糖化酶的基本特点

预备知识　糖化酶的基本特点

糖化酶，全名葡萄糖淀粉酶，又称为淀粉α－1，4－葡萄糖苷酶或γ－淀粉酶，是一种单链的酸性糖苷水解酶，是具有外切酶活力的胞外酶，因为在发酵行业中主要用作将淀粉转化为葡萄糖，所以习惯上被称为糖化酶。糖化酶是世界上生产量最大、应用范围最广的酶制剂。糖化酶不仅用于酒类和酒精生产，还广泛地应用于葡萄糖、果葡糖浆、有机酸、味精等食品工业的多个领域。

一、糖化酶简介

糖化酶是应用历史悠久的酶类，1500年前我国已用糖化曲酿酒。20世纪20年代，法国人卡尔美脱才在越南研究我国小曲，并用于酒精生产。20世纪50年代投入工业化生产后，到现在除酒精行业外，糖化酶已广泛应用于酿酒、葡萄糖、氨基酸、果葡糖浆、抗生素、乳酸、有机酸、味精、棉纺厂等各方面，是世界上生产量最大、应用范围最广的酶类。

糖化酶是葡萄糖淀粉酶的简称（缩写GA或G），由一系列微生物分泌，是具有外切酶活性的胞外酶。其主要作用是从淀粉、糊精、糖原等碳链上的非还原性末端依次水解α－1，4－糖苷键，切下一个个葡萄糖单元，并像β－淀粉酶一样，使水解下来的葡萄糖发生构型变化，形成β－D－葡萄糖。对于支链淀粉，当遇到分支点时，它也可以水解α－1，6－糖苷键，只是速度比较缓慢，由此将支链淀粉全部水解成葡萄糖。糖化酶也能微弱水解α－1，3－糖苷键连接的碳链，但水解α－1，4－糖苷键的速度最快，一般都能将淀粉百分之百地水解生成葡萄糖。

二、糖化酶的结构组成

糖化酶是一种含有甘露糖、葡萄糖、半乳糖和糖醛酸的组合糖蛋白，含有一个催化域（CD）和一个淀粉结合域（SBD），两者之间通过O－糖基化连接域（L）连接起来，其结构模型见图6－8。

图6－8　糖化酶结构模型图

1．催化域的结构及其催化机制

糖化酶催化域含有400多个氨基酸残基，富含丝氨酸（Ser）和丙氨酸（Ala）两种氨基酸，其中Ser⁴⁴³和Ser⁴⁴⁴之间热稳定性较差，易断裂。来自不同真菌的糖化酶的催化域的二级结构有所差异。

Sauer等（2000）认为黑曲霉糖化酶水解α－1，4－糖苷键的机制是典型的酸碱催化，谷氨酸Glu¹⁷⁹和Glu⁴⁰⁰分别为催化中心的质子供体和质子受体，Glu¹⁷⁹提供的质子传递给淀粉链中易断裂的糖苷键上，形成含氧碳正离子，在Glu⁴⁰⁰协助下接受水的亲核攻击而使糖苷键断裂，同时使水解产生的α－D－（＋）_－葡萄糖异构化生成β－D－（＋）_－构型，其电子传递见图6－9。

图6－9　黑曲霉糖化酶催化反应中的电子传递模式

（A为Glu¹⁷⁹，B为Glu⁴⁰⁰）

2．O－糖基化连接域的结构与功能

O－糖基化连接域是一段约含70个氨基酸经高度糖基化的多肽链，不同生物来源的糖化酶含O－糖基化连接域的比例不同，可变性较大。该区域富含丝氨酸和苏氨酸残基，丝氨酸和苏氨酸位点是寡聚糖O－糖基化的糖基化位点。在糖化酶结构中，O－糖基连接域起连接催化域和淀粉结合域的作用。O－糖基连接域与低聚糖以共价键结合，对蛋白质骨架起到固定化作用，从而避免糖化酶被蛋白酶水解，而它本身不具有增强糖化酶亲和力的作用。此外，该结构域还具有增强糖化酶热稳定性的作用。

3．淀粉结合域的结构及其生物活性

根据氨基酸序列的同源性，淀粉结合域可被划分为6族，即CBM20、CBM21、CBM25、CBM26、CBM34和CBM41。来源不同的糖化酶分属不同的族别。采用基因重组蛋白技术研究表明，淀粉结合域不仅具有结合淀粉、多聚糖及寡聚糖等碳水化合物的功能，还具有协同催化域水解底物的生物活性。

三、糖化酶的性质

糖化酶是一种组合蛋白酶，相对分子质量在60000到1000000间，通常碳水化合物占4%～18%，但糖化酵母产生的糖化酶中碳水化合物高达80%，这些碳水化合物主要是半乳糖、葡萄糖、葡萄糖胺和甘露糖。另外，不同来源的糖化酶其等电点在3．4～7．0之间。

1．糖化酶的热稳定性

目前，有关糖化酶的热稳定性的研究很多，主要集中在糖化酶的热稳定性机理及筛选热稳定性糖化酶菌株上。工业上应用的糖化酶都是利用它的热稳定性。一般真菌产生的糖化酶热稳定性比酵母高，细菌产生的糖化酶耐高温性能优于真菌。在目前已发现的糖化酶中，Clostridium thermohydro－sulfuricum糖化酶是最耐热的酶，在70℃50%的淀粉溶液中完全稳定，在10%酒精液中也很稳定。即使在85℃下处理1h，其酶活力仍保持为50%。这种酶不受钙、EDTA和α－、β－、γ－环状糊精的影响。

2．糖化酶的pH稳定性

一般糖化酶都具有较窄的pH适应范围，但最适pH一般为4．5～6．5。不同微生物菌株产生的糖化酶其耐热性、pH稳定性各不相同。真菌、细菌产生的糖化酶由于耐热性较高，巴氏灭活处理不能使酶失活，在啤酒生产中易影响终产品的风味。

3．糖化酶的底物特异性

糖化酶对底物的水解速率不仅取决于酶的分子结构，同时也受到底物结构及大小的影响。许多研究表明，碳链越长，亲和性越强。但是各糖化酶组分对这些生淀粉的作用能力均小于对可溶性淀粉的作用能力，估计作用能力均降低与酶对底物作用的Km值上升有关。同时也表明了糖化酶对底物的亲和力，除了与酶本身的结构有关外，还与寡糖链本身的长度有关。

四、糖化酶的应用

1．糖化酶在酿造行业中的应用

我国传统酿造行业（包括白酒、黄酒等）的生产一直存在着成本高、产酒率低的问题。影响出酒率的因素虽然是多方面的，但主要是由于淀粉质原料的糖化不完全所致，利用糖化酶代替部分曲，提高糖化力，加快发酵速度，从而提高出酒率，缩短发酵周期，降低生产成本。尤其近几年活性干酵母的出现，更使糖化酶在酿酒中的用量飞速增长，既节约了原料，又降低了成本，提高了经济效益。

2．糖化酶在酿制干啤酒中的应用

干啤酒是一种发酵度高的淡爽型啤酒。提高发酵度的方法主要有添加发酵性糖法（加糖法）、添加酶制剂法（加酶法）和添加特种酵母法。左永泉报告过一种经过加酶法改进的干啤酒发酵生产工艺，采用多温度段糖化，提高麦汁可发酵性糖的比例。结果显示，应用此工艺酿制干啤酒，能够达到有效地提高啤酒发酵度的目的，生产出的干啤酒具有风味独特、口味干爽纯正等优点。

3．糖化酶在食品行业中的应用

目前，我国食醋酿造采用多菌种低温混合发酵，这种工艺存在着酒母培养条件差、酒母质量不稳定、原料淀粉利用率低、出醋率低、高温季节生产不稳定等诸多生产技术难题。而如果在发酵工艺中应用耐高温的活性干酵母和糖化酶，可以利用它们耐高温、耐酸度、抑制杂菌能力强的特性，保证食醋夏季生产的正常进行，不仅可以降低原材料的消耗，而且还显著提高了淀粉利用率和出醋率，具有较好的经济效益。

另外，在冷冻食品中加入糖化酶，使淀粉转化生成葡萄糖，进而降低浆料的冰点，可使冷冻食品组织状态更加完善；由于改变了淀粉的分子结构，可以防止淀粉老化返生，消除淀粉味感。加入糖化酶还可适当降低白砂糖、奶粉、奶油的用量，增加淀粉的用量，从而降低产品的生产成本，同时可使产品的口感细腻、柔软，质量得到改善。

4．其他

糖化酶在味精、抗生素、柠檬酸等工业生产过程中也有应用。比如在生产味精的过程中，第一步就是对淀粉质原料进行糖化。20世纪90年代以前，多采用无机酸催化剂，使淀粉转化成葡萄糖，但是该法有各种副反应和产生糖类的复合反应，导致糖液不仅收率低，而且糖液纯度下降。采用酶法糖化后，基本消除了上述问题，并使淀粉的转化率提高8%以上。