酶在果汁加工中的应用

陈安格

（宁夏伊品生物科技股份有限公司，宁夏 银川 750001）

酶是由活细胞产生的高分子蛋白质物质。它们表现出生物催化作用，促进生物的分解，并且由于其特异性，高效率和温和的反应，使酶在现代食品生产中很受欢迎。（Toledo et al.，2019）。大多数水果都含有丰富的维生素C、酚类化合物和类胡萝卜素，是人体饮食营养的必需来源。水果中含有的抗氧化剂可以清除自由基，这对人体健康有帮助，而加工果汁仍然具有清除自由基的潜力（Gardner，White，McPhail，& Duthie，2000）。此外，新鲜的水果很难储存，并且由于其水分含量太高，通常保质期较短。将水果加工成果汁可以有效延长保质期，改善口感，帮助身体吸收水果中的营养，可以达到更好的利用和保存水果的目的。

但是，由于水果中含有果胶、纤维素、蛋白质等成分，因此在果汁加工过程中会出现一些问题，如粘度高、挤压速率低、果汁产量低、易浑浊、易褐变等。一些果汁独特的香气成分容易流失，苦味难以去除（Ribeiro，Henrique，Oliveira，Macedo，& Fleuri，2010）。果胶物质是造成果汁浑浊的主要因素，由于果胶的主要作用是保护和支持植物细胞，这也导致果肉在机械压榨中出汁率低、耗时长，生产成本增加。果胶酶、纤维素酶、淀粉酶等酶的应用以及这些酶在果汁加工中的组合可以改善这些问题，并显著提高果汁的质量和产量。现代果汁加工通常涉及三个部分，即提取，澄清和稳定。与传统的热提取或冷提取方法相比，酶处理可以更好地提高果汁的回收率（Sharma，Patel，& Sugandha，2017）。在酶促反应下，果汁可以有更高的透明度，酶处理已成为现代果汁加工的重要组成部分。

1.酶的行业应用

酶是具有三级或四级蛋白质结构的生物催化剂。它由长链氨基酸组成，存在于植物、动物和微生物中，它参与生物体内的所有生命活动和生命过程。酶的催化反应可以在合适的温度和pH条件下发生，它们广泛应用于食品加工、化学工业、农业和医疗领域。随着生物技术的发展，酶可以大规模生产，使其纯化并具有明显的特性。因此，生产量身定制的酶成为可能（Kirk，Borchert，& Fuglsang，2002）。特异性的酶可以适应新的工艺条件，导致酶在各个领域的使用进一步扩大。如表1所示，酶在各个行业的应用变得更加多样化，规模越来越大。

表1 酶在行业中的部分应用（Kirk et al．，2002）

2.酶的分类

工业加工中使用的酶需要适当的提取纯化方法。经过提取等工艺步骤后，它们将会成为绝对纯度的产品。根据其催化类型不同，酶可以进行分类，见表2。这些类别进一步细分。每种酶都由酶委员会（EC）编号，以赋予其唯一的四位数代码。果汁加工中使用的主要酶包括果胶酶，淀粉酶和纤维素酶，都被称为水解酶（Ribeiro et al.，2010）。

表2 基于反应类型的酶分类（McDonald & Tipton，2014）

3.酶在果汁加工工艺中的应用

在传统的提取方法无法获得令人满意的果汁数量和质量的背景之下。酶促反应可以提高果汁产量，释放果汁中的重要营养物质。在提高果汁质量方面，酶的添加可以降低果汁的粘度，增加过滤性，防止果汁变黑，清除果汁不良色泽并改善其外观。尤其对于柑橘类果汁，可以使用酶来去除苦味（Kumar，2015）。

3.1 在果汁加工中所需要的重要酶类

果汁产量低的原因很复杂。但主要是因为水果中的杂质太多，如淀粉、果胶和纤维素等，它们在水果的细胞壁中含量丰富。酶处理的应用可以降解这些大分子，使果汁更容易过滤，回收率更高，果汁的澄清度得到提高。果汁产量的增加意味着原材料成本的降低。

3.1.1 果胶酶

果胶酶在商业生产中有着悠久的应用历史，可以使工业生产获得更高的价值。它通常来自三个来源，细菌、真菌和酵母。果胶酶是一种异源酶，具有多种类型，如果胶甲基酯酶（PME）和果胶解聚酶。它们的种类不同，适当的pH值和温度也不同。根据作用位置的不同，它们也可以分为核外切酶和内切酶。

果胶是一类细胞基质多糖，其D-半乳糖醛酸的酯化程度不同，通过α-1，4糖苷键连接。原胶素主要有三种类型：果胶、果胶酸和酯酸。它们具有很高的结合水和胶体稳定性，在水果中含量丰富。由于果胶物质的粘性，果汁的流出被阻塞。果胶酶可以切割糖苷键并修饰果胶，以提高果胶的汁液产量。酸性果胶酶主要用于去除果胶，而尼日尔杏仁素产生的果胶酶等真菌性消化酶通常用于果汁的澄清。降低果汁的浊度可以提高果汁的过滤效率，从而提高产量（Rebello et al.，2017）。此外，作为一种多糖，果胶可以促进水果中纤维素和半纤维素纤维的交联。因此，果胶酶的使用也可以促进纤维素酶更接近底物（Giacobbe et al.，2014）。

研究表明，在使用果胶酶处理杏、李子和芒果果肉的实验中，使用0.5%的酶浓度在45度下液化5小时，杏子的汁质收率可达78%，而李子的出汁率可以达到82%。在酶浓度为0.9%，45度液化6小时的条件下，芒果果汁产量最大可达59%（Chauhan，Tyagi，& Singh，2001）。在菠萝汁的生产过程中，果胶酶可以在提取过程中与木聚糖酶和纤维素酶产生协同作用。与对照组相比，菠萝汁产量提高了52.9%，澄清度也有良好的优化 （Pal & Khanum，2011）。

3.1.2 纤维素酶

纤维素酶通常用于提高果汁的果汁产量和可溶性固体的含量，因为可以降解植物细胞壁的纤维素。其至少包括三个酶基，从而将纤维素水解为葡萄糖，分别是：Exo β葡聚糖酶，内切β葡聚糖酶和β葡萄糖苷酶。纤维素酶反应不同于一般的酶反应。一般来说，纤维素酶是一种多组分的酶系统，底物结构非常复杂，它可以被定义为酶的一个家族。商业纤维素酶制剂通常还包括半纤维素酶。简而言之，在纤维素酶的作用下，纤维素被水解成小的纤维素低聚糖，然后转化为葡萄糖，纤维素酶的最佳pH值一般为4.5～6.5。由于大部分植物细胞壁的组成物质是果胶和纤维素等其他多糖类物质相互作用，一起组成细胞壁，因此单独使用一种酶的效果并不理想。纤维素酶加入后，果胶酶和纤维素酶具有相互协同作用。实验表明，纤维素酶和果胶酶的联合使用可以提高菠萝汁的产量和澄清度（Pal & Khanum，2011）。纤维素酶和果胶酶在提取和澄清果汁中起着至关重要的作用。使用纤维素酶作为起协同作用的多组分酶系可以提高果汁加工工艺的性能，节省原料，提高果汁的稳定性和质地。它还可以有效地降低来自杏子和木瓜等热带水果的果泥的粘度。不同酶活性的果胶酶、纤维素酶和花青素酶复合酶处理黑莓汁比无酶对照组增加11.33%～13.8%的出汁率（Wang，Xu，& Jin，2009）。果汁在生产过程中必须经过超滤，通过这一过程来过滤掉不需要的杂质，但是果胶物质使果浆粘度增加，阻碍了过滤膜的过滤效率，在加入纤维素酶后，能够使果胶类物质分解，加快了过滤效率，而且还可以降低超滤膜的损耗。然而，与果胶酶不同的是，果胶酶经常被用于果汁生产，纤维素酶在某些国家地区是不允许的使用的，例如欧盟。

3.1.3 淀粉酶

酶来源于细菌和真菌，而淀粉酶存在于人类唾液中，这是人类化学消化的第一步。在果汁加工中，一些水果通常在未成熟的条件下收集并在低温下储存一段时间。长期低温贮存后，果肉中会含有大量的淀粉。淀粉会使果汁不均匀和分层。真菌复合物α淀粉酶是工业中常见的淀粉酶。这种酶能迅速切断淀粉糊精、糖原、寡核苷或多糖等底物分子α-1.4葡萄糖苷键，形成较多的麦芽糖和少量麦芽三糖、葡萄糖等低聚糖。淀粉处理是苹果汁加工，因为未成熟的苹果含有高百分比的淀粉（约15%），并且淀粉颗粒会与果肉中的其他邻近分子形成氢键，氢键会阻止淀粉水解。因此，淀粉颗粒的渗透阻力增强，难以降解。淀粉酶可以有效地降解苹果汁中的淀粉颗粒，特别是当它们作用于糊化淀粉时。这是缩短处理时间的有效方法（Carrı́n，Ceci，& Lozano，2004）。淀粉酶的应用也避免了老化淀粉的产生。在实际生产中，要生产出高质量的果汁，保证果汁的产量，不同种类的酶的作用都不容忽视。几种酶通常一起使用。

3.2 酶在果汁工艺优化中的应用

与机械粉碎榨汁相比，酶处理果汁具有更多优势。为了确保果汁生产过程的优化，在实际生产中使用了组合酶（果胶酶，纤维素酶和淀粉酶的组合）。联合酶的应用不仅可以软化细胞组织，提高果汁恢复，还可以释放细胞的内容物（Rebello et al.，2017）。水果的种类很多，不同类型的酶适用于不同果肉的酶促反应。不同的果汁对其工艺效果有不同的评价指标。除了果汁收率和浊度外，一些果汁还需要考虑花青素含量、葡萄糖、山梨糖、果糖等营养指标以及K，Zn等对人类身体有益的元素含量，以提高产品的竞争力，获得消费者认可。同时，酶解工艺条件的参数如不同酶的浓度、酶解温度、酶解时间和pH值对不同果肉有不同程度的影响。香蕉汁在不同条件下用不同浓度的混合酶处理时发现，香蕉汁的过滤性、粘度和透明度与酶浓度、反应时间和温度显著相关（Lee，Yusof，Hamid，& Baharin，2006）。

实际生产中，可以根据不同果实品种的具体条件和成熟度选择合适的酶制剂，并可以使用合适的工艺条件处理果肉，从而可以达到满意的效果。许多研究选择了正交试验、响应面试验等一定的工艺优化方法，以及相应的评价指标和效果，筛选出合适的酶解条件，获得了不同果蔬汁酶解的最佳工艺，具有行业指导性。

3.3 酶在对果汁感官的改善

果汁的感官品质，如颜色、风味和香气，决定了它的质量。要避免果汁在生产加工中感官品质的损失，才能获得更高的经济价值。为了优化工艺，酶在果汁加工中的应用不仅仅是果胶酶、纤维素酶和淀粉酶，而是组合酶。非酶促褐变是一种化学反应，经常发生在果汁的储存和加工过程中。非酶促褐变导致果实果肉和果实颗粒在储存一定时间后絮凝析出。而且，在褐变反应过程中，经常产生带有荧光的中间体，导致产品质量参差不齐，对原汁的颜色和外观有一定的影响，甚至导致成品丢失。葡萄糖氧化酶的应用可以有效防止果汁的氧化，抑制果汁的褐变。它对延长产品的保质期和保持果汁的风味具有显著作用。同时，葡萄糖氧化酶与增效剂联合使用，具有较好的抗氧化和褐变抑制作用。研究表明，葡萄糖氧化酶在低温下能有效缓解百香果中花青素的降解效率（Weber & Larsen，2017）。

柑橘类水果具有很高的营养价值，基于它们的柑橘汁富含维生素C和钾等矿物质。它们用于预防某些疾病，维持心肌功能，降低血压起着重要作用（Ribeiro et al.，2010）。然而，柑橘汁含有柠檬苦素，柚皮苷等物质，这些物质会导致果汁的苦味。一种能够代谢柠檬苦素的酶，例如柚皮苷酶，可用于将其转化为非苦味产品，以清除果汁的苦味。聚半乳糖醛酸酶也是一种应用于果汁过程中的常见酶，可用于果汁中淀粉和果胶的水解，效果优于单独淀粉酶和果胶酶。由于果汁中存在多酚，水果在加工过程中容易发生酶促反应并变黑，从而影响果汁的颜色。用漆酶处理果汁可以使果汁的颜色更稳定，多种酶的联合作用可以改善果汁的口感。

4.总结

混合酶的应用是当前食品加工技术的常见部分。它可以节省成本和时间，降低果肉的浊度和粘度，提高果汁的质量，增加果汁的产量。长期以来，人们一直将果胶酶应用于果汁生产，利用其分解果胶，瓦解植物的细胞壁和胞间层，使榨取果汁变得容易，果胶酶对提高果汁产量和透明度有明显的影响。而纤维素酶和淀粉酶在果汁质量中也占据一定作用，提高果汁的收率和澄清度，通过纤维素酶和果胶酶的协同作用，提高水果出汁率，降低了生产成本。随着人们对果汁质量要求的不断提高，果汁的生产技术越来越先进，用酶法提高果汁质量得到了越来越多人的认可。随着酶技术的提高，人们发现了更多优秀的酶种，酶纯化技术也越来越成熟，越来越多的不同功能的酶将用于食品工业。