第九章 食品加工中的酶处理(修改)

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。

图：酶工程二、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。(右图: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

图：酶工程的基本过程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。)

图：工业酶制剂生产流程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白分开，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

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有机溶剂分级沉淀法

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等电点法

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柱层析法

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电泳法

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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。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α-淀粉酶的活力比一般结晶的杂离子型α-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。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、固定化酶和细胞的特点（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。第三节酶工程在食品工业中的应用

一、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α-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+H2O→5'-AMP+NH3

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磷酸二酯酶•AMP脱氨酶用Plastein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(α-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β-半乳糖苷酶消除食品中残留H2O2

H2O2+H2O→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α-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

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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1、酶用于甜味剂的生产

国外大量生产的阿斯巴甜（APM）就是一种高甜度的甜味剂。阿斯巴甜（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α—型体（β—型体有苦味），使生产成本下降30%。2、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。(图：是以全脂乳或脱脂乳为原料,经乳酸发酵和凝乳酶的凝固作用,制成新鲜的或发酵成熟的乳制品)

乳加快v

乳糖发酵蛋白质脂肪乳酸成熟乙酸肽酮丙酸