第七章 食品工业用酶

第七章食品工业用酶第七章食品工业用酶酶的作用条件温和，是最适合于食品加工的催化剂。如蛋白酶是食品工业中最重要的一类酶；糖酶中的淀粉酶是用途最广、产量最大的一种酶制剂。第一节糖酶

糖酶的作用是裂解多糖中将单糖结合在一起的化学键，使多糖降解成较小的分子。糖酶还能催化糖单位结构上的重排，形成新的糖类化合物，这类反应被称为转糖苷作用。一、淀粉酶淀粉酶是能够作用于淀粉、糖原和多糖衍生物，能催化其转化成葡萄糖、麦芽糖及其他低聚糖的一类酶。一、淀粉酶根据淀粉酶对淀粉的水解方式不同，可将淀粉酶分成三类：

α－淀粉酶，从底物分子内部将糖苷键裂开；

β－淀粉酶，从底物的非还原性末端将麦芽糖单位水解下来；

葡萄糖淀粉酶，从底物的非还原性末端将葡萄糖单位水解下来。1.α－淀粉酶

α－淀粉酶，又称液化酶。存在于植物、哺乳类动物组织和微生物中。 α－淀粉酶以随机的方式作用于淀粉产生还原糖，其作用模式、性质和降解产物因酶的来源不同而稍有差别。α－淀粉酶的作用机制典型的α－淀粉酶是内切酶，随机作用于淀粉、糖原的α－1，4糖苷键，不能水解α－1，6糖苷键。α－淀粉酶的作用机制水解直链淀粉时，先切开淀粉分子中间部分的α－1，4糖苷键使长链淀粉分解成短链糊精，糊精继续水解，最后产物为α－麦芽糖和少量葡萄糖。在水解支链淀粉时，由于它不能水解分支点的α－1，6糖苷键，因此作用的产物中不仅有麦芽糖和葡萄糖，还有异麦芽糖。1.α－淀粉酶α－淀粉酶以直链淀粉为底物时，反应一般按两个阶段进行:第一阶段直链淀粉快速降解，产生寡糖。第二阶段的反应包括寡糖缓慢水解生成最终产物葡萄糖和麦芽糖。1.α－淀粉酶α－淀粉酶作用于支链淀粉时产生葡萄糖、麦芽糖和一系列α－限制糊精（由4个或更多个葡萄糖基构成的寡糖）。（1）分子量多数α－淀粉酶的分子量在50000左右，每一个分子中含有一个Ca2+。当锌存在时，形成的二聚体中含有一个锌原子，锌原子的作用是在酶的两个单体之间形成交联。底物络合物，但它起着维持酶的最和脲等变性因素的稳定性降低。（2）钙的作用α－淀粉酶分子中存在钙，钙

如果将酶分子中的钙完全除去，就能导致酶基本上失活和对热、酸与酶分虽子然的钙结没合有非直常接牢参固与。形成酶－适宜构象的作用，使酶具有最高力和最高稳定性。（3）pH对α－淀粉酶作用的影响α－淀粉酶的活力－pH图是典型的钟型曲线，在pH4.5—7.0之间具有最高活力。对于不同来源的α－淀粉酶，其活力－pH曲线的形状和最适pH的位置稍有差别。（3）pH对α－淀粉酶作用的影响pH对α－淀粉酶稳定性和酶活力的影响具有很重要的实际意义。例如，黑麦粉中含有过量的α－淀粉酶，如果能在pH3.4-4.0时快速失活，那么用黑麦粉加工面包时，就能防止淀粉的过分糊精化和产生胶粘状的面包瓤。（4）温度对α－淀粉酶作用的影响在与钙相结合的条件下，α－淀粉酶的热稳定性高于β－淀粉酶。不同来源的α－淀粉酶具有不同的热稳定性。在实际应用中，根据α－淀粉酶的热稳定性将它们分成耐热和不耐热α－淀粉酶。（5）α－淀粉酶的用途及展望α－淀粉酶的用途极为广泛，不同来源的α－淀粉酶具有不同的性质。黑曲霉酸性α－淀粉酶适用于制造助消化的药物；米曲霉α－淀粉酶耐热性较差，用于面包工业；耐热性强的细菌α－淀粉酶，适于淀粉液化及酶法生产葡萄糖。2.β－淀粉酶

β－淀粉酶也称为糖化淀粉酶。存在于大多数高等植物和微生物中，不存在于哺乳类动物中。（1）β－淀粉酶的作用β－淀粉酶是一种外切酶，从淀粉分子非还原性末端裂开α－1，4－糖苷键，依次将单个麦芽糖单位水解下来，产物的构型从α型转变成β型。（1）β－淀粉酶的作用β－淀粉酶不能裂开支链淀粉中的α－1，6－糖苷键，也不能绕过支链淀粉的分支点继续作用于α－1，4－糖苷键，因此β－淀粉酶对支链淀粉的作用是不完全的。支链淀粉经β－淀粉酶作用后，50－60℅转变成麦芽糖，其余部分称为β－限制糊精。（2）β－淀粉酶的性质β－淀粉酶作用的最适pH范围是5.0-6.0，在20℃和pH4－8或9的范围内至少可以稳定24h。（2）β－淀粉酶的性质β－淀粉酶的热稳定性和它的来源有关。在钙离子存在的条件下，70℃加热α－淀粉酶和β－淀粉酶混合物，可使β－淀粉酶失活。因此钙离子对β－淀粉酶有降低稳定性的作用。（2）β－淀粉酶的性质β－淀粉酶的分子量一般高于α－淀粉酶。例如，甘薯β－淀粉酶的分子量高达152000。（3）β－淀粉酶作用机制

酶的活性部位中至少含有三个特异基团X、A和B，它们参与酶同底物的结合和酶－底物络合物转变成产物的过程，其中X基团能识别淀粉分子非还原性末端C(4)上的－OH基。（3）β－淀粉酶作用机制

当X基团和C(4)上的－OH基发生相互作用时，底物分子的第二个糖苷键配置在催化基团A和B的邻近处，形成具有反应力的酶－底物络合物。当X基团未能正确的发挥作用和酶被环状糊精抑制时就生成没有反应力的络合物。3.葡萄糖淀粉酶

葡萄糖淀粉酶是一种外切酶，从淀粉分子非还原性末端逐个将葡萄糖单位水解下来。当它切开淀粉分子中的α－1，4－糖苷键时，将C(1)的构型从α型转变成β型。3.葡萄糖淀粉酶

葡萄糖淀粉酶具有较低的特异性，既能作用于α－1，4－糖苷键，又能作用于α－1，3和α－1，6－糖苷键。但水解这三种糖苷键的速度是不同的。3.葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶作用的最适pH范围是4－5，最适温度范围是50－60℃。分子量为70000左右。3.葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶的作用机制仍然不清楚。这个酶和β－淀粉酶在某些方面类似，例如葡萄糖淀粉酶的作用也是裂开C(1)-O键，生成的葡萄糖的构型也发生了转变。然而，环状糊精并没有抑制葡萄糖淀粉酶，因此这两种酶的作用机制应该存在着重大的差别。4.脱支酶脱支酶能催化水解支链淀粉、糖原及相关大分子化合物中的α－1，6－糖苷键。根据其作用方式可以分为：直接脱支酶和间接脱支酶。4.脱支酶直接脱支酶水解未改性的支链淀粉和糖原中的α－1，6－糖苷键，间接脱支酶只能作用于已由其他酶改性的支链淀粉和糖原。5.淀粉酶在食品工业中的应用目前淀粉酶最重要的应用是从淀粉制备糊精糖浆，葡萄糖和麦芽糖。

由于地衣形芽孢杆菌α－淀粉酶具有特别高的耐热性，因而被广泛地应用在淀粉的液化工艺中。二、转化酶转化酶催化蔗糖分解为葡萄糖和果糖。在反应中组分的旋光度发生了变化。蔗糖水解成葡萄糖和果糖使得溶液的旋光度净改变86.25°。因为在反应期间溶液的旋光度发生了转化，所以催化反应的酶被称为转化酶。二、转化酶转化酶广泛分布在自然界，植物，动物和微生物中都存在。转化酶有两种，β－呋喃果糖苷酶和α－葡萄糖苷酶。前者催化水解C(2)-O键，后者催化水解C(1)-O键。二、转化酶转化酶对于食品工业的重要性在于：

浓的蔗糖溶液经转化酶作用后水解成较甜的糖浆；

蔗糖溶液转化后具有较高的沸点、较低的凝固点和较高的渗透压；

经转化作用生成的单糖具有比蔗糖更高的溶解度。三、乳糖酶β－半乳糖苷酶通常被称为乳糖酶。乳糖酶能催化β－D－半乳糖苷键和α－L-阿拉伯糖苷键水解，其中催化乳糖水解是研究的最多的反应。三、乳糖酶乳糖水解成半乳糖和葡萄糖后使糖液的甜度提高。乳糖的溶解度较低，在冷冻乳制品中容易析出，使得产品带有颗粒状结构。乳糖部分水解后可以防止出现这种现象。四、纤维素酶

纤维素酶作用于纤维素和从纤维素派生出来的产物。 因为它有可能将废纸和锯屑等富含纤维素的废物转变成食品原料，因此，从长远的观点来看，纤维素酶是非常重要的。1.纤维素酶的分类和作用模式根据作用模式不同，可将纤维素酶分成三类：（1）纤维二糖水解酶：对于纤 维素具有最高的亲和力，也能 降解结晶的纤维素。产物为纤 维二糖，为外切酶。1.纤维素酶的分类和作用模式（2）β－1，4－葡聚糖酶，包括两 种酶：外切－β－1，4－葡聚糖酶 和内切－β－1，4－葡聚糖酶。前 者从纤维素链的非还原性末端逐个 的将葡萄糖水解下来，水解下来的 葡萄糖的构型从β型转变成α型。 后者以随机方式从纤维素链的内部 将它裂开，不改变产物的构型。1.纤维素酶的分类和作用模式（3）β－葡萄糖苷酶：作用于小 分子量底物时表现出最高的活力。

能将纤维二糖水解成葡萄糖分子。2.影响纤维素酶作用的因素

纤维素酶的最适pH一般为4.5-6.5。从黑曲霉生产的商业纤维素酶制剂的最适pH范围是pH4.5-5.5，酶制剂的最适pH也随着底物的改变而变化。2.影响纤维素酶作用的因素大多数纤维素酶具有很高的热稳定性。2.影响纤维素酶作用的因素葡萄糖酸内酯能有效的抑制纤维素酶；重金属离子也能抑制纤维素酶。半胱氨酸能消除他们的抑制作用，甚至进一步激活纤维素酶。2.影响纤维素酶作用的因素植物组织中含有天然的纤维素酶抑制剂，能保护植物免遭霉菌的腐烂作用，这些抑制剂是酚类化合物。植物组织中存在着高的氧化酶的活力，能将酚类化合物氧化成醌类化合物，后者能抑制纤维素酶。4.纤维素酶在食品工业中的应用尽管使植物性食品中的纤维素增溶和糖化是很有吸引力的研究课题，但是纤维素酶在食品工业中的应用仍然很少。主要原因是目前还不能提供快速降解不溶性底物的纤维素酶制剂。五、果胶酶1.果胶物质

果胶物质是指植物中呈胶态的聚合碳水化合物，它的主要成份是脱水半乳糖醛酸。果胶物质存在于所有的高等植物中，沉积于细胞壁和细胞间层中。1.果胶物质果胶物质可以分类如下：原果胶果胶酯酸果胶酸1.果胶物质原果胶以化学和物理方式同细胞的其它成份混合在一起，不溶于水。原果胶的结构以及它在果蔬成熟期间转变成可溶性果胶的机制都没有完全搞清楚。1.果胶物质果胶酸果胶酸分子中脱水半乳糖醛酸单位上的羟基基本上是游离的。1.果胶物质果胶酯酸果胶酯酸分子中含有一定数量的甲酯集团，果胶酯酸包括果胶。果胶分子中75％左右的羟基是甲酯化的，其溶液在加适量糖和酸时形成凝胶。2.果胶酶的分类果胶酶包括两类，一类能催化果胶解聚，另一类能催化果胶分子中的酯水解。2.果胶酶的分类

酶分类

作用于果胶的酶作用于果胶酸的酶 果胶酯酶

酶名称

聚甲基半乳糖醛酸酶（PMG）聚甲基半乳糖醛酸裂解酶（PMGL） 或果胶裂解酶 聚半乳糖醛酸酶（PG） 聚半乳糖醛酸裂解酶（PGL） 或果胶酸裂解酶 果胶、果胶酰基水解酶（PE）

作用方式

作用于果胶，水解 作用于果胶，裂解作用于果胶酸，水解作用于果胶酸，裂解作用于果胶中的酯， 水解3.果胶酶的分布

高等植物中一般不含裂解酶；霉菌中存在各种果胶酶；只有个别种类的酵母含有果胶酶的活力；细菌中果胶酶主要是聚半乳糖醛酸裂解酶，也有一些细菌含有聚半乳糖醛酸酶。4.果胶酶在食品工业中的应用果胶物质存在于水果和蔬菜中，它的变化对于水果和蔬菜的结构有重要的影响。果胶酶能降解果胶物质，因而在食品加工和保藏中起重要作用，主要用于果汁的萃取和澄清。蛋白酶是食品工业中最重要的一类酶。在干酪生产、肉类嫩化和植物蛋白质改性中都大量的使用蛋白酶。

蛋白酶催化的最普通的反应是水解蛋白质中的肽键。HOR2HOR2

︱‖︱H2O︱‖︱x—N—C—C—N—C—C—y→x—N—C—C—OH+H2N—C—C—y

︱︱︱︱‖︱︱︱‖HR1HHOHR1HO

最早的蛋白酶分类方法是根据酶的来源。木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶和菠萝蛋白酶都是来自植物；胰蛋白酶来自胰脏；胃蛋白酶和凝乳酶来自胃。第二种分类方法是根据链端解酶和肽链内切酶。肽链端解酶从肽链的一个末端开始将水解下来。它还可以再分成氨基酸作用模式，将蛋白酶分为肽羧肽酶和胺肽酶，前者的作用是从肽链的羧基末端开始，后者是从氨基末端开始。肽链内切酶从