生物酶在食品工業中的應用

姚軼俊

(東南大學生物工程學系,南京 210009)

生物酶在食品工業中的應用

姚軼俊

(東南大學生物工程學系,南京 210009)

生物技術是 21世紀的高新技術。作為一種高效、安全的生物催化劑,酶已經越來越廣泛地應用到食品工業的各個領域中,發揮了其高效、溫和、多樣及活性可調節的生物學性質,并給傳統的食品工業帶來了發展新思路。本文綜述了酶與食品組織結構和品質的關系、酶在谷物食品加工中的應用以及食品工業中的新酶源,展望了酶工程在食品加工領域中的新進展和應用前景。

酶 食品品質 谷物加工 新酶源酶工程

隨著人們對食品安全、營養、健康和美味的日益重視,食品已經不僅僅只是滿足人們生存的基本食物需求品,食品工業正在向著更營養更美味的方向發展。因此,酶作為一種高效生物催化劑,正以它獨特的優勢代替傳統的化學制劑,越來越廣泛地應用在食品和飼料加工業等諸多領域,酶工業已成為我國最具發展潛力的新興產業之一。

1 酶與食品組織結構和品質間的密切聯系

酶作為一種高效的生物催化劑,能夠改變食品的組織結構,改善食品的品質和風味,增加食品的營養功能。同時,酶應用于一些功能性食品和功能性食品添加劑,由于其特殊的營養成分以及防病抗病功能,也成為國內外競相開發的熱點。

1.1 酶與食品組織結構的關系

食品組織結構是指食品各種成分及結構要素按不同的配置,結合成為微分子結構及大分子結構,這些結構是影響食品的形狀、流變、質構等各種功能特性的重要條件,并影響人體的消化、吸收以及人體的健康[1]。食品的組織結構不同,人在咀嚼時就能產生不同的質感。

食品的組織結構與酶作用密切相關。例如肉類的堅韌是由于肉纖維中的膠原蛋白所致,如果用木瓜蛋白酶水解膠原蛋白,肉就會變得柔嫩可口,易于消化;用富含淀粉的水果及蔬菜制造果蔬汁時其淀粉酶可降低產品的黏度,提高其過濾性能。

某些食品中還存在著一些人們不適應的物質,這些食品經酶處理之后,可以把不適物質除去,以保證人體的健康。例如,β-半乳糖苷酶可降低或消除乳品中的乳糖,防止食后腸道障礙;人在食用豆類后產生氣脹,這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,還可用酶除去食品中的防腐劑,如為保存蛋白及奶品時所添加的過氧化氫,在食用時可就用觸酶加以分解。含氯殺蟲劑的食品加入谷胱甘肽轉移酶亦能得到抑制[3]。

1.2 酶與食品風味

食品的風味 (香味及滋味)物質,絕大部分是食物原料在生長過程中或者收獲后、宰后產生的,有的風味物質是在貯藏及加工過程中形成的。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。它來源于蒜氨酸,蒜的組織細胞破損時,其中的蒜氨酸裂合酶將蒜氨酸分解為蒜素,蒜素被還原為二烯丙基二硫化物。蒜素及二硫化物是蒜臭及辛辣味的成分[4]。因此制備可口的大蒜飲料,要在加工前將蒜加熱,以破壞蒜氨酸裂合酶。

1.3 酶與食品保鮮

除氧是食品貯藏過程中不可缺少的手段。利用葡萄糖氧化酶除氧是一種理想的方法,葡萄糖氧化酶具有非常專一的理想的抗氧化作用,它可預防和阻止氧化變質的發生。如在啤酒加工過程中加入適量的葡萄糖氧化酶可以除去啤酒中的溶解氧和瓶頸氧,阻止其氧化變質[5]。葡萄糖氧化酶又具有酶的專一性,不會對啤酒中的其他物質產生作用。因此葡萄糖氧化酶在防止啤酒老化,保持啤酒風味,延長保質期方面表現出顯著的效果。

溶菌酶又稱胞壁質酶或 N-乙酰胞壁質聚糖水解酶,可以水解細菌細胞壁肽聚糖的β-1,4糖苷鍵,導致細菌自溶死亡,對革蘭氏陰性菌、好氣性孢子形成菌、枯草桿菌、地衣型芽孢桿菌等均具有抗菌作用。溶菌酶在食鹽、糖等的溶液中較穩定,耐酸性耐熱性強,非常適用于各種食品的防腐保鮮。研究表明其最適作用質量分數為 0.05%,且與植酸、聚合磷酸鹽、甘氨酸等配合使用,可提高其防腐效果。溶菌酶既能殺死腸道腐敗球菌,增加抗感染力,同時又能促進嬰兒腸道雙歧乳酸桿菌增殖,促進乳酪蛋白凝乳利于消化,是嬰兒食品、飲料的優良添加劑。溶菌酶對人體無毒、無副作用,具有一定的保健作用,有抗感染和增強抗生素作用效力,可促進血液凝固及止血,有組織再生作用,且抗菌、抗病毒、抗腫瘤,是一種安全的天然防腐劑。現已廣泛地應用于香腸、魚片、火腿、新鮮果蔬、豆腐、嬰幼兒奶粉、酸奶、低度酒、奶油、糕點、面條、飲料及乳制品的防腐保鮮[6]。另外也有研究表明溶菌酶在控制細菌總數的增殖、減緩揮發性鹽基氮 (TVB-N)上升方面具有極其重要的作用[7]。

此外,木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、霉菌酸性蛋白酶均可降解啤酒渾濁的蛋白質組分,防止啤酒冷渾濁,延長啤酒貯存期[6,8]。

1.4 功能性食品和功能性食品添加劑

近幾年來,世界各國高度重視有機食品、綠色食品、健康食品、膳食補充劑等的研究開發,特別是一些以普通食品和飲料為載體的功能食品。功能食品已成為近幾年來世界食品工業新的增長點,而功能性食品添加劑的制備與酶有著密切的關系。

菊粉是一種天然果聚糖,菊粉內切酶能夠水解菊粉生成低聚果糖。低聚果糖是一種功能性食品添加劑,其保健作用體現在能夠降低血糖水平,促進人體和動物腸道的微生態平衡和提高免疫力等等。利用微生物菊粉內切酶可一步法水解菊粉獲得高達80%的低聚果糖,但是只有少數微生物產菊粉內切酶,并且產酶量極低,從而造成分離純化困難,制約低聚果糖工業的發展[9]。因此,構建菊粉內切酶的工程酵母來高效表達菊粉內切酶是解決目前低聚果糖生產中的問題的有效途徑。

2 酶在谷物食品加工中的應用

2.1 酶對面制品品質的影響

酶在面制品的加工中起著越來越重要的作用。淀粉酶、蛋白酶、戊聚糖酶主要影響面筋筋力,而脂酶、脂肪氧合酶、多酚氧化酶則會影響產品風味和色澤,植酸酶常常和產品的營養品質有關[10]。

2.2 酶在谷物食品加工中的應用

目前,酶在谷物食品加工中的應用主要體現在谷物食品深加工和谷物食品品質改良上。

2.2.1 在淀粉糖生產中的應用

谷物富含豐富的淀粉,是生產淀粉糖的主要原料。隨著酶工業的發展,酶法制備淀粉糖已經逐漸代替了傳統的酸水解方法。隨著淀粉酶種類的增加,可根據需要選擇不同的淀粉酶生產淀粉糖,如糊精、環狀糊精、飴糖、麥芽糖、葡萄糖、果糖等從而使谷物附加值增加。

α-淀粉酶、糖化酶、葡萄糖異構酶可使淀粉轉化成高果糖漿。α-淀粉酶一般用于淀粉漿液化過程中,通過分解大的直鏈淀粉和支鏈淀粉分子從而使淀粉充分溶解從而為下一步工藝做準備;糖化酶可使湯汁狀糊精進行糖化,并將聚合體水解成一個個單獨的葡萄糖分子,這些連續分子鏈被從糊精末端開始斷開,包括那些支鏈淀粉分支點。其生產的葡萄糖可被加工成各種糖漿、結晶葡萄糖,發酵成燃料酒精、飲料用酒精,或被轉化成果糖[11]。

2.2.2 在谷物發酵食品中的應用

在啤酒、黃酒、白酒、酒精、醋及谷氨酸等有機酸生產中,酶主要用于處理發酵原料,提高原料利用率,節約糧食,同時賦予發酵產品某些特殊的風味。如在白酒生產中使用纖維素酶、淀粉酶、酸性蛋白酶、酯化酶、阿米諾酶等可使白酒生產成本降低,縮短周期,提高出酒率及質量[12];在醋和有機酸的生產中也能起到相同作用[13]。

2.2.3 在面條生產中的應用

酶在小麥粉生產中主要作為面粉改良劑,最常用的是葡萄糖氧化酶、脂肪酶、轉谷氨酰胺酶[14]。葡萄糖氧化酶將面筋蛋白中的—SH氧化為—S—S—,有助于面筋蛋白之間形成較好的蛋白質網絡結構,增加面條咬勁,從而代替了被認為有致癌作用的傳統化學添加劑——溴酸鉀。在面條加工中加入脂肪酶,可使小麥粉中天然脂質得到改性,形成脂質 -直鏈淀粉復合物,從而防止直鏈淀粉在膨脹和煮熱過程中滲出,同時可減少面團上的斑點,改善面帶壓片或通心粉擠出過程中的色澤;生面團中加入脂肪酶,可促進三酰甘油部分水解形成單甘油脂和雙甘油脂,改善蛋白的發泡性。轉谷氨酰胺酶主要是影響面筋蛋白組分中高分子質量麥谷蛋白亞基,誘導面筋蛋白中高分子質量聚合物形成,改變面筋黏彈性,使面筋網絡結構加強,所以淀粉能很好保持在面筋網絡中,減少淀粉損失,面條或面團相互粘結減少,對生產和消費者有利。在日本,轉谷氨酰胺酶已廣泛應用于面條和面團生產中。目前,面條加工用酶制劑主要有北美諾優酶制劑公司開發生產的諾帕酶和日本味之素公司開發的活力發 IG-M(溶水型)面用改良劑。諾帕酶是一種來源于微生物的脂肪酶,活力發 IG-M面用改良劑則以轉谷氨酰胺酶為主要成分[15]。

2.2.4 在焙烤食品中的應用

在焙烤食品中,應用最廣泛的是淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖氧化酶、脂肪酶等。淀粉酶水解產物糖和糊精,可結合面團中水分,降低蛋白質膠粒膨潤度,限制蛋白面筋形成,提高面團延展性,獲得柔軟性、穩定性更好的面團;同時可提高面團發酵性能,增大面包體積,減少質量損失,賦予面包芯良好質地,即面包表皮棕黃色色澤和香味,防止面包老化,延長貨架壽命。蛋白酶會使面團中多肽和氨基酸含量增加,而氨基酸是形成香味物質的中間產物,多肽則是潛在滋味增強劑、氧化劑、甜味劑或苦味劑。若蛋白酶種類不同,產生化合物也不同。若蛋白酶中不含產生異味的酯酶,適量添加有利于改善面包香味。木聚糖酶[16]與可溶性及不可溶性戊聚糖發生反應從而提高面筋網絡彈性,改善面團加工和穩定性能,及面包囊組織結構,增大面包體積。此外,在餅干的生產中,蛋白酶添加是具有軟化面筋而不影響營養成分的有效方法。

2.3 酶制劑在面包制作中的協同作用

在面包制作中混合使用酶制劑并不是一個新的概念。例如,半纖維素酶或木聚糖酶與真菌淀粉酶結合使用,會產生協同作用。高添加量的純木聚糖酶,可使面團體積有一定程度的增大,然而用量過高時面團則會過于發黏而很難操作。將木聚糖酶與極少量的真菌淀粉酶結合使用時,在較低的添加量下就可使得體積增長的幅度較大,總體質量評分高,并且不存在面團發黏的問題[17]。當結合使用 7FAU真菌淀粉酶與 75FXU真菌木聚糖酶時,要比單獨使用150-180FXU的真菌木聚糖酶顯著增大體積增幅及改善面包瓤組織結構。

3 食品工業中的新酶源

3.1 極端酶在食品加工中的應用

極端微生物也叫嗜極菌,是指能在極端溫度、高壓、高鹽、高或低 pH、低水分活度、有機溶劑、重金屬等惡劣的環境中存活的一類微生物[18]。極端酶主要來源于嗜極菌,是這類微生物生存和繁衍的基礎。但也有一些具有嗜極性的酶來自動植物,如嗜熱性的木瓜蛋白酶[19]。

極端酶能耐受食品生產過程中的一些“極端”條件,發揮一般生物酶所不具備的催化特性,而極端酶在“極端”環境下的活性和穩定性又主要取決于它的結構[20]。研究極端酶的結構、耐受機制及與功能之間的關系,將有助于改善酶的性質,擴大酶在食品工業中的使用范圍。

3.1.1 嗜熱酶

嗜高溫的蛋白酶、淀粉酶和其他水解酶給食品加工業帶來生機,如水解脂肪、消化蛋白及酶加工纖維,使食品加工效率提高,從而使食品更有風味和有益健康。這些處理因為在常溫下存在細菌污染,因此用傳統酶難以進行,而嗜熱酶在這方面具有廣泛前景。

3.1.2 嗜冷酶

嗜冷酶的特殊性質使其在工業生產應用中具有一些優勢:由于同源的嗜溫酶不活潑,它在低溫下催化反應可防止污染;經過溫和的熱處理即可使嗜冷酶的活力喪失,而低溫或適溫處理不會影響產品的品質。

3.1.3 嗜酸酶

嗜酸酶能在酸性條件下發揮作用,甚至在胃酸條件下也能保持穩定和活力[21]。它應用于食品工業上,主要是幫助谷物在胃里消化成小分子,從而提高胃的消化能力。

3.1.4 嗜堿酶

嗜堿酶在食品中的應用比較廣泛,該酶不僅具有比較強的耐堿性,且還具有一定的耐熱性。我國從嗜堿芽孢桿菌中分離到堿性β-甘露聚糖酶,屬于半纖維素酶,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為甘露寡糖,而甘露寡糖具有促進人體腸道健康的功能[22]。

3.1.5 嗜鹽酶

嗜鹽酶能在高鹽濃度下保持穩定性,通過其氨基酸序列的分析比較,發現嗜鹽酶中所含的酸性氨基酸比普通酶多,其表面有大量帶負電荷的氨基酸,它可以結合大量水合離子,形成一個水合層,從而減少酶分子表面的疏水性,阻止分子的互相凝聚沉淀。其次嗜鹽酶的個別氨基酸的保守性也有助于其適應高鹽環境[21,23]。故將其在海產品、醬制品海藻制品等食品工業方面得以廣泛應用。

3.1.6 嗜壓酶

嗜壓酶在 117.42 MPa下仍能夠保持穩定的催化活性及較高的特異性。而在食品生產中需要高壓生產和高壓滅菌,壓力往往引起食品中蛋白質變性,因此嗜壓酶在食品加工中也將有著廣闊的前景。

3.2 酶工程在食品領域的發展前景

酶工程技術是利用酶和細胞或細胞器所具有的催化功能來生產人類所需產品的技術,包括酶的研制與生產,酶和細胞或細胞器的固定化技術,酶分子的修飾改造,以及生物傳感器。截止到 2008年,國際上工業用酶 (包括食品酶)已達到 50多種[24]。DNA重組技術對酶工業的滲透,導致了酶工業的飛躍,已有多個國家實現了β-淀粉酶的克隆化;日本經過質粒重組的嗜熱芽孢桿菌蛋白酶的活力為原菌酶活力的 18倍;利用 DNA重組技術,使葡萄糖異構酶和木糖異構酶的活力提高了 5倍[25]。酶的體外進化是酶工程研究的重要內容之一,其中融會了基因克隆、錯配 PCR及 DNA Shuffling等技術[26],這方面的工作值得更多的投入,與之相配套的反應模型和高通量快速檢測方法的建立是至關重要的環節。除酶的開發外,在酶的加工技術方面也期望有新的突破,酶的修飾及加工、新型反應體系的建立與相關生物反應器的研究也同樣是生物催化面向產業化的重要課題,以產業化為背景的生物催化必須強調“工程化”的概念,將混合、傳質及返混等工程因素與工藝研究結合起來,才能最大限度地發揮原有“生物反應”的效能[27]。

4 展望

酶在食品工業中的應用已經充分反映了 21世紀食品添加劑與食品工業發展的新趨勢。應利用基因工程技術挖掘優良微生物菌種,創制高活性的新酶源,研究酶反應器以及固定化酶等新技術。相信在不久的將來,這一種安全高效的生物催化劑能全面進入食品工業領域,造福于每一個人。

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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

姚軼俊,女,1989年出生,本科,生物工程