Амилолитические ферменты в промышленной переработке крахмала

Основной полисахарид растительного происхождения – крахмал – образован двумя формами – амилозой и амилопектином. Амилоза состоит из длинных неразветвленных цепей, в которых все D-глюкопиранозы соединены α(1→4)-связью. Амилопектин – разветвленный полисахарид, в нем присутствует помимо α(1→4)-связей, около 5 % α(1→6)-гликозидных связей.

В тканях животных в значительных количествах накапливается другой полисахарид – гликоген, который также встречается у некоторых микроорганизмов, прежде всего у дрожжей. Он близок по строению к амилопектину, но отличается большей разветвленностью. Амилоза, амилопектин, гликоген – нередуцирующие сахара.

В основе промышленной переработки крахмала лежит его превращение в моносахара и декстрины. Ферментативный гидролиз крахмала осуществляется с помощью ферментов – амилаз, каждая из которых отличается специфичностью действия на молекулу крахмала как субстрата. В природе найдено несколько видов амилаз.

α-Амилаза (α-1,4-глюкан-4-глюканогидролаза) ускоряет гидролиз α(1→4)-гликозидных связей в молекуле крахмала без какого-либо определенного порядка (рис. 7). Действие α-амилазы на крахмал сопровождается быстрым снижением вязкости раствора крахмала вследствие уменьшения молекулярной массы олигосахаридов как продуктов гидролиза крахмала. В результате чего сначала образуются олигосахариды, содержащие три или более остатков α-D-глюкозы.

Гидролиз амилозы

Рисунок 7 – Действие α-амилазы на амилозу и амилопектин 1 – мальтоза; 2 – глюкоза; 3 – нормальный α-декстрин; 4 – разветвленный декстрин; * – редуцирующий конец; – действие α-амилазы

α-Амилаза является эндоферментом, так как она атакует внутренние гликозидные связи в молекуле крахмала, и для ее действия не имеет значения близость или удаленность нередуцирующих концевых остатков. Предварительно разваренный (клейстеризированный) крахмал подвергается гидролизу α-амилазой с образованием неокрашиваемых йодом продуктов – в основном, низкомолекулярных декстринов (флаво- и мальтодекстринов), α‑мальтозы и небольшого количества глюкозы:

Амилаза

Крахмал α-декстрины + α-мальтоза + глюкоза

Много мало мало

Образование в процессе гидролиза α-формы мальтозы определяет название фермента, α-амилаза.

Кроме крахмала, α-амилаза гидролизует также гликоген.

Для проявления максимальной активности α-амилазы необходимо присутствие кофактора – ионов кальция. В отсутствии последних α-амилаза неактивна. Ионы кальция повышают стабильность фермента при изменении температуры и рН. Обычно α-амилаза содержит достаточно кальция, но в условиях промышленного применения фермента кальций вносят дополнительно.

α-амилаза найдена у всех растений. α-амилазу животного происхождения активируют ионы хлора (что проявляется, в частности, в повышении аппетита при употреблении подсоленой пищи), в то время как α-амилаза солода и плесневых грибов не нуждается в присутствии ионов хлора. Оптимальная температура для действия α-амилазы не более 70 °С; она действует в нейтральной или слабокислой средах.

Промышленные ферментные препараты, содержащие α-амилазу [12]:

Ликвамил 1200 – бактериальная мезофильная α-амилаза, специально разработанная для схем, перерабатывающих крахмалистое сырье под давлением. Применяется для разжижения и декстринизации кpaхмала. Активность препарaта – не менее 2500 ед/см³. Дозировка препарата – 0,3-0,4 л/т условного крахмала для всех видов зернового сырья. Дозируется непосредственно в осахариватель при температуре 58...60 ⁰С. Рабочий рН‑диапазон препарaта – 5,5-8,0.

Миколаза – грибная α-амилаза, специально разработанная для классических схем переработки крахмалистого сырья под давлением. Осуществляет гидролиз крахмала до декстринов, олигосахаридов и мальтозы. Применяется для всех видов зернового сырья с рН замесов ниже 5,0. Эффективно использование на схемах с рециркуляцией барды, при применении технологической воды с рН ниже 5,0, при переработке некондиционного сырья и ржи вследствие перехода органических кислот зерна в сусло, которые значительно снижают его рН. Активность препарата – не менее 8000 ед/см³. Рабочий диапазон рН – 4,0-6,6. Дозируется непосредственно в осахариватель при температуре 58...60 ⁰С. Норма расхода препарата – 0,12-0,20 л/т условного крахмала.

Также эффективно использование миколазы на стадии брожения, вследствие ее способности к разрыву 1,6-связей. 3начительно сокращаются сроки брожения, так как с использованием миколазы получается больше сбраживаемых углеводов за более короткий срок. Дозируется в бродильный чан в количестве 0,05 л/т условного крахмала.

Зимаджунт НТ-340C+N – термостабильная, бактериальная, кислотоустойчивая α-амилаза. Используется для разжижения крахмала на мягких схемах переработки крахмалистого сырья, а также на схемах с естественным регулированием рН среды. Активность препарата – не менее 340 ед/см³. Рабочий диапазон рН препарата – 4,0-7,5 и температуры – 60...85 ⁰С. Дозировка составляет 0,3-0,4 л/т условного крахмала. Задается непосредственно в смеситель при температуре 45...50 ⁰С. Особенно интересен препарат для 2-х ступенчатых схем мягкого разваривания крахмалистого сырья, где гидролиз крахмала проходит на двух или трех уровнях подъема температур.

Эффективно применение препарата на периодической схеме разваривания под давлением. Препарат задается в крахмальную массу после сброса давления при температуре 80...85 ⁰С.

Зимаджунт НТ-340C+ – термостабильная, бактериальная α-амилаза, применяемая для разжижения крахмала на мягких схемах. Активность препарата – не менее 600 ед/см³. Рабочий диапазон рН препарата – 5,5-8,0 и температуры – 85...90 ⁰С. Дозировка составляет 0,25-0,3 л/т условного крахмала. Задается в смеситель при температуре 45...50 ⁰С. Также эффективно применение препарата на периодических cxeмax, когда он вносится после сброса давления при температуре 85...90 ⁰С.

Амилаза НТ 4000 – термостабильная бактeриальная α-амилаза, применяемая для разжижения крахмала на мягких схемах. Активность препарата – более 600 ед/см³. Рабочий диапазон рН препарата – 5,0-8,0 и температуры 85...95 ⁰С. Дозировка составляет 0,25-0,35 л/т условного крахмала. Задается в смеситель при температуре 45...50 ⁰С. Препарат отличается хорошей устойчивостью к высоким температурам, эффективностью его использования на одноступенчатых мягких схемах переработки крахмала. Температура полной инактивации препарата 120 ⁰С.

Успешно применяется на периодических схемах, где с помощью амилаз гидродиз крахмала происходит при высоких температypах.

β-Амилаза (α-1,4-глюкан-мальтогидролаза) – экзофермент, который ускоряет реакцию гидролиза крахмала по α(1→4)-связям, последовательно отщепляя остатки мальтозы, начиная с нередуцирующего конца молекулы крахмала; ее действие прекращается в точках разветвления (рис. 8).

Гидролиз амилозы

Рисунок 8 – Действие β‑амилазы на амилозу и амилопектин 1 – мальтоза; 2 – конечный β‑декстрин; * – редуцирующий конец; – действие β-амилазы

β-Амилаза в отличие от α-амилазы практически не действует на нативный крахмал. На клейстеризованный крахмал β-амилаза действует с образованием β-формы мальтозы. В соответствии с этим фермент и получил свое название.

Предполагают, что изменение пространственной конфигурации молекулы по месту образующегося гликозидного гидроксила при 1-м углеродном атоме остатка глюкозы происходит в момент гидролиза α‑гликозидной связи.

В качестве основных продуктов ферментативного гидролиза крахмала под действием β-амилазы выступают мальтоза и декстрины, содержащие значительное количество α(1→6)-гликозидных связей, так называемые β‑декстрины:

Амилаза

Крахмал β-мальтоза + β-декстрины

(54-58 %) (42-46 %)

β-Амилаза менее термостабильна, чем α-амилаза, но более кислотоустойчива. β-Амилаза растительного происхождения стабильна при температуре 40-50 °С и рН 4-8. Бактериальная β-амилаза активна при температуре не выше 55 °С и рН 5-9. β-Амилаза используется как индивидуальный фермент, но ее осахаривающая способность повышается в сочетании с α-амилазой. Комплекс этих ферментов позволяет расщепить крахмал до моно- и дисахаров на 94-96 %.

β-Амилаза характерна для высших растений, ее много в проросшем зерне (солоде), который долгое время считался единственным ее источником. В настоящее время широкое применение получил ферментный препарат бактериальной природы, так как многие бактерии синтезируют β-амилазу в больших количествах.

Глюкоамилаза или γ-амилаза (α-1,4-глюканглюкогидролаза) является экзоферментом: она действует с нередуцирующего конца молекулы амилозы или амилопектина, последовательно отщепляя молекулы β-D-глюкозы (рис. 9):

Глюкоамилаза

Крахмал β-D-глюкоза + декстрины

Глюкоамилаза расщепляет, в основном, высокомолекулярные соединения, хотя она способна гидролизовать гликозидную связь даже в молекулах дисахаридов (например, мальтозы).

Гидролиз амилозы

Рисунок 9 – Действие

глюкоамилазы на

амилозу и амилопектин

Гидролиз амилопектина 1 – глюкоза;

* – редуцирующий конец;

– действие

глюкоамилазы

Некоторые глюкоамилазы могут расщеплять помимо связи α(1→4), связь α(1→6) в молекуле крахмала, олигосахаридов, но только в том случае, если гликозидная связь α(1→6) следует за связью α(1→4). Глюкоамилаза ускоряет гидролиз не только крахмала, но и гликогена.

Глюкоамилазы стабильны при температуре 30-45 °С, реже при температуре 55-60 °С. Стабильность молекул микробных глюкоамилаз лежит в широком интервале рН от 2,5 до 9. Фермент распространен повсеместно: как в тканях животных, так и в плесневых грибах, но отсутствует в амилолитическом комплексе солода.

Некоторые промышленные ферментные препараты, содержащие глюкоамилазу [12]:

Глюкозим Л-400С+ – грибная глюкоамилаза, применяемая для осахаривания частично расщепленного крахмала. Активность препарата – не менее 6000 ед/см³. Норма расхода 0,65-0,8 л/т условного крахмала. Препарат подходит для всех видов зернового сырья. Дозировка зависит от степени расщепления крахмала α-амилазами, от качества используемого зерна, соблюдения температурных режимов по схеме и концентрации сухих веществ в сусла. Рабочий диапазон рН препарата – 4,0-5,5 и температуры – 55...60 ⁰С. Уникальность препарата заключается в высокой реакционной способности фермента глюкоамилазы при воздействии на субстрат. Также неоспоримо такое преимущество глюкозима перед другими препаратами, как активность при доосахаривании крахмала на стадиях дрожжегенерации и брожения в производстве этанола.

При минимальном расходе ферментного препарата происходит глубокое доосахаривание крахмала, что очень важно для поддержания роста дрожжевых клеток и полного использования сырья.

Конверзим АМГ 300 – грибная глюкоамилаза, которая также используется для осахаривания частично расщепленного крахмала. Глюкоамилазная активность препарата – около 6000 eд/cм³, амилолитическая активность препарата около 200 ед/см³. Норма расхода препарата – 0,7.-0,8 л/т условного крахмала.

Рабочий диапазон рН препарата – 4,0-5,5 и температуры – 55...60 ⁰С.

Задается непосредственно в осахариватель при температуре 55...60 ⁰С. Имея в cвоем комплексе α-амилазу и небольшое количество β-глюканазы, препарат рекомендуется для обработки зернового сусла из кожурного сырья.

Изоамилаза (гликоген-6-глюканогидролаза) гидролизует α(1→6)-связи в субстратах с разветвленной структурой, таких как, амилопектин, гликоген, β‑предельных декстринах. Этот фермент синтезируют многие бактерии и дрожжи. Изоамилаза способна гидролизовать субстрат при рН 3,5-6,5 и температуре 25‑50 °С. В сочетании с β-амилазой изоамилаза применяется для получения мальтозы, а также олигомеров крахмала линейной структуры.

а-Глюкозидаза (α-D-глюкозидглюканогидролаза) обладает способностью гидролизовать α(1→4)-связи с нередуцирующего конца субстрата с отщеплением остатка α-D-глюкозы в отличие от глюкоамилазы (см. выше):

Глюкозидаза

Олигосахариды α-D-глюкоза + декстрины изостроения

Помимо получения α-формы глюкозы, существует еще одно различие в воздействии α-глюкозидазы и глюкоамилазы на субстрат. α-Глюкозидаза характеризуется высокой трансферазной активностью, поэтому в процессе гидролиза субстрата накапливаются сахара изостроения. Этот фермент обладает способностью переносить α-D-глюкозильный остаток на соответствующий акцептор с образованием α(1→6)-связей.

Схема действия амилолитического комплекса α‑глюкозидазы на крахмал приведена на рисунке 10.

Амилоза

Глюкоза

β-Амилаза α-Амилаза

Мальтоза Глюкоамилаза

Глюкоза

Декстрины

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: