酶在食品工业中的应用与前景

酶在食品工业中的应用与前景文生135-1冯文强201390512123生物工程是现代科技的一项高新技术，酶工程是生物工程中最重要的组成部分，是利用酶的特异催化功能，将一种物质转化为另一种物质的技术，即将生物体内具有特定催化作用的酶类或细胞、细胞器分离出来，在体外借助工业手段和生物反应器进行催化反应来生产某种产品的工程技术。当前酶制剂的生产，主要依靠从微生物发酵液或细胞中提取有用的酶类，如——淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂酶、果胶酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶以及用于重组DNA技术的各种工具酶等。这些酶类已被广泛用于食品加工、纺织、制革、医药、加酶洗涤剂生产和基因工程中。生物技术在食品工业中应用的代表就是酶的应用。目前已有几十种酶成功地用于食品工业。例如，葡萄糖、饴糖、果葡糖浆的生产、蛋白质制品加工、果蔬加工、食品保鲜以及改善食品的品质与风味等。应用的酶制剂主要有——淀粉酶、糖化酶（又称淀粉葡萄糖苷酶）、蛋白酶、葡萄糖异构酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶等。国际生物化学联合会把酶分成六大类氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类。与此同时,酶工程产业也在快速发展。1998年全世界工业酶制剂销售额高达16亿美元,预计到2008年,销售额将达到30亿美元。近年来随着酶技术的发展,酶技术在食品工业中得到了广泛地应用。1酶在食品工业中的重要作用近年来，采用酶工程还成功地将淀粉加工成饴糖、麦芽糖、高麦芽糖浆、麦芽糊精、偶联糖（一种甜味环糊精）等各类淀粉糖产品，它们在食品工业中均起重要作用。例如：麦芽糖在缺少胰岛素的情况下也可被肝脏吸收，而不致引起血糖水平的升值，故可供糖尿病患者食用；由麦芽糖还原成的麦芽糖醇为发热量最低的甜味剂，可供糖尿病、高血压、肥胖病人食用。麦芽糊精无臭、无味、无色、吸湿性低、粘度高、溶解时分散性好，国外食品工业中都用它来改善食品风味；糖果工业中用它调节糖度，并阻止蔗糖析晶和吸湿；饮料工业中用它作为增稠剂、泡沫稳定剂，还用于粉末饮料制造，以加速干燥；制造固体酱油、汤粉时用它增稠并延长保质期，因它不易吸湿结块。偶联糖用于食品中不易引起蛀牙，作为食品添加剂用以乳化、稳定、发泡、保香脱苦等。2用于食品加工中的酶2.1肉类和鱼类加工2.1.1改善组织，嫩化肉类酶技术可以促使肉类嫩化。牛肉及其它质地较差的肉（如老动物肉），其结缔组织和胶原蛋白质及单性蛋白质含量高而且结构复杂。胶原蛋白是纤维蛋白，由副键连接成为具有很强机械强度的组成，这种交联键可分为耐热和不耐热两种。幼动物的胶原蛋白中，不耐热交联键多，一经加热即行破裂，肉就显得嫩；而老动物的肉因耐热键多，烹饪时软化较难，因而显得肉质粗糙，难以烹调，口感亦差。采用蛋白酶可以将肌肉结缔组织中胶原蛋白分解，从而成功地使肉质嫩化。作为嫩化剂的蛋白酶可以分为两类：最常用的是植物蛋白酶，如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、中华猕猴桃蛋白酶等；另一类是微生物蛋白酶，如米曲霉等。嫩化的肉类品种从牛肉扩大到猪肉、家禽等。工业上软化肉的方法有两种，一种是将酶涂抹肉的表面或用酶液浸肉；另一种比较先进的方法是在动物宰前用酶肌注，酶的软化作用发生在贮罐特别是烹煮加热时。这项生物技术新成果对于改善肉类的质地、增强肉制品的风味，起到了极大的作用。2.1.2转化废弃蛋白将废弃蛋白，如杂鱼、动物血、碎肉等用蛋白酶水解，抽提其中蛋白质以供食用或做饲料，是增加人类蛋白质资源的一项有效措施。其中一杂鱼及鱼干废弃物的利用最为瞩目。海洋中许多鱼类因其色泽、外观或味道欠佳等因，都不能食用，而这类水产却高达海洋水产的80%左右。在肉类食品生产中,添加少量的木瓜蛋白酶可以分解胶原蛋白,软化肉品;在面包生产中,淀粉酶可防止老化、改善风味,脂肪氧化酶可漂白增香[1]，使其中绝大部分蛋白质溶解，经浓缩干燥制成含氮量高、富含各种水溶性维生素的产品，其营养不低于奶粉，可掺入面包、面条等食用，或用作饲料，其经济效益十分显著。2.1.3其他方面的应用用酸性蛋白酶在PH中性时处理解冻鱼类，可以脱腥。利用微生物酸性蛋白酶处理碎皮，萃取后可得到可溶性胶原。这种可溶性胶原纤维遇盐或洗衣粉时便再生析出，可制人造肠衣。利用碱性蛋白酶水解动物血脱色来制造无色血粉作为廉价而安全的补充蛋白质资源已经研究成功，并已投入到工业化生产中。2.2蛋品加工干蛋白是食品工业常用的发泡剂。禽蛋中含有微量葡萄糖。葡萄糖的醛基具有很高的反应活性，容易同蛋白质、氨基酸等的氨基发生碳氨反应，使蛋白在干燥及贮藏过程中发生褐变，从而使其溶解度减少，起泡力和泡沫稳定性下降。为了防止这种劣变，必须将葡萄糖除去。过去除去葡萄糖，采用酵母或自然发酵法，但这种方法时间长，品质不易保证。现采用生物技术新成果-----用葡萄糖氧化酶处理，使葡萄糖氧化成葡萄糖酸。该法除糖效率高，1分子葡萄糖氧化酶在1分钟内可催化氧化3.4万个葡萄糖分子，周期短，产品质量与效率高，并可改善环境卫生。随着顾客们质量意识愈来愈提高,蛋黄酱比起人造的乳化剂更受到食品加工企业青睐。能水解蛋黄素的磷脂酶可提高蛋黄酱的乳化性能。Ｎｏｖｏ公司开发出从微生物中提取得到的新一代磷脂酶,用以取代目前使用猪磷脂酶,可应用于禁食猪肉的穆斯林国家,其前景十分广阔[2]。通常蛋黄在高于60℃的温度下会丧失乳化性质,而经酶改性处理后的蛋黄粉制成的“耐热蛋黄”。可以承受70-80乃至更高的温度,大大提高了灭菌温度,从而提供了更大的微生物安全范围。耐热的蛋黄酱也更能较好地适用于热带国家或用于热的食品如汉堡包[3]。2.3乳品工业2.3.1干酪生产全世界干酪生产所耗牛奶达1亿多吨，占牛奶总产量的1/4。干酪生产的第一步是将牛奶用乳酸菌发酵制成酸奶，然后加凝乳酶k—酪蛋白，在酸性条件下，Ca+使酪蛋白凝固，再经切块加热压榨熟化而成。凝乳酶取自小牛，全世界每年宰杀小牛多达4000万头。自日本10多年前发现微生物凝乳酶后，现在85%的动物酶已由微生物酶所代替。微生物凝乳酶本质为微酸性蛋白酶，只是凝乳作用强而蛋白分解作用弱而已，还会使少量酪蛋白分解，形成苦味。现在采用基因工程将牛凝乳酶原生产基因植入大肠杆菌，已经表达成功，用发酵法已可生产真正凝乳酶。2.3.2分解乳糖牛奶中含有4.5%的乳糖，这是一种缺乏甜味而且溶解度很低的双糖，难于消化。有些人饮牛奶后常发生腹泻、腹痛等病，其原因即在于此。而且由于乳糖难溶于水，常在炼乳、冰淇淋中砂样结晶析出，从而影响食品风味。将牛奶用乳糖酶处理，使奶中乳糖水解为半乳糖和葡萄糖，即可解决上述问题。北京三元食品有限公司也已采用乳糖酶生产了一系列低乳糖乳制品,投放市场后深受消费者欢迎[4]。乳清是干酪生产的副产品，世界年产量达9000多吨，其中含4~4.5%的乳糖，因乳糖难于消化，历年作废水排放，严重污染环境。现采用乳糖处理，当乳糖水解率达80%时，即可供食用或作为饲料。如进一步用葡萄糖异构酶处理，使其中的葡萄糖转化成果糖，那甜度会进一步提高。2.3.3黄油增香乳制品的特有香味主要是加工时所产生的挥发性物质（如脂肪酸、醇、醛、酯、以及胺类等）所致。乳品加工时添加适量的脂肪酶可增加干酪和黄油的香味。将增香黄油用于奶糖、糕点等食品，可节约黄油用量，提高风味。2.3.4婴儿奶粉人奶与牛奶区别之一在于溶菌酶含量的不同。奶粉中添加卵清溶菌酶可防止婴儿肠道感染。2.4果蔬加工2.4.1水果罐头加工制作橘子罐头时需除橘瓣囊衣，过去使用碱处理法，耗水量大，又费工时。现采用黑曲霉所产生的半纤维素酶、果胶酶和纤维素酶的混合物，可圆满地除去橘瓣囊衣，而避免上述缺点。橘子罐头常发生白色浑浊，这是由橘肉带来的橙皮苷所造成的。采用橙皮苷酶，可将橙皮苷水解成为水溶性的橙皮素，从而消除了橘子罐头的白浊现象。桃子含有红色花青素，罐藏时同金属作用而呈紫褐色。采用花青素酶处理桃酱、葡萄汁等，即可脱色而提高经济价值。这是因为花青素酶可水解花青素，使之变为无色物质。柑橘类脱苦柑橘类脱苦问题历来是果品加工中的一大问题。橘子中的柠檬苦素是引起橘汁产生苦味的原因。利用球形节杆菌固定化细胞的柠碱酶处理即可消除苦味。未成熟的橘子含柚皮柑较多，当其含量达50毫克/100毫升时即有苦味，采用柚苷酶（由β-鼠李糖苷酶和β-葡萄糖苷酶所组成）处理橘汁，经30~40℃作用1小时，便能脱苦。这是由于柚皮苷分子中的鼠李糖和葡萄糖被水解除去，最终成为无苦味的柚皮素。2.4.3果汁加工水果中均含有果胶物质。果胶的重要特性之一，就是在酸性和高浓度的糖存在下，即可形成凝胶。这一性质是制造果冻、果酱的基础。但在果汁加工上，却使压榨与澄清发生困难。现采用果胶酶处理溃碎果实，可降低果汁粘度,加速果汁过滤，并使混浊液澄清[5];2.4.4水果蔬菜保藏用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菜的糖分，可防止贮藏过程中发生褐变。瓶装橘子汁贮藏时因氧化而使色香味劣变，采用葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶去氧，即可保持果汁原有的色香味。水果冷冻保藏时，由于果实自身的酶作用而发酵变质，也可用葡萄糖氧化酶保鲜。2.5饮料、酿酒工业生产茶饮料最大的难题是变色和沉淀,即所谓冷浑现象。采用单宁酸酶处理是解决这一现象的有效方法[6]。由于茶乳酪沉淀的复杂性,将其他酶配合使用比只用一种单宁酸酶取得效果更为理想。如加入萄糖氧化酶可消耗掉茶汤中的游离氧,因而避免了氧气对茶汤风味的破坏作用;加入果胶酯酸酶增加其挥发性香气化合物含量;加入溶菌酶可有效地防止和消除微生物污染,减少杀菌不良气味的产生和品质的变化;加入多酚氧化酶可减轻速溶茶苦涩味,改善茶叶食品的色泽;而以混合酶制剂纤维素酶、果胶酶、磷脂酶或原果胶酶、蛋白酶等在25-60℃下萃取茶叶,可有效地萃取茶叶中脂溶性维生素,而Ｖｃ的萃取率亦较高[7]。加入木瓜蛋白酶可作为沉渣剂,使茶汤中的蛋白─单宁复合物沉淀,提高产品澄清度等[8,9]。啤酒是以麦芽为原料，淀粉酶可液化、糖化淀粉、促进酵母的生产,进而生产啤酒、酒精等[10]。麦芽中含降解原料生产可发酵性物质所必需的各种酶类。由于麦芽制造时，原料（大麦）中淀粉呼吸损失，很不经济，因此酿酒厂常用大麦、大米、玉米等作为辅助原料来替代一部分麦芽，以致引起酶活力不足，使糖化不能充分，蛋白质降解不足，从而影响啤酒的收率与风味。采用微生物淀粉酶、蛋白酶、β—淀粉酶、β—葡聚糖酶等酶制剂，可补充麦芽酶活力不足的缺陷。特别是在用大麦作辅料或用发芽欠佳的麦芽时，由于其中含有粘性的β—葡聚糖，使麦芽汁难过滤，况且由于β—葡聚糖不溶于酒精，从而在啤酒中生成沉淀而不易滤清，采用β—葡聚酶处理就可使其分解而改善过滤操作。原料糖化时添加唐化酶可增加发酵度，缩短糖化作用时间，可用于生产低热量啤酒。采用中性蛋白酶可分解原料中蛋白质以增加麦芽汁中氨基酸含量，从而促进酵母发酵。采用木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或霉菌酸性蛋白酶则可使啤酒澄清，防止混浊，延长保存期。果酒酿造中采用酸性蛋白酶、淀粉酶、果胶酶可消除混浊或改善溃碎果实压汁操作。白酒生产中采用糖化酶代替麸曲可提高出酒率（2~7%），节约粮食，简化设备，节省厂房场地。2.6焙烤食品酵母在面团中，依靠面粉本声淀粉酶和蛋白酶的作用生成麦芽糖和氨基酸来进行繁殖个发酵。目前欧美各国常添加酶进行强化，用酶活力高的面粉制成的面包，气孔细而分布均匀、体积大、弹性好、色泽佳。面粉中添加α—淀粉酶，可调节麦芽糖生成量，使二氧化碳产生和面团气体保持力相平衡。添加蛋白酶可促进面筋软化，增加伸延性，减少揉面时间和动力，改善发酵效果。用蛋白酶强化的面粉可防止糕点老化。糕点馅心常用淀粉为填料，添加用β—淀粉酶可改善馅心风味；面包制作中适当添加脂肪酶可增进面包的香味，这是因为脂肪酶可使乳脂中微量的醇酸或酮酸的甘油酯分解，从而生成δ—内酯等香味物质。2.7制糖传统制糖工业主要以甘蔗、甜菜为原料生产蔗糖。糖源不足、价格昂贵是制糖工业面临的第一大难题，而产品甜度不高则是面临的第二大问题（若以蔗糖甜度为100计算，则葡萄糖只有73，而果糖则高达174）。生物技术在这里发挥了其巨大作用。首先，食品科学家将糖源目标转移向来源充足、价格低廉的淀粉。淀粉