海藻酸钠-瓜尔胶复合微球作为固定β-淀粉酶的高效载体：优化、表征与稳定性评估

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Sodium alginate–guar gum composite beads as an efficient matrix for β-amylase immobilization: Optimization, characterization, and stability evaluation

　　

Sijia Chen|Zhansong Zhang|Yuanyuan Sun|Zhongjiang Wang|Linyi Zhou|Jing Xu

北京科技商务大学食品健康学院，中国北京100080

摘要

本研究旨在通过固定化技术提高β-淀粉酶的稳定性、分离性及重复使用性，同时实现大豆加工废水的资源化利用。为此，研究采用海藻酸钠和瓜尔胶通过离子凝胶法制备SA-GG复合凝胶珠，用于固定化从大豆乳清废水中提取的部分纯化的β-淀粉酶。与仅使用海藻酸钠的凝胶珠相比，加入瓜尔胶后形成了更粗糙、多孔且亲水性更强的互穿网络，从而改善了载体的微观结构。最优固定化条件为：载体SG?（含0.8%重量比的瓜尔胶的SA-GG复合凝胶珠）、缓冲液pH值5.5、反应温度40℃、固定化时间10小时，初始酶浓度为2.5毫克/毫升。在此条件下，固定化效率可达88.7%，酶活性恢复率为88.0%。在4℃、pH值为7.0的磷酸盐缓冲液中储存30天后，固定化的β-淀粉酶仍保持78.3%的活性；经过10次重复使用后（每次使用：在50℃、pH值5.0的条件下与1%可溶性淀粉反应10分钟），其活性仍为原来的79.1%。本研究开发出一种高效且环保的固定化载体，为β-淀粉酶的固定化提供了良好的实验室级平台，同时也为大豆加工废水的高价值利用提供了新思路。未来还需要进一步研究其在实际工业环境中的表现。

引言

淀粉酶在工业生物催化中得到广泛应用，而其稳定性和重复使用性则是限制其大规模应用的关键因素。β-淀粉酶能够特异性地水解淀粉非还原端上的α-1,4糖苷键，生成β构型的麦芽糖，因此在高价值麦芽糖浆的生产、酿酒以及功能性食品制造中发挥着重要作用（Niu等人，2018年）。然而，游离态的β-淀粉酶在实际应用中存在诸多问题，如稳定性差、难以回收和重复使用，以及后续处理成本高昂（Hosseini等人，2021年）。酶固定化是克服这些问题的重要策略，其核心在于开发高效、稳定且经济可行的载体材料（Desai等人，2021年；Naskar等人，2024年）。

近年来，人们对吸附、包埋、共价结合和交联等多种传统固定化方法进行了大量研究；但这些方法往往存在酶泄漏、稳定性不足以及成本较高的问题，尤其是当需要使用化学活化剂或基于纳米材料的载体时（Aghaei等人，2022年；Desai等人，2021年）。例如，在α-淀粉酶的固定化研究中，以海藻酸为基础的凝胶珠在多次重复使用时会出现活性下降的情况，这说明载体成分和网络结构会显著影响其操作稳定性（Naskar等人，2024年）。在α-淀粉酶的共价固定化过程中，虽然用对甲苯磺酰氯和环氧氯丙烷活化载体可以增强结合强度，但酶的活性恢复率通常低于60%（Aghaei等人，2022年）。这些方法还可能导致酶失活、构象变化，以及载体废弃处理方面的难题。近年来，金属有机框架、磁性纳米颗粒和纳米复合珠被用作酶固定化载体，以提高酶的负载量和稳定性，但这类材料的复杂性可能仍制约其大规模应用（Al-Harbi & Almulaiky，2020年；Al-Harbi & Almulaiky，2024年；Desai等人，2021年）。

海藻酸钠是一种天然阴离子多糖，由于其优异的生物相容性、温和的成胶能力、无毒性以及可生物降解性，已成为固定化载体中常用的材料（Martinovi?等人，2023年）。在钙离子存在下，海藻酸钠可以通过离子交联形成具有三维网络结构的水凝胶珠。这种结构具有可调控的孔径以及良好的控释性能，非常适合用于各种活性物质的封装和输送（Zhao等人，2025年）。不过，传统的海藻酸钠凝胶珠在实际应用中仍存在结构稳定性不足的问题，其内部网络较为松散，机械强度较低，这可能导致封装效率下降，以及酶等生物大分子的泄漏。研究表明，引入第二种多糖可以有效解决这些问题。例如，添加瓜尔胶可以提高基于海藻酸钠的复合水凝胶的膨胀能力和机械强度，进而提升其结构性能和应用稳定性（Nike等人，2025年）。此外，以海藻酸或树胶为基础的材料也被应用于酶相关研究中；有研究指出，海藻酸钙-奥丁树胶珠可作为可回收、可重复使用的α-淀粉酶固定化载体，同时也有研究针对淀粉酶的特性以及海藻酸/树胶基水胶体在催化或凝胶性能方面的应用进行了探讨（Al-Harbi & Almulaiky，2020年；Naskar等人，2024年；Wang, Sui等人，2022年）。因此，通过引入第二种多糖或构建复合网络来调控凝胶的孔结构与机械性能，对于提升海藻酸钠载体的酶保留能力及操作稳定性具有重要意义。

瓜尔胶是一种价格低廉、易于获取且可生物降解的天然半乳甘露聚糖，由于其分子量高、粘度大，因此能够与其他多糖产生强烈的协同效应（Tahmouzi等人，2023年）。通过钙离子诱导的凝胶化作用，瓜尔胶与海藻酸钠可以形成双重交联网络。借助其出色的成网能力和结合能力，本研究旨在制备结构更致密、稳定性更高的SA-GG复合凝胶珠，并将其用于固定化从大豆乳清废水中提取的β-淀粉酶。

大豆乳清是大豆加工过程中的副产品，其中含有1.5%至3.0%的乳清蛋白以及多种酶类（Li等人，2025年）。有研究指出，大豆乳清废水是回收β-淀粉酶的潜在来源。Zhao等人（2015年）发现，通过超滤辅助回收技术，β-淀粉酶的活性可从原始大豆乳清废水中的11单位/毫升提高到674单位/毫升。从废水中回收并固定化这种酶，相比购买商业酶源，能够降低原材料成本，还将废弃物转化为高附加值产品，具有明显的经济优势。传统的处理方式会造成资源浪费，而从这类废水中回收高价值酶则是一种创新的废物资源化利用方式，有助于提升工艺的经济性。对于来自这类非传统来源的酶，固定化是提高其稳定性并实现工业化应用的关键策略。然而，目前关于使用SA-GG复合载体固定化从工业废水等非传统来源中回收的酶的研究还比较有限，且在配方优化、储存稳定性以及重复使用性方面的系统研究也尚不足。本研究对复合凝胶珠的制备过程进行了系统优化，同时对其物理化学性质，包括微观结构、化学结构以及膨胀行为进行了表征。尤其重点研究了固定化酶的催化性能、储存稳定性以及重复使用性。本研究为利用SA-GG复合凝胶珠系统固定化从实验室制备的大豆乳清废水中提取的β-淀粉酶提供了实验室级别的解决方案，有望进一步提升酶的稳定性、重复使用性，以及大豆乳清废水的资源化利用水平。

章节摘录

材料

脱脂大豆粕购自亿海凯瑞阿拉瓦纳控股有限公司。海藻酸钠购自Macklin有限公司。瓜尔胶购自上海源恩生物科技有限公司。本研究使用的其他所有化学试剂均为分析级产品。

大豆乳清溶液的制备及β-淀粉酶的回收

将大豆乳清废水的pH值调整至6.0，为含有酶的乳清组分创造适宜的环境，同时避免在后续澄清过程中蛋白质聚集，之后将样品置于4℃下静置

SA-GG凝胶珠的宏观形态

如图1所示，所有的凝胶珠均为白色、表面光滑且呈椭圆形，直径大约在2到3毫米之间。随着瓜尔胶含量的增加，凝胶珠的直径逐渐增大，球形度也有所提高。在瓜尔胶浓度较低时，所得凝胶珠形状不规则，球形度较差。随着瓜尔胶浓度的上升，凝胶珠的成型能力显著提升，外观也变得更加规整均匀。不过，当瓜尔胶含量超过

结论

本研究成功开发了一种基于天然多糖海藻酸钠和瓜尔胶的复合凝胶固定化系统，用于固定化从大豆乳清废水中提取的β-淀粉酶。引入瓜尔胶有效优化了海藻酸钠凝胶的网络结构，通过氢键等非共价相互作用形成了孔隙更大、亲水性更强的互穿网络。该凝胶珠的表面粗糙度、比表面积以及持水能力

CRediT作者贡献说明

Sijia Chen：撰写——初稿、方法学、实验研究、数据整理。Zhansong Zhang：撰写——审阅与编辑、验证、方法学、实验研究、定量分析。Yuanyuan Sun：验证、实验研究、数据整理。Zhongjiang Wang：验证、资源准备、实验研究。Linyi Zhou：监督、项目管理、实验研究、资金筹措。Jing Xu：撰写——审阅与编辑、监督、资源准备、方法学、概念设计。

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

在撰写本论文的过程中，作者们使用了ChatGPT来提升手稿的可读性。在使用该工具/服务后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表文章的内容承担全部责任。

资助情况

本研究得到了国家关键研发计划[2021YFD2100404-04]以及国家自然科学基金[32401987]的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。