酶工程论文

摘要:

20世纪70年代以来,基因工程与酶催化理论的结合给酶工程带来前所未有的生机。应用基因工程技术可以生产出高效能、高质量的酶产品,多种类型的酶制剂(合成酶、抗体酶、分子印迹酶、化学修饰酶、杂合酶等)实现了产业化生产。迄今从生物界已经发现了3 000多种酶,用于工业生产的有百余种,但在食品加工中应用的酶仅有几十种,因此,酶工程在保健食品加工中的应用尚存在有巨大的潜力。人们将利用酶工程开发出更多的新一代功能食品以造福于人类。本文浅述了酶工程技术,如酶的固定化技术的概念、性质及应用。介绍了酶工程在食品加工、食品保鲜和食品分析与检测中的应用现状,并对酶工程的作用和发展作出了展望。

关键词: 酶工程;固定化酶;食品加工技术

前言

工业化酶制剂的品质改良及新品种的开发是现代生物技术介入最多的一个领域,并已取得令人瞩目的成果。80年代末,就已经开发出多种蛋白酶、脂肪酶,到目前为止,国际上工业用酶超过50多种。酶制剂主要用于果汁、啤酒、葡萄酒、乳制品、甜味剂、淀粉加工、糖果、面包等的生产。DNA重组技术对酶工业的渗透,导致了酶工业的飞跃,已有多个国家实现了β-淀粉酶的克隆化;日本经过质粒重组的嗜热芽孢杆菌蛋白酶的活力为原菌酶活力的18倍;利用DNA重组技术,使葡萄糖异构酶和木糖异构酶的活力提高了5倍[1]。酶工程技术是利用酶和细胞或细胞器所具有的催化功能来生产人类所需产品的技术,包括酶的研制与生产,酶和细胞或细胞器的固定化技术,酶分子的修饰改造,以及生物传感器。酶是活细胞产生的具有高效催化功能、高度专一性和高度受控性的一类特殊蛋白质。其催化作用的条件非常温和,可在常温、常压下进行,又有可调控性,食品工业是应用酶工程技术最早和最广泛的行业。近年来,由于固定化细胞技术、固定化酶反应器的推广应用,促进了食品新产品的开发,产品品种增加,质量提高,成本下降,为食品工业带来了巨大的社会经济效益。酶工程在食品加工中已经广泛应用。

1 酶工程的基本概念和技术

酶工程主要指天然酶制剂在工业上的大规模应用,由4个部分组成:酶的产生、酶的纯化、酶的固定化、生物反应器[2]。

1.1 酶的产生

酶的生产是各种生物技术优化与组合的过程分为生物提取法、生物合成法和化学合成法三种,其中生物提取法是最早采用而沿用至今的方法,生物合成法是20世纪60年代以来酶生产的主要方法,而化学合成法至今仍处在实验室研究的阶段[2]。提取分离法是采用各种提取、分离、纯化技术从动物、植物、器官、

细胞或微生物细胞中将酶提取出来。生物合成法是利用微生物细胞、植物细胞或动物细胞的生命活动而获得人们所需酶的技术过程。化学合成法因其成本高,而且只能合成那些已经弄清楚其化学结构的酶,所以这种方法难以工业化生产。

1.2 酶的纯化

酶的提纯手段一般都是依据酶的分析大小、形状、电荷性质、溶解度、专一结合位点等性质而建立的。要得到纯酶,一般需要将各种方法联合使用。最常用的纯化方法有根据溶解度特性的沉淀法;根据电荷极性的离子交换层析、等电点聚焦电泳等;根据大小或重量的离心分离、透析、超滤等;根据亲和部位的亲和层析、共价层析等。

1.3 酶的固定化技术

酶是由生物体产生的具有催化活性的蛋白质,它能特定地促成某个化学反应而本身却不参加反应,具有反应效率高、条件温和、反应产物污染小、能耗低、反应容易控制等特点。这是任何无机催化剂都无法比拟的优点。但因为酶的化学本质是蛋白质,其最大弱点是不稳定性,对酸、碱、热及有机溶液容易发生酶蛋白的变性作用,从而降低或失去活性。而且酶往往在溶液中进行反应,反应以后会残留在液系统中不易回收,造成最终产品生化分离提纯作上的麻烦。加之酶反应只能分批进行,难于连续化、自动化操作,这大大地阻碍了酶工程的发展应用。为克服上述缺点,要将游离酶固定化后进行应用。固定化酶技术是把从生物体内提取出来的酶,用人工方法固定在载体上[1]。由于固定化酶的运动被化学或物理的方法限制了,能将其从反应介质中回收,所以它原则上能在批量操作或连续操作中重复使用酶。固定化酶技术是酶工程的核心,它使酶工程提高到一个新水平。固定化酶具有如下性质:酶的稳定性提高;最适pH值改变;酶的活性和催化底物有所变化;最适温度有所提高。酶固定化处理后一般稳定性有较大提高,对温度适应范围增大,对抑制剂和蛋白酶的敏感性降低;反应完成后可通过简单的方法回收酶,酶活力降低不多,这样可使酶重复使用,同时由于酶没有游离到产品中,便于产品的分离和纯化;实现批量或连续操作模型的可能,适于产业化、连续化、自动化生产[3]。

2 酶工程在食品领域的应用 2.1 食品加工方面

2.1.1 酶的固定化技术的应用

2.1.1.1 固定化葡萄糖异构酶在高果糖浆生产中的应用

固定化葡萄糖异构酶是世界上生产规模最大的一种固定化酶,1973年就已应用在工业化生产,它可以用来催化玉米糖浆和淀粉生产高甜度的高果糖糖浆[4]。用淀粉生产高果糖浆包含三步:(1)用淀粉酶液化淀粉;(2)用糖化酶将其转化为葡萄糖,即糖化;(3)用葡萄糖异构酶将葡萄糖异构为果糖。

2.1.1.2 固定化酶用于水解牛奶中的乳糖

牛奶中含有4.3%~4.5%的乳糖。患乳糖酶缺乏症的人饮用牛奶后将导致不良后果。用乳糖酶可以将乳糖分解为组成乳糖的两个单糖:半乳糖和葡萄糖。用固定化乳糖酶反应器可以连续处理牛奶,将乳糖分解,用于连续化生产低乳糖奶。该技术已于1977年实现工业化。此外,乳糖在温度较低时易结晶,用固定化乳糖酶处理后,可以防止其在冰淇淋类产品中结晶,改善口感,增加甜度。固定化乳糖酶还可以用来分解乳糖,制造具有葡萄糖和半乳糖甜味的糖浆。

2.1.2 果蔬加工中的应用

水果蔬菜加工中最常用的有果胶酶,纤维素酶,半纤维素酶,淀粉酶,阿拉伯糖

酶等。其中果胶酶已成为许多国家果汁、蔬菜汁加工的常用酶之一。利用果胶酶可以明显提高果汁澄清度,增加果汁出汁率,降低果汁相对黏度,提高果汁过滤效果。果胶酶主要由滋生物来生产,人们通过一系列诱变育种技术,可以筛选优良菌种[3]。随着人们对天然健康食品的不断需求,近年来,采用果胶酶和其他的酶(如纤维素酶等)处理可以大大提高出汁率,简化工艺步骤,并且可制得透明澄清的蔬菜汁。再经过种种调配就可以制成品种繁多的饮料食品,如胡萝卜汁,南瓜汁,番茄汁,洋葱汁饮料等。葡萄糖氧化酶可用于果汁脱氧化,国内外对其生产及固定化方法进行了深入的研究。特别是近年来,随着葡萄糖酸钙,葡萄糖酸锌,葡萄糖酸铁等葡萄糖酸系列产品的兴起,需求日益增加,因而开发性能优良的固定化葡萄糖氧化酶用以氧化葡萄糖生产葡萄糖酸具有实际意义。此外,柑橘类加工产品出现过度苦味是柑橘工业中较重要的问题。造成苦味的物质主要有两类:一类为柠檬苦素的二萜烯二内酯化合物;另一类为果实中多种黄酮苷。脱去苦味的方法:有吸附法和固定化酶法。吸附法是一次去除苦味物质,而酶法脱苦主要是利用不同的酶分别作用于柠檬苦素和柚皮苷,生成不含苦味的物质。工厂生产中常采用固定化柚皮甘酶减少柑橘类果汁中的柚皮苷含量。其载体常使用甲壳素、空心玻璃床(DEAE—Sephadex或单宁-6-氨基乙基纤维)、海藻糖、醋酸纤维和三醋酸纤维制成的膜[5]。

2.1.3 焙烤食品中的应用

酶在烘烤食品方面,可以增大面包体积,改善面包表皮色泽,改良面粉质量,延缓陈变,提高柔软度,延长保存期限。国外经试验表明,向面粉中添加0.1%的淀粉酶,就可以使面粉变得完善,大大改进产品的质量,因此国外都把面粉中的淀粉酶活力作为面粉质量指标之一。制作面包时,当面质很硬或需要面团具有特别的柔韧性和延伸性时加入蛋白酶,能改善面团物理性质和面包质量,使面团易于延伸,以较快速度成熟。在生产蛋糕过程中,鸡蛋液是主要的关键原料,要求具有良好的乳化性和持泡性,通过添加蛋白酶制剂可有效地改善鸡蛋液乳化性和持泡性。脂肪氧化酶添加于面粉中,可以使面粉中的不饱和脂肪酸氧化,同胡萝卜素发生共扼氧化作用而将面粉漂白。乳糖酶也用于加脱脂奶粉的面包制造中,它可以分解乳糖生成可发酵性的糖,促进酵母发酵,改善面包色泽[4]。

2.2 食品保鲜方面

生物酶用于食品保鲜主要就是制造一种有利食品保质的环境,它主要根据不同食品所含的酶和种类,而选用不同的生物酶,使食品所含的不利食品保质的酶受到抑制或降低其反应速度,从而达到保鲜的目的。例如葡萄糖氧化酶加在瓶装饮料中,吸去瓶颈空隙中氧而延长保鲜期;溶菌酶对革兰氏阳性菌有较强的溶菌作用,用于肉制品、干酪、水份 保鲜;细胞壁溶解酶可消除某些微生物的繁殖,已被用作代替有害人体健康的化学防腐剂,对食品进行保鲜储藏[5]。

2.3 食品分析与检测方面

由于酶具有特异性,因此,它适合于植物和动物材料的化合物的定性和定量分析。例如,采用乙醇脱氢酶测定食品中的乙醇含量;采用柠檬酸裂解酶测定柠檬酸的含量等。另外,在食品中加入一种或几种酶,根据它们作用于食品中某些组分的结果,可以评价食品的质量,这是一种十分简便的方法[5]。

3 展望

酶工程的发展在生物工程学科的发展中占有重要位置。21世纪,生物科学与生物工程的发展将进步揭示生命的奥秘,在世界科技和经济发展中起主导和支柱作用。作为生物工程重要组成部分的酶工程亦将飞速发展,前景广阔。生物酶在

食品加工过程中的应用取得了巨大的经济效益。其在食品加工中所起的作用是双方面的,有些酶的反应在加工中是不利的,特别是蛋白水解酶类,我们应力图避免;有些酶的反应是我们所希望的,如水果的成熟、芳香物质的产生、果胶的分解等等。如何在生产中利用酶的特性,以达到我们所期待的结果,同样具有深远的意义。根据各类食品的不同特性,同时结合不同酶制剂的特异效果,并很好地利用不同酶制剂之间,甚至酶制剂与其他食品添加剂之间的协同性,必然会给食品加工带来可观的经济效益。国际上大的酶制剂公司广泛采用基因工程、蛋白质工程、定向进化的高新技术,大大提高了菌种产酶能力,增加了酶的稳定性,提高了酶在各种环境中的反应效率[6-7]。新工艺要求新的酶,随着食品加工制作方法精细程度的提高,就应不断扩充酶的种类,不断提高酶的纯度。我国的酶制剂工艺起步晚,底子薄,虽然近年来发展很快,但我们也应清醒地看到,目前酶制剂工业的发展还不能适应国民经济的发展要求。我国的酶制剂与技术进入国际市场参与竞争还有相当大的难度,我们还必须继续学习,取人之长,紧跟国际酶工程技术的最新发展,提高我国的酶工程技术。酶制剂涉及粮食加工、油脂加工、调味品工业、乳品工业、特种营养食品制备等相关的企业,是一个尚未很好开发但有广阔前途的领域。

参考文献:

[1]张斌,金莉.固定化酶及其在食品中的应用[J].中国食品添加剂, 2006(1):147-151.

[2]袁勤生,赵健.酶与酶工程[M].上海:华东理工大学出版社,2005. [3]唐忠海,饶力群.酶工程技术在食品工业中的应用[J].食品研究 与开发,2004,25(4):10-14.

[4]陈红霞.酶工程研究及应用[J].化学工程师,2005(9):29-33.

[5]史先振.现代生物技术在食品领域的应用研究进展[J].食品研究 与开发,2004,25(4):40-43.

[6]尤新.积极开拓酶制剂的应用领域[J].中国食品添加剂,2001 (2):1-5.

[7]段杉,彭志英.食品工业新酶源[J].中国食品添加剂,2001(5):7 -11.

[8]完脂开发粮油食品科技第16卷2008年第3期章编号:1005-4014(2003)01-0021-04