生物酶在食品工业中的应用

生物酶在食品工业中的应用

1功能酶的应用20世纪50年代，纤维素酶和相关酶可以将丰富的可再生资源转化为葡萄糖和可溶性糖，这引起了人们的广泛研究。但20世纪70年代和80年代大量的基础和应用研究表明:利用酶法转化木质纤维素为可溶性糖非常困难,而且也不经济;但随后的研究又表明:纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶在许多工业中都有广泛的用途,如食品工业、动物饲料、纺织、干洗、制浆造纸以及在许多基础科学研究中。当今,这些酶已经应用于许多工业中,而且对更稳定、高活性和高特异性酶的需求越来越大。据1995年的估计,全球工业酶的营销额将超过10亿美元。专家估计,到2005年,总额将在17～20亿美元以上。根据最近的报道,工业酶的国际营销额已经达到了16亿美元。在最近40年中,上述酶的应用量越来越大,尤其在纺织、食品、酿造、造纸和制浆行业。据估计,这些酶大约占世界酶市场的20%～30%,它们大多数来自木霉属(Trichoderma)和曲霉属(Aspergillus)。本文主要综述了纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶在食品生物技术领域中的应用。2纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶的应用2.1对于果蔬加工和澄清通过提取果蔬汁可以从果蔬中获取大部分有营养价值的成分。果蔬汁的生产包括榨取、澄清和稳定3个主要过程。在1930年,当水果业开始生产果汁时,产率非常低,而且过滤果汁也遇到了许多麻烦。随后,通过对适合工业生产用的果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶(来自食品级微生物,如黑曲霉和木霉属)和水果组分的研究,帮助人们克服了这些困难。目前,已将果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶联合使用于果蔬榨取和澄清过程中,并可防止烟雾状沉淀形成。在苹果和梨这类果汁生产中,将整果先压榨成浆,再经过机械过程(压榨、离心和过滤),产生澄清的果汁和固体渣。用浸解液(上述3种酶的混合物)能够提高产率和生产效率,而不需要额外的投资。浸解液主要用于2个过程:①压榨后,将果浆浸解至半液体状,不但能提高果汁产率,缩短生产周期,而且提高了果汁的营养价值。②榨取后,果胶酶用于澄清,降低了果汁离心前的粘度,提高了过滤率,也有利于提高产品的稳定性。由此可见,浸解液在果汁生产技术中起着十分重要的作用,随着果汁种类和生产量的增加,其需求量将会越来越大。2.2多旋转水果的应用生产和贮存水果饮料和果酱对于吸引大量的消费者食用深加工后的水果产品,具有十分重要的商业意义,尤其是易腐烂水果。许多热带水果不易压榨、太酸或者气味太浓烈,如果不稀释或混合就不能生产出令人愉悦的饮料。但是,热带水果在经过稀释或与其他果汁(如杏、桃、梨、芒果、番石榴、番木瓜和香蕉)混合后,就变得非常可口。利用浸解酶不仅能提高果汁稳定性,有利于水果饮料和果酱离心,而且能快速降低它们的粘度。因此,寻求合适的浸解酶组合方式对生产水果饮料和果酱很有意义。2.3果胶酶灌注技术在食品中灌注酶类可以改善食品的组织性、风味和其他感官品质。如真空灌注果胶酶有助于柑橘类水果剥皮,并已用于商业化生产。在英国、美国、日本和南非许多公司已经用这种技术来生产新鲜的无皮柑橘和色拉。果胶酶灌注技术具有下列作用:①降低了柑橘皮的苦味;②防止果蔬在干燥时丧失风味;③提高桃子的硬度,在酸洗/?腌制过程起正面作用。而且,灌注果胶酶和β-葡萄糖苷酶能提高一些果蔬的芳香性和挥发特性。所以,利用酶灌注技术来改善果蔬和其他食品的感官品质,在食品生物技术中有巨大的应用前景。2.4冲突中的混合酶近年来,因为其营养价值,橄榄油引起了国际市场的重视。橄榄油的榨取包括:①压榨和碾橄榄(用石头或金属磨);②绞碎和混合橄榄浆;③高速离心得到橄榄油。一般100kg橄榄可以生产16～20kg油。按照游离脂肪酸的含量,橄榄油可分为特级初榨油(1%FFA)、初榨油(1%～3%FFA)和普通油。为了生产高质量的橄榄油,应该采摘新鲜的、没有完全成熟的果实,在冷压条件下榨取。虽然完全成熟的果实产量较高,但这时油脂酸度较高、易腐败,具有较重的不良气味。当压榨温度高于室温时,也会同样产生上述负面影响。因此,只有改进榨取高质量橄榄油的方法,才能满足消费者的需求。Olivex(浸解酶,果胶酶和低活性纤维素酶和半纤维素酶的混合物)是第一个应用于橄榄油提取的混合酶。研究表明:单独使用任何一种单一酶都不能有效浸解和榨取橄榄油,但上述3种酶混合可以满足要求,而且将果胶酶(来自黑曲霉)、纤维素酶和半纤维素酶(来自木霉)混合,其作用比来自同一种微生物的混合酶效果好。意大利成功地应用商业酶,使每吨橄榄出油率提高1～2kg,而且应用浸解酶能提高特级初榨橄榄油的抗氧化性,降低腐败。在橄榄油榨取中应用浸解酶有如下优点:①提高了冷榨时榨出率(每100kg橄榄可以多榨取2kg油);②有利于油浆的分离;③油具有较高的抗氧化性和VE含量;④延缓腐败;⑤从总体上提高工厂的效率;⑥降低了废水中油的含量。浸解酶还有望用于其他作物的榨油过程。2.5内-木聚糖酶的作用外源性的微生物酶,如蛋白酶和淀粉酶,应用于食品工业已有许多年。近年来,半纤维素酶,特别是内-木聚糖酶也用于提高生面团、面包、饼干和蛋糕等焙烤食品的质量。尽管内-木聚糖酶在面团加工和焙烤中有许多作用,但其作用的机制还不清楚。人们猜测内-木聚糖酶可以水解面团中的阿拉伯木聚糖,有利于面团和面包中的水分重新分配,它对面团加工风味、面包体积、组织性和稳定性的效果似乎证实了这个假说;而且在面团加工过程中加入内-木聚糖酶,可以提高面包中阿拉伯木聚寡糖的浓度,有益人类健康。近来发现添加阿拉伯糖酶、α-L-阿拉伯果糖酶和阿拉伯木聚糖酶等也有助于提高焙烤食品的组织性、质量和感官性,但合理搭配这些酶是面团加工和焙烤中获取最大效益的关键所在。2.6葡聚糖酶的制备啤酒和葡萄酒酿造是很古老的技术,有着悠久的历史。简单地说,啤酒酿造包括大麦芽的制备和发酵,葡萄酒酿造包括榨汁和利用酵母进行葡萄汁的发酵。酶技术在这些过程中都起着很重要的作用。添加外源性葡聚糖酶和相关的多糖酶不仅能提高啤酒和葡萄酒的质量,而且提高了生产过程的效率。下面将探讨纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶在啤酒、葡萄酒生产中的应用。2.6.1微生物-葡聚糖啤酒酿造中,制备麦芽的过程就是引发α-淀粉酶、β-淀粉酶、羧肽酶和β-葡聚糖的生物合成和活化的过程。这些酶在最适条件下协同作用生产出高质量的麦芽。但是,许多酿造商由于季节变化、不同大麦品种及大麦欠收,不得不用未发芽的或低质量的大麦来酿造啤酒,这时,内源性β-葡聚糖酶活性很低,而这种麦汁中含有6%～10%非淀粉类多糖,主要是可溶性β-葡聚糖,它阻碍了麦芽汁的过滤,延长了过滤时间,降低了过滤率,或在终产品中形成雾状物。为了解决这些问题,微生物产的β-葡聚糖酶能水解葡聚糖,降低麦芽汁粘度。最常用的β-葡聚糖酶来自黑曲霉、青霉、枯草芽孢杆菌和里氏木霉等。在对不同β-葡聚糖酶对啤酒麦芽汁作用效果比较研究后,Pajunen(1986)认为从成本/?效益比来看,来自木霉的酶类最好。在早期的研究中,Oksanen等(1985)发现木霉的纤维素酶系中内切葡聚糖Ⅱ和纤维二糖水解酶Ⅱ可以最大限度的降低葡聚糖多聚体和麦芽汁粘度,当向每千克碎麦芽中添加0.05～0.1mL商业用木霉纤维素酶,可以使β-葡聚糖含量下降90%,使过滤时间减少30%。大规模实验发现,随着酶剂量的增长,麦汁的过滤能力显著提高。大规模实验和工业化酿造过程中,应用3种商业β-葡聚糖酶(分别来自木霉、枯草芽孢杆菌和黑曲霉),实验发现木霉的β-葡聚糖酶效果优于其他两种。与未使用酶类的啤酒相比,使用酶类的啤酒质量没有差别。由此可见,β-葡聚糖酶,特别是来自木霉属的,非常适合用于低质量大麦生产高质量啤酒。2.6.2葡萄酒中的-葡聚糖在葡萄酒生产中,酵母细胞和酶都起着非常重要的作用。在过去的80年中,人们一方面提高酿造酵母的性能,另一方面利用外源微生物酶类来制造葡萄酒。其中下列3种酶是最常用的:果胶酶、β-葡聚糖酶和半纤维素酶。在葡萄酒生产中利用上述酶类的主要优点有:①有利于果皮浸解,提高色素提取;②有利于澄清和过滤;③有利于提高葡萄酒的质量和稳定性。近年来,第4种酶——β-葡萄糖苷酶也引起了人们的注意,因为它能修饰葡萄酒中存在的糖基化前体物质,提高葡萄酒的香味。第一个应用于葡萄酒制造的商品果胶酶来自曲霉,它是果胶酯酶、果胶裂解酶和半纤维素酶的混合物,在压榨葡萄时加入果胶酶,或在压榨葡萄浆中加入果胶酶,都能够提高果汁得率,降低澄清时间,提高葡萄酒中萜类物质的含量,而且还可以降低甲醇的含量。在20世纪80年代初,有人发现木霉的β-葡聚糖酶可以成功地用作被Botrytiscinerea感染的葡萄酿造过程中,这种真菌(Botrytiscinerea)在一定温度和湿度下侵染快要成熟的葡萄,产生高分子量的可溶性β-(1,3)葡聚糖,这种葡聚糖通过β-(1,6)糖苷键带有短侧链,给葡萄酒的过滤造成很大的困难。Trichodermaharzianum产的一种β-葡聚糖酶可以特异性水解这种β-葡聚糖,这项技术已经申请了专利;这种酶也可以水解酵母的葡聚糖,酵母的葡聚糖对葡萄酒的过滤也有不利影响。与单独使用果胶酶相比,混合各种浸解酶能显著提高葡萄压榨能力、沉淀速度和总果汁得率。当内源酶活力很低时,只有在3种外源酶合理搭配时这种效果才能表现出来。当用来自意大利北部的3个葡萄品种酿酒时,Galante等评价了Cytolase219(一种商品酶,来自木霉和曲霉,包含果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶)的作用。据他们报道,果汁提取率提高了10%～35%,果汁过滤率提高了70%～180%,显著提高了葡萄酒的稳定性,压榨时间缩短了50～120min,果汁粘度下降了30%～70%,发酵罐冷却过程中节能20%～40%。当前,有许多商品酶可以特异性提高葡萄浸解、色素提取、葡萄酒过滤和葡萄酒质量。尽管酶技术对葡萄酒工业有许多贡献,但人们还是希望有更多性能好的酶出现,给葡萄酒工业和消费者带来更大的益处。3在生物样品和功能关系研究中的应用近年来人们对纤维素酶和相关酶的研究取得了很大的进展,引起了全世界的广泛关注。目前,纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶