酶轉(zhuǎn)化淀粉黏度及穩(wěn)定性的研究

甘振登，朱彩麗，梁集椿，馮 琳

（廣西農(nóng)墾明陽生化集團股份有限公司 非糧生物質(zhì)酶解國家重點實驗室，廣西 南寧 530226）

從20世紀90年代開始，淀粉已廣泛應(yīng)用于造紙表面施膠劑，目前國內(nèi)市場年需求量已超過80萬t，常用淀粉品種有氧化淀粉、酯化-氧化淀粉和醚化-氧化淀粉等，隨著紙張市場競爭的日益激烈，越來越多的造紙廠采用酶轉(zhuǎn)化淀粉作為替代品，以降低紙張生產(chǎn)成本[1]。中溫α-淀粉酶是使用最多的酶制劑，它是采用枯草芽孢桿菌（Bacillus Subtilis）經(jīng)深層發(fā)酵提煉而成，廣泛應(yīng)用于淀粉糖、啤酒、味精、酒精工業(yè)的液化以及紡織上漿、飼料發(fā)酵、果汁加工、烘焙發(fā)酵等行業(yè)[2]31[3-4]。

酶轉(zhuǎn)化淀粉具有較高的成本優(yōu)勢，在中低檔紙制品上應(yīng)用，雖然效果指標可基本達到要求，但其性能還存在不足之處，主要表現(xiàn)有：（1）α-淀粉酶活性極易受水質(zhì)影響，造成淀粉黏度波動大；（2）糊液穩(wěn)定性和貯存性比較差；（3）凝膠性強，低溫易凝結(jié)。

通過對原淀粉和α-淀粉酶篩選，輔以水質(zhì)控制、有益離子保護、有害離子絡(luò)合屏蔽、乳化等方法，可將酶轉(zhuǎn)化淀粉黏度值控制在相對穩(wěn)定范圍，有效改善酶轉(zhuǎn)化淀粉的應(yīng)用性能。

本文討論了原淀粉品種、α-淀粉酶品種、造紙制漿方式、水質(zhì)和乳化劑等對酶解淀粉黏度的影響。

1 酶轉(zhuǎn)化淀粉的反應(yīng)機理

淀粉的化學通式（C6H10O5）n，是以葡萄糖為基礎(chǔ)單元并通過糖苷鍵鏈接而成的一類天然高分子化合物[5]。圖1為淀粉的分子結(jié)構(gòu)。

圖1 淀粉的分子結(jié)構(gòu)

α-淀粉酶全稱1，4-α-D葡聚糖水解酶，普遍分布在動物、植物和微生物中，是一種重要的生物催化劑（酶轉(zhuǎn)化試劑）。α-淀粉酶具有極高的催化效率和專一性，在與淀粉作用時相當于淀粉改性劑，當溫度達到酶作用溫度時，淀粉在酶的作用下發(fā)生水解反應(yīng)即生物酶解反應(yīng)[2]10。在造紙制漿過程中，隨著漿液溫度逐漸升高，α-淀粉酶活性呈現(xiàn)由低-高-低-失活的階段性變化趨勢，酶解反應(yīng)速度呈峰型曲線變化，當溫度達到一定值時變性反應(yīng)終止，同時淀粉在高溫下發(fā)生糊化。

α-粉酶對淀粉的作用屬于內(nèi)切反應(yīng)，隨機切斷直鏈淀粉中的α-D-1，4-糖苷鍵，催化淀粉分子水解，生成水解產(chǎn)物α-（1，4；1，6）-葡萄糖基低聚糖，最終得到麥芽糖。由于產(chǎn)物的末端殘基碳原子構(gòu)型為α型，故稱α-淀粉酶。α-淀粉酶對支鏈淀粉中的α-D-1，6-糖苷鍵不起作用，因此終產(chǎn)物中含有這些淀粉碎片（極限糊精）[6]17。α-淀粉酶對淀粉的作用機理表現(xiàn)在應(yīng)用上，即迅速將淀粉鏈分解成更短的鏈從而降低淀粉碘藍值和黏度。

2 材料及方法

2.1 試驗材料

木薯淀粉，工業(yè)級，廣西農(nóng)墾明陽生化集團股份有限公司；α-淀粉酶，山東隆大生物工程有限公司；氯離子掩蔽劑，市售；乳化劑，市售。

2.2 主要儀器設(shè)備

Brabender Viscograph-E型黏度儀，德國布拉本德公司；Brookfield DV2TLV型黏度儀，美國博勒飛公司；101-2-SⅡ型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海躍進醫(yī)療器械廠；PHS-3C型pH計，上海雷磁儀電科學儀器股份有限公司；SS250-A5型食品粉碎機，廣東中山好媽咪電器廠；JJ600型精密電子天平，美國雙杰兄弟有限公司；S312型恒速攪拌器，上海申生科技有限公司；HH-S型恒溫水浴鍋，江蘇金怡儀器科技公司。

2.3 方法

2.3.1 酶轉(zhuǎn)化淀粉的制備

本產(chǎn)品采用預(yù)混法生產(chǎn)工藝，所得酶轉(zhuǎn)化淀粉在紙廠制漿過程中進行酶解反應(yīng)。制備方法：首先將淀粉投入捏合攪拌器，開動攪拌，霧化加入適量的α-淀粉酶（液態(tài)），攪拌混合10 min，霧化加入氯離子掩蔽劑、乳化劑等，攪拌混合10 min，篩分、包裝。

2.3.2 制漿方法

漿液蒸煮方式包括連續(xù)蒸煮和間歇蒸煮，本實驗采用間歇蒸煮方式[7]。以絕干漿料質(zhì)量為基數(shù)計，將淀粉與水配制成質(zhì)量分數(shù)為18%～22%的懸浮淀粉漿液，在淀粉漿中通入熱蒸氣進行加熱糊化，控制漿液升溫速率為5～10℃/min，漿液達85～100℃繼續(xù)保溫20 min，然后將懸浮淀粉漿液加水稀釋至質(zhì)量分數(shù)約為10%，然后進入下道工序上機使用。

2.3.3 淀粉黏度的測定

使用Brabender黏度儀進行煮制和測試，測試結(jié)束后取糊液繼續(xù)用Brookfield DV2TLV型黏度儀進行黏度測試。測試方法如下：

（1）設(shè)置Brabender儀器參數(shù)[8-9]：采用測試范圍700 cm·g、轉(zhuǎn)速 75 r/min，45 ℃開始記錄、升降溫速率 1.5℃/min、95℃保溫 30 min、50℃保溫 30 min。按淀粉的使用濃度配制淀粉漿液，取460 mL淀粉漿液放入黏度儀樣品缽，下壓探頭，自動測試開始，測試結(jié)束后保存黏度曲線并讀取數(shù)據(jù)。

（2）設(shè)置 Brookfield儀器參數(shù)：選取測試溫度20～60℃、轉(zhuǎn)子1號、轉(zhuǎn)速60 r/min。移取上述淀粉糊液到測試杯，在一定溫度下測試黏度值，讀取數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 原淀粉品質(zhì)對黏度的影響

在相同酶種和酶量的處置下，不同品質(zhì)的原淀粉經(jīng)酶轉(zhuǎn)化后，黏度值差別較大。表1顯示了原淀粉與原淀粉經(jīng)酶轉(zhuǎn)化后的酶轉(zhuǎn)化淀粉峰值黏度對比表。

由表1可知，選擇的8種同一時期成熟的原淀粉進行酶解反應(yīng)，得到的酶轉(zhuǎn)化淀粉黏度結(jié)果為：5個 9～10 BU、2個 20～30 BU、1個大于 200 BU，原淀粉與相應(yīng)的酶轉(zhuǎn)化淀粉的峰值黏度無明顯相關(guān)性。

圖2為從表1中選取的下述3個品牌木薯原淀粉：桂康、鹿牌和大G牌（分別標記為“1號”、“2號”和“3號”）與各自對應(yīng)的酶轉(zhuǎn)化淀粉（分別標記為“1-2 號”、“2-2 號”和“3-2 號”）的峰值黏度對比情況。

表1 原淀粉與酶轉(zhuǎn)化淀粉峰值黏度對比表 單位：BU

圖2 原淀粉與其對應(yīng)的酶轉(zhuǎn)化淀粉峰值黏度對比

原料品質(zhì)對黏度影響較大，不同品質(zhì)原淀粉對酶的敏感性存在差異。淀粉存在于大多數(shù)綠色植物的葉片、果實、根莖等各種器官，在晝夜交替的生長環(huán)境下，完成淀粉的生物合成與降解的動態(tài)變化。植物儲藏器官的發(fā)育和成熟過程伴隨著淀粉的合成，淀粉合成并儲存在胚乳中，淀粉團粒合成并儲存在淀粉體中，淀粉團粒中存在2種多聚物：直鏈淀粉和支鏈淀粉，儲藏組織中淀粉團粒的組成、形態(tài)和大小因植物種類的不同而不同，不同組織中的淀粉有一定的形態(tài)和大小，淀粉團粒的直徑在植物儲藏組織成熟過程中發(fā)生變化[6]42，導(dǎo)致了淀粉物理和化學指標的差異。因此不同來源淀粉的成熟度、雜質(zhì)和鏈淀粉含量等均會影響酶轉(zhuǎn)化率，且淀粉中蛋白質(zhì)、纖維素、脂類等非淀粉雜質(zhì)，不與α-淀粉酶發(fā)生反應(yīng)，同樣影響酶轉(zhuǎn)化率，繼而影響酶解淀粉的峰值黏度、熱黏度等理化指標。

3.2 α-淀粉酶品種對黏度的影響

圖3顯示了同品質(zhì)木薯原淀粉（標記為“1號”）選用不同溫度特性的α-淀粉酶進行酶轉(zhuǎn)化反應(yīng)，所得酶轉(zhuǎn)化淀粉（分別標記為“2號”“3號”和“4號”）的黏度曲線圖。

圖3 酶轉(zhuǎn)化淀粉的黏度曲線

由圖3可知，同品質(zhì)木薯原淀粉選用不同溫度特性α-淀粉酶進行酶轉(zhuǎn)化反應(yīng)，所得酶轉(zhuǎn)化淀粉的黏度峰值、終點黏度和黏度穩(wěn)定性等差別較大，這主要是由于不同品種的α-淀粉酶活性溫度不同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化過程中對淀粉的水解速度和水解程度不同，最終體現(xiàn)出黏度特性的差異。

α-淀粉酶活性溫度對轉(zhuǎn)化過程的黏度峰值影響較大。本產(chǎn)品所用α-淀粉酶為中溫酶，作用溫度為35～90℃，其中最佳作用溫度為55～65℃，使淀粉在低于糊化溫度時即可進行變性反應(yīng)，有效降低了淀粉峰值黏度，避免了因淀粉糊化產(chǎn)生的高黏度、高阻力的影響，同時減少因機械剪切造成的能量損耗。α-淀粉酶在轉(zhuǎn)化過程中會積累一些還原糖，表面施膠用酶淀粉的還原糖含量不應(yīng)超過3 g/100 g[6]20，本產(chǎn)品還原糖含量為2 g/100 g，遇碘不顯色。

3.3 制漿方式對黏度的影響

各種酶都有最適宜的反應(yīng)溫度，在達到最佳反應(yīng)溫度前，酶解反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，當溫度高于最佳反應(yīng)溫度后，隨著溫度的升高，酶受高溫影響逐漸變性失去活性直至高溫滅酶，因此，在使用酶淀粉時必須結(jié)合廠家的使用特點，重點關(guān)注制漿方式，包括蒸煮方式、蒸煮溫度、保溫時間、上漿方式等。酶制劑品種和轉(zhuǎn)化穩(wěn)定期的長短決定了產(chǎn)品最終黏度。本產(chǎn)品所用酶制劑最佳作用溫度為55～65℃，當漿液溫度達到90℃時酶完全滅活。

3.4 水質(zhì)對黏度的影響

在酶轉(zhuǎn)化淀粉變性過程中，影響轉(zhuǎn)化效果的因素很多，其中 pH、Cl-、Ca2+、Na+等比較顯著，酶的活性和穩(wěn)定性易受環(huán)境pH影響，Cl-對酶活性具有抑制性，Ca2+和Na+對酶活性具有促進作用。在生產(chǎn)上，穩(wěn)定水質(zhì)pH，添加有益離子促進酶活性，絡(luò)合屏蔽有害離子影響，對穩(wěn)定酶轉(zhuǎn)化淀粉性能具有良好效果。

酶制劑的pH有效范圍為4.5～8.0，在此范圍均可產(chǎn)生酶解反應(yīng)。表2顯示了pH對淀粉黏度的影響。

表2 pH對淀粉黏度的影響

由表2可知，α-淀粉酶在微堿性pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出更佳的降黏效果和穩(wěn)定性，有利于生產(chǎn)控制，由實驗結(jié)果可知最佳反應(yīng)pH為7.4～8.0。

表3顯示了氯離子掩蔽劑和鈉鹽對淀粉黏度的影響。

表3 氯離子掩蔽劑和鈉鹽對淀粉黏度的影響

由表3可知，在淀粉調(diào)漿時，添加氯離子掩蔽劑可有效屏蔽水中的氯離子，保持了酶的活性，添加鈉鹽可提高α-淀粉酶的活性和穩(wěn)定性，當添加氯離子掩蔽劑質(zhì)量分數(shù)為0.08%～0.14%、鈉鹽質(zhì)量分數(shù)為0.19%～0.28%時，淀粉黏度較為穩(wěn)定。

3.5 乳化劑對黏度及其穩(wěn)定性的影響

通過化學變性方法將淀粉接入親水性基團，可提高黏度穩(wěn)定性，減弱淀粉的凝膠強度，但化學變性反應(yīng)通常需要在較高pH條件下完成，且化學試劑的殘留會導(dǎo)致部分酶失活，因此不適宜用于酶轉(zhuǎn)化淀粉。乳化劑能夠同淀粉分子發(fā)生相互作用，形成穩(wěn)定的復(fù)合物[10-11]，有效防止鏈淀粉分子間的締合，同樣可獲得良好的黏度穩(wěn)定性和抗凝膠性。黏度的穩(wěn)定性用Brookfield DV2TLV型黏度儀測試的黏度表示，穩(wěn)定性和抗凝膠性好的淀粉糊液隨著溫度降低糊液狀態(tài)基本不發(fā)生變化，糊液透亮，不凝膠泛白，流動性好；而穩(wěn)定性和抗凝膠性差的淀粉糊液隨著溫度的降低，泛白凝結(jié)或凝固，流動性差。

表4顯示了淀粉糊液在溫度95℃保溫時間30～240 min時乳化劑對淀粉黏度的影響。

表4 乳化劑對淀粉黏度的影響

由表4可知：未添加乳化劑的酶轉(zhuǎn)化淀粉在保溫期間測試的黏度值變化較大且不穩(wěn)定，黏度最大值和最小值的相差達17 mPa·s，穩(wěn)定性差；而添加乳化劑的酶轉(zhuǎn)化淀粉在保溫期間測試的黏度值變化小且穩(wěn)定性高，最大值和最小值之間的差距只有4 mPa·s，在黏度測試誤差范圍之內(nèi)，說明經(jīng)過乳化的酶淀粉糊液具有更高的黏度穩(wěn)定性。

表5顯示了淀粉糊液在自然降溫過程中乳化劑對淀粉糊液穩(wěn)定性的影響。

表5 乳化劑對淀粉糊液穩(wěn)定性的影響

表5可知：在淀粉糊液自然降溫過程中，未添加乳化劑的酶轉(zhuǎn)化淀粉在溫度降至55℃時開始凝膠，流動性變差，降至40℃時凝結(jié)成果凍狀，降至30℃時則凝固硬化；而添加了乳化劑的酶轉(zhuǎn)化淀粉在溫度下降至25℃時依然保持良好的流動性，說明經(jīng)過乳化的酶轉(zhuǎn)化淀粉糊液低溫穩(wěn)定性更好。

4 結(jié)論

（1）對原淀粉和α-淀粉酶進行針對性地選擇，有助于提高酶轉(zhuǎn)化淀粉的性能。

（2）在淀粉調(diào)漿時，將pH穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，添加掩蔽劑屏蔽Cl-的干擾，添加鈉鹽提高α-淀粉酶的活性，可穩(wěn)定酶轉(zhuǎn)化淀粉的性能和黏度。

（3）乳化劑對提高黏度穩(wěn)定性和抗凝膠性具有顯著效果。