第十一章+食品加工中的酶处理.ppt

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AnselmePayen和ean-FranoisPersoz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TheodorSchwann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,JohanKjeldahl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EmilFisher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,通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的技术过程。通过基因定位突变和聚合酶链反应（PCR）技术，改变DNA中的碱基序列，使酶分子的组成和结构发生改变，获得具有新特性和功能的酶分子。(图：微生物的基因经修饰能够产生所需的酶),1、金属离子置换修饰：把酶分子中的金属离子换成另一种金属离子。结晶的钙型-淀粉酶的活力比一般结晶的杂离子型-淀粉酶的活力提高3倍以上，稳定性增加铁型超氧化物歧花酶（Fe-SOD）中铁离子被锰离子置换（Mn-SOD），对过氧化氢的稳定性显著增强。对叠氮钠（NaN3）的敏感性显著降低,2、大分子结合修饰：采用水溶性大分子与酶的侧链基团共价结合，使酶分子的空间构象发生改变SOD催化超氧负离子（O2-）进行氧化还原反应，生成氧和过氧化氢。具有抗氧化、抗辐射、抗衰老的功效。在血浆中半衰期6-30min。聚乙二醇-SOD35h具有抗癌作用的精氨酸酶经聚乙二醇结合修饰，生成（PEG-Arginase）其抗原性被消除。酶大多从微生物、植物或动物中获得，对人体外源性蛋白质。酶蛋白进入人体，成为抗原，刺激体内产生抗体。酶再次进入人体内，产生的抗体与抗原酶特异结合，酶失去功能。,3、肽链有限水解修饰：在肽链的限定位点进行水解，使酶的空间结构发生某些精细的改变。枯草杆菌中性蛋白酶，在经过EDTA处理后，再通过纯水或稀盐缓冲液透析，可以使该酶部分水解，得到仍具有蛋白酶活性的小分子肽段，用作消炎剂使用时，不产生抗原性。4、侧链修饰：采用一定的方法（一般为化学法）使酶分子的侧链基团发生改变。,氨基修饰、羧基修饰、巯基修饰、胍基修饰、酚基修饰、咪唑基修饰、吲哚基修饰用亚硝酸修饰天冬酰胺酶，使其氨基末端的亮氨酸和肽链中的赖氨酸残基上的氨基产生脱氨基作用，变成羟基。经过修饰后，酶的稳定性大大提高，使其在体内的半衰期延长2倍。,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。催化细菌细胞壁中肽多糖水解,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