2022年食品酶工程关键技术及其安全性评价 .pdf

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1、食品酶工程关键技术及其安全性评价路福平1刘逸寒2薄嘉鑫3（1天津科技大学工业发酵微生物教育部重点实验室天津3004572工业酶国家工程实验室天津3004573天津科技大学生物工程学院天津300457）摘要酶工程技术被广泛应用于食品加工业等诸多领域， 成为现今新的食品原料开发、 品质改良、 工艺改造的重要手段 。随着食品加工业种类的增多， 酶制剂在食品中的应用越来越广泛。对食品酶工程关键技术的开发及其安全性评价， 是酶制剂行业在现代食品加工中必须解决的关键科学问题。关键词食品酶 ； 酶工程 ；食品安全；安全性评价文章编号1009-7848（2011）09-0188-06当今社会， 随着人们对食品

2、安全、 营养 、 健康和美味的日益重视， 食品不只是满足人们生存的基本食物需求品1， 安全 、 优质 、 高效 、 可持续发展，已成为众多食品企业的追求目标。 可赋予食品工业安全 、 优质 、 高效三大主题的， 首推酶工程技术。酶制剂作为一种高效生物催化剂， 以它独特的优势代替传统的化学制剂2-5， 越来越广泛地应用在食品加工业等诸多领域， 成为当今新的食品原料开发 、 品质改良 、 工艺改造的重要环节6-9。随着食品加工业种类的增多， 酶制剂在食品中的应用越来越广泛，有的酶种已不能很好地满足加工底物和加工过程的需求； 同时 ， 我国大部分酶种发酵水平较低， 生产成本高； 酶制剂复配技术落后

3、， 无法与国外大型酶制剂企业竞争； 安全标准性评价体系欠缺， 为食品加工和生产带来安全隐患， 这些都是酶制剂领域急需关注的问题。开发新型高效酶种， 建立食品级规模化生产体系， 研发并应用集成技术及安全性评价平台， 是酶制剂行业在现代食品加工中必须解决的关键科学问题。1酶制剂在食品加工行业中的应用酶制剂在食品行业中的应用主要体现在以下几个方面：1） 改善食品色、 香 、 味 、 形态和质地；2）保持或提高食品的营养价值；3） 增加食品的品种和方便性；4） 便于食品的保藏；5） 有利于食品加工操作 ， 适应生产的机械化和自动化；6） 去除食品中不利成分， 保护食品中有效成分， 稳定食品体系；3）

4、提高食品附加价值。 应用酶制剂更重要是， 其可以替代对人体有害的物质或者工艺流程， 以降低食品加工过程中的不安全因素。1.1酶制剂在焙烤行业的应用酶制剂可替代溴酸钾。溴酸钾是一种面粉强筋剂 ， 也是致癌有害物。 使用葡萄糖氧化酶、 真菌淀粉酶 、 木聚糖酶、 脂肪酶 、 糖基水解酶10和谷氨酰胺转移酶11等多种酶共同作用于面团， 可全面提升面制品品质， 达到甚至超过使用溴酸钾的效果12-13。 酶制剂可使生物增白， 如在面制品中使用脂肪酶 ， 可代替化学增白剂， 改善面制品内部的白度和组织结构， 提高馒头表面的光亮度和白度， 实现生物法增白14。酶制剂可延长面制品货架期， 如使用麦芽糖淀粉酶可

5、延缓面包、 馒头等面制品老化现象15； 酶制剂可提供安全食品， 如淀粉类食品在高温 （120 ） 烹调下容易产生丙烯酰胺， 使用适当的酶制剂处理淀粉类食物原料， 在加工过程中可减少丙烯酰胺生成， 不会影响食品原有风味，保证食品安全16。收稿日期：2011-10-23基金项目： 国家自然科学基金项目（21076159，31101219）；国家 “863”“ 十二五 ” 农村领域国家科技计划课题（2011AA100905）作者简介：路福平 ， 男，1967年出生 ， 博士 ， 教授Vol 11No9Dec2 0 1 1Journal of Chinese Institute of Food Sci

6、ence and Technology中 国 食 品 学 报第11卷第9期2 0 1 1年12月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第11卷第9期1.2酶制剂在啤酒行业的应用在啤酒加工过程中， 加入适量的葡萄糖氧化酶可除去啤酒中 的 溶 解 氧 和 瓶 颈 氧 ， 延 长 保 质期17； 加入 -乙酰乳酸脱羧酶可促进啤酒成熟， 缩短发酵周期， 节约制冷能耗18； 加入 -葡聚糖酶和葡萄糖苷酶可有效降低麦芽汁黏度， 防

7、止啤酒浑浊 ， 稳 定 啤 酒 质 量19； 在 啤 酒 的 制 造 和 储 存 过 程中 ， 利用脯氨酸蛋白内肽酶可代替甲醇应用于啤酒去除混浊， 不会影响啤酒泡持性20。1.3酶制剂在调味品行业的应用豆腐乳 、 酱油 、 食醋等调味品与人民生活密切相关 ， 食品卫生安全尤为重要。 酶法与酸法相比，工艺条件温和， 生产过程中不产生腐蚀物质和有毒物质 ， 使发酵调味品符合卫生要求， 安全可靠，且投资少 。我国每年生产500多万t酱油 。 市售酱油绝大部分为配制酱油， 使用的是酸法蛋白水解物作配料， 然而酸法蛋白水解物会带来三氯丙醇等致癌物， 产生卫生安全问题。2001年9月国家新酱油质量标准执行

8、， 迫切需要寻找一种卫生安全 ， 有质量保证的蛋白水解物， 以满足酱油生产的需要 。 利用植物蛋白水解酶水解植物蛋白， 在酸性条件下反应获得的水解产物， 避免了产生三氯丙醇等卫生安全性问题， 并且其营养丰富， 口味好 ，此外 ， 缩短了发酵周期和提高了产品收率21。使用酶法提取酵母中核苷酸， 可以改进目前传统工艺中存在的用盐量过高、 收率低 、 成本高等不足22。1.4酶制剂在油脂加工行业的应用酶法脱胶 ： 将酶法脱胶应用于大豆油精炼中，可使脱胶过程在含水量低的条件下高效进行， 提供了一个安全、 经济的替代方法23-24。 酶法转化甘油三酯 ： 利用酶制剂通过酯交换可使甘油三酯转化为甘油二酯，

9、 在小肠内消化吸收， 不会形成脂肪 ， 在食用口感上不会发生变化， 并可降低血脂，长期食用还可以防止体内脂肪尤其是内源性脂肪的积累25。生产人造奶油和起酥油： 利用酶制剂进行酯交换生产， 可避免以大豆油为原料氢化生产的人造奶油生成反式酸26-27。1.5酶制剂在果蔬加工行业的应用使用果胶酶、 纤维素酶、 -淀粉酶 、 木瓜蛋白酶及复合酶粥化酶28可提高果汁出汁率、 澄清度 ， 增强果汁中营养成分及其稳定性29。在水果加工中 ， 蛋白酶等对苹果、 葡萄汁和马铃薯汁的褐变具有明显的抑制效果30。 利用酶法可除去橙柑橘汁中的苦味， 操作简单， 脱苦条件温和， 脱苦效率高31。1.6酶制剂在食品保鲜中

10、的应用与其它保鲜方法相比， 酶法保鲜具有很多优点： 酶本身无毒、 无味 、 无嗅 ， 不会损害产品本身的价值32。酶对底物有严格的专一性， 添加到成分复杂的原料中不会引起不必要的化学变化。 酶的催化效率高， 用低浓度的酶即可使反应迅速地进行。酶作用所需温度、pH值等条件较温和， 不会损害产品的质量。用酶进行保鲜， 必要时只需用简单的加热方法即可使酶失活， 反应终点易于控制33。2关键技术需求与前景2.1酶制剂在食品加工过程中的研究食品的组织结构及风味与酶作用密切相关。不同食品加工条件下， 酶与底物作用效果不尽相同， 从而造成不同的食品质感和口味。 因此 ， 现有酶种在食品加工过 程 中 不 同

11、 生 产 条 下 的 构 效 关系， 是需要研究的关键科学问题。 通过整合关键氨基酸及关键位点与 酶 特 性 及 催 化 活 性 的 偶 联 信息， 阐明酶分子空间构象与酶特性及催化活性之间的构效关系， 为改造酶分子的理化性质提供理论基础 。功能食品中生物活性多肽产品的相对分子质量分布与其品质和功能密切相关。 多肽和寡肽含量是衡量产品品质的关键指标。 利用酶法制备生物活性多肽产品过程中， 在酶解终止之前， 多肽水解产物和蛋白酶始终在一个反应体系里， 因而水解程度无法控制，导致多肽相对分子质量分布不集中 ， 游离氨基酸的含量比较高。 如何使酶解过程中产生的寡肽及时脱离酶反应体系， 从而避免被过度

12、水解， 实现可控酶解， 是需要解决的关键问题。通过固定化酶、 酶膜反应器等技术可实现蛋白的可控酶解， 对于提高生物活性多肽产品品质和功能具有重要意义。2.2开发食品加工中新型酶种食品加工业种类的增多， 使酶制剂在食品中应用越来越广， 同时 ， 食品加工过程中涉及高温、低温 、 高盐 、 高压 、 酸性及碱性等条件， 现有的酶种食品酶工程关键技术及其安全性评价189名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 中 国 食 品 学

13、 报2011年第9期不能很好地满足加工底物和加工过程的需求， 因此开发适应各种食品加工条件的新型高效能酶具有重要的意义34。 我国拥有较好的微生物多样性以及亚洲最大的菌种库。 近年来我国成功地从常温和低温环境筛选到大量的具有优良性质的工业用酶 ， 包括木聚糖酶、 -半乳糖苷酶、 -葡聚糖酶 、 乳糖酶 、 -甘露聚糖酶、 纤维素酶等35， 可为食品工业用酶研究提供所需的起点酶蛋白分子。 在国际上 ， 酶制剂生产、 应用公司都建有巨大的菌种和酶库 ， 如Novozymes拥有的微生物资源保藏物超过12万株 。 近年来在传统筛选技术基础上， 宏基因组技术、 宏转录组技术和基于基因组序列数据库发现新

14、酶的数据挖掘技术得 到 了 较 大 的 发展36-40。我国虽然也建立和发展了相关技术， 但实际应用的例子不多。另外 ， 来源于自然生物资源的酶 ，通常需对其进行分子水平的改造以满足食品加工业的应用条件41-45。 目前国际上分子改造的趋势是继续发展更高效的理性设计和非理性设计的组合方法46-51。 我国发展了若干具有国际水平的原创技术 ， 如细菌自裂解筛选技术和计算机辅助分子设计 ， 但未获得较显著的成果， 因此 ， 需加大对计算生物学、 统计学 、 分子生物学方法的多交叉结合 ， 寻找蛋白结构-功能的内在联系， 最终为科学改造酶分子提供理论依据。2.3建立食品酶制剂规模表达体系表达体系的改

15、变可明显提高酶基因的生产效率， 然而体系内带有的抗性标记， 给食品带来安全性问题 。食品酶制剂生产中， 要求生产菌株必须是食品级微生物， 不能有非食品级菌种来源的功能性DNA片段 。 在此背景下， 经自然选育获得的未经安全认证的菌株， 或利用带有抗性基因的游离质粒表达生产酶制剂的菌株， 均无法达到食品级的要求 ， 从而不能满足食品工业应用和发展的需要。通过分子生物学和遗传学等手段， 开发新型的整合型载体和营养缺陷型载体以及具有优良性状的新型芽孢杆菌和丝状真菌表达宿主菌株， 建立安全 、 高效 、 稳定的生产食品酶制剂平台体系， 是今后研究的重点内容之一。 此外 ， 国内酶制剂行业的生产工艺相对

16、落后，规模化发酵技术与国外相比差距很大， 建立食品酶制剂发酵清洁生产工艺、过程检测 、 信息与控制的定向优化集成技术体系，提高发酵效率， 降低酶制剂生产成本也是研究的重点 。2.4研究食品酶制剂作用谱系， 开发专用酶制剂食品种类众多， 底物来源及构成各不相同。 任何一种单一酶都很难满足对底物彻底水解和定向性水解要求。 为了达到理想的酶制剂应用效果， 复配技术应运而生。将几种酶制剂混合使用， 往往有协同增效作用。 这些酶的应用技术为国外著名酶制剂企业带来了强劲的市场竞争力和可观的经济效益 ， 而国内在相关领域的技术水平还有一定差距 ， 因此 ， 食品酶制剂的应用是解决酶制剂合理复配的关键技术问题

17、。以蛋白酶为例， 利用高通量的分析技术，快速分析和鉴定不同蛋白酶对不同来源底物的酶解产物， 建立不同酶种蛋白酶解产物的数据库， 评价和比较不同蛋白酶的酶解特性， 并根据酶解特性和数据库预测酶对新的蛋白底物来源分子的酶解情况， 从而可以快速筛选适合的单酶或复合酶制剂。2.5食品酶制剂安全性评价问题随着酶制剂在食品工业中的应用日益深入和广泛 ， 极大地促进了食品工业的发展。 然而在使用酶制剂提高食品安全水平的同时， 酶制剂自身的安全问题同样也影响着食品的安全性。 因此 ， 对食品用酶制剂进行安全性评价， 是酶制剂行业在食品加工领域不可回避的且必须解决的科学问题。2.5.1食品酶制剂生产菌株溯源用来

18、生产食品酶制剂的动、 植物和微生物的安全， 是确保酶制剂在食品加工过程中安全使用的前提， 尤其是微生物来源的酶制剂， 其安全隐患远大于来源于动物和植物的酶制剂52。 这就要求其生产菌株必须是食品级微生物， 且不能有非食品级菌种来源的功能性DNA片段 。 在此背景下， 经自然选育获得的未经安全认证的菌株， 或利用带有抗性蛋白基因的游离质粒表达生产酶制剂的菌株53， 均无法达到食品级的要求， 也不能满足食品工业应用和发展的需要。目前在食品加工行业使用的大部分酶制剂来源于食品级微生物（Food-grade Microor-ganisms）， 但一些企业提供的酶制剂来源不明确。我国现行批准使用的酶制剂

19、中有近40%的酶制剂没有注明生产来源。因此 ， 需建立食品酶制剂生产菌株溯源安全评价体系， 解决菌种来源安全性的190名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第11卷第9期关键敏感问题。2.5.2食品酶制剂安全生产过程控制目前我国酶制剂生产无论从原材料、 生产设备到生产工艺都十分的粗放和落后， 使得酶制剂产品质量及其安全性无法得到保证， 难以达到食品加工的要求，只适于工艺粗放的加工业， 造成产品性价比严重偏离市场规律的现

20、象。 因此 ， 只有通过建设原材料采购的标准体系， 选用精细、 符合食品加工要求和相关资质许可的原料， 才能从原料的源头控制有害元素 （ 重金属 、 致病菌等） 进入酶制剂的生产体系中 。 同时 ， 在酶制剂生产过程中， 通过对产生的不良气味、 污水及废渣进行有效治理， 解决酶制剂生产对环境安全性的关键问题54。2.5.3食品酶制剂的安全制备在使用酶制剂进行食品加工过程中， 减少酶粉尘对职工人身和环境的不利影响， 是未来非液体酶制剂产品必须考虑的问题。 采用低温微囊化技术， 使酶制剂产品安全 ， 无粉尘 ， 同时具有良好的稳定性、 流动性及使用配伍性， 控制酶制剂产品的理化指标， 并符合食品卫

21、生标准要求。3结论食品酶制剂以其催化特性专一、 催化速度快、天然环保等特性，在食品生产和人们生活中扮演越来越重要的角色。酶制剂还具有缩短生产过程，使用时无需大量添加等优势， 且绿色 、 安全 、 高效 。开发高效、 新型食品用酶制剂， 建立食品级规模化表达体系， 优化酶制剂发酵清洁工艺， 研制和检测专业复合酶制剂，建立食品酶制剂安全性评价体系， 对于提高食品品质及安全水平将起到良好的推动作用， 也必将产生巨大的经济和社会效益。参考文献1姚轶俊.生物酶在食品工业中的应用J.中国粮油学报，2011，26（1）：124-128.2Liese A，Seelbach K，Wandrey C，et al.

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48、e & Technology，Tianjin 300457）AbstractEnzyme engineering has been widely applied to various processes of food production，which becomes akey element in modern food industry in areas of material exploitation，quality improvement and process modification. Withthe increase in kinds of food processing ind

49、ustry，the enzyme is used in food industry more and more widely. Therefore，it is very important for developing key technology and establishing safety evaluation systems for food enzyme production，which is beneficial to the application of enzyme in food processing.Key wordsfood enzyme；enzyme engineering；food safety；safety evaluation食品酶工程关键技术及其安全性评价193名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -