2022年生物酶技术在食品工业中的应用 .pdf

生物酶技术在食品工业中的应用摘要生物技术是 21世纪的高新技术。 作为一种高效、 安全的生物催化剂 , 酶已经越来越广泛地应用到食品工业的各个领域中, 发挥了其高效、 温和、多样及活性可调节的生物学性质 , 并给传统的食品工业带来了发展新思路。本文主要阐述了生物酶的特性、 分类以及酶与食品风味、 酶与食品保鲜、 功能性食品和功能性食品添加剂以及食品工业中的新酶源, 展望了酶工程在食品加工领域中的新进展和应用前景。关键词酶 食品品质新酶源 酶工程正文酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化剂, 是由生物体合成又可脱离生物体而存在的球形蛋白质, 它能改变化学反应的速度, 但不影响最终产物的性质 , 且本身在反应前后也不发生变化。 20 世纪80 年代, 生物工程作为一门新兴高新技术在我国得到了迅速发展, 酶的研究与应用领域逐渐扩大， 而且取得了可喜的成就。酶作为催化剂有如下特性: ( 1) 反应的速度比非催化反应的速度高108 1020倍, 比其它催化剂催化的反应速度高 107 1013 倍。( 2) 作用缓和 , 不需要高温高压、强酸、强碱等条件。酶本身无毒 , 公害少 , 利于环保。 ( 3) 专一性强 , 即一种酶只能催化一种或一类反应 , 例如蛋白酶只能催化蛋白质水解, 淀粉酶只能催化淀粉水解。 ( 4) 酶的本质为蛋白质 , 故一切能导致蛋白质性质发生改变的因素, 例如温度、 pH 值、重金属离子等均能影响酶的催化效能。酶的分类和应用酶的来源十分广泛 , 种类繁多 , 性能各异 , 根据其催化反应类型 , 国际生物化学协会将酶分为 6 种: 氧化还原酶、裂解酶、异构酶、转移酶、水解酶、合成酶。其中合成酶是催化合成某些化合物的酶, 主要用在生物合成工业中, 如谷氨酰胺合成酶、谷胱甘肽合成酶、纤维素合成酶、淀粉合成酶、紫杉醇生物合成酶等。其中常用于食品加工中的酶主要有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、葡萄糖氧化等。1酶与食品风味1.1 在酿造调味品中的应用酶制剂应用于调味品生产已20多年，初始研发阶段， 因酶工业不发达， 仅采用固体制取，低温烘干后的粗酶或麸曲的浸出液，因为酶活力低，使用量大，运输不便。随着科技的进步， 应用酶制剂技术生产调味品已经成熟，且有可喜的发展前景。酶制剂应用于调味品行业越来越广泛，除了酱油生产停留在试验阶段，其他调味品应用酶制剂后， 产品风味、 理化指标都达到或超过传统产品要求。如酶法生产豆酱发酵时拌入酵母酒醪可以提高豆酱的醇香和酯香。应用酶制剂能降名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 2 低生产成本，改善产品卫生和环境卫生，改善劳动条件。复合酶制剂在豆腐、甜酱、酱油、食醋、腐乳等调味品生产中应用的效果，使用酶制剂取代传统生产过程中的“制曲”工序，对改善产品品质和环境卫生，具有广阔的前景。1.2 在甜味剂方面的应用海藻糖是一种新型的多功能食品添加剂。从中国土样中筛选分离得到能产生淀粉转化为海藻糖的酶菌株， 并利用该菌株生产的酶进行淀粉合成海藻糖。另外，a- 淀粉酶和真菌淀粉酶水解得到的产品色泽好，并且易于喷雾干燥， 是很好的一种水解处理得到低热量葡聚糖的方式。以玉米芯为原料，通过sp.E-86 菌株生产的木聚糖酶解制备低聚糖。13在面包烘焙中的应用 。当在面团发酵中添加适量的淀粉酶，淀粉酶催化损伤淀粉水解， 除提供酵母发酵底物外， 剩余的还原糖就可参与 Millard反应，赋予面包表皮棕黄色的色泽，同时通过水解中间产物脱水糖、糠醛、还原酮、芳香羰基化合物等反应产物配合发酵形成的芳香物质共同赋予面包香味。14在肉制品工业中的应用在肉制品加工中， 老龄动物的肉经过烧煮会变得粗糙坚硬，生产出来的产品口感很差。 利用蛋白酶可使这种肉得到嫩化。在嫩化过程中， 蛋白酶随溶液进入肌间，分解肌间结缔组织和胶原纤维中的蛋白质，破坏它们的分子结构， 使肉的品质变得柔软、适口、多汁和易于咀嚼；另外蛋白酶分解破坏肌肉的Z线，引起H带的变化， 从而可促进肉品嫩化。 同时蛋白酶也可以作用于肌纤维，裂解部分肌细胞组合蛋白，使肉中的水溶性氨基酸和水溶性钙、磷、锌、铜、铁大大增加，使肉的风味和鲜味有效改善； 经过酶处理的肉， 仍然可以保持一级鲜度， 并使PH值和感官指标正常。1.5 在啤酒工业中的应用氧对啤酒品质有很大的的影响，主要表现在啤酒浑浊， 风味老化， 口味劣变，色泽变深等等。而在啤酒加工过程中加入适量的葡萄糖氧化酶可以除去啤酒中的溶解氧和瓶颈氧， 阻止啤酒的氧化变质。 它可以使氧与啤酒中的葡萄糖生成葡萄糖酸内酯而消耗溶解氧。葡萄糖酸内酯较稳定，没有酸味，无毒负作用，对啤酒质量没有什么影响， 而且不具有氧化能力。 葡萄糖氧化酶又具有酶的专一性，不会对啤酒中的其他物质产生作用。因此葡萄糖氧化酶在防止啤酒老化，保持啤酒风味，延长保质期有显著的效果。1.6 在乳品加工中的应用凝乳酶与乳糖酶是乳品加工中最常用的两种微生物酶制剂。凝乳酶是生产干酪不可缺少的制剂， 生产用的乳糖酶主要由大肠杆菌来制造。目前研究凝乳酶替代物的一个重要途径是利用毛酶和疫病酶等产生的酶，还可以通过克隆凝乳酶基因生产凝乳酶，来解决成本价格高的问题。乳糖酶在国内外以微生物制造居多，加在牛奶中可使乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，大大改善了加工性能， 并且更有利于乳酸发酵生产酸奶， 提高乳糖消化吸收率， 改善产品风味，克服 “乳糖不耐症”。2. 酶与食品保鲜生物酶作为一种催化剂在食品保鲜中具有特殊的保护作用。不同的食品保鲜就有不同的酶参与作用， 目的都是创造一种有利于保证食品质量的环境，防止食品因为某些因素影响而变质腐烂。根据所含酶的种类不同而选用不同的生物酶，使所含不利于食品保质的酶受到抑制或降低其反应速度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 3 2.1 生物酶技术的保鲜原理生物酶食品保鲜技术的原理就是将某些生物酶制剂用于食品保鲜，可除去食品包装中的氧， 延缓氧化作用； 或是生物酶物质本身具有良好的抑菌作用，或是使某些不良酶失去生物活性， 从而达到防腐保鲜的效果。 技术工艺体现在酶钝化处理、生物酶制剂处理、 包装装料密封处理 3个方面。酶钝化处理是用电的方式，使生鲜农产品中的某些酶钝化， 从而对环境反应失去敏感性。 生物酶制剂处理是指以酶为主要原料的组合体与所要进行保鲜的农产品装入包装中。包装装料密封处理是将包装材料、包装产品、酶组合体用密封或非完全密封方式进行包装。2.2 生物酶技术在食品保鲜中的应用2.2.1 葡萄糖氧化酶食品保鲜过程中，氧的存在会使食品受到很大的影响。葡萄糖氧化酶可以去除果汁、饮料、罐头和果蔬干制品包装中的氧气，防止产品氧化变色，抑制微生物生长，延长食品贮藏期。 生产中将葡萄糖氧化酶与产品(反应底物 ) 置于透气不透水的薄膜袋中， 封闭后立即投入需要处理的密闭容器内。由于底物中葡萄糖氧化酶和葡萄糖发生酶促反应时， 必须通过薄膜微隙有选择性地摄取容器空间里的氧， 由此利用葡萄糖的氧化而达到食品包装空间的耗氧作用，防止产品氧化变质。2.2.2 异淀粉酶异淀粉酶能够专一性分解淀粉类物质中一1，6糖苷键。大米、蚕豆、马铃薯、麦芽和甜玉米等均发现有异淀粉酶存在。异淀粉酶现已应用于以淀粉为原料的食品生产。单独采用异淀粉酶， 可使支链淀粉变为直链淀粉。直链淀粉具有凝结成块，易形成结构稳定的凝胶物性。因此，可以作为强韧的食品包装薄膜。该薄膜对氧和油脂具有良好的隔绝性， 又因涂布展开性好， 故适合作为一些食品的保护层。异淀粉酶处理谷物淀粉制成的直链淀粉，也可以制成高质量的粉丝。2.2.3 纤维素酶有些果蔬经纤维素酶处理后， 细胞壁会发生膨胀、 软化，可提高可消化性和改进口感。马铃薯、胡萝卜等经纤维素酶处理，干燥后再加水时具有复原性，便于果蔬贮存与运输。2.2.4 溶菌酶溶菌酶即 N一乙酰胞壁质酶，作用于细菌细胞壁 N一乙酰胞壁酸 (NAM) 与N一乙酰葡糖胺 (NAG)之间的 -1，4-糖甘键，在自然界中普遍存在。根据作用微生物的不同而分为细菌细胞壁溶菌酶和真菌细胞壁溶菌酶。溶菌酶的来源很广， 如鸡蛋清溶菌酶、 人与哺乳动物源溶菌酶、 微生物溶菌酶等。 溶菌酶是无毒无害的蛋白质，且具有一定的保健作用。 溶菌酶在食品保鲜中应用是因为它能选择性地使微生物细胞壁溶解， 从而使其失去生物活性， 达到延长食品保鲜期的目的，且对食品营养成分无破坏作用。 因此可作为天然防腐剂， 有效地替代一些有害的化学防腐剂。如在奶酪加工过程中， 加入一定量溶菌酶， 不仅可有效地防止奶酪后期起泡、风味变差，还能起到抑菌作用，防止酪酸发酵，这是其他防腐剂无法比拟的。随着人们物质生活水平的提高， 消费观念也在改变，不仅对食品包装的外观、美感提出了更高的要求， 而且对食品内在的品质、 营养以及安全的要求也日益提高。生物酶技术保鲜作为一种新兴有效安全的食品保鲜技术在不断地被一些专家、学者倡导，相信在未来的食品保鲜事业中会发挥越来越重要的作用。3. 功能性食品及功能性食品添加剂名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4 功能食品是当今国际食品领域最热门的研究课题之一。虽然不同的国家对功能食品有着不同的称谓， 如日本厚生省将 “功能食品” 改称为“特定保健食品” 、欧美国家称之为“健康食品”或“营养食品”、德国称之为“改良食品”、我国俗称保健食品， 但是他们的含义与内容均在于强调食品的第三功能，即增加人体的免疫力，增强机体防御机能，调节生理节律，预防疾病和促进康复等。因此，功能食品被称为 “21世纪食品” ，功能食品已成为近几年来世界食品工业新的增长点,而功能性食品添加剂的制备与酶有着密切的关系。这不仅代表了当代食品的发展趋势，更重要的是体现了人们的消费理念与观念的更新。海洋中的生物在海洋独特的环境中， 在漫长的进化中各自形成了特殊结构和奇妙的生理功能， 为人类提供了许多结构新颖、 功能独特和生理活性很强的活性物质，主要包括肽类、蛋白质、酶、生物碱、多糖等。这其中，海洋生物蛋白质无论是氨基酸的组成还是氨基酸的序列都与陆地蛋白质有很大的不同，同时海洋生物蛋白资源无论在种类还是数量上都远远大于陆地蛋白资源。种类繁多的海洋蛋白氨基酸序列中， 潜在着许多具有生物活性的氨基酸序列，用特定的蛋白酶水解就能释放出有活性的肽段。 蛋白质经酶解后可产生具有活性的多肽，生物肽具有免疫调节、抗癌等多重功效。菊粉是一种天然果聚糖 , 菊粉内切酶能够水解菊粉生成低聚果糖。低聚果糖是一种功能性食品添加剂, 其保健作用体现在能够降低血糖水平, 促进人体和动物肠道的微生态平衡和提高免疫力等等。利用微生物菊粉内切酶可一步法水解菊粉获得高达 80% 的低聚果糖 , 但是只有少数微生物产菊粉内切酶, 并且产酶量极低, 从而造成分离纯化困难 , 制约低聚果糖工业的发展。 因此, 构建菊粉内切酶的工程酵母来高效表达菊粉内切酶是解决目前低聚果糖生产中的问题的有效途径。在健康已成为人们第一追求的21世纪，包括海洋生物蛋白功能食品在内的海洋功能食品的开发必将成为集高科技与高效益为一体的行业，有着非常广阔的发展前景。4.食品工业中的新酶源极端微生物也叫嗜极菌 , 是指能在极端温度、高压、高盐、高或低pH 、低水分活度、有机溶剂、 重金属等恶劣的环境中存活的一类微生物。极端酶主要来源于嗜极菌 , 是这类微生物生存和繁衍的基础。 但也有一些具有嗜极性的酶来自动植物, 如嗜热性的木瓜蛋白酶。 极端酶能耐受食品生产过程中的一些“极端”条件, 发挥一般生物酶所不具备的催化特性, 而极端酶在“极端”环境下的活性和稳定性又主要取决于它的结构。 研究极端酶的结构、 耐受机制及与功能之间的关系, 将有助于改善酶的性质 , 扩大酶在食品工业中的使用范围。4.1 嗜热酶嗜高温的蛋白酶、淀粉酶和其他水解酶给食品加工业带来生机, 如水解脂肪、消化蛋白及酶加工纤维, 使食品加工效率提高 , 从而使食品更有风味和有益健康。这些处理因为在常温下存在细菌污染, 因此用传统酶难以进行 , 而嗜热酶在这方面具有广泛前景。4.2 嗜冷酶嗜冷酶的特殊性质使其在工业生产应用中具有一些优势: 由于同源的嗜温酶不活泼 , 它在低温下催化反应可防止污染; 经过温和的热处理即可使嗜冷酶的活力丧失 , 而低温或适温处理不会影响产品的品质。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 5 4.3 嗜酸酶嗜酸酶能在酸性条件下发挥作用, 甚至在胃酸条件下也能保持稳定和活力。它应用于食品工业上 , 主要是帮助谷物在胃里消化成小分子, 从而提高胃的消化能力。4.4 嗜碱酶嗜碱酶在食品中的应用比较广泛, 该酶不仅具有比较强的耐碱性, 且还具有一定的耐热性。我国从嗜碱芽孢杆菌中分离到碱性-甘露聚糖酶 , 属于半纤维素酶 , 催化葡萄苷露聚糖、半甘露聚糖及-甘露聚糖等植物多糖降解为甘露寡糖, 而甘露寡糖具有促进人体肠道健康的功能。4.5 嗜盐酶嗜盐酶能在高盐浓度下保持稳定性, 通过其氨基酸序列的分析比较, 发现嗜盐酶中所含的酸性氨基酸比普通酶多, 其表面有大量带负电荷的氨基酸, 它可以结合大量水合离子 , 形成一个水合层 , 从而减少酶分子表面的疏水性, 阻止分子的互相凝聚沉淀。 其次嗜盐酶的个别氨基酸的保守性也有助于其适应高盐环境。故将其在海产品、酱制品海藻制品等食品工业方面得以广泛应用。4.6 嗜压酶嗜压酶在 117.42MPa 下仍能够保持稳定的催化活性及较高的特异性。而在食品生产中需要高压生产和高压灭菌, 压力往往引起食品中蛋白质变性, 因此嗜压酶在食品加工中也将有着广阔的前景。5. 展望当今人类社会正面临着人口、食物、资源、环境和医药保健等五大问题的挑战。 而生物酶技术对于解决这些问题都有举足轻重的作用。随着生物技术的发展，将有越来越多的酶制剂广泛应用于食品工业。加大优质酶制剂的开发及应用工艺的改进力度， 已是大势所趋， 当务之急。 未来的生物酶技术及其产品市场将会越来越广阔。微生物酶未来应用于食品工业中应着重加强以下几点工作：5.1 重视新科学、新技术在酶制剂的应用研究酶制剂发展中应积极与新科学、 新技术的推广应用相结合。 例如固定化酶技术的使用，通过酶的固定化技术， 可使价格较昂贵的酶重复使用， 从而降低成本。基因工程、蛋白质工程能够和定向进化技术及其它各种高新技术等可应用在新酶种开发中开发。 另外还要强化对酶制剂及其酶活性与作用机制的深入研究，提高酶的降解或转化活力。提高菌种在自然条件下的适应性和有效性。5.2 开发新微生物酶制剂品种应有效利用现代微生物技术开发、 生产各种酶制剂的新产品包括新酶种、 新品种、新剂型。中国微生物资源丰富， 应该十分重视从海洋微生物和嗜热、嗜冷、嗜盐、嗜酸、嗜碱、嗜压等极端环境微生物中，发现、研制、开发出具有特殊生物催化功能的新酶种。 但迄今为止， 人们对极端微生物和不可培养微生物的研究还很不够， 这两个资源值得人们好好开发口比如加强酶技术与基因工程相结合，通过DHA分子重组技术获取具有特殊作用的、有商业价值的酶， 如开发具有耐热、 耐酸碱等特殊作用的酶。5.3 开发使用复合酶酶应用形式的多样化是酶工程吸收了近代科学技术新成就的必然结果，也是名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 6 酶制剂工业发展的新动向。应根据市场的需要，注意开发、生产各种复合酶、专用酶，努力提高产品质量， 积极开拓应用领域。 通过使用复合酶， 既可降低成本、充分利用资源， 还可以简化生产工艺目前用于食品加工的复合酶还不多见，有待于进一步研制与开发。5.4 酶法合成功能性食品利用生物技术生产功能性食品， 是当今国际食品科和食品生物技术领域的前沿阵地，有巨大的市场潜力和广阔的发展空间。用微生物酶法合成功能性食品如开发功能性低聚糖、功能性活性肽、海藻糖、淀粉糖等，是目前非常热门的研究方向。采用微生物酶法工艺可以使生产成本大幅度降低。同时微生物酶法生产的周期短、转化率高，含量高，易提取提纯，可大幅度提高生产量，适合大规模生产。如功能性低聚糖的特殊功能已引起学术界和工业界的广泛关注，随着生物技术的发展，低聚糖已经完全可以开发采用微生物酶法生产。如首都师范大学杨秀山教授成功地获得优良菌种研究开发新的微生物酶法低聚果糖生产新工艺，使生产成本大幅度降低，已投入实际生产。5.5 扩大在食品应用范围应积极增大微生物酶制剂在食品工业中多方面地应用，比如在食品检测分析中、食品保鲜中等的应用： 酶法检测就是用酶来测定某些用一般化学方法难于检测的食品成分的含量或测定食品中某些特殊酶的活性或含量，其特点是准确、 快速、特异性和灵敏性。 酶法分析包括食品组分的酶法测定、食品质量的酶法评价以及食品卫生与安全方面的内容。具体方法有聚合酶链式反应(PCR)，酶生物传感器，酶联免疫法 (ELISA) 等。目前应用于食品保鲜中较多的酶是葡萄糖氧化酶和溶菌酶保鲜技术， 其原理是利用酶的催化作用， 防止或消除外界因素对食品的不良影响，从而保持食品原有的优良品质。酶在食品工业中的应用已经充分反映了21世纪食品添加剂与食品工业发展的新趋势。应利用基因工程技术挖掘优良微生物菌种, 创制高活性的新酶源 , 研究酶反应器以及固定化酶等新技术。 相信在不久的将来 , 这一种安全高效的生物催化剂能全面进入食品工业领域, 造福于每一个人。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 7 参考文献：【1】 姚轶俊 . 生物酶在食品工业中的应用. 东南大学生物工程学系 , 南京.2011 【2】张奇志 , 邓欢英 . 生物酶在食品工业中的应用. 广东农工商职业技术学院.2002 【3】张泓泰. 生物酶技术在食品保鲜中的应用. 沈阳农业大学食品学院 .2007 【4】 常志娟 , 张培旗 . 酶解海洋生物蛋白的生物活性物质及开发功能食品的前景.郑州轻工业学院食品与生物工程学院. 郑州.2010 【5】谭丽平 , 陈明海 , 张惠. 微生物酶在国内食品工业中的应用和发展. 中国农业大学食品科学与营养学院，北京.2007 【6】任顺成 . 生物酶在面制食品中的应用. 河南工业大学粮油食品学院. 河南郑州.2007 【7】唐仲海，绕力群酶工程技术在食品工业中的应用. 食品研究与开发 .2004 【8】张生方 . 食品加工业中酶的应用与开发. 四川食品与发酵 , 2001 【9】林祖申 . 酿造调味品行业的应用与发展前景. 中国酿造 .2006 【10】章银良 . 溶菌酶对草莓的保鲜效果 J食品工业科技 .1999 【11】David C Dem irjian, Francisco M ors - Varas, Constance S Cassidy. Enzym e from e x trem ophiles. B iocata lys is and B io tranform a tion, 2001【12】Yue P,W ar ing S. Functiona lity o f resistant starch food applications. Food Austr,i 1998 【13】M ichae l K Turne r. B io ca talysis in o rganic chem istry ( PartII) : presen t and future. Trends in B iotechnology, 1995 【14】Pomeranz YIN.Advances in Cereal Science and Technology.Vol.Paul.minni:AACC.1982 【15】Margaret Mcwilliams.Food Fundaments.Third edition.New York:Mecmillan Publishingcompany.1989 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -