普鲁兰酶在食品工业中的应用
普鲁兰酶在食品工业中的应用
周念波 孙杰 王晶 魏丙卓
(武汉生物工程学院生物工程系,武汉430415)
摘要普鲁兰酶是一种能够专一性切开支链淀粉 分支点中的α-1,6-糖苷键的脱支酶。普鲁兰酶 在食品工业中的研究与应用正日渐广泛与深入,通 过对该领域的众多成果进行了整理,对普鲁兰酶在 高葡萄糖浆、超高麦芽糖浆、啤酒及改性淀粉等生 产中的应用进行了综述。
关键词普鲁兰酶;食品工业;应用
在食品加工行业中,大部分淀粉质原料中支 链淀粉占总淀粉质量约为70%~95%,如玉米中 占74%、马铃薯中占76%、小麦中占75%、稻谷 中占81%,糯米中占100%。α-1,6-糖苷键在 支链淀粉中出现的频率约为20~25个葡萄糖残基, 所以支链淀粉中约含有4%~5%的α-1,6-糖苷 键。支链的存在阻碍淀粉的分解,影响到淀粉的利 用率和产品的质量。
普鲁兰酶(Pullulanase,EC 3.2.1.41)是一种能够 专一性切开支链淀粉分支点中的α-1,6-糖苷键, 从而剪下整个侧枝,形成直链淀粉的脱支酶。普鲁 兰酶在以淀粉为原料的食品加工业中有着重要的用 途,是由于其能将最小单位的支链分解,最大限度 的利用淀粉原料。
继1961年Bender和Wallenfels通过产气气杆菌 (Aerobacter.aerogenes)发酵获得普鲁兰酶以后,各 国的科研人员经过广泛深入研究,从不同的地区、 微生物中获得该酶,掀起了开发普鲁兰酶的高潮。 近年来,国内对普鲁兰酶的研究主要集中在耐酸耐 热高产菌株的筛选及基因的克隆与表达。国内食品 工业上所用的普鲁兰酶均是从丹麦NOVO进口。
1普鲁兰酶在高葡糖浆生产中的应用
高转化率的葡萄糖浆可用来生产结晶葡萄糖或 作为高果糖浆的原基料。通常全酶法葡萄糖浆的生 产过程包括两个酶水解步骤、液化过程和糖化过 程。液化过程中,通常在30 g/100 g~35g/100 g固形 物的淀粉浆中添加耐高温α-淀粉酶进行淀粉液 化;糖化过程中,用葡萄糖淀粉酶使部分水解的淀 粉分子完全分解成葡萄糖。葡萄糖淀粉酶对α-1, 4-键的水解非常有效,但对α-1,6-键的水解速 率大大降低。因此α-1,6-键的存在对于高葡萄 糖浆的生产无疑是一种障碍。
使用普鲁兰酶,在糖化阶段与葡萄糖淀粉酶协 同作用,可有效地提高淀粉的水解速率,降低葡萄 糖淀粉酶的用量,缩短反应时间,提高葡萄糖的产 量和纯度。工业上有复合糖化酶,为葡萄糖淀粉酶 与普鲁兰酶的混合制剂,应用复合酶可使DE值达 99,葡萄糖量达总糖质量的97%。
2普鲁兰酶在超高麦芽糖浆生产中的应用
晶,吸湿性小,甜味与砂糖不同,具有爽口、清淡 等优点。其溶液黏度较低,而且热稳定性很好,麦 芽糖经氢化可制得麦芽糖醇,可作糖的代用品及低 热量食品。因此,麦芽糖浆中麦芽糖的含量直接关 系着麦芽糖浆优良性能的发挥。
麦芽糖的生产方法是采用α-淀粉酶和β-淀 粉酶的共同作用下使淀粉分解制得,所得制品的麦 芽糖含量最多也不超过50 g/100 g~65 g/100 g左右, 称之为高麦芽糖浆。在此基础上,将麦芽糖含量进 一步提高,所得制品称为超高麦芽糖浆。但古老的 方法使用单一的糖化酶作用制造的糖化液,精制高 纯度的麦芽糖非常困难。因此提高糖化液中麦芽糖 的含量是高纯度麦芽糖浆生产中最重要的环节。在 糖化时用普鲁兰酶将支链淀粉脱支而形成短的直链 淀粉片段,有利于β-淀粉酶的作用,减少β-极 限糊精的形成,从而提高麦芽糖的含量。据报道, 普鲁兰酶与α-淀粉酶、β-淀粉酶协同作用,可 得到麦芽糖含量为92.4 g/100 g的糖化液。
3普鲁兰酶在啤酒生产中的应用
在啤酒酿造的糖化过程中,麦芽中分解淀粉的 主要酶是α-淀粉酶、β-淀粉酶和分解淀粉 α-1,6-糖苷键的R-酶(植物普鲁兰酶或植物茁 霉多糖酶)。在工业生产中为了节约麦芽用量,采 用所谓外加酶法糖化,即在减少麦芽用量的前提 下,增加淀粉质辅助原料的比率,并加入适当种类 的酶制剂进行糖化。要使大麦及其他辅助原料糖化 完全,需要外加a-淀粉酶和分解α-1,6-糖苷键 的普鲁兰酶制剂等。如果分解淀粉α-1,6-糖苷 键的酶活性不足,淀粉分解就不完全,其结果是可 发酵性糖含量低,制成的啤酒发酵度达不到要求。 采用普鲁兰酶与α-淀粉酶协同作用,效果良好, 其分解产物主要是麦芽糖和少量的麦芽多糖。啤酒 外加酶法糖化工艺已在世界范围内被广泛接受,普 鲁兰酶能使原辅料中的淀粉分解完全,降低麦芽汁 中β-极限糊精含量,增加可发酵性糖的含量,从 而大幅度提高发酵度。近年来兴起的干爽啤酒的主 要特色是发酵度高,通常发酵度要大于75%,而要 获得这样高的发酵度,在糖化阶段就必须要添加普 鲁兰酶。
若以淀粉代替全部啤酒主料和辅料,利用酶制 剂制得符合啤酒生产的糖浆,称之为啤酒专用糖 浆。啤酒专用糖浆的构成应尽量接近麦芽汁的成 分,这样才能满足啤酒生产的需要,从而使酿造的 啤酒在口感、色度及泡沫等方面达到质量要求,因 此啤酒糖浆的生产工艺与普通淀粉糖浆有差异。采 用β-淀粉酶为糖化剂,同时添加普鲁兰酶,以提 高啤酒糖浆的麦芽糖含量。啤酒专用糖浆不仅可以 保证啤酒生产的正常进行并降低生产成本,而且缓 解了大麦供应的紧张局面。国际上,美国、日本、 非洲及欧洲地区许多国家都采用专用糖浆酿造啤 酒,我国部分地区的啤酒厂也进行了这方面的应用,取得了很好的效果。
4普鲁兰酶在改性淀粉食品生产中的应用
近年来随着经济的发展和人民生活水平的提 高,人们对淀粉制品的品质提出了越来越高的要 求,通过各种方法对淀粉进行改性以改良淀粉品质 一直是科技工作者和生产厂的研究热点。
4.1抗消化淀粉生产中的应用
抗消化淀粉(resisant starch或enzyme-resistant starch,RS),又称抗酶解淀粉或抗性淀粉,是指不 能在人体小肠中消化吸收,但在结肠内可被微生物 发酵利用的那部分淀粉。抗消化淀粉对人体血糖水 平、肥胖、癌症、脂质代谢和能量等方面有重要生 理功能。因此,他被广泛应用于碳水化合物、脂肪 食品、低脂人造奶油等,或作为一种单独的添加剂 加入功能性食品配方中。国外已有工业化生产的抗 消化淀粉产品问世。目前,国内外报道的抗消化淀 粉生物制备主要采用酶脱支降解。
采用普鲁兰酶将马铃薯淀粉、玉米淀粉、甘薯 淀粉进行脱支处理后再经糊化老化处理可增加抗消 化淀粉的含量。Kettlitz B报道采用普鲁兰酶或其他 脱支酶催化脱除淀粉中支链可得到含量高达60% 的抗消化淀粉。
4.2歧化环糊精生产中的应用
环糊精(cyclodextrin,CD)是由淀粉在生物酶 的作用下降解所产生的一种由多个D-吡喃型葡萄 糖通过α-1,4-糖苷键连接的环状低聚糖化合物。 但是,环糊精和其包接化合物的溶解性较差,而影 响其应用。利用普鲁兰酶的转移和缩合作用将麦芽 糖基等与环糊精以α-1,6-糖苷键相连,得到改 性后的歧化环糊精,可改善其溶解性。Shiraishi等详细研究了普鲁兰酶逆向合成歧化环糊精的条件, 普鲁兰酶用量为(100~200)U/gCD,pH4.0~4.5 和温度60℃~70℃,各种环糊精的转化率都超过 40%。Watanabe等设计了一种由普鲁兰酶将麦芽糖 和α-CD缩合生成G2-α-CD以及在葡萄糖淀粉酶 作用下水解的两步骤制备高产率G1-α-CD的新方 法。Sakano等报道的固定化普鲁兰酶连续生产歧化 环糊精,不仅能连续生产提高酶的使用效率,而且 能减少酶的分离程序,提高产品的品质。
4.3缓慢消化淀粉
缓慢消化淀粉(slowly digestible starch,SDS) 指那些能在小肠中被完全消化吸收但速度较慢的淀 粉,主要指一些生的未经糊化的淀粉,如生大米、 玉米、高粱等。缓慢消化淀粉具有特殊的生理学功 能,如缓慢吸收、持续释放能量、有助于维持血糖 稳态,预防和治疗各种疾病(如糖尿病、糖原贮积 病、心脑血管疾病等)。因而,缓慢消化淀粉可应 用于开发特定保健食品、热量持续型运动饮料等产 品。缓慢消化淀粉由大部分无定形成分和小部分有 序结构的双螺旋成分构成,所以淀粉经过普鲁兰酶 脱支处理后产生更多的短链,他们通过氢键与疏水 作用进行排列和交连,聚集形成结晶结构即产生缓 慢消化淀粉。Guraya H S等采用普鲁兰酶脱支处理 大米淀粉可最大限度得到缓慢消化淀粉,其制备工 艺为每100 g蜡质淀粉用10 g普鲁兰酶脱支处理4 h后在1℃储藏。王萍等研究了采用普鲁兰酶脱支 处理制备大米缓慢消化淀粉工艺,缓慢消化淀粉含 量达到58 g/100 g。
4.4直链淀粉生产中的应用
植物淀粉中直链淀粉所占比例都较少,大部分 为支链淀粉。利用普鲁兰酶可切断支链淀粉分子中 的α-1,6-葡萄糖苷键,将支链淀粉全部转变成 直链淀粉,而且纯度高。
经普鲁兰酶脱支处理的淀粉形成的膜具有良好 的强度和隔氧性,适用于食品的包装膜。同时,生 产中反应条件温和,不造成环境污染,其产品也是 一种不会因焚烧、丢弃而带来公害的能被生物分解 的物质,是一种有发展前景的绿色包装膜。因此利 用高直链淀粉生产可食性包装膜是解决目前日益严 重的“白色污染”的有效途径。
此外,高直链淀粉具有独特的物理和化学性 质,这些特性用于糖果业,作为增稠剂用于布丁和 一些精制食品的制作。由于直链淀粉凝沉性好,因 此高直链淀粉含量的绿豆制得的粉丝质量比其他淀 粉都好。
美国虽然通过遗传育种的方法得到含直链淀粉 60 g/100 g玉米新品种,但在育种中存在淀粉总含 量下降,水分含量增加,产量下降等问题,不大适 于大量生产。国外已采用普鲁兰酶改变淀粉结构, 可使支链淀粉变为直链淀粉。据报道,采用此法收 率可达100%。
目前,我国所需的直链淀粉主要依赖进口,而 且价格昂贵,是普通淀粉的16倍,每年花去大量 外汇。从我国食品及相关产业的发展来看,利用普 鲁兰酶开展高直链淀粉的生产与加工具有巨大的经 济效益与社会效益。
5结束语
普鲁兰酶与其他淀粉酶协同作用或单独作用, 使食品质量提高,降低粮耗,节约成本,减少污 染。普鲁兰酶能分解支链的特性决定了他在食品工 业中的广泛应用,已成为淀粉酶制剂中一个很有前 途的新品种,具有广阔的开发和应用前景。其在食 品工业中的应用研究也将日趋广泛和深入。目前国 际上普鲁兰酶的工业化生产被丹麦垄断,我国仅局 限于实验室研究,且酶活较低,所以开发普鲁兰酶 对食品加工领域具有重要的工业价值。
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