超声波改性淀粉及其耦合酶解反应的生物学效应

王宝石，谭凤玲，李光耀，陈艳艳，马世航，张明霞，孟丽，邱立友

1(河南科技学院 生命科技学院，现代生物育种河南省协同创新中心, 河南 新乡，453003)2(河南农业大学 生命科技学院，河南 郑州，450002)

淀粉是储存在植物中最丰富的天然碳水化合物之一，具有来源广泛、可再生、成本低廉等优点[1]，是微生物生长的重要碳源。但传统高温液化模式存在能耗高且易产生抑制物等缺陷，长期制约着生物炼制行业的技术提升[2]。近年来，超声波在食品物理和工业生物技术加工方面取得广泛应用[3]。超声波具有绿色节能、传质高效的特征，促进了淀粉改性及其辅助酶解的创新发展，有效规避了淀粉传统高温液化方式的缺陷。

1 超声波技术在淀粉改性中的应用

为适应生物炼制中淀粉转糖的高效、节能加工需求，国内外研究者针对淀粉改性手段进行了富有意义的探索，一直致力于改善生物炼制过程中淀粉糖的转化过程，指出生物炼制中降低能量消耗，关键是改善淀粉至葡萄糖过程中分子解聚工艺。如在燃料乙醇工业化生产中，此过程能量消耗占整个工艺的10%～20%。近年来，超声波对食品工业中的活性物质提取与大分子解聚过程都有积极的影响，超声波技术具有工艺简单、效率高、排放低等优点，逐渐成为淀粉改性领域的研究热点(表1)。LI等[4]利用超声(40 kHz，40 ℃，480 W，30 min)改性玉米淀粉，导致相对结晶度降低，偏光十字减小甚至消失，显著缩短淀粉液化时间，淀粉晶体类型呈现A-型晶型；CHEN等[5]发现，超声波不能改变淀粉的晶体类型，但能使反应体系分散，表面积增大，提高后续酶解反应效率。超声波处理降低了马铃薯、小米和糯玉米淀粉的峰值黏度。较低的黏度可能归因于物理损伤的淀粉颗粒，增加了水化的透水性。此外，超声处理过程中的机械振荡和空化会导致长链断裂，降低淀粉颗粒间的相互作用力，从而导致黏度降低[6]。然而，超声处理的大米淀粉的峰值黏度却呈现相反的趋势，显示出比天然样品更高的值。超声波处理对黏度特性的影响可能取决于淀粉的类型。

超声波处理甘薯淀粉增加了淀粉颗粒崩解的敏感性，并造成高剪切力和温度抵抗力的减弱[7]。JIN等[8]超声预处理(20 kHz，30 ℃，15 min)甘薯淀粉，采用同步液化及糖化方式，淀粉酶解转化率提高了56.4%。PARK等[9]研究了室温(25 ℃，30 min)和较高温度(50 ℃，60 min)条件下超声处理糙米，发现较长的浸泡时间均可使超声处理淀粉的晶体结构变得更加均匀，淀粉的熔融焓和相对结晶度均显着降低，但仍保持A-型晶型。低功率超声波处理淀粉的回生率有所下降，这主要是由于浸出的直链淀粉和长链支链淀粉的降解和解聚所引起的，对小麦粉、豌豆和豌豆淀粉的研究也得出了类似的结论[10]。此外，超声波改性淀粉会影响淀粉溶解度，而超声波处理使淀粉的溶解度增加了1倍以上，其机理可以描述为超声波通过疏松淀粉颗粒的结构使其降解，使水更容易进入网状结构。淀粉的溶解度跟分子质量有关系，超声波处理能有效降低淀粉的分子质量，从而改善淀粉在水中的溶解度[11]。综上所述，由于超声空化引起的自由基和机械效应，超声波可以解聚淀粉聚合物分子。超声空化是液体中的微气核空化泡暴露在超声场中的一系列动态过程。空化是在压力降低时形成充满气体或水蒸气的空腔，当压力再次升高时空化就会坍塌，会出现热点，形成高温压力区，并伴有强烈的冲击波和微射流。同时，在超声波空化效应产生的高温、高压作用下，水分子在热点达到临界状态并发生裂解，在冲击波和微射流的作用下，使羟基自由基扩散并进入整个超声体系中，从而发生机械效应和自由基效应。相应地，超声波处理使淀粉分子质量进一步降低。超声辐照改变了淀粉的热性能，溶解度和糊化性能，更有利于糖化酶进一步水解淀粉。

表1 超声波处理对不同类型淀粉改性的研究Table 1 Modification of ultrasonic treatment on different starch

2 超声波预处理对淀粉多尺度结构的影响

淀粉形态和晶体结构的改变会导致溶胀、糊化、流变和其他物理化学属性的改变[16]。超声波预处理对淀粉颗粒形貌及结晶结构的影响，改变淀粉理化特性，有利于淀粉后续水解过程。普遍认为，经过超声波处理后，不同来源的淀粉颗粒表面会出现明显的裂缝和气孔[17]。但超声波处理对不同淀粉颗粒大小影响不同，马铃薯和糯玉米淀粉的颗粒尺寸减小；而对燕麦，玉米和糯米淀粉的颗粒尺寸的影响很小[18]。淀粉颗粒破坏程度受到以下因素影响包括淀粉悬浮液的浓度、体系温度和介质类型、淀粉组成和类型以及超声波处理的功率、频率和时间[14]。YANG等[12]也发现超声波预处理(150、300、450、600 W，25 ℃，20 min)对大米淀粉颗粒的非晶态区有轻微破坏，但对支链淀粉的链长分布影响不大。淀粉颗粒的无定形区域比结晶区域更容易被超声波破坏，超声波处理对晶体图案类型几乎没有影响，淀粉样品均呈现典型的A型晶型[13]。FALSAFI等[19]使用超声浴的辐照处理降低了燕麦淀粉的结晶度，而未观察到对XRD峰位的显著影响；朱杰等[20]运用小角X射线散射研究超声处理淀粉内部半结晶结构的影响，发现淀粉颗粒内层状结构中电子密度差异减小，而直链无定形背景区和支链无定形层的电子密度差异变大，且此现象随着超声强度增加而更加明显。超声波处理破坏了小麦淀粉的短程有序结构，导致小麦淀粉聚集态结构的无序化程度加深，且无序化程度随着超声时间延长而趋势愈加明显[3]。此外，分子质量是研究淀粉分子结构的重要基础参数之一，直接影响淀粉的物化性质。超声波可以降解来自不同植物学来源的淀粉链，能够显著影响淀粉分子结构和流变性能[21]。超声波处理可降低淀粉的分子质量，引起结构紊乱和微观结构变化，扭曲淀粉颗粒的结晶区域，并降低糊化焓[22]。超声诱导淀粉链断裂导致分子质量降低，降解过程归因于产生局部高压、高温和剪切力的空化作用，从而导致淀粉链断裂。由此产生的淀粉糊精具有更小的分子尺寸和更窄的分子质量分布[16]。超声波降解淀粉的分子质量有一定限度，当淀粉样品的分子质量接近极限值时，超声效应减弱。与电离辐射引起的分子质量变化相比，超声对淀粉分子质量降低的贡献更大。由于作用在聚合物分子上的机械应力，超声波会导致链断裂，优先地在链的中点附近断裂聚合物链[23]。而糖化酶通过从链末端逐步分裂葡萄糖单位来攻击淀粉分子。在酶反应的初始阶段，分子质量变化不大。超声波降解淀粉，能造成淀粉粒表面出现坑洞，分子质量分布趋于减小，黏度等性质发生变化[24]，超声波辅助酶解反应对淀粉性质有较大的影响，超声波处理使淀粉分子质量进一步降低，增强了糖化酶对淀粉的降解作用。

糖化酶在淀粉水解中的作用模式受到淀粉性质的影响如溶解度、分子质量、大小、支化度、取代基和侧链分布[25]。在一定强度范围内，超声波预处理淀粉可以加速淀粉的液化和糖化，提高酶解反应的速率常数[4]。超声波能有效破坏淀粉团簇结构，破坏淀粉链，降低淀粉分子质量[26]。增加了相互缠绕的聚集体中的游离可移动淀粉片段，暴露了更多与酶接触的部位。淀粉链的断裂归因于局部高压、高温和声空化产生的剪切力[16]。超声波在底物上产生的上述结构变化是提高底物对酶可及性的原因[27]。通过破坏淀粉结构，超声波可以降低淀粉分散体的黏度[28]。黏度降低导致超声强度衰减较弱，传递到反应体系的能量较多，从而促进了反应物的混合。因此，超声波预处理淀粉为反应体系提供了更好的混合条件，并使生成的淀粉片段更容易到达糖化酶的作用位点，最终加快了酶解反应过程。

3 超声波耦合酶解反应过程的生物学效应

3.1 温和超声波条件对酶活性的影响

近年来，超声波已被广泛应用于生物技术和食品领域，但很少在生物效应方面如对微生物细胞增殖的加速效应、微生物的灭活效应以及酶活性的影响等方面进行研究[29]。研究人员多致力于超声波对酶活性的灭活研究[29]，只有很少的关于超声可以改善酶的活性报道。最近有报道称，在较温和的条件下，超声并不能使所有的酶失活，也可能会使其活跃。低频和强度较弱的超声波通过产生瞬态来工作空化效应，形成自由基和机械效应[30]。形成的声效应直接改变了酶的结构，使其更容易与底物发生反应。因此，协同超声波的作用和酶的催化活性使其成为木质纤维素生物质转化的潜在选择。WANG等[31]探讨了超声波对纤维素酶活性的影响机制，发现低强度超声(15 W，24 kHz，10 min)处理后，游离纤维素酶活性最高，酶活力比对照提高18.2%。超声波处理使纤维素酶表面色氨酸数量略有增加，纤维素酶蛋白中α-螺旋结构发生一定数量的变形，随机螺旋含量增加[31]；同时，LADOLE等[32]超声(24 kHz，6 W和6 min)处理固定在磁性纳米粒子上的纤维素酶，固定化纤维素酶的催化活性比对照提高了近3.6倍，二级结构分析发现纤维素酶构象发生变化是导致超声后活性增强的原因；YADAV等[33]采用低频超声辐射枯草芽孢杆菌ABDR01，改善了其营养吸收率以及细胞壁的通透性，促进了果胶酶、纤维素酶和木聚糖酶的协同生产；BHALERAO等[34]研究发现,固定化脂肪酶能承受超声波作用并提高了转化率，指出超声耦合搅拌是一种潜在强化大豆油化学酶转化的方法；JADHAV等[35]研究了探针型超声仪超声对脂肪酶活性的影响，经超声处理后(超声强度12.22 W/cm2，9 min)脂肪酶活性增加2倍，同时脂肪酶热力学参数(ΔG、ΔS、ΔH和ΔE)显著降低[35]。综述所述，超声波在温和条件下耦合酶解不会使酶失活反而能够改善酶活性，能够呈现正向的生物学效应。

3.2 超声波耦合淀粉酶解过程对糖化酶活性的影响

超声波会改变酶的构象，同样会引起糖化酶的修饰，导致酶活性发生有利变化，从而加速反应。MENG等[36]探讨了超声波处理对葡萄糖淀粉酶酶活性的影响，在60 ℃，420 W，10 min超声波条件下，酶活力较对照组提高21.1%，超声波处理后葡萄糖淀粉酶表面色氨酸和酪氨酸的数量增加，α-螺旋和无规卷曲分别增加了17.8%和12.4%。因此，适当的超声波处理可以激活葡萄糖淀粉酶活性，但活性较高超声功率对酶活性有抑制作用。在较高温度下，酶分子运动增加，分子空间结构发生变化，从而暴露出更多的反应位点，超声温度为60 ℃时，糖化酶活力提高22.10%，糖化酶活性易受温度变化的影响，超声空化作用与反应温度有关，也会阻碍超声空化作用[37]。超声波未改变糖化酶最适反应温度，但高温极端条件下加速了糖化酶的热灭活，破坏多肽链上的分子间相互作用来影响酶的稳定性并使某些酶失活，由于热灭活和超声波灭活共同作用的结果。高温会破坏酶分子的中心结构和构象，增加体系的平衡蒸汽压，更容易形成气泡，使酶分子的行为发生改变[38]。在高温、高超声功率和长时间处理下，超声导致酶失活，尤其是在超过65 ℃的高温条件下。同时，在65 ℃以下对混合酶反应体系进行超声处理，可显著促进淀粉水解；与超声预处理相比，超声波耦合酶解反应过程处理，通过超声波可以部分克服这种阻塞促进分子运动，促进整个淀粉酶促反应体系，使得淀粉水解效率提升5倍以上[39]。此外，生物大分子的流变行为与反应温度相对应，酶的活性随温度的变化而变化。适当的超声波处理可以激活糖化酶的活性，反应速率和酶-底物亲和力都有所提高。但高强度的超声波处理会抑制酶的活性。在适当的超声波处理下，催化反应更容易进行，所以加速了糖化酶对淀粉的水解。糖化酶活性的变化可能与酶分子结构的变化有关，这些变化可以为超声耦合酶制剂的开发提供新的思路和研究基础。此外，传统酶解系统通常在内部传质方面具有局限性，这可能会延迟反应进程。

4 展望

超声波作为一种淀粉改性技术，具有作用时间短、降解目的性强、操作简单且易控制及能耗较低等优点。超声波处理淀粉不仅可以破坏淀粉颗粒的表面形态，还可以使内部结构变疏松；也可以打断淀粉颗粒中的链条直接降解淀粉，提高酶解的利用性。超声波空化作用影响淀粉酶的构象，在适当的条件下暴露活性部位，酶构象的这些变化促进了酶与底物的结合，从而提高了酶的活性。此外，超声波由于其有效的混合效果而通常用于增强液-液或液-固过程。超声波耦合酶解反应方式融合了超声和酶解间的协同作用，是未来淀粉绿色深加工的重要发展方向，将在工业应用中显示出巨大的潜力。但超声波耦合酶解反应体系的构建及其相关作用机理，有待进一步深入挖掘。同时，开发面向工业化生产的超声波耦合酶解设备，为淀粉加工的绿色制造和智能制造奠定基础。