酶工程技术在农产品加工中的应用

酶工程技术在农产品加工中的应用

酶是指将相应的原料转化为有用物质的技术。这是一种将酶理论与化工技术相结合的新技术。酶工程包括自然酶的开发及应用，固定化酶、固定化细胞、多酶反应器(生物反应器)、酶传感器等。酶是生物细胞产生的有催化活性的蛋白质或多肽，它参与农产品加工过程中的各种化学变化。由于酶的作用具有专一性强，催化效率高，作用条件温和等特点，酶的应用不仅可增强产量，提高质量，降低原材料和能源消耗，改善劳动条件，降低成本，而且可以生产出用其它方法难以得到的产品，促进新产品、新技术和新工艺迅速发展。随着现代生物技术的兴起，酶工程技术应运而生，并在制药业、食品工业和农产品加工业显示出强大的生命力。该文主要介绍酶工程技术在农产品加工方面的应用。1生物活性肽的制备以前，人们认为氨基酸是人体吸收蛋白质的主要途径，随着研究发现，蛋白质经消化道中的酶水解后，主要以小肽的形式吸收，比完全游离的氨基酸更易吸收利用。这一发现，启发了科研工作者采用酶工程技术用蛋白质生产生物活性肽的新思路。生物活性肽是蛋白质中20种天然氨基酸以不同排列组合方式构成的从二肽到复杂的线性或环形结构的不同肽类的总称，是源于蛋白质的多功能化合物。活性肽具有多种人体代谢和生理调节功能，易消化吸收，有促进免疫、激素调节、抗菌、抗病毒、降血压、降血脂等作用，且食用安全性高。生物活性肽主要是通过酶法降解蛋白质而制得。目前已从大豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、水产蛋白的酶解物中制得一系列功能各异的生物活性肽。1.1酶水解法制备大豆蛋白肽大豆多肽是大豆蛋白质经蛋白酶水解后，分离、精制而得到的多肽混合物，以3～6个氨基酸组成的小分子肽为主，还含有少量大分子肽、游离氨基酸、糖类和无机盐等成分。大豆肽的氨基酸组成与大豆蛋白质相同，且含量丰富，平衡良好，更易被人体吸收。大豆多肽具有降低胆固醇、降血压和促进脂肪代谢、活化双歧杆菌等生理功能以及无豆腥味、易溶于水、流动性好等良好的加工性能，可作为优良的保健食品素材。目前酶水解法是生产大豆蛋白肽的主要方法。大豆蛋白质疏水性较强，水解过程中产生疏水性多肽的机会也较多，由于疏水性多肽具有苦味，产物苦味明显。随着水解度的增加，疏水性氨基酸（如亮氨酸、蛋氨酸）暴露越多，苦味也就越强。而当水解度非常高时，苦味肽被继续水解成分子量很小的短肽或游离氨基酸，这时苦味又会减弱或消失。在大豆多肽的生产中，目前应用于研究和生产中的酶有碱性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和复合酶等。文献报道采用中性蛋白酶、木瓜蛋白酶水解大豆蛋白，配合活性碳的吸附处理，可以消除由于疏水性肽带来的苦味。如李雄辉等人采用中性蛋白酶和木瓜蛋白酶双酶水解生产大豆肽，使大豆肽生成率达到62.9%，游离氨基酸含量小于总蛋白质量的8%，平均肽键长度5～8，分子质量2000左右。双酶水解工艺既缩短了酶解时间、提高了蛋白质水解度，又减轻了产品苦味。周利亘、陈新峰等采用双酶复合酶解、粉末活性炭脱色、超滤、真空浓缩和喷雾干燥等工艺，得到了基本无苦涩味的高品质大豆多肽。1.2玉米蛋白酶解玉米活性多肽的制备玉米多肽主要来自玉米蛋白的水解产物，是由分子量很小但活性很高的短肽分子组成。玉米多肽易消化、吸收，具有消除疲劳、抗高血压和醒酒的功能，可用于功能食品的开发。制备玉米多肽通常采用的方法有酸碱降解法、微生物降解法和酶解法。由于酸碱法对蛋白质损害严重，故其应用受到限制；微生物降解法对于菌种的要求比较高，因此目前酶法水解玉米蛋白成为制取玉米多肽的主要方法。从酶解制取活性多肽的研究结果统计可知，通过选择不同的酶和控制不同酶解条件可释放出具有不同活性的多肽如玉米降压肽、谷氨酰胺活性肽、抗氧化肽、高F值低聚肽等。酶解玉米蛋白对生产高营养、易于吸收、高附加值的具有生物学功能特性的生物产品具有重要意义。酶解玉米蛋白制取玉米活性肽通常直接以玉米蛋白粉作为酶解底物。水解蛋白酶种类繁多，其中碱性蛋白酶使用较为频繁，如金英姿等采用碱性蛋白酶酶解玉米蛋白，研究了其水解玉米蛋白的最适作用条件，筛选出玉米蛋白酶解的最佳条件。刘萍等在玉米蛋白制备降血压肽的试验中对单一酶和复合酶进行比较，发现碱性蛋白酶单一水解玉米蛋白效果比复合酶好。1.3人员活性成分(1)酪蛋白磷酸肽。近年来的研究表明，牛奶中的某些多肽以及一些从牛奶蛋白水解而得到的多肽，具有某些生物活性，对于人体健康十分有益。酪蛋白磷酸肽是以牛奶酪蛋白为原料，经蛋白酶水解，再经分离纯化而得到，分子量为2000～4000，具有天然生理活性。酪蛋白磷酸肽具有结合钙和促进钙吸收的功能，同时对金属元素如铁、锌、硒的吸收也有促进作用。制备酪蛋白磷酸肽通常采用的是具有较强专一性的胰蛋白酶、胃蛋白酶-胰蛋白酶、胰酶(胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的混合物)。也有人探索了固定化蛋白酶水解酪蛋白的制备方法。目前一般采用具有单一性的蛋白酶来水解酪蛋白制备酪蛋白磷酸肽。广州轻工研究所生产的酪蛋白磷酸肽有效肽含量达85g/100mL以上，加工性能稳定，已在市场上推出。(2)糖巨肽。酪蛋白经凝乳酶处理制得糖巨肽。糖巨肽具有抗病毒、活化双歧杆菌等功能。1.4活性肽的分离和制备海洋生物蛋白资源是2l世纪人类重要的蛋白类食物及生物活性物质的重要来源。我国目前的海洋生物蛋白资源总量在世界各国名列前茅。近年来，许多科学家利用酶工程技术从海洋动物中分离活性肽，并且取得了很大进展。这些活性肽结构复杂多样，参与生物体的重要生命活动，具有重要的基础研究及应用价值。利用酶工程技术从鱼、虾蛋白中酶解制取了降血压肽，可抑制血管紧张素转移酶活性，从而起到降低血压作用。如用金枪鱼蛋白制取的C8肽，用沙丁鱼蛋白制取的C11肽，用南极磷虾蛋白制取的C3肽。另外，人们利用谷蛋白酶解制取了类吗啡肽，该肽具有镇痛和促进胰岛素分泌等功能；利用卵蛋白酶解制取了具有提高免疫调节功能的卵白肽等。2高辅料啤酒酿造新工艺早期的啤酒主要以麦芽为原料，成本较高。而现在广泛利用各种原料如大米、玉米、小麦、杂粮等作为辅料生产啤酒。使用辅料量一般占30%左右，不少工厂高达40%～50%。提高辅料比，可降低粮耗、降低成本；同时又能提高啤酒质量，使啤酒清淡爽口，但需要外源酶，这就促进了现代酶工程技术与传统啤酒酿造技术的结合。陈廷登等人研究了以60%大米为辅助原料，通过添加酵母提取物作为补充氮源，用淀粉酶、糖化酶促进淀粉糊化、液化和糖化的高辅料啤酒酿造新工艺。结果显示，该新工艺在保证啤酒质量的同时，又降低了啤酒酿造成本，具有显著的经济效益。这些辅料价值的实现，都和淀粉酶作用分不开。辅料中的淀粉经过糊化后，在淀粉酶的作用下水解成糊精和低聚糖，最终产物为麦芽糖、麦芽三糖、麦芽五糖。淀粉酶水解淀粉产生麦芽糖，可用来生产高麦芽糖浆、高纯度麦芽糖，医用针剂麦芽糖，麦芽糖醇，麦芽糊精，啤酒等。现代白酒和黄酒的生产，既要保持原酒的风味特色，又要提高出酒率、简化操作，这就需要传统生产工艺和现代技术相结合。目前，酶在这两种酒的生产应用中已经很广泛。酿酒业中广泛应用的酶主要是糖化酶、液化酶、纤维素酶、蛋白酶、酯化酶等，具有酶活力强、用量少、使用方便等优点，适量添加可提高出酒率和品质。糖化酶、液化酶是白酒黄酒酿造中主要用酶，目前流行的生料酿酒和液化法黄酒酿造也主要是利用这两种酶直接将淀粉液化糊化糖化来代替蒸煮作用的原理，而通过酶的固定化技术将它们固定在载体上，效果更好。3低聚糖的制备方法获得低聚糖的途径主要有：从天然植物中提取、化学合成、酶工程等。以淀粉为原料生产低聚糖大部分采用生物工程中的酶工程来制备。以淀粉为原料生产低聚糖类产品，是淀粉深加工的另一途径，也是利用淀粉生产甜味剂的新途径。这是目前生产低聚糖的主要方法。以淀粉为原料生产的低聚糖大至有：低聚麦芽糖、低聚异麦芽糖、低聚龙胆糖、环葡聚糖、甘露低聚糖、低聚果糖等，其生产方法及应用分述如下。3.1色粉末低聚麦芽糖生产低聚麦芽糖是以淀粉为原料，再用低聚糖酶糖化，然后经脱色、脱盐、浓缩等精制工序，喷粉得到白色粉末低聚麦芽糖产品。低聚麦芽糖有滋补营养性，是低甜度、低渗透压的新糖源。它易被吸收，能延长供能、增强机体耐力，当人们长时间剧烈运动或用脑过度引起生理上一些不适的变化，服用后可以得到缓解。它具有保湿性，可防止淀粉质食品老化。由于它易被体内消化酶所分解吸收，故它是非功能性低聚糖。3.2低聚糖的保鲜原理生产低聚异麦芽糖是以淀粉为原料，先用α-淀粉酶液化，再用p-淀粉酶糖化，同时用葡萄糖苷转移酶将麦芽糖转化为异麦芽低聚糖，经脱色、脱盐、浓缩等精制工序而得。低聚异麦芽糖耐酸耐热性极好，具有较好的保湿性，并能抑制蔗糖、葡萄糖的晶体形成，可防止淀粉质食品硬化和老化，延长食品的保存时间。由于其属非发酵性物质，不会被微生物利用，除可延长食物的贮存期外，抗菌防龋性是其一大特点。它与蔗糖共用时，能阻止蔗糖被变异链球菌作用而产生水不溶性的高分子葡聚糖，抑制蔗糖的蛀牙性。异麦芽低聚糖中的潘糖对抑制牙垢形成也有明显的效果。异麦芽低聚糖能有效地促进人体内有益细菌双歧杆菌的增殖，是一种功能性低聚糖。3.3低聚龙糖的糖质低聚龙胆糖是以淀粉为原料，先用淀粉酶液化，再用糖化酶糖化后，通过专用的葡萄糖基转移酶作用，经脱色浓缩而得低聚龙胆糖浆。低聚龙胆糖最具特色的是有柔和的提神苦味，苦味比柑桔皮所具有的柚皮苷苦味更丰富更微妙，且还会在口腔中滞留，用于糖果、饮料、冷饮中可使其甜味更纯。它比蔗糖和麦芽糖浆的吸湿性强，可以保持各类食品中的水分，防止淀粉类食品的老化，延长货架期。它是低热、低甜物质，难被人体消化酶所分解，因而可以促进双歧杆菌的生长，从而起到改善结肠状况的作用。3.4环葡聚糖和环葡聚糖环葡聚糖可直接利用葡聚糖作原料，以葡萄糖转移酶转化成为环葡聚糖。据日本有关资料报道，也可直接以淀粉为原料加入一种新近从土壤微生物中分离的葡聚糖水解酶和CI合成酶转化而得。环葡聚糖是一种无色无味的低聚糖，具有优异的抗龋作用，只要在蔗糖中加入1%～4%的微量环葡聚糖即可显现。这可能与环葡聚糖的结构有关，因为环葡聚糖能阻止蔗糖中的葡萄糖基转移，从而抑制了口腔细菌的繁殖，达到防龋作用。环葡聚糖作为食品添加剂直接加人糖果、口香糖、饮料、糕点等食品中，不会影响食品的原有风味和甜味。它不含热量，不被人体消化吸收，安全可靠。环葡聚糖另一引人注意的特性是其分子中间有一定的空间，可用来包封某些苦味、难溶或易氧化药物或其他化学物质，以提高药物利用率、稳定性或改善口感。环葡聚糖在制药和食品工业都将有广阔的应用前景。3.5结晶利用技术甘露低聚糖是魔芋块茎中的主要成分，其含量占干重的40%～50%。以魔芋粉为原料用β—甘露聚糖酶作用，经澄清脱色、脱味、离交、浓缩结晶等精制工序可得结晶甘露低聚糖。人体不能直接吸收甘露低聚糖，服用后它还会引起血糖值升高。作为双歧杆菌的增殖因子，它可改善肠道菌群比例，抑制有害菌增殖，它的纤维性，还可刺激肠道蠕动，吸附有害物质，起到调节肠道功能，具有护肝、抗肿瘤、增强免疫力、降低胆固醇、抗衰老等生理活性，适用于便秘、腹泻、消化不良、肚炎热、营养不良等各种肠道疾病的辅助治疗，也适用于老人、儿童的日常保健。3.6吸引的生理特性以菊芋粉为原料用菊糖内切酶水解，经精制最终可得低聚果糖浆。低聚果糖除具有一般功能性低聚糖的物理化学性质外，最引人注目的生理特性是它能明显改善肠道内微生物种群比例，它是肠内双歧杆菌的活化增殖因子，可减少和抑制肠内腐败物质的产生，抑制有害细菌的生长，调节肠道内平衡；能促进微量元素铁、钙的吸收与利用，以防止骨质疏松症；可减少肝脏毒素；且口味纯正香甜可口，具有类似脂肪的香味和爽口的滑腻感。近几年低聚果糖的产品风靡日、欧、美等保健品市场。4酶手术用于生产氨基酸4.1氨基丙烯酸以L-谷氨酸为原料，通过固定化L-谷氨酸脱竣酶转化制得。氨基丁酸具有降血脂及健脑益智功能。4.2异亮氨酸以糖、氨、Cl-氨基丁酸为原料，用黄色小球菌或枯草杆菌发酵而得。4.3l-氨基丙烯酸用红酵母菌种二级发酵，培养具有苯丙氨酸解氨酶活性的细菌培养物，以此作为生物催化剂，在肉桂酸、氨水液中保温反应，由酶催化制得。4.450.谷氨酸以葡萄糖、尿素、无机盐等为原料，用产谷氨酸微球菌、产氨短杆菌、产气杆菌等为菌种，发酵制得。4.5氨