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酶工程在食品工业中的应用 一、酶的用途 表：酶用于食品加工酶的用途 反应 酶 水解淀粉生产葡萄糖 淀粉+H2O 葡萄糖 糖化酶-淀粉酶 水解RNA生产 5-IMP及5-GMP RNA+H2O 5-AMP+5- GMP+5- UMP+5 - CMP 5-AMP+H2O5-AMP+NH3 磷酸二酯酶 AMP 脱氨酶 用Plaste in 反应修饰蛋白质 肽 + 蛋氨酸乙酯 肽 - 蛋氨酸 木瓜酶 消除桔汁苦味 柚苷 +H2O 鼠李糖 + 柚配质 -7- 葡糖苷 (2) 柚配质-7-葡糖苷 葡萄糖+柚配质 柚苷酶 黄酮化合物糖苷酶 生产果葡糖浆 D-葡萄糖 D-果糖 葡萄糖异构酶 增加甜菜糖收率 棉子糖 +H2O 半乳糖 + 蔗糖 蜜二糖酶 (-半乳糖苷酶 ) 分解牛奶及乳清中乳糖 乳糖 + 水 D-半乳糖 + 葡萄糖 - 半乳糖苷酶 消除食品中残留 H2O2 H2O2+ H2O2 O2+ 2H2O 过氧化氢酶 分离鱼碎肉废水中油和蛋白质 蛋白质、油、聚丙烯酸钠、水肽氨基酸、油聚丙烯酸 碱性蛋白酶 啤酒澄清 蛋白质 肽 木瓜酶 桔子脱囊衣 半纤维素（高分子）半纤维素（低分子） 粥化酶 改进谷物淀粉收率 淀粉、半纤维素、蛋白质（高分子） 淀粉、肽、半纤维素（低分子） 半纤维素酶、果胶酶 提高饲料效率 淀粉、半纤维素、纤维素 肽、纤维、半纤维 粥化酶 生产干酪 酪素 肽 内肽酶 生产干酪用脂肪酶增香 脂肪 脂肪酸 脂肪酶 改良面团 淀粉 糊精 -淀粉酶 生产环糊精 环糊精葡萄糖转移酶 消除大豆腥臭 RCHO+NAD+H2O RCOOH+NADH RCHO+H2O+O2 RCOOH+H2O2 醛脱氢酶 醛氧化酶 消除桔子汁柠碱 柠碱酶 二、酶在食品工业的应用图：古代已用微生物生产食品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 淀粉糖均以淀粉为原料进行生产，其甜度增加有限，所以从根本上解决食糖短缺问题应生产甜度高而又不以淀粉为原料的甜味剂。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。过去是以L天冬氨酸与L 苯丙氨酸为原料用化学法合成。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。干酪生产的第一步是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。 （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 酶技术可以促使肉类嫩化。牛肉及其他质地较差的肉（如老动物肉），结缔组织和肌纤维中的胶原蛋白质及弹性蛋白质含量高且结构复杂。胶原蛋白质是纤维蛋白，同副键连接成为具有很强机械强度的组成，这种交联键可分成耐热的和不耐热的两种。幼动物的胶原蛋白中，不耐热交联键多，一经加热即行破裂，肉是得嫩；而老动物的肉因耐热键多，烹煮时软化较难，因而肉质显得粗糙，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。 （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。其中以杂鱼及鱼厂废弃物的利用最为瞩目。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，减少揉面时间和动力，改善发酵效果。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-淀粉酶强化面粉可防止糕点老化。糕点馅心常以淀粉为填料，添加-淀粉酶可以改善馅心风味。糕点制作使用转化酶可使蔗糖水解为转化糖，从而防止糖浆析晶。面包制作中适当添加脂肪酶可增进面包的香味，这是因为脂肪酶可使乳脂中微量的醇酸或酮酸的甘油酯分解，从而生成-内脂或甲酮等香味物质。 图：酶使面包更松软且保存更长久7、酶用于酿酒 啤酒是以麦芽为原料，经糖化发酵而成的酒精饮料。麦芽中含有发酵所必需的各种酶类。采用微生物淀粉酶、蛋白酶、-淀粉酶、-葡聚酶等酶制剂，可补充酶活力的不足。 果酒酿造中采用酸性蛋白酶、淀粉酶、果胶酶可消除浑浊，改善破碎果的榨汁操作。 白酒生产中采用糖化酶代替麸曲可使出酒率提高2%7%，这既能节约粮食，又可简化设备，节省厂房。 微生物处理的作用一、在发酵食品中微生物活动的因素 1、酸度对微生物生长的影响 细菌喜爱近中性的pH值，霉菌和酵母则喜爱微酸性，放线菌喜爱微碱性。 对于绝大多数的微生物来说，当pH值低于2.0左右时，便抑制或阻止其生长。 2、微生物对水分的需要 水分占微生物本身重量的80%-90%。生物体所发生的一切化学反应都需要在含水的环境中进行。因此水是生物体生长和繁殖所必需的条件。 二、食品中的微生物活动的结果 发酵食品中的微生物活动的主要结果是改变食品的风味和香气，以致于使其比所使用的原料更富于吸引力。 在某些发酵食品中，微生物的活动也能改变食品的组织结构。 微生物处理的类型对象物质 + 菌种 反应产物 糖 + 酵母（Saccharomyces）- 酒精 +CO2 （酒） 酒精 +O2+ 醋酸菌（Acetobacter）- 醋酸 +H2O （醋） 糖 + 乳酸菌（Lactobacter）- 乳酸（泡菜） 蛋白质 + 变形杆菌（Proteus）- 胺 +NH3 （腐臭） 酸 +O2+ 霉菌（Mold）- 酸消失 脂肪 + 产碱杆菌（Alcaligenes）- 脂肪酸 酵母（Saccharomyces) 醋酸菌（Acetobacter）产碱杆菌（Alcaligenes）变形杆菌乳酸菌（Lactobacter）一、微生物处理的类型 1、霉菌发酵的食品 图：霉菌（Mold）（1）酶的合成 霉菌在食品的发酵过程中最重要的作用之一是合成各种酶。这些酶通常能把蛋白质、糖类以及脂肪这样一些复杂的化合物分解为小分子的化合物。同时，也可利用食品原料合成一些其他的化合物。在原料的固有的性质发生变化的同时，便随之发生上述一系列复杂的化学变化。通常使原料的味道、风味、组织结构、颜色、可口性等其他特性，以如下的方式，即使成品变得对消费者富于吸引力这样的一种方式，发生变化。除了产生酶这一通常的功能以外，在某些产品中还具有特殊的作用。 （2）霉菌的生长 霉菌在某些食品上的生长，能使食品外表改观，而为消费者所欢迎。脉孢菌能使奥科饼覆盖上橙红色的粉状的分生孢子层。少孢根霉能使坦珀覆盖上一层洁白的菌丝表层，还具有使大豆结成为结实、紧密的饼块的功能。 （3）色素的形成 在红曲霉的发酵过程中，紫红曲菌的作用是使浸渍过的米上产生红色的化合物红曲色素（C22H24O5）和黄色的化合物红曲黄素（C17H22O4）（Wang和Hesseltine，1979）。 （4）对产品的保护作用 尽管在西方对霉菌食品产生根深蒂固的偏见，这种偏见似乎由于近20年来发现了黄曲霉素和其他的真菌素而被证明是有理由的，但是对某些传统上用于生产东方发酵食品的霉菌菌株研究结果表明，它们不但不的生毒素，而且还能抵抗食品中另一些微生物所产生的某些毒素的积累。这被看作为是一种使产品不受其他有害微生物影响的保护作用。 2、细菌发酵的食品 （1）发酵蔬菜制品 在开始发酵时，加入一定浓度的盐（2.0-0.6%），便使腐败菌受到控制，足以使能产生乳酸风味的细菌行到繁殖，在这样的环境条件下，肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides ）在蔬菜的榨汁中立刻得到繁殖，产生有机酸和二氧化碳，使 pH 值迅速降低，抑制腐败微生物繁殖，而且，二氧化碳取代了蔬菜醪液中的空气，提供了能够抑制好氧菌群的厌氧环境条件。 同时，厌氧的环境加上低的pH值，创造了更加有利于其他乳酸菌生长的条件，而它们对制得符合人们愿望的食品是很需要的。厌氧的条件和低的pH值，再加上盐和酸（较之单独加盐更能抑制腐败菌），最终创造了抑制任何不符愿望的微生物活动的环境，提供了使乳酸菌逐渐占据优势的机会。乳酸菌的生长顺序为肠膜明串珠菌、短乳杆菌（Lactobacillus brevis ）、啤酒片球菌（Pediococcus ceerevisuae）以及植物乳杆核辐射（Lactobacillus plantarus）。每种细菌的生长情况均有赖于最初在蔬菜上存在的细菌种类、糖和盐浓度以及温度。这些菌种在特性上，特别是在对盐和酸的耐性以及生长温度范围方面有所不同。它们引起了蔬菜发酵过程中的复杂变化。 （2）发酵鱼制品 图：鱼露在东南亚将大量小鱼发酵生产鱼酱油（fish sauce）或虾酱油（shrimp sauce）和鱼酱（fish paste）。鱼酱油是一种以很小的量加入到其他食品中的咸的调味品。其基本的操作步骤是将用网捕获的新鲜的小鱼和废鱼与一定量的海盐相混，以致在成品中抽提出的鱼汁大约含有20%的盐分。生产鱼酱或虾酱的方法相类似，只是在制备过程发生较小程度的水解。这种酱可以与谷物相混合。尽管其蛋白质含量高，但是这些食品的营养价值有限，这是因为消费的量很低的缘故。 很显然，微生物在鱼制品发酵过程中的作用与发酵蔬菜制品中的作用有所不同。这些产品中的盐分高，只有耐盐的微生物存活。这些耐盐的微生物来自鱼或虾本身的天然菌群，也来身于加入的盐，以及制造过程中从发酵罐和其它的设备和工作人员带进的微生物。这就表明，蛋白质的分解是由于鱼本身酶系的自溶和微生物发酵的联合作用的结果。 （3）种子原料的发酵制品 a、纳豆 图：纳豆日本纳豆是通过细菌发酵制成的为数很少的豆制品之一。它采用浸泡和蒸煮过的大豆制备，传统上用稻草把浸泡和蒸煮过大豆包扎起来，置于温暖处 1-2 天。稻草具有各种功用。它可提供发酵所必需的微生物，使产品富于令人愉快的稻草香气，部分地吸收发酵过程中释放出来的使人讨厌的氨臭。现已发现，纳豆芽孢杆菌（Bacillus natto）是此种发酵作用的必需微生物。纳豆芽孢杆菌在分类学上属于枯草孢杆菌的有关菌株（Hesseltine 和Wang ，1972）在发酵过程中，豆粒为一种粘稠状的聚合物所覆盖。当拉开豆粒时，如能形成长丝，则认为产品的质量是好的。纳豆具有粘滑的外表，呈灰白色，其风味浓厚而又持久。它可和米饭一起食用，或用作配菜。 b、思乌阿-纳奥（thuo-nao） 思乌阿纳奥是一种与纳豆极为类似的泰国食品。但是，与纳豆不同之处在于，它被轻微地捣碎成糊状物，并加入盐和其他调味料。 c、达盖（daga） 达盖是一种印度尼西亚食品，它是由各种含油植物黎豆、石栗等种子或其残留物制成的。与传统的纳豆生产一样，它也是通过细菌自然发酵制成的（Vorderman，1902 ：Herne，1950 ： Saono等，1974）。以很小的生产规模，在家庭中制作，用作配菜，或在制作某些盘菜时用做配料此类产品不甚重要。对其微生物和生物化学知识知之不多。 （4）发酵的淀粉质制品 a、发酵的玉米制品 已知非洲的一些国家生产的各种不同的发酵玉米制品不少于20种。这些食品的生产基本上按相同的操作要领进行。将玉米浸泡1-2天、磨碎，与水混合制成粘稠的面团。 b、发酵的大米制品 伊德利（idli）是一种在印度南方很浒的松软多孔的米面馒头。它是由糙米粉和去皮的黑鹰豆（Phaseolus mungo）粉的混合物，经一昼夜自然发酵制成。在蒸米饼的自然发酵过程中，占优势的产酸和产气菌是肠膜明串珠菌代替了通常制造面包所需的酵母菌。此种细菌一般存在于印度黑鹰嘴豆上。在发酵的后期阶段，粪链球菌（Streptomyces faecalis）和啤酒片球菌亦起作用（Mukkerjee等，1965）。据报道，发酵不能改善产品的营养价值，但可改善产品在风味、味道以及组织结构方面的可口性。（Steinkraus ，1973 ；Hesseltine ，1979a 、b ；Desikachar，1979）。等面团充分发起后，便进行蒸煮，趁热食用。在印度的家庭和餐馆里每天都用它作快餐食品或早餐食品。 c、发酵的木薯制品 加里是西非一些国家的主要食品。它的制作方法是把木薯去皮、搓碎、榨去大部分的汁液。再留下的浆状物自然发酵 3-4 天。已指明，它分两阶段发酵。在第一阶段棒杆菌一些菌种能分解淀粉，产生有机酸。较低的pH值能引起氰的糖苷水解，释放出气态氢氰酸。有机酸的产生也使环境变得有利于白地霉（Geotrichum candidum）的生长。白地霉能产生多种醛和酯，而这些醛和酯能使加里富于特殊的味道和香气（Collard 和 Ievi，1959）。在另一些报告中亦曾提及可能是明串珠菌的一些菌种和粪链球菌的作用（Abe和Lindsay，1978） 最后将发酵好的浆状物置于铁锅或陶磁锅中用油煎炸。有时锅中涂抹些棕榈油，可使加里呈现黄色。成品呈干粒状，在冷水中可胀起。只需加水胀起而不必蒸煮即可食用。可添加些糖，或者与调味料（胡椒）或其他诸如鱼或蛋之类的食品混合食用（Whitby，1968） （5）发酵的植物汁液 在整个热带地区，许多种棕榈树的含糖的汗液可被自发地发酵成为酒精的饮料。在其发酵过程中分离出的菌群是相当复杂的，但是确认发酵单胞菌（Zymomonas）的一些菌种在酒精（4-5%）和二氧化碳形成方面起主要作用。棕榈酒所具有的果香和酒味也是由于发酵单细胞菌的一些菌种产生乙醛所致。由于乳酸菌能产生少量乳酸和醋酸，从而使其具有一定的酸度（Swings 和de Ley，1977） 3、霉菌和酵母混合发酵的食品 （1）拉吉 拉吉本身不是一种食品，它是用于引起本章节中所介绍的某些食品的发酵作用的种子培养物。已知它在亚洲许多国家具有不同名称。它很可能起源于中国。在中国古老的经典著作中曾记载曲子是制造含酒精饮料的最为重要的“要素”。它是由米面制成，压成直径为2-3cm的扁圆的小饼。 （2）微生物 从拉吉分离出许多霉菌和酵母。从拉吉分离到的许多霉菌中，以毛霉（Mucor）和根霉（Rhizopus）最为重要。它们具有分解淀粉、脂肪以及蛋白质的活性。最近重新鉴定为淀粉霉（Amylomyces rouxii）的米厚坦孢毛老（Chlamydomucor oryzae）起主要作用。 从拉吉分离出来的酵母菌株有假丝酵母（Candida）、内孢霉（ Endomycopisis ）以及酵母（ Saccharomyces ）属的一些菌株。它们可将由霉菌从淀粉生成的糖转变为酒精。据报道，从拉吉分离到的大部分酵母菌都具有分解淀粉的活性，只有一些酵母菌具有分解脂肪的活性，但没有酵母具有分解蛋白质的活性。业已发现，对于使糯米很好地发酵成为高质量的塔珀（tape）来说，米厚坦孢毛霉和一种内孢霉（Endomycopisis chldati ）的联合作用是很必要的。这些微生物的联合作用成为以后对塔珀发酵研究的起点。 （3）发酵的淀粉质制品 a、发酵的大米制品 已知这些由大米制成的制品，在不同国家具有不同的名称。这些制品不需加工即可食用，并被认为是一种精致的食品。在中国，老糟在产妇的饮食中占有独特的地位。可以相信老炳有助于产妇恢复体力。b、布雷姆（Brem） 在印度尼西亚，采用通过分离塔珀凯坦的发酵过程中所产生的汁液制造糖果。传统的方法是用太阳晒干这些糖液，直至得到固体状的饼。在当地，认为这是一种精致的食品，特别是对于儿童更为如此。称其为布雷尔姆。 c、黄酒 如将大米的发酵作用延续至几个星期，便能产生更多的酒精和更多的汁液。为生产出黄酒，需经压滤以获得汁液，保持澄清度，并放置数月使其老熟。已知这种饮料在不同国家具有不同的名称。其酒精度随发酵时间而异酒精度可达15%，经蒸馏，可得到约含50%酒精度的饮料。 d、塔珀 - 凯泰拉 (tape-ketella) 在印度尼西亚，将去皮、洗涤及蒸煮过的木薯块茎，接种拉吉进行发酵，便生产出塔珀凯泰拉或佩乌耶翁（peuyeum），其成品是一种带有松软的组织结构、轻微的酸甜味以及温和酒味的食品。通常不需加工即可食用。有时在食用前用椰子油快速地油炸。它也可与其它的配料混合制成一种馅饼。 4、先用霉菌发酵，继这用和酵母混合发酵食品 （1）日本种曲 其种子培养物是由选育出来的一种或多种米曲霉（Aspergillusoryzae ）和酱油曲霉（Aspergillus soyae）的霉菌孢子