第六章：酶

第六章：酶近年来，随着发酵技术的不断提高，酶制剂己在淀粉类食品、蛋白类食品、果蔬类食品、功能性食品的生产，食品保鲜和食品分析等食品行业的各个领域得到广泛应用。第一节：引言1.酶对食品科学的重要性1.1食品体系中的酶内源酶外源酶1.2重要性食品化学：注重在食品加工、保藏过程中怎样充分发挥酶的有利作用，控制酶的负面作用。2.酶的本质酶是什么？酶是具有催化作用的生物大分子。3.酶的催化特点高效性专一性作用条件温和可以调控3.1高效性3.1.1举例就分子比(molecularratio)而言，以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高107～1013倍，比非催化反应高108～1020倍。2H2O2→2H2O+O21molH2O2酶能催化5×106molH2O2的分解1molFe3+只能催化6×10-4molH2O2的分解3.2.2酶为什么具有催化高效性？在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。E+S====E-SP+E3.2专一性3.2.1酶的活性中心酶是蛋白质，是大分子化合物，在这样一个大分子中只有一小部分是与底物结合，并与催化作用直接有关，这个部位称酶的活性中心。组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有Glu和ASP的-COOH，Lys的ε-NH2，His的咪唑基，Ser的-OH，Cys的-SH，Tyr的侧链基团。酶活性中心结合部位（Bindingsite）催化部位（catalyticsite）结合部位决定酶的专一性;催化部位决定酶所催化反应的性质。3.2.2酶为什么具有催化专一性？3.3作用条件温和一般范围：20～60℃左右，常压，近中性的pH值环境。思考：酶为什么要求作用条件温和？3.4可以调控酶浓度调节环境条件调节共价修饰调节限制性水解调节抑制剂调节反馈调节金属离子和其它小分子化合物调节4.酶的命名4.1习惯命名法通式底物的名称＋催化反应的类型＋“酶”字说明：对于水解酶类，在命名时可省去说明反应类型的“水解”字样。4.2系统命名法4.2.1通式酶作用底物＋酶作用基团＋催化反应类型＋“酶”字举例β－D－葡萄糖，氧1－氧化还原酶4.2.2国际系统分类法1.氧化还原酶类Oxidoreductases2.转移酶类Transgerases3.水解酶类Hydrolases4.裂合酶类Lyases5.异构酶类Isomerases6.合成酶类SynthetasesSynthases注意；顺序不要搞错！编号用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“·”隔开，前面冠以EC（为EnzymeCommission）。EC类.亚类.亚亚类.排号，如EC1.1.1.1EnzymeHandbook，ThomasEBarman编，VolI,VolII1969年。EnzymeHandbook，ThomasE.Barman编SupplementI,1974年。5.酶的组成5.1单纯蛋白质酶类5.2结合蛋白质酶类全酶=酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）注意几个概念•辅酶（coenzyme）•辅基（prostheticgroup）•单体酶（monomericenzyme）•寡聚酶（oligomericenzyme）•多酶复合体（multienzymecomplex）6.生物体系中的酶（自学）人体内的消化食物的酶类及分布酶在细胞组织中的存在方式常见食品原料中的重要酶类7.酶的纯化和鉴定（自学）了解食品加工中，使用酶制剂要注意的两个问题：纯度剂量几个概念：酶活力、酶的活力单位、酶的比活力第二节：影响酶活力的因素底物的浓度酶的浓度pH值温度水分活度抑制剂其它环境条件1.底物浓度对酶活力的影响在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。1/2VmaxKm米氏方程当反应速度等于最大速度一半时,即V=1/2Vmax,Km=[S]上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。V=Vmax[S]Km+[S]Km即为米氏常数，Vmax为最大反应速度2.酶浓度对酶活力的影响当[E]﹤﹤[S]时：情况①情况②情况③反应速度酶浓度①②③3.pH对酶活力的影响各种酶在最适pH时所处的解离状态往往最有利于该酶与底物结合并发生催化反应，活力最高。如胆碱酯酶解离成两性离子时活力最大，而精氨酸酶则需解离成负离子时活力最大。4.温度的影响温度对酶活力的影响是多方面的：①影响ES→E+P这一步的速度；②影响酶的稳定性；③影响反应体系中缓冲剂、底物和辅助因子的缔合/解离平衡；④影响底物的溶解度；⑤影响[ES]的离子化。4.1酶的热稳定性残余酶活力测定方法:P206.4.2酶催化反应的活化能K＝Ae－Ea/RT斜率为K斜率为－Ea/2.3R4.3低温下酶的活性K＝Ae－Ea/RT例外！！！为什么？？？5.水分活度对酶活力的影响研究Aw对酶活力影响的二种方法：①干燥法②有机溶剂取代法6.酶抑制动力学（自学）竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制线性混合型抑制7.影响酶活力的其他环境条件粘度压力剪切力超声能量离子辐射溶剂第三节：固定化酶与水不溶性载体结合，在一定的空间范围内起催化作用的酶。1.酶的固定化方法1.1吸附吸附剂：氧化铝、皂土、纤维素、微珠玻璃、高岭土结合力：范德华力、氢键、静电斥力1.2共价连接载体：聚丙烯酰胺、尼龙、纤维素、葡聚糖等。特点：连接键牢固，稳定性好；缺点是载体活化、操作繁杂。1.3交联多功能试剂交联吸附交联1.4包埋主要适用小分子底物在食品加工受到一定的限制。为什么？2.固定化酶动力学（自学）酶被固定时，影响其催化的因素：①酶被固定，仅底物能自由扩散；②酶的载体被Nernet扩散层所包围，后者的作用像一个边界，使得靠近酶的底物浓度低于体相的底物浓度；③酶、底物和载体都可能带有电荷，因此静电作用可能增强或削弱底物与酶的结合。④游离酶的反应初速度不再适用。3.固定化酶在食品工业中的应用（自学）生产食品食品分析本次课小结重点：掌握酶的本质，酶的催化特点，米氏方程和米氏常数，固定化酶的概念和固定化方法。难点：熟悉影响酶活力的因素。第四节：内源酶的作用对食品原料的影响食品的质量主要包括：颜色质构风味营养1.颜色1.1肉的颜色氧合肌红蛋白鲜红色肌红蛋白紫红色高铁肌红蛋白褐色低氧分压高氧分压1.2果蔬的颜色脂肪氧合酶叶绿素酶多酚氧化酶1.2.1脂肪氧合酶有益的功能①漂白小麦粉和大豆粉②强化面团中的蛋白质有害的功能①破坏叶绿素和胡萝卜素②产生氧化型的不良风味③使食品中的维生素和蛋白质遭受氧化性破坏④使食品中的必需脂肪酸遭受氧化性破坏（1）脂肪氧合酶的底物脂肪氧合酶对于它作用的底物具有特异性的要求，含有顺，顺－1，4－戊二烯的直链脂肪酸、脂肪酸酯和醇都有可能作为脂肪氧合酶的底物。最普通的底物是必需脂肪酸－亚油酸/亚麻酸和花生四烯酸。在不饱和脂肪酸中，顺，顺－1，4－戊二烯的位置对脂肪氧合酶的作用有重要的影响。（2）举例脂肪氧合酶作用于亚油酸时，能产生亚油酸的13－L－和9－D－氢过氧化物衍生物。1.2.2叶绿素酶叶绿素酶存在于植物和含有叶绿素的微生物中，水解叶绿素生成植醇和脱植基叶绿素。尽管将此反应归之于植物绿色的损失，然而还没有足够证据说明，脱植基叶绿素仍然具有绿色，而且也无根据说明脱植基叶绿素脱色(即失去Mg2＋)的稳定性低于叶绿素。1.2.3多酚氧化酶（酪氨酸酶、多酚酶、酚酶、儿茶酚氧化酶、甲酚酶和儿茶酚酶）1.2.3.1多酚氧化酶催化的反应多酚氧化酶是一种含铜的酶，它能催化两类完全不同的反应。①一元酚羟基化，生成相应的邻－二羟基化合物；②邻－二酚氧化，生成邻－醌。两类反应都需要有分子氧参加。一元酚的羟基化反应需要在反应体系中同时加入邻－二酚或其他还原性化合物，例如抗坏血酸，NADPH，NADP或四氢叶酸。多酚氧化酶催化的第二类反应是邻－二酚被氧化成邻－苯醌。1.2.3.2最初产物邻－苯醌的继续变化①相互作用生成高分子量聚合物；②与氨基酸或蛋白质作用生成高分子络合物；③氧化那些氧化－还原电位较低的化合物。其中非酶反应①和②导致褐色素的生成；色素的分子量愈高，颜色愈暗。反应③的产物是无色的。因此，酶促褐变实际上是多酚氧化酶作用的间接结果。在一些食品的加工中，酶促褐变是一个期望的变化，其中最著名的例子是加工红茶。1.2.3.3酶促褐变多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、过氧化物酶等防止措施①使果蔬中酶类失活：热处理（烫漂、蒸煮等）、酸处理（如用Vc、柠檬酸、苹果酸来降低pH）、SO2或Na2SO3处理等。②驱除氧气③底物改性：使果蔬中的酚类化合物形成甲基取代物。④添加抗氧化剂来还原邻－苯醌类化合物：如添加Vc。⑤减少或避免果蔬在贮藏或运输中受机械伤。2.质构多糖酶类蛋白酶类2.1果胶酶果胶甲酯酶聚半乳糖醛酸酶果胶裂解酶2.1.1果胶甲酯酶2.1.2聚半乳糖醛酸酶2.1.3果胶裂解酶2.2淀粉酶α–淀粉酶β–淀粉酶葡萄糖淀粉酶2.2.1α–淀粉酶作用于淀粉和糖原时，从底物分子内部随机内切α—1，4键生成一系列相对分子质量不等的糊精和少量低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。一般不水解支链淀粉的α—1，6键，也不水解紧靠分枝点α—1，6键外的α—1，4键。α–淀粉酶是一种金属酶类，钙离子使酶分子保持适当的构象，从而可以维持其最大的活性与稳定性。2.2.2β–淀粉酶β–淀粉酶作用于淀粉分子，每次从淀粉分子的非还原端切下两个葡萄糖单位，并且由原来的α—构型转变为β–构型，故由此得名。β–淀粉酶只能从淀粉分子的还原端水解α—1，4键，不能作用于α—l，6键，故水解支链淀粉是不完全的，水解至分枝点前2—3个葡萄糖残基时停止作用，而残留较大分子的极限糊精，生成麦芽糖50％一60％。2.2.3葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶对淀粉的水解作用也是从淀粉分子非还原端开始依次水解一个葡萄糖分子，并把α—构型转变为β–型，因此产物为β–葡萄糖。葡萄糖淀粉酶不仅能水解淀粉分子的α—1，4键，而且能水解α—1，3键，α—1，6键，但水解速度是不同的。2.2.4其他2.3蛋白酶对动物性食品原料的质构有重要影响。组织蛋白酶钙离子激活中性蛋白酶CANPS乳蛋白酶2.3.1组织蛋白酶主要存在肌肉组织细胞的溶菌体离子中。肉在成熟期的变化和组织蛋白酶有重要关系。2.3.2CANPS钙离子激活中性蛋白酶CANPⅠ、CANPⅡCANPⅠ：在50～100μmol/L的Ca2＋存在时，能被激活。CANPⅡ：在1～2μmol/L的Ca2＋存在时，能被激活。宰后肌肉中，CANPS能和组织蛋白酶协同作用，影响肉的自溶。2.3.3乳蛋白酶牛乳中主要的蛋白酶，是碱性丝氨酸蛋白酶。特点：对热较稳定；水解β－酪蛋白，产生强疏水性的γ－酪蛋白；也能水解αs－酪蛋白，但不能水解k－酪蛋白。3.风味在食品加工过程中，酶的作用会使食品产生有益的风味物，或不良的风味物。脂肪氧合酶过氧化物酶4.营养价值脂肪氧化酶多酚氧化酶第五节：作为食品加工助剂和配料的酶利用酶的催化特性，可以使食品的功能性质产生关键性的变化，也可以除去毒物或产生新的配料。1.在甜味剂中使用的酶淀粉浆（34％～40％固型物）β–淀粉酶脱枝酶麦芽糖浆细菌α–淀粉酶糊化淀粉葡萄糖浆（40％～50％）高果糖浆（42％果糖）葡萄糖淀粉酶（或与脱枝酶并用）葡萄糖结晶蒸发葡萄糖异构酶1.1果葡糖浆淀粉→调浆→液化→糖化→脱色→过滤精制糖液←浓缩←精制糖化液←树脂处理异构化→脱色→树脂处理（精制）→浓缩↓液化酶糖化酶活性碳↓