“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  也發現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象。解釋這種現象時, 多數學者認為還是a 一淀粉酶的作用。
七十年代期間的兩次世界石油危機( 1 9 7 3,1 9 7 8年) 促使了節能型酒精發酵的研究, 其中包括各國學者對生淀粉直接糖化發酵的不懈嘗試。同時, 由于淀粉酶研究工作的不斷深入,進行了酶的分離、純化及其特性的研究, 才真正認識到這是葡萄糖淀粉酶對生淀粉的降解作用 , 并且進一步探討了生淀粉不經過蒸煮, 直接用于酒精發酵的可能性。這不僅節能, 而且也是對以谷物或薯類等淀粉質原料生產糖類或者進行酒類、酒精及各種有機酸發酵工藝的重大革新。       
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構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 區域。GAⅡ結構同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-淀粉酶聯合作用，互補（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構被破壞，進而達到完全水解生淀粉的目的。單獨的生淀粉α-淀粉酶或單獨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、國內外生淀粉糖化酶的研究及應用
1、國外
1951年, 日本山崎等人曾發現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得多。而且在生淀粉中, 谷物淀粉最易分解。之后他們認識到這是糖化酶的作用,它對生淀粉的作用力很強, 而液化酶在這方面作用則很弱。當兩酶混用時, 水解能力提高3倍。這種協同作用對煮沸過的淀粉并不發生, 但可把生淀粉完全水解成葡萄糖。與此同時，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行無蒸煮發酵的可能性， 認為玉米和木薯生淀粉更適于酒精發酵。后來,山崎等人直接以泡盛酒曲霉的鼓曲提取液進行了米粉的糖化和發酵試驗, 酒精濃度達到15 ％左右( v / v ) 。后來，日本Hyushu大學農化系Shinkasu Hayashida等人從清酒發酵時能積累20 ％( v / v ) 以上的酒精這一事實中得到啟發,通過誘變篩選出一株能產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 酵母菌的基本培養基內5天可達20.1 ％的酒精產率。接著他們又將幾丁質與H F -15粗淀粉酶在室溫下混和2小時, 而不采用任何交聯劑,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糖化和重復發酵生玉米淀粉的能力。結果表明這種用幾丁質固定化的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不具有葡糖苷轉移酶活力, 而游離的H F -15 淀粉酶具有此酶活力, 這點對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同作用將大大加速生淀粉的分解作用, 此項成果使得生淀粉糖化酶的研究達到了一個新的高度。
吉棲肇等人發現根霉糖化酶對生淀粉的作用力比黑曲霉更強, 為其8 倍。他們以各種玉米和高粱為原料, 粉碎成各種不同細度, 以根霉葡萄糖淀粉酶進行糖化, 還對生淀粉酒精發酵各種條件進行了研究, 并取得了專利權。幾乎在同一時期, 秋山裕一等人也用根霉的
葡萄糖淀粉酶進行了無蒸煮酒精發酵的研究, 并且也取得了專利權。之后，S.Ueda 等人又對雪白根霉( Rhizopus  niveus) 糖化酶特性進行了研究, 結果發現此菌含有5 種糖化酶, 且均有生淀粉酶的活性。
此外, 發現有水解生淀粉能力的菌種還有扣囊擬內抱霉、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、環狀芽泡菌、德爾根霉等。
生淀粉直接糖化發酵早在石油危機的前25 年就己經由山崎和上田提出。他們發現黑曲霉淀粉酶對生淀粉分解能力要比黃曲霉和麥芽之類的淀粉酶更強, 并利用泡盛黑曲霉淀粉酶對未經蒸煮的米粉原料發酵, 取得了可喜的結果。但由于當時需要較多量的糖化酶價格昂貴,山崎等人的研究未能引起工業界重視。石油危機后, 這種節能型無蒸煮發酵法又受到注目, 許多研究者隨之進行了活躍的研究。這方面最成功的例子是, 日本三得利公司于1981 年實現了生玉米淀粉無蒸煮發酵的工業生產。在他們所確立的無蒸煮發酵條件中, 采用根霉屬的糖化酶最合適。其添加量的調節應使糖化速度與酵母的酒精發酵速度同步協調, 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, 減少了設備, 不需冷卻水, 節能。同時由于采用濃醪發酵可大大提高生產力, 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生影響酵母生長的焦糖等, 優越性是顯見的。
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會上的報告“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用( 如糊化、糖化, 繼之發酵以生產酒精、有機酸等)。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行了酒精發酵。
2、國內
我國多年來也積極開展了無蒸煮生淀粉酒精發酵技術的研究工作, 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象, 此后進行了一系列實驗研究, 并分別在1 9 84 年和1 9 8 6年通過了“ 淀粉質原料無蒸煮酒精發酵新工藝”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酵的京發Z -07#  酵母菌株進行發酵試驗, 其灑精度可達1 5.2％( V / V ), 發酵率達88％以上。
上海工業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, 通過對分屬于根霉、 曲霉、青霉毛霉等的1 43 株菌進行大量細致的篩選, 最后確認泡盛曲霉32#為生玉米粉濃醪發酵酒精的優良菌種。并以此菌為糖化劑作發酵試驗,1 0 0小時終了酒精度可達
1 4.0 % ( V / V ), 淀粉利用率可與黑曲霉相比, 為85 ~ 87％。他們還對淀粉酶作用于完整淀粉顆粒的機制和淀粉顆粒立體結構作了初步觀測, 發現被酶液腐蝕的生玉米淀粉顆粒在高倍顯微鏡下表面出現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志著我國生淀粉搪化酶研究已達到了一個新水平。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菌黑曲霉的分生抱子, 使酶活力提高50 ~ 60 ％。