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今日食普744期:普鲁兰酶,用好这个武器

在家做酒酿,或者作坊里用发芽的小麦做麦芽糖,是先人传下来的获得甜食的加工方法。这都是利用微生物或植物中的淀粉酶,将没有甜味的淀粉转化为甜味糖的过程。

小家小户生产对成本掌控要求不高,可若是工业化生产,淀粉转化率就成为一个重要的指标。究竟有百分之多少的淀粉转化成了?

淀粉转化为具有甜味的葡萄糖麦芽糖,是水解过程,淀粉酶是起关键作用的催化剂。工业生产为了提高效率和降低成本,采用纯化的酶制剂。淀粉酶中有一类为淀粉脱支酶普鲁兰酶是这类酶的较优良品种。

普鲁兰酶

Pullulanase。属于淀粉酶中的淀粉脱支酶,因能特异性地水解普鲁兰糖而得名。普鲁兰糖别名茁酶多糖,因而该酶也称茁酶多糖酶

普鲁兰糖 pullulan,或茁酶多糖,也叫短梗霉多糖。是麦芽三糖α-1,6苷键连接起来的聚合物,由芽短梗霉发酵产生。它是优质的增稠剂、被膜剂。这么宝贵的食品添加剂怎么会再被水解呢?

其实,普鲁兰酶并不是用来水解普鲁兰糖的,而是用来水解支链淀粉的。

两类淀粉

淀粉是以α葡萄糖为基本单位的高分子聚合物。葡萄糖分子之间靠一种叫糖苷键的化学键相互连接成大分子。按连接方式分成两类,直链淀粉支链淀粉

两类淀粉主要区别是:

直链淀粉 相互连接基本是α-1,4苷键,头尾相连成一条链状。对碘显蓝色;

支链淀粉  与直链淀粉不同,相互连接既有α-1,4苷键,还有从腰间分叉的α-1,6苷键,形成分枝结构。对碘显红棕色。(两类淀粉混合对碘显紫色)

两类淀粉彻底水解得到的都是葡萄糖。水解方法可用酸,但效率低。利用酶法水解的好处就是高效、低能耗。酶催化具有专一性,不同酶的底物、作用方式和产物不同。

淀粉酶水解的目标是糖苷键糖苷键不止淀粉中有,纤维素等其他多糖皂苷等物质中都有。淀粉酶只是各种糖苷水解酶(简称糖苷酶)中的一类。

然而,淀粉酶也不是个小家庭,种类多得足以将下属分成几十个家族。对应于两类不同结构淀粉的酶,各有几套系列和组合。

工业上用的淀粉糖化酶主要是α-1,4苷键酶,只能水解直链淀粉。然而自然界中的淀粉大部分是支链淀粉淀粉中的支链阻碍了淀粉的彻底降解,残留了一堆限制水解的糊精,降低了淀粉的利用率。

这就要请淀粉脱支酶出马了。

淀粉脱支酶

生物体内有天然的淀粉脱支酶,或称淀粉解支酶R-酶,几乎存在于所有的生物体中。

异淀粉酶 1940年日本研究人员首次在酵母中提取到了一种酶。在用于以支链淀粉为主的糯米时,发现产品对碘不是显紫红色,而是变成蓝色。当时误以为是合成出了直链淀粉,并将此酶错称为“直链淀粉合成酶”。后来发现是糯米中的支链淀粉转化成直链淀粉造成的。因此纠正了错误,将该酶重新命名为异淀粉酶

异淀粉酶可以水解支链淀粉分枝点上的α-1,6苷键。但它有个缺点,只能切下支链淀粉的整个侧枝,形成长短不一的直链淀粉,对小分子低聚糖上的α-1,6苷键就无能为力了。如何将大小分子上的α-1,6苷键一锅端彻底全切干净,则是普鲁兰酶的本事了。

普鲁兰酶  支链淀粉普鲁兰糖有着相同的α-1,6苷键结构,因而普鲁兰酶被借用到切支链淀粉,工业上也叫支链淀粉酶。它的特点是耐热,通常在60℃以上温度使用。

1961年德国研究者在产气杆菌代谢物中发现了普鲁兰酶。之后逐渐从实验室里走出,应用到淀粉糖浆、啤酒和酒精生产等淀粉深加工领域。目前主要由基因工程改造的地衣芽胞杆菌等微生物发酵制得。

国际上普鲁兰酶的工业化生产一度被丹麦的诺维信集团、丹尼斯克(现被美国杜邦并购)等公司垄断。国产目前有了一些突破,但酶活性尚有待提高,国内有多家生物公司在攻关研发。

实际应用

包括普鲁兰酶在内的淀粉脱支酶,还真不是用于生产直链淀粉的。

之所以使用淀粉脱支酶,是为了帮助切开卡住支链淀粉α-1,6苷键,给糖化酶解套。这样可减少粮耗和能耗,从而降低生产成本。

单用普鲁兰酶淀粉脱支酶没有意义,它只对α-1,6苷键起作用,对α-1,4苷键无动于衷。两类酶配合使用,将支链淀粉全部转化为直链淀粉,后续步骤交由糖化酶处理就得心应手了。

普鲁兰酶配合不同的α-1,4苷键酶,常应用于葡萄糖、麦芽糖、果糖、低聚糖、果葡糖浆等生产。

  • 在酿造生产味精、酒精、醋、酱油等的前期糖化步骤中,都可加入普鲁兰酶提高葡萄糖含量,缩短糖化时间。

  • 在一些啤酒酿造中,也用普鲁兰酶提高麦汁发酵度,并改变麦汁糖化的组分。

  • 普鲁兰酶还在面包生产中起面团改良作用。

  • 普鲁兰酶也可与β-苷键酶联合使用,将一些非淀粉类的纤维素等葡聚物转变为,因此被用在饲料工业上。

随着食品工业的发展,这类酶制剂的需求量将会越来越大。

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