酶工程技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用

酶是指將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)的技術(shù)。這是一種將酶理論與化工技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。酶工程包括自然酶的開發(fā)及應(yīng)用，固定化酶、固定化細胞、多酶反應(yīng)器(生物反應(yīng)器)、酶傳感器等。酶是生物細胞產(chǎn)生的有催化活性的蛋白質(zhì)或多肽，它參與農(nóng)產(chǎn)品加工過程中的各種化學變化。由于酶的作用具有專一性強，催化效率高，作用條件溫和等特點，酶的應(yīng)用不僅可增強產(chǎn)量，提高質(zhì)量，降低原材料和能源消耗，改善勞動條件，降低成本，而且可以生產(chǎn)出用其它方法難以得到的產(chǎn)品，促進新產(chǎn)品、新技術(shù)和新工藝迅速發(fā)展。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的興起，酶工程技術(shù)應(yīng)運而生，并在制藥業(yè)、食品工業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)顯示出強大的生命力。該文主要介紹酶工程技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工方面的應(yīng)用。1生物活性肽的制備以前，人們認為氨基酸是人體吸收蛋白質(zhì)的主要途徑，隨著研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)經(jīng)消化道中的酶水解后，主要以小肽的形式吸收，比完全游離的氨基酸更易吸收利用。這一發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)了科研工作者采用酶工程技術(shù)用蛋白質(zhì)生產(chǎn)生物活性肽的新思路。生物活性肽是蛋白質(zhì)中20種天然氨基酸以不同排列組合方式構(gòu)成的從二肽到復雜的線性或環(huán)形結(jié)構(gòu)的不同肽類的總稱，是源于蛋白質(zhì)的多功能化合物?；钚噪木哂卸喾N人體代謝和生理調(diào)節(jié)功能，易消化吸收，有促進免疫、激素調(diào)節(jié)、抗菌、抗病毒、降血壓、降血脂等作用，且食用安全性高。生物活性肽主要是通過酶法降解蛋白質(zhì)而制得。目前已從大豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、水產(chǎn)蛋白的酶解物中制得一系列功能各異的生物活性肽。1.1酶水解法制備大豆蛋白肽大豆多肽是大豆蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶水解后，分離、精制而得到的多肽混合物，以3～6個氨基酸組成的小分子肽為主，還含有少量大分子肽、游離氨基酸、糖類和無機鹽等成分。大豆肽的氨基酸組成與大豆蛋白質(zhì)相同，且含量豐富，平衡良好，更易被人體吸收。大豆多肽具有降低膽固醇、降血壓和促進脂肪代謝、活化雙歧桿菌等生理功能以及無豆腥味、易溶于水、流動性好等良好的加工性能，可作為優(yōu)良的保健食品素材。目前酶水解法是生產(chǎn)大豆蛋白肽的主要方法。大豆蛋白質(zhì)疏水性較強，水解過程中產(chǎn)生疏水性多肽的機會也較多，由于疏水性多肽具有苦味，產(chǎn)物苦味明顯。隨著水解度的增加，疏水性氨基酸（如亮氨酸、蛋氨酸）暴露越多，苦味也就越強。而當水解度非常高時，苦味肽被繼續(xù)水解成分子量很小的短肽或游離氨基酸，這時苦味又會減弱或消失。在大豆多肽的生產(chǎn)中，目前應(yīng)用于研究和生產(chǎn)中的酶有堿性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和復合酶等。文獻報道采用中性蛋白酶、木瓜蛋白酶水解大豆蛋白，配合活性碳的吸附處理，可以消除由于疏水性肽帶來的苦味。如李雄輝等人采用中性蛋白酶和木瓜蛋白酶雙酶水解生產(chǎn)大豆肽，使大豆肽生成率達到62.9%，游離氨基酸含量小于總蛋白質(zhì)量的8%，平均肽鍵長度5～8，分子質(zhì)量2000左右。雙酶水解工藝既縮短了酶解時間、提高了蛋白質(zhì)水解度，又減輕了產(chǎn)品苦味。周利亙、陳新峰等采用雙酶復合酶解、粉末活性炭脫色、超濾、真空濃縮和噴霧干燥等工藝，得到了基本無苦澀味的高品質(zhì)大豆多肽。1.2玉米蛋白酶解玉米活性多肽的制備玉米多肽主要來自玉米蛋白的水解產(chǎn)物，是由分子量很小但活性很高的短肽分子組成。玉米多肽易消化、吸收，具有消除疲勞、抗高血壓和醒酒的功能，可用于功能食品的開發(fā)。制備玉米多肽通常采用的方法有酸堿降解法、微生物降解法和酶解法。由于酸堿法對蛋白質(zhì)損害嚴重，故其應(yīng)用受到限制；微生物降解法對于菌種的要求比較高，因此目前酶法水解玉米蛋白成為制取玉米多肽的主要方法。從酶解制取活性多肽的研究結(jié)果統(tǒng)計可知，通過選擇不同的酶和控制不同酶解條件可釋放出具有不同活性的多肽如玉米降壓肽、谷氨酰胺活性肽、抗氧化肽、高F值低聚肽等。酶解玉米蛋白對生產(chǎn)高營養(yǎng)、易于吸收、高附加值的具有生物學功能特性的生物產(chǎn)品具有重要意義。酶解玉米蛋白制取玉米活性肽通常直接以玉米蛋白粉作為酶解底物。水解蛋白酶種類繁多，其中堿性蛋白酶使用較為頻繁，如金英姿等采用堿性蛋白酶酶解玉米蛋白，研究了其水解玉米蛋白的最適作用條件，篩選出玉米蛋白酶解的最佳條件。劉萍等在玉米蛋白制備降血壓肽的試驗中對單一酶和復合酶進行比較，發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶單一水解玉米蛋白效果比復合酶好。1.3人員活性成分(1)酪蛋白磷酸肽。近年來的研究表明，牛奶中的某些多肽以及一些從牛奶蛋白水解而得到的多肽，具有某些生物活性，對于人體健康十分有益。酪蛋白磷酸肽是以牛奶酪蛋白為原料，經(jīng)蛋白酶水解，再經(jīng)分離純化而得到，分子量為2000～4000，具有天然生理活性。酪蛋白磷酸肽具有結(jié)合鈣和促進鈣吸收的功能，同時對金屬元素如鐵、鋅、硒的吸收也有促進作用。制備酪蛋白磷酸肽通常采用的是具有較強專一性的胰蛋白酶、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備方法。目前一般采用具有單一性的蛋白酶來水解酪蛋白制備酪蛋白磷酸肽。廣州輕工研究所生產(chǎn)的酪蛋白磷酸肽有效肽含量達85g/100mL以上，加工性能穩(wěn)定，已在市場上推出。(2)糖巨肽。酪蛋白經(jīng)凝乳酶處理制得糖巨肽。糖巨肽具有抗病毒、活化雙歧桿菌等功能。1.4活性肽的分離和制備海洋生物蛋白資源是2l世紀人類重要的蛋白類食物及生物活性物質(zhì)的重要來源。我國目前的海洋生物蛋白資源總量在世界各國名列前茅。近年來，許多科學家利用酶工程技術(shù)從海洋動物中分離活性肽，并且取得了很大進展。這些活性肽結(jié)構(gòu)復雜多樣，參與生物體的重要生命活動，具有重要的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用價值。利用酶工程技術(shù)從魚、蝦蛋白中酶解制取了降血壓肽，可抑制血管緊張素轉(zhuǎn)移酶活性，從而起到降低血壓作用。如用金槍魚蛋白制取的C8肽，用沙丁魚蛋白制取的C11肽，用南極磷蝦蛋白制取的C3肽。另外，人們利用谷蛋白酶解制取了類嗎啡肽，該肽具有鎮(zhèn)痛和促進胰島素分泌等功能；利用卵蛋白酶解制取了具有提高免疫調(diào)節(jié)功能的卵白肽等。2高輔料啤酒釀造新工藝早期的啤酒主要以麥芽為原料，成本較高。而現(xiàn)在廣泛利用各種原料如大米、玉米、小麥、雜糧等作為輔料生產(chǎn)啤酒。使用輔料量一般占30%左右，不少工廠高達40%～50%。提高輔料比，可降低糧耗、降低成本；同時又能提高啤酒質(zhì)量，使啤酒清淡爽口，但需要外源酶，這就促進了現(xiàn)代酶工程技術(shù)與傳統(tǒng)啤酒釀造技術(shù)的結(jié)合。陳廷登等人研究了以60%大米為輔助原料，通過添加酵母提取物作為補充氮源，用淀粉酶、糖化酶促進淀粉糊化、液化和糖化的高輔料啤酒釀造新工藝。結(jié)果顯示，該新工藝在保證啤酒質(zhì)量的同時，又降低了啤酒釀造成本，具有顯著的經(jīng)濟效益。這些輔料價值的實現(xiàn)，都和淀粉酶作用分不開。輔料中的淀粉經(jīng)過糊化后，在淀粉酶的作用下水解成糊精和低聚糖，最終產(chǎn)物為麥芽糖、麥芽三糖、麥芽五糖。淀粉酶水解淀粉產(chǎn)生麥芽糖，可用來生產(chǎn)高麥芽糖漿、高純度麥芽糖，醫(yī)用針劑麥芽糖，麥芽糖醇，麥芽糊精，啤酒等?，F(xiàn)代白酒和黃酒的生產(chǎn)，既要保持原酒的風味特色，又要提高出酒率、簡化操作，這就需要傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合。目前，酶在這兩種酒的生產(chǎn)應(yīng)用中已經(jīng)很廣泛。釀酒業(yè)中廣泛應(yīng)用的酶主要是糖化酶、液化酶、纖維素酶、蛋白酶、酯化酶等，具有酶活力強、用量少、使用方便等優(yōu)點，適量添加可提高出酒率和品質(zhì)。糖化酶、液化酶是白酒黃酒釀造中主要用酶，目前流行的生料釀酒和液化法黃酒釀造也主要是利用這兩種酶直接將淀粉液化糊化糖化來代替蒸煮作用的原理，而通過酶的固定化技術(shù)將它們固定在載體上，效果更好。3低聚糖的制備方法獲得低聚糖的途徑主要有：從天然植物中提取、化學合成、酶工程等。以淀粉為原料生產(chǎn)低聚糖大部分采用生物工程中的酶工程來制備。以淀粉為原料生產(chǎn)低聚糖類產(chǎn)品，是淀粉深加工的另一途徑，也是利用淀粉生產(chǎn)甜味劑的新途徑。這是目前生產(chǎn)低聚糖的主要方法。以淀粉為原料生產(chǎn)的低聚糖大至有：低聚麥芽糖、低聚異麥芽糖、低聚龍膽糖、環(huán)葡聚糖、甘露低聚糖、低聚果糖等，其生產(chǎn)方法及應(yīng)用分述如下。3.1色粉末低聚麥芽糖生產(chǎn)低聚麥芽糖是以淀粉為原料，再用低聚糖酶糖化，然后經(jīng)脫色、脫鹽、濃縮等精制工序，噴粉得到白色粉末低聚麥芽糖產(chǎn)品。低聚麥芽糖有滋補營養(yǎng)性，是低甜度、低滲透壓的新糖源。它易被吸收，能延長供能、增強機體耐力，當人們長時間劇烈運動或用腦過度引起生理上一些不適的變化，服用后可以得到緩解。它具有保濕性，可防止淀粉質(zhì)食品老化。由于它易被體內(nèi)消化酶所分解吸收，故它是非功能性低聚糖。3.2低聚糖的保鮮原理生產(chǎn)低聚異麥芽糖是以淀粉為原料，先用α-淀粉酶液化，再用p-淀粉酶糖化，同時用葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶將麥芽糖轉(zhuǎn)化為異麥芽低聚糖，經(jīng)脫色、脫鹽、濃縮等精制工序而得。低聚異麥芽糖耐酸耐熱性極好，具有較好的保濕性，并能抑制蔗糖、葡萄糖的晶體形成，可防止淀粉質(zhì)食品硬化和老化，延長食品的保存時間。由于其屬非發(fā)酵性物質(zhì)，不會被微生物利用，除可延長食物的貯存期外，抗菌防齲性是其一大特點。它與蔗糖共用時，能阻止蔗糖被變異鏈球菌作用而產(chǎn)生水不溶性的高分子葡聚糖，抑制蔗糖的蛀牙性。異麥芽低聚糖中的潘糖對抑制牙垢形成也有明顯的效果。異麥芽低聚糖能有效地促進人體內(nèi)有益細菌雙歧桿菌的增殖，是一種功能性低聚糖。3.3低聚龍?zhí)堑奶琴|(zhì)低聚龍膽糖是以淀粉為原料，先用淀粉酶液化，再用糖化酶糖化后，通過專用的葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用，經(jīng)脫色濃縮而得低聚龍膽糖漿。低聚龍膽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豐富更微妙，且還會在口腔中滯留，用于糖果、飲料、冷飲中可使其甜味更純。它比蔗糖和麥芽糖漿的吸濕性強，可以保持各類食品中的水分，防止淀粉類食品的老化，延長貨架期。它是低熱、低甜物質(zhì)，難被人體消化酶所分解，因而可以促進雙歧桿菌的生長，從而起到改善結(jié)腸狀況的作用。3.4環(huán)葡聚糖和環(huán)葡聚糖環(huán)葡聚糖可直接利用葡聚糖作原料，以葡萄糖轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)化成為環(huán)葡聚糖。據(jù)日本有關(guān)資料報道，也可直接以淀粉為原料加入一種新近從土壤微生物中分離的葡聚糖水解酶和CI合成酶轉(zhuǎn)化而得。環(huán)葡聚糖是一種無色無味的低聚糖，具有優(yōu)異的抗齲作用，只要在蔗糖中加入1%～4%的微量環(huán)葡聚糖即可顯現(xiàn)。這可能與環(huán)葡聚糖的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為環(huán)葡聚糖能阻止蔗糖中的葡萄糖基轉(zhuǎn)移，從而抑制了口腔細菌的繁殖，達到防齲作用。環(huán)葡聚糖作為食品添加劑直接加人糖果、口香糖、飲料、糕點等食品中，不會影響食品的原有風味和甜味。它不含熱量，不被人體消化吸收，安全可靠。環(huán)葡聚糖另一引人注意的特性是其分子中間有一定的空間，可用來包封某些苦味、難溶或易氧化藥物或其他化學物質(zhì)，以提高藥物利用率、穩(wěn)定性或改善口感。環(huán)葡聚糖在制藥和食品工業(yè)都將有廣闊的應(yīng)用前景。3.5結(jié)晶利用技術(shù)甘露低聚糖是魔芋塊莖中的主要成分，其含量占干重的40%～50%。以魔芋粉為原料用β—甘露聚糖酶作用，經(jīng)澄清脫色、脫味、離交、濃縮結(jié)晶等精制工序可得結(jié)晶甘露低聚糖。人體不能直接吸收甘露低聚糖，服用后它還會引起血糖值升高。作為雙歧桿菌的增殖因子，它可改善腸道菌群比例，抑制有害菌增殖，它的纖維性，還可刺激腸道蠕動，吸附有害物質(zhì)，起到調(diào)節(jié)腸道功能，具有護肝、抗腫瘤、增強免疫力、降低膽固醇、抗衰老等生理活性，適用于便秘、腹瀉、消化不良、肚炎熱、營養(yǎng)不良等各種腸道疾病的輔助治療，也適用于老人、兒童的日常保健。3.6吸引的生理特性以菊芋粉為原料用菊糖內(nèi)切酶水解，經(jīng)精制最終可得低聚果糖漿。低聚果糖除具有一般功能性低聚糖的物理化學性質(zhì)外，最引人注目的生理特性是它能明顯改善腸道內(nèi)微生物種群比例，它是腸內(nèi)雙歧桿菌的活化增殖因子，可減少和抑制腸內(nèi)腐敗物質(zhì)的產(chǎn)生，抑制有害細菌的生長，調(diào)節(jié)腸道內(nèi)平衡；能促進微量元素鐵、鈣的吸收與利用，以防止骨質(zhì)疏松癥；可減少肝臟毒素；且口味純正香甜可口，具有類似脂肪的香味和爽口的滑膩感。近幾年低聚果糖的產(chǎn)品風靡日、歐、美等保健品市場。4酶手術(shù)用于生產(chǎn)氨基酸4.1氨基丙烯酸以L-谷氨酸為原料，通過固定化L-谷氨酸脫竣酶轉(zhuǎn)化制得。氨基丁酸具有降血脂及健腦益智功能。4.2異亮氨酸以糖、氨、Cl-氨基丁酸為原料，用黃色小球菌或枯草桿菌發(fā)酵而得。4.3l-氨基丙烯酸用紅酵母菌種二級發(fā)酵，培養(yǎng)具有苯丙氨酸解氨酶活性的細菌培養(yǎng)物，以此作為生物催化劑，在肉桂酸、氨水液中保溫反應(yīng)，由酶催化制得。4.450.谷氨酸以葡萄糖、尿素、無機鹽等為原料，用產(chǎn)谷氨酸微球菌、產(chǎn)氨短桿菌、產(chǎn)氣桿菌等為菌種，發(fā)酵制得。4.5氨