顏艷英，張曉莉，王 襲，宋 云，張清安

（陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119）

超聲對α-淀粉酶影響的研究進展

顏艷英，張曉莉，王 襲，宋 云，張清安*

（陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119）

α-淀粉酶是一種用途十分廣泛的工業(yè)酶制劑，其酶活性是最重要的生化指標之一.超聲波技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，它可以改變α-淀粉酶的酶活性.文章綜述了近幾年來的最新研究成果，闡述了不同的超聲功率、超聲頻率、超聲時間及超聲溫度對α-淀粉酶活性的影響，分析了其產(chǎn)生原因，探討了超聲的作用機理，并對今后的研究內(nèi)容進行了展望，以期為超聲在食品加工中的生產(chǎn)實踐提供必要的參考依據(jù).

α-淀粉酶；超聲；酶活性；超聲條件；超聲功率

超聲是一種頻率高于可聞聲頻率上限（20 kHz）的聲波，具有穿透力強、方向性較好、集中能量、便宜、綠色環(huán)保、高效、廉價等眾多獨特的優(yōu)點，在許多領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用價值.近幾年來，超聲在食品工業(yè)中的應(yīng)用也不斷的推進，已從最初的食品無損檢測、殺菌、保鮮、食品凍結(jié)、輔助提取、輔助過濾、輔助干燥、乳液的乳化和均質(zhì)等領(lǐng)域應(yīng)用到新型食品的制備、切割、老化、腌漬、改性等工藝操作[1-2].如今，超聲也成為修改酶活性的常用方法，但具體的作用機制還不明確.超聲在液體介質(zhì)傳播過程中會產(chǎn)生氣泡，氣泡生長到臨界尺寸后崩潰而產(chǎn)生強大的剪切力、壓力和高溫，使水中產(chǎn)生了大量自由基，這些現(xiàn)象可能促使酶的變性.Ma?as[3]通過在不同溫度下研究超聲對溶菌酶失活的影響，發(fā)現(xiàn)在低溫情況下超聲處理并沒有使溶菌酶快速失活，從而認為自由基不是促使溶菌酶失活的原因.當然對于不同酶來說，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)也起了關(guān)鍵作用.在研究超聲對酶活性影響的過程中，由于每個實驗室的條件和設(shè)備的差異，造成所得出來的結(jié)論和實驗數(shù)據(jù)差別比較大，有關(guān)超聲對酶的系統(tǒng)性研究還不夠嚴謹，因此有必要綜述和整理相關(guān)的知識，供研究參考.

淀粉酶即指參與淀粉水解、轉(zhuǎn)化和合成的各種酶.根據(jù)淀粉酶對淀粉的水解方式不同，淀粉酶可被分為葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶、β-淀粉酶和異淀粉酶等[4].其中，α-淀粉酶是分子量為45000到60000道爾頓的水解酶.早在1956年，日本就利用α-淀粉酶液化淀粉，從此有了酶法生產(chǎn)葡萄糖漿的工藝，使淀粉的出糖率從80%升高到100%.據(jù)不完全統(tǒng)計，1976年日本的酶制劑總銷售額為2999百萬日元，其中α-淀粉酶的銷售額為1530百萬日元，占50%[5].目前α-淀粉酶在食品工業(yè)、造紙工業(yè)、制藥工業(yè)、石油工業(yè)以及除垢脫漿等均有應(yīng)用，其中在食品中的應(yīng)用日益廣泛，且前途廣闊.為了提高α-淀粉酶在工業(yè)生產(chǎn)中的作用效率，節(jié)約能源和材料，有關(guān)調(diào)整α-淀粉酶活力的技術(shù)問題就亟待解決.本文通過參考大量的中外文獻，分析和總結(jié)了超聲功率、超聲頻率、超聲時間及超聲溫度等條件對α-淀粉酶影響.

1 超聲對酶活力的影響

一般情況下，一定范圍內(nèi)的高強度超聲對酶有抑制作用，使酶活力降低；而低強度的超聲對酶有激活作用，使酶活力提高[3，6-11].利用150 W的超聲波作用于菠蘿蛋白酶可使其酶活性提高19.48%[12].采用頻率為135 kHz、超聲強度為0.45 W/cm2的超聲波作用于木瓜蛋白酶，可使其活力比未經(jīng)超聲作用的木瓜蛋白酶活力提高25.21%[13].頻率為25 kHz的超聲波可以使魚消化器官中的淀粉酶活性提高約55%[14].超聲參數(shù)可以在一定程度上提高酶活力，同樣利用超聲也可以使酶活力降低，甚至失活[15-16].比如采用超聲波作用于海芋過氧化酶，在功率25 W、頻率13.5 kHz、超聲時間4min的條件下，海芋過氧化酶的酶活性下降為原酶活性的63.8%[17].

超聲對酶的作用非常復(fù)雜，超聲處理的功率、頻率和時間等條件會對酶活性產(chǎn)生促進或抑制作用[18].分析其原因可能是較弱的超聲產(chǎn)生的空化氣泡在聲壓為負壓時被拉伸，而在正壓階段又縮小，產(chǎn)生機械振動，增加酶與底物的碰撞幾率，使反應(yīng)更加充分；當聲壓的幅值超過空化閾值時，產(chǎn)生大量的空化氣泡，氣泡在負壓階段逐漸增大，在正壓階段劇烈壓縮，直至爆破，產(chǎn)生高溫高壓的環(huán)境，使大部分酶失活.

2 超聲條件對α-淀粉酶的影響

由以上的分析可以知道，超聲參數(shù)對α-淀粉酶的影響非常重要，當超聲參數(shù)選擇不當，特別是在高強度或長時間的處理條件下，超聲空化作用會破壞α-淀粉酶的分子結(jié)構(gòu)，從而改變淀粉酶的性質(zhì).超聲過程中，影響α-淀粉酶活力的重要因素包括功率、頻率、時間和溫度.

2.1 超聲功率的影響

α-淀粉酶的酶活力在高功率下受到抑制，而低功率的超聲處理則會增強其酶活力.Barton[19]發(fā)現(xiàn)采用功率為60 W的超聲波，可以激活不同底物濃度下的α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶，其中通過超聲處理α-淀粉酶催化淀粉的反應(yīng)速率升高了50%.王振斌[20]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：在淀粉液化過程中，當液化時間為50min，淀粉濃度為20%時，超聲10min，發(fā)現(xiàn)淀粉乳的液化值隨著超聲功率的增加而呈現(xiàn)出先增后減的現(xiàn)象，在超聲功率為100 W時，液化值達到最大值為30.67 mg/mL.

超聲對于不同狀態(tài)的酶（有機態(tài)酶、固定化酶和液化酶）作用效果也有差別，酶固定化以后，酶和底物會處于不同相中，底物需要通過水不溶性的網(wǎng)塊和擴散層，才可以與酶分子反應(yīng)，因此酶活在一定程度上取決于通透性，而超聲作用在很大程度上可以使物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變，增加通透性[21].對于固定化的淀粉酶，控制超聲條件為：15 kHz、5min、60 W時，可以使α-淀粉酶活力提高17.3%[22].而石文齊[23]等通過實驗得出80 W的超聲波處理液體的α-淀粉酶可以使其酶活力達到最大，比未經(jīng)超聲波處理的α-淀粉酶活力提高了13%.黃永春[24]等研究得出：在最適溫度和pH下，30 W、60 W、90 W的超聲功率均可以促進α-淀粉酶降解殼聚糖，但是在30 W時，對殼聚糖降解速度最大，而當功率增加到120 W時，降解速度反而比沒有超聲處理時還低.而陳小麗[25]等研究發(fā)現(xiàn)150 W的超聲波可使任意濃度的α-淀粉酶的酶活力得到不同程度的提高.

通過以上結(jié)果可以看出，盡管低功率超聲波促進α-淀粉酶活力的提高，然而不同的研究者得出的實驗結(jié)果差異很大，最大相差120 W，因此需要重視這個一直被研究者忽視的問題：在利用超聲處理酶時，大量的實驗者對超聲設(shè)備描述甚少，而且超聲功率一般采用的是理論值，而真實的超聲功率因其熱量損失、設(shè)備損害等原因而漂移，與理論功率相差甚遠，不能體現(xiàn)真實的實驗情況.因此，未來需要對實際的超聲參數(shù)進一步的研究.

2.2 超聲頻率的影響

超聲頻率是超聲處理中的一個重要參數(shù)，是指聲波每秒鐘來回振動的次數(shù).大量的實驗表明，不同的超聲頻率對于α-淀粉酶的酶活力影響有所不同，但差別并不大，α-淀粉酶的酶活力隨著頻率的增加大致呈現(xiàn)為先增后減的趨勢.當超聲功率設(shè)置為150 W時，不同頻率的超聲波處理5min后的α-淀粉酶活力與對照組相比，均有所提高，但相差并不是很大；當頻率為16.5 kHz時酶活力提高了27.96%，而后隨著頻率的增加酶活力開始下降[25].

通常，超聲空化增加，是α-淀粉酶活性改變的主要原因.而超聲波的頻率是影響超聲波空化效應(yīng)大小的主要因素.頻率越高，周期越短，為空泡生長、爆炸崩潰等空化過程所提供的時間就越不足，產(chǎn)生空化效應(yīng)，需要的聲強就越高[26-27].空化效應(yīng)也有一定閾值，頻率升高到一定程度空化就不在存在.同時，由于高聲強產(chǎn)生的大量空泡通過反射聲波而減小能量的傳遞以及α-淀粉酶結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等因素導(dǎo)致了α-淀粉酶體系的酶活性并非與超聲頻率呈線性關(guān)系，它存在一個最佳的超聲頻率值，此時淀粉酶活性達到最大.因此，應(yīng)該選擇最佳的超聲頻率來調(diào)節(jié)α-淀粉酶的活性.

2.3 超聲時間的影響

超聲時間對酶活力的影響也十分顯著.在超聲初期，淀粉酶的酶活力隨時間的增加而逐漸增大，但當達到一定的時間后，隨時間的增加酶活力反而減弱[12，18，25].石文奇等[23]通過控制超聲功率為（80 W）測定不同時間對α-淀粉酶的影響，4min左右時酶活力最大，隨后逐漸地下降.這是由于在4min時，超聲作用產(chǎn)生的溫度正好是α-淀粉酶的最適溫度，同時超聲產(chǎn)生的微流促使淀粉進入α-淀粉酶的活性部位[28].

超聲時間對α-淀粉酶的影響同時也受到超聲功率的限制，通過研究不同超聲功率和超聲時間下α-淀粉酶對殼聚糖的降解作用，結(jié)果表明：當超聲功率很小時，α-淀粉酶對殼聚糖的水解作用隨時間的增加變化很大，幾乎呈直線增長；但當超聲功率很大時，α-淀粉酶對殼聚糖的降解作用隨時間變化緩慢，到了180min后變化已經(jīng)很小了.這就表明要想縮短超聲時間，應(yīng)該適當?shù)卦龃蟪暪β蔥29].

2.4 超聲溫度的影響

在超聲應(yīng)用中，不同的超聲溫度下的實驗結(jié)果可能是由于空化效應(yīng)和熱效應(yīng)的組合.從空化效應(yīng)的角度來看，溫度升高具有負面影響[30]，溫度變化率也會降低.然而，從熱效應(yīng)的角度來看，溫度的升高可以增加酶活性.因此，應(yīng)該清楚地指出，在這里最佳的工作溫度一定存在，這一結(jié)論和石文奇等[23]的研究結(jié)論是一致的.

超聲在液體中傳播時，其機械能會被液體介質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為熱能，使介質(zhì)的溫度升高，進而對液體引發(fā)各種作用.此外，超聲空化作用可集中聲波能量，并瞬間釋放能量，在空化泡的周圍產(chǎn)生局部的高溫.這導(dǎo)致超聲過程中溫度很難控制，添加冰塊可以抵消水溫的上升，但很不穩(wěn)定，而且由于冰塊的折射和反射會影響聲波的傳播.綜合考慮，最好的選擇是附加冷水循環(huán).

3 超聲作用機理的研究

一般來說，超聲波對介質(zhì)的作用機理可以歸結(jié)為：空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)，其中起主要作用的是超聲空化[31].所謂的超聲空化是指，在超聲作用下液體中的微小泡核被激活，隨后表現(xiàn)為泡核的振蕩、生長、收縮及崩潰一系列動力學(xué)過程.附著在固體雜質(zhì)、容器表面上及細縫中的微氣泡，或者因結(jié)構(gòu)不均勻而造成液體中抗張強度減弱的微小區(qū)域中析出的溶解氣體等，都可以構(gòu)成這種微小泡核[32].當聲波在媒質(zhì)中傳播時，它將引起媒質(zhì)分子在其平衡位置振動.在聲波壓縮相內(nèi)，分子間的平均距離減小，而在稀疏相內(nèi)，分子間距則增大.如果聲強足夠大，使液體受到的相應(yīng)負壓力也足夠強，那么分子間的平均距離就會逐步增大直到達到極限距離，破壞了液體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致產(chǎn)生空腔或空穴，但是在相繼而來的正壓相內(nèi)的這些空穴或空腔又將會被壓縮，使一些空化泡將進入持續(xù)振蕩，而另外一些空化泡將完全崩潰.

空化效應(yīng)破壞物質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性是超聲作用機制之一，但目前具體的完整作用機制仍不太清楚.酶作為一種蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)，因此，為了探討超聲波對酶的具體作用機理，超聲對酶分子構(gòu)象的影響成為了研究熱點.華南理工大學(xué)陳小麗[33]等通過紫外差示吸收值分析得出超聲處理改變了酶分子的二級結(jié)構(gòu)，增大酶與底物的契合程度.超聲波作用于大分子物質(zhì)，會使物質(zhì)分子內(nèi)產(chǎn)生極大的運動加速度、局部的高壓及劇烈的溫度變化，從而使大分子物質(zhì)產(chǎn)生局部鍵的斷裂及分子間距離增大，破壞了大分子物質(zhì)的完整性.然而，不同分子量的物質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果也不相同，付陳梅[34]等人認為，空化效應(yīng)和熱效應(yīng)對低分子量的物質(zhì)來說，效果更為顯著，而機械效應(yīng)對于高分子量的物質(zhì)的顯著作用隨分子量的增加而增加.超聲對酶的作用機制是非常復(fù)雜的，仍需要不斷地探索更加地完整的、具體的作用機制.

4 展望

超聲技術(shù)作用于酶，一方面可以提高酶活性，減少反應(yīng)時間，提高反應(yīng)速率；另一方面可以抑制酶活力或使酶失活，從而減少工業(yè)中不必要的反應(yīng).而目前利用超聲設(shè)備作用于淀粉酶的參數(shù)絕大部分采用理論值，并非實際值.實驗過程中超聲設(shè)備由于長時間的使用，可能使頻率漂移和換能器損傷，造成不同研究者的實驗數(shù)據(jù)不同，重現(xiàn)性差.因此，需要采用實際的超聲參數(shù)進行實驗，確定α-淀粉酶的最佳超聲條件，為超聲在食品工業(yè)中生產(chǎn)實踐提供參考.當然，若要提高淀粉酶的活性，僅僅依靠超聲技術(shù)是有限的，還需要結(jié)合其他技術(shù)來進一步研究.

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責任編輯：劉 紅

Research Progress of the Effect of Ultrasound on the Alpha Amylase

YAN Yanying，ZHANG Xiaoli，WANG Xi，SONG Yun，ZHANG Qingan*
（College of food Engineering and Nutrition Science，Shaanxi Normal University，Xian 710119，China）

Alpha amylase is extensively used in various industrial applications.Ultrasound as a new technology can modify the activity of alpha amylase.This paper reviewed the latest progress of ultrasound application in modifying the alpha amy?lase,namely the effects of different ultrasound power,ultrasonic frequency,ultrasound time and ultrasound temperature on enzyme activity of alpha amylase,and the mechanism of ultrasound.Finally it provided a theoretical basis for the production practice of ultrasound in food processing.

alpha amylase；ultrasound；enzyme activity；ultrasound irradiation；ultrasound power

TS 201.25

A

1674-4942（2015）03-0261-04

2015-06-27

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（31101324）；陜西省自然科學(xué)基金項目（2015JM3097）；西安市科技局技術(shù)轉(zhuǎn)移促進工程項目（CXY1434（5））；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項（GK201404006）

*通訊作者