食品化学课件第六章 酶.ppt

1、第六章 酶,Chapter 6 Enzyme,第一节 引言,一、酶对食品科学的重要性 米饭为啥越嚼越甜？ 当人的胆囊被切除后，为什么就要少吃肥肉？ 消化不良的人为啥要多吃多酶片？,二、酶的来源与分布 酶是由生物细胞产生的，然后按照需要分布在细胞内和细胞外。根据酶的活动部位，一般把酶分成： 胞内酶-由细胞产生并在细胞内部起作用的酶。 （如氧化还原酶等） 胞外酶-由细胞产生后分泌到细胞外起作用的酶。 如水解酶类,三、酶的本质,（一）酶的化学本质 绝大部分酶是由生物细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。因此，酶的化学本质是蛋白质。 具有催化功能的核酸是特例。 这种具有催化活性的RNA命名

2、为核酶、核糖酶或酶性RNA等,（二）酶的催化作用与活化能,加速反应的本质-降低活化能 活化能： 活泼态与常态之间的能量差，即使反应物由常态变成活化态所需要的能量。 使反应达到其能阈的两个途径： 为反应物分子提供所需的活化能（外加能量） 降低反应的活化能，使本来不具活化水平的分子成为活化分子。,酶促反应的活化能,（三）酶与底物形成中间络合物的方式（理论）,(1) 锁钥假说 (lock and key hypothesis) 整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。 (2) 诱导契合假说 （inducedfit hypothesis):

3、酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状.,1. 习惯命名法推荐名称 2. 系统命名法系统名称,四、酶的命名,（一）习惯命名法 1.根据被作用的底物命名； 2.根据催化反应的性质命名； 3.将酶的作用底物和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；,（二）系统命名法,酶的系统命名由两部分组成： 酶所作用的底物的名称 酶所催化的反应的类型 例如：L-乳酸：NAD+氧化还原酶 乳酸 + NAD+ 丙酮酸 + NADH + H+,2.系统编号-EC1111 EC-表示国际酶学委员会 第一个数字表示酶所属的大类（16大类) 第二个数字表示酶在

4、该大类中所属的亚类 第三个数字表示酶所属的次亚类 第四个数字表示酶在所属次亚类中的流水编号 EC11127乳酸脱氢酶： 表示该酶为氧化还原酶类，底物上发生氧化的供体基团是醇基（亚类），氢的受体是NAD（次亚类），流水编号为27。,五、酶的辅助因子,全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子 酶蛋白-不能单独表现催化活性的蛋白质部分。 辅助因子-结合酶中的非蛋白质部分（包括辅酶、辅 基、金属离子）。 酶蛋白-与底物结合，决定反应的专一性和高效率。 辅助因子-直接对电子、原子或某些化学基团起传递 作用，决定反应的类型。,第二节 影响活力的因素,一、底物浓度对反应速度的影响,反应级数,当底物浓度较低时，v与S

5、成正比，为一级反应， 即v = kS； 2. 当底物浓度继续增加时，反应速度不再与底物浓度成正比而升高，为混合级反应； 3. 当底物浓度很高时，v逐渐趋近极限值Vmax ，为零级反应 底物浓度对酶促反应速度的影响是非线性的。 中间产物学说解释v-S关系曲线： E + S ES E + P；,底物对酶促反应的饱和现象：,（二）米氏方程式：,二. 酶浓度对反应速度的影响,根据中间产物学说，酶反应式为： E + S ES P + E 酶反应速度用产物P的生成速度表示，产物的生成与中间产物ES的浓度成正比，当底物量足够时，ES的量就与酶的浓度成正比，因此，酶促反应初速度与酶浓度的关系呈正比关系。,三、

6、温度对反应速度的影响,一般来说，酶促反应速度随温度的增高而加快。但当温度增加达到某一点后，由于酶蛋白的热变性作用，反应速度迅速下降，直到完全失活。 酶促反应速度随温度升高而达到一最大值时的温度就称为酶的最适温度(optimum tempe-rature)。,（一）温度对酶反应影响的原因,1. 温度加速酶反应影响中间产物的形成与分解 温度影响反应体系的能量水平、酶和底物分子的运动及其反应基团的解离状态，从而影响ES的形成与分解，随温度升高，反应速度加快。 2. 温度降低反应影响酶的稳定性 随温度升高，酶分子稳定性下降，酶蛋白变性，活性中心被破坏，酶失去活性，酶促反应速度降低。,四、pH对反应速度

7、的影响,观察pH对酶促反应速度的影响，通常为一“钟形”曲线，即pH过高或过低均可导致酶催化活性的下降。 酶催化活性最高时溶液的pH值就称为酶的最适pH(optimum pH)。,人体内大多数酶的最适pH在6.58.0之间,pH值影响酶活性的机制,1环境过酸、过碱能使酶变性失活pH值影响酶的稳定性,2pH值影响酶分子活性部位上有关基团的解离 pH改变酶活性部位上有关基团的解离状态; pH值改变影响中间产物ES的形成或进一步分解； pH影响了维持酶分子空间结构的有关基团的解离; 3pH值能影响底物的解离；,五. 抑制剂对反应速度的影响,（一）抑制作用的概念 1.失活作用： 由于酶蛋白变性而引起酶活

8、力丧失的作用。 2.抑制作用： 使酶活性部位的结构和性质改变，从而酶活力下降或丧失,酶蛋白一般并未变性。 抑制剂：能引起酶抑制作用的物质，用I表示； 抑制剂对酶有一定的选择性；,3抑制剂的种类 氰化物、重金属离子、一氧化碳、硫化氢、生物碱、砷化物、麻醉剂、表面活性剂及磺胺类药物,（二）抑制作用的机制,1. 与酶结合成稳定的络合物，减低或破坏酶的活力。 2.破坏酶或辅基活性基团或改变活性部位的构象； 3.抑制剂与酶的激活剂结合； 4.夺取酶与底物结合的机会，从而降低ES； 总的来说，抑制作用是破坏和改变酶与底物的结合，阻碍了酶对底物的催化。,凡是能降低酶促反应速度，但不引起酶分子变性失活的物质统

9、称为酶的抑制剂(inhibitor)。 按照抑制剂与酶作用的方式分两类： 不可逆抑制作用(irreversible inhibition) 可逆抑制作用(reversible inhibition),（三）抑制作用的类型,（三）抑制作用的类型,不可逆抑制作用： 指抑制剂与酶活性中心必需基团以共价键结合，引起酶活性丧失。不能用透析、超滤或凝胶过滤等物理方法解除抑制。 可逆抑制作用： 抑制剂与酶往往通过非共价键结合，其结合是可逆的，可以用透析或超滤等物理方法解除抑制。,酶的不可逆抑制作用,根据可逆抑制剂、底物和酶三者的关系，分为三种类型： A. 竞争性抑制作用 B. 非竞争性抑制作用 C. 反竞争

10、性抑制作用,2. 可逆抑制作用：,A. 竞争性抑制（competitive inhibition)： 抑制剂与底物竞争，与酶的同一活性中心结合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低。,2. 可逆抑制作用：, 竞争性抑制剂多是酶的底物类似物或反应产物； 抑制剂与底物竞争与酶结合（结合部位相同），多与酶的活性中心同底物相结合的基团结合。 底物浓度增加时, 抑制作用减弱, 取决于底物浓度与抑制剂浓度的比例及其与酶的亲和力的大小, 可以通过加大底物浓度的方法消除抑制作用。,竞争性抑制的特点：,反应模式,B.非竞争性抑制（noncompetitive inhibition） 抑制剂既可以与游离酶

11、结合，也可以与ES复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。,非竞争性抑制的作用模式图, 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； 底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合；抑制剂是与酶的活性中心以外的必需基团结合而起作用的； 抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响。,非竞争性抑制的特点：,C. 反竞争性抑制（uncompetitive inhibition) 抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合并阻止产物生成，无活性的ESI，使酶的催化活性降低。,反竞争性抑制的作用模式图, 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似； 抑制剂与底

12、物可同时与酶的不同部位结合； 必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；,反竞争性抑制的特点：,七、激活剂对反应速度的影响,酶的激活剂或活化剂： 凡能提高酶的活性，加速酶促反应进行的物质都称为激活剂或活化剂。,（一）激活剂的种类,按分子大小可分三类： 1. 无机离子 （1）无机阳离子-金属离子（如Na+、K+、Mg2等） （2）无机阴离子（如Cl、Br等）,2.中等大小的有机分子 某些还原剂 如半胱氨酸、巯基乙醇、抗坏血酸 作用机制：使酶中的二硫键还原成巯基，从而提高酶活性或与底物、酶或ES复合,四、水分活度对酶活力的影响,水分活度较低时，酶活性被抑制。只有酶

13、的水合作用达到一定程度时才显示出活性。例如 -淀粉酶在aw0.8(约2%的含水量)以上才显示出水解淀粉的活力，当水活性aw为0.95(约12%的含水量)时，酶的活力提高15倍(右图)。,水分活度对酶活力的影响 磷酸酯酶催化卵磷脂水解 -淀粉酶催化淀粉水解,一、水解酶类 糖苷键水解酶 脂水解酶 肽键水解酶,1、淀粉酶,定义：常指水解淀粉分子的1，4-糖苷键和1，6-糖苷的酶 应用：主要用于淀粉的液化和糖化，发酵制淀粉糖，也可改进面包质量。,（1） -淀粉酶，液化酶,广泛分布于动物（唾液、胰脏）、植物（麦芽、山萮菜）及微生物中。 此酶以Ca2+为必需因子并作为稳定因子和激活因子，无差别地随机切断糖

14、链内部的1，4-链。因此，其特征是引起底物溶液粘度的急剧下降和碘反应的消失，这种作用称为“液化”。 最终产物在分解直链淀粉时以葡萄糖为主。,-淀粉酶,与-淀粉酶的不同点在于从非还原性末端逐次以麦芽糖为单位切断1，4-葡聚糖链，切断至1，6-键的前面反应就停止了，因此生成分子量比较大的极限糊精。 主要见于高等植物中（大麦、小麦、甘薯）等。,-淀粉酶,葡萄糖淀粉酶，糖化酶， 从淀粉分子非还原端依次切割（14）链糖苷键和（16）链糖苷键，逐个切下葡萄糖残基。 异淀粉酶 水解支链淀粉或糖原的-1，6-糖苷键，生成长短不一的直链淀粉（糊精）。主要由微生物发酵生产，菌种有酵母、细菌、放线菌。,淀粉酶用于酿

15、酒、味精等发酵工业中水解淀粉；在面包制造中为酵母提供发酵糖，改进面包的质构；用于啤酒除去其中的淀粉浑浊；利用葡萄糖淀粉酶可直接将低黏度麦芽糊精转化成葡萄糖，然后再用葡萄糖异构酶将其转变成果糖，提高甜度等。目前商品淀粉酶制剂最重要的应用是用淀粉制备麦芽糊精、淀粉糖浆和果葡糖浆等。,应用,2、纤维素酶,由多种水解酶组成的一个复杂酶系，自然界中很多真菌都能分泌纤维素酶。 纤维素酶分成三类：C1酶、Cx酶和葡糖苷酶。C1酶是对纤维素最初起作用的酶，破坏纤维素链的结晶结构。Cx酶是作用于经C1酶活化的纤维素、分解-1，4-糖苷键的纤维素酶。葡糖苷酶可以将纤维二糖、纤维三糖及其他低分子纤维糊精分解为葡萄糖

16、。,3、脂肪水解酶,存在于动物胰腺、牛羊的可食前胃组织、高等植物的种子以及米曲霉、黑曲霉中。 脂酶主要用于催化油脂的水解和改善油脂的性质。在奶酪、奶油加工中，改善产品风味，但也可以产生不良风味。 脂肪酶只作用于油水界面的脂肪分子，增加油水界面能提高脂肪酶的活力，所以，在脂肪中加入乳化剂能大大提高脂肪酶的催化能力。,4、果胶酶,果胶酶是能水解果胶类物质的一类酶的总称。它存在于高等植物和微生物中 。 （一）果胶酶的分类及作用 以作用底物的不同分：果胶酯酶、聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶3种类型。,（1）、果胶酯酶 存在：植物及部分微生物种类里。 作用：催化果胶脱去甲酯基生成聚半乳糖醛酸链和甲醇的反应。

17、,适宜条件：不同来源最适pH不同，霉菌来源的果胶酯酶的最适pH在酸性范围，细菌来源的果胶酯酶在偏碱性范围，植物来源的果胶酯酶在中性附近。,对食品加工的影响： 在一些果蔬的加工中，若果胶酯酶在环境因素下被激活，将导致大量的果胶脱去甲酯基，从而影响果蔬的质构。生成的甲醇也是一种对人体有毒害作用的物质，尤其对视神经特别敏感。在葡萄酒、苹果酒等果酒的酿造中，由于果胶酯酶的作用，可能会引起酒中甲醇的含量超标，因此，果酒的酿造，应先对水果进行预热处理，使果胶酯酶失活以控制酒中甲醇的含量。,作用：降解果胶的14糖苷键，使得果胶的粘度下降、相对分子质量减少，还原性基团增加，水解产物为单体的半乳糖醛酸，该产物不

18、再有凝胶作用。,（2）、聚半乳糖醛酸酶,（3）、果胶裂解酶 分布：以霉菌为主，在植物中尚无发现。 作用：果胶裂解酶是催化果胶或果胶酸的半乳糖醛酸残基的C4C5位上的氢进行反式消去作用，使糖苷键断裂，生成含不饱和键的半乳糖醛酸。,5、蛋白酶,来源：动物、植物和微生物中都可以提取，也是食品工业中重要的一类酶。,（一）动物蛋白酶 存在：人和哺乳动物的消化道。如:胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶和羧肽酶 胃黏膜细胞分泌的胃蛋白酶，可水解各种由芳香族氨基酸形成的肽键 胰腺分泌的胰蛋白酶，只能水解赖氨酸和精氨酸的羧基参与生成的肽键，生物界中有一些天然的胰蛋白酶抑制剂。,人体摄取的蛋白质就是在消

19、化道中这些酶的综合作用下被消化吸收的。胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等先都分别以无活性前体的酶原形式存在，在消化道需经激活后才具有活性。 在动物组织细胞的溶酶体中有组织蛋白酶，最适pH为5.5左右。当动物死亡之后，随组织的破坏和pH的降低，组织蛋白酶被激活，可将肌肉蛋白质水解成游离氨基酸，使肌肉产生优良的肉香风味。但从活细胞中提取和分离组织蛋白酶很困难，限制了它的应用。,（二）植物蛋白酶 主要类别：木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶和菠萝蛋白酶（均已被大量应用于食品工业）。,特点：内肽酶，对底物的特异性都较宽。 木瓜蛋白酶（番木瓜胶乳中），在pH 5时稳定性最好，pH 11时，酶会很快失活。该酶的最适

20、pH虽因底物不同而有不同，但一般在58之间。与其他蛋白酶相比，其热稳定性较高。 无花果蛋白酶存在于无花果胶乳中，新鲜的无花果中含量可高达1%左右。最适pH则为7.5。 菠萝汁中含有很强的菠萝蛋白酶，从果汁或粉碎的茎中都可提取得到，其最适pH值范围在68。,应用： 常用于肉的嫩化和啤酒的澄清。特别是木瓜蛋白酶的应用，很久以前民间就有用木瓜叶包肉，使肉更鲜嫩、更香的经验。现在这些植物蛋白酶除用于食品工业外，还用于医药上作助消化剂。,（三）微生物蛋白酶 产酶微生物：细菌、酵母菌、霉菌等微生物中都含有多种蛋白酶，是生产蛋白酶制剂的重要来源。生产用于食品和药物的微生物蛋白酶的菌种主要是枯草杆菌、黑曲霉、

21、米曲霉三种。,应用： 1）牛肉的嫩化上应用微生物蛋白酶代替价格较贵的木瓜蛋白 2）啤酒制造以节约麦芽用量。但啤酒的澄清仍以木瓜蛋白酶较好，因为它有很高的耐热性，经巴氏杀菌后，酶活力仍还存在，可以继续作用于杀菌后形成的沉淀物，以保证啤酒的澄清。 3）酱油的酿制中添加微生物蛋白酶，既能提高产量，又可改善质量。,二、氧化还原酶类,1、多酚氧化酶,作用特点：多酚氧化酶是一种含铜的酶，主要在有氧的情况下催化酚类底物反应形成黑色素类物质。在果蔬加工中常常因此而产生不受欢迎的褐色或黑色，严重影响果蔬的感官质量。 例如香蕉、苹果、梨、茄子、马铃薯等。当这些果蔬的组织碰伤、新切开时，很容易发生褐变。这是因为当它

22、们的组织暴露在空气中时，在酶的催化下多酚氧化为醌，再进一步氧化聚合而形成褐色素或称类黑素。,2、葡萄糖氧化酶 来源：葡萄糖氧化酶最初从黑曲霉和灰绿曲霉中发现，米曲霉、青霉等多种霉菌都能产生葡萄糖氧化酶。 作用特点：葡萄糖氧化酶是一种需氧脱氢酶，在有氧条件下催化葡萄糖的氧化。反应如下： 葡萄糖 葡萄糖酸 。,葡萄糖氧化酶,应用 葡萄糖氧化酶可用在蛋品生产中以除去葡萄糖而防止引起产品变色的美拉德反应，又可用它减少土豆片中的葡萄糖，从而使油炸土豆片产生金黄色而不是棕色。 葡萄糖氧化酶还常用于除去封闭包装系统中的氧气以抑制脂肪的氧化和天然色素的降解。例如，螃蟹肉和虾肉浸渍在葡萄糖氧化酶和过氧化物酶的混

23、合溶液中可抑制其颜色从粉红色变成黄色。,3、过氧化氢酶 食品中过氧化氢的产生及危害：食品中葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化时生成过氧化氢，消毒残留。由于这种成分的强氧化性，它会导致食品的品质不稳定，而且会降低食品的食用安全性。 应用：利用过氧化氢酶于食品的意义就在于降低它的含量。,4、脂氧合酶 存在：植物中。各种植物的种子，特别是豆科植物的种子含量丰富，尤其以大豆中含量最高。,脂氧合酶对食品质量的影响：它在一些条件下可提高某些食品的质量，例如在面粉中加入含有活性的脂氧合酶的大豆粉，由于脂氧合酶的作用，使得面筋网络更好地形成，从而较好地改善了面包的质量；做成面条，可使产品漂白。,5、过氧化物酶 存在：

24、所有高等植物中，也存在牛奶中。 由于过氧化物酶具有很高的耐热性，可以作为考查热烫处理是否充分的指示酶。 从营养和风味方面来看，过氧化物酶也是很重要的，如过氧化物酶能催化维生素C氧化而破坏其生理功能；能催化不饱和脂肪酸的过氧化物裂解，产生不良气味的羰基化合物，同时破坏食品中的许多其他成分；还能催化类胡萝卜素漂白和花青色脱色。,第四节 酶与食品质量的关 系,一、酶与色泽,1、脂肪氧合酶与色泽,2、叶绿素酶与色泽,脂肪氧合酶对不饱和脂肪酸，产生自由基和氢过氧化物，从而引起叶绿素和胡萝卜素等色素的损失、多酚类氧化物的氧化聚合产生色素沉淀 。,该酶水解产物脱植基叶绿素和脱镁脱植基叶绿素因不含植醇侧链，易

25、溶于水，不溶于脂，在含水食品中，使其产生色泽变化。,3、多酚氧化酶与色泽,对-甲酚,4-甲基儿茶酚,儿茶酚,邻-苯醌,一类是羟基化,一类是氧化反应,第六章 酶,72,R1=H,L-ECG,R1=OH,L-EGCG,R1=H，R2=H,L-EC,R1=OH， R2=H,L-EGC,PPO,茶红素,茶褐素,二、酶与质地,1、果胶酶,果胶酶有3种类型,果胶甲酯酶水解示意图,聚半乳糖醛酸酶水解示意图,果胶酸裂解酶示意图,2、纤维素酶和戊聚糖酶,3、淀粉酶,葡糖淀粉酶,-淀粉酶,-淀粉酶,-淀粉酶从淀粉的非还原末端水解-1,4糖苷键，生成-麦芽糖。因为-淀粉酶是外切酶，只有淀粉中的许多糖苷键被水解，才能

26、观察到粘度降低。,葡糖淀粉酶又名葡糖糖化酶，是从淀粉的非还原末端水解-1,4键生成葡萄糖，其中对支链淀粉中的-1,6键的水解速率比水解直链淀粉的-1,4键慢30倍,-淀粉酶存在于所有的生物体中，能水解淀粉(直链淀粉和支链淀粉)、糖原和环状糊精分子内的-1,4-糖苷键，水解物中异头碳的-构型保持不变。由于水解是在分子的内部进行，因此-淀粉酶对食品的主要影响是降低粘度，同时也影响其稳定性。,76,4、蛋白酶,该酶在食品加工中发挥关重要作用。例如利用凝乳酶形成酪蛋白凝胶制造干酪。在焙烤食品加工中，将蛋白酶作用于小麦面团的谷蛋白，不仅可以提高混合特性和需要的能量，而且还能改善面包的质量。蛋白酶另外一个

27、显著的作用是在肉类和鱼类加工中分解结缔组织中的胶原蛋白、水解胶原、促进嫩化。,利用蛋白酶可制备出多种不同功能的活性。,谷氨酰胺转胺酶在食品工业中的应用主要在以下方面：,（1）、 改善蛋白质凝胶的特性。,（2）、提高蛋白质的乳化稳定性,（3）、提高蛋白质的热稳定性,（4）、提高蛋白质的营养价值,三、酶与风味,影响食品中风味和异味的成分最多，酶对食品风味和异味成分的形成途径也是相当复杂。食品在加工和贮藏过程中可以利用某些酶改变食品的风味，如风味酶已广泛应用于改善改善食品的风味，将奶油风味酶作用于含乳脂的巧克力、冰淇淋、人造奶油等食品，可增强这些食品的奶油风味。,脂肪酶在乳制品的增香过程中发挥着重要作用，在加工时添加适量脂肪酶可增强干酪和黄油的香味，将增香黄油用于奶糖、糕点等可节约用量。选择性地使用较高活力的蛋白酶和肽酶，再与合适的脂肪酶结合起来可以使干酪的风味强度比一般成熟的干酪的风味要至少提高10倍。芝麻、花生焙烤后有很强的香气。其主要成分为吡嗪化合物、N一甲基吡咯、含硫化合物。加入脂氧化酶后，有效的增加了香味。脂肪酶能够催化分解甘油 ，生成甘油和脂肪酸。因牛、羊、猪、禽肉不同种动物中脂肪酸组成不同，所以肉的风味不同。,79, 葡萄糖苷酶处理前后的桃