微生物酶制剂及其在食品工业中的应用

微生物酶制剂及其在食品工业中的应用摘要 介绍了几种微生物酶制剂的原理、特点、工艺流程及其技术要点，综述了近年来微生物酶制剂在食品化学中的应用，今后一系列新型的微生物酶制剂，必将促进食品工业的快速发展。关键词 微生物酶制剂 食品工业 应用前 言微生物是一类宝贵而又丰富的生物资源 。它广泛应用于食品、发酵、制药、环保、冶金和农业等众多行业。这类资源如能进一步科学合理地开发，必将为人类创造出巨大的物质财富。民以食为天，食品是人类赖以生存的基础。近年来，全世界由于人 口的增加和生活水平的提高，对食品的质和量提出了更高的要求。随着食品资源的不断被利用，开辟新的食品资源 已越来越引起人们的思考。在寻找食品新资源的过程中，虽然人们还习惯把着眼点主要放在扩大种植业、畜牧业和水产业上，但由于微生物具有与众不同的特点，已使人们产生浓厚的兴趣，开拓了人们寻找食品新资源的视野。经过不断研究和开发，一大批应用微生物生产的食品相继面市。微生物在丰富食品种类、增加或提高营养成分的含量以及改善食品的风味方面正日益扮演重要的角色，显示出广阔的应用前景，逐渐实现食品由植物、动物二维结构向植物、动物、微生物三维结构的转变。当今人们采用的主要技术是利用微生物的发酵来制造食品。微生物发酵就是利用微生物，在适宜的条件下，将原料经过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的过程。微生物菌种是进行发酵的根本因素，通过变异和菌种筛选，可以获得高产的优良菌株并使生产设备得到充分利用，也可以因此获得按常规方法难以生产的产品。发酵有三大过程要素 1、温度 2、PH值 3、氧气三 微生物酶的一般生产技术1) 盐析法 盐析剂中性盐的选择： MgS04，(NH4)2S04，Na2SO4，NaH2P04是常用的盐析用中性盐。其盐析蛋白质的能力随蛋白质的种类而不同，但一般说来这种能力按上述顺序依次增大。一般可以说含有多价阴离子的中性盐其盐析效果好。但实际上(NH4)2S04是最多用的盐析剂，这是因为它的溶解度在较低温度下也是相当高的。有的酶只有在低温下稳定，而低温下Na2S04，NaH2P04的溶解度很低，常常不能达到使这种酶盐析的浓度。 盐析剂用量的决定：不同的酶使之盐析沉淀的盐析剂用量是不同的，随共存的杂质的种类和数量而有所差异。因此适当的使用量只能根据实践决定，并根据数据可以绘制出盐析曲线。 pH和温度的影响：蛋白质的溶解度在无盐存在下，以在等电点时为最小，在稀盐状态时大致也是这样。但在高浓度的中性盐溶液中，原有蛋臼质溶液pH的影响不大。实际上溶液最终的pH为盐析剂所决定。 在无盐或稀盐溶液中，温度低，蛋白质的溶解度也低，但在高浓度盐溶液中，温度高则蛋白质的溶解度反而低。因此一般说来盐析时不要降低温度，除非这种酶不耐热。 盐析法的优点是在常温沉淀过程中不会造成酶的失活，沉淀物在室温下长时间放置也不会失活，在沉淀酶的同时夹带沉淀的非蛋白质杂质少，而且适用于任何酶的沉淀。它的缺点是沉淀物中含有大量的盐析剂。如用硫酸按一次沉淀法制取的酶制剂，就含有硫酸铵的气味，如果这种制剂不经脱盐直接用于食品工业，不但影响食品的风味和工艺效果，而且工业硫酸铵中可能含有毒性物质，不符合卫生要求。2) 有机溶剂沉淀法 有机溶剂的选择 有机溶剂沉淀蛋白质的能力随蛋白质的种类及有机溶剂的种类而不同，对曲霉淀粉酶而言，有机溶剂的沉淀能力，丙酮异丙醇乙醇甲醇。这个顺序还受温度、pH、盐离子浓度所影响，不是一成不变的。 有机溶剂的用量 有机溶剂的沉淀能力受很多因素影响，特别是溶存盐类的影响尤为显著。当存在少量中性盐(0.10.2mol/L以上)时能产生盐溶作用。蛋白质在有机溶剂水溶液中的溶解度升高。多价阳离子如Ca2+，Zn2+与蛋白质结合，就能使蛋白质在水或有机溶剂中的溶解度降低，因而可以降低使酶沉淀的有机溶剂的浓度。 工艺参数的影响 a 温度 有机溶剂沉淀蛋白质的能力受温度的影响很大。一般言之，温度愈低沉淀愈完全。局部区域有机溶剂过浓，能够严重破坏蛋白质的空间结构造成酶的变性失活，在温度较高的条件下尤为显著。有机溶剂，特别是乙醇与水混合时放出大量热，使混合液的温度升高。因此在添加有机溶剂时，整个系统需要冷却，一般保持0左右，同时强烈搅拌，以避免有机溶剂局部过热和液体局部过热。另外，已经沉淀的酶对有机溶剂变性的抵抗力大，所以过分延长添加溶剂的时间也是不利的。 b pH值 蛋白质在等电点的溶解度最低，但很多酶的等电点在pH45值之间，比其稳定的pH值范围低。在这种情况下必须采用目的酶稳定的pH值，然后是尽可能靠近其等电点。 沉淀时酶液的温度和pH值不但对目的酶的收率具有决定性的影响，而且对酶的组成(各共存酶的比率)及单位重量沉淀物中目的酶的活力都有重要的关系。例如固体培养的米曲霉-淀粉酶，用水抽出并过滤，清液预先冷却，在搅拌下加乙醇至终浓度70%，温度10，pH值5.66.0，-淀粉酶的收率约94%。3) 吸附法 白土及活性氧化铝吸附法 白土类是以硅酸铝为主要成分的粘土，随其种类不同，能吸附酶或蛋白质的种类和数量也不同，一般在弱酸性条件下吸附酶或蛋白质，在中性或弱碱性条件下解吸。白土先用2mol/L盐酸活化。 活性氧化铝也是最常用的吸附酶或蛋白质的吸附剂之一。可以用明矶、硫酸铵等调制，加热使之活性化。酶或蛋白质一般在弱酸性条件下吸附，在弱碱性条件下解吸。 淀粉吸附-淀粉酶的方法 一定的酶只作用于特定的基质，这一事实说明两者之间有一种特别的亲和力。因此用基质吸附那种对基质具有特定作用的酶，可以达到很好的效果。但作为吸附剂的基质首先必须是固相物；其次在吸附酶的过程中，这种基质不会被它所吸附而又专门能作用于它的酶所分解，或分解程度极微；第三是单位重量的基质吸附这种特定酶的能力均应该足够大。现发现生淀粉对-淀粉酶的吸附是比较接近于上述条件的。四 酶制剂化和稳定化处理 浓缩的酶液可制成液体或固体酶制剂。酶制剂的出售是以一定体积或重量的酶活计价，所以生产出的酶制剂在出售前往往需要稀释至一定的标准酶活。同时为改进和提高酶制剂的储藏稳定性，一般都要在酶制剂中加入一种以上的物质，它们既可作酶活稳定剂，又可作抗菌剂及助滤剂，它们若制成干粉，则可起到填料、稀释剂和抗结块剂的作用。可用作酶活稳定剂的物质很多，如辅基、辅酶、金属离子、底物、整合剂、蛋白质等，最常用的有多元醇(如甘油、乙二醇、山梨醇、聚乙二醇等)、糖类、食盐、乙醇及有机钙。有时用一种稳定剂效果不明显，则需要几种物质合用，如明胶对细菌淀粉酶及蛋白酶有稳定作用，但效果不明显，若同时加人些乙醇和甘油，稳定效果就显著了。 四 酵母菌在食品中的应用面包的生产面包和馒头几乎是我国广大城乡人民经常食用的食品，它们都是由面粉经过酵母菌发酵后制成的，其质地松软，味香可口，但面包的原料配合较为合理，经过烘烤而成，因而更加可口和富于营养，也便于携带和保存。用于制造面包的酵母啤酒酵母，可以从啤酒厂得到，但有专业的工厂生产酵母制品，专门用来生产面包的酵母产品有压榨酵母（鲜酵母）、活性干酵母（ADY），一般用压榨酵母较多。面包制造是以面粉为主要原料，加水和酵母菌混合成面团，在30左右发酵，酵母菌利用面粉中淀粉酶分解淀粉生成的麦、葡、果、蔗糖，产生二氧化碳、醇、醛和一些有机酸等产物。 二氧化碳使面团膨胀，发酵好的面团，经过揉搓添加配料，成型后放到烘焙炉中在高温下烘烤。二氧化碳受热膨胀使面包成为多孔的海绵状结构，使产品具有松软的质地。发酵中产生的有机酸、醇、醛等赋予面包以特有的风味。有的还添加各种食用香精、果仁、果脯等辅料，形成不同的花色品种。五 酶制剂在食品保鲜方面的应用 随着人们对食品的要求不断提高和科学技术的不断进步，一种崭新的食品保鲜技术酶法保鲜技术正在崛起。酶法保鲜技术是利用生物酶的高效的催化作用，防止或消除外界因素对食品的不良影响，从而保持食品原有的优良品质和特性的技术。由于酶具有专一性强、催化效率高、作用条件温和等特点，可广泛地应用于各种食品的保鲜，有效地防止外界因素，特别是氧化和微生物对食品所造成的不良影响。葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase）是一种氧化还原酶，它可催化葡萄糖和氧反应，生成葡萄糖酸和双氧水。将葡萄糖氧化酶与食品一起置于密封容器中，在有葡萄糖存在的条件下，该酶可有效地降低或消除密封容器中的氧气，从而有效地防止食品成分的氧化作用，起到食品保鲜作用。 葡萄糖氧化酶可以在有氧条件下，将蛋类制品中的的少量葡萄糖除去，而有效地防止蛋制品的褐变，提高产品的质量；另外在氧的存在下容易发生氧化作用的花生、奶粉、面制品、冰淇淋、油炸食品等富含油脂的食品；易发生褐变的马铃薯、苹果、梨、果酱类食品中，利用葡萄糖氧化酶这种理想的除氧保鲜剂，可以有效地防止氧化的发生。 溶菌酶（Lysozyme）是一种催化细菌细胞壁中的肽多糖水解的水解酶。它专一地作用于肽多糖分子中N-乙酰胞壁酸与N-乙酰氨基葡萄糖之间的-1，4键，从而破坏细菌的细胞壁，使细菌溶解死亡。一般可从鸡蛋的蛋清中得到。用溶菌酶处理食品，可以有效地防止和消除细菌对食品的污染，起到防腐保鲜作用。溶菌酶由于其专一地作用于细菌的细胞壁，使细菌溶解，而对没有细胞壁的人体细胞不会产生不利的影响，所以广泛地应用于医药、食品等需要杀灭细菌的领域。在食品保鲜方面，可用于各种食品的防腐保鲜等，如干酪、水产品、低浓度酿造酒、乳制品等其它食品的保鲜。采用溶菌酶进行食品的防腐保鲜，一般使用蛋清溶菌酶。蛋清溶菌酶对人体无害，可有效地防止细菌对食品的污染，它已广泛地用于各种食品的防腐保鲜。七 酶在蛋白质食品生产中的应用 蛋白质食品是指含大量蛋白质或以蛋白质为主要原料加工而成的食品。在蛋白质食品的生产过程中，主要使用的酶是各种蛋白酶。蛋白质是由各种氨基酸通过肽键连接而成的高分子化合物，在蛋白质水解酶的作用下，可水解生成蛋白胨、多肽、氨基酸等蛋白质水解产物。这些产物在食品、医药、细菌培养等领域有广泛的应用价值。 蛋白酶（Proteinases）是一类催化蛋白质水解的酶。来自微生物的蛋白酶主要是枯草杆菌蛋白酶、黑曲霉蛋白酶等。蛋白质在加酶水解之前必须经过一定的处理，以破坏其完整的空间结构，使其变性，以利于酶的水解。一般可以采用加热处理的方法。也可采用生化分离技术将蛋白质先提取出来，再进行酶解。用蛋白酶水解法生产氨基酸时，要根据所使用的蛋白酶的动力学特性，选择并控制好各种水解条件，使蛋白质完全水解成氨基酸。 明胶是一种热可溶性的蛋白质凝胶，在食品加工中有广泛的用途。生产明胶的原料一般采用动物的皮或骨，这些原料含有丰富的胶原蛋白。天然状态的胶原蛋白呈三股螺旋结构，不溶于水，若采用适当的方法处理，即可使三股螺旋结构解体成为单链，而溶解在热水中，得到明胶溶液。在蛋白酶法水解生产明胶时原料需先经切割、捣碎处理，然后用清水洗净、沥干。 干酪（cheese）又称奶酪，是乳中的酪蛋白凝固而成的一种营养价值高、容易消化吸收的食品，其主要成分是蛋白质和乳脂，还含有少量的无机盐及丰富的维生素。干酪的生产可以采用乳酸菌发酵的方法，也可采用凝乳蛋白酶的方法进行。用于肉类嫩化的微生物蛋白酶有枯草杆菌蛋白酶、黑曲霉蛋白酶、米曲霉蛋白酶、根曲霉蛋白酶等微生物蛋白酶。七 酶在果酒生产中的应用在葡萄酒生产的过程中，已广泛应用酶制剂，主要应用的酶有果胶酶和蛋白酶。果胶酶用于葡萄酒生产，不仅可以提高葡萄汁和葡萄酒的产率、有利于过滤和澄清，而且可以提高产品质量。如使用果胶酶后，葡萄中单宁的抽出率降低，使酿制的白葡萄酒风味更佳。在红葡萄酒酿制过程中使用果胶酶，可提高色素的抽提率，还有助于酒的老熟，增加酒香。 用于葡萄酒生产的果胶酶大多数是复合酶制剂。除了含有各种果胶酶外，还含有少量的纤维素酶和半纤维素酶。在葡萄酒酿造过程中，还使用蛋白酶，以使酒中存在的蛋白质水解，防止出现蛋白质浑浊，使酒体清澈透明。除了葡萄酒以外，在其他果酒如桃酒、荔枝酒等的生产过程中，也可采用酶法处理，以提高产率和产品质量。蛋白酶的生产现状，蛋白酶是最重要的一种工业酶制剂，能催化蛋白质和多肽键水解。它广泛存在于动物内脏、植物茎叶、果实和微生物中。各种生物体都能合成它，但唯有微生物蛋白酶具有生产价值，蛋白酶也是研究的比较深入的一种酶，已做成结晶或得到高度纯化物的蛋白酶达100多种，其中不少酶的一级结构以及立体结构也已阐明。 蛋白酶的商品生产始于20世纪初，30年代微生物蛋白酶开始用在食品和制革工业。近 20 年来，微生物蛋白酶的研究蓬勃开展。20世纪50年代初，日本学者首先发现霉菌中存在几种类型的蛋白酶，特别是酸性蛋白酶，20世纪60年代初，荷兰开始生产添加碱性蛋白酶的洗涤剂。到目前为止，国际市场上商品蛋白酶80-100种以上。蛋白酶的分类，按蛋白酶水解蛋白质的方式可分为以下几种。（1）切开蛋白质分子内部肽键，生物的相对分子量较小的多肽类，这类酶一般叫内肽酶；（2）切开蛋白质或多肽分子氨基酸或羧基末端的肽键，而游离出氨基酸，这类酶叫外肽酶。作用于氨基末端的称为氨肽酶，作用于羧基末端的称为羧肽酶；（3）水解蛋白质或多肽的脂键；（4）水解蛋白质或多肽的酰氨键。 按酶的来源可以分为动物蛋白酶、微生物蛋白酶。 微生物蛋白酶又可分为细菌蛋白酶、霉菌蛋白酶、酵母蛋白酶和放线菌蛋白酶。 按蛋白酶作用的最适 pH 可以分为 pH2.5-5.0 的酸性蛋白酶、pH9.5-10.5 的碱性蛋白酶、pH7-8 的中性蛋白酶。为了方便起见，微生物蛋白酶常用这种分类方法；根据蛋白酶的活性中心和最适反应 pH 可以分为、巯基蛋白酶、活性中心有两个羧基的酸性蛋白酶。用于制革生产， 制革的原料皮中纤维蛋白是皮革的有用成分，此外还有不少非纤维状的蛋白存在于纤维间隙和表皮中，这些蛋白含量虽少，若不去除，成品皮革僵硬而脆。蛋白酶不能分解天然胶原而只能分解间质蛋白，因而可用于制革工艺，国内碱性蛋白酶制剂均可用于酶法脱毛。制造明胶和可溶性纤维胶原。工业上用石灰水浸去皮、骨等原料中的油脂与杂蛋白等，此工艺耗时长达数月，劳动强度大，出胶率低而且能耗大，用蛋白酶净化胶原，明胶纯度高，质量好，相对分子质量均匀，分子排列整齐，生产周期短，明胶收率高，几乎达 100%。预处理羊毛低温染色羊毛用高温染色，会使毛的强度受到损害，且易造成纤维毡化丝绸脱胶生丝织物必须脱胶，丝胶是一种蛋白质，我国历来用碱皂法高温炼丝进行脱胶，缺点很多，碱质侵袭丝素，易引起发毛影响光泽，用蛋白酶脱胶后，成品手感润滑柔软，光泽鲜艳，而且脱胶时间短，操作温度低，劳动生产率提高。竖起，用蛋白酶处理后的羊毛，在沸点下染色，2min 的上色率可达100%，成品色泽鲜艳，手感丰满，废水中燃料含量大大降低。八 酶在食品添加剂生产中的应用 酶作为一种高效生物催化剂，逐渐在食品添加剂的生产中获得较广泛的应用。介于天然提取和化学合成两种方法之间，酶合成的工艺具有前两者无法比拟的优点：酶的催化活性高，产品合成速度快，酶的催化特异性，产品纯度高，且能获得指定构象的产品。酶的使用确实能解决化学合成和天然提取方法中的问题，也就为食品添加剂的生产提出新的思路。九 新型（特种）酶在纺织加工中的应用 1 葡萄糖氧化酶在纺织加工的应用：葡萄糖氧化酶主要进行织物的漂白整理，这种酶处理对双氧水的产生非常有效，处理使不需添加双氧水稳定剂，处理后织物手感柔软、丰满。2 半纤维素酶、木质素酶在纺织加工中的应用：天然的纤维素纤维中均含有半纤维素和木质素，尤其是麻类纤维