酶的生产与应用

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淀粉酶是α－淀粉酶、β－淀粉酶及葡糖淀粉酶的总称，是现代科学中非常重要的一种酶。由于淀粉酶应用广泛，因此，在酶家族中，它是非常重要的一种酶。令人感兴趣的是，从真菌中分离的淀粉酶也是第一个用于工业化生产的酶。淀粉酶在食品、发酵、纺织及造纸业中具有广泛的应用。在淀粉加工厂中，微生物淀粉酶可以成功的取代化学水解，如果酶制备成适合的性状，它也可以应用于制药和精细化工业中。
　　一、淀粉酶的来源
　　淀粉酶的来源很广泛，可以来自于植物、动物以及微生物。大部分的淀粉酶存在于微生物中，微生物中主要的两种淀粉酶为α－淀粉酶及葡糖淀粉酶，此外，主要存在于植物中的β－淀粉酶也存在于少量微生物中。α－淀粉酶是胞外酶，可以随机的切断线状直链淀粉链中连接相邻的两个葡萄糖单位的1，4－α－糖苷键，比如，淀粉酶可以产生自由的蔗糖称为糖，而没有产生自由蔗糖的液状淀粉只能称谓淀粉液。β－淀粉酶主要来源于植物，但也有少部分微生物产生，它是在外面起作用的酶，可以分解直链淀粉、支链淀粉以及糖原分子的非还原性末端链，它可以水解交替的糖苷键，产生麦芽糖。葡糖淀粉酶可以水解单个的葡萄糖。
　　1．α－淀粉酶
　　α－淀粉酶可以从几种细菌、真菌和酵母中分离获得。但是，由于细菌淀粉酶具有几个比较优良的特性，因此，细菌淀粉酶用的比较多，其中曲霉和杆菌，特别是淀粉液化芽孢杆菌已用于工业化生产。由于α－淀粉酶的应用可以减少污染和反应时间，因此节约能源。在更高的温度下进行水解可以减少D－葡萄糖到异构麦芽糖的聚合。
　　2．β－淀粉酶　 不像其他的淀粉酶，微生物仅产生少量的β－淀粉酶，有杆菌（假单孢杆菌和梭状芽孢杆菌）等。
　　3．葡糖淀粉酶
　　葡糖淀粉酶具有多种来源，植物、动物及微生物，但是，商业上所用的葡糖淀粉酶也是来源于微生物，在所有微生物中，真菌是葡糖淀粉酶的主要来源。
　　二、淀粉酶的生产
　　虽然淀粉酶的来源很广泛，但是要获得可以进行工业化生产的菌株也不是件容易的事情，菌株的挑选对于淀粉酶的生产是最重要的因素。有时，一种单独的菌株可以产生一种酶以上，比如α－淀粉酶和葡糖淀粉酶。淀粉酶的工业化生产分几个步骤进行，特别要考虑到环境因素，根据所需生产的酶的不同，设计微生物生长的最适条件，这些动力条件包括：添加的营养成分、培养基的酸碱度、渗透关系、通气量、温度以及发酵过程中对污染的控制。保持培养基的纯度也是非常重要的因素，特别是发酵在通气的条件下进行时，虽然不同的生产厂家所采用的发酵方法的一些细节不相同，但总的来说，淀粉酶的生产主要有两种方法，即浸没发酵和固态发酵。由于固态发酵具有经济上和工程上的优点，因此人们常常采用这种方法生产淀粉酶。
　　在工厂的应用中，耐热性也是大部分酶的一个特点，耐热的微生物可以生产耐热的酶。近来已经开始研究热稳定酶，特别是α－淀粉酶，集中在酶的温差电堆和最大温差电堆。在耐热的和喜温的微生物中存在非常少的共同性及非常大的未开发的兼性耐热性。兼性耐热菌通常可以生长在温性温度范围。虽然它们的最适生长温度为45℃，但是在更高的温度下，它们生长得更好，因此，这种菌具有喜温和耐热的性能。但是，人们对酶在这种生物体中的生产过程了解的并不多。通过对这两种菌的结构和生物化学特性的分析可以提供一些信息来解释耐热淀粉酶的高温承受能力的分子基础。
　　1．α－淀粉酶的生产
　　人们认为杆菌是α－淀粉酶的最重要的来源而且可以用于酶的生产。研究人员认为解淀粉芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌可以生产耐热的α－淀粉酶，同时也可以进行经济生产酶及淀粉的水解。
　　一些研究者在乳清、玉米浆以及大豆粉的基础上，开发了一些简单而又便宜的培养基用于α－淀粉酶的生产，这种培养基也可以进一步开发成为工业生产α－淀粉酶用的培养基。一些研究表明，不同的碳源会影响α－淀粉酶的生产，乳糖、葡聚糖及可溶性淀粉有利于酶的生产，当使用葡萄糖时，酶的产量非常高。溶氧率也是α－淀粉酶生产的一个重要的因素，高的溶氧率可以产生高产量的酶。
　　人们认为丝状真菌是细胞外酶产量最大的生产者，因此，用这些菌来生产α－淀粉酶也引起人们的兴趣，嗜热真菌是α－淀粉酶最好的生产菌，调节生长条件和培养基成分，可以使酶的产量增加。（上） 　固定化细胞培养技术也用于α－淀粉酶的生产，用这种技术可以极大地提高酶的产量，如将地衣芽孢杆菌固定在膜上，产生的α－淀粉酶比游离细胞多176％。
　　2．β－淀粉酶的生产
　　如前所述，β－淀粉酶主要来源于植物，因此用微生物生产β－淀粉酶的工作不多。可以产生β－淀粉酶的微生物有多黏芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、假单胞菌等。
　　人们用来自于木薯、玉米、土豆、小麦和小麦麸等的废弃淀粉作为底物来生产β－淀粉酶，发现以木萝和小麦麸为底物的β－淀粉酶产量最高；还有人用固定化细胞的方法来生产β－淀粉酶，在所有的方法中，离子化的凝胶作用于β－淀粉酶的生产最有效。
　　3．葡糖淀粉酶的生产
　　用黑曲霉以固状培养的方式生产葡糖淀粉酶已作了大量的工作，这些研究包括农副业与工业的废弃物如小麦麸、米糠等对黑曲霉生长和活性的影响，此外，这些物质及湿度还明显地影响酶的生产。一些细菌和酵母也可以生产葡糖淀粉酶。
　　发酵罐的设计和结构也影响酶的生产，如栽培木箱36小时所产生的酶的量相当于摇瓶培养96小时所产生的酶的量。此外，培养方法不同酶的产量也不一样，如分批培养比一次投料的效果要好。
　　三、淀粉酶的纯化和性质
　　运用于医药和治疗的淀粉酶需要更高的纯度，因此，开发出一种经济有效的方法对酶进行纯化从而获得具有活性的化学纯的酶是非常重要的。传统上，对发酵罐中的淀粉酶的纯化分为几个步骤：培养物的离心、用超滤法获得选择一定浓度的上清液、用硫酸铵或有机溶剂如冷乙醇获得沉淀中的酶、粗制的酶用色谱法和胶过滤纯化。
　　α－淀粉酶
　　a．细菌的α－淀粉酶
　　细菌的α－淀粉酶可以从杆菌中获得，人们已经研究了喜温菌株和耐热菌株的纯化和特性。一些研究者用硫酸铵沉淀、离子交换色谱和胶过滤法纯化获得了同质的α－淀粉酶，焦碳酸二乙酯可以抑制此酶的活性。由地衣芽孢杆菌生产的细胞外耐热型α－淀粉酶可以用下面的方法纯化：在乙二醇／葡聚糖系统中做两层分离，然后用胶过滤和离子交换色谱进行纯化。
　　细胞外淀粉酶的基本性质反映了细菌所生长环境的酸碱度和温度，如某些碱性杆菌生长于50℃，pH为10．5，其产生的α－淀粉酶的最适温度和pH分别为60℃和pH值11．0～12．0；另一类杆菌生长的最适pH为8．5，所产的α－淀粉酶最适pH为9．0。
　　在工业化的生产中，人们常常用自动聚焦的纯化技术获得化学纯的淀粉酶，这种方法可以纯化一些枯草芽孢杆菌产生的α－淀粉酶。此法可以采用大量的起始反应物，可以大量生产α－淀粉酶。
　　b．真菌的α－淀粉酶
　　在真菌中，获得纯化的α－淀粉酶仅有很少的一些菌株，因此它们的性质研究也不多。不同的菌株所产的α－淀粉酶性质不一样。
　　c．酵母的α－淀粉酶获得纯化的酵母α－淀粉酶也不多，从隐球酵母生产的可以消化生淀粉的耐热α－淀粉酶的纯化仅用一步方法便可以解决，这种酶与黑曲霉和米曲霉产生的α－淀粉酶性质相似。
　　β－淀粉酶
　　从微生物中获得的β－淀粉酶比从植物中获得的β－淀粉酶具有更高的耐热性，β－淀粉酶与α－淀粉酶相比，其最适的pH更高，而且不需要Ca2＋作为酶的稳定剂和提高酶的活性，用硫酸分级分离，离子交换色谱和胶过滤的方法纯化。Hg2＋、Zn2＋和Cu2＋可以抑制酶的活性，Na＋可以激活酶。加入支链淀粉酶可以极大地提高酶对生淀粉的降解。此外，麦芽糖是β－淀粉酶运用于生谷物淀粉的水解产物。
　　葡糖淀粉酶
　　许多菌株产生的葡糖淀粉酶已获得纯化，性质也获得了确定。总的来说，葡糖淀粉酶的最适pH为4．5～5．0，最适温度为40～60℃，但也有一些例外，有些酶的最适pH值可达11．0。
　　商业上从黑曲霉中获得的葡糖淀粉酶制备物中包含有六种类型，其分子大小明显不同，最适的pH值在3．5～5．0之间。通过纯化根霉产生的葡糖淀粉酶，可以获得两种葡糖淀粉酶，一种酶具有强的脱支链的活性，另一种酶脱支链的能力较强。此外，还有对生淀粉的吸收和消化能力都特别强。
　　从耐热细菌中也纯化了葡糖淀粉酶，这种酶仅由一个亚单位组成，它可以分解许多种葡聚糖的连接键，对多糖的分解效果较好。
　　淀粉酶是工业中最重要的酶。如今，在生物制药领域，它也具有重要的作用。虽然淀粉酶具有很多来源，但是微生物来源的淀粉酶，特别是α－淀粉酶和葡糖淀粉酶，在商业上发挥着重要的作用。由于淀粉是可以由淀粉酶水解的惟一天然物质，分离有效的微生物菌株生产对生淀粉有效性高的淀粉酶是非常理想的。应用新的耐热性葡糖淀粉酶可以促进淀粉的水解过程，而使用α－淀粉酶可以使整个过程一步便可以完成，具有经济效益。现在，必须开发具有双重功效的，如液化作用和糖化作用的微生物菌株如淀粉分解酵母。也应该开发具有有效β－淀粉酶活性的菌株，β－淀粉酶可以用来生产麦芽糖浆。可以用农业和工业上的废物作为淀粉酶生产的底物，从而降低开支，也解决了废物的处理和污染问题。在工业上的作用，淀粉酶的耐热性已成为非常重要的性质，因此，我们也应该努力从耐热和极端耐热的微生物中生产淀粉酶。另外，将淀粉酶的应用范围拓宽如应用于生物制药领域也具有积极的意义。

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