食品添加劑酶制劑的有效應用

發布時間：2024-06-17 17:06 原文鏈接：食品添加劑酶制劑的有效應用

了解酶蛋白的共性、催化特性和各種影響催化反應的因素，控制外界條件，對于合理、正確使用食品添加劑酶制劑、防止酶失活，提高催化反應的效率有重要意義。

1.溫度

溫度是影響催化作用的最重要因素之一，在一定條件下，每種酶都有一個最適作用的溫度，在此溫度下酶活力最高，作用效果最好，酶也較穩定，酶催化反應的速度增加和酶活力的熱變性損失達到平衡，這個溫度便是酶作用的最適溫度。每種酶還有一個活性穩定的溫度，在此溫度下在一定的時間、pH和酶濃度下，酶較穩定，不發生或極少發生活力下降，這一溫度為酶的穩定溫度。超過穩定溫度進行作用，酶會急劇失活。酶的這種熱靈敏性，可用臨界失效溫度Tc表示，指酶在1h喪失一半活力的溫度。所以，一般只有在酶的有效溫度范圍內，才能進行有效的催化作用，溫度每升高10℃，酶反應速度增加1～2倍。溫度對酶作用的影響還與其受熱的時間有關，反應時間延長，酶的最適溫度會降低。另外，酶反應的底物濃度、緩沖液種類、激活劑和酶的純度等因素，也會使酶的最適溫度和穩定溫度有所變化。

2.pH值

pH值能改變酶蛋白和底物分子的解離狀態。每種酶僅在較窄的pH范圍內才表現出較高的活力，該pH值即是酶作用的最適pH值。一般來說，酶在最適pH值表現最穩定，因此酶作用的pH值也就是其穩定的pH值。酶反應pH值過高或過低，酶都會受到不可逆的破壞，穩定性、活力下降，甚至失活。不同酶的最適pH范圍不同，偏酸性、中性、偏堿性的都有。比如根據作用最適pH值，常把蛋白酶分為酸性蛋白酶、中性蛋白酶和堿性蛋白酶。酶作用pH值也是一定條件下，測得的參數。溫度或底物不同，酶作用的最適pH不同，溫度越高，酶作用的穩定pH范圍越窄。因此，在酶催化反應過程中，必須嚴格控制反應的 pH值。

3.底物濃度和酶濃度

底物濃度是決定酶催化反應速度的主要因素，在一定的溫度、pH及酶濃度的條件下。底物濃度很低時，酶的催化反應速度隨底物濃度的增加而迅速加快，兩者成正比。隨著底物濃度的增加，反應速度減緩，不再按正比例升高。底物濃度[S]和酶催化反應速度V之間的關系，一般可用米氏方程式表示。有時底物濃度很高，還會因底物抑制作用造成酶反應速度下降。當底物濃度大大超過酶濃度，酶催化反應速度一般與酶濃度成正比。此外，如果酶濃度太低，酶有時會失效，使反應無法進行。在食品加工中所進行的酶催化反應，酶用量一般比底物量少許多，也要考慮酶的成本因素。

4.激活劑

許多物質具有保護和增加酶活性的作用，或者促使無活性的酶蛋白轉變成有活性的酶，這些物質統稱為酶激活劑。激活劑可分為三類：第一類是無機離子，如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、、Mg²⁺、Cu²⁺、Co²⁺ 、Zn²⁺等陽離子，以及Cl^-、NO^3-、PO₄^3-、SO₄^2-等陰離子。第二類是分子較小的有機物，主要是維生素B族及其衍生物。第三類是具有蛋白質性質的高分子物質。激活劑對酶催化反應速度的影響與底物濃度相似，但在實際生產中應用很少。

抑制劑

許多物質可以減弱、抑制，甚至破壞酶的作用，這些物質稱為酶的抑制劑。如重金屬離子、一氧化碳、硫化氫、有機陽離子、乙二胺和四乙酸等。實際生產中，要了解和避免抑制劑對酶催化作用的影響。

其他許多物理因素對酶的活性有較大影響，甚至使其變性失活。在實際應用中，由于濕度、pH對酶的變性是不可逆的，故應嚴格控制好pH值，一般必須先調節pH，再加入酶，為使用的關鍵點。然后再調節控制溫度及添加適量的金屬離子激活劑，了解酶制劑使用的有關注意事項，避免克服其它因素的不利影響，使酶有適宜的作用條件和環境。

制劑的一般保存方法應根據酶的性質決定，由于酶不太穩定，易受各種因素的影響而失去活力。要使酶長期保存而不失去活性，關鍵在于干燥和低溫。酶制劑水分含量越高，越易失活，故一般粉狀酶制劑易于保存和運輸。熱和光照都易使酶失去活性，因此，酶制劑應密閉儲存在低溫避光處。酶的底物和某些物質具有保護酶的作用，如淀粉對淀粉酶有保護作用，所以往往將淀粉酶吸附在淀粉上保存。有時也可加入對淀粉酶有保護作用的碳酸鈉。此外，還應注意保存容器的材料，因為有些金屬離子也能引起酶失去活性或抑制酶的活力。

常用酶制劑的有效應用方法

1. 淀粉酶

（1）α-淀粉酶 α-淀粉酶在高濃度淀粉保護下,α-淀粉酶的耐熱性很強，在適量的鈣鹽和食鹽存在下，pH值為5.3～7.0時，溫度提高到93～95℃仍能保持足夠高的活性。為便于保存，常加入適量的碳酸鈣等作抗結劑防止結塊。 α-淀粉酶可以水解淀粉內部的α-1,4糖苷鍵，水解產物為糊精、低聚糖和單糖，酶作用后可使糊化淀粉的粘度迅速降低，變成液化淀粉，故又稱為液化淀粉酶、液化酶、α-1,4-糊精酶。α-淀粉酶以鏈淀粉為底物時，反應一般按兩階段進行。首先，鏈淀粉快速地降解，產生低聚糖，此階段鏈淀粉的粘度及與碘發生呈色反應的能力迅速下降。第二階段的反應比第一階段慢很多，包括低聚糖緩慢地水解生成最終產物葡萄糖和麥芽糖。α-淀粉酶作用于支淀粉時產生葡萄糖、麥芽糖和一系列α-限制糊精（由4個或更多個葡萄糖基構成低聚糖），后者都含有α-1,6糖苷鍵。

α-淀粉酶分子中含有一個結合得相當牢固的鈣離子，這個鈣離子不直接參與酶－底物絡合物的形成，其功能是保持酶的結構，使酶具有最大的穩定性和最高的活性。α-淀粉酶依來源不同最適pH在4.5～7.0之間，從人類唾液和豬胰得到的α-淀粉酶的最適pH值范圍較窄，在6.0～7.0之間；枯草桿菌α-淀粉酶的最適pH范圍較寬，在5.0～7.0之間；嗜熱脂肪芽孢桿菌α-淀粉酶的最適pH值則在3.0左右；高粱芽α-淀粉酶的最適pH值范圍為4.8～5.4；小麥α-淀粉酶的最適pH值在4.5左右，當pH值低于4時，活性顯著下降，而超過5時，活性緩慢下降。

根據α-淀粉酶的熱穩定性可分為耐高溫α-淀粉酶和中溫α-淀粉酶。在耐高溫α-淀粉酶中，由淀粉液化芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌產生的酶制劑已被廣泛地應用于食品加工中。溫度對這兩種酶的活力影響不同，地衣芽孢桿菌α-淀粉酶最適溫度為92℃，而淀粉液化芽孢桿菌α-淀粉酶的最適溫度僅為70℃，除熱穩定性存在差別外，這兩種酶作用于淀粉的終產物也不相同。

（2）β-淀粉酶與α-淀粉酶相比，β-淀粉酶是一種外切酶，從淀粉分子的非還原末端按順序地將麥芽糖殘基裂開。利用β-淀粉酶來消化淀粉的最終產物是分子質量比α-極限糊精更大的糊精。工業上，α-淀粉酶一般與脫支酶一起用來生產麥芽糖漿。麥芽糖漿比葡萄糖漿更容易吸潮且顏色更加穩定，其還原型的結晶體和低粘性，在冷凍點心和糖果工業中已經普遍開發利用了。

β-淀粉酶的熱穩定性與來源有關。大麥中的β-淀粉酶熱穩定性低于α-淀粉酶。在鈣離子存在的條件下，于70℃加熱α-淀粉酶和β-淀粉酶混合物，使β-淀粉酶失活。在65℃和pH5.5時加熱30min，可使大豆β-淀粉酶的活力損失50％，而在70℃加熱30min可使酶完全失活。甘薯β-淀粉酶處在天然狀態，即使加熱到60～65℃，酶活力仍然沒有顯著損失，然而在使用結晶甘薯β-淀粉酶水解淀粉時，所采用的溫度是35℃。

（3）異淀粉酶和普魯蘭酶(Isoamylase,Pullulanase)

異淀粉酶和普魯蘭酶都是脫支酶，專一地作用于多糖中α-1,6鍵，因此，利用這些酶進行水解，可除去其它糖化酶對淀粉進攻的障礙。這些酶通常和其他酶一起用來增加糊精化程度。例如，若用來和糖化酶一起生產高葡糖漿時，需要的葡萄糖淀粉酶的量減少而且葡萄糖－異麥芽糖的回復也將降低。同樣，當普魯蘭酶和β-淀粉酶一起作用時，可將液化后的淀粉漿轉化成麥芽糖漿，麥芽糖的產量較β-淀粉酶單獨起作用時增加不少。普魯蘭酶和真菌淀粉酶的聯合水解作用，也可生產出發酵能力更強的葡萄糖漿，因為可發酵的麥芽三糖的產量增加了。普魯蘭酶具有很大的商業價值，可與糖化酶結合使用，提高糖化率，產量也得到提升。近來，從梭菌菌株中分離得到高耐熱性的普魯蘭酶，在溫度高達90℃以上時仍有活性，可應用于液化和糖化工藝中，既可和α-淀粉酶一起應用，也可單獨應用。

（4）糖化酶(Glucoamylase)

糖化酶（E.C.3.2.1.3又稱糖化淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶、葡萄糖淀粉酶和糖化型淀粉酶）一般為黑褐色液體制品，含有若干蛋白酶、淀粉酶或纖維素酶，室溫條件下，至少可穩定4個月。最適pH為4.0～4.5，最適溫度為60℃,粉末制品在室溫下至少保存1年，最適pH為4.5～5.0，最適溫度為55℃。

糖化酶是一種外切酶，從淀粉分子非還原性末端逐個地將葡萄糖單位水解下來。當它裂開淀粉分子中的α-1,4-糖苷鍵時，將C(1)的構型從α轉變為β型。商業上各種不同純度的葡萄糖淀粉酶主要由霉菌中的曲霉和根酶產生。

糖化酶具有較低的特異性，既能作用于α-1,4糖苷鍵，又能作用于α-1,3糖苷鍵和α-1,6糖苷鍵。然而水解這三種糖苷鍵的速度是不同的。

2.蛋白酶

（1）胰蛋白酶(Trypsin，Trypsase，Trypsinase) 胰蛋白酶是胰臟中主要的蛋白酶，是所有蛋白酶中研究得最徹底的一種，主要是它不僅在食品工業中廣泛應用，還是一種重要的消化酶。為白色至淺棕黃色無定形粉末，可溶于水，幾乎不溶于乙醇、甘油、氯仿和乙醚。胰蛋白酶具有較高的特異性，僅能作用于幾種肽鍵。一般由豬或牛的胰腺抽提而得。雖然哺乳類動物胰蛋白酶的氨基酸殘基的數目和順序因動物品種不同而稍有變化，但都是絲氨酸蛋白酶，且作用的機制也相同。胰蛋白酶在pH低于6時非常穩定，在pH3時最穩定，較高的pH值，會產生自動催化，即自我消化作用而遭破壞。酶作用于蛋白質和大多數合成底物時的最適pH范圍是7～9。胰蛋白酶可抑制乳的氧化風味，生產水解蛋白質。亦用于烘烤、肉類嫩化等。

（2）木瓜蛋白酶(Papain) 與其他蛋白酶相比，木瓜蛋白酶具有較高的熱穩定性。木瓜蛋白酶對蛋白質有極強的加水分解能力，可被用來改善植物蛋白的營養價值或功能性質。

1）主要用于啤酒抗寒，即水解啤酒中的蛋白質避免冷藏后引起混濁，使用量0.5～5mg/kg，現已開始使用固定化木瓜蛋白酶，其優點是將酶處理安排在啤酒巴氏殺菌之后，利用固定化酶能較精確地控制蛋白質降解程度，使啤酒中保留一些蛋白質，對穩定啤酒泡沫十分有利；肉類嫩化，即水解肌肉蛋白中的膠原蛋白，使用量為宰后注射0.5～5mg/kg；用于餅干、糕點松化，可代替亞硫酸鹽，既有降筋效果又提高了安全性。

2）在動、植物蛋白食品加工方面，如用于蛋白質水解產物和高蛋白飲料，可提高產品質量和營養價值，提高產品消化吸收率；在醬油釀造中加入本品和其他酶，可提高產率和氨基酸含量；在制造啤酒麥芽汁時，加入本品和其他酶，可減少麥芽用量，降低成本，使用量為0.1%。

3）可用作凝乳酶的代用品和干酪的凝乳劑。

（3）凝乳酶(Chymosin) 干酪生產中應用的凝乳酶主要有三個來源：動物凝乳酶（如小牛皺胃酶、羔羊皺胃酶、胃蛋白酶等）；植物凝乳酶（如木瓜蛋白酶、無花果蛋白酶等）；微生物凝乳酶（如毛霉凝乳酶、細菌凝乳酶等）。其中動物凝乳酶在干酪生產中使用最早，應用最為廣泛。皺胃酶，因被廣泛用于生產干酪是食品工業中最有價值的酶之一，屬羧基蛋白酶，主要從未斷奶的小牛、小山羊或羊羔第四胃的水抽提而得無活性的酶原，酶原經受部分水解轉變為活酶，分子量從36萬降至3.1萬。澄清的琥珀至暗棕色液體，或白色至淺棕黃色粉末，略有咸味和吸濕性。干燥品活性穩定，在溶液中不穩定。稍溶于水、烯乙醇。水溶液的pH值約5.8，對牛奶的最適凝固pH值為5.8，最適溫度為37～43℃,在15℃以下、55℃以上無活性。此酶在牛乳中的酪蛋白中的苯丙氨酸和亮氨酸之間裂解，導致凝乳，商品凝乳酶1g加入10升牛奶， 35℃下可在40min內凝固。近年來，世界干酪產量逐年上升,對凝乳酶的需求也不斷增大，來源廣泛、價格便宜的植物凝乳酶和微生物凝乳酶越來越受到人們的重視。

凝乳酶廣泛應用于干酪制造，需制造干酪時，將乳凝結；在干酪成熟過程中，幫助形成風味和質構；亦用于酶凝干酪素及凝乳布丁的制造。

（4）蛋白酶(Protease) 蛋白酶近乎白色至淺棕黃色無定形粉末或液體。溶于水，水溶液一般呈淡黃色。幾乎不溶于乙醇、氯仿和乙醚。主要作用是使蛋白質水解為低分子蛋白胨、多肽及氨基酸。天然品存在于動、植物及微生物等中，工業應用品以霉菌生產為主。由米曲霉制得的產品在pH6.0時的最適溫度為45～50℃。由黑曲霉制得的產品亦稱酸性蛋白酶，最適pH為2.5，最適溫度45℃。濃度為2×10^-3mol的銅離子或錳離子有強烈激活作用，銀離子和汞離子則有抑制作用。

黑曲霉主要用于水解蛋白的生產，如濃縮魚蛋白、氨基酸調味料之類；米曲霉主要用于啤酒的抗寒；烘烤制品降低面團攪拌時間；水解面筋以增加面團柔軟性；防止蘇打餅干片狀面團進入烘爐時的卷曲；改進面包風味；肉類軟化，水解肌肉蛋白和膠原蛋白，使肉類嫩化等。酸性蛋白酶主要用于凝乳，制造干酪。

（5）脂肪酶(Lipase) 脂肪酶主要用于干酪制造中脫脂和使產品產生特殊香味（主要是增加揮發酸和風味脂肪酸）、脂肪改性、脂類水解，以防止某些乳制品和巧克力等產品中的油脂蠔敗。使牛奶巧克力和奶油蛋糕產生特殊風味的優良制劑。加入蛋白中以分解其中可能混入的脂肪，從而提高其發泡能力。在釀酒中，加入脂肪酶可縮短釀酒時間，改善酒的風味等。

（6）果膠酶(Pectinase) 果膠酶主要用于果汁澄清，提高果汁過濾速率，降低果汁粘度，防止果泥和濃縮果汁膠凝化，提高果汁得率，以及用于果蔬脫內皮、內膜和囊衣等。在蘋果汁的加工中加入果膠酶可以減輕提取果汁的困難和促進果汁中懸浮粒子能用沉降、過濾或離心的方法分離。在葡萄汁生產中果膠酶的加入提高了壓榨提取率，生產出色澤良好的澄清果汁。用果膠酶脫出蓮子內皮、蒜內膜時加入pH為3.0的酶液中產品果味濃郁、品質提高。此外冷凍水果和蔬菜中的果膠物質在果膠酶作用下的變化對產品質地的影響也受到科技工作者的關注。

（7）纖維素酶纖維素酶主要用于豆類、谷類等植物性食品的軟化、脫皮；控制咖啡抽提物的粘度，最高允許用量為100ppm；纖維素酶不但能破壞果肉細胞壁和分離果膠質，由于酶的降解作用，能增加原酒的溶解物，對改善果酒質量有一定作用；釀造原料的預處理；脫脂大豆粉和分離大豆蛋白制造中的抽提；淀粉、瓊脂和海藻類食品的制造；消除果汁中由纖維素類所引起的混濁；綠茶、紅茶等的速溶化等。

（8）葡萄糖異構酶(Glucose isomerase) 葡萄糖異構酶主要應用于由淀粉、葡萄糖制造高果糖漿和果糖。例如海明森用Novo公司的葡萄糖異構酶生產高果糖漿轉化率達87％。實際生產中，主要使用固定化葡萄糖異構酶。酶經固定化后，其穩定性顯著提高，其他性質也有所改善。如固定化酶適宜于在連續反應器中大規模使用，生產簡便，使用后易處理等。

（9）溶菌酶(Lysozyme) 溶菌酶在乳制品中有明顯抗菌活性。由于L. Monocytogenes似乎有特別的能力感染消毒過和加工后的產品，這種病原菌能在1～45℃下生長，因此僅靠冷藏不能防止這類菌在食品中生長，抗菌素保護才是防止這種污染的方法，已發現溶菌酶在奶酪中是穩定的，500U溶菌酶/mL乳的濃度足以抑制發酵劑中的乳酸菌，同時增強雙歧桿菌的生長能力，使牛奶中雙歧桿菌含量與人奶無區別，可保證嬰兒腸內雙歧桿菌的良好繁殖。在魚子醬中等，有防腐作用。在半硬干酪中加入0.001％，可防止香味物質丁酸的損失。

（10）谷氨酰胺轉胺酶(Transglutaminase) 谷氨酰胺轉胺酶能夠催化蛋白質分子內或之間的酰基轉移反應，通過這些催化反應，可在各種蛋白質分子內或之間引起共價交聯，因此谷氨酰胺轉胺酶在食品加工過程中的主要功能包括：a.對各種食品蛋白質進行改性，保護賴氨酸不發生化學反應，包封類脂質和脂溶性物質；b.形成抗熱和抗水薄膜，膠凝蛋白質時避免進行熱處理； c.提高彈性和持水能力；d.改變可溶性和各種功能性質，生產出營養價值較高并含有人體所必需氨基酸的食品蛋白。目前谷氨酰胺轉胺酶已被用于催化交聯各種蛋白質，如酪蛋白、大豆蛋白、谷蛋白、肌動蛋白、肌球蛋白以及各種禽蛋蛋白、去骨禽肉蛋白和動物蛋白等。