食品化学 第八章 酶.ppt

第八章 酶本章内容n 概述n 酶的固定化n 酶促褐变n 酶在食品加工中的应用第一节 概述酶对食品科学的重要性n 控制着所有重要的生物大分子和小分子的合成、分解n 食品加工的主要原料是生物材料,生物材料中含有大量的酶n 酶的作用n 有益的：蛋白酶n 有害的：果胶酶、脂酶n 有效地使用和控制内源酶和外源酶1、酶的化学本质八十年代以前:n 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:n 酶是一类由活性细胞产生的生物大分子，又称催化剂。n 蛋白质n 核糖酶：RNA、DNA2、酶分子的组成和结构据酶蛋白结构特征分类单体酶寡聚酶多酶复合体只有一条具有活性部位的多肽链，即仅由单一的三级结构蛋白质构成。通常为水解酶类。由多个具有三级结构的亚基聚合而成，亚基聚合时有活性，解聚后失活。由几种功能相关的酶靠非共价键嵌合而成的复合体。2、酶分子的组成和结构金属离子小分子有机化合物酶蛋白（蛋白质部分）辅助因子（非蛋白质部分）仅由蛋白质组成，水解-氨基酸决定反应专一性 决定反应性质 二者缺一不可,否则不具有催化特性全酶才有催化活性单纯蛋白酶：结合蛋白酶（全酶）据酶分子组成分类辅助因子分类按其与酶蛋白结合的紧密程度辅酶(co-enzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基(prosthetic group):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。3.酶的催化作用特点n 高效性：反应速度是普通催化剂的1071013；n 反应条件温和：pH5-8，20-40C；n 酶活力条件可控：生成与降解量的调节，催化效力的调节，改变底物浓度对酶进行调节等；n 专一性：即酶只能对特定的一种或一类底物起作用。n 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。n 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。n 立体异构专一性：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。底 物 活性中心以外的必需基团结合基团催化基团 活性中心 催化底物转变成产物维持酶活性中心应有的空间构象4.影响酶催化反应速度的因素n 内在因素n 酶的浓度n 底物的浓度n 环境条件n pHn 温度n 水分活度n 激活剂或抑制剂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：n 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。n 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。SvVmax一级反应 v=k S零级反应 v=k E酶浓度的影响底物充足,其它因素不变时：n 反应速率与酶浓度成正比；n 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；n 实际生产中，酶浓度如过高，既浪费又影响产品质量。温度的影响 q 最适温度：酶促反应速度最快时的环境温度。q 动物细胞酶 3750 C q 植物细胞酶 5060 Cq 双重影响q TCT最适C：温度升高，酶促反应速度升高q TCT最适C：由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。酶活性0.51.02.01.50 10 20 30 40 50 60 温度 C 温度对淀粉酶活性的影响 pH的影响1.最适pH n 表现出酶最大活力的pH值2.pH稳定性n 在一定的pH范围内酶是稳定的pH对酶作用的影响机制：n 1.环境过酸、过碱使酶变性失活；n 2.影响酶活性基团的解离；n 3.影响底物的解离。0酶活性pH pH对某些酶活性的影响 胃蛋白酶 淀粉酶 胆碱酯酶 2 4 6 8 10Aw 的影响 n 一般而言，酶活力随Aw的升高而增大。n 食品原料中的水分含量必须低于1%2%，才能抑制酶活力激活剂的影响n 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。n 其中大部分是一些无机离子和小分子简单有机物。n 如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-等；n 激活剂对酶的作用具有一定的选择性，使用不当，会适得其反，激活剂之间有时存在拮抗现象。n 激活剂的浓度有一定的范围，超出此范围，会得到相反的效果。n 使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶失活的物质，称为抑制剂n 酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：n 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。n 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。抑制剂的影响固定化酶 将水溶性酶用物理或化学方法处理，固定于高分子支持物(或载体)上而成为不溶于水，但仍有酶活性的一种酶制剂形式，称固定化酶。n优点n酶的稳定性提高n易分离，酶能反复多次使用，可连续化、自动化操作n产物中不含酶，不需要采用热处理灭酶，有助于提高食品的质量酶的固定方法吸附n将酶吸附在氧化铝、有机聚合物、玻璃、无机盐或硅胶等材料上n优点：n操作简便、条件温和，不会引起酶的变性失活，载体价廉易得，而且可反复使用。n缺点：n由于是靠物理吸附作用，结合力较弱，酶与载体结合不太牢固而易脱落。载体截留n 凝胶（聚丙烯酰胺）n 特点：n低MW底物可通过扩散自由进入凝胶颗粒，酶和高MW的终产物不能从凝胶颗粒中渗漏出去。n 局限：n只能适用于低MW底物。食品体系常常有大分子。n 酶通过扩散而损失的可能性还是存在的。胶囊包合n 类似载体截留法，形成很小的颗粒或胶囊n 硝酸纤维素或尼龙n 只适合低MW底物共价连接n 化学试剂n 优点：n 共价键牢固，酶不易泄漏n 缺点：n 一部分酶起着载体的作用而失去了催化能力，因此用交联法固定的酶活力较低。n 对于价格昂贵的酶，不经济。交联法n 采用双功能试剂使酶分子之间或酶分子与固相载体之间发生交联。n 戊二醛n 优点：结合牢固n 缺点：由于交联反应较激烈，酶分子的多个基团被交联，酶活力损失较大。固定化酶在食品工业中的应用n 可把固定化的-淀粉酶与葡萄糖淀粉酶混合装柱，糊化的淀粉溶液流经此柱后，淀粉便水解为葡萄糖n 采用过氧化氢对牛奶灭菌，为了除去牛奶中过量的过氧化氢，可用固定化的过氧化氢酶使之分解。n 用固定化果胶酶澄清果汁；n 用固定化木瓜蛋白酶澄清啤酒；n 用固定化葡萄糖异构酶将葡萄糖转变为果糖等。酶促褐变1、定义n 较浅色的水果、蔬菜在受到机械性损伤（削皮、切片、压伤、虫咬、磨浆、捣碎）及处于异常环境变化（受冻、受热等),在酶促（催化）下氧化而呈褐色，称为酶促褐变。2、酶促褐变机理n 植物中的酚类物质在酚酶及过氧化物酶的催化下氧化成醌，醌再进行非酶促反应生成褐色的色素。酚酶n 以Cu离子为辅基n 以氧为受氢体是以氧为受氢体的末端氧化酶n 是两种酶的复合体n 甲酚酶（又称酚羟化酶），作用于一元酚；n 儿茶酚酶（又称为多元酚氧化酶），作用于二元酚。n 酚酶属氧化酶类，能直接催化氧化底物酚类n 它最适pH为7，较耐热，在100 可钝化。甲酚酶邻二酚酶 聚合OHOHOHOO OO黑色素 醌 二元酚 一元酚n3、酶促褐变的机制实例1：土豆（酪氨酸）的褐变n 土豆褐变，毛发、皮肤中黑色素形成机制；n 目前发现的唯一一条动植物共有的褐变途径。实例2：含有儿茶酚水果的褐变 实例：v 梨心变黑贮存前经两次“发汗”；v 香蕉心变黑，不能贮存在12以下，但也不能温度过高，乙烯催熟；实例3：绿原酸的酶促褐变邻苯二酚氧化酶1/2O2聚合褐色黑色4、酶促褐变发生的条件v 酚类底物v 酶v 氧三者缺一不可 易发生酶促褐变的食品：藕、香蕉、洋葱、茄子、土豆、苹果、梨、桃子等；不易发生酶促褐变的食品：柠檬、桔子、香瓜、西瓜等；5、控制酶促褐变的方法 除去多酚类物质困难，不现实。一般为降低酚酶活性、驱氧 主要途径：钝化酶的活性（热烫、抑制剂等）；改变酶作用的条件（pH,水分活度等）；隔绝氧气；使用抗氧化剂（Vc,SO2等）用于食品方面主要有以下几种（1）加热处理n 在适当温度和时间,加热新鲜果蔬,可使酚酶及其它酶失活n 常用的方法有：漂烫、巴氏杀菌n 加工中，必须严格控制时间和温度。n 不彻底加热，反而促进褐变;过度则影响风味、质构。n 微波加热，热穿透力强，迅速均匀，不影响风味。（2）控制pH酸处理法|酚酶的最适pH在67，3明显无活性；|水果：控制在酸性条件下|蔬菜：控制在中、碱性条件下n 常用的酸有：柠檬酸、苹果酸、磷酸、抗坏血酸、混合酸。n 柠檬酸：降低pH，控制酚酶活性；螯合酚酶的Cu辅基。n 抗坏血酸：使酚酶失活，且可耗氧。（3）亚硫酸盐类处理法 抑制酚酶活性；将醌还原为酚；与醌加成，防止聚合。如：在蘑菇、马铃薯、桃、苹果等加工中，常用二氧化硫及亚硫酸盐类作护色剂。&优点：v 防止酶促褐变，防腐；v 避免VC氧化失效；v SO2易去除；v 方便，成本低；&缺点：v 漂白，破坏花青素；v 腐蚀素铁罐的内壁；v 不愉快嗅味；v 破坏VB1n(4)驱氧 a.涂Vc液，涂膜；b.浸没；c.渗入（5）底物甲基化 5蛋氨酸腺苷 儿茶酚 愈创木酚 咖啡酸 阿魏酸 绿原酸 3阿魏酸金鸡钠酸 褐变的利用期望的褐变：n 苹果酒、红茶发酵（生成茶红素）、可可粉、葡萄干、梅干、椰枣、无花果。第四节 酶在食品加工中的应用使用酶的目的n 提高食品品质n 制造合成食品n 提高提取食品成分的速度及产量n 改良食品风味n 稳定食品品质n 增加副产物的利用率使用酶的优点n 天然、无毒n 催化的特异性，不造成不需要的副反应n 一般是粗酶制剂，可能会产生不期望的产物；但使用高纯度的酶制剂在经济上不合算n 在很温和的温度和pH条件下具有活性n 低浓度时有活性n 易于控制反应速度n 在反应进行到期望的程度后即可使酶失活酶的来源n 可食的和无毒的植物、动物以及非致病、非产毒的微生物n 微生物来源酶的优点n 生产能力强n 诱变或改性n 胞外酶，易于回收n 生产原料易于获得内源酶对贮藏加工的影响1、食品中的内源酶 脂肪氧合酶、果胶酶、多酚氧化酶、过氧化物蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、（半）纤维素酶、植酸酶、过氧化氢酶、核糖核酸酶、戊聚糖酶（1）水果的催熟、后熟：香蕉的催熟：用乙烯、酒精、乙炔催熟 洋梨罐头：催熟后香气、风味 水果后熟：淀粉水解糖，单宁，涩味（2）面粉陈熟（陈放后成熟）当陈放后，面筋ProSH被氧化为SS，工艺性、质量（3）鲜味的提高 如金华火腿 鲜腿腌后，在2537C下发酵30天 肉氨基酸：如谷氨酸由0.02%，1%有强烈的鲜味2、有利的影响，不利的影响（4）果蔬的褐变（5）有利因素利用的措施 适宜的温度 一定的O2 促进酶活性（6）不利因素的控制 灭酶 降低酶活性、pH控制 隔氧、浸入水中（酸液）加入NaHSO3、Na2SO3内源酶对贮藏加工的影响一、颜色n 颜色 食品质量n 导致水果和蔬菜中色素变化的3个关键性的酶是：n 脂肪氧合酶n 叶绿素酶n 多酚氧化酶 1、系统名称：亚油酸：氧-氧化还原酶；EC 1.13.11.12（顺，顺一1，4一戊二烯）2、作用底物是 含顺戊二烯的脂肪，如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸 3、产物及适宜pH 使不饱和脂肪酸生成氢过氧化物，进一步非酶反应，产生醛等不良风味。适宜pH值：78 控制方法:热处理，如大豆，0100C、10min1.脂肪氧合酶4.对食品质量的影响(1)有益功能 a.小麦粉、大豆粉的漂白 b.在面团制作过程中形成二硫键,面筋网络形成更好，改善面包等产品质量(2)有害作用 a.破坏叶绿素和胡萝卜素 b.产生氧化性不良风味，具有青草味 c.氧化破坏维生素和蛋白质 d.氧化破坏必需脂肪酸 是导致青刀豆和甜玉米产生不良风味的主要酶种 2.叶绿素酶n 命名：n 叶绿素酶 n 叶绿素 脱植基叶绿素-水解酶 n EC 3.1.1.14n 存在:n 植物和含叶绿素的微生物。n 作用：n 水解叶绿素产生植醇和脱植基叶绿素n 果蔬失去Mg2+，失去绿色3.多酚氧化酶与酶促褐变n 存在于植物、动物和一些微生物（主要是霉菌）中n 催化两类反应羟基化氧化黑色素褐变非酶反应控制多酚氧化酶的活力消除氧和酚类化合物n 抗坏血酸、亚硫酸盐和巯基化合物n 有还原性，将邻-苯醌还原成底物，防止黑色素n 直接使酶失活n 破坏活性中心的组氨酸残基和Cu2+n 非底物的酚类（苯二酚、苯甲酸）n 酶抑制剂（与底物竞争酶）二、质构n 果蔬n 果蔬的质构取决于碳水化合物n 果胶物质、纤维素、半纤维素、淀粉、木质素n 自然界存在作用于碳水化合物的酶n 动物组织和高蛋白质植物组织蛋白质n 蛋白酶作用导致质构的软化（一）淀粉酶n作用：降解淀粉，影响食品的粘度和质构和生产淀粉糖n-淀粉酶n内切酶，水解“直”n显著影响粘度n高温下才失活n-淀粉酶n外切酶，水解“支”n被巯基试剂（半胱氨酸）所抑制n葡萄糖淀粉酶n 果胶酯酶(pectin methylesterase)n 聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase)n 果胶酸裂解酶(pectate lyases)（二）果胶酶n 命名：果胶-果胶基水解酶（EC 3.1.1.11），也被称为果胶酯酶（Pectinesterase，PE）n 存在：高等植物和微生物中 n 水解甲酯键，生成果胶酸和甲醇n 二价离子Ca2+存在时，与果胶酸中羧基交联，提高质构强度1.果胶甲酯酶n 水解-1,4 糖苷键n 使一些食品原料（例如番茄）的质构显著变弱n 包括两种n 内切：从果胶分子内部水解糖苷键n 端切：水解分子末端的糖苷键2.聚半乳糖醛酸酶3.果胶酸裂解酶n 存在于微生物中(黑曲霉、米根霉)n 裂解果胶和果胶酸分子中的糖苷键n 催化作用：裂开果胶和果胶酸分子中的a-1,4 糖苷键。生成一个含还原基团的产物和一个含双键（235nm 有特征吸收）的产物。对果蔬质构的影响n 果胶物质是植物细胞的胞间层的主要成分，其聚合度及酯化度的改变会影响其质构，使组织软化。n 在贮藏及运输中应避免伤、烂。果胶酶的应用(1)澄清果汁：提高内源酶活力、加外源酶 澄清果酒：以提高出汁率、澄清效果(2)控制果汁浑浊型果汁的浑浊度，维持悬浮颗粒的稳定性。(3)柑桔瓤瓣的分离(4)提取植物蛋白质:用果胶酶处理，Pro得率（三）纤维素酶n 果蔬中的纤维素影响细胞的结构n 纤维素酶与食品原料（如青刀豆）的软化有关n 微生物纤维素酶将不溶性纤维素转化为葡萄糖（四）蛋白酶 蛋白质决定动物性食品原料的质构n蛋白酶:催化蛋白质肽键水解的酶按来源：n动物蛋白酶：食品工业中应用少n植物蛋白酶：常用于肉品和啤酒行业。n木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶。n微生物蛋白酶n蛋白酶制剂的重要来源，用于产酶的菌种必须严格选择。n应用范围包括：面包制作、肉品嫩化、啤酒制造、酿造等n 按其水解多肽的方式n 内肽酶：将蛋白质分子内部切断。n 外肽酶：从蛋白质分子的游离氨基或羧基的末端逐个将肽键水解，而游离出氨基酸。n 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。n 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。蛋白酶的分类n 按最适pH值n 酸性蛋白酶n 碱性蛋白酶n 中性蛋白酶n 按活性中心所含有的必需的催化基团分类n 丝氨酸蛋白酶丝氨酸残基n 巯基蛋白酶（或半胱氨酸蛋白酶）巯基n 金属蛋白酶Zn2+n 天冬氨酸蛋白酶（或酸性蛋白酶）羧基n 最适pH范围是24蛋白酶的应用如菠萝蛋白酶n 焙烤食品：将菠萝蛋白酶加入生面团中，可使面筋降解，生面团被软化后易于加工。并能提高饼干与面包的口感与品质。n 干酪：用于干酪素的凝结。n 肉类的嫩化：菠萝蛋白酶将肉类蛋白质的大分子蛋白质水解为易吸收的小分子氨基酸和蛋白质。可广泛地应用于肉制品的精加工。三、风味1硫代葡萄糖苷酶n 在芥菜子和辣根中存在着芥子苷n S-糖苷发生糖苷配基裂解和分子重排n 产物中异硫氰酸酯是含硫的挥发性化合物，与葱的风味有关n芥子油即为异硫氰酸烯丙酯裂解和分子重排芥子油具有特殊风味S-糖苷的酶分解2.过氧化物酶（POD)（1）对食品的影响 n 存在:高等植物、牛奶、动物组织n 会损害食品的质量，未经热烫的冷冻蔬菜所具有的不良风味与酶的活力有关。n 各种不同来源的过氧化物酶通常含有一个血色素（铁卟琳）作为辅基。（2）过氧化物酶催化下列反应：ROOHAH2 H2OROHAn ROOH：H2O2或有机过氧化物，CH3OOH或CH3CH2OOHn AH2被氧化，是电子给予体n 抗坏血酸、酚，胺或其他有机化合物n 被氧化成有色化合物n 分光光度法测定过氧化物酶的活力n 过氧化物酶的再生n 非常耐热，作为果蔬热处理是否充分的指标n 其它作用n 作为过氧化氢的去除剂n 参与木质素的生物合成n 参与乙烯的生物合成n 作为成熟的促进剂，与果蔬的成熟有关四、营养质量n 脂肪氧合酶n 必需脂肪酸含量的下降n 氧化过程中产生的自由基，降低维生素和氨基酸含量n 抗坏血酸氧化酶n 硫胺素酶n 破坏硫胺素（氨基酸代谢中必需的辅助因子）n 核黄素水解酶n 多酚氧化酶n 引起褐变的同时，降低有效赖氨酸的含量酶在食品工业的应用图：古代已用微生物生产食品淀粉酶类与淀粉糖业啤酒发酵乳制品与凝乳酶凝乳酶制造干酪；过氧化氢酶牛奶消毒；溶菌酶添加在婴儿奶粉；乳糖酶分解乳糖；脂肪酶黄油增香。果汁生产与果胶酶果菜清洗拣果机