酶在食品工業(yè)中的研究進(jìn)展及應(yīng)用

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(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

酶是一種高效安全的生物催化劑，已廣泛應(yīng)用于食品原料開發(fā)、品質(zhì)改良、工藝改造等食品工業(yè)領(lǐng)域，具有高效、專一、溫和等生物學(xué)特性[1]。隨著研究的不斷深入，酶正在以其獨(dú)特的優(yōu)勢取代傳統(tǒng)的化學(xué)試劑，并且越來越多地用于食品工業(yè)。酶工業(yè)已成為中國最具發(fā)展前景的新興產(chǎn)業(yè)之一。

1 生物酶在食品工業(yè)中的研究進(jìn)展

食品工業(yè)中使用的酶因其在食品生產(chǎn)中的作用和能力而多樣化。根據(jù)它們催化反應(yīng)的類型，可分為氧化還原酶(脫氫酶、還原酶或氧化酶)、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、異構(gòu)酶(消旋酶、超異構(gòu)酶、順異構(gòu)酶、異構(gòu)酶、互變酶、變酶、環(huán)異構(gòu)酶)和連接酶(合成酶)五類。其中應(yīng)用較多的是蛋白酶、糖酶、酯酶、脂肪氧化酶、多酚氧化酶、過氧化物酶、抗壞血酸氧化酶。蛋白酶是一種水解酶，根據(jù)最適pH可分為酸性蛋白酶和堿性蛋白酶兩種，在食品工業(yè)中有廣泛應(yīng)用；糖酶常見的有α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶等，多用于甜味劑生產(chǎn)工業(yè)；酯酶是一種水解酶，鈣鹽能提高酯酶的穩(wěn)定性；多酚氧化酶用于控制酶促褐變反應(yīng)，對產(chǎn)品的色值影響較大。

用于食品加工的酶的工業(yè)生產(chǎn)可以追溯到1874年，丹麥科學(xué)家克里斯蒂安·漢森在小牛胃中提取出凝乳素(chymosin)，用于奶酪制造[2]。Chymosin是通過重組脫氧核糖核酸(rDNA)技術(shù)引入的含有牛促胰酶基因的微生物生產(chǎn)出來的。Chymosin在大腸桿菌K-12中表達(dá)成為美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)用于食品的重組酶。目前食品加工中使用的許多酶都是從重組微生物中提取出來的。

食品加工過程中如何保持食物的色、香、味和結(jié)構(gòu)是很重要的問題，因此加工過程中要避免產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。酶由于反應(yīng)條件溫和、專一性強(qiáng)、本身無色無味、反應(yīng)容易控制等特點(diǎn)，適宜用于食品加工，并給傳統(tǒng)的食品工業(yè)帶來了發(fā)展新思路。理想的酶及其在食品中的作用主要包括：內(nèi)源性β-糖苷酶、多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)、影響成熟和風(fēng)味產(chǎn)生的酯酶[3]；組織蛋白酶可用于肌原纖維蛋白水解發(fā)酵產(chǎn)物[4]，蛋白酶和谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶可用于食品結(jié)構(gòu)修飾。這些酶中，內(nèi)源性PPO或內(nèi)源性脂肪酶和脂氧合酶(LOX)會引起酸敗，導(dǎo)致新鮮水果、蔬菜和生甲殼類的深色變色[5]。

酶在食品加工過程中被用作許多用途的加工助劑，如凝結(jié)、成熟、烘焙、釀造、細(xì)胞破裂、水解和分子結(jié)構(gòu)修飾。目前，酶被廣泛應(yīng)用于乳制品、烘焙食品、飲料、油、肉和功能性食品中等。

2 生物酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2.1 制糖工業(yè)及淀粉加工

常用于制糖及淀粉加工的是果膠酶、α-淀粉酶、葡聚糖酶、β-淀粉酶和葡萄糖異構(gòu)酶等，其中應(yīng)用較多的是果膠酶、葡聚糖酶和α-淀粉酶[6,7]。

果膠酶是分解果膠質(zhì)的一類含多種酶的復(fù)合酶，可以特異性地水解果膠類物質(zhì),達(dá)到澄清的效果；α-淀粉酶是一種內(nèi)切酶，可以無差別地切斷α-1,4-糖苷鍵，既作用于直鏈淀粉，也作用于支鏈淀粉；α-淀粉酶可有效降解混合汁中的淀粉，避免由于淀粉含量過高引起的酸性絮凝物增加的現(xiàn)象，使粘度迅速下降[8]；α-葡聚糖酶是能將大分子葡聚糖水解為葡萄糖等小分子的生物酶，有內(nèi)切酶和外切酶兩種，內(nèi)切葡聚糖酶的水解效果優(yōu)于外切酶；葡萄糖異構(gòu)酶，又稱木糖異構(gòu)酶，指的是能將醛糖異構(gòu)化為相應(yīng)酮糖的異構(gòu)酶，可進(jìn)行葡萄糖的異構(gòu)化反應(yīng)，生產(chǎn)果葡糖漿，以代替蔗糖[9-11]。

2.2 乳制品加工

凝乳酶、乳糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乳過氧化物酶是乳制品加工中最常用的幾種酶。凝乳酶可以將液態(tài)奶變?yōu)榻虘B(tài)的干酪；乳糖酶可以將牛奶中的乳糖水解，給乳糖不適癥人群帶來福音；蛋白酶和脂肪酶能加速干酪成熟并能改善干酪性質(zhì)；乳過氧化物酶能反應(yīng)去除過氧化氫，延長保質(zhì)期，其在羊乳的保鮮上有顯著效果[12]。到目前為止，乳過氧化物酶保鮮法是公認(rèn)的最理想的保鮮方法。張聰綜述了脂肪酶、復(fù)合風(fēng)味蛋白酶和葡萄糖苷酶的應(yīng)用。

奶酪被稱為干酪，含有非常豐富的營養(yǎng)成分，將為國人進(jìn)一步改善膳食結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)體質(zhì)起到重要作用[13]。為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對高品質(zhì)乳品的需求，開發(fā)適合國人消費(fèi)的特色奶酪，在奶酪加工中加入各種各樣的酶，使奶酪的口感更加美味[14]。張碩等[15]試驗(yàn)表明內(nèi)源性脂肪酶、谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶、風(fēng)味蛋白酶結(jié)合復(fù)合蛋白酶、乳過氧化物酶等在奶酪加工中起到明顯的作用。谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶添加量對奶酪的硬度、彈性和產(chǎn)率都有顯著影響，其通過引入賴氨酸而提高蛋白質(zhì)的營養(yǎng)效價，使被其處理過的乳制品具有良好的外觀和質(zhì)構(gòu)[16,17]。

2.3 果汁和飲料加工

在果汁的生產(chǎn)加工中，通過加入酶可以在果汁生產(chǎn)中起到澄清、提高果汁的出汁率、降低非酶褐變和測定果汁中有機(jī)酸含量的作用。在果汁和飲料加工過程，α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、由果膠酶、葡聚糖酶和淀粉酶按一定比例配制而成的復(fù)合酶、葡萄糖氧化酶應(yīng)用較多。

鄭州輕工業(yè)學(xué)院的高愿軍等[18]采用雙酶法(高溫α-淀粉酶和糖化酶)作用于玉米汁中，改善了玉米飲料存貯過程中易產(chǎn)生沉淀的現(xiàn)象；孫巍等[19]概括得出可利用檸檬苦素脫氫酶、檸檬苦素裂解酶、檸檬苦素脫氧酶、諾米啉脫氫酶、諾米啉脫氧酶脫除橙柑橘汁的檸堿苦味。塔里木大學(xué)的賈靖霖等將多種蛋白酶作用于核桃蛋白中，使蛋白質(zhì)水解為多肽，為后續(xù)核桃蛋白多肽產(chǎn)品的生產(chǎn)提供參考[20]。王紀(jì)輝等[21]用中性蛋白酶和木瓜蛋白酶進(jìn)行復(fù)合作用于核桃餅粕，制備出了核桃多肽。有研究通過聚半乳糖醛酸外切酶降低3種果汁的濁度、粘度和吸光度，對果汁的澄清有重要意義。

2.4 肉制品加工

肉類是人體每日攝入能量的主要來源，隨著人們對美好生活追求的提高，人們對肉類的要求不僅僅是人體能量的需求，更在口感、新鮮以及健康安全方面有了更高的追求。酶作為一種高效的生物催化劑，進(jìn)入了研究者的視野，隨著各種研究的發(fā)現(xiàn)，酶在肉制品的宰前及加工運(yùn)輸中起到了非常大的作用，其中蛋白酶、轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、內(nèi)源酶、溶菌酶等作用尤為明顯，逐漸取代化學(xué)制劑，成為肉制品加工過程中不可或缺的一部分[22]。

宰前因素對結(jié)締組織的數(shù)量、分布和類型會產(chǎn)生各種影響，宰后肌肉內(nèi)所含的蛋白酶類活力發(fā)生了變化，會大大影響肉類的嫩度。在宰前注射酶，經(jīng)血液循環(huán)后擴(kuò)散全身，酶在肉類中靜止，在烹飪時溫度達(dá)到酶的最適溫度時進(jìn)行催化使肉類膨脹率提高，增加吸水量，改變組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使肉類得到嫩化，提高口感。2007年美國批準(zhǔn)使用米曲酶等微生物蛋白酶，而后Swift有限公司生產(chǎn)了食品級蛋白酶Proten，用法與木瓜蛋白酶一致，它優(yōu)先水解組織蛋白，對其他蛋白活性極低，在嫩化肉類的同時不會影響肉類原有的口感[23]。目前各國都在對微生物蛋白酶做更進(jìn)一步的研究，不久的將來，更好的食品級微生物蛋白酶一定會應(yīng)用于肉類的加工，提高人類的生活水平[24]。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可以催化蛋白質(zhì)發(fā)生膠聯(lián)，使蛋白質(zhì)分子量變大，改變其功能特性。轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對酪蛋白的膠凝能力優(yōu)于大豆蛋白，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶是新型蛋白質(zhì)功能改良劑，能夠提高肉制品的彈性和產(chǎn)品的嫩度，可以取代磷酸鹽的作用[25,26]。在火腿腸類食品中添加轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可以增加酪蛋白的膠凝，從而提高其口感、風(fēng)味、組織結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)性；內(nèi)源酶較外源酶，體系更為復(fù)雜，影響其活性的因素較多，故近些年多研究外源酶，使肉制品的營養(yǎng)成分分解，從而達(dá)到嫩化肉質(zhì)、形成獨(dú)特風(fēng)味等目的。

2.5 啤酒生產(chǎn)

啤酒是以麥芽為原料，經(jīng)糖化發(fā)酵而成的酒精飲料，麥芽中含降解原料生成可發(fā)酵性物質(zhì)所需的各種酶類，主要為淀粉酶、蛋白酶、β-葡聚糖酶、纖維素酶和核酸分解酶。合理使用生物酶不僅能顯著提高啤酒的質(zhì)量，還能降低生產(chǎn)成本，給啤酒工業(yè)帶來福音[27]。木瓜蛋白酶、耐高溫的α-淀粉酶[28]、乙酰乳酸脫羧酶、脯氨酸內(nèi)切酶在啤酒生產(chǎn)過程中有著不同程度的作用[29]。

將木瓜蛋白酶作用于原料麥芽蛋白質(zhì)，可以防止蛋白質(zhì)與多酚結(jié)合而產(chǎn)生沉淀，有較好的過濾效果，從而提高啤酒的穩(wěn)定性，一定程度上可澄清啤酒，且不影響啤酒的口味特性[30,31]。乙引等[32]用0.08 mg/dL木瓜蛋白酶使啤酒的渾濁度降低68.75%，同時可增加啤酒泡沫；將耐高溫的α-淀粉酶和α-乙酰乳酸脫羧酶作用于輔料的糊化過程，耐高溫的α-淀粉酶可以很好地將淀粉液化，α-乙酰乳酸脫羧酶能加快乙酰的還原速度，在一定程度上可降低成品啤酒中的雙乙酰含量。

2.6 調(diào)味品加工

調(diào)味品，是能增加菜肴的色、香、味，促進(jìn)食欲，有益于人體健康的輔助食品。林祖申[33]綜述了酶制劑在釀造調(diào)味品行業(yè)的應(yīng)用，分別敘述了酶制劑在甜醬、醬油、食醋、腐乳等調(diào)味品生產(chǎn)中的工藝流程，使用酶制劑取代傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中的“制曲”工序，其對改善產(chǎn)品品質(zhì)和環(huán)境衛(wèi)生具有廣闊的應(yīng)用前景。萬石建[34]綜述了酶在肉類調(diào)味品中的應(yīng)用，調(diào)味品生產(chǎn)企業(yè)可以利用酶來分解或組合蛋白鏈、糖和脂肪，以使烹調(diào)過程中發(fā)生的反應(yīng)(如常見的美拉德反應(yīng))只產(chǎn)生那些所需要的風(fēng)味成分。魏瑩[35]對醬油、食醋、腐乳的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝與利用酶的現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)性比較，發(fā)現(xiàn)酶法工藝可以縮短生產(chǎn)周期，減少污染。張志國等[36]綜述了非水酶催化及其在香精香料合成中的應(yīng)用。張忠平等[37]用果膠酶對梨醋進(jìn)行澄清，最后制得的梨醋酸味獨(dú)特、清澈透明。杜國軍等[38]將果膠酶作用于沙果、獼猴桃復(fù)合果醋釀制工藝中，亦有良好的澄清修改。天津科技大學(xué)的武彥文等[39]將脂肪酶作用于不同類型的奶油、奶酪和牛奶中，在非水介質(zhì)下水解,得到了具有優(yōu)良效果的奶味香精。

3 結(jié)語

酶已經(jīng)在食品工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，除了應(yīng)用于以上幾大類之外，還可應(yīng)用于很多方面。姜國龍等[40]綜述了酶在焙烤食品制作中的應(yīng)用；于麗萍等[41]總結(jié)了酶在釀造、調(diào)味品、油脂加工等領(lǐng)域的應(yīng)用；侯瑾等[42]介紹了酶在果蔬食品加工中的應(yīng)用；王蔚等[43]綜述了酶在制脂、茶飲料、豆類加工、蛋品加工等工業(yè)的應(yīng)用?？梢灶A(yù)期，隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，可用于食品中的酶種類將大大增加，復(fù)合酶、新型酶、固定化酶的大力研究將會是未來的發(fā)展趨勢。必須指出的是，各種酶在食品工業(yè)中的作用機(jī)理有待于進(jìn)一步研究，酶制劑具有廣闊的應(yīng)用前景。