CN86100055A

CN86100055A - α-淀粉酶的热稳定性

Info

Publication number: CN86100055A
Application number: CN86100055.2A
Authority: CN
Inventors: 蒙哥马利·柯蒂斯·杰里; 谢泰·杰亚拉马·卡登戈; 辛格利·埃里克·查尔斯
Original assignee: Miles Laboratories Inc
Current assignee: Genencor International Indiana Inc
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1986-01-06
Publication date: 1986-08-27
Also published as: ES551391A0; CA1264453A; EP0189838A2; ES8705918A1; EP0189838B1; DE3682405D1; US4717662A; MX163207B; MX169089B; DK45686D0; DK45686A; CN1004492B; DK168950B1; EP0189838A3; CA1264453C

Abstract

本发明揭示了增强微生物α-淀粉酶热稳定性的方法。方法包括在酶的水溶液中加入稳定量的亲水脂两性物。其中稳定化的α-淀粉酶的配方及其在淀粉液化中的应用也包括在此发明的范围之内。

Description

本申请是1985年1月31日归档的美国专利申请号697036的补充部分。

使用热稳定的淀粉酶作为淀粉液化时的稀薄剂是糖类增甜物生产中的一项重要改进。淀粉基质的酶促液化减少了不想要的副产物的形成，并且允许盐的使用在符合需要的低水平，因为在最终的葡萄糖浆中高水平的盐份要用离子交换树脂来除去，会造成额外的生产费用。用酶（如α-淀粉酶）在高温下液化淀粉，主要依靠这种酶的热稳定性，因为受热引起酶的不可逆变性。这种变性造成完全丧失生化催化活性。从嗜热微生物得到热稳定的α-淀粉酶已经用于水解、液化淀粉，或把含淀粉的物质转变成淀粉水解物。例如，美国专利3654081和3912590阐述了地衣形芽孢杆菌产生的热稳定α-淀粉酶在高温下对淀粉的液化作用。

许多商业上得到的α-淀粉酶产品来源于细菌，如枯草杆菌、地衣形芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌等。真菌的α-淀粉酶在高温下液化淀粉的应用十分有限，因为一般认为它们不是热稳定的酶。

淀粉的酶解液化通常在高温下进行，以提高淀粉对酶促水解的敏感性。在液化过程优先采用的高温条件下，即使用热稳定的α-淀粉酶，也会造成上述的生物催化活性的丧失。于是，把稳定剂加到酶里提高酶的热稳定性。Wallerstein已在美国专利905029中公开，通过把硫酸钙加到含淀粉的培养基中来增强淀粉的酶促高温糖化作用。用钙离子使α-淀粉酶对热稳定，已经在工艺上普遍接受，但仍有某些缺点，如上述加盐到淀粉中出现的问题等即是。

近来，美国专利3654081中已公开，通过把钙盐和/或钠盐加入到最好有一些α-淀粉酶的淀粉水浆中，淀粉就能很容易被完全液化。

美国专利3912590已公开一种淀粉液化和稀化的复合过程，这个过程包括用一种来自地衣形芽孢杆菌的α-淀粉酶在高温下处理淀粉的水悬浮液。

美国专利4，284，722对一种来自嗜热脂肪芽孢杆菌的对热和酸稳定的α-淀粉酶提出权利要求。

Pace等在J.Biol.Chem.中报导溶菌酶在各种不用浓度的三乙基葡萄糖胺（tri-N-acetyl-gluco samine）时的热变性及盐酸胍变性。三乙基葡萄糖胺专一地结合在自然状态溶菌酶的活性部位，并且它的存在会导致蛋白质对热和盐酸胍变性的很容易观察得到的稳定作用。

把氯离子加到α-淀粉酶的水溶液中，已发现它会提供某些热稳定作用，尽管加氯离子的最初目的是调节PH值。

在美国专利4，497，867中，公开了延长枯草杆菌素（Subt-ilisin Carlsberg）的蛋白酶贮存期限（Shelf-life）的方法，它包括在酶溶液里加入钙离子和从甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐及混合物中选出来的一种水溶性羧化物。

美国专利4，318，818公开了一种稳定的酶水溶液的组分，它包括：

a）0-75%左右一种减低表面张力的清洁剂：

b）0.025%-10%左右的纯酶，最好是一种蛋白水解酶;

c）0-60%的低分子量的一级醇或二级醇;

d）0.1-10%左右的短链羧酸盐，最好是甲酸盐;

e）足够量的可溶性钙盐，每升提供0.1到10毫克分子的钙离子;和

f）其余为水补足。

在典型的工业操作中，淀粉是用热稳定的α-淀粉酶在80°-110℃左右的温度范围内，pH6.0以上被液化。为了在高温时酶进一步稳定化，一般加入钙盐（50-150ppmCa⁺⁺）。这些条件下进行淀粉酶促液化有三个缺点。首先，淀粉在pH6.0以上、80℃或更高温度进行水解，会促使淀粉还原基团的同分异构化，结果在以后的转化过程中形成maltulose，造成最后葡萄糖产量的下降。第二，液化了的淀粉进一步糖化产生葡萄糖，再转化成果糖，其中所使用的葡萄糖淀粉酶的最佳pH，对于麹霉菌型的葡萄糖淀粉酶来说，一般在4.5左右，而对于根霉菌型的酶来说是5.0左右。这样，当淀粉在pH6.0或6.0以上液化时，必须在用葡萄糖淀粉酶进行糖化之前就降低pH，这种调正pH，因加了酸而增加了葡萄糖浆中的盐含量，进而提高了为除去过多的盐所需要的离子交换树脂的费用。因为液化作用在pH6.0或6.0以下进行，必须补加钙离子（达到约500ppm）。这样，就使得从淀粉糖化制备的葡萄糖浆中完全除去钙离子一事变复杂了。（此葡萄糖浆系为用葡萄糖异构酶法生产高果糖玉米浆而制备的）

为增强α-淀粉酶在水溶液中的热稳定性，提出一种新的方法是十分需要的，这是本发明的目的。进一步的目的是要用这种方法制定出一种稳定化的α-淀粉酶的组成。

附带的目的是要提供这样一种组成，它不需要加入钙离子，而能在很低水平的钙（25-50ppm）的情况下液化淀粉。

另一目的是要提供pH低到5.0时能用于高温液化淀粉的一种反应组成。

本发明是一种增强细菌α-淀粉酶对热稳定性的方法。这方法包括在α-淀粉酶水溶液中加入致稳量的一种亲水脂两性物（amph-iphile）。用这一方法稳定化的α-淀粉酶溶液及其在淀粉液化中的应用也是本发明的范围。

本发明使用的α-淀粉酶是通过在营养生长培养基上培养适当的微生物所形成的胞外酶来产生的。亲水脂两性物稳定剂可以在除去微生物或酶溶液浓缩之前或之后加入。然后，在典型的操作中，微生物细胞用常规方法（如带有倾倒装置的离心或过泸）从含有α-淀粉酶的培养液中除去。再用超过泸和真空蒸发技术浓缩过泸物，以提供具有所需活性水平的酶溶液。这种酶溶液最好还要用本发明的方法使之稳定化。

提高α-淀粉酶溶液的热稳定性还通过加入致稳定量的亲水脂两性物来实现。至于亲水脂两性物（amphiphile）这一术语，我们的意思是一种分子或离子，具有极性的（水溶的）头部和非极性的（水不溶的）尾端。此外，亲水脂两性物必须大得足以每端表现出它自己的溶解性行为。亲水脂两性物的一般结构式是

其中X表示一个极性的或离子基团，如COO^-，NH⁺ ₄，OH，SO^＝ ₄，SO^＝ ₃或CONH₂，而R是非极性部分。这样，不同种类的亲水脂两性物被考虑到有助于α-淀粉酶的热稳定性作用。有用的亲水脂两性物的例子有醇类（如乙醇、丙醇、丁醇、苯甲醇等），胺（如苯胺、丁胺、乙胺、己胺等），酰胺（如丁酰胺、乙酰胺、苯乙酰胺、苯甲酰胺等）。我们不打算在解释该发明如何起作用时拘泥于任何专门理论，而是相信亲水脂两性物由于彼此间静电的和疏水性的相互作用有助于α-淀粉酶的热稳定性。在优先考虑的实例中，亲水脂两性物的离子基团是具有化学式：

R-COO^-

表示离子部分的羧酸盐，其中R是H，或者含有2到14个碳原子的脂肪族或芳香族基团。更特殊地，R能够是甲基、乙基、正丙基或异丙基、正丁基或异丁基、苯基或者被取代的苯基等。含有羧酸盐的亲水脂两性物能够以相应的羧酸形式引入到α-淀粉酶水溶液里，由于酸的盐有较高的溶解性，因此更倾向一种羧酸的钠盐或钙盐。

羧酸盐的离子，典型的代表是它们的钠盐形式，以一种致稳量加入到α-淀粉酶水溶液里（致稳量就是在很大程度上会提高酶对热失活的抗性所需要的量）。商业上得到的α-淀粉酶制备物经分析已显示出，它们在以实例Ⅰ所述测定MWU表示的每百万单位酶活力中，含有0.02克乙酸盐离子。存在乙酸盐离子可能是加乙酸调pH的结果。这样低的浓度并不足以给α-淀粉酶提供有意义的热稳定性。通常乙酸盐的浓度应该每克分子α-淀粉酶大约是2.89×10³克分子，这里为计算起见，α-淀粉酶的分子量为58.000。这相当于每百万单位酶活力有0.24克乙酸盐。其它亲水脂两性物使酶能有效地稳定所需的最低水平，随所用各种物质而有改变，但这种水平不需过多地实验就很容易测定。

乙酸盐作稳定剂时，稳定化的α-淀粉酶系统配方的制备通常加乙酸离子的钠盐到α-淀粉酶水溶液的浓缩物中，最终浓度是具有170，000-180，000 MWU/ml活性的酶浓缩物100ml中加入10克乙酸钠。在另一个实例中，加入α-淀粉酶之前或之后，把亲水脂两性物加到淀粉中，其加入量应足以使亲水脂两性物对α-淀粉酶形成当量比例。

实施本发明的方法在下列实例中作进一步的阐述。

实例Ⅰ

α-淀粉酶样品是用地衣形芽孢杆菌的一突变株培养在适当的营养生长培养液中产生的。发酵后，微生物细胞用常规方法除去，在溶液里剩下胞外酶。含酶的溶液再用超泸方法和真空蒸发浓缩到所要的活性水平340，000-360，000 MWU/克（每克中含修改过的Wohlgemuth单位）。

α-淀粉酶的活性是用淀粉-碘复合物的蓝值下降测定可溶性淀粉的水解来量度的。在一个典型操作中，5ml缓冲在pH5.4的2%可溶性淀粉和4ml水，同1ml适当稀释的酶在40℃水浴里一起保温。在每一定时间间隔（从加酶开始5-30分钟）取出1ml，注入到有5ml稀碘液的试管内，摇匀，显示的颜色再在Hellige公司600DA型日光比较亮度计（daylight comparator illuminator）来监测达到反应终点，以修改的Wohlgemuth单位监测酶的活力。一个修改的Wolhgemuth单位（MWU）是使1ml可溶性淀粉在测定的条件下，30分钟内糊精化为一定的蓝值的酶活力。用公式计算如下：

MWU/g＝ (100×30)/(TW)

这里，100＝每个保温混合物中淀粉的毫克数，

30＝以分钟表示的一定的糊精化时间，

T＝以分钟表示达到反应终点所需时间，

W＝加到保温混合物中的酶重量，以酶稀释液1ml样品里酶量的克数。

乙酸钠以各种不同的量加入到适当稀释过的（340，000 MWU/ml-1700 MWU/ml或0.2mg/ml蛋白质）酶溶液里，而保持溶液pH为5.8。每个溶液的酶活力以上述方法测定。然后酶溶液加热到90℃、10分钟。加热后再测酶活力。以确定加入乙酸钠对酶稳定性有什么影响（如果有影响的话）。乙酸钠不同水平的实验结果示于表1

表1.乙酸盐浓度对α-淀粉酶热稳定性的影响

每百万单位酶活力酶活力（MWU/ml）

加乙酸钠的克数室温下加热后残余活力百分数

对照 0 1714 0 0

0.235 1578 231 12.7

0.47 1714 286 15.7

2.35 1714 837 46.0

4.70 1818 735 40.4

11.75 1818 522 28.7

从表1可以确定，以乙酸钠的形式加入乙酸盐离子会增强α-淀粉酶的热稳定性。并且，所观察到的稳定作用随着乙酸盐浓度的增加而增加，在每百万单位酶活力有2.35克乙酸钠时达到最大活性，超过这个浓度水平时，热稳定性开始下降。

实例Ⅱ

单羧酸的钠盐，如甲酸钠，乙酸钠，丙酸钠和丁酸钠加入到含有40mg/ml蛋白质的酶溶液（α-淀粉酶活力为340，000MWU/ml）中，最终浓度为1.22M。

适当稀释后（1×100），酶溶液在pH5.8加热到95℃，通过稀释的酶液在不同时间间隔加热后测定残留的活性，来计算酶的热稳定性。50%失活所需时间（即半衰期，t 1/2 ）从残余活性百分数的对数，对保温时间作图进行计算。这些计算结果示于图1。从图1可以看到增加脂肪族链的长度对α-淀粉酶热稳定性的影响。增加脂肪族链的长度引起水溶液中酶在95℃、pH5.8时热稳定性成比例的增强。酶的热稳定性遵照这样的顺序：

甲酸盐＜乙酸盐＜丙酸盐＜丁酸盐。

甲酸处理过的酶的半衰期在95℃、pH5.8时是6.3分钟，而同样条件下的对照酶是1.8分钟。然而引入一非极性的甲基基团替代甲酸盐中的氢，引起酶热稳定性的明显提高（半衰期＝10.5分钟）。烷链进一步增长，在试验条件下酶的半衰期只引起微小的增加（每个CH₂基增加1.4分钟）。这样可以看到，含有非极性脂肪族链（尾端）和极性的羧基（头部）的化合物会防止酶在高温下的变性。

实例Ⅲ

在这实验中试了含有非极性芳香族基团的有机酸。酶溶液（40mg/ml蛋白质，α-淀粉酶的活力340，000 MWU/ml）中加入苯甲酸钠、苯乙酸钠、苯丙酸钠、二苯乙酸钠，最终浓度1.22M。这些芳香族酸也会引起α-淀粉酶在95℃、pH5.8时热稳定性明显提高。这些实验结果总结于表2。从表2能够确定，在试验过的芳香族羧酸中，苯甲酸提供稳定性最小，而二苯乙酸阴离子提供热稳定性最大。

表2、含非极性芳香族基团的羧酸盐对α-

淀粉酶热稳定性的影响（在95℃，pH5.8）

在95℃，pH5.8

钠盐结构式时的半衰期

对照 - 1.8分钟

苯甲酸

6分钟

苯乙酸

7分钟

苯丙酸

12分钟

二苯乙酸

15分钟

实例Ⅳ

乙酸钠加到含有40mg/ml蛋白质的α-淀粉酶浓缩物（α-淀粉酶活性340，000 MWU/ml）中，最终浓度1.22M（10%W/V），然后酶的水溶液用氢氧化钠调pH到5.0，5.6，6.0，7.0，8.0，9.0。在30分钟后，酶被稀释（1×100倍），并在不同时间间隔里加热到95℃，然而测定余下的酶活力。pH5.0和5.5时，测定在85℃的稳定性。为作比较，也测定了没有乙酸钠时pH对酶热稳定性的影响。其实验结果列于表3。

表3.pH对α-淀粉酶热稳定性的影响

半衰期.t 1/2

温度处理的pH 对照加0.0122M乙酸钠

85℃ pH5.0 1-1.5分钟 3分钟

pH5.5 6分钟 25分钟

95℃ pH6 3分钟 12分钟

pH7 6分钟 19分钟

pH8 11分钟 30分钟

pH9 15分钟 23分钟

从上述结果得到下列明显的特点：

1）.α-淀粉酶用含有一个羧基基团和脂肪族或芳香族的非极性残基的亲水脂两性物处理，使酶的热稳定性明显提高;

2）.增加非极性基团的链长，会提高热的稳定性;

3）.芳香族残基比脂肪族残基有更大的影响。

该发明的专利不是依据于任何独特的机理，而是从实验证据明显指出，观察到的稳定作用所要求的基本结构是由与酶的极性功能团相互作用的极性头部，和与酶分子邻近疏水残基相互作用的非极性烃（脂肪族和芳香族）的尾端所组成。也可能是烃尾把酶分子的某些部位与周围的水分子档隔开了，这就提供酶分子结构上抗热变性所必需的刚性。已观察到甲酸离子（HCOO^-）远不如乙酸、丙酸或丁酸提供的阴离子有效。甲酸阴离子中的氢同大量的水相互作用，趋向于减弱酶和阴离子的相互作用，而乙酸盐中的甲基能同蛋白质的邻近疏水侧链相互作用，让热稳定自由能明显增高。在试过的芳香族酸的阴离子中，苯甲酸的效能最小。可能是在羧基和苯环之间化学键的双链特性限制了羧基离子同酶分子极性残基相互作用的柔韧性。与加入羧酸盐提高α-淀粉酶热稳定性相应的附加稳定自由能已计算出，并给予表4。

表4.含有非极性脂肪族和芳香族残基的羧酸

在95℃，pH5.8时对α-淀粉酶热稳定性的影响

a） b）

化合物 t 1/2 （分钟） t 1/2 / 1/2 ° （-△G°）

（F）千卡/克分子

- 1.8 1 0

甲酸钠 6.3 3.5 0.9

乙酸钠 10.5 5.8 1.3

丙酸钠 11.9 6.6 1.4

丁酸钠 13.3 7.4 1.5

苯甲酸钠 6.0 3.3 0.9

苯乙酸钠 7.0 3.9 1.0

苯丙酸钠 12.0 6.7 1.4

二苯乙酸钠 15.0 8.3 1.5

a＝加入的配体产生的相对稳定性

b＝按公式-RTlnF给出的稳定自由能，

在这里，T＝368K

F＝相对稳定性因子

R＝气体常数，1.987卡/克分子/度

t 1/2 °＝配位体不存在时的半衰期

从表4可以确定，羧酸盐加到α-淀粉酶中会延长这酶的半衰期。相对稳定因子，即加入的化合物存在时的t 1/2 与它不存在时的t 1/2 。之比值，能随着羧酸链长的增加而增加。这种相对稳定因子用△G°＝-RTlnF的关系，能转变成随带的稳定性自由能，在这里T是酶加热达到的温度（°K），R是气体常数，F是相对稳定因子。甲酸给予稳定自由能0.9千卡/克分子。认为这主要是通过同酶的正电荷基团静电相互作用产生的，影响主要是熵的变化，是由解除水分子与带电基团相互作用所贡献的。丁酸中丁基给出的另外大约0.6千卡/克分子的稳定性可能来自一种强化的疏水性相互作用，这种作用对自由能也主要是熵的贡献。链长效应也有所增加，并且芳香环并不是不起作用的，它驱使相互作用着的分子朝向最佳作用位置。无论如何，这种相互作用（尽管很弱）有特异的静电成分和疏水成分。协同的相互作用可能比个别的相互作用给出更大的稳定化效果。这体现在产生效能的分子在酶的内部与之相互作用，虽不一定在活性部位，但一样地有助于迫使酶的构型在同样温度下保持更长时间的完整，或者能承受住暴露在更高的温度中。尽管并不排除表面上的相互作用，但成双的非极性基团的附加增强效应指出了这种相互作用的内在性。

Claims

1、增强细菌α-淀粉酶的热稳定性的方法，其特征是在α-淀粉酶水溶液中加入稳定量的亲水脂两性物。

2、根据权利要求1的方法，其中α-淀粉酶来自枯草杆菌、地衣形芽孢杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌，或者凝结芽孢杆菌等生物。

3、根据权利要求2的方法，其中生物种是地衣形芽孢杆菌。

4、根据权利要求1的方法，其中亲水脂两性物的一般结构式是

这里，X是COO^-，NH₄，OH，SO^＝ ₄，SO^＝ ₃，或CONH₂，R是非极性部分。

5、根据权利要求1的方法，其中亲水脂两性物的化学结构式是R-COO^-，R是含有2至14碳原子的脂肪族或芳香族基团。

6、根据权利要求5的方法，其中R是甲基、乙基、正丙基或异丙基、正丁基或异丁基、苯基、或取代的苯基。

7、根据权利要求5的方法，其中含有两极性（amphile）的羧酸盐，以它的金属盐形式加入到α-淀粉酶的水溶液中。

8、根据权利要求7的方法，其中金属是钠和钙。

9、根据权利要求5的方法，其中亲水脂两性物加到α-淀粉酶水溶液中，每克分子α-淀粉酶至少到2.89克分子羧酸盐的浓度，为计算起见，α-淀粉酶的分子量为58，000。

10、根据权利要求1的方法，其中亲水脂两性物是乙酸盐，它加到α-淀粉酶溶液中的浓度为每百万单位酶活力（以修改的Wohl-gemuth单位表示）至少0.24克乙酸盐离子。

11、稳定化的浓缩的α-淀粉酶水溶液其特征是含有稳定量的亲水脂两性物。

12、细菌地衣形芽孢杆菌菌种在适当营养培养基上生长时，所产生的α-淀粉酶水溶液的稳定化方法，其特征是包括在溶液中加入足够量碱性金属的乙酸盐，乙酸盐离子的浓度达到每百万单位α-淀粉酶活力（用修改的Wohlgemuth单位表示）至少0.24克乙酸盐的离子。

13、根据权利要求12的方法，其中α-淀粉酶在溶液中以足够的量存在，每毫升提供170，000-180，000修改过的Wohlgemuth单位。

14、根据权利要求12的方法，其中碱金属是钠。

15、从细菌地衣形芽孢杆菌产生的α-淀粉酶的稳定水溶液。这种溶液含有乙酸盐离子的量，每百万单位（修改的Wohlgemuth单位表示）至少有0.24克乙酸盐。

16、根据权利要求15的溶液，含有足够量α-淀粉酶，以提供每毫升170，000至180，000修改的Wohlgemuth单位的酶活力。

17、把淀粉转变为淀粉水解物的方法，其特征是此方法包括在达到淀粉液化的合适条件下，有稳定量的亲水脂两性物存在时，使淀粉接触到α-淀粉酶水溶液。

18、根据权利要求17的方法，其中亲水脂两性物是乙酸盐离子，它在α-淀粉酶溶液中存在的量是每百万单位（修改的Wohlg-emuth单位表示）酶活力至少0.24克乙酸盐。

19、根据权利要求17的方法，其中淀粉转变是在pH从5.0左右至6.0时进行的。

20、根据权利要求17的方法，其中亲水脂两性物被加到α-淀粉酶的水溶液内。

21、根据权利要求17的方法，其中亲水脂两性物加到淀粉中，或者在加入α-淀粉酶之前，或者之后。

22、淀粉液化的方法，其特征是它包括每百万单位（修改的Wohlgemuth单位表示）至少有0.24克乙酸盐的离子存在时，使淀粉接触到地衣形芽孢杆菌产生的α-淀粉酶水溶液，其pH被保持在5.0-6.0的水平。

23、根据权利要求22的方法，其中乙酸盐离子加到α-淀粉酶水溶液内。

24、根据权利要求22的方法，其中亲水脂两性物加到淀粉中或在加α-淀粉酶之前，或在之后。