生物酶在食品工业中的应用

姚轶俊

(东南大学生物工程学系,南京 210009)

生物酶在食品工业中的应用

姚轶俊

(东南大学生物工程学系,南京 210009)

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。本文综述了酶与食品组织结构和品质的关系、酶在谷物食品加工中的应用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。

酶 食品品质 谷物加工 新酶源酶工程

随着人们对食品安全、营养、健康和美味的日益重视,食品已经不仅仅只是满足人们生存的基本食物需求品,食品工业正在向着更营养更美味的方向发展。因此,酶作为一种高效生物催化剂,正以它独特的优势代替传统的化学制剂,越来越广泛地应用在食品和饲料加工业等诸多领域,酶工业已成为我国最具发展潜力的新兴产业之一。

1 酶与食品组织结构和品质间的密切联系

酶作为一种高效的生物催化剂,能够改变食品的组织结构,改善食品的品质和风味,增加食品的营养功能。同时,酶应用于一些功能性食品和功能性食品添加剂,由于其特殊的营养成分以及防病抗病功能,也成为国内外竞相开发的热点。

1.1 酶与食品组织结构的关系

食品组织结构是指食品各种成分及结构要素按不同的配置,结合成为微分子结构及大分子结构,这些结构是影响食品的形状、流变、质构等各种功能特性的重要条件,并影响人体的消化、吸收以及人体的健康[1]。食品的组织结构不同,人在咀嚼时就能产生不同的质感。

食品的组织结构与酶作用密切相关。例如肉类的坚韧是由于肉纤维中的胶原蛋白所致,如果用木瓜蛋白酶水解胶原蛋白,肉就会变得柔嫩可口,易于消化;用富含淀粉的水果及蔬菜制造果蔬汁时其淀粉酶可降低产品的黏度,提高其过滤性能。

某些食品中还存在着一些人们不适应的物质,这些食品经酶处理之后,可以把不适物质除去,以保证人体的健康。例如,β-半乳糖苷酶可降低或消除乳品中的乳糖,防止食后肠道障碍;人在食用豆类后产生气胀,这是寡聚半乳糖作用所致,只要在食品中加入α-半乳糖苷酶即可抑制[2]。另外,还可用酶除去食品中的防腐剂,如为保存蛋白及奶品时所添加的过氧化氢,在食用时可就用触酶加以分解。含氯杀虫剂的食品加入谷胱甘肽转移酶亦能得到抑制[3]。

1.2 酶与食品风味

食品的风味 (香味及滋味)物质,绝大部分是食物原料在生长过程中或者收获后、宰后产生的,有的风味物质是在贮藏及加工过程中形成的。例如,蒜的辛辣成分是一些二硫化物,其中主要是二烯丙基二硫化物。它来源于蒜氨酸,蒜的组织细胞破损时,其中的蒜氨酸裂合酶将蒜氨酸分解为蒜素,蒜素被还原为二烯丙基二硫化物。蒜素及二硫化物是蒜臭及辛辣味的成分[4]。因此制备可口的大蒜饮料,要在加工前将蒜加热,以破坏蒜氨酸裂合酶。

1.3 酶与食品保鲜

除氧是食品贮藏过程中不可缺少的手段。利用葡萄糖氧化酶除氧是一种理想的方法,葡萄糖氧化酶具有非常专一的理想的抗氧化作用,它可预防和阻止氧化变质的发生。如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,阻止其氧化变质[5]。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,延长保质期方面表现出显著的效果。

溶菌酶又称胞壁质酶或 N-乙酰胞壁质聚糖水解酶,可以水解细菌细胞壁肽聚糖的β-1,4糖苷键,导致细菌自溶死亡,对革兰氏阴性菌、好气性孢子形成菌、枯草杆菌、地衣型芽孢杆菌等均具有抗菌作用。溶菌酶在食盐、糖等的溶液中较稳定,耐酸性耐热性强,非常适用于各种食品的防腐保鲜。研究表明其最适作用质量分数为 0.05%,且与植酸、聚合磷酸盐、甘氨酸等配合使用,可提高其防腐效果。溶菌酶既能杀死肠道腐败球菌,增加抗感染力,同时又能促进婴儿肠道双歧乳酸杆菌增殖,促进乳酪蛋白凝乳利于消化,是婴儿食品、饮料的优良添加剂。溶菌酶对人体无毒、无副作用,具有一定的保健作用,有抗感染和增强抗生素作用效力,可促进血液凝固及止血,有组织再生作用,且抗菌、抗病毒、抗肿瘤,是一种安全的天然防腐剂。现已广泛地应用于香肠、鱼片、火腿、新鲜果蔬、豆腐、婴幼儿奶粉、酸奶、低度酒、奶油、糕点、面条、饮料及乳制品的防腐保鲜[6]。另外也有研究表明溶菌酶在控制细菌总数的增殖、减缓挥发性盐基氮 (TVB-N)上升方面具有极其重要的作用[7]。

此外,木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、霉菌酸性蛋白酶均可降解啤酒浑浊的蛋白质组分,防止啤酒冷浑浊,延长啤酒贮存期[6,8]。

1.4 功能性食品和功能性食品添加剂

近几年来,世界各国高度重视有机食品、绿色食品、健康食品、膳食补充剂等的研究开发,特别是一些以普通食品和饮料为载体的功能食品。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。

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[9]。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。

2 酶在谷物食品加工中的应用

2.1 酶对面制品品质的影响

酶在面制品的加工中起着越来越重要的作用。淀粉酶、蛋白酶、戊聚糖酶主要影响面筋筋力,而脂酶、脂肪氧合酶、多酚氧化酶则会影响产品风味和色泽,植酸酶常常和产品的营养品质有关[10]。

2.2 酶在谷物食品加工中的应用

目前,酶在谷物食品加工中的应用主要体现在谷物食品深加工和谷物食品品质改良上。

2.2.1 在淀粉糖生产中的应用

谷物富含丰富的淀粉,是生产淀粉糖的主要原料。随着酶工业的发展,酶法制备淀粉糖已经逐渐代替了传统的酸水解方法。随着淀粉酶种类的增加,可根据需要选择不同的淀粉酶生产淀粉糖,如糊精、环状糊精、饴糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖等从而使谷物附加值增加。

α-淀粉酶、糖化酶、葡萄糖异构酶可使淀粉转化成高果糖浆。α-淀粉酶一般用于淀粉浆液化过程中,通过分解大的直链淀粉和支链淀粉分子从而使淀粉充分溶解从而为下一步工艺做准备;糖化酶可使汤汁状糊精进行糖化,并将聚合体水解成一个个单独的葡萄糖分子,这些连续分子链被从糊精末端开始断开,包括那些支链淀粉分支点。其生产的葡萄糖可被加工成各种糖浆、结晶葡萄糖,发酵成燃料酒精、饮料用酒精,或被转化成果糖[11]。

2.2.2 在谷物发酵食品中的应用

在啤酒、黄酒、白酒、酒精、醋及谷氨酸等有机酸生产中,酶主要用于处理发酵原料,提高原料利用率,节约粮食,同时赋予发酵产品某些特殊的风味。如在白酒生产中使用纤维素酶、淀粉酶、酸性蛋白酶、酯化酶、阿米诺酶等可使白酒生产成本降低,缩短周期,提高出酒率及质量[12];在醋和有机酸的生产中也能起到相同作用[13]。

2.2.3 在面条生产中的应用

酶在小麦粉生产中主要作为面粉改良剂,最常用的是葡萄糖氧化酶、脂肪酶、转谷氨酰胺酶[14]。葡萄糖氧化酶将面筋蛋白中的—SH氧化为—S—S—,有助于面筋蛋白之间形成较好的蛋白质网络结构,增加面条咬劲,从而代替了被认为有致癌作用的传统化学添加剂——溴酸钾。在面条加工中加入脂肪酶,可使小麦粉中天然脂质得到改性,形成脂质 -直链淀粉复合物,从而防止直链淀粉在膨胀和煮热过程中渗出,同时可减少面团上的斑点,改善面带压片或通心粉挤出过程中的色泽;生面团中加入脂肪酶,可促进三酰甘油部分水解形成单甘油脂和双甘油脂,改善蛋白的发泡性。转谷氨酰胺酶主要是影响面筋蛋白组分中高分子质量麦谷蛋白亚基,诱导面筋蛋白中高分子质量聚合物形成,改变面筋黏弹性,使面筋网络结构加强,所以淀粉能很好保持在面筋网络中,减少淀粉损失,面条或面团相互粘结减少,对生产和消费者有利。在日本,转谷氨酰胺酶已广泛应用于面条和面团生产中。目前,面条加工用酶制剂主要有北美诺优酶制剂公司开发生产的诺帕酶和日本味之素公司开发的活力发 IG-M(溶水型)面用改良剂。诺帕酶是一种来源于微生物的脂肪酶,活力发 IG-M面用改良剂则以转谷氨酰胺酶为主要成分[15]。

2.2.4 在焙烤食品中的应用

在焙烤食品中,应用最广泛的是淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶等。淀粉酶水解产物糖和糊精,可结合面团中水分,降低蛋白质胶粒膨润度,限制蛋白面筋形成,提高面团延展性,获得柔软性、稳定性更好的面团;同时可提高面团发酵性能,增大面包体积,减少质量损失,赋予面包芯良好质地,即面包表皮棕黄色色泽和香味,防止面包老化,延长货架寿命。蛋白酶会使面团中多肽和氨基酸含量增加,而氨基酸是形成香味物质的中间产物,多肽则是潜在滋味增强剂、氧化剂、甜味剂或苦味剂。若蛋白酶种类不同,产生化合物也不同。若蛋白酶中不含产生异味的酯酶,适量添加有利于改善面包香味。木聚糖酶[16]与可溶性及不可溶性戊聚糖发生反应从而提高面筋网络弹性,改善面团加工和稳定性能,及面包囊组织结构,增大面包体积。此外,在饼干的生产中,蛋白酶添加是具有软化面筋而不影响营养成分的有效方法。

2.3 酶制剂在面包制作中的协同作用

在面包制作中混合使用酶制剂并不是一个新的概念。例如,半纤维素酶或木聚糖酶与真菌淀粉酶结合使用,会产生协同作用。高添加量的纯木聚糖酶,可使面团体积有一定程度的增大,然而用量过高时面团则会过于发黏而很难操作。将木聚糖酶与极少量的真菌淀粉酶结合使用时,在较低的添加量下就可使得体积增长的幅度较大,总体质量评分高,并且不存在面团发黏的问题[17]。当结合使用 7FAU真菌淀粉酶与 75FXU真菌木聚糖酶时,要比单独使用150-180FXU的真菌木聚糖酶显著增大体积增幅及改善面包瓤组织结构。

3 食品工业中的新酶源

3.1 极端酶在食品加工中的应用

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[18]。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[19]。

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[20]。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。

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.1.3 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[21]。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。

3.1.4 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β-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β-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[22]。

3.1.5 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[21,23]。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。

3.1.6 嗜压酶

嗜压酶在 117.42 MPa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。

3.2 酶工程在食品领域的发展前景

酶工程技术是利用酶和细胞或细胞器所具有的催化功能来生产人类所需产品的技术,包括酶的研制与生产,酶和细胞或细胞器的固定化技术,酶分子的修饰改造,以及生物传感器。截止到 2008年,国际上工业用酶 (包括食品酶)已达到 50多种[24]。DNA重组技术对酶工业的渗透,导致了酶工业的飞跃,已有多个国家实现了β-淀粉酶的克隆化;日本经过质粒重组的嗜热芽孢杆菌蛋白酶的活力为原菌酶活力的 18倍;利用 DNA重组技术,使葡萄糖异构酶和木糖异构酶的活力提高了 5倍[25]。酶的体外进化是酶工程研究的重要内容之一,其中融会了基因克隆、错配 PCR及 DNA Shuffling等技术[26],这方面的工作值得更多的投入,与之相配套的反应模型和高通量快速检测方法的建立是至关重要的环节。除酶的开发外,在酶的加工技术方面也期望有新的突破,酶的修饰及加工、新型反应体系的建立与相关生物反应器的研究也同样是生物催化面向产业化的重要课题,以产业化为背景的生物催化必须强调“工程化”的概念,将混合、传质及返混等工程因素与工艺研究结合起来,才能最大限度地发挥原有“生物反应”的效能[27]。

4 展望

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。

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Application of Enzymes in Food Industry

Yao Yijun
(SoutheastUniversity,The School ofMedical Sciences,Biological Engineering,Nanjing 210009)

Biotechnology is one of the high-tech in the 21st century.As a kind of effective and safe biological catalyst,enzymes have been widely used in food industry fields,exerting their highly effective,moderate,diverse and adjustable biological properties and inducing fresh thoughts for the development of the traditional industry.This paper summarizes the current application of enzymes in food industry,including the relationship between enzymes and food structure,the relationship bet ween enzymes and food quality,application of enzymes in grain processing,and the new source of enzymes for food industry.The new progress and prospect of enzyme engineering in food industry are re2 viewed and prospected.

enzyme,food quality,grain processing,new enzyme source,enzyme engineering

Q819

A

1003-0174(2011)01-0124-05

2010-05-28

姚轶俊,女,1989年出生,本科,生物工程