高級食品化學 酶與食品質量的關系.doc

酶與食品質量的關系摘 要：酶作為一種高效生物催化劑對食品質量的影響是非常重要的。在食品的加工及貯藏過程中涉及許多酶催化的反應，本文論述了多酚氧化酶、脂肪氧化酶、果膠酶、脂肪酶和SOD等多種酶的催化機理，并闡述了酶對食品色澤、質地、風味、營養(yǎng)的影響，以及在食品工業(yè)中的應用。關鍵詞：酶；色澤；質地；風味；營養(yǎng)Abstract: Enzyme affect the quality of food as an efficient biocatalyst. We mainly had discussion on the catalytic mechanism of PPO, LOX, lipase, pectinase and SOD. We also described the effects of enzymes on food color, texture, flavor and nutrition, as well as the applications in the food industry.Keywords: enzyme; color; texture; flavor; nutrition1 前言隨著人們對食品安全、營養(yǎng)、健康和美味的日益重視,食品已經不僅僅只是滿足人們生存的基本食物需求品，酶為一種高效生物催化劑對于食品質量的影響是非常重要的。酶存在于一切生物體內，參與新陳代謝有關的化學反應。在食品的加工及貯藏過程中涉及許多酶催化的反應，由于酶的作用，會對食品的色澤、質地、風味和營養(yǎng)等食品質量指標產生有利或有害反應，從而對食品的質量產生影響。2 酶與食品質量的關系2.1與色澤相關的酶任何食品，無論是天然未經加工的還是經過半加工、加工的，都帶有屬于自身的特色和本質的色澤。在食品的加工及貯藏過程中，食品會受到所處的環(huán)境變化或其它多種因素影響而導致本身顏色的變化，其中酶是一個引起顏色變化很重要的因素。食品能否被消費者接受，很大部分取決于它們的質量，而食品的顏色首先是消費者關注的目標，對食品色澤有影響的酶主要是葉綠素酶、脂肪氧化酶、多酚氧化酶。2.1.1多酚氧化酶多酚氧化酶（EC 1.10.3.1）最早在1937年被分離出來。隨著研究的深入，根據作用的底物不同分為3類，即：單酚單氧化酶（E.C.l.14.18.l），能催化一元酚氧化成鄰位酚；雙酚氧化酶（E.C.l.10.3.1），催化鄰位酚氧化，但不能氧化間位酚和對位酚；漆酶 （E.C.1.10.3.2），該酶能氧化鄰位酚和對位酚，不能氧化一元酚和間位酚。一般多酚氧化酶是兒茶酚氧化酶和漆酶的統稱。多酚氧化酶是發(fā)生褐變的主要催化酶，它是一種以Cu2+為輔基的氧化還原酶1。多酚氧化酶存在于植物、動物和一些微生物中，它催化兩類完全不同的反應。這兩類反應一類是羥基化，另一類是氧化反應。羥基化可以在多酚氧化酶的作用下形成不穩(wěn)定的鄰苯醌類化合物，然后再進一步通過非酶催化的氧化反應，形成黑色素，并導致香蕉、蘋果、桃、馬鈴薯、蘑菇等發(fā)生非需宜的褐變和黑斑形成。然而對茶葉、咖啡等的色素形成中是有利的。如茶鮮葉中多酚類在多酚氧化酶的作用下氧化成茶黃素，進一步氧化成茶紅素，多酚類是無色有澀味的一類成分，一旦被氧化澀味減輕2。多酚氧化酶的研究結果表明,水果中多酚氧化酶活性強、酚類物質含量高的品種更容易發(fā)生組織褐變,水果中的組織褐變主要是酚類物質氧化的結果。原因是在有氧的條件下,酚類物質被多酚氧化酶催化而氧化成為醌,醌通過聚合反應產生了有色物質從而導致組織的褐變。這也說明酶促褐變的發(fā)生應該要具備三個條件,酶、底物和氧氣。這三個因素隨時都存在,然而并不是所有的組織都會發(fā)生褐變,這主要是因為,細胞內的酚類物質和多酚氧化酶分布的區(qū)域性有關。又因為酚類物質的酶促氧化是導致組織發(fā)生褐變的直接原因,所以研究酚類物質與多酚氧化酶的區(qū)域性分布可以有效的防止褐變。研究者們提出了許多控制果蔬加工和儲藏過程中酶促褐變的方法，例如驅除O2和底物酚類化合物以防止褐變，或者添加抗壞血酸、亞硫酸氫鈉和硫醇類化合物等，將初始產物、鄰苯醌還原為原來的底物，從而阻止黑色素的生成。另一方面，采取一些使多酚氧化酶失活的方法也可有效的抑制酶促褐變3。小麥面粉及其制品的色澤變暗變深,也有部分原因跟水果的類似。多酚氧化酶催化小麥中的內源酚酸,使其氧化生成不穩(wěn)定的醌,醌可以和許多混合物發(fā)生反應,也可以通過進一步進行自身聚合或者非酶氧化產生黑色素,從而引起小麥制品色澤的褐變4,所以一般情況下,小麥中的多酚氧化酶活性越高,其面粉及制品在加工和儲藏的過程中就比較容易發(fā)生褐變,這嚴重的影響了小麥粉及其制品的質量、性狀及其感官品質。由于在實際的小麥加工、生產和儲藏的過程中,對溫濕度的不合理控制,也會影響多酚氧化酶的活性,進而造成小麥制品的褐變,所以在生活和生產中,避開多酚氧化酶作用的最佳作用條件,可以有效減緩小麥制品的褐變,進而提高其感官品質和營養(yǎng)功效5。2.1.2脂肪氧化酶1932年，Andre和Hou首次發(fā)現大豆的豆腥味是由多元不飽和脂肪酸的酶促氧化所致,其中的關鍵酶是脂肪氧化酶,現命名為lipoxygenase(Lox)，編號為ECl.13.11.12。脂肪氧化酶是一種含有非血紅素鐵、不含硫的過氧化物酶,屬氧化還原酶,專一催化含順-順-1,4-戊二烯結構的不飽和脂肪酸及酯進行加氧反應形成氫過氧化物,且對于十八碳烯酸的作用效果最好6。脂肪氧化酶催化不飽和脂肪酸產生的氫過氧化物及各次級產物對食品的顏色、風味、質構和營養(yǎng)等方面具有正面或負面的影響。氫過氧化合物的進一步變化是非酶反應，將產生的醛和其它不良風味的化合物。自由基和氫過氧化合物破壞食品的色素，破壞的色素包括葉綠素和類胡蘿卜素。脂肪氧化酶對食品的作用有六個方面的，其中有利有害。有利的兩個方面是：小麥粉和大豆粉的漂白；在制作面團過程中形成二硫鍵。四個有害的方面是：破壞葉綠素和胡蘿卜素；產生氧化性的不良風味；使食品中的蛋白質類化合物和維生素遭受氧化性的破壞；食品中的必須氨基酸會受到脂肪氧化酶的氧化性破壞。比如在豆制品中作用比較明顯，特別是豆粉、豆?jié){等產生豆腥味,但是將少量含有脂肪氧化酶活力的大豆粉加入新鮮面粉中,生成的氫過氧化物可以降解色素及還氧面筋蛋白質形成二硫鍵,起到漂白面粉和提高焙烤質量的作用7。2.1.3葉綠素酶果蔬的色澤是構成產品品質的重要因素,也是檢驗果蔬成熟衰老的依據,色澤不僅反映果蔬的新鮮度,果蔬的綠色主要來源于葉綠素,葉綠素在果蔬貯藏、加工和貨架期極易褪色或者變色,嚴重影響了產品質量,同時也大大降低了商品價值。葉綠素的降解代謝被公認是一個難解的生物學之謎.葉綠素酶是迄今為止了解最多的葉綠素酶促降解途徑的重要組成酶之一。葉綠素酶是一種糖蛋白。葉綠素酶（葉綠素 脫植基葉綠素-水解酶EC3.1.1.14）存在于紙盒和含葉綠素的微生物。葉綠素酶催化葉綠素結構中的植醇鍵而水解生成脫植葉綠素,是葉綠素降解中的關鍵酶。葉綠素酶是以葉綠素作為底物的,它是一種酯酶。脫鎂葉綠素也是葉綠素酶的底物,酶促反應的產物是脫鎂脫植葉綠素。葉綠素酶的最適反應溫度在6080范圍,實驗證明,葉綠素酶在80以上其活性下降, 100時已完全失活8。2.2.與質地相關的酶質構是決定食品質量的一個非常重要的指標，水果和蔬菜的質構很大部分受一些復雜的碳水化合物的影響如果膠物質、淀粉、木質素、纖維素和半纖維素。相應的水果和蔬菜中也存在著能作用于這些碳水化合物的酶。通過植物中這些酶的作用就會影響果蔬的質構。相應的在動物體中，動物體中也存在著相應的蛋白酶，蛋白酶會作用于動物的質構使其軟化。2.2.1果膠酶果膠酶有四種類型，分別是果膠酯酶( EC 3.1.1.11)、聚半乳糖醛酸酶（EC 3.2.1.15）、聚半乳糖醛酸裂解酶（EC 4.2.2.2）和原果膠酶。果膠酯酶( PE) 水解果膠中的甲酯鍵, 生成果膠酸和甲醇。當有二價金屬離子時，如Ca2+存在時，果膠酯酶水解果膠物質生成果膠酸，由于Ca2+ 與果膠酸的羧基發(fā)生交聯，從而提高了食品的質地強度。聚半乳糖醛酸酶( PG) 是發(fā)現較早、研究最為廣泛的一種果膠酶, 它水解 D- 半乳糖酸的 - 1, 4 糖苷鍵,也分為外切酶和內切酶。PG內切酶廣泛存在于真菌、細菌和很多酵母中, 高等植物中也發(fā)現有內切酶的存在。內切酶作用于聚半乳糖醛酸時, 隨機水解其中的半乳糖醛酸單位, 可使其溶液的粘度下降, 但還原力增加不大。外切酶的研究和存在比較少, 它水解聚半乳糖醛酸時逐個釋放出半乳糖醛酸單位。聚半乳糖醛酸酶水解果膠酸，將引起某些食品原料物質的質地變軟。聚半乳糖醛酸裂解酶( PGL) 和聚甲基半乳糖醛酸裂解酶( PMGL) 分別通過反式消去作用切斷果膠酸分子和果膠分子的 - 1, 4 糖苷鍵, 生成 - 4, 5 不飽和半乳糖醛酸。這兩種裂解酶都分為外切酶和內切酶兩種,一些植物軟腐病菌、食品腐敗菌以及霉菌均能產生外切聚半乳糖醛酸酶。原果膠酶將不溶性的原果膠水解為水溶性果膠。果膠酶在食品工業(yè)中有多種應用，主要有果汁澄清，提高果蔬汁出汁率，提取生物活性功能成分等。在果汁澄清方面，除了柑橘汁以外，大多數基于飲料使用的水果汁，為了避免在最終產品中出現渾濁沉積等現象，一般都要在加工過程中進行澄清處理9。工業(yè)上果汁的澄清一般包括酶催化脫果膠作用和澄清劑加果膠酶、明膠等來分別完成果膠的降解及非溶物質的物理化學沉淀，果膠酶澄清的實質包括果膠的酶促水解和非酶的靜電絮凝2部分。在提高果蔬汁的出汁率方面，果蔬的細胞壁中含有大量的果膠質、纖維素、淀粉、木質素等物質，使得破碎后的果漿比較黏稠，壓榨出汁非常困難且出汁率很低。果膠酶能催化果膠降解為半乳糖醛酸，破壞了果膠的黏著性及穩(wěn)定懸浮微粒的特性，有效降低黏度、改善壓榨性能，提高出汁率和可溶性固形物含量。利用酶解技術可使果蔬的出汁率提高10%35%。在提取生物活性功能成分方面，酶法作用條件溫和，操作相對簡單又能保證較高的提取率。由于果膠物質主要存在于植物初生壁和細胞中間，果膠酶能夠除去細胞壁中的果膠質，從而可以有效地破除細胞壁，使細胞中的活性成分溶解出來10。2.2.2纖維素酶纖維素酶是降解纖維素生成葡萄糖的組酶的總稱，是起協同作用的多組分酶系。一般將纖維素酶分為三類：葡聚糖內切酶（EC.3.2.1.4）這類酶作用于纖維素分子內部的非結晶區(qū)，隨機水解-1，4-糖苷鍵，將長鏈纖維分子切斷，產生大量非還原性末端的小分子纖維素; 葡聚糖外切酶（EC.3.2.1.19）這類酶作用于纖維素線狀分子末端，水解-1，4-糖苷鍵，每次切下一個纖維二糖分子，故又稱纖維二糖水解酶；-葡萄糖苷酶（EC.3.2.1.21)大分子首先在EC酶和CBH酶的作用下逐步降解成纖維素二糖,再由GC 酶水解成 2個葡萄糖11。在果品和蔬菜加工過程中如果采用纖維素酶適當處理，可使植物組織軟化膨松，能提高可消化性和口感。纖維素酶用于處理大豆，可促使其脫皮，同時，由于它能破壞胞壁，使包含其中的蛋白質、油脂完全分離，增加其從大豆和豆餅中提取優(yōu)質水溶性蛋白質和油脂的獲得率，既降低了成本，縮短了時間，又提高了產品質量12。2.2.3淀粉酶淀粉酶屬于水解酶類, 是催化淀粉、糖元和糊精中糖苷鍵的一類酶的統稱。淀粉酶廣泛分布于自然界, 幾乎所有植物、動物和微生物都含有淀粉酶。按其來源可分為細菌淀粉酶、霉菌淀粉酶和麥芽糖淀粉酶。根據對淀粉作用方式的不同,將淀粉酶分成三種類型: -淀粉酶,-淀粉酶，葡萄糖淀粉酶, 此外還有一些降解酶。-淀粉酶,存在于所有的生物體中，能水解淀粉、糖原和環(huán)狀糊精分子內的-1,4糖苷鍵13。因為水解主要是在分子內部進行，因此-淀粉酶對食品的主要作用是降級黏度，同時影響穩(wěn)定性，例如布丁，奶油沙司等。-淀粉酶, 從底物的非還原性末端水解-1,4糖苷鍵，生成-麥芽糖，因為-淀粉酶是外切酶，只有淀粉中許多的糖苷鍵被水解，才能觀察到粘度降低。主要存在于高等植物中，不能水解支鏈淀粉的-1,6-糖苷鍵，但能夠完全水解直鏈淀粉為-麥芽糖，在食品工業(yè)中，應用十分廣泛，麥芽糖可以迅速被酵母麥芽糖酶裂解為葡萄糖14。葡萄糖淀粉酶又稱葡萄糖糖化酶, 從底物的非還原性末端將葡萄糖單位水解下來，在食品和釀造工業(yè)中有著廣泛的用途，例如果葡糖漿的生產。 2.2.4蛋白酶蛋白酶是催化蛋白質水解的一類酶,是酶學研究中較早也是最深入的一種酶，蛋白酶分為外肽酶和內肽酶兩大類,外肽酶只對底物的C端或N端的肽鍵有作用,內肽酶只能水解大分子蛋白內部的肽鍵,是真正的蛋白酶15。蛋白酶在食品加工中發(fā)揮重要的作用，例如凝乳酶形成酪蛋白凝膠制造干酪。在烘烤食品加工中，將蛋白酶作用于小面團的谷蛋白，不僅可以提高混合特性和需要的能量，而且還能改善面包的質量。蛋白酶的另一個重要作用是在肉類和魚類加工中分解結締組織中的膠原蛋白、促進嫩化。2.3.與風味相關的酶食品行業(yè)中，風味是食品感官機能的最重要指標。在保證營養(yǎng)和衛(wèi)生的前提下,一種食品能否在市場上獲得消費者的青睞,關鍵就在于這種食品是否具有一定的風味特色。因此食品風味的加強與改善以及風味物質的生產已成為廣大食品研究人員和生產者關注的熱點。酶對食品風味和異味成分的形成有很大作用，食品在加工和貯藏過程中可以利用某些酶改變食品的風味。2.3.1.過氧化物酶過氧化物酶在催化過氧化物分解的過程中，同時產生了自由基，它能引起食品許多組分的破壞并對食品風味產生影響。過氧化物酶是一種非常耐熱的酶，廣泛存在于所有高等植物中，通常將過氧化物酶作為一種控制食品熱處理的溫度指示劑。當不飽和脂肪酸存在時，過氧化物酶能促進不飽和脂肪酸的過氧化物降解，產生揮發(fā)性的氧化風味化合物。2.3.2脂肪酶脂肪酶即三?；视王；饷福呋烊坏孜镉椭?，生成脂肪酸、甘油和甘油單酯或二酯。脂肪酶基本組成單位僅為氨基酸，通常只有一條多肽鏈。它的催化活性僅僅決定于它的蛋白質結構。脂肪酶應用于乳酯水解，包括奶酪和奶粉風味的增強、奶酪的熟化、代用奶制品的生產、奶油及冰淇淋的酯解改性等。脂肪酶作用于乳酯并產生脂肪酸，能賦予奶制品獨特的風味。脂肪酶釋放的短碳鏈脂肪酸（C4C6）使產品具有一種獨特強烈的奶風味。2.4與營養(yǎng)相關的酶酶活性的變化對加工及貯藏過程中一些對食品營養(yǎng)的影響已有很多報道。比如脂肪氧化酶氧化不飽和脂肪酸，會引起亞油酸、亞麻酸和花生四烯酸這些必須脂肪酸含量降低，同時產生過氧自由基和氧自由基，這些自由基使食品中的類胡蘿卜素、生育酚、維生素C和葉酸含量減少，破壞蛋白質中的半胱氨酸、酪氨酸、色氨酸和組氨酸殘基，引起蛋白質交聯。2.4.1超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶是廣泛存在于動植物體內的一種金屬酶，含銅與鋅的超氧化物歧化酶、含猛的超氧化物歧化酶和含鐵的超氧化物歧化酶。這三種超氧化物歧化酶都有清除超氧化物陰離子自由基的作用。因此超氧化物歧化酶可以清除過量的超氧化自由基，具有很強的抗氧化、抗突變、抗輻射和消炎、抑制腫瘤的作用16。SOD在食品中的作用有兩方面，一個方面是抗氧化劑，可以用在罐頭食品中，防止過氧化物酶引起食品變質及腐爛現象。第二個方面是作為食品的強氧化劑，可以用在食品中提高食品的營養(yǎng)強度，尤其是作為抗衰老的天然添加劑。2.4.2植酸酶植酸酶是催化植酸及其鹽類水解為肌醇與磷酸鹽的一類酶的總稱，屬磷酸單酯水解酶17。植酸酶可對阻礙礦物質吸收的植酸進行水解，可提高磷等無機鹽的利用率，同時植酸酶破壞了對礦物質和蛋白質的親和力，也能提高蛋白質的消化率。3 酶在食品領域的發(fā)展前景綜上所述，酶作為一種高效的生物催化劑,能夠改變食品的組織結構,改善食品的品質和風味,增加食品的營養(yǎng)功能。同時,由于一些酶具有特殊的營養(yǎng)成分以及防病抗病功能，可以用于一些功能性食品的食品添加劑。相信在不久的將來,這一種安全高效的生物催化劑能全面進入食品工業(yè)領域,造福于每一個人。參考文獻1馮寅潔,馮成玉,應鐵進.食品中多酚氧化酶的性質及抑制方法.食品工業(yè),2013,34（7）:174.2Bhattacharya M, Luo Q, and Corke, H. 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