第八章-1 酶-本科课件必修课-食品化学

第八章酶第八章酶8.1酶的化学性质和作用特点8.2酶的命名和分类8.3酶的作用机制8.4酶促反应8.5食品加工中重要的酶8.6固定化酶8.1酶的化学性质和作用特点

1.酶的化学本质八十年代以前:

酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。

八十年代以后:

酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂。2.酶的组成绝大多数的酶是蛋白质，按组成可分为：*单纯蛋白酶：仅有AA组成，如胃蛋白酶，脉酶，木瓜蛋白酶*结合蛋白酶：酶蛋白和辅因子结合起来，才有活性。辅因子包括金属离子和有机小分子，有机小分子包括辅酶和辅基。辅酶：结合松散，易透析除去。辅基：结合紧密，不易透析除去。

根据结构不同酶可分为：1.单体酶（monomericenzyme)：仅有一条具有活性部位的多肽链，全部参与水解反应。2.寡聚酶(oligomericenzyme)：由几个或多个亚基组成，亚基牢固地联在一起，单个亚基没有催化活性。亚基之间以非共价键结合。3.多酶复合物(multienzymesystem)：几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。酶的组成类型据酶分子组成分类据酶蛋白特征分类单纯蛋白质酶类结合蛋白质酶类酶蛋白辅因子金属离子有机小分子单体酶寡聚酶多酶复合体3.酶的催化作用特点

(1)酶和一般催化剂的共性：加快反应速度；不改变平衡常数；自身不参与反应。(2)酶的特性：专一性：即酶只能对特定的一种或一类底物起作用。可分为：

绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，而不作用于任何其它物质。

相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。包括键的专一性和基团的专一性。

立体化学专一性：这类酶只对底物的某一种构型起作用，而不催化其他异构体。包括旋光异构专一性和几何异构专一性。高效性：反应速度与不加催化剂相比可提高108～1020，与加普通催化剂相比可提高107～1013；不稳定性：易受各种因素的影响，在活细胞内受到精密严格的调节控制。条件温和：常温、常压、中性pH。酶活力：酶催化一定反应的能力，也就是酶催化反应的速度1.习惯命名法根据以下5个原则决定的：（1）根据酶的催化反应的性质来命名（2）根据被作用的底物来命名（3）将酶的作用底物与催化反应的性质结合起来命名（4）将酶的来源与作用底物结合起来命名（5）将酶作用的最后PH和作用底物结合起来命名8.2酶的命名和分类

2.系统命名法应标明底物名称、反应性质，最后加一个酶字。如有两种底物，中间用“：”分开。例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:L-丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:

-酮戊二酸+L-丙氨酸L-谷氨酸+丙酮酸3.系统分类及编号1961年国际生物学会酶学委员会规定了酶的分类原则，按反应类型可将酶分为六大类：（1）氧化还原酶类（2）转移酶类（3）水解酶类（4）裂合酶类（5）异构酶类（6）合成酶类每一大类又分为若干亚类，各亚类又分为若干亚亚类并用4位数字编号系统。例：过氧话氢酶：E.C.1.11.1.6。EC代表酶学委员会，数字含义依次是类，亚类，亚亚类，在亚亚类中的序号。

8.3酶的催化作用机制1.酶催化作用的中间络合物学说酶如何降低活化能：酶先与底物结合形成不稳定的的中间产物—中间络合物，这种中间络合物具有较高的活性，不仅容易生成，而且容易变成产物，并释放出酶。

酶催化作用的中间络合物学说示意图:

酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间络合物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。E+SP+EES能量水平反应过程GE1E22.酶的活性中心

酶为什么会与底物形成中间产物？酶为什么具有高效率、专一性、可调节等特性？都与酶本身的特殊结构直接相关。由少数必需基团组成的能与底物分子结合并完成特定催化反应的空间小区域，称为酶的活性中心。必需基团有：结合基团、催化基团。酶活性中心出现频率最高的氨基酸：丝氨酸，组氨酸，半胱氨酸，酪氨酸，天冬氨酸，谷氨酸和赖氨酸。活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化反应的部位。

结合部位(Bindingsite)：酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位。催化部位(Catalyticsite):酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。结合部位决定酶的专一性催化部位决定酶所催化反应的性质

3.酶作用的辅助因素

1）底物与酶的靠近效应

2）底物与酶的定向效应

3）张力作用

4）酸碱催化作用

5）共价催化作用

酶原和酶原的激活：酶原：没有活性的酶的前体。酶原的激活：酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称为酶原的激活。本质：酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。一、温度和PH对酶促反应的影响1.温度对酶促反应的影响一方面是温度升高,酶促反应速度加快。另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。最适温度8.4酶促反应

2.pH对酶促反应的影响在一定的pH下,酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。二、酶浓度和底物浓度对酶促反应的影响1.酶浓度对酶促反应的影响当底物充足,其它因素不变,并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其它不利于酶发挥作用的因素时，反应速率与酶浓度成正比；底物浓度不足或酶浓度过高、产物积累对反应有抑制作用，会妨碍反应速率；实际生产中，酶浓度如过高，既浪费又影响产品质量。

2.底物浓度对酶促反应的影响

在酶浓度，pH，温度等条件不变的情况下研究底物浓度和反应速度的关系。如右图所示：在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。

1）米氏方程1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。Km—米氏常数Vmax

—最大反应速度2）米氏常数的意义:由米氏方程可知，当反应速度等于最大反应速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=[S]

上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。因此,米氏常数的单位为mol/L。不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低;Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。测定Km和V的方法很多，最常用的是Lineweaver–Burk的作图法—

双倒数作图法。

1Km11

=

+

V

Vmax[S]Vmax取米氏方程式的倒数形式：1/Vmax斜率=Km/Vmax-1/Km3）米氏常数求法1.抑制剂对酶促反应的影响有些物质能与酶分子上某些必须基团结合（作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧失，这种现象称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂（inhibitor)。酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。三、抑制剂和激活剂对酶促反应的影响抑制作用的类型1)不可逆抑制作用抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。2)可逆抑制作用：抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为二类：竞争性抑制，非竞争性抑制。

(1)竞争性抑制：某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。竞争性抑制可用下式表示：竞争性抑制作用的Lineweaver–Burk图：

(2)非竞争性抑制酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。非竞争性抑制可用下式表示：非竞争性抑制作用的Lineweaver–Burk图：

2.激活剂对酶促反应的影响凡是能提高酶活性的物质均称为激活剂。其中大部分是一些无机离子和小分子有机化合物。如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-、抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽等；这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作用；一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用；对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。

酶的催化作用受到温度、pH值、底物浓度、酶浓度、激活剂、抑制剂等诸多因素的影响。在酶的应用过程中，必须控制好各种环境条件，以充分发挥酶的催化功能。影响酶催化的各种因素Back8.5食品加工中的重要的酶(someimportantenzymesinfoodprocessing)商品食用酶的特点：

纯度要求高

常渗有无机盐、抑菌剂、稳定剂、食盐、蔗糖、淀粉等。

卫生要求高

必须对人无害。

来源要求高

可食的无毒的动植物材料和无病理、毒理的微生物。

食品工业中重要的酶主要是水解酶及氧化还原酶1.α-淀粉酶

也称液化型淀粉酶，能使淀粉不规则地水解。它存在于动物的唾液、胰脏及植物的麦芽中。此外，霉菌和细菌也产生此酶。钙对其有活化作用，其最适PH为5-7，最适温度约40℃，一些细菌淀粉酶则达70℃。此酶在啤酒制造及面包品质改良上很重要，终产物为麦芽糖、葡萄糖和异麦芽糖。一、水解酶-淀粉酶

能将淀粉从非还原端起，每次水解下一个麦芽糖单位。在各种植物组织中均可见，尤以大麦芽中为多，其热稳定性低于α-淀粉酶。

3.葡萄糖淀粉酶

从淀粉的非还原端起，每次水解下一个葡萄糖单位，终产物为葡萄糖和糊精，用于制糖等。最适PH=4-5，最适温度50-60℃。

淀粉酶对天然存在的完整淀粉粒作用较困难，应将淀粉粒糊化，破坏其结构后，对淀粉酶的作用才比较敏感。现通过α-淀粉酶、糖化酶和固定化葡萄糖异构酶，将玉米粉转化成含葡萄糖50％、果糖42％、其它糖8％的反应物，称为高果糖浆或果葡糖浆。它的甜度与蔗糖相当，在饮料、食品生产中大量应用。一些发达国家高果糖浆的年产量已达几百万吨。4.果胶酯酶

能把果胶酯酸分解为果胶酸和甲醇，它存在于霉菌、细菌和植物中，以柑桔类水果和蕃茄中含量为多。

5.果胶酶

能把多聚半乳糖醛酸（果胶酸）的α-1，4-苷键水解。许多微生物及成熟水果中均有存在。此酶与水果、蔬菜的软化有关，它对果汁和果酒有澄清作用。

6.脂肪酶

能把油脂（甘油三酸脂）水解为甘油和脂肪酸的酶。最适PH值为5.0—8.6。许多含脂食品如牛奶、奶油等的变质常常是由于其中所含脂肪酶的作用使游离脂肪酸增加所致。

7.转化酶

能把蔗糖水解为α-D-葡萄糖和β-D-果糖，其产物称转化糖，最适PH为4.5-5.0。转化糖比蔗糖难结晶，常用于糖浆、人工蜂蜜等制造业。

8.蛋白酶

能把蛋白质的肽链切断。木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等植物蛋白酶可用于肉的软化和防止啤酒混浊等，霉菌蛋白酶用于面包工业以改良面筋性质。不同蛋白酶切断的肽键部分不相同，如胃蛋白酶切断芳香族氨基酸，胰蛋白酶切断碱性氨基酸。牛乳的酪蛋白若用胰蛋白酶分解则产生强烈苦味，这是因生成物为胰岛素和苯丙氨酸之故，若用羧肽酶分解，则无苦味。奶酪的品种多，味微苦，就与不同的酶解产物有关。

嫩肉粉中的蛋白酶制剂，含木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或米曲霉蛋白酶肌肉组织中含有胶原蛋白（纤维蛋白），该蛋白质分子中存在着交联键而使肌肉具有很强的机械强度。交联键分为两种：一种具有耐热的特性；另一种具有不耐热的特性。幼小畜禽肉中的胶原蛋白里不耐热的交联键较多，一经加热就会断裂，所以，幼小畜禽烹调后很易软化。年老畜禽肉中的胶原蛋白里耐热的交联键较多，经加热不易断裂，所以，年老畜禽烹调后不易软化。用嫩肉粉处理年老畜禽肉（通常是将嫩肉粉的浆液涂抹在肉块的表面或浸泡肉块），可以使这类肌肉中的胶原蛋白水解，使肌肉变软并且易于烹调。二、氧化还原酶

1.葡萄糖氧化酶

使葡萄糖和O2作用生成葡萄糖酸，由霉菌产生，用于除去蛋白中的微量葡萄糖和果汁等中的溶解O2。2.儿茶酚氧化酶

使酚类与O2作用，是水果，蔬菜等褐变的主要原因。广泛分布于植物界。

3.抗坏血酸氧化酶

能把抗坏血酸分解为脱氢抗坏血酸。广泛存在于植物中。

4.脂氧化酶

能使亚油酸等不饱和脂肪酸和O2作用生成不饱和脂肪酸的过氧化物，最适PH约为6.3，与油脂的氧化酸败和胡萝卜素的破坏有关。“绿色健康，“酶”力无限医药、洗涤剂、纺织、淀粉制糖、发酵、酒精、食品（包括果蔬汁、啤酒酿造、谷物食品、蛋白水解、和功能食品以及食用油脂）、饲料、皮革、造纸和化工等工业领域

淀粉酶类与淀粉糖业果汁生产与果胶酶乳制品与凝乳酶

8.6固定化酶固定化酶是20世纪50年代开始发展起来的一项新技术，最初是将水溶性酶与不溶性载体结合起来，成为不溶于水的酶的衍生物，所以曾叫过“水不溶酶”（waterinsolubleenzyme）和“固相酶”（solidphaseenzyme）。但是后来发现，也可以将酶包埋在凝胶内或置于超滤装置中，高分子底物与酶在超滤膜一边，而反应产物可以透过膜逸出，在这种情况下，酶本身仍处于溶解状态，只不过被固定在一个有限的空间内不能再自由流动。因此，用水不溶酶或固相酶的名称就不恰当了。在1971年第一届国际酶工程会议上，正式建议采用“固定化酶”（immobilizedenzyme）的名称。1、定义及意义（1）固定化酶是通过吸附、偶联、交联和包埋等物理或化学的方法把酶连接到某种载体上，做成仍具有酶催化活性的水不溶性酶。（2）意义A.提高酶的稳定性B.回收酶、降低成本，利于连续化生产。C.提高产物纯度（二者混在一起）2.固定化酶的制备方法制备固定化酶的方法有：吸附法、包埋法、共价交联法（1）吸附法A.利用各种吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面而使酶固定化的方法称为吸附法。B.常用吸附剂有：氧化铝、活性炭、硅藻土、纤维素、多孔陶瓷、多孔玻璃、羟基磷灰石、高岭土等。C.优点：操作简便，条件温和，不需特殊化学试剂，不会引起酶的变性，载体价廉易得，可反复使用。D.缺点结合力弱，易脱落，解吸。（2）包埋法将酶或含酶菌体包埋在多孔载体中，使酶固定化的方法称为包埋法。包埋法可分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法凝胶包埋法是将酶包埋在凝胶内部的微孔中，如：聚丙烯酰胺凝胶。微胶囊包埋法是将酶包埋在微胶囊的半透膜中，如：明胶、阿拉伯胶、海藻酸钠

（3）交联法a.载体交联法将酶的羧基或氨基等共价结合在已活化的载体上。载体有：尼龙、纤维素、壳聚糖、聚丙烯酰胺等例：芳香族氨基水不溶性R－NH2酶有：木