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(广西大学 轻工与食品工程学院,南宁 530004)
酶是一种高效安全的生物催化剂,已广泛应用于食品原料开发、品质改良、工艺改造等食品工业领域,具有高效、专一、温和等生物学特性[1]。随着研究的不断深入,酶正在以其独特的优势取代传统的化学试剂,并且越来越多地用于食品工业。酶工业已成为中国最具发展前景的新兴产业之一。
食品工业中使用的酶因其在食品生产中的作用和能力而多样化。根据它们催化反应的类型,可分为氧化还原酶(脱氢酶、还原酶或氧化酶)、转移酶、水解酶、异构酶(消旋酶、超异构酶、顺异构酶、异构酶、互变酶、变酶、环异构酶)和连接酶(合成酶)五类。其中应用较多的是蛋白酶、糖酶、酯酶、脂肪氧化酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、抗坏血酸氧化酶。蛋白酶是一种水解酶,根据最适pH可分为酸性蛋白酶和碱性蛋白酶两种,在食品工业中有广泛应用;糖酶常见的有α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶等,多用于甜味剂生产工业;酯酶是一种水解酶,钙盐能提高酯酶的稳定性;多酚氧化酶用于控制酶促褐变反应,对产品的色值影响较大。
用于食品加工的酶的工业生产可以追溯到1874年,丹麦科学家克里斯蒂安·汉森在小牛胃中提取出凝乳素(chymosin),用于奶酪制造[2]。Chymosin是通过重组脱氧核糖核酸(rDNA)技术引入的含有牛促胰酶基因的微生物生产出来的。Chymosin在大肠杆菌K-12中表达成为美国食品和药物管理局(FDA)批准用于食品的重组酶。目前食品加工中使用的许多酶都是从重组微生物中提取出来的。
食品加工过程中如何保持食物的色、香、味和结构是很重要的问题,因此加工过程中要避免产生剧烈的化学反应。酶由于反应条件温和、专一性强、本身无色无味、反应容易控制等特点,适宜用于食品加工,并给传统的食品工业带来了发展新思路。理想的酶及其在食品中的作用主要包括:内源性β-糖苷酶、多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)、影响成熟和风味产生的酯酶[3];组织蛋白酶可用于肌原纤维蛋白水解发酵产物[4],蛋白酶和谷氨酰胺转胺酶可用于食品结构修饰。这些酶中,内源性PPO或内源性脂肪酶和脂氧合酶(LOX)会引起酸败,导致新鲜水果、蔬菜和生甲壳类的深色变色[5]。
酶在食品加工过程中被用作许多用途的加工助剂,如凝结、成熟、烘焙、酿造、细胞破裂、水解和分子结构修饰。目前,酶被广泛应用于乳制品、烘焙食品、饮料、油、肉和功能性食品中等。
常用于制糖及淀粉加工的是果胶酶、α-淀粉酶、葡聚糖酶、β-淀粉酶和葡萄糖异构酶等,其中应用较多的是果胶酶、葡聚糖酶和α-淀粉酶[6,7]。
果胶酶是分解果胶质的一类含多种酶的复合酶,可以特异性地水解果胶类物质,达到澄清的效果;α-淀粉酶是一种内切酶,可以无差别地切断α-1,4-糖苷键,既作用于直链淀粉,也作用于支链淀粉;α-淀粉酶可有效降解混合汁中的淀粉,避免由于淀粉含量过高引起的酸性絮凝物增加的现象,使粘度迅速下降[8];α-葡聚糖酶是能将大分子葡聚糖水解为葡萄糖等小分子的生物酶,有内切酶和外切酶两种,内切葡聚糖酶的水解效果优于外切酶;葡萄糖异构酶,又称木糖异构酶,指的是能将醛糖异构化为相应酮糖的异构酶,可进行葡萄糖的异构化反应,生产果葡糖浆,以代替蔗糖[9-11]。
凝乳酶、乳糖酶、蛋白酶、脂肪酶和乳过氧化物酶是乳制品加工中最常用的几种酶。凝乳酶可以将液态奶变为近固态的干酪;乳糖酶可以将牛奶中的乳糖水解,给乳糖不适症人群带来福音;蛋白酶和脂肪酶能加速干酪成熟并能改善干酪性质;乳过氧化物酶能反应去除过氧化氢,延长保质期,其在羊乳的保鲜上有显著效果[12]。到目前为止,乳过氧化物酶保鲜法是公认的最理想的保鲜方法。张聪综述了脂肪酶、复合风味蛋白酶和葡萄糖苷酶的应用。
奶酪被称为干酪,含有非常丰富的营养成分,将为国人进一步改善膳食结构、增强体质起到重要作用[13]。为了满足人们日益增长的对高品质乳品的需求,开发适合国人消费的特色奶酪,在奶酪加工中加入各种各样的酶,使奶酪的口感更加美味[14]。张硕等[15]试验表明内源性脂肪酶、谷氨酰胺转胺酶、风味蛋白酶结合复合蛋白酶、乳过氧化物酶等在奶酪加工中起到明显的作用。谷氨酰胺转胺酶添加量对奶酪的硬度、弹性和产率都有显著影响,其通过引入赖氨酸而提高蛋白质的营养效价,使被其处理过的乳制品具有良好的外观和质构[16,17]。
在果汁的生产加工中,通过加入酶可以在果汁生产中起到澄清、提高果汁的出汁率、降低非酶褐变和测定果汁中有机酸含量的作用。在果汁和饮料加工过程,α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、由果胶酶、葡聚糖酶和淀粉酶按一定比例配制而成的复合酶、葡萄糖氧化酶应用较多。
郑州轻工业学院的高愿军等[18]采用双酶法(高温α-淀粉酶和糖化酶)作用于玉米汁中,改善了玉米饮料存贮过程中易产生沉淀的现象;孙巍等[19]概括得出可利用柠檬苦素脱氢酶、柠檬苦素裂解酶、柠檬苦素脱氧酶、诺米啉脱氢酶、诺米啉脱氧酶脱除橙柑橘汁的柠碱苦味。塔里木大学的贾靖霖等将多种蛋白酶作用于核桃蛋白中,使蛋白质水解为多肽,为后续核桃蛋白多肽产品的生产提供参考[20]。王纪辉等[21]用中性蛋白酶和木瓜蛋白酶进行复合作用于核桃饼粕,制备出了核桃多肽。有研究通过聚半乳糖醛酸外切酶降低3种果汁的浊度、粘度和吸光度,对果汁的澄清有重要意义。
肉类是人体每日摄入能量的主要来源,随着人们对美好生活追求的提高,人们对肉类的要求不仅仅是人体能量的需求,更在口感、新鲜以及健康安全方面有了更高的追求。酶作为一种高效的生物催化剂,进入了研究者的视野,随着各种研究的发现,酶在肉制品的宰前及加工运输中起到了非常大的作用,其中蛋白酶、转谷氨酰胺酶、内源酶、溶菌酶等作用尤为明显,逐渐取代化学制剂,成为肉制品加工过程中不可或缺的一部分[22]。
宰前因素对结缔组织的数量、分布和类型会产生各种影响,宰后肌肉内所含的蛋白酶类活力发生了变化,会大大影响肉类的嫩度。在宰前注射酶,经血液循环后扩散全身,酶在肉类中静止,在烹饪时温度达到酶的最适温度时进行催化使肉类膨胀率提高,增加吸水量,改变组织结构,进而使肉类得到嫩化,提高口感。2007年美国批准使用米曲酶等微生物蛋白酶,而后Swift有限公司生产了食品级蛋白酶Proten,用法与木瓜蛋白酶一致,它优先水解组织蛋白,对其他蛋白活性极低,在嫩化肉类的同时不会影响肉类原有的口感[23]。目前各国都在对微生物蛋白酶做更进一步的研究,不久的将来,更好的食品级微生物蛋白酶一定会应用于肉类的加工,提高人类的生活水平[24]。
转谷氨酰胺酶可以催化蛋白质发生胶联,使蛋白质分子量变大,改变其功能特性。转谷氨酰胺酶对酪蛋白的胶凝能力优于大豆蛋白,转谷氨酰胺酶是新型蛋白质功能改良剂,能够提高肉制品的弹性和产品的嫩度,可以取代磷酸盐的作用[25,26]。在火腿肠类食品中添加转谷氨酰胺酶可以增加酪蛋白的胶凝,从而提高其口感、风味、组织结构和营养性;内源酶较外源酶,体系更为复杂,影响其活性的因素较多,故近些年多研究外源酶,使肉制品的营养成分分解,从而达到嫩化肉质、形成独特风味等目的。
啤酒是以麦芽为原料,经糖化发酵而成的酒精饮料,麦芽中含降解原料生成可发酵性物质所需的各种酶类,主要为淀粉酶、蛋白酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶和核酸分解酶。合理使用生物酶不仅能显著提高啤酒的质量,还能降低生产成本,给啤酒工业带来福音[27]。木瓜蛋白酶、耐高温的α-淀粉酶[28]、乙酰乳酸脱羧酶、脯氨酸内切酶在啤酒生产过程中有着不同程度的作用[29]。
将木瓜蛋白酶作用于原料麦芽蛋白质,可以防止蛋白质与多酚结合而产生沉淀,有较好的过滤效果,从而提高啤酒的稳定性,一定程度上可澄清啤酒,且不影响啤酒的口味特性[30,31]。乙引等[32]用0.08 mg/dL木瓜蛋白酶使啤酒的浑浊度降低68.75%,同时可增加啤酒泡沫;将耐高温的α-淀粉酶和α-乙酰乳酸脱羧酶作用于辅料的糊化过程,耐高温的α-淀粉酶可以很好地将淀粉液化,α-乙酰乳酸脱羧酶能加快乙酰的还原速度,在一定程度上可降低成品啤酒中的双乙酰含量。
调味品,是能增加菜肴的色、香、味,促进食欲,有益于人体健康的辅助食品。林祖申[33]综述了酶制剂在酿造调味品行业的应用,分别叙述了酶制剂在甜酱、酱油、食醋、腐乳等调味品生产中的工艺流程,使用酶制剂取代传统生产过程中的“制曲”工序,其对改善产品品质和环境卫生具有广阔的应用前景。万石建[34]综述了酶在肉类调味品中的应用,调味品生产企业可以利用酶来分解或组合蛋白链、糖和脂肪,以使烹调过程中发生的反应(如常见的美拉德反应)只产生那些所需要的风味成分。魏莹[35]对酱油、食醋、腐乳的传统生产工艺与利用酶的现代生物技术进行了总结性比较,发现酶法工艺可以缩短生产周期,减少污染。张志国等[36]综述了非水酶催化及其在香精香料合成中的应用。张忠平等[37]用果胶酶对梨醋进行澄清,最后制得的梨醋酸味独特、清澈透明。杜国军等[38]将果胶酶作用于沙果、猕猴桃复合果醋酿制工艺中,亦有良好的澄清修改。天津科技大学的武彦文等[39]将脂肪酶作用于不同类型的奶油、奶酪和牛奶中,在非水介质下水解,得到了具有优良效果的奶味香精。
酶已经在食品工业中得到广泛应用,除了应用于以上几大类之外,还可应用于很多方面。姜国龙等[40]综述了酶在焙烤食品制作中的应用;于丽萍等[41]总结了酶在酿造、调味品、油脂加工等领域的应用;侯瑾等[42]介绍了酶在果蔬食品加工中的应用;王蔚等[43]综述了酶在制脂、茶饮料、豆类加工、蛋品加工等工业的应用。可以预期,随着生物技术的迅速发展,可用于食品中的酶种类将大大增加,复合酶、新型酶、固定化酶的大力研究将会是未来的发展趋势。必须指出的是,各种酶在食品工业中的作用机理有待于进一步研究,酶制剂具有广阔的应用前景。