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第九章氧化还原酶 主要内容一 过氧化物酶二 多酚氧化酶三 脂肪氧合酶四 葡萄糖氧化酶五 超氧化物歧化酶 二 多酚氧化酶 多酚氧化酶 EC1 10 3 1 polyphenoloxidase PPO 引起食品酶促褐变的主要酶类 有害 新鲜 冷冻 干制和罐藏产品的褐变 有利 红茶生产 苹果浓缩汁除涩 1多酚氧化酶在自然界的分布 1 广泛存在于自然界 植物 微生物及动物器官 植物品种不同 含量变化很大 2 PPO在植物细胞中分布取决于品种和年龄 3 PPO在果蔬的分布取决成熟度 不同部分含量存在很大差异 2多酚氧化酶催化的反应及其作用底物 2 1催化反应 两类反应都需要有分子氧参加 1 一元酚羟基化 蘑菇中单酚 2 邻二酚氧化 生成邻醌 多酚氧化酶催化的氧化反应的最初产物邻醌将继续变化 相互作用生成高分子量聚合物 与氨基酸或蛋白质作用生成高分子络合物 氧化那些氧化还原电位较低的化合物 生成无色化合物 其中 导致褐色素的生成 反应 的产物是无色的 2 2作用底物2 2 1果蔬中四类 儿茶素 3 4 二羟基肉桂酸酯 3 4 二羟基苯丙氨酸 酪氨酸 2 2 2特点PPO的最佳底物并非和酶同时存在于同一植物中 PPO只能催化在对位上有一个大于 CH2的取代基的一元酚羟基化 即PPO对底物具有特异性要求 不同的品种果蔬 同一品种不同部位中PPO具有不同的底物特性 多酚氧化酶在植株幼嫩阶段及生长旺盛期活性最高 3pH对多酚氧化酶活力的影响 PPO的最适pH在4 7之间波动 不同种类 同一种果蔬不同品种的PPO 具不同最适pH 不同部位 最适pH也有差异 酶的提取或分离方法对最适pH也有影响 测定酶活力时 采用的底物和缓冲液对酶最适pH有影响 用同工酶 PPO具有一个最适pH外 尚有第二个最适pH 4温度对多酚氧化酶活力的影响 酶活力最适温度逐步先提高后降低 不同底物表现出不同的PPO酶活力最适温度 热失活温度70 90 短时间 低温状态酶失活是可逆的 微量多酚氧化酶也能导致果蔬褐变 冷冻食品生产中热处理是必要的 5光照强度与多酚氧化酶活性 多酚氧化酶属于植物体内的末端氧化酶系统 光照明显促进了此酶的活性 在一定的光照强度变化幅度内 PPO随光照强度增加而呈上升趋势 6多酚氧化酶的激活剂 阴离子洗涤剂 如SDS 十二烷基磺酸钠 能有效激活多酚氧化酶 若用酸或脲素短时间处理葡萄中的多酚氧化酶 能使酶可逆地激活 Cu2 和底物3 4 二羟基苯丙氨酸对一些果蔬来源的多酚氧化酶也有激活作用 7多酚氧化酶抑制效应 酶促褐变三因素 酶 底物 O2 1 对酶的抑制 PPO以铜为辅基的金属蛋白 金属螯合物如抗坏血酸 柠檬酸 EDTA 果胶 氰化物 热烫处理 灭酶 2 与酶催化生成的反应产物作用 同邻二酚氧化产物醌作用的还原剂 如抗坏血酸 SO2 偏重亚硫酸盐 醌偶合剂 与醌作用 生成稳定的无色化合物 如半胱氨酸 谷胱甘肽 3 清除酶作用的底物 与酚类底物作用的化合物 PVP 聚乙烯吡咯烷酮 与酚强烈缔合 消去底物 隔氧 8多酚氧化酶在果品和蔬菜中的生理作用 1 起氧的缓冲剂作用 2 抵抗病原菌 3 不易受病虫害侵噬 4 酶活性的降低标志果实达成熟阶段 适口性增加 种子积累开始 三 脂肪氧合酶 lipoxygenase LOX 脂肪氧合酶 EC1 13 1 13 参与植物生长 发育 成熟 衰老的各个过程 特别是成熟衰老过程中自由基的产生以及乙烯的生物合成 1脂肪氧合酶催化的反应 脂肪氧合酶底物脂肪酸的部分结构 脂肪氧合酶的结构中含有非血红素铁 能专一催化含顺 顺 1 4 戊二烯的直链脂肪酸 脂肪酸酯 醇 通过分子加氢 形成具有共扼双键的氢过氧化衍生物 最普通的底物是必需脂肪酸 亚油酸CH3 CH2 4CH CHCH2CH CH CH2 7COOH亚麻酸CH3 CH2CH CH 3 CH2 7COOH花生四烯酸CH3 CH2 4 CH CH CH2 4 CH2 2COOH 脂肪氧合酶作用于亚油酸时 能产生亚油酸的13 L 和9 D 氢过氧化物衍生物 2脂肪氧合酶作用的初期产物的进一步变化 氢过氧化亚油酸的还原 酶催化氢过氧化亚油酸异构化 氢过氧化亚油酸的环氧化 马铃薯中催化氢过氧化亚油酸生成乙烯醚 在无氧条件下 催化氢过氧化亚油酸和亚油酸发生二聚化反应 氢过氧化亚油酸分解 3pH对脂肪氧合酶作用的影响 脂肪氧合酶的最适pH一般在7 0 8 0 pH对大豆脂肪氧合酶活力的影响 使用吐温20 曲线A 不使用吐温20 曲线B 4脂肪氧合酶的作用对食品质量的影响 4 1脂肪氧合酶的作用对焙烤食品质量的影响改进面粉的颜色和焙烤质量漂白面粉强化面筋蛋白改进面包的体积和软度 4 2对食品颜色 风味和营养的影响 1 对食品风味的影响在一些水果和蔬菜中 构成期望的风味成分 在冷冻蔬菜和其他加工食品中 产生不良的风味 在谷类保藏过程中产生的不良风味 直接或间接地和肉类酸败及高蛋白质食品的不良风味有关 2 脂肪氧合酶对食品营养的影响作用的产物对维生素A及维生素A原的破坏 减少了食品中必需不饱和脂肪酸的含量 作用的产物同蛋白质的必需氨基酸作用 从而降低了蛋白质的营养价值及功能性质 5脂肪氧合酶的抑制 脂肪氧合酶会产生两种有害的副作用 一是造成有营养价值的多不饱和脂肪酸损失 二是产生导致酸败的氧化产物 控制食品加工时的温度将食品材料调节到pH偏酸性再热处理酚类抗氧化剂能抑制脂肪氧合酶 脂肪氧合酶失活方法 四 葡萄糖氧化酶 GOD GlucoseOxidase GOD EC1 1 3 4 是一种需氧脱氢酶 能专一地氧化 D 葡萄糖成为葡萄糖酸和过氧化氢 存在 青霉素 黑曲霉 米曲霉和点青霉 高等植物和动物体内还没有发现葡萄糖氧化酶 1葡萄糖氧化酶催化的反应 按条件不同有三种形式 在没有过氧化氢酶存在 C6H12O6 O2 C6H12O7 H2O2 在有过氧化氢酶存在下 C6H12O6 1 2O2 C6H12O7在有乙醇和过氧化氢酶存在下 C6H12O6 C2H5OH O2 C6H12O7 CH3CHO H2O 葡萄糖氧化酶的催化特异性 对 D 吡喃葡萄糖表现出高度的专一性 底物分子C 1 上的羟基在酶的催化作用中起到重要作用 且羟基处在 位时酶的活力比处在 位时高约160倍 葡萄糖氧化酶的底物特异性 2pH对葡萄糖氧化酶作用的影响 最适pH值为5 6 在pH3 5 pH6 5之间保持良好的稳定性 结晶酶在pH3 5 7 6 40 下稳定 没有保护剂存在的情况下 pH大于8 0或小于2 0酶将迅速失活 葡萄糖氧化酶的相对稳定性 3温度对葡萄糖氧化酶作用的影响 最适作用温度为30 50 在低温下有很好的稳定性 温度一旦高于40 酶活将逐渐丧失 啤酒生产中有后杀菌工艺 如何使用GOD 葡萄糖氧化酶催化反应需要氧的参与 反应温度改变将导致反应体系中氧的浓度发生改变 从而影响酶活性 葡萄糖氧化酶催化的反应具有较低的Q10 在一定温度范围内 30 60 温度变化对葡萄糖氧化酶活力的影响不显著 4葡萄糖氧化酶的抑制剂 抑制剂 Hg2 Ag Cu2 对氯代汞基苯甲酸 苯基脲乙酯及NH4OH 肼 苯肼 亚硫酸钠 双甲酮 甘露糖 果糖以及D 阿拉伯糖对葡萄糖氧化酶有比较明显的竞争性抑制作用 氰化物和一氧化碳对酶没有抑制作用 5葡萄糖氧化酶的分子组成及其作用机制 以黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 为辅基 1mol酶含2molFAD 来源不同 其分子量亦有所差别 工业酶制剂主要来源 黑曲霉 葡萄糖氧化酶催化的反应的速度同时取决于O2和葡萄糖的浓度 6葡萄糖氧化酶在食品加工中的应用 葡萄糖氧化酶的作用 1 去葡萄糖 2 脱氧 3 杀菌 4 测定葡萄糖含量 6 1蛋类食品的脱糖保鲜防止美拉德反应 用葡萄糖氧化酶 过氧化氢酶体系将还原糖分子上的醛基转变成羧基 消除美拉德反应中的产物之一 还原糖 反应需要 不断地供给氧气 低温操作保持乳状液的稳定性 葡萄糖氧化酶脱糖的优点 蛋制品基本上不会发生褐变 脱糖后蛋清可保持原有色泽 且蛋腥味消失 起泡性和起泡稳定性均有明显提高 1 干鲜食品脱氧可以在容器中防入含葡萄糖氧化酶及其作用底物葡萄糖的吸氧保鲜袋 这样容器中的氧气透过薄膜进入袋中就在葡萄糖氧化酶作用下与葡萄糖反应 从而达到脱氧的目的 6 2防止食品氧化 2 酒类脱氧利用葡萄糖氧化酶复合体系 可以有效地去除啤酒中的溶氧 在啤酒加工过程中以及包装后的贮藏中起到保护作用 葡萄糖氧化酶用于啤酒脱氧时的使用量为每升啤酒中加10 70个单位 添加时机以发酵后啤酒与酵母刚刚分离时较为理想 在生产白葡萄酒过程中添加浓度为20 40单位 L酒的葡萄糖氧化酶 便可以有效地减轻氧造成的危害 3 饮料脱氧保鲜在果汁在深加工过程中添加葡萄糖1g L 葡萄糖氧化酶20mg L即可有效防止氧化的发生 葡萄糖氧化酶在软饮料中起到保持正常口味 防止饮料氧化褪色 除残氧后降低饮料中氧化的铁质等作用 4 虾肉食品保鲜将虾肉置于葡萄糖氧化酶 过氧化氢酶溶液中浸泡 或将酶液加入到包装的盐水中 就能有效阻滞虾肉颜色的改变和防止蛤败的产生 5 稳定食品乳状液的质量 葡萄糖氧化酶 过氧化氢酶处理对蛋黄酱稳定性的影响 6 防止马口铁罐壁氧化腐蚀在罐头中应用葡萄糖氧化酶 可以减轻和防止氧化圈和罐内的溶锡 在罐装啤酒的情况下 也能减少马口铁罐壁的氧化腐蚀和铁锡等重金属离子的溶出 保持其原有风味 6 3杀菌 由于葡萄糖氧化酶能去除氧 所以能防止好气菌的生长繁殖 同时由于产生过氧化氢 也可起到杀菌的作用 6 4葡萄糖氧化酶在食品分析中的作用 定量测定各种食品中的葡萄糖含量 测定食品中的果糖含量 葡萄糖氧化酶在食品加工中应用 改变转化糖中葡萄糖和果糖的比例 降低玉米糖浆中葡萄糖的含量 加入到面粉中起催熟作用 加入到牛乳中起凝结作用 稳定柑桔饮料及浓缩汁的质量 保护肉制品及干酪的颜色等 五 超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶 Superoxidedismutase 简称SOD EC1 15 1 1 是一类含金属的酶 目前已知的SOD主要分为三类 Cu Zn SODMn SODFe SOD Cu Zn SOD存在于包括人类在内的所有高等真核生物中 呈蓝绿色 Mn SOD存在于高等生物的线粒体及细菌中 呈粉红色 Fe SOD存在于原核细胞 呈黄色 1催化机制 催化超氧阴离子的歧化反应 O2 O2 2H O2 H2O2 皱纹和老年斑是如何产生的 2理化性质 当SOD受到外界各种因素 如温度 pH 氰化物 变性剂和电离辐射等的影响 其分子结构和酶活性都会发生变化 2 1热稳定性 超氧化物歧化酶是一种金属蛋白 它对热表现出异常的稳定性 离子强度低 稳定性高 有种族差异 2 2pH的影响 pH的改变会引起酶蛋白与金属辅因子结合状态的改变 天然的Cu Zn SOD在pH3 6时 95 的Zn会脱落 在pH12 2时酶的构象会发生变化 但总的来说 SOD对pH并不敏感 通常在pH5 3 9 5范围内对酶活性影响不大 2 3对氰化物的敏感性 不同种类的SOD对氰化物的敏感性不同 所有的Cu Zn SOD都对氰化物敏感 Mn SOD却抗氰化物 2 4金属辅因子 Cu Zn SOD中Cu与Zn的作用是不同的 Zn仅与酶分子的结构有关 而与催化活性无关 而Cu却与催化活性有关 Mn和Fe分别对Mn SOD和Fe SOD的催化活性具有作用 2 5变性剂和还原剂 变性剂 尿素 SDS和EDTA 牛血SOD在含有SDS EDTA的6M尿素溶液中加热 活性丧失很快 但在8M尿素溶液中SOD相当稳定 还原剂如巯基乙醇主要作用于 SH或二硫键 当加入巯基乙醇后SOD就会解聚 2 6电离辐射 SOD通过辐照后 除酶本身活性降低外 许多理化性质以及铜 锌的含量等都会发生变化 Mn SOD和Fe SOD经电离辐射后 金属辅助因子Mn和Fe会脱落 从而导致酶活性的丧失 3生理功能 SOD可清除机体代谢过程中所产生的过量O2 可提高人体对那些由于自由基侵害而诱发疾病的抵抗力 可提高人体对自由基外界诱发因子的抵抗力 可减轻肿瘤患者在化疗 放疗时的疼痛及严重的副作用 3 1SOD是特殊的氧自由基清除剂 3 2SOD具有明显的防晒效果 在电离辐射的间接作用下 生物体内水分子经激发与电离后产生了包括超氧阴离子 O2 在内的氧自由基 而SOD是氧自由基专一清除剂 在照射前供给外源性SOD 可有抗辐射效果 3 3SOD有明显的抗炎效果 活性氧损害是引起炎症的主要原因 SOD是氧自由基清除剂 可作为抗炎药 4SOD在食品中的应用 1 SOD可制成口服液 化妆品使用2 SOD作为抗氧化剂3 作为食品营养强化剂 谢谢 回顾氧化还原酶 催化底物的氧化或还原 反应时需要电子供体或受体 大多氧化还原酶在反应时需要辅酶 一 过氧化物酶二 多酚氧化酶三 脂肪氧合酶四 葡萄糖氧化酶五 超氧化物歧化酶 过氧化物酶是由单一肽链与一个铁卟啉辅基结合构成的血红蛋白 一 过氧化物酶 过氧化物酶 POD 分类 1 含铁POD 正铁血红素POD 含有正铁血红素 羟高铁血红素 为辅基 存在于高等植物 动物和微生物中 绿POD 辅基也含有一个铁原卟啉基团 存在于动物器官和乳中 乳过氧化氢酶 2 黄蛋白POD 以黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 为辅基 存在于动物组织和微生物中 过氧化物酶催化的反应 POD能催化4种类型的反应 1 过氧化反应 有氢供体存在 2 氧化反应 3 过氧化氢分解 没有氢供体存在 4 羟基化反应 1 POD催化过氧化反应 过氧化反应表示如下 ROOH AH2 H2O ROH AR为 H CH3 C2H5 AH2为氢供体 还原形式 A为氢供体 氧化形式 氢供体 酚类 对甲酚 愈创木酚 间苯二酚 芳香胺类 苯胺 联苯胺 邻苯二胺 o 二茴香基二胺 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NADH2 及还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NADPH2 等 2 氧化反应 POD在无氢过氧化物存在的情况下催化的反应需要有O2和辅助因子 Mn2 和酚 底物 草酸盐 草酰乙酸盐 酮基丙二酸盐 二羟基延胡索酸 吲哚乙酸 IAA 等 3 过氧化氢反应 无氢供体存在下可催化过氧化氢分解 2H2O22H2O O2 4 POD的羟基化反应 单酚与O2反应 产生o 二羟基酚O2 AH2H2O A 低温对过氧化物酶的影响过氧化物酶冷冻增活效应 蔬菜热烫后 会有一些残余活力或再生活力被允许留在被保藏的产品中 残余酶活力在冰冻保藏后 质量比酶完全失活时要高 速冻蔬菜能否永久保藏 非脂肪氧合酶作用在热失活中过氧化物酶分子聚集成寡聚体 分子量增加一倍 这个过程包括酶分子展开和展开的酶分子进一步堆积 血红素基暴露 增加了血红素蛋白非酶催化脂肪氧化的能力 导致不良风味的产生 这一过程称非脂肪氧合酶作用 热烫钝化 经热烫的罐装或冷冻蔬菜在保藏期间产生的不良风味的原因 过氧化物酶在食品加工中的应用 1 氧化吲哚乙酸 参与植物生长调节 2 过氧化物酶是果蔬成熟和衰老的指标 3 过氧化物酶的活力与果蔬产品 特别是非酸性蔬菜在保藏期间形成的不良风味有关 4 过氧化氢酶属于最耐热的酶类 在果蔬加工中常被当作热处理是否充分的指标 二 多酚氧化酶 多酚氧化酶 EC1 10 3 1 polyphenoloxidase PPO 引起食品酶促褐变的主要酶类 有害 新鲜 冷冻 干制和罐藏产品的褐变 有利 红茶生产 苹果浓缩汁除涩 多酚氧化酶催化的反应及其作用底物 催化反应 两类反应都需要有分子氧参加 1 一元酚羟基化 蘑菇中单酚 2 邻二酚氧化 生成邻醌 多酚氧化酶催化的氧化反应的最初产物邻醌将继续变化 相互作用生成高分子量聚合物 与氨基酸或蛋白质作用生成高分子络合物 氧化那些氧化还原电位较低的化合物 生成无色化合物 其中 导致褐色素的生成 反应 的产物是无色的 多酚氧化酶在果品和蔬菜中的生理作用 1 起氧的缓冲剂作用 2 为抵抗病原菌提供一定程度的保护作用 因为PPO反应产物的反应能力大 3 酚类物质氧化产物与细胞成份的相互作用 使组织不易受病虫害侵噬 4 酶活性的降低标志果实达成熟阶段 适口性增加 种子积累开始 三 脂肪氧合酶 lipoxygenase LOX 脂肪氧合酶 EC1 13 1 13 参与植物生长 发育 成熟 衰老的各个过程 特别是成熟衰老过程中自由基的产生以及乙烯的生物合成 脂肪氧合酶的作用对食品质量的影响 脂肪氧合酶的作用对焙烤食品质量的影响改进面粉的颜色和焙烤质量漂白面粉强化面筋蛋白改进面包的体积和软度 对食品颜色 风味和营养的影响 1 对食品风味的影响在一些水果和蔬菜中 构成期望的风味成分 在冷冻蔬菜和其他加工食品中 产生不良的风味 在谷类保藏过程中产生的不良风味 直接或间接地和肉类酸败及高蛋白质食品的不良风味有关 2 脂肪氧合酶对食品营养的影响作用的产物对维生素A及维生素A原的破坏 减少了食品中必需不饱和脂肪酸的含量 作用的产物同蛋白质的必需氨基酸作用 从而降低了蛋白质的营养价值及功能性质 脂肪氧合酶的抑制 脂肪氧合酶会产生两种有害的副作用 一是造成有营养价值的多不饱和脂肪酸损失 二是产生导致酸败的氧化产物 四 葡萄糖氧化酶 GOD GlucoseOxidase GOD EC1 1 3 4 是一种需氧脱氢酶 能专一地氧化 D 葡萄糖成为葡萄糖酸和过氧化氢 葡萄糖氧化酶在食品加工中的应用 葡萄糖氧化酶的作用 1 去葡萄糖 2 脱氧 3 杀菌 4 测定葡萄糖含量 蛋类食品的脱糖保鲜防止美拉德反应 用葡萄糖氧化酶 过氧化氢酶体系将还原糖分子上的醛基转变成羧基 消除美拉德反应中的产物之一 还原糖 反应需要 不断地供给氧气 低温操作保持乳状液的稳定性 1 干鲜食品脱氧可以在容器中防入含葡萄糖氧化酶及其作用底物葡萄糖的吸氧保鲜袋 这样容器中的氧气透过薄膜进入袋中就在葡萄糖氧化酶作用下与葡萄糖反应 从而达到脱氧的目的 防止食品氧化 2 酒类脱氧利用葡萄糖氧化酶复合体系 可以有效地去除啤酒中的溶氧 在啤酒加工过程中以及包装后的贮藏中起到保护作用 葡萄糖氧化酶用于啤酒脱氧时的使用量为每升啤酒中加10 70个单位 添加时机以发酵后啤酒与酵母刚刚分离时较为理想 在生产白葡萄酒过程中添加浓度为