第8章酶解析

第八章酶(Enzyme)2第一节概述酶对食品科学的重要性控制着所有重要的生物大分子和小分子的合成、分解食品加工的主要原料是生物材料,生物材料中含有大量的酶酶的作用有益的：蛋白酶有害的：果胶酶、脂酶有效地使用和控制内源酶和外源酶31、酶的化学本质八十年代以前:酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。八十年代以后:酶是一类由活性细胞产生的生物大分子，又称催化剂。蛋白质核糖酶：RNA、DNA4酶是生物催化剂不参与反应，反应结束时保持不变酶在物理和化学状态上的改变是可逆的酶反应中包含可逆的中间络合物酶被反复使用酶的周转率（Turnover）在酶被完全饱和条件下，单位时间内底物被每个酶分子转变成产物的分子数。大多数酶，1×104s-1少量的酶（昂贵）～大量的生物转化52、酶分子的组成和结构据酶蛋白结构特征分类单体酶寡聚酶多酶复合体只有一条具有活性部位的多肽链，即仅由单一的三级结构蛋白质构成。——通常为水解酶类。由多个具有三级结构的亚基聚合而成，亚基聚合时有活性，解聚后失活。由几种功能相关的酶靠非共价键嵌合而成的复合体。62、酶分子的组成和结构金属离子小分子有机化合物酶蛋白（蛋白质部分）辅助因子（非蛋白质部分）仅由蛋白质组成，水解---氨基酸决定反应专一性决定反应性质二者缺一不可,否则不具有催化特性全酶才有催化活性单纯蛋白酶：结合蛋白酶（全酶）据酶分子组成分类7辅助因子分类——按其与酶蛋白结合的紧密程度辅酶(co-enzyme):与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。83.酶的催化作用特点高效性：反应速度是普通催化剂的107～1013；反应条件温和：pH5-8，20-40°C；酶活力条件可控：生成与降解量的调节，催化效力的调节，改变底物浓度对酶进行调节等；专一性：即酶只能对特定的一种或一类底物起作用。绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，而不作用于任何其它物质。相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。包括键的专一性和基团的专一性。立体异构专一性：这类酶只对底物的某一种构型起作用，而不催化其他异构体。包括旋光异构专一性和几何异构专一性。9底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心催化底物转变成产物维持酶活性中心应有的空间构象103、酶的命名习惯命名α-淀粉酶、纤维素酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、过氧化物酶或过氧化氢酶商品名称系统命名4位数字组成的酶委员会编号（ECnumber）11酶的系统命名的原则第一位数字（大类）反应本质第二位数字（亚类）第三位数字（亚-亚类）1．氧化还原酶电子转移供体中被氧化基团的性质受体的类型2．转移酶基团转移被转移基团的性质被转移的基团的进一步描述3．水解酶水解被水解的键的类型（酯键、肽键等）底物的类型：糖苷、肽等4．裂合酶键裂开被裂开的键：C-S、C-N等被消去的基团5．异构酶异构化反应的类型底物的类别、反应的类型和手性的位置6．连接酶键形成被合成的键:C-C、C-O、C-N等底物S1、底物S2、第三底物（共底物）几乎总是核苷三磷酸例：聚半乳糖醛酸酶，EC3.2.1.15水解酶，糖苷键，O-糖苷125.影响酶催化反应速度的因素内在因素酶的浓度底物的浓度环境条件pH温度水分活度激活剂或抑制剂13底物浓度对酶促反应的影响在酶浓度，pH，温度等条件不变的情况下研究底物浓度和反应速度的关系。如右图所示：n在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。n当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。[S]vVmax一级反应v=k[S]零级反应v=k[E]14酶浓度的影响底物充足,其它因素不变时：反应速率与酶浓度成正比；底物浓度不足或酶浓度过高、产物积累对反应有抑制作用，会妨碍反应速率；实际生产中，酶浓度如过高，既浪费又影响产品质量。15温度的影响最适温度：酶促反应速度最快时的环境温度。动物细胞酶37～50ºC植物细胞酶50～60ºC双重影响T＜最适Tº：温度升高，酶促反应速度升高T＞最适Tº：由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响16pH的影响1.最适pH表现出酶最大活力的pH值2.pH稳定性在一定的pH范围内酶是稳定的pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。0酶活性pHpH对某些酶活性的影响胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶24681017Aw的影响一般而言，酶活力随Aw的升高而增大。食品原料中的水分含量必须低于1%～2%，才能抑制酶活力18有机溶剂对酶反应的影响影响酶的稳定性和反应进行的方向有机溶剂与水不互溶反应移向催化合成反应有机溶剂与水互溶反应移向催化水解反应19激活剂的影响使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。其中大部分是一些无机离子和小分子简单有机物。如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-等；激活剂对酶的作用具有一定的选择性，使用不当，会适得其反，激活剂之间有时存在拮抗现象。激活剂的浓度有一定的范围，超出此范围，会得到相反的效果。20——使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶失活的物质，称为抑制剂酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。抑制剂的影响21抑制剂的影响（一）抑制作用的概念1.失活作用：由于酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。2.抑制作用：使酶活性部位的结构和性质改变，从而酶活力下降或丧失,酶蛋白一般并未变性。抑制剂：能引起酶抑制作用的物质，用I表示；抑制剂对酶有一定的选择性；223．抑制剂的种类氰化物、重金属离子、一氧化碳、硫化氢、生物碱、砷化物、麻醉剂、表面活性剂及磺胺类药物23（二）抑制作用的机制1.与酶结合成稳定的络合物，降低或破坏酶的活力。2.破坏酶或辅基活性基团或改变活性部位的构象；3.抑制剂与酶的激活剂结合；4.夺取酶与底物结合的机会，从而降低[ES]；总的来说，抑制作用是破坏和改变酶与底物的结合，阻碍了酶对底物的催化。按照抑制剂与酶作用的方式分两类：不可逆抑制作用可逆抑制作用24（三）抑制作用的类型不可逆抑制作用：指抑制剂与酶活性中心必需基团以共价键结合，引起酶活性丧失。不能用透析、超滤或凝胶过滤等物理方法解除抑制。可逆抑制作用：抑制剂与酶往往通过非共价键结合，其结合是可逆的，可以用透析或超滤等物理方法解除抑制。25根据可逆抑制剂、底物和酶三者的关系，分为三种类型：A.竞争性抑制作用B.非竞争性抑制作用C.反竞争性抑制作用2.可逆抑制作用：26A.竞争性抑制：抑制剂与底物竞争，与酶的同一活性中心结合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低。2.可逆抑制作用：EESIESEIEP+++27⑴竞争性抑制剂多是酶的底物类似物或反应产物；⑵抑制剂与底物竞争与酶结合（结合部位相同），多与酶的活性中心同底物相结合的基团结合。⑶底物浓度增加时,抑制作用减弱,取决于底物浓度与抑制剂浓度的比例及其与酶的亲和力的大小,可以通过加大底物浓度的方法消除抑制作用。竞争性抑制的特点：28k-3k+3+IESIk+2E+PESE+Sk+1k-1k-3k+3+IEI+Sk+1k-1反应模式B.非竞争性抑制抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与ES复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。29非竞争性抑制的作用模式图+S－S+S－S+ESIEIEESEP30⑴非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合；抑制剂是与酶的活性中心以外的必需基团结合而起作用的；⑶抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底物浓度的改变对抑制程度无影响。非竞争性抑制的特点：31k-3k+3+IESIk+2E+SE+PESk+1k-1反应模式C.反竞争性抑制抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合并阻止产物生成，无活性的ESI，使酶的催化活性降低。32反竞争性抑制的作用模式图++ESESESIEP33⑴反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似；⑵抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合；⑶必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增加而增加；反竞争性抑制的特点：34酶促褐变1、定义较浅色的水果、蔬菜在受到机械性损伤（削皮、切片、压伤、虫咬、磨浆、捣碎）及处于异常环境变化（受冻、受热等),在酶促（催化）下氧化而呈褐色，称为酶促褐变。2、酶促褐变机理植物中的酚类物质在酚酶及过氧化物酶的催化下氧化成醌，醌再进行非酶促反应生成褐色的色素。35酚酶以Cu离子为辅基以氧为受氢体的末端氧化酶是两种酶的复合体甲酚酶（又称酚羟化酶），作用于一元酚；儿茶酚酶（又称为多元酚氧化酶），作用于二元酚。酚酶属氧化酶类，能直接催化氧化底物酚类它最适pH为7，较耐热，在100℃可钝化。36甲酚酶邻二酚酶聚合OHOHOHOOOO黑色素醌二元酚一元酚n3、酶促褐变的机制37实例1：土豆（酪氨酸）的褐变土豆褐变，毛发、皮肤中黑色素形成机制；目前发现的唯一一条动植物共有的褐变途径。38实例2：含有儿茶酚水果的褐变39实例：梨心变黑——贮存前经两次“发汗”；香蕉心变黑，不能贮存在12℃以下，但也不能温度过高，乙烯催熟；实例3：绿原酸的酶促褐变邻苯二酚氧化酶1/2O2聚合褐色黑色404、酶促褐变发生的条件酚类底物酶氧三者缺一不可易发生酶促褐变的食品：藕、香蕉、洋葱、茄子、土豆、苹果、梨、桃子等；不易发生酶促褐变的食品：柠檬、桔子、香瓜、西瓜等；415、控制酶促褐变的方法除去多酚类物质困难，不现实。∴一般为降低酚酶活性、驱氧主要途径：钝化酶的活性（热烫、抑制剂等）；改变酶作用的条件（pH,水分活度等）；隔绝氧气；使用抗氧化剂（Vc,SO2等）42用于食品方面主要有以下几种（1）加热处理在适当温度和时间,加热新鲜果蔬,可使酚酶及其它酶失活常用的方法有：漂烫、巴氏杀菌加工中，必须严格控制时间和温度。不彻底加热，反而促进褐变;过度则影响风味、质构。微波加热，热穿透力强，迅速均匀，不影响风味。43（2）控制pH——酸处理法酚酶的最适pH在6—7，3明显无活性；水果：控制在酸性条件下蔬菜：控制在中、碱性条件下常用的酸有：柠檬酸、苹果酸、磷酸、抗坏血酸、混合酸。柠檬酸：降低pH，控制酚酶活性；螯合酚酶的Cu辅基。抗坏血酸：使酚酶失活，且可耗氧。44（3）亚硫酸盐类处理法抑制酚酶活性；将醌还原为酚；与醌加成，防止聚合。如：在蘑菇、马铃薯、桃、苹果等加工中，常用二氧化硫及亚硫酸盐类作护色剂。优点：防止酶促褐变，防腐；避免VC氧化失效；SO2易去除；方便，成本低；缺点：漂白，破坏花青素；腐蚀素铁罐的内壁；不愉快嗅味；破坏VB145(4)驱氧a.涂Vc液，涂膜；b.浸没；c.渗入（5）底物甲基化5－蛋氨酸腺苷＋儿茶酚愈创木酚咖啡酸阿魏酸绿原酸3－阿魏酸金鸡钠酸46褐变的利用期望的褐变：苹果酒、红茶发酵（生成茶红素）、可可粉、葡萄干、梅干、椰枣、无花果。47第四节酶在食品加工中的应用使用酶的目的提高食品品质制造合成食品提高提取食品成分的速度及产量改良食品风味稳定食品品质增加副产物的利用率48使用酶的优点天然、无毒催化的特异性，不造成不需要的副反应一般是粗酶制剂，可能会产生不期望的产物；但使用