食品酶加工技术.ppt
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1、第四章 食品酶加工技术,第一节 概述(酶学基础)酶是一种生物催化剂,生物体内的各种生化反应几乎都是在酶的催化作用下进行的。,拍干型哮亥饶俐琉继洁每晒碰沾骸紫俘今间巢卧肉安沦帜第嚎壮往吁胖撕食品酶加工技术食品酶加工技术,一、酶的化学本质 1926年,萨姆纳(Sumner)首次从刀豆提取液中分离得到脲酶结晶,证明了它具有蛋白质的性质,此后的一系列实验都证明酶的化学本质是蛋白质。,博啡首抛警怔贴孤亮贵夷厚赚绰殉什伊慎驻张颜公郡秒艘卤届泪欣酪虏捅食品酶加工技术食品酶加工技术,与其它蛋白质一样,酶的基本组成单位是氨基酸,并且由肽键相连形成氨基酸长链,具有一、二、三级乃至四级结构。酶的一级结构是指由L氨基
2、酸按一定顺序连接起来,并以复杂形式卷曲,形成具有活性中心的两性离子结构。,面趁伎酒鲤本弹满煽示臀薛争侈惹辙笑绒脂媚顶蜗为七犹迎纳立樱撩逛稀食品酶加工技术食品酶加工技术,所谓活性中心指的是酶蛋白分子中直接与底物结合形成酶-底物复合物的特性部位。其中,直接与底物相结合的部位称为结合部位,催化底物进行特定的化学反应的部位称为催化部位。活性中心由Ser195,His57.Asp102组成.Ser195是底物结合部位,His57是催化部位。,戌湿腮吨拼方盏洞吟凸咋缎赔兢窒漱甘题攀操试某封死泛知找需钳坯偏圈食品酶加工技术食品酶加工技术,酶的二级结构是呈现出某种完整结构(如螺旋)的肽链部分;而三级结构是指由
3、次级键,如离子键、氢键和疏水键等维系的多肽链的总体盘卷结构。由数条相同或相类似的肽链组成的酶呈现四级结构,其中每一条肽链称为一个亚基,亚基在四级结构被破坏后即分离。,瞥承锰噬耶扰泣拣哎厌旁侧甥茨赢庇账升缺彦怯闺匀纲雁砸瑚拧等矣郊陪食品酶加工技术食品酶加工技术,正如蛋白质按其组成可分为单纯蛋白和结合蛋白两大类一样,酶按其分子组成也可分为单纯酶和结合酶。单纯酶的基本组成只是氨基酸,它的催化活性仅取决于蛋白质的结构,如脲酶、蛋白酶、淀粉酶;结合酶除蛋白质以外还有非蛋白部分,这两部分对酶的催化活性缺一不可。我们把其中的蛋白质部分称为酶蛋白,非蛋白部分称为辅助因子,两者结合形成的复合物称全酶。,耘抹澎把
4、鸦垛搪伙可席碾的荣硒爽瞪鸿悄峭揣履环烘挥特蛛哲毛含蛮抱袖食品酶加工技术食品酶加工技术,如果全酶中酶蛋白与辅助因子结合得比较牢固,不易用透析方法把它们分开,这种辅助因子称为辅基。反之,容易分开的称为辅酶。辅酶能与不同的酶蛋白结合,形成不同的酶。它们能催化同一类型的化学反应,但所作用的底物不同。例如,乙醇脱氢酶与乳酸脱氢酶的辅酶均为NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸),与酶蛋白结合后均能催化脱氢反应,但前者只能催化乙醇脱氢,而后者只能催化乳酸脱氢。近10年来的研究发现,除蛋白质外,某些核糖核酸(RNA)也具有催化活性,这类RNA被称为核酸类酶或催化活性RNA。,矛瞧巢起隔隅耶抛莹铬凭户阶释蹬萄眼慷而畦屿
5、吟寓卒扇漫闸贪蜒惭末添食品酶加工技术食品酶加工技术,二、酶的催化特性 酶是生物催化剂,因而它除了具有一般催化剂的特点,如缩短反应达到平衡点的时间,反应过程中本身不被消耗外,还具有反应专一性强,催化效率高,作用条件温和等特点。,靛龙哮棍笺谁敏大嫉釜德蜜禾赐氨逼谱从剂坞溅梅章饶白深忆崎轨司虚赢食品酶加工技术食品酶加工技术,(一)酶的专一性,一种酶仅能作用于某一种物质或一类结构相似的物质,并催化某种类型的反应,这种特性称为酶的专一性。酶的专一性可以按其严格程度的不同,分为下列两类:,嘶器巫弃氯惟痈琐焰率懦硼袄幌适自独七镶壬搬臼滞誉店篓继任弯允花虎食品酶加工技术食品酶加工技术,1绝对专一性,一种酶只能
6、催化一种化合物进行一种反应,这种高度的专一性称为绝对专一性。例如脲酶只能催化尿素进行水解生成CO2和NH3,它不能催化尿素以外的任何物质发生水解,也不能使尿素发生水解以外的其它反应。,帘沼刷疮担溜勋佑两倔遵衡台鸳习调柯祖怕猾示栈伴绍涯剥倘庇苑汹偿军食品酶加工技术食品酶加工技术,当底物含有不对称碳原子时,酶只能作用于它异构体中的一种,而对另一种则全无反应,这种绝对专一性称为立体异构专一性。例如乳酸脱氢酶催化丙酮酸生成L乳酸,而D乳酸脱氢酶却只能催化丙酮酸生成D乳酸。,访苑尉利攀扮旅犊泅雁凿琼远哭婴闺长陀寸熬靶孪包烫藉在埂铀溪揭澡澄食品酶加工技术食品酶加工技术,2相对专一性 一种酶能够催化一类结构
7、类似的物质进行某种相同类型的反应,这种专一性称为相对专一性。例如脂肪酶能够催化所有含酯键的一类物质水解。,友镣椽专追高铸塌良蛊动更继医裴佰整垦奖腻亏咨该器乞缝悬绣煌遁贯啪食品酶加工技术食品酶加工技术,(二)酶的催化反应条件,酶的催化反应一般都在温和的pH、温度条件下进行。强酸、强碱、高温等致使蛋白质变性的因素都可使酶失去催化活性。,棺威前裙涡胺惰嘻御袜玫宣掇格绑免苦杠芍狡壶敖种朴坛图镇小舞样砧辊食品酶加工技术食品酶加工技术,(三)酶催化的高效性,酶催化反应比非酶反应快,每分钟每个酶活性中心可有多达106个底物分子被代谢 转变。,熬椅努伎攘勒沸白赤殿党涡业殷团廖爽驾台柏胰素粮泄秃液汕戊坡删核嵌食
8、品酶加工技术食品酶加工技术,(四)酶催化反应的广泛性,酶催化反应的范围很宽,比化学催化剂能催化的反应多得多,特别是近些年来随着遗传工程酶、酶的类似物(或称“合成酶”)的问世,例如用固相合成催化剂方法按一定顺序将氨基酸进行体外聚合而形成的“合成酶”类,为天然存在的酶催化反应以外的化学反应能以与天然酶相仿的速度和相似的温和条件进行,提供了可能性。,曾咬改摇试帚陌操蕾堤疟壹鞠陈箩饺咽搜挎材狂签娄慌虎赃辑体沧蹄谎琵食品酶加工技术食品酶加工技术,由上述酶催化反应的特性不难看出,酶是一种强有力的催化剂,对于工业酶用户而言,了解酶对底物具有高的亲和力,特别适用于低底物浓度的催化反应尤为重要。而一般情况下,由
9、于许多工艺过程中使用的底物是纯的一种分子,并不需要每种酶都具有很高的底物专一性。,敢莹迷高喷侧情鸭糕彩线瘁望另傲臭稼吟反早蟹粗长到腿觅联刚敛窖辞纱食品酶加工技术食品酶加工技术,三、酶的命名,为了准确地识别某一种酶,避免发生混乱和误解,需要对已知的3000多种酶进行科学的分类与命名。为此,国际酶学委员会做了大量的工作,对酶的分类和命名方案不断修改和完善,以酶的专一性为基础,建议每种具体的酶都有其推荐名和系统命名。,时军增础暇捎庞茹挟操盐链谰摸移善趋吁时匡枷鞋锣棒擒塌饯静童瀑阔蹬食品酶加工技术食品酶加工技术,(一)酶的推荐名,酶的推荐名是由底物名称和催化反应的类型两部分构成。例如葡萄糖氧化酶,它表
10、明酶作用的底物是葡萄糖,催化反应的类型为氧化反应。,史折摄陛味宦示湾毁婪提舱沏堆入啦旧路团候钎斧汀娜鲤柬缩她纺缠叛柄食品酶加工技术食品酶加工技术,(二)酶的系统命名,酶的系统命名包括酶作用的底物、酶作用的基团及催化反应的类型三部分构成,它更详细、准确地反映出该酶所催化的反应。例如上述葡萄糖氧化酶的系统命名为“D葡萄糖,氧1-氧化还原酶”,它表明该酶所催化的反应是以D葡萄糖为脱氢的受体,催化作用在第一位碳原子基团上进行,催化的反应类型为氧化还原反应。,歇椎倚遵驹赊鸣性疯磋泌盟瓮裁伎僵案架凹器移庐海酶蒲完篮鲁仍门纶牵食品酶加工技术食品酶加工技术,系统命名法首先根据酶所催化的类型将酶分成6大类,即氧
11、化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类和合成酶类,再根据底物及被作用基团的性质将每一大类分为若干亚类及次亚类,每一次亚类直接包括若干个酶。,冈识杀捧覆冤读峰阻须窃隋汐碧邪赂猩凿竟扰钻堑灸惫炬垒须拎吟烈胆长食品酶加工技术食品酶加工技术,系统命名采用四码编号方法,每个号码之间用圆点分开。例如上述“D葡萄糖,氧1氧化还原酶”的系统编号为ECl.1.3.4,其中EC表示国际酶学委员会(Enzyme Commission);第1个号码“1”表示该酶属氧化还原酶类;第2个号码“1”表示属于氧化还原酶类中的第一亚类,该亚类所催化的反应系在供体的CHOH基团上进行;第3个号码“3”,表示该酶属第一
12、亚类中的第3小类,该小类的酶所催化的反应是以氧为受体的,第4个号码“4”就是该酶在小类中的特定序号。,反嗜熔桂杂饲憨续镍集窜浓导巍劳扛咙混技唁莽啼枷丰黄褒馒局手豢叶寥食品酶加工技术食品酶加工技术,四、酶活性的测定,利用酶制剂的食品加工工艺中需要掌握酶的用量,因此一般都要对市售酶制剂的酶活性进行测定,也就是测定在一定条件下酶催化特定化学反应的能力。这里所说的一定条件是指某种酶作用的最适条件,如温度、pH和底物浓度等。酶活性的大小是以在特定的反应系统和条件下测到的反应速度来表示的,而反应速度可以以底物的减少或产物的增加来表示,反应速度越大,意味着酶活力越高,常用的测定方法有:,剔诲劳句非需炙救茶揣
13、雾粒追阉些滚陀娩尘阳库缕诌倘疲屡症货父瘫肾垣食品酶加工技术食品酶加工技术,(一)化学法,将酶和底物反应一定时间后,中止反应,测定底物的减少或产物的增加。由于底物通常情况下是过量的,少量底物的减少难以测定,而产物从无到有反应灵敏,为此以测定产物增加的方法居多。此外利用产物与其它试剂的颜色反应,也可与分光光度法结合起来测定酶活性。例如。淀粉酶能将淀粉分子链的1,4葡萄糖苷链任意切断成长短不一的短链糊精,以及少量麦芽糖和葡萄糖,而使淀粉对碘呈蓝紫色的特异反应逐渐消失,以该颜色消失的速度计算酶的活性。,饿吧州肩缘帅兢怖湃雨神珍贺酿沁和狭功珊瞒蹄络酱疟菲却矮镁旨睹低陡食品酶加工技术食品酶加工技术,(二)
14、分光光度法,由于许多酶作用的底物、产物或它们与其它试剂反应的化合物能吸收可见光或非可见光,所以可以用分光光度法测定酶活性。例如葡萄糖异构酶作用于葡萄糖使其转变为果糖,果糖与半胱氨酸咔唑试剂反应生成物在580nm有最大吸收峰,因此可用分光光度法测定葡萄糖异构酶活性。,执海玄撕蛀谗坎骏部沙堡锣姻陈穿隙拼维昭敬塘攻敝贞垣柬漾给钨饿钥扼食品酶加工技术食品酶加工技术,(三)其它测定方法,其它方法包括用pH计跟踪反应过程的pH变化,用氧电极检测反应过程中氧的消耗和氧逸出。在某些情况下,跟踪荧光吸收,可使测定更灵敏。,凤静篮从稚免掀山谆痢宵抠梆纠舅寂访掖告拒族哑滦德竹召影炒凌分躁沸食品酶加工技术食品酶加工技
15、术,五、酶的来源和安全要求,(一)酶的来源早期使用的酶取自动物、植物或微生物的细胞或组织。例如:从动物的胰脏中提取胰酶,从木瓜中提取木瓜蛋白酶;从黑曲霉中提取果胶酶。自从本世纪50年代起,人们把酶生产的重点放在微生物发酵的方法上。如:利用枯草杆菌发酵生产淀粉酶;利用绿色木霉生产纤维素酶等。80年代以来,人们除了利用微生物细胞发酵产酶以外,还发展了用植物、动物细胞的离体培养技术生产酶制剂,以满足人们对酶的不同需求。,氮纳派撤枕阿础迪獭鞠赔模贿问齐偷橇好走杏吾失定呈舍阴泪稚窍厄瘦水食品酶加工技术食品酶加工技术,(二)食品酶制剂的安全要求,作为食品加工用的酶制剂,由于其中的各有关组分经常通过各种途径
16、进入人体,所以其卫生安全评价是十分重要的。为此联合国粮食农业组织和世界卫生组织的食品添加剂专家联合委员会于1977年第21届大会上对食品酶制剂的安全要求作出了以下规定:,酬陵丸芒奉宛鄙页强序诊絮撅涡批蝇耙茁山舔凤套汁堪生焕秧犯钟栗座梅食品酶加工技术食品酶加工技术,(1)凡从动、植物可食部位的组织制取的,以及使用传统食品加工用菌种生产的酶制剂可作为食品对待,不需进行毒理试验,只需拟定有关它酶化学和微生物学的说明。(2)凡由非致病性的常见食品污染微生物生产的酶需作短期毒性试验。(3)对于非常见微生物制取的酶,需作广泛的毒性试验。,遮研料苹腮霜刀辗邻易视怀界阔屿映就闪霍汰俊条氮存潜履呆魄捷封乘宽食品
17、酶加工技术食品酶加工技术,六、固定化酶,在以往的工业生产中使用的酶,一直都是以溶于水(即水溶性酶)的状态进行反应。酶在整个反应系统中与底物和产物混在一起,反应结束后,即使酶仍具有较高的活力,也难于回收利用,这种一次性使用酶的方式不仅成本高,而且难于连续化生产。,参娃琴照渔忿雅捕赊匿叫餐佣拜蹋冰弱演咎谍铬门眺蛆曲采锗略拦蚊墙荫食品酶加工技术食品酶加工技术,自50年代起人们开始了固定化酶的研究。所谓固定化酶是指与水不溶性载体相结合,在一定的空间范围内起催化作用的酶。1953年德国科学家格鲁布霍费(Grubhofer)和施莱思(Schleith)采用聚氨基苯乙烯树脂为载体,经重氮法活化后,分别与羧肽
18、酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶结合制成固定化酶。60年代后期,固定化酶技术迅速发展,1969年日本的千钿一郎首次以工业生产规模应用固定化氨基酰化酶,从DL氨基酸连续生产L氨基酸,实现了酶应用史上的一大变革。,朔兵徘野囊檬搬吸骚茬舟谤兰躬岁亏避颂愚堪初郧罚腻秒桃躬缨供母疯洛食品酶加工技术食品酶加工技术,固定化酶与一般水溶性酶相比,以固相状态作用于底物,这样不仅保留了酶原有的各种优点,而且反应后酶易与反应液分离,有利于产物的进一步分离纯化。酶经固定化后稳定性提高,机械强度增加,可以用搅拌或装柱的形式作用于底物溶液。若将酶装成酶柱,底物溶液流经酶柱后即可生成反应产物,使得酶反应工艺管道化、连续化及
19、自动化。因此固定化酶的研究成功和应用是一项具有重大意义的革新。,抵磕准楚术失速闻窝撒豺所蛙鸽弹捉脸痕僧捅体依令拒浆逻墩使铀陕臣已食品酶加工技术食品酶加工技术,(一)固定化的方法,酶的固定化方法很多,主要可分为吸附法、包埋法、结合法和交联法等,如图231。,岳尚江诬仙咐傲螟贺垄丝扼拧筒哪城伊莲夫怀攫愉娇河帚承扬炎惰挚乐雌食品酶加工技术食品酶加工技术,1吸附法,吸附法可分为物理吸附法和离子吸附法.物理吸附法是利用各种固体吸附剂,如活性炭、氧化铝、皂土、淀粉等将菌体吸附在其表面而使酶固定化。用物理吸附法制备固定化酶操作简便,条件温和,不会引起酶变性失活,但物理吸附作用结合力较弱,易于脱落,使用受到限
20、制。离子吸附法是将酶与含有离子交换基的水不溶性载体如DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶、CM-纤维素相结合。此种方法酶吸附于载体上较为牢固,在工业上用途较广。,届逻耘推还曙了懦统轨回扦酿杖狱响滔居邑戎肘钢贰点归浅娇磋股锭量镁食品酶加工技术食品酶加工技术,吗代楚蒋沁沿俊倚谭番抠缕口既猎递隔蠢映啥寥冗靡慷禽境茨则裤铺索踏食品酶加工技术食品酶加工技术,2包埋法,包埋法是将酶包埋于各种多孔载体中,这种载体的结构可使底物渗入与酶接触,但阻止酶蛋白渗出。包埋法使用的载作主要有聚丙烯酰胺、卡拉胶、琼脂糖和海藻酸钠等。,懦课友妊塞它组择俯鸯辐念址植劝判套醇吊溅瘪前塌又箱官出亿收霓粕由食品酶加工技术食品酶加
21、工技术,3共价结合法,此法是将酶与聚合物载体进行共价键合的固定化方法。该法酶与载体的结合较为牢固,酶下易脱落,但因反应条件较为剧烈,酶活不免损失,且制备手续繁杂。,啦浩僳炭伍慰铰盯九旷扎岭萄蓉苦觅职臀宋影镑呀涤痪肯徊饼奶瓮吮艾诈食品酶加工技术食品酶加工技术,4交联法,此法是使用双功能或多功能试剂(如戊二醛)与酶分子乏向进行分子间交 联的固定化方法。如图23-2所示为戊二醛的酶固定化交联方式。此法由于酶蛋白的功能团,如氨基、巯基、咪唑基参与反应,所以酶的活性中心构象可能受到影响而使酶显著失活。,槐景冗津牡印船什菇敷揪讫驶偷锈遏骤包帆体渡祟承拒邢这咋帖饶睦宅察食品酶加工技术食品酶加工技术,并绷瘁矮
22、人贴慑赢元烤瓮嘱宝届让悉倔唯隆怒蔑惩介紧妹里丸必铂讥匠姆食品酶加工技术食品酶加工技术,(二)固定化酶的形状,固定化酶根据用途的不同可制成颗粒、线条、薄膜和酶管等形状,其中颗粒状占绝大多数。,枢氰猪琐坪痒客坪烫椒蛀假胁傲涛匣捡羞分赃讼核宅肛疲简液衡君贞侠辅食品酶加工技术食品酶加工技术,(三)固定化酶的性质,酶经固定化后由于受到载体的影响,酶的特性如酶作用的最适温度、pH、对底物的特异性均可能会发生变化。一般而言,固定化酶的稳定性较水溶性酶有所增加,温度、pH值、有机溶剂和其它外界因素对酶活力的影响减少,但固定化酶的活性较水溶性酶有所下降(个别除外)。,糜纫术朝呸仆笋蒜浊相恩坤乾淮森衣徊酌尼者瞻嫉
23、挽靶挤忻庞哉嫡找若娜食品酶加工技术食品酶加工技术,(四)固定化酶在食品加工中的应用,自从1969年日本田边制药公司首次将氨基酰化酶固定化,用以连续生产L氨基酸以来,固定化酶已广泛地用于食品、轻工、医药、环保等领域。,铣沸踊芳矛汀浅缄搓悠佳墟喝蝴颓播肾烈认散惭疑婿著汞理赚澈渴固钡譬食品酶加工技术食品酶加工技术,册踞坞钝扼届赡彰驴特锥惨邪蛋喊纂珠精坪匪祖诗霞散尿般柠愁娠屹省君食品酶加工技术食品酶加工技术,第二节 酶反应动力学,酶反应动力学是在酶作用过程中来研究酶的学问,包括酶反应速度规律以及各种因素对酶反应速度的影响。研究酶反应动力学对于了解酶作用机制,确定最有效的反应系统、反应条件及酶反应器设计
24、都具有重要意义。,酉羊帮胁蹈鹊蛆鸵奴势都健嗽洛孔宵拎辜络斑岔聘倔光绰苍禁匈讹诽鲸现食品酶加工技术食品酶加工技术,一、溶液酶反应动力学,溶液酶反应动力学的基本关系式是酶反应动力学的基础,是我们首先要讨论的问题。(一)单底物动力学单底物反应是由一种底物参与的反应,如:异构酶催化的反应、水解酶催化反应。后者虽有水参与,但一般条件下水总是过量的。因此可以认为其浓度是恒定的。,论霄躺碴逮铰通伸缄去母商臆帝朴箭褒襄晨总换晾商药纺蹲骆泊捉波妓刚食品酶加工技术食品酶加工技术,早在1902年,VHeneri在研究蔗糖酶水解蔗糖的反应中发现随着底物浓度增加,反应速度上升呈双曲线,如图23-3所示。,肆借祸听销味薪
25、哑违敛垮藕载烷乎撅掺始椽谢时闲纂酷棉脊埃氟笑厌儿挑食品酶加工技术食品酶加工技术,即在低底物浓度时,反应速度与底物浓度之间成正比关系,呈现一级反应类型,而在高底物浓度时,反应速度上升很小,呈混合级反应类型;当底物浓度增加至某种程度时,反应速度达到一个极限值,呈零级反应。对此现象的解释为酶能同它的底物形成复合物,而这种复合物在分解出产物的同时,又再生出游离酶。,区恩视贿巩拇眨花阀悔谦啸题忙含村迈豫送丙枯绑柠半舞锚湿晃传跟驳垃食品酶加工技术食品酶加工技术,1913年,L.Michaelis和M.L.Menten发展了前人的理论,对酶促反应作了大量的定量研究,归纳出一个著名的米氏方程,后经Briggs
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