酶工程第13章酶在食品工业上的应用

第十三章酶在食品工业上的应用一、淀粉加工二、乳品加工三、果品加工四、酿酒工业五、肉类和鱼类加工六、食品保藏七、面点制造酶工业概况据1984年的资料报道，自然界中已发现的酶约有25000多种，1982年的酶学手册纪录了2200种已经提纯鉴定的酶，其中50多种已得到开发利用。但工业上大量制造和应用的还只限于淀粉酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶、果胶酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶等十多种。1985年，世界酶制剂的总产量约75000吨，销售金额约6亿美元。全世界酶制剂的生产量每年以8%左右的速度增长，酶制剂的生产品种已由原来的十多个品种发展为几十个品种。大约80％的工业酶是水解酶，其中60％是蛋白酶，30％是糖水解酶。欧洲工业用酶产品市场（1993～2003年）年份总收入（亿美元）收入增长率（%）年份总收入（亿美元）收入增长率（%）19934.01—19996.198.819944.256.220006.769.319954.546.720017.439.819964.877.320028.1910.219975.257.820039.0610.719985.698.3日本的酶制剂市场酶类型1998年收入（亿日元）1999年收入（亿日元）诊断用酶2530限制性内切酶3018生产抗生素用酶200310含酶洗涤剂20002000酶解生产异构化糖300300酶法生产甜味剂1520酶法生产食用油50150医用传感器用酶250250食品发酵用传感器用酶22造纸行业漂白用酶030总计25873112酶制剂在各行业中所占的百分比我国的酶制剂工业从“六五”到“十五”期间，我国酶制剂产品的产量以每年20%以上的速度增长，生产规模、产品种类和应用领域正在逐步扩大。据中国发酵工业协会最新统计，目前我国有酶制剂生产企业约200家，现有生产能力40多万吨。产品以糖化酶、α-淀粉酶、蛋白酶为主，三种产品的产量占酶制剂总产量的95%以上。此外还有果胶酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶、碱性脂肪酶、α-乙酰乳酸脱羧酶、植酸酶、木聚糖酶等。我国酶制剂产品主要用于酿酒、淀粉制糖、洗涤剂、纺织、皮革、饲料等行业。食品工业中酶的应用范围食品加工过程中保持食品的色、香、味和结构是很重要的问题。在食品加工过程中要避免使用剧烈的化学反应。酶由于反应条件温和，专一性强，本身无色无味，反应容易控制，因而最适合用在食品加工方面。酶在食品工业最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品以及啤酒制造等。一、淀粉加工1．用于淀粉加工的酶（1）α－淀粉酶：从淀粉分子内部水解α-1,4-糖苷键，使淀粉溶液的粘度下降，碘反应迅速消失，水解产物为寡聚糖、麦芽糖及少量葡萄糖。（2）β－淀粉酶：从淀粉分子的非还原端水解α-1,4-糖苷键，依次切下一个个麦芽糖，遇到α-1,6-糖苷键即中止，水解产物为麦芽糖和β－极限糊精。β－极限糊精非还原端非还原端非还原端还原端用于淀粉加工的酶（3）淀粉葡萄糖苷酶：又称糖化酶、葡萄糖淀粉酶。它从淀粉分子的非还原端水解α-1,4-糖苷键，依次切下一个个葡萄糖，也能水解α-1,6-糖苷键和α-1,3-糖苷键，但速度慢得多。水解产物为葡萄糖。（4）葡萄糖异构酶：即木糖异构酶，它能使木糖和葡萄糖异构成木酮糖和果糖。用于淀粉加工的酶（5）环糊精葡糖基转移酶：水解淀粉的α-1,4-糖苷键，生成6～8个葡萄糖构成的环状糊精，在有蔗糖存在时可以将淀粉上的葡萄糖转移到蔗糖上，形成偶联糖。（6）脱支酶：水解α-1,6-糖苷键，切下支链淀粉的分支。2．葡萄糖生产利用酶水解淀粉生产葡萄糖是酶工业的一项重大成就，自50年代末日本研究成功，次年日本的葡萄糖产量猛增10倍，现在这个方法已在世界各地普遍采用。酸法和酶法生产葡萄糖的比较项目酸法酶法原料淀粉需要高度精制不必精制投料浓度约25％30～50％水解率约90％98％以上糖化时间约60分钟48～72小时设备要求需耐酸耐压(pH2，304～405kPa)不需耐酸耐压糖化液状态有强烈苦味，色泽深无苦味和色素生成管理要求管理困难，水解终止要中和不必中和收率结晶收率70％结晶收率80％，全糖收率100％DEdextroseequivalentvalue葡萄糖当量值还原糖在糖浆中所占百分比（以干物质计），淀粉的DE值为0，葡萄糖的DE值为100。酶法生产葡萄糖的工艺流程淀粉乳(30～50％)耐热性α－淀粉酶pH6.0～6.5140℃20～30S喷射液化耐热性α－淀粉酶96～100℃，30min液化液DE12～18糖化酶pH4.5，60℃，48～72小时糖化液DE96～98酶法生产葡萄糖的工艺流程糖化液DE96～98活性碳离子交换树脂结晶浓缩固化或喷雾干燥（收率80％以上）（收率100％）结晶葡萄糖粉状葡萄糖酶法生产葡萄糖用的淀粉酶制造葡萄糖的第一步是淀粉的液化。薯类淀粉比谷物淀粉容易液化，谷物淀粉液化时，往往生成聚合度30～40的不溶性团粒，使糖的收率降低，成品葡萄糖DE下降，而且妨碍糖液过滤，因此常采用在高温下液化，使不溶性团粒分解。由于一般细菌的α－淀粉酶最适温度仅70℃，在80℃以上时很不稳定，为了提高淀粉酶的耐热性，常向淀粉乳中添加Ca2＋和NaCl，但若使用最适温度在90℃的地衣芽孢杆菌耐热性α－淀粉酶时，即使在140℃喷射瞬间液化，也不需添加Ca2＋。酶法生产葡萄糖用的糖化酶糖化酶主要是由黑曲霉生产的。黑曲霉糖化酶中常含有α－葡萄糖苷酶(又称转苷酶)，它可将α－淀粉酶作用产生的麦芽糖水解，将游离葡萄糖转移到其它葡萄糖或麦芽糖的α-1,6位或α-1,3位而生成各种寡聚糖，使葡萄糖的DE及收率降低。因此黑曲霉的糖化酶液需用酸性白土，阳离子交换树脂或在pH3以下处理一定时间以去除α－葡萄糖苷酶。3．果葡糖浆(高果糖浆)生产用葡萄糖异构酶将葡萄糖的一部分转化为果糖，葡萄糖和果糖的混合糖浆叫果葡糖浆。由于葡萄糖的甜度只有蔗糖的70％，而果糖甜度是蔗糖的1.5～1.7倍，故当糖浆中果糖含量达42％时，其甜度与蔗糖相同，在食品工业上可广泛代替蔗糖。特别是因果糖在低温下甜度更为突出，最适合用于冷饮。果葡糖浆的生产1966年日本首先用游离的葡萄糖异构酶工业化生产果葡糖浆，1973年后，国内外纷纷采用固定化葡萄糖异构酶进行连续化生产。果葡糖浆生产所使用的葡萄糖，一般是由淀粉浆经α-淀粉酶液化，再经糖化酶糖化得到的葡萄糖，要求DE值大于96。将精制的葡萄糖溶液的pH调节为6.5～7.0，加入0.01mol/L的硫酸镁，在60～70℃的温度条件下，由葡萄糖异构酶催化生成果葡糖浆。异构化率一般为42～45%。果葡糖浆的生产用柱层析法从果葡糖浆中分离出果糖，制成90％的果糖浆，再将其以1:2的比例和42％的果葡糖浆混合，可得到甜度比蔗糖甜10％的55％的果葡糖浆。摄取果糖后血糖不易升高，故可适量用于糖尿病人；吃果糖还有滋润肌肤的作用。异构化反应的温度与果糖产率的关系葡萄糖转化为果糖的异构化反应是吸热反应。随着反应温度的升高，反应平衡向有利于生成果糖的方向变化。异构化反应的温度越高，平衡时混合糖液中果糖的含量也越高。但当温度超过70℃时葡萄糖异构酶容易变性失活，所以异构化反应的温度以60～70℃为宜。不同温度下反应平衡时果葡糖浆的组成反应温度（℃）葡萄糖（%）果糖（%）2557.542.54052.147.96046.553.57043.556.58041.258.8木糖异构酶工业上所用的葡萄糖异构酶实际上是木糖异构酶，对木糖的亲和力大于对葡萄糖的亲和力，是由节杆菌、链霉菌、凝结芽孢杆菌、游动放线菌、黄杆菌等生产的，大多数是胞内酶，除节杆菌、游动放线菌外几乎都需要木糖的诱导。游动放线菌的异构酶对葡萄糖的亲和力更强于木糖，是真正的葡萄糖异构酶。葡萄糖异构酶的特性葡萄糖异构酶需要Co2+、Mg2+的稳定与活化，最适温度70～80℃，最适pH7～8，是热稳定性很好的酶。由于Ca2+、Cu2+、Ni2+及O2抑制异构酶，所以用固定化葡萄糖异构酶生产果葡糖浆时，底物葡萄糖必须充分精制。固定化葡萄糖异构酶通常葡萄糖异构酶是以固定化形式使用的，不同的公司应用不同来源的葡萄糖异构酶和不同的固定载体制备了各种固定化葡萄糖异构酶。固定化的葡萄糖异构酶占固定化酶整体市场的份额最大，每年有数百万吨产品。公司固定化方法NovoIndustry凝结芽孢杆菌细胞，自溶，用戊二醛交联并造粒Gist-Brocades放线菌细胞包埋进明胶中，用戊二醛交联并造粒ClintonCornProcessingCo.酶抽提物，吸附到离子交换树脂上MilesLabs.Inc用戊二醛交联细胞并造粒CPCInt.Inc酶抽提物，吸附到粒状陶瓷载体上Sanmatsu酶抽提物，吸附到离子交换树脂上SnamProgetti细胞，包埋到乙酸纤维素中4．饴糖和麦芽糖生产饴糖是用α－淀粉酶和β－淀粉酶共同作用的结果，其中含麦芽糖、葡萄糖和糊精，麦芽糖的含量通常低于40～50％。生产方法是先用细菌α－淀粉酶使淀粉乳液化，再加少量麦芽浆糖化。饴糖中含有β－极限糊精。麦芽糖生产将10～20％的淀粉乳先用α－淀粉酶轻度液化(DE2以下)，加热使α－淀粉酶失活，再加β－淀粉酶和脱支酶，在pH5.0～6.0，40～60℃反应24～48小时，淀粉几乎完全水解，浓缩到90％以上时，可析出纯度98％以上的结晶麦芽糖。淀粉液化的DE值以低为宜，以免大量生成聚合度为奇数的糊精，而使麦芽糖的收率降低。麦芽糖加氢还原可制成麦芽糖醇，其甜度为蔗糖的90％，且发热量低，可供糖尿病、高血压、肥胖病人食用。脱支酶和β-淀粉酶的来源工业生产的脱支酶主要来自肺炎克氏杆菌(K.pneumoniae)和蜡状芽孢杆菌变异株(B.cerreasvar.mycoides)，此酶可水解茁霉多糖(聚麦芽三糖)的α-1,6键，故又称茁霉多糖酶。β－淀粉酶主要来自大豆(大豆蛋白生产时综合利用的产物)和麦芽。5．环状糊精与偶联糖软化芽孢杆菌和蜡状芽孢杆菌产生的一种环糊精葡糖基转移酶(CGTase)，可水解淀粉成为6～8个葡萄糖所构成的环状糊精，分别称为α、β和γ环糊精。环糊精分子呈中空筒状，可以包接各种物质，在食品工业上可作为食品添加剂用来乳化、稳定发泡、保香脱苦等；在医药上用于改善药品苦异味，防止氧化，作为缓释剂、稳定剂等；化工上用作农药缓释剂、稳定剂等。偶联糖环糊精葡糖基转移酶作用于淀粉时，若有蔗糖存在，就会发生分子间的转移反应，先将环糊精裂开，然后转移到蔗糖分子中的葡萄糖的C4位上，形成新的α-1,4键，这叫做偶联糖。偶联糖的末端有一个果糖，后面带有2～4个葡萄糖，其甜度虽只有蔗糖的40％，但用于食品中不易引起蛀牙。环糊精葡糖基转移酶催化偶联糖合成淀粉+蔗糖GGFGGGFGGGGFCGTase1412分解棉子糖甜菜中常含有0.05%～0.15%的棉子糖，棉子糖的存在妨碍蔗糖结晶，导致废糖蜜中往往残留大量的蔗糖不能回收。利用蜜二糖酶（α－半乳糖苷酶）可将棉子糖分解成蔗糖和半乳糖，可提高蔗糖的产率，改善浓缩结晶的条件，节约燃料和辅料。蜜二糖酶是胞内酶，主要由紫红被孢霉和梨头酶产生，将这种微生物在特定条件下培养后，收集细胞，装入反应柱中，在45～50℃通过糖蜜（pH5.2），65%的棉子糖转变成蔗糖。为了防止蔗糖分解，应选用不产生蔗糖酶的菌株。半乳糖葡萄糖果糖蔗糖棉子糖的结构式二、乳品加工1．干酪制造干酪是牛乳的发酵产品之一。将凝乳酶添加到牛乳中，使乳中的酪蛋白（乳中的主要蛋白，是一种含磷的蛋白质）凝固，将凝固的酪蛋白与乳清分离后，添加适量食盐，放在温度5～15℃的窖内，进行发酵，2～3个月后成熟。干酪制造中的凝乳过程干酪制造的第一步将牛奶用乳酸菌发酵制成酸奶，再加凝乳酶水解κ-酪蛋白，在酸性环境下，Ca2+使酪蛋白凝固。在最先的酶阶段中，添加的凝乳酶（或效果较差的胃蛋白酶）进行专一性的蛋白质限制水解，把κ-酪蛋白的苯丙氨酸-蛋氨酸键打开，使酪蛋白胶束成亚稳态；在第二个非酶阶段中，由于钙离子影响，乳凝结。凝乳酶的来源凝乳酶（rennin）是用未断奶小牛的皱胃提取制成的，后来又从几种微生物