食品加工中的酶处理教学课件PPT.ppt

食品加工学,food processing,上海水产大学 食品学院 tel:fax:e-mail: website: ,第十一章食品加工中的酶处理,一、概念,1、定义 酶工程亦称酶工艺，是在生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的原料转化为有用物质的技术 酶工程与发酵工程密切相关，是发酵工业发展的产物，是酶学原理与化工技术相结合而形成的一门理论性很强的应用技术。主要内容包括各种酶的开发、生产和利用，酶的分离、纯化技术、酶的化学修饰技术，固定化技术，酶反应器的研制和应用等。 酶是生物催化剂，是生物体产生的具有活性的蛋白质。它可高效、专一地催化特定的生化反应，酶的催化作用可使反应速度提高10的8次到10的20次倍。酶促反应具有反应条件温和、能耗低、污染小、操作简单等优点。,二、酶的探索与发现：,1、史前时期 距今4000多年前龙山文化时期， 利用天然酵母酿酒。 公元前12世纪,制饴、制酱。 书经记载“若作酒軆，尔惟曲孽”。 “曲”：长霉菌的谷物；“孽”：谷芽。 左传用“曲”、“孽”治病。,2、近代发展 1833-1835年,淀粉的第一次酶解法国化学家anselme payen和ean-franois persoz描述了从大麦的麦芽中分离淀粉酶多聚体的过程，并将之命名为淀粉酶。 1836年,德国生理学家theodor schwann在研究消化过程时，分离出一种在胃内消化蛋白的物质，将它命名为胃蛋白酶。这是第一个从动物组织中提取到的酶。 1883年,johan kjeldahl建立了一套检测有机物中-3价氮的方法，即测定氮的含量的方法。,1894年,加酶食品的第一次商业化生产 1894-1913年,德国化学家emil fisher根据糖化酶的特点建立了钥匙-锁理论。 1926年,科学家发现酶是蛋白质,1953-1958年,watson 和 crick发现dna是双螺旋结构 1963年,碱性蛋白酶-洗涤剂用酶的突破 1965-1974年,淀粉工业的重大突破随着一种可以将淀粉分解成糖的，不含转葡萄糖苷酶的葡萄糖淀粉酶上市，微生物酶类应用于食品工业的首次重大突破于20世纪60年代发生。,从20世纪50年代初开始，酶及产酶细胞的固定化技术在生产实践中得到迅速发展，引起食品、发酵工业一场大变革。 美国20世纪70年代初开始，使玉米淀粉经酶法液化、糖化和异构化并采用固定化技术，工业化生产第一代、第二代和第三代高果糖浆，代替蔗糖作为可口可乐、百事可乐等饮料食品的甜味剂。 1982年美国cech研究组发现rna分子中含有一个具有自身切接功能的片断，称为内含子，这种具有催化功能的rna称为核酸类酶。 至目前为止，已发现自然界存在的酶有3000多种，但真正形成工业规模生产的只有几十种。,3、现代酶学发展 70年代初实现dna重组技术或称克隆技术，促使酶学研究进入新的发展阶段。 “工具酶”基因工程中所应用的系列酶的总称。 到目前为止，在基因工程中应用的工具酶已有500多种。 目前已有100多种酶基因克隆成功。 凝乳酶过去从小牛胃中提取，每年大约宰杀500万头小牛。 重组凝乳酶：dna重组技术,第二节 酶的生产和利用,一、微生物酶制剂的生产,酶制剂的大规模工业生产始于第二次世界大战后，随着抗生素工业的发展而建立。 国际市场1983年酶制剂产量6.5万吨,销售额4亿美元 20世纪90年代初, 销售额10多亿美元 90年代末,销售额20多亿美元 （一）发酵法生产食品级酶要求：安全和卫生 菌种严格控制、原料要求、防止有害物质的污染、选择合理的提取工艺。,（二）生产步骤： 1、目的酶生产菌株的分离筛选 （1）从自然界分离筛选 （2）用物理、化学因子处理诱变 （3）用基因重组或细胞融合技术选育,2、酶的生产 （1） 要选择好的培养方法，包括培养基组成配比、培养温度、ph 值、通气量等。 (图:微生物在相当于三层楼高的发酵罐里生长繁殖，产生所需的酶),（2）确定工业规模大量生产的一系列工程和工艺条件，以及培养罐的形式、大小、通气条件、温度和 ph 值的控制等。 (图：通过改变培养基类型、酸碱度、氧气浓度和温度，研究人员现了生产某种酶的微生物的最佳生长条件。),二、酶的提取、分离和纯化,1、微生物酶制剂的工业提取步骤大致如下： 如果是胞内酶，则首先要分离收集其菌体，使之破碎，将酶提取至液相中，此为出发酶液； 如果是胞外酶，它的深层发酵液或固体培养物的抽提液则为出发酶液。,2、制取工业酶制剂的步骤： 第一步除去出发酶液中的悬浮固形物，获得澄清酶液，必要时再进行减压浓缩； 第二步根据质量要求和经济性采用适当方法（如用盐析法、有机溶剂沉淀法、丹宁沉淀法等）将酶沉淀分离； (图：只有酶和水能通过转鼓式过滤机；培养基和微生物则被留在硅藻土上。),第三步收集沉淀、干燥、研粉、加适当的稳定剂、填充剂、做成粉末制剂。 酶粒是在大型连续运转的水平混合机内生产出来的。提取的酶与盐、纤维素及其他成分混合形成0.5mm大小的粒状物。然后用一种聚合体包裹，以防止酶尘在使用过程中可能引起的致敏危险。 (图:用多聚体包裹酶以减少酶尘引起的致敏危险。),3、其他方法 对于质量要求高可提取液中共存有妨碍目的酶工艺效果的其他酶时，常用一些特殊纯化方法将目的酶与其他酶和杂蛋分开，再分别沉淀制取。常用的方法有： （ 1 ）蛋白质选择性变性法 （ 2 ）分级盐析法 有机溶剂分级沉淀法 等电点法 柱层析法 电泳法 亲和层析法,三、酶的化学修饰技术,1、金属离子置换修饰 2、大分子结合修饰 3、肽链有限水解修饰 4、侧链修饰 (图：微生物的基因经修饰能够产生所需的酶),五、固定化酶和固定化细胞,游离酶、游离细胞在酶催化反应中很难反复或连续使用，也很难实现连续化、自动化。 固定化：将游离酶、细胞或细胞器等的催化活动完全或基本上限制在一定空间内的过程，分固定化酶或固定化细胞。 1、固定化酶的特征 （1）反应完成后经过过滤或离心等简单的分离就可回收，重复使用，降低了酶制剂的成本； （2）可以装成酶柱，当底物溶液流经酶柱时，就能发生酶促反应，适合于工业化应用； （3）酶经固定化后，稳定性一般都有所提高。,2、固定化酶的特点 （1）省去了酶分离纯化的时间和费用； （2）可进行多酶反应； （3）保持了酶的原始状态，从而增加了酶的稳定性； （4）由于辅助因子存在和细胞内的连续性合成，酶的活力较为持久，半衰期在一个月以上，就有工业应用价值； （5）用固定化细胞反应柱或反应床可连续进行发酵，一边加入培养基，一边排出发酵液，可避免产物对酶活性的抑制。,3、固定化酶的方法 （1）载体结合法 a、物理吸附法 是将酶吸附在活性炭、多孔玻璃、酸性白土、高岭土、硅胶等惰性载体上，此法对酶活性破坏较少，但吸附作用力常较弱而易脱落，因而常与交联法结合使用。 b、离子结合法 是利用离子键将酶及带有离子交换基团的不溶性载体，如离子交换树脂或带有交换基团的纤维素、葡萄聚糖结合在一起，此法操作简便，酶回收率也较高，但在较强离子强度下进行酶反应时易于脱落。 c、共价结合法 是利用共价键将酶和载体加以偶联，但因涉及条件较苛刻而化学反应又剧烈，因而酶回收率较低、操作复杂，但酶与载体的结合相当牢固。,(2)交联法 这是利用双功能试剂将酶分子相互交联而不需要载体。常用的交联剂有戊二醛、异氰酸酯、双重氮联苯胺或乙烯双马来亚胺（形成重氮盐）。此法反应也较为剧烈，从而影响酶的回收，但固定后的酶稳定性较好。 (3)包埋法 a、网格型 是将酶固定在具有网格结构的高分子凝胶中。通常作为凝胶材料者有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等合成高分子材料以及海藻酸、明胶、胶原等天然大分子材料。此法操作方便，很少改变酶的高级结构，因而回收率高，但在反应中存在“固相”扩散阻力，只适用于小分子底物和产物，机械强度往往也较差。 b、微囊型 是将酶液包埋在微小（300m ）的具有半透性高分子材料外壳形成的珠囊中。此法操作较复杂，酶回收率一般不高，但被包埋的酶不易流失，微囊的比表面积很大，一般也只能适用于小分子底物和产物。,六、酶反应器,酶催化反应：在均相或非均相系统中由酶参与的将底物转变为产物的过程。 酶催化反应器：在此反应中所采用的设备 酶反应器 游离酶反应器 均相不可截留固定化酶反应器非均相 可截留不可截留：是指酶一次性分批使用不再回收。 可截留：是通过超滤膜将酶截留在反应系统中。,第三节 酶工程在食品工业中的应用,一、酶的用途,二、酶在食品工业的应用 1、酶用于淀粉糖的生产 以淀粉为原料，经-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶催化水解，得d-葡萄糖，将它通过固定化d-葡萄糖异构酶柱完成由d-葡萄糖至d-果糖的转化，再通过精制、浓缩等手段，即可得到不同种类的高果糖浆。 (图:酶将玉米或小麦等作物中的淀粉转化为糖),2、酶用于甜味剂的生产 国外大量生产的阿期巴甜（apm）就是一种高甜度的甜味剂。阿期巴甜（天门冬酰丙氨酸甲酯）是二肽甜味剂，其甜度是蔗糖的200倍。过去化学法合成。现在日本采用酶法合成新工艺，可用价格较低的dl苯丙氨酸为原料，且产品都是型体（型体有苦味），使生产成本下降 30% 。 3、酶用于乳品加工 （1）干酪生产 全世界生产干酪所耗牛奶达1亿多吨，占牛奶总产量的1/4。 干酪生产：将牛奶用乳酸菌发酵制成酸奶，然后加凝乳酶水解k-酪蛋白，在酸性条件下，钙离子使酪蛋白凝固，再经切块加热压榨熟化而成。 凝乳酶：未断奶的小牛的第四胃中的天冬氨酸蛋白酶 奶酪制作成熟过程：乏味的凝乳中的脂肪、蛋白质和碳水化合物的缓慢的受控制的降解 熟化技术：三或四个月内产生成熟奶酪的典型风味和口感。,乳 加快v 乳糖 发酵 蛋白质 脂肪 乳酸 成熟 乙酸 肽 酮 丙酸 氨基酸 内酯 双乙酰 胺 乙醇 含硫化合物 脂肪酸 协同作用 特征性温和奶油风味 硫脂 奶酪,主要方法： 1.提高温度：增加微生物败坏的可能 2.添加酶：酶的来源有限，有过度熟化的危险 3.改进发酵剂：技术复杂，目前还不经济 蛋白酶、脂肪酶、-半乳糖苷酶、发酵酶复合物（包埋在脂肪中产生更多醋味）、脱硫酸化酶、脱甲巯基酶（产生挥发性硫化物的酶）、肽酶、脂酶 发酵剂中凝乳酶、蛋白酶共同作用酪蛋白降解为肽，许多苦味或酸味 胞内肽酶降解具有风味增强特性的氨基酸和小肽 打断酪蛋白网络结构，脆性增大，质地软化 混合酶胶囊化：发酵剂自身的肽酶与蛋白酶相结合，812 （2）分解乳糖 牛奶中含有4.5%的乳糖。乳糖是一种缺乏甜味且溶解度很低的双糖，难于消化。有些人饮奶后常发生腹泻、腹痛等病，其原因即在于此。而且由于乳糖难溶于水，常在炼乳、冰淇琳中呈砂状结晶析出，从而影响食品风味。将牛奶用乳糖酶处理，使奶中乳糖水解为半乳糖和葡萄糖即可解决上述问题。,（3）黄油增香 乳制品特有香味主要是加工时所产生的挥发性物质（如脂肪酸、醇、醛、酮、酯以及胺类等）所致。乳品加工时添加适量的脂肪酶可增加干酪和黄油的香味。将增香黄油用于奶糖、糕点等食品，可节约黄油用量，提高风味 （4）婴儿奶粉 人奶与牛奶区别之一在于溶菌酶含量的不同。奶粉中添加卵清溶菌酶可防止婴儿肠道感染。,4、酶用于肉类和鱼类加工 （1）改善组织、嫩化肉类 牛肉：结缔组织和肌纤维中的胶原蛋白质及弹性蛋白质含量高。 交联键可分成耐热的和不耐热的两种。 幼动物胶原蛋白不耐热交联键多，加热即行破裂； 老动物的肉因耐热键多，烹煮时软化较难，肉质粗糙，难以烹调，口感亦差。 采用蛋白酶可以将肌肉结缔组织中胶原蛋白分解，从而使肉质嫩化。 作为嫩化剂的蛋白酶可以分为两类：最常用的一类是植物蛋白酶，另一类是微生物蛋白酶。,嫩化酶：巴婆树和番木瓜树上采来的叶子包裹肉在煮制时吸收植物的汁 半胱氨酸蛋白酶，木瓜蛋白酶 产生硬度的原因：冷却太快而致冷收缩成熟时间不够过量的抗热结缔组织 植物蛋白酶和哺乳动物半胱氨酸蛋白酶有同源性，植物和动物是否有共同的古代基因？ 粗制：含有凝乳木瓜蛋白酶、番木瓜蛋白酶（）和蛋白酶 采用的方法：撒粉、蘸、浸泡、混合、多针注射、血管泵注 英国牛肉产品大约2死前注射，美国比例更高,（2）转化废弃蛋白 将废弃的蛋白、如杂鱼、动物血、碎肉等用蛋白酶水解，抽提其中蛋白质以供食用或用作饲料，是增加人类蛋白质资源的一项有效措施。海洋中许多鱼类因其色泽、外观或味道欠佳等原因，都不能食用，而这类水产却高达海洋水产的80%左右。采用这项生物技术新成果，使其中绝大部分蛋白质溶解，经浓缩干燥可制成含氮量高、富含各种水溶性维生素的产品，其营养不低于奶粉，可掺入面包、面条中等食用，或用作饲料，其经济效益十分显著。 （3）其他方面的应用 用酸性蛋白酶在ph值呈中性条件下处理解冻鱼类，可以脱腥。现今开发利用碱性蛋白酶水解动物脱色来制造无色血粉，作为廉价而安全的补充蛋白资源，这一技术已用于工业化生产。,5、酶用于果蔬加工 （1）水果罐头加工 制作桔子罐头时需除桔瓣囊衣，过去使用碱处理法，耗水量大，又费工时。现采用黑曲霉产生的半纤维素酶、果胶酶和纤维素酶的混合物，可很好地除去桔瓣囊衣，而避免上述缺点。桔子罐头常发白色浑浊，这是同桔肉中橙皮苷造成的。采用橙皮苷酶，可将橙皮苷水解成为水溶性的橙皮素，从而消除桔子罐头的白浊现象。桃果实含有红色花青素，罐藏时同金属离子作用而呈紫褐色。采用花青素酶处理桃酱、葡萄汁等，即可脱色而提高经济价值。这是因为花青素酶可以水解花青色素，使之变为无色物质。 （2）柑桔类脱苦 柑桔类脱苦问题历来是果品加工中的一大问题。桔子中的柠檬苦素是引起桔汁产生苦味的原因，利用球形节杆菌固定化细胞的柠檬酶处理即可消除苦味。,（3）果汁加工 水果中均含有果胶物质。果胶的重要特性之一，就是在酸性和高浓度的糖存在时，即可形成凝胶。这一性质是制造果冻、果酱的基础。但在果汁加工上，却造成了压榨、澄清的因难。现采用果胶酶处理破碎的果实，即可加速果汁过滤和促进澄清。 (图：酶在果汁制造过程中分解纤维),（4）水果蔬菜保藏 用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菜的糖分可防止贮藏过程中发生褐变。瓶装桔汁贮藏时因氧化而使色香味变劣，采用葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶去氧即可保持果汁原有的色香味。水果冷冻保藏时，由于果实自身的酶作用而发酵变质，也可用葡萄糖氧化酶保鲜。,6、酶用于焙烤食品 面粉中添加-淀粉酶可调节麦芽糖的生成量，使二氧化碳产生和面团气体保持力相平衡。添加蛋白酶可促进面筋软化，增加延伸性。用蛋白酶强化的面粉制通心粉制通心面条，延伸性好，风味佳。用-淀粉酶强化面粉