第五章淀粉酶性质应用2011

1、1第五章、酶的性质与应用5.1 淀粉水解酶类n5.1.1、概述n淀粉是植物中碳水化合物贮存的主要形式，是一种由D-葡萄糖单体以-1，4糖苷键和-1，6糖苷键组成的多聚糖，淀粉可分为两种n直链淀粉（直链淀粉（AmyloseAmylose）：葡萄糖残基借助于-1，4糖苷键连接起来的直链分子，分子量为几万-几十万(6-10万)，温水中易溶，粘度不大，与碘液呈蓝色分子。n支链淀粉支链淀粉(Amylopectin)(Amylopectin)：由-1，4糖苷键和-1，6糖苷键共同构成的分枝状多聚糖，分子量为几十万几百万（50-100万），需加热才能溶解，粘度大，遇碘呈蓝紫色。2直链淀粉结构直链淀粉结构3支

2、链淀粉结构支链淀粉结构4直链淀粉与I2形成兰色络合物5n淀粉是自然界分布极广的碳水化合物，高等植物的根、茎、叶、花、果、种子等组织器官中都有淀粉的存在。谷物种子、薯类块茎、各种水果和坚果等，是储存淀粉最多的器官。一般淀粉谷物中，都是由直链和支链淀粉共同构成的。n薯类和谷物淀粉中，支链淀粉占10-20%，直链淀粉占80-90%。6淀粉的特性n糯米淀粉中，支链淀粉99%。n豆类（如豌豆、绿豆等）淀粉，直链淀粉含量较高。n淀粉是白色或类白色，不溶于乙醚、乙醇、丙酮等有机溶剂，也不溶于冷水。淀粉是以颗粒状态存在于胚乳细胞中，其内部呈复杂的结晶组织，随原料品种不同，淀粉具有不同的形状和大小，淀粉颗粒可分

3、为圆形、椭圆形和多角形三种。n一般水分高，蛋白质含量少的植物淀粉颗粒较大，形状也比较整齐，多呈圆形或椭圆形，如马铃薯淀粉；反之颗粒较小，呈多角形，如米淀粉。7玉米淀粉1500倍稻米淀粉5000倍马铃薯淀粉1500倍小麦淀粉50008n不同淀粉粒不仅颗粒形状不一样，其大小也不相同，不同淀粉粒平均颗粒大小为：n马铃薯淀粉粒65m，小麦淀粉粒20m，甘薯淀粉粒15m，玉米淀粉粒16m，稻米淀粉粒5m。n就同一种淀粉而言，淀粉粒的大小也不均匀，如玉米淀粉粒中最大的为26m，最小的为5m。n在常见的淀粉中马铃薯淀粉的颗粒最大，稻米淀粉的颗粒最小。9n淀粉的糊化：又称“化”，是指淀粉颗粒在水中被加热，水分

4、迅速渗透到淀粉颗粒内部，使淀粉颗粒吸水膨胀，晶体结构消失，淀粉颗粒外膜完全破裂而解体，变成粘稠状的液体。n在这一过程中，淀粉颗粒吸水，体积增加50-100倍；-淀粉酶水解颗粒淀粉（天然淀粉）和水解糊化淀粉的速度比为1：20000。淀粉的糊化10淀粉的老化n淀粉的老化（凝沉）：糊化淀粉缓慢冷却，会变浑浊，甚至产生凝结沉淀，这种现象称为“老化”或“回生、凝沉”，是分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新氢键的过程，也就是一个复结晶过程，发生凝沉的淀粉不易溶解，淀粉酶很难进入老化淀粉的结晶区，淀粉很难液化，更谈不上糖化。11n直链淀粉容易老化，支链淀粉难老化；n在高温（60）或低于-20 条件下，

5、淀粉不易老化；而在2-4条件下，极易老化。快速升温及快速降温，淀粉不易老化，反之容易老化。n淀粉糊浓度越高，淀粉糊极易老化；nDE值越小，越易老化；一般在碱性条件下，有抑制老化的作用。n利用淀粉加热糊化、冷却又老化的原理，可制作粉丝、粉皮、龙虾片等食品，选用含直链淀粉多的绿豆淀粉，糊化后使它在4左右冷却，促使老化发生。12淀粉的液化n淀粉的液化：淀粉经糊化后，晶体结构被破坏，淀粉分子就直接暴露在酶（-淀粉酶）分子的作用之下，分子链迅速断开、变短，最终形成含有少量葡萄糖的低分子糊精溶液，液体的粘度随之降低，这就是淀粉的液化过程。135.1 淀粉水解酶类淀粉水解酶类 凡是能催化淀粉（或糖元）分子及

6、其分子片段中的-葡萄糖苷键水解的酶，统称为淀粉酶，包括-淀粉酶，糖化酶，-淀粉酶，异淀粉酶，普鲁蓝酶，环状糊精生成酶，麦芽寡糖生成酶等。145.1.2、-淀粉酶淀粉酶-淀粉酶淀粉酶：是一种内切酶，作用于淀粉时，它能水解淀粉分子内-1，4葡萄糖苷键（但该酶不能切开-1，6键），将淀粉分子任意切断成长短不一的短链糊精和少量低聚糖，使淀粉糊粘度迅速下降，即为液化作用，故-淀粉酶又称为液化酶。因水解产物还原性末端葡萄糖的第一位C1的光学性质呈-构型，故称-淀粉酶。15-淀粉酶的用量与液化终点的判断-淀粉酶用量：中温-淀粉酶，6-8U/g淀粉；高温-淀粉酶，10U/g淀粉左右。液化终点的判断： 取2-3

7、稀碘液于小试管内，滴入液化后的料液2-3滴，显示浅黄色或浅棕红色为液化良好，紫色为一般，兰色为较差。16DE值：葡萄糖值，表示淀粉水解程度及糖化程度，指的是还原糖占干物质的百分率。DE=还原糖（%）/干物质（%）100%还原糖用斐林氏法或碘量法测定；干物质（可溶固形物）用阿贝折光仪测定。纯净的葡萄糖DE值为100%，DE值越高，水解越彻底，反之亦然。酶活力定义： 1毫升酶液于60，pH6.0条件下，1小时液化可溶性淀粉1克即为一个酶活力单位，以u/mL来表示。17-极限糊精：-淀粉酶作用于支链淀粉时，它可以任意水解-1，4键，但不能切开分支点的-1，6键，也不能水解-1，6键附近（1，2个）的

8、-1，4键，可以越过-1，6键而切开-1，4键，因此水解产物除麦芽糖、葡萄糖外，还有一系列-极限糊精，如下所示： 62-麦芽糖基麦芽三糖：表示葡萄糖残基 ：为还原性末端：表示-1，4键； ：表示-1，6键。18低温-淀粉酶：最适温度20-70，中温-淀粉酶：最适温度60-70，工作温度可达70-90由枯草杆菌BF7658、解淀粉芽孢杆菌BAA产生。高温-淀粉酶：85-115，由地衣芽孢杆菌产生。（最适pH范围pH5.5-7.0，有效pH范围5.0-8.0,最适温度范围90-95，有效温度范围90-100。在喷射液化工艺中瞬间温度达 105-110，仍能有效水解淀粉。）-淀粉酶的种类19霉菌（真

9、菌）-淀粉酶：50-55，由米曲霉或黑曲酶产生，它能从淀粉分子内部切开-1，4键生成各种寡糖，在长时间作用下，还可切开这些寡糖-1，4键而生成麦芽糖，麦芽糖含量可达50%，故又称麦芽糖生成酶，欧美用它制造高麦芽糖。酸性-淀粉酶，耐pH2-4，正在开发中（主要在酒精、焙烤、饲料中应用。）除酸性-淀粉酶外，其余-淀粉酶最适pH在6左右。20生淀粉酶n生淀粉酶：是一种包括-淀粉酶和糖化酶的复合酶，能将未经蒸煮糊化的生淀粉直接水解转化成葡萄糖等可发酵性糖供微生物生长与代谢， 它比传统的高温蒸煮糖化节约25%30%的能耗。n能产生生淀粉酶的有黑曲霉、米曲霉、宇佐美曲霉、少根根霉、爪哇根霉、泡盛曲霉、青霉

10、等。21n杰能科公司新近推出了 STARGENTM 001 n是一种生淀粉水解酶，适用于无蒸煮的低能耗工艺。n该酶含有 Aspergillus kawachii(白曲霉) alpha-amylase expressed in Trichoderma reesei and a glucoamylase from Aspergillus niger that function synergistically to hydrolyze starch into glucose.22耐高温 -淀粉酶n菌种：地衣芽胞杆菌 抗红霉素，菌落为乳白色n发酵培养基：玉米淀粉20%，豆粕5%，玉米浆2%，硫酸铵0.

11、5%，磷酸二氢钾0.5%，磷酸氢二钾 1.7%，柠檬酸钠0.2%；加高温淀粉酶液化，pH 6.26.4。n 发酵工艺：35t发酵罐发酵条件温度(421)，风量6.67-16.67 m3min，pH值6.46.8，培养时间80100h。n分批发酵酶活为8000-9000U/mL， 补料发酵酶活为14000-15000U/mL。23耐高温 -淀粉酶n 耐高温 -淀粉酶能随机水解淀粉、糖原及其降解物内部的-1，4葡萄糖苷键使淀粉溶液的粘度迅速下降，产生可溶性糊精和寡聚糖，过度的水解可产生少量葡萄糖和麦芽糖。 n用 途： 耐高温 -淀粉酶具有极好的耐热性，能广泛应用于淀粉、酒精、啤酒、味精、酿造、纺织

12、退浆等工业上。 n物理特性n外观：棕褐色液体 溶解性：易溶于水 n比重： 1.15-1.25g/mL24n化学物性 n钙离子对酶活稳定性的影响 :较低浓度的钙离子存在，对于淀粉的水解，推荐加入50-100ppm钙离子。 npH范围：5.5-7.0 最适6.0n温度范围： 90-95 n在喷射液化工艺中瞬间温度达 105-110，仍能有效水解淀粉。 n产品规格： n1、耐高温-淀粉酶为液体酶制剂。酶活力：20000U/mL（相当于丹麦Novo公司Termanyl-120L） n2、酶活力定义：1ml酶液在70 ，pH6.0条件下，1分钟液化可溶性淀粉的毫克数。 25中温-淀粉酶n目前国内中温-淀

13、粉酶生产菌种主要采用枯草芽孢杆菌BF7658和解淀粉芽孢杆菌BAA。n解淀粉芽孢杆菌BAA发酵酶活相对较高，34培养60-70h，酶活可达600-900U/mL；BF7658菌株，37培养36-48h，酶活300-400U/mL，而且液体酶有臭味，限制了中温-淀粉酶在食品行业中的应用，因此工业上使用BAA菌株较多。26中温 -淀粉酶n中温 -液化型淀粉酶系用枯草芽孢杆菌（Bacillus Subtilis)经发酵提炼精制而成。 n用 途： 适用于酒精、啤酒、味精、发酵工业的液化以及纺织退浆等。 n产品特性： 物理特性 n外观：棕褐色液体 n溶解性：易溶于水 n比重： 1.15-1.25g/mL

14、27n化学物性 n热稳定性：需Ca2+150ppm，最适作用温度 60-70，在70-90之间，随着温度升高，其反应速度加快，但失活也加快，适用于最高达90的液化过程。 npH 6.0-7.0较为稳定；最适作用pH 6.0，pH5.0以下失活严重。 n产品规格： n1、中温-淀粉酶分为固体和液体两种剂型。 n固体分为 2000、4000u/g, 6000u/g 三种。液体为2000 u/mL。n2、酶活力定义；1ml酶液(1g酶粉)在60 ，pH6.0条件下，1小时液化可溶性淀粉的克数。282、-淀粉酶是一种外切型的淀粉酶，它从淀粉或低聚糖的非还原性末端，以麦芽糖为单位以麦芽糖为单位，顺次水解

15、-1，4糖苷键，并使切下的麦芽糖还原性末端葡萄糖残基构型转变为-型，故称为-淀粉酶。-淀粉酶广泛存在于大麦、小麦、玉米、大豆、甘薯等植物和一些微生物中，其中麦芽粉含量最高，大麦、小麦、大豆、麸皮也存在大量的-淀粉酶，甘薯含量稍低。微生物发酵法生产的-淀粉酶活力低，成本高。29-极限糊精-淀粉酶不能水解支链淀粉的-1，6键，也不能跨过分支点的-1，6键而切开内部的-1，4键，故水解支链淀粉是不完全的，水解在达到分支点-1，6键前2-3个葡萄糖残基时，它便停止不前，由于在生成50-65%麦芽糖时，就不再水解残留下来的大分子，称为-极限糊精。30-淀粉酶的提取n从植物中提取-淀粉酶，添加一定量的还原

16、剂可提高酶的提取率。因-淀粉是一种巯基酶，易与蛋白质形成二硫键而被屏蔽，此外，即使是游离的-淀粉酶，巯基也很容易与重金属盐(如Pb 2+、Ag+、Zn2+、Cu2+)作用生成难溶性硫化物沉淀，导致失活。为此，提取时常加EDTA等螯合剂以防重金属与巯基结合，添加 NaHSO3、Na2S03、L-胱氨酸、巯基乙醇等还原剂以防巯基氧化造成的酶失活。 n-淀粉酶可从麸皮、小麦、大麦中提取，也可从大豆提取蛋白质后的废水中，或甘薯制取淀粉的废水中提取。n大麦发芽第三天后-淀粉酶活力最大；-淀粉酶提取工艺：料液比1：17，温度44，pH6.4、提取时间2.3h，还原剂用量1.64g/L；得到-淀粉酶活为12

17、30.22U/g绝干麦芽。n黄豆粉中提取-淀粉酶工艺：料水比1:10,添加0.1mol/L NaCl，0.2%(w/v)烷基醇酰胺，0.5%(w/v)Na2SO3，50和pH 6.5下提取0.5h,-淀粉酶的产量为34.78U/mL。31来源大豆小麦大麦甘薯最适pH5.35.25.0-6.05.5-6.0稳定pH范围3.5-104.5-9.24.8-8.0最适温度()60-6550-5550-55等电点(pI)5.256.06.04.8淀粉水解率(%)65656565不同来源-淀粉酶的性质323、糖化酶（葡萄糖淀粉酶，Glucoamylase）n葡萄糖淀粉酶（EC 3.2.1.3），俗称糖化酶

18、。是一种外切型淀粉酶，能从淀粉分子非还原性端，依次水解-1，4糖苷键，切下葡萄糖单位，也能水解支链淀粉分支点的-1，6键，但水解速度慢，仅及水解-1，4的1/10。n糖化酶可由黑曲霉(Aspergillus niger)优良菌种经液态发酵提取而成。该酶的最适温度：60，最适pH 4.0-4.5。糖化酶加量:生产上多采用30%淀粉乳，用量为100-200U/g淀粉左右。33糖化酶发酵工艺n1级罐5M3; 2级罐10M3; 发酵罐径高比为1:2.5，3档6弯叶机械搅拌，转速187r/ min ,发酵罐容积30M3。n一级种子培养基：玉米淀粉16%, 豆饼粉4.4 % ,玉米浆2 % ,营养膏0.1

19、%,定容2M3。n二级种子培养基：玉米淀粉 25%,豆饼粉3.6%,玉米浆1.5%,营养膏0.1%,定容5M3。n发酵培养基： 玉米淀粉33 % ，豆饼粉4%，玉米浆1.5%， 硫酸铵0.5%，定容17M3。n补料方法：中后期一次性补入。n控制条件：培养温度：3435；风量控制(v/v)：前期1：0.4，中期1:0.60.8，后期1:0.4；pH范围:4.34.7，通液氨维持pH4.7。发酵时间135hn发酵产酶活力3.54.0万U/mL。34高转化率糖化酶n由糖化酶与普鲁兰酶复配组成，可提高葡萄糖浓度，加快糖化水解速度。 n用 途：广泛用于生产白酒、黄酒、酒精、啤酒、乳酸钙作糖化剂；用于以葡

20、萄糖作发酵培养基的各种抗生素，有机酸、氨基酸、维生素的发酵，还大量用于生产各种规格的葡萄糖。 35n产品特性 :物理特性 n外观：浅褐色液体 n溶解性：易溶于水 n比重： 1.08g/ml n化学物性 n最适作用温度： 58-60 n最适作用 pH：4.0-5.0 n产品规格： 糖化酶为液体酶制剂。酶活力： 100000U/mL; 110000U/mL,120000U/mL（AMG400） n 酶活力定义； 1mL酶液在40，pH4.6条件下，1小时内分解可溶性淀粉产生1mg葡萄糖的酶量为1个酶活力单位（U） 36糖化终点的判断糖化终点判断：由于只有葡萄糖溶于无水酒精，麦芽糖微溶，其它糖（如寡

21、糖、糊精）不溶，所以糖化终点通常以无水酒精检测无白色反应，即为糖化终点。糖化酶含少量葡萄糖苷转移酶（将游离的葡萄糖转移到其它葡萄糖残基的-1，6和-1，3位，而生成各种寡糖，如非发酵性的潘糖、异麦芽糖等），对淀粉的糖化有重要影响，会降低淀粉糖转化率，应设法去除。374、脱枝酶(Debranching enzyme)：是一类切开支链淀粉或糖原等大分子化合物中的-1，6键的酶，是一种内切型酶。脱枝酶作用于淀粉时，随着解枝作用的进行，淀粉对碘的呈色反应由红色变蓝，还原力增加，在丁醇中发生沉淀，淀粉容易老化（发生浑浊），表现出直链淀粉的特性。38脱枝酶可分为2种即普鲁蓝酶和异淀粉酶。（1）普鲁蓝酶（P

22、ullulanase）：能水解普鲁蓝多糖的-1，6键，可水解支链淀粉、-极限糊精，-极限糊精的-1，6键，但几乎不作用分支密集的糖原-1，6键。该酶可由酸性解普鲁蓝芽孢杆菌生产。普鲁蓝多糖:微生物产生的由麦芽三糖通过-1，6结合成的线性结构多糖 普鲁蓝酶 ( )n ( )n （2）异淀粉酶（Isoamylase）：它只对支链淀粉和糖原的-1，6键有专一性，而对普鲁蓝多糖的-1，6键无作用。该酶可由产气杆菌生产。39（1）作用的底物有差别普鲁蓝酶可水解普鲁蓝多糖、支链淀粉、-和-极限糊精，最好的底物是小分子的寡糖，几乎不能作用糖原。异淀粉酶对分之密集的糖原或支链淀粉容易水解，也可水解某些分支的麦

23、芽糊精个寡糖的-1，6键，但不能水解普鲁蓝多糖的-1，6键，-极限糊精，最好的底物是高分子的多糖。（2）两种酶所作用的最小底物不同普鲁蓝酶水解的最小底物是62-麦芽糖基麦芽糖（OO OO） 异淀粉酶所能水解的最小底物是63-麦芽糖基麦芽四糖普鲁蓝酶与异淀粉酶的区别40n1983年NOVO公司生产，由酸性解普鲁蓝芽孢杆酸性解普鲁蓝芽孢杆菌菌（Bacillus acidopullulyticus）生产的具有耐热、耐酸特点的普鲁兰酶。nPromozyme 400L（普鲁兰酶）n标示活性： 400PUN/mln最适温度： 50-65n最适pH： 4.0-5.5n用量： 1-2.5L/吨原料（麦芽和辅料

24、），或0.1-0.15L/吨冷麦汁。n添加地点： 糖化锅，投料五分钟后加入，或发酵开始时与冷麦汁一起加入发酵罐中。n主要作用： 切断支链淀粉和糊表的分支点，增加可发酵性糖含量，提高啤酒的发酵度。41商品普鲁蓝酶的要求n普鲁兰酶必须具有有以下三种特性的脱枝酶:耐酸性(工作pH4.5)；热稳定性工作温度60；适合于食品生产。42普鲁兰酶生产n1983年NOVO公司生产，由酸性解普鲁蓝芽酸性解普鲁蓝芽孢杆菌孢杆菌（Bacillus acidopullulyticus）生产的具有耐热、耐酸特点的普鲁兰酶。nPromozyme 400L（普鲁兰酶）n标示活性： 400PUN/mln最适温度： 50-65

25、n最适pH： 4.0-5.543普鲁兰酶发酵生产n 将Bacillus naganoensis(ATCC53909)克隆得到的普鲁兰酶基因片段与表达载体pPIC9K连接，构建表达载体pPIC9KPullulanase, 经Sac I线性化后电穿孔法电击转化重组酵母表达载体pPIC9K-Pullulanase转化到表达宿主酵母SMDll68，用G418平板筛选阳性转化子，在含有4mgmL的G418平板上，出现了若干个转化予，随机取其中102个转化子进行发酵，测定酶活，酶活最高的一转化有重组酵母表达载体pPIC9K株,发酵单位可达350.8U/mL，命名为SMD-Pullulanase P8，是原

26、始出发菌株(2.7U/mL)的129.9倍，通过对重组毕赤酵母P8发酵工艺优化，在30，甘油培养基培养48h后，补料添加甲醇和甘油诱导培养48h，5批次的诱导表达实验，普鲁兰酶活平均值为507.32.8U/mL。44普鲁兰酶在啤酒中的使用n添加地点： 糖化锅，投料五分钟后加入，或发酵开始时与冷麦汁一起加入发酵罐中。n主要作用： 切断支链淀粉和糊表的分支点，增加可发酵性糖含量，提高啤酒的发酵度。45普鲁蓝酶的应用n（1）高葡萄糖浆：由于糖化酶对-1，6键水解速率很低以及糖化酶中-转苷酶催化葡萄糖生成异麦芽糖的聚合反应，因此在糖化过程中加入普鲁蓝酶，普鲁蓝酶与糖化酶协同作用，可有效地提高淀粉的水解

27、率；可降低糖化酶的用量、缩短反应时间；可提高淀粉乳的浓度。n（2）高麦芽糖浆：大豆-淀粉酶不能水解淀粉中的分枝链，有许多-极限糊精不能分解，淀粉的最大转化率不超过30%。如果添加普鲁蓝酶，可作用于DE5的30%淀粉乳液化液，可得到80%以上的超高麦芽糖浆。n（3）干啤:普鲁蓝酶能降低麦汁中-极限糊精的含量，增加可发酵性糖的含量，从而大幅度提高发酵度，制造干爽啤酒，一般在糖化阶段添加普鲁蓝酶。n（4）生产抗消化淀粉(resisant starch，enzyme-resistant starch，RS)，又称抗酶解淀粉，指不能在人体小肠中消化吸收，但在结肠内可被微生物发酵利用的淀粉。n（5）其他：

28、直链淀粉，环糊精等生产。465、环状糊精葡萄糖苷转移酶（环状糊精生成,Cyclodextringlycosyltransferase，CGTase）n催化淀粉通过分子内葡萄糖基转移反应（环化反应）而生成由612个D-吡喃葡萄糖基以-1,4-葡萄糖苷键连接而成的环状n低聚糖环糊精 (Cyclodextrin, CD），在有适当受体（如蔗糖或葡萄糖）存在下，它可以通过分子间葡萄糖基转移反应将葡萄糖从一个-1，4葡聚糖或CD转移到受体分子上（偶联反应或歧化反应），还可以水解-1，4-葡聚糖或CD。47n5、环状糊精葡萄糖苷转移酶（环状糊精生成酶，CGTase）n（1）分子内葡萄糖基转移反应n当CGT

29、ase作用于淀粉时，非还原性末端一侧的某些-1，4键上发生分子内葡萄糖基转移反应而生成聚合度为6-8的环状糊精（同时淀粉溶液粘度下降，碘反应减弱，呈内切型淀粉酶反应）。n淀粉、-CD。n-CD 6个葡萄糖构成的环己直链淀粉。n-CD 7个葡萄糖构成的环庚直链淀粉。n-CD 8个葡萄糖构成的环辛直链淀粉。48n（2）分子间葡萄糖基转移反应（偶联反应）n当有淀粉以外的适当受体糖类存在时，可发生分子间的葡萄糖基转移反应（偶联或歧化反应），将形成的环糊精裂开而转移到受体糖分子C4的OH上，形成新的-1，4键（可作为受体的糖类有葡萄糖、D-木糖、山梨糖、蔗糖、葡萄糖的C1衍生物）n CGTasen-CD

30、+-n打开环糊精，将其偶联到其它糖上（偶联作用）n歧化作用，在低聚糖分子间进行转移n CGTase CGTaseGn+2Gn G2n-2+Gn+2 或 Gn+Gn Gn+1+ Gn-149n（3）水解作用nCGTase可水解淀粉和CD生成麦芽糊精，但水解能力很小，只占总催化能力的2-8%。n H2On如-CD -n CGTasen嗜碱芽孢杆菌的CGTase，由淀粉主要生成-CD，最高得率可达80%，n软化芽孢杆菌的CGTase，主要生成-CD，50环糊精性质n环糊精由6-12个葡萄糖单位通过-1，4键连接而成的环状化合物，无还原性末端，能抗外切型淀粉酶（糖化酶）的水解作用。环糊精只能被- 淀粉

31、酶水解而不能被- 淀粉酶水解。51不同种类环糊精的性质种类葡萄糖单元数分子量室温下水中溶解度(g/100ml)空腔直径( )外圆周直径()-环糊精697214.51500.54.705.3014.60.4-环糊精711351.85162.50.56.006.5015.40.4-环糊精8129723.2177.40.57.508.3017.50.n-CD在水中的溶解度最小，-CD在水中的溶解度最大。52不同微生物来源的CGTase的性质53酶法生产环糊精n常用于工业化生产的菌种一般有嗜热脂肪芽胞杆菌、嗜碱脂肪芽胞杆菌、软化芽胞杆菌等。环糊精的生产过程通常包括以下几个主要阶段：n菌种的筛选、培养，

32、CGTase的制备(分离、纯化、浓缩、粉体化)；n将淀粉水解为环状；n环糊精的分离、纯化与结晶。n制备环糊精的底物原料包括玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉等，不同的原料环糊精的收率不等。54制备CGTasen制备CGTase 的培养基和培养条件因菌种而异。n软腐芽孢杆菌产酶培养基：玉米浆1%、可溶性淀粉1%、(NH4)2SO4 0.1%、CaCO3 0.3%，用豆油为消泡剂，pH5.06.0、37培养70h，主要产物是-环糊精；n巨大芽孢杆菌：麸皮1%、蛋白胨1%、玉米浆1%、可溶性淀粉4%、干酵母0.5%，37振荡培养70h，主要产物为-环糊精；nKlebsiella oxytoca 19-1

33、：可溶性淀粉1.0%、蛋白胨1.0%、K2SO4 0.1%、MgSO47H2O 0.02%，pH7.0、37培养90h；nBacillus stearothermophilus R2：复合胨0.5%、酵母膏0.5%、K2SO4 0.1%、MgSO47H2O 0.02%、葡萄糖0.5%、谷氨酸0.1%，pH9、60培养72h；nBacillus circulans：牛肉膏0.5%、蛋白胨1.0%、NaCl 0.2%、酵母膏0.2%、可溶性淀粉1.0%，pH7.2；n含有质粒pCGT3的Bacillus subtilis NH-1产-CGTase 的培养基：可溶性淀粉1.0%、蛋白胨5.0%、酵母

34、膏5.0%、K2SO4 1.0%、MgSO47H2O 0.2%。55环糊精的生产工艺流程 将CGTase 加入15%的淀粉悬浮液(含10mmo1/L CaCl2、pH8.5)中，于8590液化30min，冷至6065后，在糊化淀粉溶液中加入Ca(OH)2，再次调节pH 至8.5，再加入适量的CGTase，继续于60进行环化反应3045h，升温至100使酶失活，再冷却至80，调pH至6，用糖化酶将未转化的淀粉水解为麦芽糖和葡萄糖，水解液经活性炭和离子交换树脂处理后，减压浓缩至45%60%(w/V)， 低温放置，收得纯度大于98%的-环糊精结晶，分离出-环糊精后的母液经离子交换柱分级分离和凝胶过滤

35、，分离出其中的-环糊精和-环糊精，再通过一个精制系统，可直接得到-环糊精结晶和-环糊精结晶。56n现已报道的绝大多数CGTase 作用淀粉后的产物为、和 - 环糊精的混合物，绝大多数以 - 环糊精为主，极少有产生单一环糊精的。n根据物理性质的差异来分离的，其中-环糊精在水中的溶解度最小，只要对发酵后的淀粉悬浮液进行浓缩，-环糊精就会以结晶态沉淀出来。n另一种方法是用有机溶剂络合，由于、 - 环糊精所含的葡萄糖残基数不同，内部孔径不同，可以与不同分子大小的有机络合剂相结合，生成不溶的络合物而从反应体系中分离出来。n应用甲苯和三氯乙烯可分离-环糊精，应用乙醇可增加-环糊精的产量，应用葵醇可分离-环

36、糊精。随着先进设备的应用及生产工艺的改进，环糊精的分离方法会越来越成熟。57n环糊精在酸、碱中稳定，能在水或有机溶剂中结晶析出，它的立体结构呈中空圆筒状，中间空隙半径约6 -10 ，内侧具疏水性，从而改变被包接物的性质，如溶解度、挥发性、化学反应性等，有以下用途：（1）稳定香料、防止挥发（2）作为抗氧化剂、抗光热分解剂（3）作为药物或生理活性物质的缓释剂（4）用作除臭剂（掩盖剂）、乳化剂、色谱柱载体（5）食品、药物上脱苦以及用于增加化合物的溶解度。58环状糊精的结构特点n环状糊精，是白色结晶性粉末，溶于水，难溶于乙醇和丙酮，是一类由6个以上（常为6、7、8个）葡萄糖分子首尾相连而形成的环状低聚

37、糖，具有十分奇特的空间结构圆筒形的空心结构，由于其空腔内外“壁”上还“挂”有许多葡萄糖分子上的不同基团，故使环状糊精空腔的内外具有完全不同的性质：外表具有亲水性，内表具有具疏水性、亲油性。这样，通过其“两面性”，为难以共溶的油和水之间架设了一座“桥梁”，从而表现出神奇的妙用。59n在环糊精的分子结构中，由于葡萄糖的2位和3 位仲醇羟基位于截锥体的下面开口和外部，6位的伯醇羟基位于截锥体的上面开口，使环糊精分子外部亲水；同时6 位的-CH2- 和葡萄糖甙结合的氧原子排列在空隙的内部，呈疏水性。这种性质与表面活性剂相似，故可起乳化剂的作用.60环状糊精的应用（1）清凉剂：将具有清凉解渴、消暑解乏、

38、焕发精神等特殊功效的薄荷油与环状糊精混合并进入到其空腔里去，可解决因薄荷油难溶于水而无法配制薄荷饮料的难题，从而成功地为薄荷在冷饮及其它食品中的应用展现了可喜的前景。n（2）留香剂：将香料预先包络在环状糊精的空腔内后，可使散发花香的时间比天然花香长好几倍到几十倍，从而可以非常理想地作为塑料花朵的涂料以及化妆品、日用品以至食品的渗和留香剂。61环状糊精的应用n（3）除臭剂：环状糊精还可以把某些有臭气的物质包络起来，起到除臭作用。如有一种名叫“5氟脲嘧啶”的抗肿瘤口服药，气味难闻，但在经与环状糊精掺和后，难闻的气味就被掩盖了。n（4）缓释剂：“拟除虫菊酯”是近年发展起来的一种药性高、对人畜毒性低、

39、使用安全的农药，但它在农田中容易受紫外线的作用迅速分解而失去药效，在经与环状糊精掺和后，就可使药性缓慢释放，药效大大延长。n（5）保护剂：用无色、无味、可食的环状糊精喷洒于某些易氧化而引起变质的蔬菜、食品等表面可抵挡住光线对它们的氧化、分解作用而达到保鲜、保色、保味、延长存放时间的目的。62n 麦芽低聚糖是以淀粉为原料而制成的由2-10个葡萄糖分子聚合而成的糖，以-1，4键结合的直链麦芽低聚糖有麦芽三糖（G2）、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G8、G10。n近年来由微生物来源只生成麦芽低聚糖的特异性酶相继被发现，如：n灰色链霉菌NA468 可分泌麦芽三糖酶n施氏假单胞菌NRRLB3389

40、 可分泌麦芽四糖酶n地衣芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌 可产生麦芽五糖酶n高温根霉 G3-G7n麦芽低聚糖的功能性：是一种能延长供能、强化机体耐力和作功能力、易消化吸收、低甜度、低渗透压的性糖原。l麦芽寡糖生成酶63麦芽三糖n麦芽三糖的甜度约是蔗糖的30%。n其最大特征是非结晶状态和强大的保湿性能，具有防止淀粉老化的作用。因此，经常用于制作需要保留水分的糕点中。n 形成麦芽三糖的淀粉酶AMT1.2L是一种由微小杆菌（Microbacterium imperiale）菌株，通过发酵培养并精制而得的酶制剂。n 是一种能优先生产麦芽三糖的内切型maltotriohydrolase(EC 3.2.1.116

41、)。水解直链淀粉糖、支链淀粉糖、糖原、淀粉主要生成麦芽三糖。对普鲁兰不起作用。n 最适pH为pH6.5, 最适温度为45。n淀粉糊精化活力AMT 法 pH6.0 1200u/ml 以上n避免日光直射、10以下冷藏密闭保存。64nMaltotetraohydrolase 麦芽四糖nMALTOPENTAOSE 麦芽五糖65n-葡萄糖转苷酶（-glucosidase , EC3.2.1.20)又名葡萄糖苷转移酶，简称-糖苷酶，具有水解和转糖苷双重作用，它能切开麦芽糖、麦芽三糖或麦芽低聚糖分子结构中的-1，4糖苷键，并能将游离出来的一个葡萄糖残基转移到另一个葡萄糖分子或麦芽糖、麦芽三糖等分子中-1，6

42、位上，形成异麦芽糖（IG2）、异麦芽三糖（IG3）、异麦芽四糖（IG4）、五糖（IG5）和潘糖（P）等。n + -葡萄糖转苷酶葡萄糖转苷酶66-糖苷酶是以淀粉为原料生产低聚异麦芽糖（双歧杆菌增殖因子）的关键酶，1982年由日本林原生化科研所开发出-糖苷酶，1985年开始生产异麦芽低聚糖，年产1万吨。67转葡萄糖苷酶 L Transglucosidase L (TGL)的性质 n转葡萄糖苷酶 L Transglucosidase L (TGL) n由黑曲霉（Aspergillus niger）生产n 最适温度：55-60 （pH 5.0）n 最适pH 5.0-5.5n pH5.0时，产品酶活为3

43、00,000 u/ml n一种特殊的具有良好货架寿命的液体,用于生产低聚异麦芽糖浆,该酶作用于麦芽糖、麦芽三糖等含有-1,4键的低聚糖，通过转糖苷作用生成含有-1,6键的异麦芽糖、潘糖和其它带分枝的低聚糖 68转葡萄糖苷酶反应所生成的产物69n日本天野制药株式会社所生产的转苷酶（Transglucosidase, GTase）由黑曲霉产生, 酶活为3105U/ml，使用量1L/吨淀粉。n该酶的最适pH 5.5，温度 55， 反应时间：12-20h70n以淀粉为原料，用-淀粉酶液化，再用-淀粉酶糖化，同时用葡萄糖苷转移酶转化麦芽糖成为低聚异麦芽糖（IMO），再经脱色、脱盐浓缩而成，制造工艺如下：

44、n 耐高温 -淀粉酶 -淀粉酶(2-4g/Kg淀粉)n30%淀粉乳喷射液化液n pH6.0 （105 DE=12-17） 或真菌淀粉酶n 糖化转苷（糖化转苷（pH5-6pH5-6，50-6050-60）n糖化（麦芽糖75%） 粗制品藻土过滤 （反应20h，葡萄糖苷转移酶，1L/吨淀粉)n活性碳脱色阴阳离子树脂混合床离交n脱盐糖浆真空浓缩（75%成品） IMO50糖n n浆喷雾干燥IMO50糖粉 n 分 离 葡 萄 糖 麦 芽 糖 IMO9071nIMO-90产品可采用“微生物分离法”、“色谱分离法”和“纳滤分离法”三种高效分离技术生产。72IMO 的应用nIMO 具有促进人体肠道有益菌群增殖,

45、防龋齿,利于维生素和矿物元素吸收,增强机体免疫力等良好生理功能；同时还具有低甜度、耐热、耐酸、良好的保湿性及低水分活度等优良物化特性。IMO 作为一种健康糖源和一般食品添加剂广泛应用于食品工业中:n (1) 饮料:果蔬汁饮料、茶饮料、豆奶、含酒精饮料、乳酸菌饮料、粉末速溶饮料等; n(2) 乳制品:婴儿奶粉、鲜乳、调味乳、发酵乳等; n(3) 糖果、糕点:高级奶糖、口香糖、泡泡糖、各种中西式糕点等; n(4) 冷饮、果酒、葡萄糖、果酱、蜂蜜加工品、焙烤食品等。nIMO-50和IMO-90产品经生理功能试验，都具有显著的改善肠功能和润肠通便作用。IMO-90的功效更好，而且适合糖尿病人食用。在“

46、脑白金”“乐百氏”“娃哈哈AD钙奶”“昂立”“盐水瓶口服液”等保健品和众多高档食品中得到广泛应用。 73海藻糖n 为一种天然二糖：在许多生物中均有发现（但含量极微），海藻糖是2分子葡萄糖以1，1结合的非还原性二糖。n，-型，即为海藻糖；，-型，为新海藻糖；，-型为异海藻糖。n ， -1, 1-糖苷键非常稳定，耐高温、耐酸碱， 非特异性地保护生物大分子。n海藻糖的甜度是蔗糖的半左右，但与蔗糖不同的是，它的甜味爽口，不留后味（口感变酸）。n海藻糖在冻结、干燥脱水、高渗透压等这类严酷的环境下，对生物体膜、膜蛋白、DNA等具有保护功效， 在医药、食品、农业、化妆品工业等有广泛用途。 被称为“生命之糖”

47、。74海藻糖的结构75海藻糖：目前的主要生产方法目前能够进行规模生产的方法有：n 干酵母提取法n 微生物发酵法n 酶转化76干酵母提取法活性干酵母热乙醇水溶液提取冷却、离心上清液活性碳趁热脱色浓缩串联阴阳离子交换加热真空浓缩结晶脱水、干燥海藻糖成品原料问题、有机溶剂、产率较低（510）、成本较高（海藻糖酶）77微生物发酵法：培养高海藻糖酵母，从酵母中提取 腹孢膜酵母（Saccharomycopsis fibuligera)30oC发酵发酵4850小时小时海藻糖在微生物细胞内积累达到细胞干重的16%18%产量较低：约为每吨发酵液产海藻糖2020千克左右例如：78酶转化法n 1990年首先被意大利

48、那不勒斯第二大学的M. De Rosa小组发现；改变了有史以来科学家论断：（1）不可能从淀粉转化成海藻糖；（2）自然界不可能存在不需要消耗ATP的海藻糖合成途径。即“微生物的提取物能将淀粉水解物转化为海藻糖”这一现象是意大利人发现的，并于1990和1991年发表了论文（他们没有申请专利！）79酶转化法分为两种：双酶法和单酶法 Two-enzymes system（双酶法）（双酶法）: :以淀粉为原料以淀粉为原料n麦芽寡糖基海藻糖合成酶 (MTSase) and 麦芽寡糖基海藻糖基海藻糖水解酶 (MTHase)；nSingle-enzyme system（单酶法）：（单酶法）：以麦芽糖为原料（可

49、由淀粉水解产生），海藻糖合成酶 (Tres)；n 这两种酶系在自然界的微生物中广泛存在：目前至少有15各菌属含有上述酶。80双酶法双酶法Scheme of trehalose production by MTSase and MTHase.From T. Higashiyama, Novel functions and applications of trehalose,Pure Appl. Chem., Vol. 74, No. 7, pp. 12631269, 2002.l Discovered by L. Lama et al. Biotechnol. Lett. 12:431432,

50、1990l Gene cloning by Hayashibara & Kirin, in 1995199681n. - - - - -n 麦芽低聚糖n MTSasen . - - - - n 低聚麦芽糖基海藻糖n MTHasen . - - - + （海藻糖）n n 葡萄糖残基， ：含还原端的葡萄糖残基，n ，-1,1葡萄糖苷键82n从土壤中分离得到能从淀粉的部分水解物生成海藻糖的微生物，这种微生物能产生两种酶，一 种 是 低 聚 麦 芽 糖 基 海 藻 糖 生 成 酶（Maltooligosyl Trahalose Synthase简称MTSase），n能作用于淀粉的部分分解物，在

51、其末端生成具有海藻糖结构的非还原性糖质。n另 一 种 是 低 聚 麦 芽 糖 基 海 藻 糖 水 解 酶（Maltooligosyl Trahalose Hydrolase简称MTHase）。n能从上述的非还原性糖质特异性地水解出游离海藻糖。通过这两种酶的协同作用，就能从淀粉的部分水解物连续地生成海藻糖。83n淀粉酶法（双酶法）生产海藻糖工艺流程：淀粉酶法（双酶法）生产海藻糖工艺流程：n淀粉n 耐热性-淀粉酶n液化液n 异淀粉酶、MTSase、MTHasen糖化n 40,20hn精制n脱色（活性碳）n过滤n脱盐n过滤n浓缩、结晶n海藻糖浆、无水结晶海藻糖、含水结晶海藻糖84 酶对底物的转化率酶

52、对底物的转化率Two-enzymes systemStarchLiquefied StarchIsoamylaseDe-brached Liquefied StarchMTSase80% conversion rateMTHase80% conversion rate终产品：海藻糖终产品：海藻糖Thermostable a a-amylase双酶法：两步的转化率都是708085单酶法单酶法 麦芽糖麦芽糖 海藻糖海藻糖Trehalose Synthaseke 可由褐色喜热裂孢菌可由褐色喜热裂孢菌T. fusca产生产生HOOHOOHOHOHOOHOHOHOmaltoseOHHOHOOOOHOHO

53、HOHOOHtrehalose(Nishimoto T, et al. Biosc. Biotechnol. Biochem. 1995, 59:2189-2190) 86海藻糖不同的生产方法比较 方方 法法技术成熟年份技术成熟年份成本成本干酵母提取法干酵母提取法 1990 高高其他微生物发酵法其他微生物发酵法1 2005 高高双酶法双酶法 (MTSase & MTHase)2 1997 低低 单酶法单酶法 (Tres) 3 2000 低低 海藻糖磷酸化酶法海藻糖磷酸化酶法4 2008 低低 1. Chi ZM, Liu J, Zhang W, 2001, Enzyme Micro.

54、Technol. 28:240-245（山东大学池振明小组）（山东大学池振明小组）2. Nakada T, etal. Biosc. Biotech. Biochem .60 (1996):2633. Nishimoto T, et al. Biosc. Biotechnol. Biochem. 1995, 59:2189-21904. Klimacek M, et al, 1999, Biotechnol. Techniques, 13:243 87酶转化法：国外情况 n日本林原研究所：年产3.0万吨n美国Cargill公司：预计年产5.0万吨生产线近期建成88酶法转化：国内情况n广西南宁中

55、诺生物工程有限公司：已建好年产500吨生产线。2006年9月前建成3000吨生产线；在2008年建成2万吨生产线。89酶转化法：可降低成本的一些环节一、酶制备 天然酶：产酶量较低，提取也较困难。如果用固定化细胞的方法则酶的密度过低。提高酶产量的方法有：常规诱变育种、基因组改组（genome shuffling）。 基因工程酶：产酶量通常是天然菌的数千乃至数万倍。 90n 酶的费用可占海藻糖生产总成本的1/20到1/10。n 解决办法：固定化酶。实验表明可重复使用达60次以上91n 二、酶反应时间 通常是4872小时。太长。解决办法：（1）、提高反应温度：从30oC提高到45oC，反应达到平衡时

56、所需时间可以从48小时缩短到2428小时，但提高温度会导致逆反应的增强： 30oC: 麦芽糖 海藻糖45oC： 麦芽糖海藻糖（22）（78）（30）（70）92n 三、酶的转化率 目前国内外的酶法生产海藻糖其转化率只有7080左右 底物浪费 增加分离单元 成本增加显然，提高转化率可以大幅度降低成本。解决办法：蛋白质工程 酶分子改性 93n 四、降低能耗 糖液浓缩过程 结晶过程 干燥过程耗能的成本可以占海藻糖生产总成本的101594Single-enzyme system Maltose TrehaloseTrehalose Synthase (Nishimoto T, et al. Biosc

57、. Biotechnol. Biochem. 1995, 59:2189-2190) (20%)(80% trehalose)Enzyme Tres can not shift the reaction equilibrium, and it can only speed up the reaction. So when enzymatic reaction reaches the equilibrium point, there are always 20% maltose and 80% trehalose.反应达到平衡时的各组分比例95Optimal temperatureOptimal

58、 pHConversion rateGlucose has strong inhibition褐色喜热裂孢菌T. fusca海藻糖合成酶的性质96n 海藻糖生产车间一角海藻糖生产车间一角n 用木薯淀粉作为出发原料（已用木薯淀粉作为出发原料（已申请专利）申请专利）972千克包装20千克包装98出口包装出口包装99The lead contentThe arsenic content Trehalose Specs by Hayashibara100Trehalose Specs by Sinozyme Nanning广西南宁中诺生物工程有限责任公司Lead Arsenic101The test

59、results show that our product contains 100250 times less heavy metals than the one by Hayashibara102103104n1994年日本林原生物化学研究所首先确立了以淀粉为原料，酶法糖化生产海藻糖的新方法，使得海藻糖能够大量而较廉价地工业化生产。n1995年11月，高纯度98%以上的海藻糖含水结晶正式上市，售价从2-3万日元/Kg，下降到350日元/Kg，使得海藻糖在医药、化妆品、食品工业能够广泛应用。105海藻糖级别价格（元/公斤）食品级65医药级结晶400高纯度无水680106n医药：可作为淋巴、激

60、素、疫苗、抗生素、维生素、酶等各种生物制品的稳定剂或品质改良剂。作为活菌制剂（双歧杆菌）的稳定剂，可提高效价，延长其货架周期。n分子生物学：用海藻糖干燥抗体、血小板、酶、病毒等生物活性物质，无需冷冻保存，复水后均能恢复活力。n化妆品：海藻糖的硫酸衍生物可用于化妆品的洁肤剂、皮肤保湿剂、紫外吸收剂、口红、唇膏的品质改良剂。107海藻糖在食品工业中具有广阔的应用前景n海藻糖能很好地防止蛋白质在冷冻、冷藏或干燥时变性。在含蛋白质的各种食品中加入海藻糖，能非常有效地保护蛋白质分子的天然结构，使食品的质地和风味保持不变。 n海藻糖具有优异的防止淀粉老化作用。应用于面、饼、米饭、烤肉佐料酱、炸肉饼等含有淀粉的食品中会有效