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α- 淀粉酶在食品工业的应用进展综述 要 摘要: α-淀粉酶广泛分布于动物、植物和微生物中，能水解淀粉产生糊精、麦芽糖、低聚糖和葡萄糖等，是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。目前，α-淀粉酶已广泛应用于变性淀粉及淀粉糖、焙烤工业、啤酒酿造、酒精工业、发酵以及纺织等许多行业。本文对 α-淀粉酶来源、分类、作用机理及其应用进行了相关综述。
词 关键词: α-淀粉酶；分类；作用机理；应用
Abstract: α-amylases are universally distributed throughout the animal, plant and microbial kingdoms.They can hydrolyse starch molecules to give diverse products including dextrins and progressively smaller polymers composed of glucose units. α-amylases are one of the most popular and important form of industrial amylases.These enzymes are applied in baking industry, the processing of starch, fermentation, brewing industry, textile and paper industries. In this paper, the α-amylase source, classification, mechanism of action and the application of α-amylase are reviewed. Key words: α-amylase; Classification; mechanism; application
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α- 淀粉酶的定义 根据淀粉酶对淀粉的水解方式不同，可将其分为 α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶等（图 1）
[1] 。其中，α-淀粉酶（α-1，4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶)多是胞外酶，其作用于淀粉时可从分子内部随机地切开淀粉链的 α-1，4 糖苷键，而生成糊精、寡糖、麦芽糖、葡萄糖等产物，产物的末端残基碳原子构型为α-构型，故称α-淀粉酶。α-淀粉酶是一种内切酶，其相对分子量约 50000Da 左右，它水解直链淀粉的最终产物是麦芽糖与葡萄糖，而其水解支链淀粉的最终产物是麦芽糖、葡萄糖和异麦芽糖。α-淀粉酶是一种非常重要的工业用酶，广泛应用于食品、纺织、造纸、洗涤、医药等工业 [2-4] 。
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α- 淀粉酶的来源
图 图 1 根据淀粉酶的作用淀粉的方式分类 [1]
α-淀粉酶广泛分布于动物（唾液、胰脏等）、植物（麦芽、山萮菜）及微生物中，它可以由微生物发酵制备，也可以从动植物中提取；主要存在发芽谷物的糊粉细胞中及人的唾液和胰脏中 ，也存在于蟑螂涎腺、芽胞杆菌、枯草杆菌、黑曲霉和米曲霉中，从微生物到高等动、植物均可分离到，是一种重要的淀粉水解酶，也是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。
微生物来源的淀粉酶具有来源丰富、性能多样和易于工业化生产的特点，可满足多种工业应用需求，在工业上的应用也最为广泛 [1,5] ，主要可由米曲霉、嗜酸性普鲁士蓝杆菌、淀粉液化杆菌、地衣芽孢杆菌和枯草杆菌分别经发酵、精制、干燥而得。其中在现代工业的淀粉质处理过程中，微生物淀粉酶的水解方法已经彻底取代传统的化学水解方法 [2] 。虽然有多种微生物可以产生α-淀粉酶，包括丝状真菌、酵母、细菌和放线菌等。但是，目前能够满足工业应用需求的 α-淀粉酶主要来源于细菌和丝状真菌 [1] ，其中由真菌产生的 α-淀粉酶称为真菌 α-淀粉酶。
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α- 淀粉酶的分类
3.1根据 α-淀粉酶来源不同分类 α-淀粉酶的来源非常广泛，包括动物、植物和微生物，其中微生物来源的淀粉酶具有来源丰富、性能多样和易于工业化生产的特点，可满足多种工业应用需求，在工业上的应用也最为广泛 [1,5] 。根据来源不同，α-淀粉酶有真菌 α-淀粉酶、谷物 α-淀粉酶、细菌 α-淀粉酶，其性质各异。谷物 α-淀粉酶及细菌 α-淀粉酶，热稳定性较强，尤其是细菌 α-淀粉酶，其钝化温度高达 95℃，当面包进入焙烤阶段后，仍对淀粉具有水解作用，虽对提高面包质量，改善表皮色泽，增大面包体积，延缓面包老化起很大作用，但若添加过量，易使面包心发粘，故应谨慎添加使用。椐资料介绍，近年来已鉴定了一些耐热性相对较低的细菌 α-淀粉酶，并已被用作有效的抗老化剂。真菌α-淀粉酶热稳定性较差，65℃以下就已失活，即使添加量过多，也不会造成面包心发粘的质量问题，故面包生产厂商普遍喜欢使用真菌 α-淀粉酶。
3.2 根据的不同分类 根据 α-淀粉酶的酶学性质可将其分为中温 α-淀粉酶、耐高温 α-淀粉酶、耐酸性 α-淀粉酶、耐酸耐高温 α-淀粉酶等。
3.2.1 中温 α-淀粉酶 中温 α-淀粉酶是水解淀粉和糖原酶类的总称，其系统名称为α-1，4葡聚糖-4-葡聚糖水解酶( α-1，4-g1uca-4-g1uca-nohydroLase) ，是一种内切淀粉酶 [6] 。中温 α-淀粉酶主要用于淀粉糖生产、味精生产、啤酒和酒精生产中辅料的加工、织物退浆、以及其它酿造、有机酸和医药行业 [7,8] 。在面粉中添加中温 α-淀粉酶不仅可以增加发酵率，降低生面团粘度，改进产品的体积和质地，改良面面制品的口感、外皮颜色和质量，使产品体积更大，颜色更好，颗粒更柔软，还可以延长面制品的保鲜时间 [9-11] 。
3.2.2
耐酸性 α-淀粉酶 目前，工业上广泛使用的 α-淀粉酶的最适在 pH=5.8-6.2，在低 pH 情况下易丧失活力 [12,13] 。在我国淀粉质原料深加工过程中，大多要经过液化和糖化两个阶段，其中所使用的酶分别为α-淀粉酶和糖化酶。两种酶的最适作用 pH 分别约为 pH=6.5 和 pH=4.5 [12,14] ，在两个阶段衔接中需要加入一些化学试剂进行酸度调节，这样不仅耗费大量的酸、碱，而且最后还要对产品进行离子交换脱盐，进一步纯化，使得工艺流程变得复杂，生产成本大大提高。耐酸性 α-淀粉酶是在酸性条件下能水解淀粉的酶类，可以在低pH 条件下液化淀粉，能在酸性条件下保持高活性，简化液化、糖化过程，降低淀粉深加工的生产成本。
3.2.3
耐高温 α-淀粉酶 近几年来，α-淀粉酶广泛地应用于淀粉加工、酒精、味精、啤酒、有机酸和饲料行业，由于这些行业的特殊性，常需要在高温条件下进行，因此要求 α-淀粉酶具有高度的耐热性。耐高温 a-淀粉酶具有良好的液化作用，可以任意切断水解淀粉中的α-1，4葡萄糖苷键，使糊化的淀粉液粘度迅速下降，
产生长短不一的短链糊精和少量的低聚糖；且作用力强，反应速度快，为糖化提供了更多的糊精非还原性末端。耐高温 α-淀粉酶具有良好的耐热性能，其最适作用温度为 90℃，最适作用温度范围为90-95℃，最适使用温度范围可达到 95-105℃，在蒸汽喷射工艺中，使用温度可高达 105-110℃ [15] 。耐高温 α-淀粉酶热稳定性好，对钙离子的需要量少，还可以利用温度变化提高在固态发酵体系中α-淀粉酶的生产量 [16] 。
3.2.4
耐酸耐高温 α-淀粉酶 目前广泛应用的 α-淀粉酶大部分都存在着热稳定性较差和 pH 范围较窄等方面的缺陷，致使工业生产成本的增加。不同的应用领域由于工艺条件的特殊性，要求 α-淀粉酶必须具备耐酸耐高温的特性才能在工业应用中更高效更节省的行使其催化作用。在淀粉产品的加工过程中常常包括两个过程：液化和糖化，除了作用温度不同外，在液化和糖化两个过程中所需的两种酶 α-淀粉酶和糖化酶的作用pH 也有显著差异。如果能够开发出热稳定性好、活性强、pH 适用范围广的 α-淀粉酶，不但可以省去淀粉糊化到液化的冷却过程，减少了大量的能源消耗，还增加液化速度，而且还避免了从液化到糖化工艺的 pH 调节，降低酸碱消耗和生产成本。现阶段研究最多的是将耐酸耐高温α-淀粉酶基因克隆到其他菌种中，国外已成功将地衣芽孢杆菌 [17] 中耐酸耐高温α-淀粉酶基因提取，并在枯草芽孢杆菌中表达，重组菌产的 α-淀粉酶有良好的耐酸耐热性，广泛应用于食品与酿造工业。
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α- 淀粉酶的作用机理
α-淀粉酶水解淀粉的机制研究表明 [18,19] ，α-淀粉酶在切割α-1，4-D 糖苷键时，使糖链末端的 C原子的构型发生 α 构型变化。水解过程主要分为 3 步：第一步由质子供体 Glu261 使得糖苷键上的 O 2原子质子化，并由催化氨基酸残基 Asp231 向糖环上的 C1 发起攻击并使底物还原糖末端断裂。第二步由激活的水分子水解位于糖链 C1和 D231之间的共价键。第三步起始质子化状态的再生(图 2）。在活性位点上的氨基酸残基 Asp328 没有直接参与催化反应，目前对于它在催化反应中所起的作用还不是很清楚。
α--淀粉酶作用于淀粉时，将 α-1，4 糖苷键裂开，而产物的构型保持不变。
淀粉酶水解直链淀粉的过程，一般可以分为两个阶段：第一阶段，淀粉酵将直链淀粉迅速随机水解成小分子糊精、麦芽糖和麦芽三糖。第二阶段的水解速度相对较慢，这是因为淀粉酶不能水解麦芽糖，并且对麦芽三糖的水解也很困难，因而主要是将第一步生成的糊精水解成葡萄糖、麦芽糖和低聚糖，这就造成即使是在极高的酶浓度条件下，也仅仅只有少量的葡萄糖产生的现象。
淀粉酶水解支链淀粉时，其水解特性有所不同。当淀粉酶遇到，葡萄糖苷键时，不能进行水解，但能越过此键继续作用，因此其水解产物中除了有麦芽糖、葡萄糖和低聚糖外，还残留有一系列的极限糊精。由于，葡萄糖苷键的存在，淀粉酶水解支链淀粉比水解直链淀粉要慢得多。
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α- 淀粉酶在食品工业的应用 图 图 2 糖苷水解酶的催化机制 [18]
α-淀粉酶广泛存在于动物、植物、微生物中，是工业生产中应用最为重要，最为古老，最为广泛的酶制剂之一，主要应用于食品加工、酒精酿造、制药、纺织退浆、造纸、洗涤液、饲料及石油开采等多种领域，而在食品行业主要应用于淀粉深加工、焙烤工业、啤酒酿造等等 [7] 。
5.1
α-淀粉酶在面包焙烤中作为保鲜剂 酶应用在焙烤工业中生产各种高品质的产品已经有几百年的历史， 最近几十年，麦芽 α-淀粉酶和微生物α-淀粉酶被广泛用于焙烤工业，这些酶用于面包工业，使这些产品体积更大、颜色更好、颗粒更柔软。真菌 α-淀粉酶可水解面粉中的受损淀粉生成小分子糊精，通过酵母的进一步发酵产生醇类物质和二氧化碳，从而使面包体积增大。在此过程中产生的还原糖在面包烘焙过程中可参与美拉德反应，有助于改善面包的外表色泽。因此，真菌α-淀粉酶的添加，不仅可以加快生面团的发酵速率、改善面包的结构和体积，同时其产生的糖类物质对面包的口感、色泽及品质等也都具有明显的促进作用。
5.2
α-淀粉酶在淀粉生产中的应用 α-淀粉酶用于淀粉工业，可用来生产变性淀粉，淀粉糖等。由于 α-淀粉酶在适宜条件下对淀粉具有较强的水解能力，控制反应的条件，可以控制淀粉的水解率，从而将淀粉水解成多孔状的多孔淀粉。多孔淀粉可以作为微胶囊芯材和吸附剂，作为香精香料、风味物质、色素、药剂及保健食品中功能成分的吸附载体，成本低，可自然降解，现已广泛应用于食品、医药、化工、农业、保健品等领域。淀粉在高温条件下发生糊化，因此生产多孔淀粉多采用中温 α-淀粉酶，另外，将 α-淀粉酶和其它淀粉酶如糖化酶、普鲁兰酶等协同使用会提高反应效率和淀粉成孔效果，因此现在多孔淀粉的研制多采用 α-淀粉酶和其它酶协同反应 [20] 。
5.3
α-淀粉酶在生产糖浆中应用 α-淀粉酶的主要市场是淀粉水解的产物，如葡萄糖和果糖。淀粉被转化为高果糖玉米糖浆。由于他们的高甜度，被用于饮料工业中软饮料的甜味剂。真菌 α-淀粉可以水解淀粉内部的 α-1，4-糖苷键，生成高麦芽糖和低葡萄糖含量的糖浆。α-淀粉酶在淀粉液化上的应用工艺已经相当成熟，而且有很多相关报道。目前，欧美各国大多采用真菌 α-淀粉酶作为糖化剂生产高麦芽糖浆，得到的麦芽糖浆其组成中麦芽糖占 40%-60%，麦芽三糖约 10%-20%，其他为葡萄糖、低聚糖和糊精等 [21] 。工业生产中往往与 β-淀粉酶和脱枝酶配合使用，用以生产超高麦芽糖浆，其麦芽糖含量超过 70%，甚至更高 [21] 。在淀粉糖行业，真菌 α-淀粉已逐渐替代 β-淀粉酶而成为以淀粉为原料生产麦芽糖浆的关键酶 [1,2] 。
5.4
α-淀粉酶酿酒中的应用 啤洒是最早用酶的酿造产品之一，在啤洒酿造中添加 α-淀粉酶使其较快液化以取代一部分麦芽，使辅料增加，成本降低，特别在麦芽糖化力低，辅助原料使用比例较大的场合，使用 α-淀粉酶和 β-淀粉酶协同麦芽糖化，可以弥补麦芽酶系不足，增加可发酵糖的含量，提高出汁率，产生的麦汁色泽鲜亮，过滤速度加快，提高了浸出物的得率，同时又缩短了整体的生产周期。啤酒酿造中糊化时添加α-淀粉酶，在 20世纪 70年代主要用 BF7658 α-淀粉酶；80 年代末，我国无锡酶制剂厂首先生产出耐高温 α-淀粉酶，可使副原料比例从原来的 30%增加到 40%以上，实现了无麦芽糊化，节粮、节能显著，使啤酒行业的综合经济效益得到进一步提高 [22] 。
此外，真菌 α-淀粉酶在啤酒酿制行业（提高麦芽汁的可发酵性）
[22] 、黄酒酿制行业（改善酒质，提高出酒率）
[24] 和生料酒精行业有利用对糖化醪中淀粉进行低温液化（50-60℃）
[22] 以及低聚异麦芽糖生产 [24] 等行业均有不同程度的应用。
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总结 与展望
α-淀粉酶作为一种重要的工业用酶，已经广泛应用于食品及其他工业中，且已经取得了很好的使用效果。大量的微生物可以用于高效生产淀粉酶，但是酶的大规模商业化生产仍然局限于几种特定的真菌和细菌中。食品和淀粉工业仍然是 α-淀粉酶的主要市场，α-淀粉酶在这些领域的需求仍然是最大
的。不同 α-淀粉酶应用于食品中，由于酶学性质的不同使得其作用有所差异。因此，在以后的研究中，可以通过化学方法或生物方法对α-淀粉酶进行改性，扩展其使用的范围，提高使用效率。随着科技的不断发展、科学研究的不断深入，α-淀粉酶将会得到更加广泛的应用。
参考文献：
[1]Gupta R,Gigras P,Mohapatra H,et al.Microbial α-amylases:a biotechnological perspecti...