果胶酶的应用

果胶酶在果蔬饮料中的应用

摘要:果胶酶普遍存在于细菌、真菌和植物中,是分解果胶类物质的多种酶的总称,在果蔬加工、饲料、纺织和造纸工业中应用非常广泛。果胶酶在果蔬饮料中的应用非常广泛,本文介绍了果胶的组成和结构,论述了果胶酶的分类、作用机制及酶活测定方法, 讨论了果胶酶在果蔬汁的出汁率、澄清、超滤等方面的应用，并对果胶酶在果蔬饮料加工中的应用等

方面进行综述。

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,果品成了人类健康不可缺少的营养物质。我国有着丰富的果品资源,然而因果品本身营养丰富,含水量高,很容易受微生物侵染和腐蚀,保存期较短。为了充分利用资源优势,提高我国农产品在国际市场上的竞争能力,必须大力发展果品加工业【1】。但是目前果品加工中存在着不少难题,例如果汁和果酒的澄清,果实的脱皮、加工过程中香气成分和营养物质的损耗等。解决这些难题仅仅靠改进加工工艺或增加设备投资是很难实现的。而目前有许多难题已经通过酶工程的应用得到了很好的解决。酶工程就是为了使酶催化各种物质转化的能力实现可控制操作,把游离的酶固定化,或者把经过培养发酵所得到的目的酶活力高峰时的整个微生物细胞进行固定化,再应用于生产实践中的过程【2】。近年来,酶工程在果品加工中的应用非常广泛,所用的酶种类越来越多,数量也越来越大,人类已开发出应用于果蔬汁中的多种酶类,如果胶酶、果胶酯酶、纤维素酶、鼠李糖苷酶、中性蛋白酶、半乳甘露聚糖酶、液化葡萄糖苷酶等,其中使用最多的是果

胶酶。

1 果胶酶

国外对果胶酶的研究始于20世纪30年代至50年代已工业化生产。而国内的研究则始于1967 年,80年代末才开始工业化生产。随着我国水果种植和水果加工业的发展,对果胶酶的开发和应用也迅速发展。在果汁生产过程中,果胶酶可以快速彻底地脱除果胶,降低果汁黏度,利于果汁过滤,澄清滤液且澄清度稳定;减少化学澄清剂的用量,改善果汁质量;果胶酶利于压榨,可以有效地提高水果的出汁率,在沉降、过滤、离心分离过程中,改善果汁的过滤效率,利于沉淀分离,加速和增强果汁的澄清作用。经果胶酶处理的果汁稳定性好,可防止存放

过程中产生浑浊。

1.1 果胶酶的定义

果胶酶(pectolytic enzyme or pectinase)是指能够分解果胶物质的多种酶的总称【1】。是果汁生产中最重要的酶制剂之一,已被广泛应用于果汁的提取和澄清、改善果汁的

通量以及植物组织的浸渍和提取。

1.2 果胶酶的分类及作用机制

果胶酶可以分为3类:原果胶酶、解聚酶和果胶酯酶(PE)。各种酶作用方式如图1所示。原果胶酶将不溶性的原果胶水解为水溶性果胶,根据其作用方式不同又可分为外切酶和内切酶。一般用苯酚-硫酸法测定溶液中由原果胶释放出果胶物质的量来确定原果胶酶的活力。聚半乳糖醛酸酶(PG)分为外切酶和内切酶。PG内切酶广泛存在于真菌、细菌和很多酵母中,高等植物中也发现有内切酶的存在。内切酶作用于聚半乳糖醛酸时,随机水解其中的半乳糖醛酸单位,可使其溶液的粘度下降,但还原力增加不大。聚半乳糖醛酸酶的活力可以通过测定反应中还原能力的增加或者底物溶液粘度的降低来确定。聚半乳糖醛酸裂解酶(PGL)和聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(PMGL)分别通过反式消去作用切断果胶酸分子和果胶分子的α-1,4糖

苷键,生成β-4,5不饱和半乳糖醛酸。这两种裂解酶都分为外切酶和内切酶两种一些植物软腐病菌、食品腐败菌以及霉菌均能产生外切聚半乳糖醛酸酶。裂解酶的活力可以通过测定其

释放的不饱和糖醛酸数量来计算。

2 果胶酶在果蔬饮料生产中的应用

果胶酶作为果蔬汁生产中最重要的酶制剂之一,已被广泛应用于果蔬汁的提取和澄清、改善果蔬汁的可过滤性以及植物组织的浸渍和提取。目前,大部分原果汁、浓缩果汁的生产过程中,都在使用果胶酶,但由于各种水果中果胶含量差别较大, 而且果胶质的成分也有差异,因此,应根据水果的不同品种、不同加工目的来确定合适组成的果胶酶。

2.1 果汁的提取

目前果汁的提取方法主要是加压榨出和过滤,果汁加工时首先将植物细胞壁破坏。大多数植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶物质等组成,细胞壁的结构较紧密,单纯依靠机械或化学方法难以将其充分破碎。另外,果胶随成熟度的增加,酯化程度较高,也是影响出汁率的主要因素之一。用果胶酶处理可以破坏果实细胞的网状结构,提高果实的破碎程度,有效降低其黏度,改善压榨性能,提高出汁率和可溶性固形物含量,从而就能在压榨时达到提高出汁效率并缩短压榨时间的目的,同时把大分子的果胶物质降解后,有利于后续的澄清、过滤和浓缩工序[19]。例如在苹果汁生产中,苹果要先经机械压榨,然后离心获得果汁,但果汁中仍然含有较多的不溶性果胶而呈浑浊状。直接将果胶酶加到苹果汁中,处理后经加热杀菌、灭

酶、过滤得到澄清的果汁。

2.2 果胶酶能提高果蔬汁的出汁率

果胶酶是应用于果蔬饮料生产中最主要的酶类,它能较大幅度地提高果蔬饮料的出汁率,改善其过滤速度和保证产品贮存稳定性等。若添加果胶酶制剂,则可降低葡萄汁液的黏稠度,提高出汁率,减轻强度,缩短加工时间,获得色泽清亮、汁液清澈的葡萄汁[6]。例如,在苹果浓缩汁生产中,为了避免液化技术的缺点,很多厂商采用两阶段液化技术,或者称为果渣液化技术:首先在果浆中添加果胶酶,浸渍后压榨,或者不加果胶酶直接压榨; 接着将压榨后的果渣加水,之后加入果胶酶和纤维素酶进行酶解,然后压榨,从而大大提高苹果的出汁率。

2.3 果胶酶能使果蔬饮料澄清

果胶酶作用于果蔬汁时,除降低粘度外,还可产生絮凝作用,使果蔬汁澄清。澄清机理的实质包括果胶的酶促水解和非酶的静电絮凝两部分。果汁中有很多物质如纤维素、蛋白质、淀粉、果胶物质等影响澄清,且果胶物质是造成果汁混浊的主要因素。在樱桃汁的加工过程中,添加果胶酶使果胶水解,从而使樱桃汁黏度降低,过滤阻力减小,过滤速度加快;同时,由于樱桃汁中的悬浮果粒失去高分子果胶的保护,很容易发生沉降而使上层汁液清亮,在以后的澄清过程中,明胶澄清剂的加入量便可大大减少,甚至免加澄清剂。果胶酶还可以用于苹果汁、甘蔗汁[5]、蟠桃汁、桃杏李果汁等的澄清。添加果胶酶时,应使酶与果浆混合均匀,根据原料品种控制酶制剂的用量,并控制作用的温度和时间。若果胶酶与明胶结合使用,效果更佳。有时采用复合酶法澄清,如在澄清枣汁时,使用果胶酶和α-淀粉酶[4]。

2.4 果胶酶能提高超滤时的膜通量

利用超滤技术生产清汁及浓缩清汁在果蔬汁加工业中越来越流行。超滤比传统的过滤速度快、效果好,但它的主要缺点是由于果蔬汁中大量糖的存在,在超滤过程中会使超滤系统产生次生覆膜,降低了超滤通量。加入分解多糖物质的商品果胶酶,可减少次生覆膜的产生,

提高超滤通量,增加了产量。因此,脱胶对于获得较高的膜通量和浓缩比非常关键。除了可以提高膜通量,果胶酶还可用于超滤膜的清洗。与化学方法相比,利用果胶酶清洗超滤膜能100%地进行生物降解,而且可以在最佳pH、温度下作用,从而可以缩短清洗时间、增加超滤膜的通透量和使用寿命、增加产量、节省能源[12]。因此,将超滤技术与酶技术联用对发挥

超滤作用至关重要。

2.5 果胶酶能改善果蔬饮料的营养成分

利用果胶酶生产果蔬汁不仅提高了出汁率,而且保留了果蔬汁中的营养成分。首先果蔬汁的可溶性固形物含量明显提高，而这些可溶性固形物由可溶性蛋白质和多糖类物质等营养成分组成,果蔬汁中的胡萝卜素的保存率也明显提高。Chang Tungsun 等对果胶酶处理果汁的研究表明,酶处理后的果汁的葡萄糖、山梨糖和果糖含量显著提高,蔗糖含量略有下降,总糖含量上升[13,14]。甜玉米、胡萝卜的试验有相似的结果[15]。此外,由于果胶的脱酯化和半乳糖醛酸的大量生成, 造成果汁的可滴定酸度上升,pH下降[13,14]。芳香物质含量也有明显提高,经果胶酶处理后的葡萄汁,各种酯类、萜类、醇类和挥发性酚类含量提高,葡萄汁的风味更佳[16]。由于细胞壁的崩溃,类胡萝卜素、花色苷等大量色素溶出,大大提高了果蔬汁的外观品质。K、Na、Ca、Zn 等矿物质元素含量也有较大提高[17]。

2.6 果胶酶能改善浓缩果汁品质

果汁浓缩后,不仅流动性差,而且稳定性也差,因此果汁的浓缩也需先澄清和脱果胶,以避免浓缩时产生胶凝。果汁经酶处理去除果胶后再浓缩,所得浓缩汁有较好的流动性,并且重新稀释后仍是稳定的。尤其适用于柑橘类浓缩汁的生产。目前,果胶酶在果品加工中的应用还有果品软化、脱苦和去除异味等,不同活性比例的果胶酶制剂已在许多国家成为标准加工作业。随着酶技术本身的发展,果胶酶在食品工业尤其在果品加工业中的应用前景会更加广

阔。

2.7 果胶酶还可用于果实脱皮——脱除及净化果皮

含有纤维素和半纤维素的粗果胶酶制剂能够作用于果实皮层,使之细胞分离、结构破坏而脱落。如柑桔囊衣、莲子肉皮和大蒜膜层经粗果胶酶处理后,可以很快地脱落。此外,果胶酶对杏仁也有一定的脱皮作用[18]。目前,不同活性比例的果胶酶制剂已是降解果蔬细胞壁,改善压榨性能、降低粘度、增加出汁率,和提高营养成分不可省略的部分。在许多国家,添加果胶酶已是制造澄清或者浓缩的草莓汁、葡萄汁、苹果汁及梨汁的标准加工作业。随着酶技术本身的发展,果胶酶在果蔬汁中的应用前景会更加光明。

2.8 其他方面的应用

在葡萄酒生产中应用果胶酶,可以提高葡萄汁和葡萄酒的得率,增强葡萄酒的澄清效果,大大提高葡萄酒的过滤速度。果胶酶还可以提高超滤时的膜通量, 还可用于超滤膜的清洗。利用果胶酶清洗超滤膜能100%地进行生物降解,而且可以在最佳pH 值、温度下作用。缩短清洗时间、增加超滤膜的通透量和使用寿命、增加产量、节省能源。果胶酶是应用于果蔬饮料生产中主要的酶类,它可以较大幅度地提高果蔬品种的出汁率,改善其过滤速度和保证产品贮存稳定性。随着果汁和果酒行业的快速发展,果胶酶的需求和应用前景将极为广泛。

3 结论

目前,在果蔬汁加工业中已广泛采用果胶酶降解果蔬细胞壁以改善压榨性能、降低粘度、增加出汁率和提高营养成分。在食品加工比,酶的一个重要用途是使原科更易于处理,

增加产品的得率,使用果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶可促进细胞分离,细胞壁变软,这特别适于水果和蔬菜[9]。果胶酶作用于果胶质中D-半乳糖醛酸残基之间的糖苷键,使高分子的聚半乳糖醛酸降为小分子物质。因此,它在食品工业有重要的应用价值。果胶酶是应用于果蔬汁生产中且主要的酶类,它可以较大幅度地提高果蔬品种的出汁率,改善其过滤速度和保证产品贮存稳定性。随着软饮料行业的快速发展,果胶酶的需求和应用前景将极为广泛。目前我国对果胶酶的工业化应用还处于相对滞后的状态,为提高果胶酶的使用率,简化产品提纯工艺并达到连续化生产的目的,将果胶酶固定于廉价载体上已成为国际上研究的一项重要

课题[8]。

纤维素酶的应用现状

纤维素酶从被发现起就受到世界各国生物界的关注。当今世界，能源和资源日趋危机，人们希望能借助纤维素酶将地球上最丰富（占全球总生物量80%）、最廉价的可再生资源纤维素转化为能直接利用的能源和资源。目前纤维素酶已被广泛应用到医药、食品发酵、烟草及饲料等各个领域。

纤维素酶在食品工业上的应用

纤维素酶用于果蔬汁加工可有利于细胞内物质渗出，增加出汁率，还可以减少压榨时压力，具有澄清作用。纤维素酶处理大豆，可促使大豆脱皮，增加从大豆或豆饼中提取优质溶性蛋白质的收得率，亦可用于回收豆渣中的蛋白质和油脂。

植物性农林产品和副产品是食品工业的主要原料，而在食品加工过程中利用的主要是植物细胞的内含物，如蛋白质、淀粉、油脂、芳香油、可溶性生物碱、色素等。这些天然成分被植物细胞包裹或与细胞壁紧密相连。植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素和果胶等。用纤维素酶作适当处理可使细胞壁发生不同程度的改变，如软化、膨胀和崩溃等，从而改变细胞的通透性，提高细胞内含物的提取率；同时可简化食品加工工艺，改善食品的品质。纤维素酶也可用于从豆渣中回收蛋白质或油脂。在淀粉加工中，用纤维素酶处理谷物可缩短淀粉提炼时间增加收率。

纤维素酶在酿造及发酵工业上的应用

白酒酿造所用原料中纤维含量较高，使用纤维素酶后，可同时将淀粉和纤维素转化为糖，原料利用率提高。再经酵母分解全部转化为酒精，发酵过滤性好，发酵时间缩短，出酒率提高3%~5%，且酒体质量纯正，淀粉和纤维利用率高达90%，还可降低醪液的黏度（降低2~4倍）。利用纤维素酶进行酒精浓醪发酵，前景十分看好。此外，用野生果实酿酒时，加入纤维素酶后，出酒率可提高7.6%，最高可达29.5%。

酱油天然酿造除了用蛋白酶、淀粉酶等各种酶作用的方法外，也可在入池发酵时加入纤维素酶，使大豆类原料的细胞膜膨胀软化，从而将包藏在细胞中的蛋白质、碳水化合物释放，这样可以缩短酿造时间，成品酱油的氨基酸含量可提高12%，糖分提高18%，色泽好，且不需要外加糖色。

此外在酱油槽上利用也有效果，在浓度为2.5%的酱油槽中加入1%的纤维素酶，pH为

3，温度为45℃，作用18~24h，能使槽中30%~40%的含氮物质溶出。过滤后，滤液具有和酱油一样的香味。

纤维素酶用于固态无盐酱油发酵，能将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质呈裸露状态，便于蛋白酶分解蛋白质，提高酱油收得率，加快发酵速度，改善酱油风味和质量，酶制剂用量仅为0.0125%，酱油中还原糖增加10.7%，色度提高4.2%，全氮和原料利用率分别比不加纤维素酶提高8.6%和8.1%。

维素酶是一种新型高活性催化剂，在工业发酵、食品加工、纺织印染、制浆造纸和洗涤剂等行业中得到广泛应用

。由于植物细胞壁的主要成分是纤维素、半纤维素、果胶等。适当使用纤维素酶，一方面可将纤维素水解成葡萄糖等有效成分，另一方面，可使细胞壁发生不同程度改变，如软化、膨胀和崩溃等，通过提高植物细胞壁通透性而提高细胞内含物(蛋白质、脂肪、淀粉)的提取率。纤维素酶在食品工业主要有以下的应用：

1.果蔬加工中的应用

在果蔬加工过程中，若采用纤维素酶处理，不仅可以因避免热烫、酸碱处理等造成的营养物质损失，还可以使植物组织软化，有利于细胞内物质渗出、提高出汁率、促进汁液榨取和澄清作用，减少压榨时间，改善口感，简化工艺。纤维素酶在果蔬罐头，果汁澄清、糖渍果品、果酱上生产均有应用。

2.纤维素酶在细胞内含物及活性物质提取中的应用

纤维素酶用于处理大豆，可促使其脱皮，同时，由于它能使胞壁破坏，使包含其中的蛋白质、油脂完全分离，增加从豆类中提取优质水溶性蛋白质得率，以及从大豆和豆饼中提取优质水溶性蛋白质和油脂的获得率，提高了产品质量。纤维素酶用于淀粉制造，可缩短时间，增加得率。同时也可以用于提高活性物质的提取得率

3.纤维素酶在茶叶加工、速溶茶方面的应用

生产上常用热水浸提法提取茶叶中的有效成分。目前速溶茶存在的问题是制率低,制成的茶饮料稳定性差，而在萃取中加入果胶酶、纤维酶可以提高茶叶的萃取率及茶汤固形物含量。若用纤维素酶处理茶叶制备速溶茶，既可缩短抽提时间，又可提高水溶性较差的茶单宁、咖啡因等的抽提率，制成速溶茶不仅保持茶叶天然的色、香、味和营养成分，且无不溶性渣滓，饮用方便调用。

4.在发酵工业中的应用

在酿酒工业中，由于原料品种不一，所含纤维素不同，传统发酵对酒醅的酸度、粘度要求比较高，原料要适当粉碎，不宜太细也不宜太粗，并适当添加稻糠等疏松辅料，造成许多颗粒原料外衣包藏淀粉，不能彻底进行糖化发酵，使残糖偏高。纤维素酶对纤维有降解作用，

能破坏间质细胞壁的结构，使其内含物释放出来，利于糖化酶的作用。使用纤维素酶可以将高粱、小麦等原料淀粉中3%左右的纤维素和半纤维素转化为可发酵性糖，使原料的可利用碳源增加，进而提高出酒率，还可以降低发酵液的粘度。

纤维素酶用于固态无盐酱油发酵，能将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质呈裸露状态，便于蛋白酶分解蛋白质，提高酱油得率，加快发酵速度，改善酱油的风味和质量。

5.纤维素酶生产单细胞蛋白

用纤维素酶生产单细胞蛋白的方法主要有两种：一种是先将纤维素经纤维素酶等水解后再由微生物生产单细胞蛋白；另一种是直接利用纤维分解菌发酵纤维素产生单细胞蛋白，即使用2种或多种菌进行，第一种菌通常是作为分解菌，其余的是在纤维素降解的基础上生长，增加菌体量。