微生物酵素之工业应用与大规模生产(一)
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
微生物酵素之工業應用與大規模生產(一)
緒言
酵素皆來自於生物體(含動物、植物及微生物)的細胞,特別是微生物可易於大量培養,且生長速度比其他動植物還快好幾倍以上,加上可利用重組DNA及人工誘發突變等技術,使微生物能生產不易獲得的酵素。因此,微生物可以說是酵素商業化生產之最佳來源。
1960以glucoamylase進行starch的酵素水解,取代以往的酸水解製程。
1965由Bacillus licheniformis生產之protease,廣泛應用於清潔劑中。
1968以無塵化(dust free)微粒包覆之酵素技術發展成功,解決過敏反應問題。1965-1970由微生物生產之凝乳 成功地應用在乳酪製造工業上。
1970利用glucose isomerase固定化技術將glucose轉化成fructose,大幅降低成本。
應用於工業上:
利用protease添加於清潔劑中。
利用glucose isomerase固定化技術將glucose轉化成fructose,大幅降低成本。
應用於農業上:
微生物之凝乳 酵素來替代小牛的凝乳 。
釀造業(如酒醋等)之糖化酵素(α-amylase, glucoamylase)等來提高經濟效益。應用於製藥工業上:
如胰臟萃取之酵素與微生物酵素混合,作為消化助劑。
利用penicillin acylase來生產青黴素
微生物酵素的工業應用
工業用酵素有80%是屬於具有去聚合能力之水解性酵素,主要是食品業;有60%是蛋白質分解酵素,應用於清潔劑、酪農業及皮革等工業;糖解酵素(carbohydrase)佔酵素使用量的30%,應用於澱粉、麵包烘焙、釀造及紡織工業,其餘為脂肪酵素及其他特用酵素。
食品工業上重要的三大酵素:
醣水解酵素(主要為澱粉水解酵素)
蛋白質水解酵素
脂肪水解酵素
澱粉水解酵素(amylase; amylolytic enzymes):
starch為所有植物的貯存物質,主要為D-glucose的聚合物,依鍵結方式分為:
一、澱粉溶膠質(amylose):α-1,4 linkage之直鏈聚合體。
二、澱粉粘膠質(amylopectin):同時以α-1,4 (直鏈) & α-1,6 (支鏈) linkage之聚合體。
Amylase對澱粉具有糖化之效應(saccharifying effect)。
α-amylase (1,4,-α-D-glucan 4-glucanohydrolase) = endoamylase
只逢機切斷amylose及amylopectin的α-1,4 linkage,產生glucose, maltose, 直鏈oligosaccharide, 及含有α-1,6 linkage之有限糊精(limited dextrin),並使降低澱粉之液體粘度,主要應用於澱粉工業之液化(liquefaction),釀酒工業之製醪(mashing),麵粉烘焙中將澱粉糖化提供酵母菌發酵所需之單糖及雙糖。
早期是由大麥麥芽中分離α-amylase,目前可由Bacillus subtilis, Aspergillus oryzae 工業化生產。
β-amylase (1,4-α-D-glucan maltohydrolase) = exoamylase
只切amylose 及amylopectin尾端之α-1,4 linkage鍵結水解,從高分子鏈之非還原端開始,一次切掉一個maltose(麥芽糖)為限,大約可以生產50~60%之maltose,其餘為糊精(dextrin)。此酵素主要存在於大多數的高等植物中,微生物較少(如Bacillus circulans, Bacillus megaterium),故商業化之生產主要源自於大麥麥芽及大豆。
Glucoamylase (amyloglucosidase, exo-1,4-α-glucosidase)
是一種exoenzyme,由非還原端一個個將glucose移去,同時也可將oligosaccharide 水解成最終產物─glucose,應用於澱粉之糖化製成葡萄糖糖漿(dextrose syrups)。所有的glucoamylase幾乎皆來自於黴菌,主要商業化生產菌種為Aspergillus niger 及Rhizopus niveus。其他如Aspergillus oryzae, Rhizopus delemar & Aspergillus phoenicis。
Pullulanase (pullulan 6-glucanohydrolase)
Pullulanase具有水解α-1,6 linkage及直鏈性多醣類的能力,故可作用於
amylopectin, 肝糖及limited dextrin之支鍵結點上,可完全分解成maltotriose及
maltose。與malt diastase一起使用可將starch轉化成高麥芽糖漿(high maltose syrup),食品工業上具有發展潛力。Pullulanase大多來自於細菌,如Aerobacter aerogenes, Klebsiella aerogenes,亦可自Escherichia intermedium及Streptococcus mitis中分離出此酵素。
Isoamylase (glicogen 6-glucanohydrolase)
此酵素作用能力與pullulanase很類似,唯不能分解直鏈型之pullulane之聚合物,可自細菌及酵母菌分離,如Pseudomonas SB15及Cytophaga等。
其他與amylase作用相似的酵素有:
Dextranase & Invertase
α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase:
sucrose來源為甘蔗及甜菜,但製程中因糖汁中有澱粉及葡聚糖(dextran),主要為α-1,6 linkage之聚合物,使糖汁粘度增大,使真空澄清(clarification)及結晶(crystallization)操作中,熱傳導不良,澄清效率不佳,結晶時間長,為解決此問題,通常加入耐熱的α-amylase去除澱粉及α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase 分解dextran。由於dextran非天然成份,細菌中Leuconostoc易滋生而使甘蔗變質或酸化。工業上使用的α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase生產菌係由Penicillium lilacinum (Paecilomyces lilacinum)生產而來。蛀牙現象(tooth decay)主要發生是微生物生成的dextran所引起的,若是將α-1,6-glucan 6-glucanohydrolase加入牙膏或口香糖中,可做為預防蛀牙之藥劑。
invertase
Sucrose = glucose + fructose
invertase可將sucrose水解成還原糖(glucose + fructose)之能力,因果糖(fructose)的甜度比蔗糖(sucrose)還高出許多,故可使甜度大大提高,在食品工業上非常重要。常應用於糕餅業、果糖工業(confectionery)、人造蜂蜜、巧克力工業等。目前微生物中只有Saccharomyces cerevistiae及S. carlsbergensis具有商業價值。
Glucose isomerase (D-xylose ketol-isomerase)
Fructose是所有糖類中甜度最高的,故含量愈高,甜度就愈高。Glucose為一種便宜且易取得的原料,以往利用鹼性異構化(alkaline isomerization)將glucose轉換成