淀粉酶

淀粉酶及其应用

0 引言

淀粉酶分布非常广泛，是人们经常研究的一种酶。从纺织工业到废水处理，这些酶都有
不同规模的应用。

淀粉酶是淀粉降解酶。它们广泛存在于微生物、植物和动物体中。它们将淀粉及相关的
聚合物分解为带有具体淀粉分解酶特征的产品。最初，淀粉酶一词用来指可以水解直链淀粉、
支链淀粉、肝糖及其降解产品中α-1，4-糖苷键的酶(本菲尔德(Bernfeld)，1955年；费希
尔(Fisher)和斯坦(Stein)，1960年；迈拜克(Myrback)和纽慕勒(Neumuller)，1950年)。
它们水解相邻葡萄糖单体之间的键，产生带有具体用酶特征的产品。

近年来，人们发现了很多与淀粉及相关多糖结构降解有关的新型酶，并对其进行了研究
(鲍伊(Boyer)和英格尔(Ingle)，1972年；博诺考尔(Buonocore)等人，1976年；格里芬
(Griffin)和福格蒂(Fogarty)，1973年；福格蒂(Fogarty)和格里芬(Griffin)，1975年)。

(1)有一些微生物源可以劈开这些结构中的α-1，4或α-1，4和／或α-1，6键，人们
将现在已经或将来可能对这些微生物源工业化生产有重大影响的酶分为六种(福格蒂
(Fogarty)和凯利(Kelly)，1979年)。

(2)水解α-1，4键和绕过α-1，6键的酶，比如α-淀粉酶(内作用淀粉酶)。

(3)水解α-1，4键，但不能绕过α-1，6键的酶，比如β-淀粉酶(把麦芽糖当作一个重
要的终端产品来生产的外作用淀粉酶)。

(4)水解α-1，4和α-1，6键的酶，比如淀粉葡糖苷酶(葡萄糖淀粉酶)和外作用淀粉酶。

(5)仅水解α-1，6键的酶，比如支链淀粉酶和其它一些脱支酶。

(6)优先水解其它酶对直链淀粉和支链淀粉所起的作用产生的短链低聚糖中α-1，4键
的酶，比如α-葡萄糖苷酶。

(7)将淀粉水解为一连串非还原环状口葡糖基聚合物，称为环糊精或塞查丁格
(Sachardinger)糊精的酶，比如浸麻芽孢杆菌(Bacillus macerans)淀粉酶(环糊精生成酶)。

1 淀粉

在描述淀粉分解酶的作用方式和性质前，有必要来讨论一下这种天然基一一淀粉的特
性。淀粉是所有高等植物中主要储备碳水化合物的。在有些植物中，淀粉占整个未干植物的
70％。淀粉是不溶于水的细小颗粒。这些颗粒的大小和形状常常由植物母体决定，具有植物
品种的特征。当把淀粉颗粒置于水中加热时，颗粒中的连接氢键变弱，颗粒开始膨胀、凝胶
化。最终，它们根据多糖的浓度或形成糊状物或形成弥散现象。淀粉来自于植物，比如玉米、
小麦、高梁、稻米的种子，或木薯、马铃薯、竹芋的茎根，或来自于西谷椰子的木髓。玉

米是淀粉的主要商业原料，通过湿磨生产工艺便可获得商品淀粉(博考特(Berkhout)，1976
年)。直链淀粉

和支链淀粉的特性见表1。

表1直链淀粉和支链淀粉的比较

性质 直链淀粉 支链淀粉

基本结构 基本直线 分岔

在水溶液中稳定性 回生 稳定

聚合度 C.103
C.104～105

平均链长 C.103
C.20～25

β淀粉酶水解 87％ 54％



β淀粉酶和分支酶水解 98％ 79％

碘复合物最大值 650nm 650nm



淀粉是由直链淀粉和支链淀粉的高分子实体组成的多糖。这两个聚合物有着不同的结构和
物理性质(表1)。在淀粉悬浮液中加入极性溶剂，比如正丁醇就可以将淀粉按其组成成分分
为两个部分。直链淀粉不溶于水，而支链淀粉则溶于水。直链淀粉由连结D-葡萄糖残基的
α-1，4线性链组成。因此，在广泛意义上说它可以被α-淀粉酶降解。有些直链淀粉并不
完全被这种酶降解为麦芽糖。直链淀粉具有数千个葡萄糖单体的聚合度(班克斯(Banks)和格
林伍德(Greenwood)，1975年)。由于直链淀粉的分子形状和结构，它在水溶液中是不稳定
的，可从水中析出(自然沉淀)。这是因为它们在与氢的结合中使自己排成直链，从而形成聚
合。这个过程是不可逆的。可沉淀析出的直链淀粉将只溶于碱性溶液中。直链淀粉的分子形
状决定了它在碱性溶液中具有很高的粘度。直链淀粉和碘形成合成物，具有很强烈的蓝色，
这就构成定量检测淀粉酶方法的基础。

在大多数淀粉中，支链淀粉的比例可高达75％至85％。支链淀粉的分子量很大，在107～

108
之间，它具有分支结构，由20～25个连结D-葡萄糖残基的α-1，4链组成。α-1，6联
接出现分岔的支链淀粉含有4％到5％的α-1，6-D-糖苷键。在水溶液中，支链淀粉由于分
支分子而表现得相对稳定，不会出现紧密聚集的现象。在极限粘度值和聚合度之间没有明显
的关系。由于分支结构的本性，削弱了碘的结合力。淀粉的分支部分是有着不同链条 类型，
如A、B和C链的支链淀粉(福格蒂(Fogarty)，1983年)。

酸和酶都可作为淀粉水解的催化剂。酶法水解有几个好处：更有效，所以，水解过程中
形成的副产品少，因此，收率较高；酶法水解比较温和，这样就使后面的除灰、脱色精制得
以最小化。淀粉的酶法水解在多年以前就已经工业化应用了，目前，它正逐渐取代传统酸水
解工艺(安德考夫勒(Underkofler)等人，1965年；巴夫德(Barfoed)，1976年)。

2淀粉酶的应用

酶的工业化生产可回溯至高峰让吉(Jhokichi Takamine)博士那个时代，1894年，他开
始用麦麸青酒曲培养米曲霉(Aspergillus oryzae)，生产消化酶制剂。l959年，以淀粉为
原料，用α-淀粉酶和糖化酶工业化生产葡萄糖粉和葡萄糖晶体。从那时起，淀粉酶就被广
泛用于

各种不同的场合中。将淀粉转化为糖、糖浆和糊精构成了淀粉加工工业的主体(马歇
尔(Marshall)，1975年)。水解物除了在食品饮料的生产被用作甜味来源外，它还被用作发
酵碳源。将淀粉转化为含葡萄糖、麦芽糖等产品的水解过程是通过可控降解来实现的(诺曼
(Norman)，1978年；巴夫德(Barfoed)，1976年；赫斯特(Hurst)．1975年；斯洛特(Slott)
和麦德瑟(Madser)，1975年)。淀粉酶的一些应用如下。

2．1 液化

液化是不可溶的淀粉颗粒在水溶液中消散，随后用耐热淀粉酶部分水解的过程。在生产
中，有待液化的淀粉悬浮液一般超过35％(重量／容量)。所以，随着糊化的进行。粘度也
变得非常高。耐热a一淀粉酶作为稀释剂，它可以降低粘度并部分水解淀粉。这样就避免了
糊液冷却时淀粉的回生。

淀粉技术中传统的稀释剂是酸(盐酸或草酸，pH值2，140～150℃下5min)。采用耐热
α-淀粉酶作为稀释剂意味着液化过程更加温和。减少了副产品的形成，降低了精制与回收
的成本(格林榭费尔茨(Greenshields)和麦克格里夫雷(Macgrillivray)，l972年；博迟
(Birch)和查林勃格(Schallenberger)，1973年)。

在酶法液化中，当平均聚合度达到10～l2时就要终止水解作用。目前，有两种截然不



同的耐热α-淀粉酶被广泛应用于淀粉加工技术中。第一种大规模使用的液化α-淀粉酶是解
淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)淀粉酶。后来，一种更耐热的地衣芽孢杆菌
(Bacillus licheniformis)，酶被成功地商业化(麦德森(Madsen)等人，1973年)。液化可
以下列两种方式进行：

(1)单段酶液化法

1973年，哥本哈根的诺维信公司(Novo Industri A／S Copenhagen)研究出了这个方法
并为其申请了专利。这个方法是在给料罐中调制出含30％～40％干物质的淀粉浆。用氢氧
化钠将淀粉浆pH值调整到6～6．5。如果淀粉浆中的游离钙离子低于50ppm时，需要加入
钙盐。这时就可以加入液化酶了。然后，用泵将淀粉浆连续打入一个蒸汽加压锅，在直喷蒸
汽流的作用下，锅内的温度高达l05℃。当淀粉浆通过蒸汽加压锅时，巨大的剪切力作用在
淀粉浆上。这样，除酶的降粘作用外，还会有一些机械降粘的作用发生。淀粉浆在这样高的
温度下在加压锅内保持5min，之后，淀粉浆经过一个弹簧释放阀进入一个反应器，淀粉浆
在那里保持2h，95℃。使酶继续发挥作用。经过这些步骤之后．液化的淀粉依据所用的酶
的多少，它的葡萄糖值(DE)在10～20之间。DE值定义为表述葡萄糖的还原糖，计算为总干
物质的百分比。这个方法简单，能耗较低，因为与通常用的l40～150℃的工作温度相比，
它的最高工作温度只有105℃

。

(2)酸酶液化法

这是另一种液化法，它利用了地衣芽孢杆菌(B．1icheniformis)酶的热稳定性。淀粉浆
经过蒸煮、冷却至100～95℃时加入酶制剂。干物质含量为30％～40％的淀粉浆在高温下蒸
煮5min。由于蒸汽加压锅可产生剪切作用，所以，为产生足够的机械降粘效果，应使用蒸
汽加压锅。淀粉浆的pH值应调整至2～5之间，但不要过低，否则，副产品将会影响正常液
化。但如果pH值过高则会削弱酸的降粘作用，同时，还会形成不必要的颜色。蒸煮后，淀
粉浆闪冷到100℃左右，将pH值调整到6到6．5，再加入酶制剂。用这种办法，酶的消耗
略有减少。同时，也改善了过滤性能，因为在此之前，较好的完成了脂肪／蛋白的分离。但
这种方法增加了蒸汽用量，因高温蒸煮而使燃料成本上升。

液化是淀粉加工第一和最重要的一步。液化的目的是生成部分水解的淀粉悬浮液，这种
悬浮液的粘度相对较低、无副产品、不易回生，适于后续进一步加工，如糖化。如果液化不
好，就会出现过滤效果不佳和溶液混浊的情况。α-淀粉酶用量适中，温度在105～107℃之
间，处理既快又均匀是淀粉浆液化最佳效果的关键所在(服部(Hattori)，1984年)。

2．2麦芽糖的生产

麦芽糖是自然界存在的一种双糖。它的化学结构是4-O-α-D-吡喃葡糖基-D-吡喃葡萄
糖。它是麦芽糖糖浆的主要成分(杉本(Sugimoto)，1977年)。麦芽糖可广泛用作甜味剂，
还可作为医用静脉输液糖补充剂。由于麦芽糖的低结晶度和低吸湿性，它在食品工业也有着
广泛的应用。

玉米、马铃薯、红薯和木薯淀粉都是麦芽糖的生产原料。将淀粉浆浓度调整到l0％～
20％，生产医用级麦芽糖；调到20％～40％，生产食品级麦芽糖。生产中使用的α-淀粉酶
来自地衣芽孢杆菌(B．1icheniformis)和解淀粉芽孢杆菌(B．amyloliq-uefaciens)。

2．3玉米高果糖浆的生产

F42(果糖含量=42％)玉米高果糖浆(HFCS)是用葡萄糖异构酶对葡萄糖酶法异构产生的。
生产玉米高果糖浆的第一步是通过酶法液化和糖化，将淀粉转化成葡萄糖。

2．4低聚糖混合物的生产

低聚糖混合物(麦芽低聚混合物)是用α-淀粉酶、β-淀粉酶和支链淀粉酶作用予玉米淀
粉的结果。麦芽低聚混合物是新的商业产品。它的成分通常是：葡萄糖2．2％；麦芽糖37．5％；麦芽三糖46．4％；麦芽四糖和大麦芽低聚糖14％。


喷雾干燥得到的麦芽低聚混合物粉是极易吸湿的。因此，它可作为食品的湿度调节剂来
使用。麦芽低聚混合物口感不如蔗糖甜。由于葡萄糖含量较低，麦芽低聚混合物溶液粘度小
于玉米糖浆。麦芽低聚混合物主要用作蔗

糖和其它糖类的替代物。在食品中，用它代替蔗糖，
可防止蔗糖结晶现象的发生并使食品在贮存期间保持一定的硬度。

2．5麦芽四糖糖浆的生产

麦芽四糖糖浆(G4糖浆)是将淀粉置于麦芽四糖形成酶(G4淀粉酶)的作用下产生的。这
种糖浆的甜度仅为蔗糖的20％。因此，用G4糖浆取代部分蔗糖可在降低食物甜度的同时不
影响食物的内在口感和风味。这种糖浆具有较强的保湿性，可防止食品中淀粉成分回生，使
食品保持适中的湿度。G4糖浆的葡萄糖、麦芽糖含量较低，它的美拉德(Millard)反应较弱。
这种糖浆的粘度值高于蔗糖，因此，它可改善食品的质地。G4糖浆可以比蔗糖或高果糖浆
更温和地降低水的冰点。所以，可以用G4糖浆控制冷冻食品的冰点。G4糖浆可以赋予食品
光泽，在工业上可用作纸张上胶剂。地衣芽孢杆菌(B．1icheniformis)或枯草芽孢杆菌
(B．subtilis)商业耐热α-淀粉酶可用来生产G4糖浆。

2．6不规则连接低聚糖混合物(A10混合物)的生产

“Al0混合物”是指由异麦芽糖、潘糖、异麦芽二三糖和由4、5葡萄糖残基组成的分
支低聚糖组成的混合物。“Alo混合物”具有使其广泛应用于食品工业的性质。它的甜度适
中、低粘度、高保湿性和便于控制微生物污染的低水活性。生产“Alo混合物”时，用耐热
细菌α-淀粉酶将淀粉转化成糊精。淀粉的水解(DE)程度保持在6～10之间。与此同时，用
大豆β-淀粉酶和黑曲霉(Aspergillus niger)转葡糖苷酶进行糖化反应和糊精的转糖苷作
用。最后，将反应混合物提纯并将其水分含量浓缩至25％。

2．7 高分子量支链糊精的生产

高分子量支链糊精是用α-淀粉酶水解玉米淀粉得到的产品。淀粉降解的程度取决于淀
粉的类型和想要的物理性质。在进行色谱分析和喷雾干燥后就可得到粉末状的支链糊精了。
这种产品可在粉状食品和年糕的生产中作为混合剂和掩饰剂。

2．8从织物上去除淀粉浆剂(脱浆)

在纺织工业中，淀粉糊可用在经纱上，使织物在纺织的过程中有更好的强度。它还可以
防止因摩擦、切断和静电等造成的线损。纺织结束后．应该去除织物上的淀粉，织物经过洗
涤、染色才能出厂。织物上的淀粉通常是使用α-淀粉酶来去除的。

2．9将淀粉直接发酵生产乙醇

在共培养基中，淀粉分解活性率(阿伯依德(Abouzied)和莱迪(Reddy)，1986年)、淀粉
利用量和乙醇出率都可提高数倍(范·莱能(Van Lenen)和史密斯(Smith)，1968年)。在酒
精生产和酿酒工业中使用霉菌淀粉酶。这种方法的好处是发酵物中酶的活性均匀一致，提高
了糖化率、酒精出率和酶母的生长(范·莱能(Van Lenen)和史密斯(Smit

h)，1968年)。

2．10淀粉生产废水(SPW)的处理

食品生产企业的废水中也有淀粉。含淀粉的废水可引起污染问题。用生物技术对食品生
产废水进行处理可回收一些有价值的产品，如微生物质蛋白并对废水起到净化的作用(伯格
曼(Bergman)等人，1988年；弗兰德里奇(Friendrich)等人，1987年；杰谬纳(Jamuna)和瑞
哈克里什娜(Radhakrishna)，1989年；金斯潘(Kingspohn)等人，1993年)。

2．11 其它应用

淀粉酶，尤其是碱性淀粉酶在各种洗涤剂产品中有着广泛应用。在某种程度上，淀粉酶
也被用作消化助剂(比塞尔(Beazell)，1942年)，补充面粉的糖化活性，改善一些动物饲料
的可消化性。