果膠酶在果汁生產(chǎn)中的應(yīng)用

果汁和果汁飲料是非常重要的飲料。近年來(lái),我國(guó)的水果種植面積越來(lái)越大,品種也越來(lái)越多,產(chǎn)量大幅增加,這些因素都直接推動(dòng)了果汁產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。隨著健康意識(shí)的提高,人們逐漸開(kāi)始側(cè)重選擇健康的飲品。果汁中含有豐富的膳食纖維、維生素、糖分、酸分和無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),能夠補(bǔ)充人體所需營(yíng)養(yǎng)元素,因而備受消費(fèi)者喜愛(ài),市場(chǎng)規(guī)模也越來(lái)越大。果汁生產(chǎn)中主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題:果漿粘度高、壓榨率低且果汁澄清困難。這是由于水果中含有大量的果膠、纖維素、半纖維素、淀粉和色素等物質(zhì),其中果膠和纖維素類(lèi)物質(zhì)是造成上述問(wèn)題的主要因素;而淀粉、色素等物質(zhì)則會(huì)引起果汁后渾濁、視覺(jué)感官效果變差等其他問(wèn)題。在傳統(tǒng)工藝中,往往使用熱處理、過(guò)濾、吸附、膜分離及添加劑等物理化學(xué)方法來(lái)解決果汁生產(chǎn)中的問(wèn)題,但這些方法存在高能耗、二次污染和產(chǎn)品利用率低等不足。而酶處理工藝因其具有作用效率高、條件溫和、能耗低和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足,因而被廣泛應(yīng)用到果汁生產(chǎn)中。目前在果汁生產(chǎn)中應(yīng)用的酶制劑主要包括果膠酶、淀粉酶、纖維素酶、葡萄糖氧化酶、柚苷酶、檸堿前體脫氫酶和花青素酶等。這些酶的應(yīng)用使果汁生產(chǎn)更加節(jié)約且高效,降低了生產(chǎn)成本,并改善了果汁的品質(zhì)。而這其中以果膠酶的研究應(yīng)用更加深入和廣泛。全球商業(yè)果膠酶制劑銷(xiāo)售量約占所有食品酶制劑銷(xiāo)量的25%。隨著果汁市場(chǎng)需求的擴(kuò)大,相關(guān)酶制劑的用量也越來(lái)越大,但目前國(guó)內(nèi)很多重要的酶制劑都依賴(lài)進(jìn)口,造成果汁生產(chǎn)成本偏高,應(yīng)用范圍受限。隨著國(guó)內(nèi)酶制劑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,以及基因工程、蛋白質(zhì)工程等新技術(shù)的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)酶制劑的研發(fā)速度明顯加快,質(zhì)量和產(chǎn)量穩(wěn)步提高,同時(shí)酶制劑的價(jià)格也逐漸趨于合理,使許多酶制劑得以在果汁生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。本文主要介紹近年來(lái)果汁生產(chǎn)中幾種常用酶制劑的來(lái)源和應(yīng)用效果,重點(diǎn)闡述了果膠酶在理論和實(shí)踐研究中的主要進(jìn)展。1果膠酶的作用機(jī)理及酶制劑果膠是由不同酯化度的D-半乳糖醛酸以α-1,4糖苷鍵連接而成的一類(lèi)細(xì)胞基質(zhì)多糖。根據(jù)甲酯化程度的不同,果膠物質(zhì)可分為原果膠、果膠酯酸和果膠酸三大類(lèi)。果膠酶是指能降解果膠質(zhì)的一類(lèi)酶的總稱(chēng),主要包括原果膠酶(protopectinases,Ppase,EC3.2.1.99)、果膠酯酶(pectinesterases,PE,EC3.1.1.11)、聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonases,PG,EC3.2.1.15)、果膠酸裂解酶(pectatelyase,PL,EC4.2.2.9orEC4.2.2.2)和果膠裂解酶(pectinlyases,PNL,EC4.2.2.10)等。各種果膠酶的作用方式各不相同,原果膠酶能夠降解不溶性的原果膠生成可溶性果膠;果膠酯酶能夠促使果膠脫甲酯(脫去果膠中的甲氧基基團(tuán))生成果膠酸;聚半乳糖醛酸酶降解果膠酸為寡聚半乳糖醛酸或半乳糖醛酸;果膠裂解酶可將果膠降解為含有不飽和鍵的寡聚半乳糖醛酸或半乳糖醛酸。這幾種酶協(xié)同作用可將果膠降解為小分子可溶解的寡聚物或單體。在早期果汁生產(chǎn)中主要使用聚半乳糖醛酸酶,隨著對(duì)果膠結(jié)構(gòu)的不斷認(rèn)識(shí),發(fā)現(xiàn)果膠裂解酶有助于高酯化度果膠的水解。因此果膠裂解酶也被應(yīng)用到果汁生產(chǎn)中,并且被廣泛關(guān)注和研究。根據(jù)各種果膠酶的作用機(jī)理,商業(yè)果膠酶制劑往往是由不同類(lèi)型的聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠酸裂解酶(PL)、果膠裂解酶(PNL)及果膠酯酶(PE)等構(gòu)成的復(fù)合酶制劑。由于不同水果中所含成分不同,也會(huì)將淀粉酶、纖維素酶和半纖維素酶等添加到果膠酶制劑中,進(jìn)一步提高壓榨率并促進(jìn)果汁澄清。果膠酶廣泛存在于植物、動(dòng)物和微生物中。國(guó)內(nèi)目前允許在食品中添加的商業(yè)果膠酶主要來(lái)源于黑曲霉和米曲霉。由于來(lái)源受限,其產(chǎn)品純度、產(chǎn)量及酶的性質(zhì)都有待于進(jìn)一步提高和優(yōu)化。隨著基因工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)在酶制劑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,利用其他更高效的微生物菌種來(lái)生產(chǎn)性質(zhì)優(yōu)良的果膠酶成為新的發(fā)展趨勢(shì)。目前已經(jīng)從多種細(xì)菌、酵母、絲狀真菌中篩選獲得大量具有優(yōu)良性質(zhì)的果膠酶基因(表1)。這些果膠酶性質(zhì)各異,如寬pH適應(yīng)性、高比活、耐低溫、耐酸和耐熱等,能夠適應(yīng)更加多樣化的加工工藝。為了提高酶蛋白純度和表達(dá)量,有果膠酶基因在大腸桿菌、畢赤酵母等宿主菌中實(shí)現(xiàn)了異源重組表達(dá)(表1)。其中來(lái)源于毛殼屬的聚半乳糖醛酸酶在畢赤酵母發(fā)酵液中蛋白量可達(dá)到2.13g/L,大幅度地提高了蛋白表達(dá)量,降低了生產(chǎn)成本,在果汁生產(chǎn)中有很大的應(yīng)用潛力。1.1復(fù)合果膠酶制劑處理柑橘果汁砂囊飲料的制備方法經(jīng)榨汁和濾篩后剛出來(lái)的果汁,其粘度較大,且難于過(guò)濾和澄清。果膠酶的作用主要是降解果汁中可溶性的果膠,減輕提取果汁的困難,便于得到穩(wěn)定的澄清果汁。利用果膠酶制劑處理果漿,能夠明顯地降低粘度,提高出汁率、可溶性固形物含量和透光率。在制作澄清型柑橘果汁砂囊飲料時(shí),按原汁與酶質(zhì)量比1000∶1.5加入60萬(wàn)U/g的果膠酶處理柑橘原汁,保溫45~65min后,即可得到澄清柑橘原汁。當(dāng)采用復(fù)合果膠酶制劑處理橘汁時(shí),其澄清度可達(dá)到95%。還有研究采用含纖維素酶、半纖維素酶和糖苷水解酶的復(fù)合果膠酶制劑處理黑加侖后,其澄清穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,貯藏6周后仍可保持澄清。此外,近年來(lái)研究結(jié)果表明果膠酶也能明顯促進(jìn)草莓汁、綠蘆筍汁、桑葚汁、葡萄汁和圓棗汁等多種果汁的澄清,經(jīng)酶處理后的果汁透光率可達(dá)到95%以上。1.2果汁原料的出汁率低,營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)壓榨葡萄和黑莓等水果后,粗果漿都很粘稠難以壓榨。此時(shí)加入果膠酶,主要是聚半乳糖醛酸酶,可以有效地分解果肉組織中的果膠物質(zhì),使果膠粘度降低,過(guò)濾效率提高,并提高出汁率。在壓榨過(guò)程中添加0.18%的果膠酶處理90min后,番茄出汁率可提高19.7%。在不成熟的蘋(píng)果和梨中的果膠酯化程度達(dá)到90%,果漿粘稠導(dǎo)致壓榨困難。用含原果膠酶、果膠酯酶、果膠裂解酶和淀粉酶的復(fù)合酶制劑處理,能夠有效提高果漿的出汁率。用來(lái)源于黑曲霉的果膠酯酶處理不同果汁,李子汁、桃汁、梨汁和杏汁的出汁率提高12%~30%,并且得到的果汁中固形物含量和糖分增加。1.3果膠酶和纖維素酶混合制劑處理柑橘汁果膠酶可以去除細(xì)胞壁中的果膠,從而破壞細(xì)胞壁,有助于果肉細(xì)胞中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放,并保持果肉細(xì)胞的顆粒性。用果膠酶和纖維素酶混合制劑處理不同來(lái)源的芒果果漿,可以有效液化芒果果漿,得到低黏度的果汁,其產(chǎn)量最高可達(dá)到88%。脫囊衣是柑橘汁和橙汁生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。果膠酶可作用于果實(shí)皮層,促使皮層細(xì)胞分離,如柑橘的囊衣、大蒜的膜層經(jīng)果膠酶處理后可以很快的脫落。方修貴等用果膠酶和纖維素酶復(fù)合制劑處理柑橘,38min后就可完全脫除柑橘囊衣。1.4汁壓的生物處理在生產(chǎn)渾濁果汁及帶果肉的果汁中,所用到的果膠酶制劑成分主要是含有微量果膠酯酶的聚半乳糖醛酸酶或果膠裂解酶。聚半乳糖醛酸酶可以分解細(xì)胞間層中的果膠,從而使果肉組織解離為細(xì)胞懸浮液。通過(guò)使用含有聚半乳糖醛酸酶和果膠裂解酶的混合酶制劑能夠得到穩(wěn)定的渾濁黑醋栗汁和李子汁,壓榨率分別可達(dá)到74%和97%。其機(jī)理是果膠裂解酶主要分解連在纖維素上的果膠而不作用于果膠上的甲氧基,這樣果膠上的甲氧基不被分解,同時(shí)聚半乳糖醛酸酶協(xié)同降解果膠,產(chǎn)生的渾濁顆粒就不會(huì)聚積沉淀,使渾濁狀態(tài)保持穩(wěn)定。2纖維素酶制劑纖維素是植物細(xì)胞壁中的主要成分,也是造成果汁粘稠、出汁率低等問(wèn)題的重要因素。纖維素酶是一類(lèi)降解纖維素的多種酶的總稱(chēng),包括內(nèi)切葡聚糖酶、外切纖維二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶,多種酶協(xié)同作用可以將纖維素降解成分子量較小的纖維二糖和葡萄糖。大部分水果細(xì)胞壁中含有豐富的纖維素,用纖維素酶處理可提高細(xì)胞壁的通透性,使細(xì)胞內(nèi)溶物充分釋放,可以提高出汁率和可溶性固形物含量,并有助于澄清果汁。用0.12%的纖維素酶制劑處理超聲破碎后的番石榴果漿,出汁率就可達(dá)到65.7%,且果汁穩(wěn)定性提高。當(dāng)纖維素酶與果膠酶復(fù)合使用時(shí),效果優(yōu)于單獨(dú)使用果膠酶。纖維素酶與半纖維素酶、果膠酶復(fù)合使用可以去除柑橘瓣的囊衣,以代替耗水量大且費(fèi)時(shí)的堿處理。還有研究報(bào)道,用含有纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶的復(fù)合酶制劑處理菠蘿汁時(shí),比單獨(dú)用木聚糖酶處理果汁出汁率提高了52.9%。3降低果汁粘度成熟的水果中淀粉含量很少,但實(shí)際果汁生產(chǎn)中往往含有大量未成熟果實(shí),其含淀粉量可達(dá)水果總質(zhì)量的2%。淀粉的存在會(huì)造成果漿粘稠,且其形成的絡(luò)合物容易導(dǎo)致果汁的后渾濁。淀粉酶可將淀粉水解為易溶解的寡糖或單糖,進(jìn)而消除淀粉在果汁中引起的負(fù)面作用。將淀粉酶和果膠酶復(fù)合用于果汁生產(chǎn)中,可降低果汁粘度、縮短過(guò)濾時(shí)間、澄清果汁并提高果汁的穩(wěn)定性。據(jù)報(bào)道用耐高溫的α-淀粉酶處理甘蔗汁,在pH5.6~6、溫度30~100℃條件下處理,淀粉去除率可達(dá)72%,有效地降低了果汁粘度。在渾濁蘋(píng)果汁中會(huì)出現(xiàn)一些非變質(zhì)而產(chǎn)生渾濁的現(xiàn)象,用含淀粉酶的復(fù)合酶來(lái)處理果汁就能夠保持果汁的穩(wěn)定性。4生物酶制劑的使用在果汁生產(chǎn)過(guò)程中,除果漿粘度高、壓榨率低和澄清難等問(wèn)題外,還可能存在苦味、氧化褐變和真菌毒素等不利因素,使用酶制劑處理工藝將在很大程度上有助于消除此類(lèi)不利因素。柚皮苷和檸堿是造成柑橘類(lèi)果汁產(chǎn)生苦味的主要物質(zhì)。使用柚皮苷酶可以將柚皮苷分解為鼠李糖和無(wú)味的普魯寧,普魯寧在葡萄糖苷酶的作用下進(jìn)一步水解成葡萄糖和柚配基。而檸堿前體脫氫酶可以將檸堿前體脫氫,防止生成檸堿,而減少苦味的生成。黃高凌等用柚皮苷酶處理琯溪蜜柚果汁能夠有效去除柚皮苷帶來(lái)的苦味,其中的柚皮苷去除率達(dá)到97%以上。瓶裝果汁貯藏時(shí),會(huì)因光線(xiàn)照射而生成過(guò)氧化物,使色澤及風(fēng)味變壞。氧的存在也導(dǎo)致果汁中容易滋生微生物,貯藏期縮短。實(shí)際生產(chǎn)中可添加葡萄糖氧化酶,其在氧化葡萄糖的過(guò)程中消耗氧氣,有助于保持食品原有的色香味。據(jù)報(bào)道,用30mg/L的葡萄糖氧化酶,在30℃處理百香果果汁15min,就能夠有效防止果汁氧化并抑制褐變,對(duì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期和保持風(fēng)味具有良好效果。棒曲霉素(patulin)也稱(chēng)為展青霉素,是具有神經(jīng)毒性的真菌代謝產(chǎn)物,具有致畸、致癌等毒理作用。果汁中的棒曲霉素主要來(lái)源于腐爛的水果,并能夠在果汁中穩(wěn)定存在。國(guó)內(nèi)外都嚴(yán)格限制果汁中棒曲霉素的最高含量,歐盟、美國(guó)和中國(guó)均規(guī)定果汁中棒曲霉素含量不得超過(guò)50μg/kg。通常采用人工揀選、清洗、吸附、超聲波或者添加化學(xué)制劑控制果汁中棒曲霉素含量。這些控制技術(shù)存在成本高、操作繁瑣和二次污染等問(wèn)題。而生物防治的有效性逐漸被證明,已經(jīng)篩選得到了能夠降解棒曲霉素的菌株,但棒曲霉素的生物合成途徑和降解/代謝機(jī)制仍不清楚。降解棒曲霉素的關(guān)鍵酶系及其性質(zhì)有待于進(jìn)一步研究,而且棒曲霉素降解產(chǎn)物的毒理性質(zhì)也需要進(jìn)行仔細(xì)地評(píng)估。除了用于解決果汁生產(chǎn)中的不利因素外,酶制劑還可用于增加果汁的風(fēng)味。研究表明,單萜類(lèi)化合物是嗅覺(jué)最為敏感的芳香物質(zhì)。果蔬中大多數(shù)單萜物質(zhì)均以吡喃、呋喃糖形式存在,在果蔬成熟后仍有大量萜類(lèi)未被水解。使用酶法可以有效促進(jìn)果汁中香味前體物質(zhì)轉(zhuǎn)化,增加果汁的香味。5果汁用酶的安全性評(píng)價(jià)酶制劑處理避免了傳統(tǒng)工藝勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、能耗高和污染環(huán)境等不利因素,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前,酶制劑在果汁生產(chǎn)中的作用主要是提高出汁率、促進(jìn)果汁澄清等,更多的是出于生產(chǎn)中“量”的考慮。隨著市場(chǎng)需求的多樣化發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步,酶制劑品種也在不斷地增加,用于改善果汁營(yíng)養(yǎng)、口感等品質(zhì),滿(mǎn)足不同消費(fèi)人群的特點(diǎn),將更多體現(xiàn)出“質(zhì)”的需求。但目前國(guó)產(chǎn)果汁用酶仍然存在來(lái)源受限、產(chǎn)量低、純度低和成本高等問(wèn)題,制約其在果汁中大規(guī)模應(yīng)用。在后期的研發(fā)過(guò)程中,可通