酶在植物源性老年食品加工中的應用研究進展

李雙嬌，趙 靜*，肖 蓉,*

（1.遼寧師范大學生命科學學院，遼寧 大連 116081；2.大連知微生物科技有限公司，遼寧 大連 116023）

人口老齡化是人類社會進步的標志和世界人口發展的必然趨勢[1]。根據世界衛生組織的統計，目前全世界60 歲及以上人口為8.41億，預計到2050年將達到20億。老年人生理功能的自然衰退，尤其飲食功能的衰退容易導致老年人出現咀嚼和吞咽功能障礙。不當的飲食會對老年人身體健康造成危害，甚至會引起死亡[2-3]。目前，老年人常食用的食物主要包括液體和固體食品，前者容易誤入氣管從而引起老年人咳嗽甚至肺炎；而后者如年糕和湯團類黏性食品則易引起嗆食從而導致生命危險。因此，如何給老年人提供既營養可口又安全可靠的食品是一個亟待解決的問題[4]。針對老年人營養需求的特點[5]，老年食品開發方向應遵循的原則是：補充優質充足的蛋白質、膳食纖維、維生素和微量礦物元素，保證低脂肪、低糖、低熱量和低鈉的飲食要求。此外，根據老年人的自身生理條件，其加工食品要求[6]：1）質地松軟、易于咀嚼、易消化吸收、刺激性小；2）迎合老年人喜好的色澤、風味、口味、口感及營養需求；3）包裝便捷、分量宜小，適合老年人少食多餐的飲食習慣。目前研究證實，老年人一日的膳食中應盡量包括以下5 類食物：谷類及薯類，動物性食物，豆類和堅果，蔬菜、水果和菌藻類，烹調油和調味品[7]。遺憾的是，我國老年食品最突出的問題是品種單一，主要以淀粉或多糖類食品為主，此外還有少量的老人面包和餅干等[8]，并且上述食品在營養、配方和口味等方面滿足不了老年人的營養需求；因此，開發老年食品的市場潛力大、前景廣闊。然而，我國在老年食品的開發應用上與發達國家，尤其是與人口老齡化程度嚴重的日本相比，無論從產業發達程度、產品種類，還是從研發投入上，都存在較大差距。

目前，酶制劑在老年食品加工中已經占據不可或缺的地位。不過，我國酶制劑發展較晚，并且針對老年食品加工市場的酶制劑種類更顯單一，其安全性和應用性研究均顯不足。因此，本文從植物源性食品入手，闡述酶及其應用技術在老年食品加工中的應用，以期為植物源性老年食品和酶制劑的研究開發提供理論依據和創新思路。

1 植物源性老年食品種類及特點

由于植物源性食品不含膽固醇，能夠提供人體無法合成的維生素（如VC和VB族等）和膳食纖維，且具有天然、益于人體健康等優點，是老年人膳食結構中最重要、比重最大的一類食品，同時也是非常適合加工成老年食品的原材料。植物源性食品包括：蔬菜水果及其制品、糧食及其加工制品（如粗糧餅干、無糖或低糖米糊等）、干果（如大棗）、堅果（如核桃）、籽仁類及其制品等。此外，老年植物源性功能保健食品也是老年食品市場一個不可或缺的部分。典型的代表如：水溶性膳食纖維（如抗性糊精等）和葡聚糖、低聚果糖、低聚半乳糖、低聚麥芽糖、殼聚糖等功能性低聚寡糖，以及具有抗衰老、抗氧化等作用的天然植物有效成分（如花青素制品等）。在植物源性食品加工中，無論是食品自身的酶類還是添加的酶制劑都對食品的風味、質地以及口感等具有重要作用。

2 植物源性食品中內源酶的影響和控制措施

植物源性食品及原材料在采摘、運輸、貯藏及加工過程中，不可避免地會出現食品色澤及口感的改變。而引起這種現象的主要原因是植物細胞內酶促反應導致的新色素的形成、自身色素的酶促降解，以及酶對植物源性食品中芳香物質的降解。在老年食品加工過程中，內源酶的酶促反應可對老年食品的色澤及風味產生較大影響。

2.1 內源酶對植物源性老年食品色澤的影響和控制措施

在植物源性食品中，常常由于食品內部的不溶性成分發生化學反應而影響食品的品質與色澤。如部分酚類化合物和含硫化合物的氧化過程以及天然色素如葉綠素、花青素、類胡蘿卜素、淀粉等的降解過程，都會導致褐變和非自然色素的形成[9]。以上因素中，酚類化合物對果蔬的品質和色澤起著重要作用[10]。酚類化合物經酶促轉化后可最終使食材品質下降，例如使蘋果、梨、菠蘿等水果發生褐變，以及使生菜、洋蔥、土豆和山藥等蔬菜發生褐變。在植物源性食品的組織細胞中，與酚類化合物氧化分解有關的兩種酶分別為多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO）和過氧化物酶（peroxidase，POD）；而與酚類化合物合成相關的酶則主要是苯丙氨酸氨化酶（phenylalanine ammonia lyase，PAL）[11]。酚類化合物在PPO和POD作用下，氧化為醌類物質，進一步形成黑褐色色素。在正常的植物組織中，酚類物質、氧氣和PPO等酚類氧化酶呈區域性分布，并無接觸機會，以確保氧化反應不能在植物細胞內進行[12]。而在食品加工過程中，細胞膜的破壞則打破了這些物質的區域分布，從而使酚類底物在氧氣存在的情況下被氧化酶利用產生醌類物質，進而導致褐變[13]。另一類重要的褐變因素是植物源性食材中天然色素的降解。例如，水果中花青素的降解可引起香蕉[14]、葡萄[15]、藍莓[16]和草莓[17-18]等的褐變。這些水果中的花青素先經花青素酶（糖苷酶）作用水解，后被PPO或POD氧化轉變為褐色色素。此外，在未經熱燙處理的冷凍蔬菜中，葉綠素和類胡蘿卜素的降解與葉綠素酶、POD、PPO的活性，以及酶促脂質的降解有密切關系[19]。在植物源性老年食品中，也存在著各種內源酶及其酶促反應的發生，會使得食品自身發生褐變，從而降低食品的色澤。

在食品加工中，根據酶促褐變作用的特點，通過適當的方法可防止或降低食品內源酶促褐變的發生。目前已知可防止褐變的手段大致分為化學方法和物理方法[13,20]。化學方法主要包括添加抗氧化劑、銅離子鰲合劑、鈣鹽或進行酸處理。化學方法主要是抑制或阻斷自由基鏈式反應、抑制或降低酚酶的活性從而抑制褐變。物理方法主要是抑制多酚氧化酶的活性以此抑制褐變的產生，包括熱燙、低溫處理或氣調包裝[21-22]。除以上方法外，Yang Qingzhen等[23]還利用惰性氣體加壓技術來抑制甜櫻桃的褐變現象，并延緩了亮度、飽和度和色度的下降。

2.2 內源酶對植物源性老年食品風味的影響和控制措施

果蔬類植物源性老年食品的香味是影響感官評價的一個重要指標，其香味來源于果蔬中的芳香物質。這些芳香物質主要由成分繁多但痕量存在的酯類揮發性混合物組成，此外也包含醇、醛、酮和萜類等多種有機物。比如，水果中80%以上的揮發性芳香物質由酯類構成[24-25]，而蔬菜中則是大量的萜類物質決定了蔬菜的香氣和味道。在果蔬成熟過程中，揮發性芳香物質經多通路的復雜代謝網絡，在多種酶系參與的作用下形成。這些酶包括醇酰基轉移酶（alcohol acetyltransferase，AAT）、脂氧合酶（lipoxygenases，LOX）、乙醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase，ADH）和丙酮酸脫羧酶（pyruvate decarboxylase，PDC）等。除了含有游離態的芳香物質，果蔬類食材中也含有風味前體物質，例如芳香族類、萜類、脂肪族類等化合物。該類前體物質是由糖類或其他物質以糖苷鍵或其他化學鍵鍵合而成[26]。在果蔬類食材加工過程中（熱處理），游離態的芳香物質會發生部分降解，并且風味相關酶（AAT、LOX、ADH和PDC等）失活。但是，風味前體物質卻不容易發生揮發和降解。所以，在植物源性老年食品加工過程中，添加風味酶（如β-葡萄糖苷酶等）可使鍵合態的風味物質前體發生水解或其他生物化學反應，從而使風味物質從前體中釋放出來，最終增加、再生、強化以及改善老年食品的風味[27]。

3 外源酶制劑在植物源性老年食品加工過程中的應用

3.1 酶制劑來源及安全性

將酶從動、植物組織或細胞及微生物發酵液中提取并加工成具有一定純度標準的生化制品，稱為酶制劑[28]。目前，食品工業應用的外源酶制劑主要來源于微生物，約有20多種，其中80%以上為水解酶類，主要應用于淀粉、釀造品、果汁、飲料、調味品、油脂加工等領域[29]。1978年第21屆世界衛生組織大會上，聯合國糧食及農業組織和世界衛生組織提出了對外源微生物酶的安全性評估標準[28]：首先，來自動植物可食部位，即可作為傳統食品成分或傳統用于食品的菌種所產生的酶，如符合適當的化學與微生物學要求，即可視為食品，而不必進行毒性實驗；第二，由非致病的一般食品污染微生物所產的酶要做短期毒性實驗；第三，由非常見微生物所產生的酶要做廣泛的毒性實驗，包括老鼠的長期喂養實驗。這一標準為各國酶的生產提供了安全性評估依據。

3.2 酶制劑在植物源性食品加工中的應用

目前為止，國內外食品酶制劑在植物源性老年食品加工中已有一定規模的應用。酶制劑的優點主要體現在安全性、催化特異性、催化反應的溫和性等方面[30-31]。這些優點使得酶制劑可以改進食品加工工藝、提高質量、降低加工成本，增加產品附加值和市場競爭力。表1列舉出應用于植物源性老年食品加工中的主要酶制劑種類。

表 1 植物源性老年食品加工中應用的主要酶類Table 1 Major enzymes applied in processing plant-based foods for the elderly

3.2.1 酶制劑與植物源性食品中芳香物質的釋放

在老年植物源性飲品的開發領域，尤其是具有養生保健以及補充營養功效的天然產物飲品，酶制劑的應用可以起到增香去異味、改善營養吸收的功效。大量研究報道β-葡萄糖苷酶對果蔬汁、茶葉等飲品具有增香功能[32]。這主要是由于β-葡萄糖苷酶能夠通過水解糖苷類的香味前體物質來釋放揮發性香氣成分[33]。孫愛東等[34]采用不同來源的β-葡萄糖苷酶來酶解橙汁中鍵合態芳香物質，發現杏仁β-葡萄糖苷酶對橙汁的水解效果好于微生物酶。這主要是由于橙汁中鍵合態芳香物質成分近似于游離態芳香組分。李平等[35]將從黑曲霉突變株分離得到的β-葡萄糖苷酶應用于果汁、茶汁等植物源性飲品中，發現增香效果明顯，且香氣組成飽滿圓潤。張亮等[36]對蓮子中β-葡萄糖苷酶進行分離提純與酶學性質研究，并應用于荷葉飲料的增香工藝中。在此基礎上，楊凌唐等[37]進一步研究了β-葡萄糖苷酶對荷葉飲品的增香去苦機制，開發出新型的蓮子風味酶產品和荷葉飲品增香去苦工藝；在對荷葉飲料香氣成分的鑒定研究中，未經酶處理的荷葉飲料主要含有42 種香氣成分；而經蓮子風味酶和改進工藝處理后的荷葉飲料中則主要含有62 種香氣成分，且改進后的產品香氣柔和，苦澀感顯著降低。

3.2.2 酶制劑與植物源性食品中膳食纖維的提取

膳食纖維能夠抗腹瀉，預防某些癌癥（如腸癌），治療便秘，降低膽固醇、血壓和血脂以及血糖等[38]，因此被廣泛應用于老年食品的加工過程。比如，以抗性糊精為代表的大多數膳食纖維是老年飲食結構中一種極其重要的組成成分。抗性糊精是一種低熱量葡聚糖，屬低分子水溶性膳食纖維，由谷物淀粉[39]經α-淀粉酶、糖化酶、普魯蘭酶、轉苷酶等酶制劑加工而來[40]。這些酶制劑的使用可提高抗性糊精的質量和產量[41]。近年來有研究表明，利用酶法提取植物源性食物中的膳食纖維具有酶解時間短以及操作簡便等優點[42-43]，并且提取的膳食纖維可應用于食品工業中[42]。

3.2.3 酶制劑與植物源性食品中多肽的制備

多肽具有促進礦物質吸收、抑制細菌、抗高血壓、抗氧化、抗疲勞、神經調節、免疫調節等生理活性。老年人缺少活性肽后，自身免疫力就會下降，出現新陳代謝紊亂、內分泌失調，從而引起各種疾病的產生，如失眠、身體消瘦等。因此，肽對于老年人來說具有重要的生理作用。利用酶水解制備功能性多肽是目前功能性食品研究的熱點。近些年，有大量研究報道通過酶法制備植物源性食品中的肽類，并應用于食品中來降低血糖[44]、膽固醇[45]濃度以及促進脂肪代謝[46]等。此外，利用酶法所提取的肽類還具有改善食品風味[47]和抗氧化等[48-50]特點。酶法制備生物活性肽具有生產成本低、產品安全性高、生產條件溫和、水解進程易于控制、可定位生產特定的肽并且能較好地滿足生產需要等特點，被廣泛應用。由于多肽在生物體內利用率較游離氨基酸高，因此通過酶解法制備多肽具有更佳的前景。

3.2.4 酶制劑的其他應用

利用酶制劑改善食品質地以達到松軟易咀嚼、易消化的目的，一直是老年食品市場的關注重點。平原弘志等[51]利用纖維素酶、果膠酶和半纖維素酶等植物組織分解酶復配出能使果膠發生交聯的酶類，通過結合浸漬、減壓、滾轉處理等加工技術，使植物源性食材質地軟化，并提高軟化后食品原料的保形性和保水性，以加工獲得適宜老年人及咀嚼或吞咽障礙人群食用的水果、蔬菜和薯類等。豆類食材富含蛋白質、維生素和礦物質，雖可經傳統軟化方法加工，但對于咀嚼和吞咽困難的老年人卻依然達不到理想的硬度要求。林雅浩[52]采用纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶制備復合酶制劑，該復合酶制劑可在保持豆類食材原有形態的前提下，使豆類組織內部破壞，外皮變脆以達到軟化效果。蓮子作為藥食同源的植物源性食品，對老年人具有明顯的滋補功效。但是，目前市場銷售的蓮子加工制品——蓮蓉卻含有較高的糖和油，并不適合老年人的飲食結構。劉永樂等[53]將果膠酶和中性淀粉酶應用于蓮蓉的加工過程中，利用果膠酶進行蓮子脫皮，在中性淀粉酶作用下，蓮子中淀粉發生糊化，并降解為糊精、三糖和二糖等低聚糖；在充分保留了蓮子營養價值的同時，該款低脂低糖蓮蓉制品的色澤、口味以及營養價值均適合老年人的飲食要求。在老年焙烤食品領域中，酶制劑的作用主要體現在改善淀粉類面點等食品的質地和風味上。如α-淀粉酶可調節面粉中麥芽糖生成量，促使二氧化碳產生和面團氣體保持力相平衡；β-淀粉酶可改善淀粉作為填料的糕點餡心風味；蛋白酶制劑可促進面筋軟化，改善發酵效果，并且可防止糕點老化；脂肪酶可使面包乳脂中微量的醇酸或酮酸甘油酯分解，生成δ-內酯等香味物質，從而增加面包的香味[54]。

老年植物源性功能食品的開發，同樣得益于酶制劑的應用拓展。目前，市場上商品化的低聚糖如低聚果糖、低聚半乳糖、殼寡糖等，其主要生產途徑是利用微生物所產的外源菊粉酶、β-半乳糖苷酶、殼聚糖酶等酶制劑，以菊粉、乳糖和髙分子殼聚糖等為底物催化生成[55-57]。此外，利用糖基轉移酶生產低聚糖的研究也有報道，如利用固定化α-葡萄糖基轉移酶生產低聚異麥芽糖[58]。葡萄籽中的低聚原花青素具有改善微循環、抗氧化、清除自由基的作用，可開發有助于提高老年人免疫力、抗衰老等具有保健功能的植物源性食品。張衛軍等[59]以葡萄籽脫脂后的餅粕為原料，利用組織蛋白酶和木瓜蛋白酶處理原料，經膜振動過濾系統，得到質量分數高達95.3%的低聚原花青素終產物。

4 酶在植物源性老年食品的新型加工技術中的應用

4.1 酶浸漬處理技術

酶浸漬技術是外源酶在壓力作用下滲透進入完整組織，進而特異性地改變組織特性的一種技術[60]。酶浸漬技術的主要手段包括：酶溶液的被動滲透浸漬、壓力輔助浸漬以及自然吸漲浸漬。目前，酶溶液的被動滲透浸漬工藝僅局限于處理壓榨后的均質液體果蔬汁[61-62]。然而，對于固體食材，受細胞壁的通道孔徑和酶蛋白分子大小限制，酶溶液很難進入植物組織內部發揮作用，因此，被動滲透浸漬工藝處理效率低，加工效果不明顯。

加壓浸漬是酶溶液進入植物組織最直接的方法，是目前食材加工的主要手段。它利用外部壓力壓縮多空隙植物組織中含有的氣體，使酶溶液進入組織內部，占據原有氣體空間。然而這一技術的缺點在于降壓過程，即壓縮氣體恢復原有體積后可將大部分液體排出組織內部。另外，類似柑橘屬果實的白皮層多孔徑結構，直接高壓浸漬處理會使其組織結構發生不可恢復的塌陷，從而導致酶溶液難以進入。有研究報道脈沖壓力浸漬可有效避免這一缺點，可應用于柑橘果皮的去皮過程[63]。

真空浸漬是由真空度變化引起，可使得多孔物料內部的氣體和液體與外部溶液進行交換，涉及流體動力學機制（hydrodynamic mechanisms，HDM）和變形弛豫現象（deformation relaxation phenomena，DRP）[64]。真空浸漬的優點是植物組織內部氣體逸出后，酶溶液可進入植物組織并占據氣體空間而不被排出。此外，酶溶液進入的驅動力來自大氣壓力，該壓力并不會對植物組織結構進行壓縮和破壞。目前酶真空浸漬技術已成功商業化應用于果蔬類質構改造，如柑橘類果實的軟化去皮，灌裝果蔬鮮制品保脆等[65]。此外，新鮮植物源性食材中揮發性芳香物質的含量很低，經貯藏和加工過程后必然失去原有的風味。但是，這些揮發性芳香物質的前體物卻以糖苷形式大量存在于植物組織中，且其含量遠高于游離態的揮發性芳香物質[66]。真空浸漬技術可使酶在植物內部參與芳香前體物質的酶促水解反應，從而生成相應游離態的芳香物質，以恢復原有果蔬氣味和香味。因此，真空浸漬技術可在今后廣泛應用于食品的增香、去異味等風味改善領域。

自然吸漲浸漬則是利用脫水食材在復水過程中的泡脹力來促使酶溶液進入植物組織內部，可廣泛地應用于改善脫水植物源性食材的質地、風味和營養成分等方面。例如，采用復合酶對干燥玉米進行自然吸漲浸漬處理可有效促使玉米粒表皮與乳胚分離，從而改善淀粉得率，防止回生[67]。在干燥脫水過程中，果蔬類食材不可避免地會產生風味物質的損失。與真空浸漬類似，脫水食材經自然吸漲浸漬后，酶與芳香前體物的酶促反應可起到增香復味的作用。此外，許多干豆類和種子類食材含有酶抑制物、異味物質，且易產氣、易產生氰化合物等[68]，通過在相應酶類的溶液中浸漬吸漲，可對這些化合物起到降解作用，從而改善味道和品質，以更適宜腸胃功能弱的老年人食用。

4.2 高靜壓處理技術

高靜壓（high hydrostatic pressure，HHP）技術是指常溫或中低溫條件下，用100 MPa以上的壓力（100～1 000 MPa）來處理食品，以達到殺菌、滅酶和改善食品功能特性的加工技術[69]。常用的加熱處理技術在殺菌和滅酶的同時，會帶來許多負面的影響，如使食品產生褐變、熱臭味、變色及營養成分損失等等。由于HHP技術只作用于非共價鍵，對低分子質量復合物，如風味物質、色素和維生素等的影響小，因而能較好地保持食品的營養價值與感官品質，并延長食品貨架期[70-72]。在使用HHP技術的過程中，果蔬等植物源性食品內源酶被滅活的同時，不可避免地會使食品本身質構遭到破壞，從而使果蔬質地變軟，口感欠佳。此時，可利用真空注入果膠甲酯酶技術來改善果蔬本身的質構。果膠甲酯酶可以使內源果膠在原位脫去甲基。在鈣鹽存在的情況下，脫去甲基的果膠在較低的pH值下凝膠以提高水果的硬度。對某些鮮切果蔬，在HHP處理之前可真空注入果膠甲酯酶技術來改善果蔬質構，以此來彌補HHP技術的不足之處[73]。

5 結 語

人口老齡化已成為當今世界各國面臨的社會發展問題。如何健康老齡化是一個全球性的議題，而食品健康又是健康需求的最基本要素。老齡化人口的急速增長，孕育了一個巨大的“銀發”食品市場。我國老年食品市場開發投入不足，產品結構存在種類相對單一、營養配伍不均衡、品質無保障、細分市場品種短缺等問題，使得這個龐大的市場一直滿足不了現階段國內老齡化人口對食品多方面的需求。植物源性食品需求比重又是老年食品市場份額最重要的部分，對這一部分食品市場的細化和深入開發是迫切需要解決的任務。老齡化問題嚴重的歐美及日本等地區，早已將老年食品的研究與開發提到議事日程，市場上有針對性的老年食品已為消費者提供了多種選擇。我國現階段及未來應根據我國老年人膳食結構和飲食習慣，在保證其營養需求和感官風味的基礎上，有針對性地拓展產品種類并提升產品品質。將現有新型酶技術應用于研發和生產中，結合新型食品加工技術，提出相應的調整策略和研發思路，并制定相應的食品衛生標準，是我國老年食品生產研究的可行方向。