淀粉的酶液化和酶糖化工艺

一、淀粉酶

淀粉的酶水解法是用专一性很强的淀粉酶将淀粉水解成相应的糖。在葡萄糖及淀粉糖浆生产时应用α一淀粉酶与糖化酶(葡萄糖苷酶)的协同作用，前者将高分子的淀粉割断为短链糊精，后者便迅速地把短链糊精水解成葡萄糖。同理，生产饴糖时，则用α一淀粉酶与β一淀粉酶配合，α一淀粉酶转变的短链糊精被β一淀粉酶水解成麦芽糖。

1 α-淀粉酶

1）作用点： α一淀粉酶属内切型淀粉酶，它作用于淀粉时从淀粉分子内部以随机的方式切断α一1，4糖苷键，但水解位于分子中间的α一1，4键的概率高于位于分子末端的α一1，4键，a一淀粉酶不能水解支链淀粉中的α一1，6键，也不能水解相邻分支点的α一1，4键；不能水解麦芽糖，但可水解麦芽三糖及以上的含α一1，4键的麦芽低聚糖。由于在其水解产物中，还原性末端葡萄糖分子中C，的构型为α一型，故称为α一淀粉酶。

α一淀粉酶作用于直链淀粉时，可分为两个阶段，第一个阶段速度较快，能将直链淀粉全部水解为麦芽糖、麦芽三糖及直链麦芽低聚糖；第二阶段速度很慢，如酶量充分，最终将麦芽三糖和麦芽低聚糖水解为麦芽糖和葡萄糖。α一淀粉酶水解支链淀粉时，可任意水解α一1，4键，不能水解α一1，6键及相邻的α一1，4键，但可越过分支点继续水解α一1，4键，最终水解产物中除葡萄糖、麦芽糖外还有一系列带有α一1，6键的极限糊精，不同来源的α一淀粉酶生成的极限糊精结构和大小不尽相同。

2）酶源 来源于芽孢杆菌的α一淀粉酶水解淀粉分子中的α一1，4键时，最初速度很快，淀粉分子急速减小，淀粉浆黏度迅速下降，工业上称之为“液化”。随后，水解速度变慢，分子继续断裂、变小，产物的还原性也逐渐增高，用碘液检验时，淀粉遇碘变蓝色，糊精随分子由大至小，分别呈紫、红和棕色，到糊精分子小到一定程度(聚合度小于6个葡萄糖单位时)就不起碘色反应，因此实际生产中，可用碘液来检验α一淀粉酶对淀粉的水解程度。

3）酶的性质 α一淀粉酶较耐热，但不同来源的α一淀粉酶具有不同的热稳定性和最适反应温度。目前市售酶制剂中，以地衣芽孢杆菌所产α一淀粉酶耐热性最高，其最适反应温度达95℃左右，瞬间可达105～110℃，因此该酶又称耐高温淀粉酶。由枯草杆菌所产生的α一淀粉酶，最适反应温度为70℃，称为中温淀粉酶。来源于真菌的α一淀粉酶，最适反应温度仅为55℃左右，为非耐热性α一淀粉酶，一般作为糖化酶使用。

一般而言，工业生产用α一淀粉酶均不耐酸，当pH值低于4．5时，活力基本消失。在pH值为5．O～8．0之间较稳定，最适pH值为5．5～6．5。不同来源的α一淀粉酶在此范围内略有差异。

不同来源的α一淀粉酶均含有钙离子，钙与酶分子结合紧密，钙能保持酶分子最适空间构象，使酶具有最高活力和最大稳定性。钙盐对细菌α一淀粉酶的热稳定性有很大的提高，液化操作时，可在淀粉乳中加少量Ca2+，对α一淀粉酶有保护作用，可增强其耐热力至90~C以上，因此最适液化温度为85～90℃．



2 β-淀粉酶

1）作用点： B-淀粉酶是一种外切型淀粉酶，它作用于淀粉时从非还原性末端依次切开相隔的β一1，4键，顺次将它分解为两个葡萄糖基，同时发生尔登转化作用，最终产物全是B一麦芽糖。所以也称麦芽糖酶。β-淀粉酶能将直链淀粉全部分解，如淀粉分子由偶数个葡萄糖单位组成，最终水解产物全部为麦芽糖；如淀粉分子由奇数个葡萄糖单位组成，则最终α水解产物除麦芽糖外，还有少量葡萄糖。但β一淀粉酶不能水解支链淀粉的α一1，6键，也不能跨过分支点继续水解，故水解支链淀粉是不完全的，残留下β一极限糊精。β一淀粉酶水解淀粉时，由于从分子末端开始，总有大分子存在，因此黏度下降慢，不能作为糖化酶使用；而β一淀粉酶水解淀粉水解产物如麦芽糖、麦芽低聚糖时，水解速度很快，可作为糖化酶使用。

β淀粉酶活性中心含有巯基(一SH)，因此，一些氧化剂、重金属离子以及巯基试剂均可使其失活，而还原性的谷胱甘肽、半胱氨酸对其有保护作用。

2）酶源：β一淀粉酶以大麦芽及麸皮中含量最丰富。

3）性质：最适PH 5.0-5.4 最适温度60℃



3 糖化酶(葡萄糖淀粉酶)

1）作用点： 糖化酶(葡萄糖淀粉酶)对淀粉的水解作用是从淀粉的非还原性末端开始，依次水解α一1，4葡萄糖苷键，顺次切下每个葡萄糖单位，生成葡萄糖。

葡萄糖淀粉酶专一性差，除水解α一1，4葡萄糖苷键外，还能水解。α一1，6键和α一1，3键，但后两种键的水解速度较慢，由于该酶作用于淀粉糊时，糖液黏度下降较慢，还原能力上升很快，所以又称糖化酶，不同微生物来源的糖化酶对淀粉的水解能力也有较大区别。

2）酶原和性质： 不同来源的葡萄糖淀粉酶在糖化的最适温度和pH值上存在一定的差异。其中，黑曲霉为55～60℃，pH值3．5～5．O；根霉50～55℃，pH值4．5～5．5；拟内孢霉为50℃，pH值4·8～5·0。糖化时间根据相应淀粉糖质量指标中DE值的要求而定，一般为12～48 h；糖化温度一般采用55℃以上可避免长时间保温过程中细菌的生长；糖化pH值一般为弱酸性，不易生成有色物质，有利于提高糖化液的质量。



4 脱支酶

脱支酶是水解支链淀粉、糖原等大分子化合物中α一1，6糖苷键的酶，脱支酶可分为直接脱支酶和间接脱支酶两大类，前者可水解未经改性的支链淀粉或糖原中的α一1，6糖苷键，后者仅可作用于经酶改性的支链淀粉或糖原，这里仅讨论直接脱支酶。

根据水解底物专一性的不同，直接脱支酶可分为异淀粉酶和普鲁蓝酶两种。异淀粉酶只能水解支链结构中的α一1，6糖苷键，不能水解直链结构中的α—l，6糖苷键；普鲁蓝酶不仅能水解支链结构中的a一1，6糖苷键，也能水解直链结构中的α-1，6糖苷键，因此它能水解含α一1，6糖苷键的葡萄糖聚合物。

脱支酶在淀粉制糖工业上的主要应用是和β一淀粉酶或葡萄糖淀粉酶协同糖化，提高淀粉转化率，提高麦芽糖或葡萄糖得率。



二、液化

液化是使糊化后的淀粉发生部分水解，暴露出更多可被糖化酶作用的非还原性末端。它是利用液化酶使糊化淀粉水解到糊精和低聚糖程度，使黏度大为降低，流动性增高，所以工业上称为液化。酶液化和酶糖化的工艺称为双酶法或全酶法。液化也可用酸，酸液化和酶糖化的工艺称为酸酶法。

由于淀粉颗粒的结晶性结构，淀粉糖化酶无法直接作用于生淀粉，必需加热生淀粉乳，使淀粉颗粒吸水膨胀，并糊化，破坏其结晶结构，但糊化的淀粉乳黏度很大，流动性差，搅拌困难，难以获得均匀的糊化结果，特别是在较高浓度和大量物料的情况下操作有困难。而α一淀粉酶对于糊化的淀粉具有很强的催化水解作用，能很快水解到糊精和低聚糖范围大小的分子，黏度急速降低，流动性增高。此外，液化还可为下一步的糖化创造有利条件，糖化使用的葡萄糖淀粉酶属于外酶，水解作用从底物分子的非还原尾端进行。在液化过程中，分子被水解到糊精和低聚糖范围的大小程度，底物分子数量增多，糖化酶作用的机会增多，有利于糖化反应。

1 液化机理

液化使用α一淀粉酶，它能水解淀粉和其水解产物分子中的α一1，4糖苷键，使分子断裂，黏度降低。α一淀粉酶属于内酶，水解从分子内部进行，不能水解支链淀粉的α一1，6葡萄糖苷键，当α一淀粉酶水解淀粉切断α一1，4键时，淀粉分子支叉地位的α一1，6键仍然留在水解产物中，得到异麦芽糖和含有α一1，6键、聚合度为3～4的低聚糖和糊精。但α一淀粉酶能越过α一1，6键继续水解α一1，4键，不过α一1，6键的存在，对于水解速度有降低的影响，所以α一淀粉酶水解支链淀粉的速度较直链淀粉慢。

国内常用的α一淀粉酶有由芽孢杆菌BF一7658产的液化型淀粉酶和由枯草杆菌产生的细菌糖化型α一淀粉酶以及由霉菌产生的α一淀粉酶。因其来源不同，各种酶的性能和对淀粉的水解效能亦各有差异。

2 液化程度

在液化过程中，淀粉糊化、水解成较小的分子，应当达到何种程度合适?葡萄糖淀粉酶属于外酶，水解只能由底物分子的非还原尾端开始，底物分子越多，水解生成葡萄糖的机会越多。但是，葡萄糖淀粉酶是先与底物分子生成络合结构，而后发生水解催化作用，这需要底物分子的大小具有一定的范围，有利于生成这种络合结构，过大或过小都不适宜。根据生产实践，淀粉在酶液化工序中水解到葡萄糖值15～20范围合适。水解超过此程度，不利于糖化酶生成络合结构，影响催化效率，糖化液的最终葡萄糖值较低。

利用酸液化，情况与酶液化相似，在液化工序中需要控制水解程度在葡萄糖值15～20之间为宜，水解程度高，则影响糖化液的葡萄糖值降低；若液化到葡萄糖值15以下，液化淀粉的凝沉性强，易于重新结合，对于过滤性质有不利的影响。

3 液化方法

液化方法有3种：升温液化法、高温液化法和喷射液化法。

1 ） 升温液化法

这是一种最简单的液化方法。30％～40％的淀粉乳调节pH值为6．0～6．5，加入CaCl2调节钙离子浓度到O．01 mol／L，加入需要量的液化酶，在保持剧烈搅拌的情况下，喷入蒸汽加热到85～90℃，在此温度保持30～60 min达到需要的液化程度，加热至100℃以终止酶反应，冷却至糖化温度。此法需要的设备和操作都简单，但因在升温糊化过程中，黏度增加使搅拌不均匀，料液受热不均匀，致使液化不完全，液化效果差，并形成难于受酶作用的不溶性淀粉粒，引起糖化后糖化液的过滤困难，过滤性质差。为改进这种缺点，液化完后加热煮沸10 min，谷类淀粉(如玉米)液化较困难，应加热到140℃，保持几分钟。虽然如此加热处理能改进过滤性质，但仍不及其他方法好。



2 ） 高温液化法

将淀粉乳调节好pH值和钙离子浓度，加入需要量的液化酶，用泵打经喷淋头引入液化桶中约90℃的热水中，淀粉受热糊化、液化，由桶的底部流出，进入保温桶中，于90℃保温约40 min或更长的时间达到所需的液化程度。此法的设备和操作都比较简单，效果也不差。缺点是淀粉不是同时受热，液化欠均匀，酶的利用也不完全，后加入的部分作用时间较短。对于液化较困难的谷类淀粉(如玉米)，液化后需要加热处理以凝结蛋白质类物质，改进过滤性质。在130℃加热液化5～10 min或在150℃加热1～1．5 min。

3 ） 喷射液化法

先通蒸气人喷射器预热到80～90℃，用位移泵将淀粉乳打入，蒸气喷入淀粉乳的薄层，引起糊化、液化。蒸气喷射产生的湍流使淀粉受热快而均匀，黏度降低也快。液化的淀粉乳由喷射器下方卸出，引入保温桶中在85～90℃保温约40 min，达到需要的液化程度。此法的优点是液化效果好，蛋白质类杂质的凝结好，糖化液的过滤性质好，设备少，也适于连续操作。马铃薯淀粉液化容易，可用40％浓度；玉米淀粉液化较困难，以27％～33％浓度为宜，若浓度在33 %以上，则需要提高用酶量两倍。



酸液化法的过滤性质好，但最终糖化程度低于酶液化法。酶液化法的糖化程度较高，但过滤性质较差。为了利用酸和酶液化法的优点，有酸酶合并液化法，先用酸液化到葡萄糖值约4，再用酶液化到需要程度，经用酶糖化，糖化程度能达到葡萄糖值约97，稍低于酶液化法，但过滤性质好，与酸液化法相似。此法只能用管道设备连续进行，因为调节pH值、降温和加液化酶的时间快，也避免回流。若不用管道设备，则由于低葡萄糖值淀粉液的黏度大，凝沉性也强，过滤性质差。



三、糖化

在液化工序中，淀粉经α一淀粉酶水解成糊精和低聚糖范围的较小分子产物，糖化是利用葡萄糖淀粉酶进一步将这些产物水解成葡萄糖。纯淀粉通过完全水解，会增重，每100份淀粉完全水解能生成lll份葡萄糖，但现在工业生产技术还没有达到这种水平。双酶法工艺的现在水平，每100份纯淀粉只能生成105～108份葡萄糖，这是因为有水解不完全的剩余物和复合产物如低聚糖和糊精等存在。如果在糖化时采取多酶协同作用的方法，例如除葡萄糖淀粉酶以外，再加上异淀粉酶或普鲁蓝酶并用，能使淀粉水解率提高，且所得糖化液中葡萄糖的百分率可达99％以上。

双酶法生产葡萄糖工艺的现在水平，糖化2 d葡萄糖值达到95～98。在糖化的初阶段，速度快，第一天葡萄糖达到90以上，以后的糖化速度变慢。葡萄糖淀粉酶对于α一1，6糖苷键的水解速度慢。提高用酶量能加快糖化速度，但考虑到生产成本和复合反应，不能增加过多。降低浓度能提高糖化程度，但考虑到蒸发费用，浓度也不能降低过多，一般采用浓度约30％。

1 糖化机理

糖化是利用葡萄糖淀粉酶从淀粉的非还原性尾端开始水解α一1，4葡萄糖苷键，使葡萄糖单位逐个分离出来，从而产生葡萄糖。它也能将淀粉的水解初产物如糊精、麦芽糖和低聚糖等水解产生B一葡萄糖。它作用于淀粉糊时，反应液的碘色反应消失很慢，糊化液的黏度也下降较慢，但因酶解产物葡萄糖不断积累，淀粉糊的还原能力却上升很快，最后反应几乎将淀粉100％水解为葡萄糖。

葡萄糖淀粉酶不仅由于酶源不同造成对淀粉分解率有差异，即使是同一菌株产生的酶中也会出现不同类型的糖化淀粉酶。如将黑曲菌产生的粗淀粉酶用酸处理，使其中的α一淀粉酶破坏，然后用玉米淀粉吸附分级，获得易吸附于玉米淀粉的糖化型淀粉酶I及不吸附于玉米淀粉的糖化型淀粉酶Ⅱ2个分级，其中I能100％地分解糊化过的糯米淀粉和较多的a一1，6键的糖原及B一界限糊精，而酶Ⅱ仅能分解60%～70％的糯米淀粉，对于糖原及B一界限糊精则难以分解。除了淀粉的分解率因酶源不同而有差异外，耐热性、耐酸性等性质也会因酶源不同而有差异。

不同来源的葡萄糖淀粉酶在糖化的适宜温度和pH值也存在差别。例如曲霉糖化酶为55～60℃，pH值3．5～5．0；根霉的糖化酶为50～55℃，pH值4．5～5．5；拟内孢酶为50℃，pH值4．8～5．O。

2 糖化操作

糖化操作比较简单，将淀粉液化液引入糖化桶中，调节到适当的温度和pH值，混入需要量的糖化酶制剂，保持2～3 d达到最高的葡萄糖值，即得糖化液。糖化桶具有夹层，用来通冷水或热水调节和保持温度，并具有搅拌器，保持适当的搅拌，避免发生局部温度不均匀现象。

糖化的温度和pH值决定于所用糖化酶制剂的性质。曲霉一般用60℃，pH值4．O～4．5，根霉用55℃，pH值5．O。根据酶的性质选用较高的温度，可使糖化速度较快，感染杂菌的危险较小。选用较低的pH值，可使糖化液的色泽浅，易于脱色。加入糖化酶之前要注意先将温度和pH值调节好，避免酶与不适当的温度和pH值接触，活力受影响。在糖化反应过程中，pH值稍有降低，可以调节pH值，也可将开始的pH值稍高一些。

达到最高的葡萄糖值以后，应当停止反应，否则，葡萄糖值趋向降低，这是因为葡萄糖发生复合反应，一部分葡萄糖又重新结合生成异麦芽糖等复合糖类。这种反应在较高的酶浓度和底物浓度的情况下更为显著。葡萄糖淀粉酶对于葡萄糖的复合反应具有催化作用。

糖化液在80℃，受热20 min，酶活力全部消失。实际上不必单独加热，脱色过

程中即达到这种目的。活性炭脱色一般是在80℃保持30 min，酶活力同时消失。

提高用酶量，糖化速度快，最终葡萄糖值也增高，能缩短糖化时问。但提高有一定的限度，过多反而引起复合反应严重，导致葡萄糖值降低。