纤维素酶、脂肪酶、果胶酶及蛋白酶在食品工业中的应用

                 

随着人们对食品安全、营养、健康和美味的日益重视,食品已经不仅仅只是满足人们生存的基本需求品,食品工业正在向着更安全、营养及美味的方向发展。因此,酶作为一种高效生物催化剂,正以它独特的优势代替传统的化学制剂,越来越广泛地应用在食品工业。酶工业已成为我国最具发展潜力的新兴产业之一。

一、纤维素酶

1、纤维素酶的概述

纤维素酶是能将纤维素水解成葡萄糖的一组酶的总称。纤维素酶来源非常广泛,除了真菌外,各种原生动物、圆虫类、软体动物、蚯蚓、甲壳类、昆虫、藻类、真菌类、细菌以及放线菌等都能产生纤维素酶。

2、纤维素酶的应用

1)酱油酿造的应用

酱油是大豆蛋白酶水解产物。酱油酿造主要是利用蛋白酶和淀粉酶等酶类对原料进行酶解,若再使用纤维素酶,可使大豆等原料的细胞膜膨胀、软化、被破坏,使包藏在细胞中的蛋白质、碳水化合物释放,这样就可以缩短酿造时间,提高产率,提高产品的品质,使产品的氨基酸还原糖含量增加。

2)啤酒生产的应用

在啤酒生产过程中,使用纤维素酶后,可将淀粉和纤维素转化为糖,然后经酵母分解全部转化为酒精,出酒率可提高3%~5%,淀粉和纤维素利用率高达90%。利用纤维素酶水解啤酒糟,将酶解液和残渣分别进行有效利用,可大大提高啤酒糟的经济效益和环境效益。

3)果蔬加工的应用

在果蔬加工过程中,为了使植物组织软化膨润,一般采用加热蒸煮、酸碱处理等方法,会造成果蔬的香味和维生素损失。用纤维素酶进行果蔬处理可避免上述缺点,同时可使植物组织软化膨松,从而提高其可消化性并改良口感。

4)茶叶加工的应用

速溶茶传统的生产工艺是采用沸水浸泡茶叶以提取茶叶细胞中的有效成分,如氨基酸、糖、咖啡因、皂甙、茶多酚、茶香成分及色素等,再经低温冷冻干燥。若用纤维素酶先对茶叶进行适当处理,既可降低固定化产酶温度,缩短抽提时间,提高速溶茶的品味,又可提高得率。

5)油料作物加工的应用

纤维素酶在油料作物加工中也起着非常重要的作用。传统上一直采用压榨法或有机溶剂法生产油类产品,其产品质量差、产量低、操作时间长,同时不可避免有机溶剂残留。

采用酶处理法代替有机溶剂法,一方面可以提高油的产量和质量;另一方面,控制酶反应条件,使生产加工在较温和的条件下进行,可以避免剧烈条件对产品质量的影响。因此在农产品加工领域采用酶技术,不仅能提高主产物的产量,还能减少副产物的生成和降低废物处理费用。

二、脂肪酶

1、脂肪酶概述

脂肪酶是一种三酰基甘油酰基水解酶,它可以催化甘油三酯分解成甘油二酯、甘油单酯、甘油和脂肪酸,是一类特殊的酯键水解酶,脂肪酶以氨基酸为基本组成单位,一般只有一条多肽链,催化活性仅决定于蛋白质结构。脂肪酶存在于动物、植物和微生物中。

作为一种生物催化剂,脂肪酶具有一般催化剂的高效性、高选择性、反应条件温和等共同优点,是绿色环保的催化剂,对于生化、食品等生活和生产的各个领域的科学发展,有着非常重要意义。

2、脂肪酶在面食品加工中的应用

面类制品的食感主要与小麦粉中的蛋白质、淀粉、脂肪等有关,特别是通过蛋白质的定向和形成网眼结构产生弹性,增加面的黏弹性。在面类食品加工中,以手工方式沿着压延方向进行多方面揉压,或是以机械方式沿着单一方向进行长时间的压延,都会增加面的弹性,提高面类食品的质量,但采用上述2种方法比较耗时。

在面类食品生产时,可以将溶解有脂肪酶的水直接加入面粉中,然后在常温下放置一段时间进行压延处理。与添加蛋白质和多糖类等面粉改良剂相比,添加脂肪酶后产品品质会得到大幅度提高,具体表现有以下方面:增加并保持弹性,提高成品率,改良面皮。

3、脂肪酶在油脂工业上的应用

1)酶促油脂水解

将油脂与水一起在催化剂作用下生成脂肪酸和甘油的反应叫油脂水解反应,它在脂肪酸与肥皂工业上广泛应用。传统的油脂水解反应使用无机酸、碱及金属氧化物等化学物质作为催化剂,需要高温、中高压、长时间及设备耐腐蚀的条件,其成本高、能耗大、操作安全性差,而且产物脂肪酸颜色深或发生热聚合。而以生物酶作催化剂的酶促水解则正好克服上述缺点,而且可以具有选择性,因此有利于减少副反应,提高目标产品脂肪酸的质量和收率。

2)酶促酯交换

将一种酯与另一种脂肪酸或醇或酯混合并伴随酰基交换生成新酯的反应叫酯交换反应。其中,酯–酸交换、酯–酯交换反应可以改变油脂的脂肪酸和甘油酯组成,从而改变油脂的性质,这是油脂工业常用来进行油脂改性的一种重要手段。

传统的酯交换工艺采用的是化学方法,常用的催化剂是金属钠或氢氧化钠、无机酸等,虽然可以提高甘三酯子酰基的迁移性,但会造成反应体系中酰基间的交换与分布的随机性,致使副产品增多。如果用非特异性脂肪酶来催化甘三酯的酯交换,也会得到与化学法酯交换类似的结果。

然而,如果使用1,3–定向脂肪酶作为催化剂,酰基的迁移与交换则限制在1–位和3–位上,这样就能生产出化学法酯交换所无法得到的特定目标产物,这正是酶促酯交换法具有的独特魅力之处。

三、果胶酶

1、果胶酶概述

果胶酶是指能够分解果胶物质的多种酶的总称。Poondla等指出果胶酶具有降解细胞壁果胶的功效,广泛应用于水果加工、食品工业中。

2、果胶酶在食品工业中的应用

1)果汁澄清

除了柑橘汁以外,大多数基于饮料使用的水果汁,为了避免在最终产品中出现浑浊、沉积等现象,一般都要在加工过程中进行澄清处理。果胶酶澄清的实质包括果胶的酶促水解和非酶的静电絮凝两部分;当果汁中的果胶在果胶酶作用下部分水解后,原来被包裹在内的部分带正电荷的蛋白质颗粒就暴露出来,与其他带负电荷的粒子相撞,从而导致絮凝的发生,絮凝物在沉降过程中,吸附、缠绕果汁中的其他悬浮粒子,通过离心、过滤可将其除去,从而达到澄清目的。

2)提高果蔬汁的出汁率

一般果蔬的细胞壁中含有大量果胶、纤维素、淀粉、蛋白质等物质。破碎后的果浆十分黏稠,导致压榨取汁非常困难且出汁率很低,而酶解技术则可以克服以上缺点。通常用果胶酶来加速果汁和风味提取,同时可以去除果胶。果胶酶不但能催化果胶解聚,有效降低黏度,改善压榨性能,提高出汁率和可溶性固形物含量,而且能增加果汁中的芳香成分,减少果渣产生,同时还有利于后续的加工工序。

3)改善酒的品质

在酿酒行业使用果胶酶,可以增加天然色素的提取量,改善酒的色泽与风味,增加酒香,并可产生起泡酒,对提高酒的质量有重要作用。

四、蛋白酶

1、蛋白酶的概述

蛋白酶是一种重要的工业酶制剂,可以催化蛋白质和多肽的水解,广泛存在于果实、植物茎叶、动物内脏和微生物中。在食品加工中,催化食品蛋白质降解的酶有3种不同的来源:内源蛋白酶、微生物分泌的蛋白酶和人为添加的蛋白酶制剂。食品加工过程中,比较重要的蛋白酶应用包括蛋白质的水解反应、转蛋白反应和交联反应。

2、在肉制品工业中的应用

在肉制品加工中,老龄动物的肉经过烧煮会变得粗糙坚硬,生产出来的产品口感很差,利用蛋白酶可使这种肉得到嫩化。在嫩化过程中,蛋白酶随溶液进入肌间,分解肌间结缔组织和胶原纤维中的蛋白质,破坏它们的分子结构,使肉的品质变得柔软、适口、多汁和易于咀嚼;

另外蛋白酶分解破坏肌肉的Z线,引起H带的变化,从而可促进肉品嫩化。同时蛋白酶也可以作用于肌纤维,裂解部分肌细胞组合蛋白,使肉中的水溶性氨基酸和水溶性钙、磷、锌、铜、铁大大增加,使肉的风味和鲜味有效改善;经过酶处理的肉,仍然可以保持一级鲜度,并使pH和感官指标正常。

3、在面粉中的应用

蛋白酶是一种中性蛋白酶,其最适pH为5.5~7.5,最适温度为65℃左右。蛋白酶可以水解面筋蛋白,切断蛋白分子的肽键,弱化面筋,使面团变软,改善面团的黏弹性、延伸性、流动性等性能,从而改善其机械特性和烘焙品质,其主要用于饼干和面包专用粉中。

五、展望

酶已经在食品工业中得到了广泛应用。可以预期,随着生物技术本身的迅速发展,尤其是基因工程技术的应用,可用于食品中的酶制剂种类将大大增加。一方面,人们对于食品品种与质量的要求不断提高,酶制剂的应用将取得长足的发展,其中利用酶制剂来生产具有保健效用的功能性食品将是一个重要的研究领域。

另一方面,人们对食品安全的期望也越来越高,为酶学技术在食品检测中的应用带来了新的机遇,今后有望取得新的发展。然而,目前在食品加工领域使用的高活性酶制剂普遍价格不菲,其推广受到一定程度的制约。因此,如何生产高活性、低价格的酶制剂将成为今后研究的一个方向;而以固定化酶为代表的酶制剂长期使用或者回收再利用,也是降低酶制剂使用成本的一个方向。