第12章—专题介绍

2 极端酶在食品工业中的应用
2.1 嗜热酶
2.1.1 嗜热酶的结构特性 嗜热酶具有耐高温的特性，它的耐热性主要是 嗜热酶具有耐高温的特性 ， 由分子内部结构决定的。 由分子内部结构决定的 。 维持其内部立体结构的化 氢键、 学键和物理键，特别是氢键、二硫键的存在及数量 氢键 与酶的热稳定性有关。一般认为，当这些键存在及 与酶的热稳定性有关 数量增加时，酶的热稳定性增强；这些键断开，则 酶的热稳定性降低或丧失。此外，分子量较小的蛋 白质一般比分子量较大的蛋白质有更大的热稳定性。
（2）嗜碱酶在食品中的应用 ）
嗜碱酶在食品中的应用比较广泛，这类酶不仅具有 比较强的耐碱性，而且还具有一定的耐热性。 淀粉加工 * 从嗜碱芽孢杆菌H-167中分离的碱性淀粉酶在55℃ 时活性最大，在pH12时仍能保持活性，此酶在加工 淀粉时产品为麦芽二糖，已在食品工业中应用。
3 极端酶发展前景
极端酶推动了传统酶制剂工业的发展，但是，至今 只有一小部分极端酶被分离纯化，应用于生产实践 的极端酶则更少，很明显极端酶还有很大的潜在价 值没有被我们认识和利用。随着越来越多的极端微 生物被分离鉴定、极端酶被分离纯化和极端酶工程 研究的进展，极端酶在食品工业的应用将会得到进 一步拓展。
2.2 嗜冷酶
2.2.1 嗜冷酶的结构特性 在低温条件下具有高催化效率和高柔顺性分子构象， 在低温条件下具有高催化效率和高柔顺性分子构象， 是低温酶中普遍存在的酶学特性。 是低温酶中普遍存在的酶学特性。 通过对嗜冷酶的蛋白质模型和χ-射线衍射分析的结果 表明，嗜冷酶具有不同于一般中性酶的结构：嗜冷酶分 子之间的作用力较弱，与溶剂间的作用力较强，使酶结 构的柔韧性增加，从而在低温下容易被底物诱导产生催 化作用。当温度提高时，嗜冷酶的弱键则容易被破坏而 变性失活。
1 极端微生物及极端酶
极端微生物由于长期生活在极端的环境条件下， 为适应环境，在其细胞内形成了多种具有特殊 功能的酶，即极端酶。它们能在各种极端环境 中稳定地起催化作用。 根据极端微生物的分类，相应地将极端酶分为 嗜热酶、嗜冷酶、嗜酸酶、嗜碱酶、嗜压酶、 嗜盐酶、耐有机溶剂酶等。
食品相关的极端酶
2.1.2 嗜热酶在食品工业中的应用
嗜热酶在高温下反应效率高、稳定性好，因而可克服 中温酶在应用过程中常出现的生物学不稳定的缺点， 从而使许多高温化学反应得以实现。 由于嗜热酶可在高温下参加反应，可大大提高反应成 分的溶解度；并且很少有杂菌能在此条件下生存，从 而避免了体系被杂菌污染；同时还能减少细菌代谢物 对产物的污染，提高产物的纯度。
第12章 极端酶的结构及其在食 12章 品工业中的应用
主要内容：
1 极端微生物及极端酶 2 极端酶在食品工业中的应用 3 极端酶发展前景
随着食品工业化生产的发展，酶作为生物催化剂已 越来越引起人们的关注。但在应用中常常会出现不 稳定性，尤其在高温、强酸、强碱和高渗等极端条 件下容易失活，制约着酶技术的发展。而运用化学 修饰、固定化及定向进化等技术，仅在一定程度上 提高酶的稳定性，还远达不到工业生产的要求。 开发能在各种极端环境中起生物催化作用的酶，是 人们当前急需解决的问题。
调味剂的生产 目前调味剂主要是应用蛋白酶水解肉类产生的。 应用嗜热酶可以减少作用时间，降低酶的用量，从而 有效地降解肉类，生成出高质量的多味肽。 淀粉加工 高温α一淀粉酶和糖化酶在玉米淀粉深加工中得到 大量使用。将玉米淀粉水解成葡萄糖过程中，高温将 有利于淀粉溶解于水中从而促进水解。
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奶制品工业 嗜热β-半乳糖苷酶可用于生产低乳糖食品，改 善乳制品的风味和营养；此外，在水解过程中还会 发生转糖苷反应，生成具有多种功能的低聚乳糖。 啤酒 一些具有耐热活性的α-淀粉酶已用于酒精、啤 酒及其他发酵工业生产。同时在啤酒中应用β-葡聚糖 酶可以提高麦汁分离速度，降低啤酒浑浊度，减少 胶状沉淀。
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嗜热酶分子的许多微妙结构很可能与热稳定性有关。 嗜热酶分子的许多微妙结构很可能与热稳定性有关。 例如稍长的螺旋结构、三股链组成的 折叠结构 、 稍长的螺旋结构、三股链组成的β-折叠结构 折叠结构、 稍长的螺旋结构 C和N端氨基酸残基间的离子作用以及较小的表面环 和 端氨基酸残基间的离子作用以及较小的表面环 等。这些构造形成了嗜热酶紧密而有韧性的空间结 构，提高了热稳定性。 由于人们研究嗜热酶热稳定性的方法不同，得出的 结果也不同，目前还没有统一的机理来解释其变化 的本质。
乳品加工 使用嗜冷的凝乳酶，可防止剩余的蛋白质水解。 脂酶则可用于乳制品和黄油的增香、生产类可 可脂、提高鱼油中n-3系多聚饱和脂肪酸含量等，从 而改变食品的风味。
2.3嗜酸酶和嗜碱酶 嗜酸酶和嗜碱酶
嗜酸菌和嗜碱菌的细胞保持中性pH的内环境，其 胞内酶仍属于中性酶，但其胞外酶，如淀粉酶和蛋白 酶在极高或极低的pH值环境中保持稳定和活力，因而 称之为嗜酸酶和嗜碱酶。 在嗜极菌的酶学研究中发现：与中性酶相比，嗜 与中性酶相比， 与中性酶相比 酸酶在酸性环境的稳定性是由于酶分子所含的酸性氨 酸酶在酸性环境的稳定性是由于 酶分子所含的酸性氨 基酸的比率高，尤其在酶分子的表面； 基酸的比率高 ， 尤其在酶分子的表面 ； 而嗜碱酶对碱 的稳定性则因为其酶分子含碱性氨基酸的比率高。 的稳定性则因为其酶分子含碱性氨基酸的比率高。 其酶分子含碱性氨基酸的比率高
糖浆生产 玉米糖浆转化为高果糖浆的最后一步是固定化 葡萄糖异构酶在60℃下催化葡萄糖转化为果糖，如 将此酶换成嗜热性的异构酶，再升高体系的温度， 将极有利于提高果糖产量。 此外，耐热木糖异构酶也能催化葡萄糖异构成 果糖。其异构程度与温度有关，温度高，果糖产量 大。现已研制出在100℃左右的木糖异构酶，用于生 产高果糖浆。
2.2.2 嗜冷酶在食品工业中的应用
低温酶能够广泛应用于食品工业的两大要素， 低温酶能够广泛应用于食品工业的两大要素， 就是 它们在低温环境中的高催化活力和在中高温度条件 下的热不稳定性。 下的热不稳定性。 嗜冷酶的应用不但可利用其高特异活性，节省酶量， 而且也因其易失活，当达到最佳效果后，只需在中 等温度下保持较短时间就可使酶失活，这样对食物 的口感和质量有很好的保持作用，而不必担心酶的 持续作用改变食物的结构。
嗜酸酶和嗜碱酶在食品中的应用
嗜酸酶和嗜碱酶能在极端pH条件下进行催化反应， 可用于食品加工中的呈酸或呈碱的环节，而不需再 调pH值。
（1）嗜酸酶在食品中的应用 ）
嗜酸酶能够在pH较低的情况下起催化作用，甚至在 胃酸的条件下也能保持稳定和活力。它应用于食品 工业上，主要是帮助谷物在胃里消化成能被胃接受 的小分子，从而提高胃的消化能力。 可用于加工酸性奶酪、淀粉的酸解和酶解中；还有 一些从嗜酸热古菌中分离得到的β一糖苷酶可用于纤 维素的降解。
牛奶加工 将嗜冷性的β-半乳糖苷酶用于牛奶工业中，可 用于降解奶制品中乳糖含量，使许多对乳糖敏感的 人能饮用。不仅可简化工艺、缩短水解时间，还有 效控制细菌污染、提高奶制品的质量。 果汁提取工业 嗜冷的果胶酶在果汁提取的过程中，能够起到 降低粘度、澄清终产品等作用。
肉类加工 肉类柔嫩酶在低温下可作用于肉类中的结缔组 织胶原和弹性硬蛋白，并可在50℃左右失活，在较 低pH（pH4-5）下也具有良好的活性，有助于使肉 变嫩。 烘烤工艺 淀粉酶、蛋白酶和木聚糖酶直接作用于淀粉， 可以改进面团和面包屑的性质，从而减少生面团发 酵时间，提高生面团和面包心的质量，同时还保持 香味和水分。