不同来源淀粉的分子结构对其酶解性能影响的研究

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淀粉糖是淀粉深加工的主要产品,因其可有效改善各种产品的品质和加工性,因此在食品工业中的应用越来越广泛。在淀粉糖酶法生产工艺中,影响淀粉糖生产效率和产品品质因素除了淀粉酶本身以外,还包括作为酶解反应底物的淀粉。淀粉的来源不同,其分子结构会表现出诸多差异,这些差异会对其酶解性能产生很大的影响。本论文以普通玉米淀粉、蜡质玉米淀粉、马铃薯淀粉、大米淀粉、木薯淀粉和豌豆淀粉为研究对象,在了解分子结构的基础上,进一步分析了这六种淀粉的酶促动力学和α-淀粉酶的酶解效率,得出了淀粉分子结构对其酶解性能的影响规律并分析其机理。主要研究内容如下:首先,分析比较了不同来源淀粉的分子结构差异。结果表明,六种淀粉中马铃薯淀粉和大米淀粉的分子结构比较特殊。马铃薯淀粉的分子量和旋转半径最大,分别为8.478×10~7g/mol和291nm;其直链淀粉含量较高,为26.4%,仅次于豌豆淀粉(35.1%);支链淀粉平均链长和平均外链长度最长,分别为27.2和22.6,平均内链长度最短,为3.6。大米淀粉的分子量和旋转半径最小,分别为5.911×10~7g/mol和197nm;其直链淀粉含量较低,为19.1%,仅比蜡质玉米淀粉直链含量高;支链淀粉的平均链长和平均外链长度最短,分别为22.7和15.7,平均内链长度最长,为6.1。通过分析六种淀粉的支链淀粉平均外链长度与旋转半径相关性可知,二者成线性正相关(r=0.9335, p<0.01),说明淀粉分子在水溶液中的所占的体积受到支链淀粉的平均外链长度的影响,平均外链长度越长,淀粉分子所占体积越大。同时,研究了不同来源淀粉的结晶特性和糊化特性,并分析淀粉分子结构与结晶特性和糊化特性之间的关系。结果表明,蜡质玉米淀粉不含直链淀粉,其淀粉颗粒的结晶度最高,为41.8%;豌豆淀粉直链淀粉含量最高,结晶度最低,为26.3%,且几种淀粉颗粒结晶度随直链淀粉含量的升高而递减,这可能是由于直链淀粉的存在不利于淀粉颗粒形成结晶结构。除马铃薯淀粉外,其余五种淀粉支链淀粉DP14-30所占比例与其糊化后的终值粘度呈显著负相关(r=0.9979, p<0.001),表明支链淀粉的链长分布对淀粉糊的粘度起到重要影响。其次,研究了不同来源淀粉几种常见淀粉酶的动力学参数,结果表明:六种淀粉的耐高温α-淀粉酶Km值与中温α-淀粉酶Km值具有相同的排序,葡萄糖淀粉酶Km值和β-淀粉酶Km值具有相同的排序,而二组之间并不相同。由于耐高温α-淀粉酶与中温α-淀粉酶同属内切酶,葡萄糖淀粉酶和β-淀粉酶同属外切酶,而其相同的排序说明内切酶和外切酶分别具有类似的作用规律。进一步研究了淀粉结构差异对α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶Km值的影响,结果表明,α-淀粉酶Km值与直链淀粉含量呈负相关(r=0.9757,p<0.001),说明相比于支链淀粉,直链淀粉与α-淀粉酶的亲和力更强;葡萄糖淀粉酶Km值随直链淀粉含量升高呈现先上升后下降的趋势;葡萄糖淀粉酶Km值随底物分子量的减小,呈现先下降后上升的趋势,表明葡萄糖淀粉酶的最适底物分子量既不能过小,也不能过大。最后,研究了不同来源淀粉的α-淀粉酶的酶解效率差异,结果表明,马铃薯淀粉酶解效率最高,反应180min后DE值达65;大米淀粉酶解效率最低,180min时DE值仅有48。进一步研究了淀粉的结构差异对α-淀粉酶的酶解效率影响,对并探讨相关机理。通过配制不同直链淀粉含量的淀粉溶液进行α-淀粉酶酶解实验,结果表明,α-淀粉酶酶解直链淀粉的效率要低于支链淀粉,虽然直链淀粉含量影响原淀粉的酶解,但可能不是造成不同来源淀粉酶解差异的主要因素。通过β-淀粉酶的作用,得到平均链长递减的支链淀粉,进行α-淀粉酶酶解实验,结果表明,平均链长越长,其α-淀粉酶酶解效率越高,二者线性相关性显著(r=0.9721, p<0.01)。由于α-淀粉酶不能水解淀粉中的的α-1,6糖苷键,也不能水解分支点附近的α-1,4糖苷键。对于分子量相同的支链淀粉来说,平均链长较短的支链淀粉比平均链长较长的支链淀粉拥有更多的α-1,6糖苷键,而这对于α-淀粉酶的酶解作用来说是一种阻碍,因此,平均链长越短的支链淀粉,α-淀粉酶酶解效率越低。
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