酶轉化淀粉黏度及穩定性的研究

甘振登，朱彩麗，梁集椿，馮 琳

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

從20世紀90年代開始，淀粉已廣泛應用于造紙表面施膠劑，目前國內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化淀粉作為替代品，以降低紙張生產成本[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）經深層發酵提煉而成，廣泛應用于淀粉糖、啤酒、味精、酒精工業的液化以及紡織上漿、飼料發酵、果汁加工、烘焙發酵等行業[2]31[3-4]。

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

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

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

1 酶轉化淀粉的反應機理

淀粉的化學通式（C6H10O5）n，是以葡萄糖為基礎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為淀粉的分子結構。

圖1 淀粉的分子結構

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生水解反應即生物酶解反應[2]10。在造紙制漿過程中，隨著漿液溫度逐漸升高，α-淀粉酶活性呈現由低-高-低-失活的階段性變化趨勢，酶解反應速度呈峰型曲線變化，當溫度達到一定值時變性反應終止，同時淀粉在高溫下發生糊化。

α-粉酶對淀粉的作用屬于內切反應，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，生成水解產物α-（1，4；1，6）-葡萄糖基低聚糖，最終得到麥芽糖。由于產物的末端殘基碳原子構型為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在應用上，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，工業級，廣西農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 酶轉化淀粉的制備

本產品采用預混法生產工藝，所得酶轉化淀粉在紙廠制漿過程中進行酶解反應。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），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]。以絕干漿料質量為基數計，將淀粉與水配制成質量分數為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℃繼續保溫20 min，然后將懸浮淀粉漿液加水稀釋至質量分數約為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，測試結束后取糊液繼續用Brookfield DV2TLV型黏度儀進行黏度測試。測試方法如下：

（1）設置Brabender儀器參數[8-9]：采用測試范圍700 cm·g、轉速 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，測試結束后保存黏度曲線并讀取數據。

（2）設置 Brookfield儀器參數：選取測試溫度20～60℃、轉子1號、轉速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，讀取數據。

3 結果與討論

3.1 原淀粉品質對黏度的影響

在相同酶種和酶量的處置下，不同品質的原淀粉經酶轉化后，黏度值差別較大。表1顯示了原淀粉與原淀粉經酶轉化后的酶轉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，得到的酶轉化淀粉黏度結果為：5個 9～10 BU、2個 20～30 BU、1個大于 200 BU，原淀粉與相應的酶轉化淀粉的峰值黏度無明顯相關性。

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”）與各自對應的酶轉化淀粉（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 原淀粉與酶轉化淀粉峰值黏度對比表 單位：BU

圖2 原淀粉與其對應的酶轉化淀粉峰值黏度對比

原料品質對黏度影響較大，不同品質原淀粉對酶的敏感性存在差異。淀粉存在于大多數綠色植物的葉片、果實、根莖等各種器官，在晝夜交替的生長環境下，完成淀粉的生物合成與降解的動態變化。植物儲藏器官的發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和大小，淀粉團粒的直徑在植物儲藏組織成熟過程中發生變化[6]42，導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、雜質和鏈淀粉含量等均會影響酶轉化率，且淀粉中蛋白質、纖維素、脂類等非淀粉雜質，不與α-淀粉酶發生反應，同樣影響酶轉化率，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-淀粉酶進行酶轉化反應，所得酶轉化淀粉（分別標記為“2號”“3號”和“4號”）的黏度曲線圖。

圖3 酶轉化淀粉的黏度曲線

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

α-淀粉酶活性溫度對轉化過程的黏度峰值影響較大。本產品所用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，有效降低了淀粉峰值黏度，避免了因淀粉糊化產生的高黏度、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超過3 g/100 g[6]20，本產品還原糖含量為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溫度，在達到最佳反應溫度前，酶解反應速度隨溫度升高而加快，當溫度高于最佳反應溫度后，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合廠家的使用特點，重點關注制漿方式，包括蒸煮方式、蒸煮溫度、保溫時間、上漿方式等。酶制劑品種和轉化穩定期的長短決定了產品最終黏度。本產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 水質對黏度的影響

在酶轉化淀粉變性過程中，影響轉化效果的因素很多，其中 pH、Cl-、Ca2+、Na+等比較顯著，酶的活性和穩定性易受環境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。在生產上，穩定水質pH，添加有益離子促進酶活性，絡合屏蔽有害離子影響，對穩定酶轉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，在此范圍均可產生酶解反應。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范圍內表現出更佳的降黏效果和穩定性，有利于生產控制，由實驗結果可知最佳反應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-淀粉酶的活性和穩定性，當添加氯離子掩蔽劑質量分數為0.08%～0.14%、鈉鹽質量分數為0.19%～0.28%時，淀粉黏度較為穩定。

3.5 乳化劑對黏度及其穩定性的影響

通過化學變性方法將淀粉接入親水性基團，可提高黏度穩定性，減弱淀粉的凝膠強度，但化學變性反應通常需要在較高pH條件下完成，且化學試劑的殘留會導致部分酶失活，因此不適宜用于酶轉化淀粉。乳化劑能夠同淀粉分子發生相互作用，形成穩定的復合物[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定性和抗凝膠性。黏度的穩定性用Brookfield DV2TLV型黏度儀測試的黏度表示，穩定性和抗凝膠性好的淀粉糊液隨著溫度降低糊液狀態基本不發生變化，糊液透亮，不凝膠泛白，流動性好；而穩定性和抗凝膠性差的淀粉糊液隨著溫度的降低，泛白凝結或凝固，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化淀粉在保溫期間測試的黏度值變化較大且不穩定，黏度最大值和最小值的相差達17 mPa·s，穩定性差；而添加乳化劑的酶轉化淀粉在保溫期間測試的黏度值變化小且穩定性高，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，說明經過乳化的酶淀粉糊液具有更高的黏度穩定性。

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定性的影響。

表5 乳化劑對淀粉糊液穩定性的影響

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℃時凝結成果凍狀，降至30℃時則凝固硬化；而添加了乳化劑的酶轉化淀粉在溫度下降至25℃時依然保持良好的流動性，說明經過乳化的酶轉化淀粉糊液低溫穩定性更好。

4 結論

（1）對原淀粉和α-淀粉酶進行針對性地選擇，有助于提高酶轉化淀粉的性能。

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

（3）乳化劑對提高黏度穩定性和抗凝膠性具有顯著效果。