α--淀粉酶

α-淀粉酶陈国威2011-11-13摘要：α-淀粉酶分布十分广泛，遍及微生物至高等植物。α-淀粉酶是一种十分重要的酶制剂，大量应用于粮食加工、食品工业、酿造、发酵、纺织品工业和医药行业等，是应用最为广泛的酶制剂之一。本文概述了α-淀粉酶的发现和应用发展史、分离纯化及结构的研究史、催化机制及其研究史、工业化生产和应用现状与发展趋势等。关键词：α-淀粉酶发现应用分离纯化结构催化机制研究史发展趋势Overviewofα-amylaseAbstract:α-amylasesarewelldistributedthroughoutmicroorganismsandotherbiological.α-amylasesareoneofthemostpopularandimportantformofindustrialenzymes，whichareusedextensivelyforgrainprocessing，foodprocessing,brewing,fermentation,textileindustryandpharmaceuticalindustry.Thisarticleoutlinesthediscoveryofα-amylaseandapplicationhistory,purificationandstructureofhistory,catalyticmechanismanditsresearchhistory,industrialproductionandapplicationstatusanddevelopmenttrends.Keywords:α-amylases;discovery;application;purification;structure;catalyticmechanism;researchhistory;developmenttrends.α-淀粉酶(α-1,4-D-葡萄糖-葡萄糖苷水解酶)普遍分布在动物、植物和微生物中,是一种重要的淀粉水解酶。其作用于淀粉时从淀粉分子的内部随机切开α-1，4糖苷键，生成糊精和还原糖。由于产物的末端残基碳原子构型为α构型，故称α-淀粉酶。现在α-淀粉酶泛指能够从淀粉分子内部随机切开α-1，4糖苷键，起液化作用的一类酶。1α-淀粉酶的发现和应用史1.1α-淀粉酶的发现啤酒是最古老的酒精饮料，发酵是其关键步骤，其中所包含的糖化过程就是把淀粉转化为糖。这个转化过程的机理一直都没有被弄清楚，直到淀粉的发现。在19世纪早期，许多科学家都在研究谷物提取物中淀粉的消化机理。Nasse（1811年）发现，从生物体中提取的淀粉能过被转化为糖，而从被沸水杀死的植物细胞中提取的淀粉不能被转化为糖。Kirchhoff（1815年）做了一个巧妙的实验。他将4份的冷水加入到2份的淀粉中，并边加边搅拌。之后加入20份的沸水使其形成一层厚厚的淀粉糊。在淀粉糊还是余温的时候，加入被粉碎的麸质（或麦芽），然后在40－60°列式温度下水浴。1－2小时后发现，淀粉糊开始缓慢液化。8－10小时后，淀粉糊被转化为一种甜的溶液。之后，他将其通过过滤和蒸发浓缩得到了糖浆，品尝后发现，其和发酵液一样甜。在操作的过程中，他注明了实验过程中仅添加了非常少的麸质，并且得到的糖浆与淀粉的量成正比。此外，如果在加入麸质前加入几滴高浓度的硫磺酸，最终就没有糖生成。从这个实验中他得到结论1）麸质是一种能够使温水中的淀粉粉末转化为糖的物质。2）作为种子发芽的结果，相比种子内的物质而言，麸质能过将更多的淀粉转化为糖。至此,Kirchhoff奠定了发现谷物中一种能够将淀粉转化为糖的蛋白质的基础。另一个研究进展是由Payen和Persoz（1833年）发现。他们发现在发酵液的酒精析出物中含有一种对热不稳定的物质，它能使淀粉转化为糖。他们将其称为“diastase”，它就是现代所说的淀粉酶。1886年，Lintner发现了两种淀粉酶-淀粉液化酶和淀粉糖化酶。1924年，Kuhn将淀粉水解酶归为两类。将发酵过程中能够将淀粉水解为β－淀粉酶，其能够将淀粉水解为β型麦芽糖。将能够液化和糊化淀粉的酶称为α－淀粉酶，其作用于淀粉的产物表现为低旋光性，这一点为α型麦芽糖和相关糖的特性[1]。1.2α-淀粉酶的应用史及现状早在1833年payen从麦芽抽提液中用酒精沉淀出白色沉淀,可以使200倍的淀粉液化,取名为“diastase”，并出售用于棉布的退浆。1894年tadamin用麸皮培养米曲霉制造淀粉酶作为消化剂,建立了高峰制药厂―现miles公司的前身。1913年法国Bioden与Effront发明用枯草杆菌生产α－淀粉酶,以其耐热性取代了麦芽淀粉酶用于棉布的退浆,创建了rapedase工厂(现并入了gistbrocades公司)。从此酶制剂工业揭开序幕。第二次世界大战后,随着抗生素工业的发展,微生物的培养技术、发酵工艺和发酵罐的革新,酶制剂工业有了飞跃的发展,进人了工业化大生产的阶段。1949年日本采用深层通风培养法生产α－淀粉酶。1959年,日本采用淀粉酶和糖化酶进行淀粉的液化和糖化,确定了酶法制造葡萄糖浆的工艺,革除了沿用100年酸水解工业,使淀粉出糖率由80%提高到100%。1973耐热性α－淀粉酶投人生产。从此淀粉酶的生产又进入了一个新阶段[2]。据统计,α－淀粉酶和糖化酶是酶制剂的主要品种。如美国1975年酶制剂总产值为5151万美元,淀粉酶类为1550万美元,1980年总产值是6681万美元,其中淀粉酶类约占20%。在日本,1976年酶制剂总销售额为2999百万日元,α－淀粉酶为1530百万日元,占50%。将淀粉用α-淀粉酶液化、糖化酶糖化进而提取葡萄糖的工艺奠定了果糖浆和淀粉糖浆生产的基础,因而改变了糖品种的结构,开辟了淀粉加工的新途径。1980年,美国果葡萄浆用量已达40亿磅,折合成湿淀粉为280万吨,若加上未统计的数字,估计实际可达500万吨。仅生产可口可乐每年则需用糖浆100万吨[3]。目前,除开展大量常规诱变育种工作外,国外已初步搞清了α一淀粉酶的调控基因,探讨了有关转导转化和基因克隆等育种技术。将枯草芽抱杆菌重组体的基因引入生产菌株阴,使α－淀粉酶产量提高7－10倍,并已应用于食品和制酒工业,给选育高产α－淀粉酶菌株开创了新的途径[4]。α-淀粉酶在动物、植物、微生物中均能产生，但大量生产还是主要靠微生物发酵。有关的属有：Bacillus，Bacteroides，Clostridium，Thermomonospora，Acinetobacter，Thermophile，Pseudomonas，Streptomyces，Thermoactinomyces，Aspergillus，Mucor，Neurospora，Penicillium等。世界许多国家都以枯草杆菌（B.subtilis）生产的细菌淀粉酶和米曲霉（Aspergillusoryzae）生产的真菌淀粉酶为主要产品[5]。下面仅以真菌α-淀粉酶的生产应用现状为例说明。目前国际上仅有诺维信、丹尼斯克和帝斯曼等少数几家大型酶制剂公司拥有真菌α-淀粉酶的先进的生产技术与产品，且一直处于国际领先水平，其发酵水平一般在2000U/g以上(固态发酵)。虽然，我国早在1965年就已在无锡建成我国第一个酶制剂厂—无锡酶制剂厂，并相继在国内实现了α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶及高温α-淀粉酶等生物酶制剂的生产和利用。但是，我国在很长一段时间内对真菌α-淀粉酶的生产却处于空白状态，或有少量的自主产品面市，仍然远不能满足市场需求，使得我国必须通过大量进口才得以满足国内食品或发酵等工业日益增长的使用需求。随着真菌α-淀粉酶需求量的日益增加及其相对较昂贵的价格，使得近年来越来越多的国内研究者开始关注真菌α-淀粉酶研究与开发工作。国内报道的发酵水平大多数为200-600U/g。至2004年，河南省科学院生物研究所与郑州海韦力食品有限公司合作，以米曲霉为出发菌株，通过粒子束、60Co、r-射线、微波、紫外线、亚硝酸和硫酸二乙酯等6种物理和化学诱变剂交替作用方法选育出了一株产酶水平较高菌株，其平均生产水平为1283U/g，“整体技术达到了国内同类研究的领先水平”。时至今日，国内已有多家酶制剂公司拥有真菌α-淀粉酶产品，在一定程度上缓解了国内对该酶种需求的压力，然而因国内企业的生产水平和产品多样性距国际领先水平仍有一定差距，所以国内市场供应的真菌α-淀粉酶大部分来自国外企业，使得在该酶种的市场占有中，中国企业一直处于劣势[6]。2酶的催化机制、空间结构及研究史2.1酶的催化机制α-淀粉酶在结构上的相似性使人们相信他们具有相似的催化机制。McCarter、Davies均提出α-淀粉酶的催化过程包括三步，共发生2次置换反应。第一步，底物某个糖残基要先结合在酶活性部位的-1亚结合位点，该糖基氧原子被充当质子供体的酸性氨基酸（如GLU）所质子化；第二步，-1亚结合位点的另一个亲核氨基酸（如ASP）对糖残基的C1碳原子进行亲核攻击，与底物形成共价中间产物，同时断裂C1-OR键，置换出底物的糖基配基部分；第三步，糖基配基离去之后，水分子被激活（这可能正是被刚去质子化的GLU所激活），这个水分子再将ASP的亲核氧与糖残基的C1之间的共价键C1-ASP水解掉，置换出酶分子的ASP残基，水解反应完成。在第二次置换反应中，如果进攻残基不是水分子，而是一个带有游离羟基的糖（寡糖）ROH，那么酶分子的ASP残基被置换出去后，就发生了糖基转移反应而非水解反应[7]。2.2酶催化机制的研究史α-淀粉酶的结构首先由MATSUURA(MATSUURAetal.,1979;1984)发现。（KUSUNOKIetal.,1990）单斜晶体被提炼出。斜方晶系的天然形态(BOELetal.,1990)和阿卡波糖混合形态(BRZOZOWSKIetal.,1997)被提炼出来。在单斜晶态分析中，在酶的活性部位发现了与麦芽糖的结合键。于是根据分子模型的研究，底物和酶键结合的假设被提出来。之后，根据阿卡波糖混合形态结构，证实了确实存在底物和酶键结合模型。抑制剂阿卡波糖也被用于其他和淀粉酶结构分析中，用于模拟想象底物和酶键结合的模型(QIANetal.,1994;FUJIMOTOetal.;1998,KADZIOLAetal.;1998,BRAYERetal.,2000)。它们的结构表明酶和底物可能有相互作用。催化残基和底物之间的氢键是Asp206-O1(-1),O6(-1),Glu230-O1(-1),andAsp297-O2,O3(-1)[8]。2.3酶空间结构及研究史α-淀粉酶的三级空间结构是通过X衍射在3Ao溶液中应用多对同晶型置换法得到（Mat-suur,Y;Kusunoki,M;Date,W;Date,W;Harada,S;Bando,S;elat1979J.Biochem.86,1773-1783;1980J.Biochem.87,1555-1558)。其一级结构氨基酸排列顺序于1982年完成（Toda，H；Kondo，Ketal1982Proc.Jpn.Acad.58B,208-212）。分子结构模型的建立是通过应用骨架模型配合电子密度分布的结果完成的，而电子密度分布是通过分子置换技术而总结得到的（Bricogue，G1976ActaCryst，A32,832-847）。以下是关于α-淀粉酶（TTA）简要的空间结构的描述。α-淀粉酶是由478个氨基酸残基组成，它们折叠在三级结构的两大区域。其中，最初的380个残基组成了区域A，剩余的组成了区域B。区域A包括一个（βα）8的超二级结构。在（βα）8的超二级结构中，α螺旋和β折叠的空间分布与磷酸丙糖异构酶、丙酮酸激酶或醛缩酶类似。区域B是由8条反向平行的β-片层组成。这两个区域由一条单链多肽连接着。该多肽链有广阔的结合部位，该部位主要是由疏水残基组成。一个较大的裂缝位于区域A平行的β-barrel的羧基末端。四个二硫键在电子密度分布图中被标出，它们分别连接着残基30-3