酶工程在食品方面的应用

浅谈酶工程及其在食品领域中的应用

摘要：酶工程是现代生物技术的重要组成部分。酶作为生物催化剂,具有高催化效率,专一性强,反应条件温和及酶活性可以调控。本文介绍了酶工程和酶在食品领域中的应用，并对酶工程技术研究应用前景做了整体展望。

关键词：酶工程，固定化，食品

1.酶和酶工程

1.1简述酶和酶工程

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,且具有反应率高、反应条件温和、反应产物污染小、能耗低、反应容易控制等特点.这些特点比传统的化学反应具有较大的优越性.【1】酶工程技术是现代五大生物工程技术之一，是利用酶或者微生物细胞、动植物细胞、细胞器等所具有的某些功能，借助于工程学手段来提供产品或服务于社会的一门科学技术。酶工程技术的应用范围很广，主要包括酶的分离和提取、各类酶的开发和生产、固定化技术的研发、酶反应器的研制等几个方面【2】

1.2酶的来源、提取、分离和纯化

酶的来源主要有植物、动物和微生物。最早人们多从植物、动物组织中提取,例如从动物胰脏和麦芽中提取淀粉酶、从动物胃膜,胰脏、木瓜、菠萝中提取蛋白酶。酶是蛋白质，因此一切蛋白质的分离原则都应该遵行。酶作为特殊的蛋白质，最重要的原则是纯化过程中一定要保持其活性。酶的分离纯化化学方法一般很据酶的分子量、等电点、疏水性等生化性质，选择相应的沉淀、盐析、层析方法。

1.3酶的生产

微生物种类多,几乎所有酶都能从微生物中找到,而且它的生产不受季节、气候限制;由于微生物容易培养,繁殖快,产量高,故酶大多有微生物生产。近年来,随着基因工程技术的迅速发展,又为酶产量的提高和新酶种的开发开辟了新的途径。例如利用改良的过氧化物酶能够在高温和酸性条件下脱甲基和烷基,生产一些食品特有的香气因子。此外,运用基因工程技术,提高葡萄搞异构酶,纤维素酶,糖化酶等酶活力的研究也取得了一定的成绩。【4】基因工程的克隆流程包括:目的基因的获得、将目的基因克隆到合适的质粒载体;、将重组质粒转染细胞和表达产物的检测。其中，目的基因的获得主要有三条途径:以含有目的的基因的生物DNA 中获得、以DNA作为目的基因和用化学方法合成目的基因。在宿主体系的选择方面，目前在食品级酶的生产中,原核生物一般选用枯草杆菌、地衣芽抱杆菌、乳酶链球菌、嗜热链球菌等。真核生物一般以酵母和哺乳动物细胞作宿主细胞。【16】

1.4 固定化酶

1.4.1固定化酶简介

酶的固定化是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内，进行特有的催化反应，并可回收及重复利用的技术。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，反应以后会残留在溶液系统中不易回收，造成最终产品生化分离提纯操作上的麻烦。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。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。【6】

1. 4.2吸附法

吸附法是通过非特异性物理吸附法或生物物质的特异吸附作用将酶吸附在炭、有机聚合物、玻璃、无机盐、金属氧化物或硅胶等材料上。该方法又分为物理吸附法和离子吸附法。

此法简便，且酶变性的可能性较小。但是在酶和载体结合具有弱键的本质，在使用过程中易解吸，又由于载体具有非特异性吸附剂的本质，因此可能同时吸附除酶以外的其他物质【18】【5】

1.4.3包埋法

将酶或酶菌体包埋在多孔载体中使酶固定化的方法,称为包埋法。包埋法分为网格型和微囊型两类,其制备工艺简便且条件较为温和、可获得较高的酶活力回收。包埋法专用的载体主要有:明胶、聚酰胺、琼脂、琼脂糖、聚丙烯酰胺、光交联树脂、海藻酸钠、火棉胶等。包埋法根据载体材料和方法的不同,可以分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法。凝胶包埋法是将酶或酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中,制成一定形状的固定化酶的方法。微胶囊包埋法是将酶包埋在高分子半透膜中,制成微胶囊固定化酶的方法。【7】

1.4.4交联法

交联法是借助双功能基团试剂使酶蛋白分子之间或微生物细胞之间发生交联,聚合成网状结构,而制成固定化酶的方法。应用较多的载体有戊二醛、己二胺,异氰酸盐,氨基硅烷等。本法在固定化酶中应用较多,如美国诺伏实验室有限公司用戊二醛交联法已能大量生产固定化葡萄糖异构酶。【8】

1.4.5酶反应器的研制

为了提高固定化颗粒的强度,改善固定化颗粒的传递特性,调节固定化颗粒的比重,减少固定化过程中的活性损失,国内外酶学者进行不懈地努力,近一、二十年代来有关这方面的报道大量涌现。目前用食品添加剂生产中的生物反应器有:连续搅拌全混反应器、气升式和鼓泡式反应器、填充床反应器、流化床反应器、中空纤维膜反应器、转盘式生物反应器、筛板式反应器、交叉流动反应器、循环床反应器等等,品种繁多。由于生物反应物系理化性质复杂各异,迄今为止还没有一种通用的理想的反应器。譬如搅拌反应器,由搅拌产生的较大的剪切力,常常会破坏固定化细胞。气升式反应器中气泡容易凝并而造成气含率不足的现象,而填充床的传质系数和传热系数较低,容易产生给排气体不足的现象。膜反应器成本高,而且当细胞浓度高时,常常会引起膜破裂,反应液需预处理等等。总之,生物反应器的结构设计还不断地被改进以适应生产工艺需要。【12】

2,。酶在食品领域的应用

2.1 酶制剂在焙烤行业的应用

酶制剂可替代溴酸钾。溴酸钾是一种面粉强筋剂，也是致癌有害物。使用葡萄糖氧化酶、真菌淀粉酶、木聚糖酶、脂肪酶、糖基水解酶和谷氨酰胺转移酶等多种酶共同作用于面团，可全面提升面制品品质，达到甚至超过使用溴酸钾的效果。【19】酶制剂可使生物增白，如在面制品中使用脂肪酶，可代替化学增白剂，改善面制品内部的白度和组织结构，提高馒头表面的光亮度和白度，实现生物法增白。酶制剂可延长面制品货架期，如使用麦芽糖淀粉酶可延缓面包、馒头等面制品老化现象；【20】酶制剂可提供安全食品，如淀粉类食品在高温（>120 ℃）烹调下容易产生丙烯酰胺，使用适当的酶制剂处理淀粉类食物原料，在加工过程中可减少丙烯酰胺生成，不会影响食品原有风味，保证食品安全。【9】

2.2固定化酶在茶叶加工中的应用

茶饮料质量的提高，一方面是通过去除异味，提高适口性；另一方面是通过提高营养价值，提高人体对有益成分的吸收率。目前，固定化酶法已经开始应用于茶饮料中，并从上述两方面取得了良好的效果。例如，固定化的单宁酶和果胶酶。单宁酶是一种水解酶，可以水解没食子酸单宁中的酯键和缩酚酸键。将单宁酶应用于茶叶饮料可以改善茶饮料的品质。据报道用固定化的单宁酶处理红茶，可提高茶汤中可溶性铁和钙的含量。若在绿茶加工中使用单宁酶，可以部分消除夏秋茶苦涩味道，可提高茶饮料品质。果胶酶是作用于果胶质的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解为小分子物质。茶叶中的水溶