等糊化( 熊谷有山等在日本淀粉学会上的报告“用尿素糖化生淀粉”), 然后以糖化酶糖化的资料, 但还无此类药物在淀粉谷物上的应用( 如糊化、糖化, 继之发酵以生产酒精、有机酸等)。而秋山裕一等以N a O H、K O H 之类
碱性稀溶液糊化薯类淀粉, 再以糖化酶糖化并成功地进行了酒精发酵。
2、国内
我国多年来也积极开展了无蒸煮生淀粉酒精发酵技术的研究工作, 但总的来说起步比较晚。刘大杰1 9 72 年在“利用甘薯中所含酶系统代曲酿酒的研究”中注意到甘薯本身糖化酶缓慢糖化生淀粉的现象, 此后进行了一系列实验研究, 并分别在1 9 84 年和1 9 8 6年通过了“ 淀粉质原料无蒸煮酒精发酵新工艺”小试及中试鉴定。所用糖化剂为东酒1#麸曲和U V 11麸曲, 均来自作者所在的郧县酒厂制曲车间。赵雪松等人的研究主要选出了适合生玉米糖化的两支糖化型菌株,即J F -0 1#和J F -04 #, 并以适合生玉米浓醪发酵的京发Z -07#  酵母菌株进行发酵试验, 其洒精度可达1 5.2％( V / V ), 发酵率达88％以上。
上海工业微生物研究所陈薇芳等人在“生玉米糖化酶菌种筛选” 的研究中, 通过对分属于根霉、 曲霉、青霉毛霉等的1 43 株菌进行大量细致的筛选, 最后确认泡盛曲霉32#为生玉米粉浓醪发酵酒精的优良菌种。并以此菌为糖化剂作发酵试验,1 0 0小时终了酒精度可达
1 4.0 % ( V / V ), 淀粉利用率可与黑曲霉相比, 为85 ~ 87％。他们还对淀粉酶作用于完整淀粉颗粒的机制和淀粉颗粒立体结构作了初步观测, 发现被酶液腐蚀的生玉米淀粉颗粒在高倍显微镜下表面出现窟窿和放射状沟纹两种类型, 最后淀粉颗粒都破碎消失。山东大学方善康等人利用脉冲Y A G 泵浦染料激光器选育生淀粉糖化酶菌种的研究标志着我国生淀粉搪化酶研究已达到了一个新水平。他们以不同能量( 0.1毫焦、5 毫焦) 及2 6 o n m 波长的激光,辐射生淀粉糖化酶出发菌黑曲霉的分生抱子, 使酶活力提高50 ~ 60 ％。