微生物酶制剂在食品工业中的应用

酶是由生物产生的具有特异催化功能的蛋白质，又称生物催化剂。将酶加工成不同纯度和剂型（包括固定化酶和固定化细胞）的生物制剂是酶制剂。动植物和微生物产生的许多酶都能制成酶制剂。

一、淀粉酶类

1.淀粉酶类的主要类型及其性质

淀粉酶（Amylase）是一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖原等，水解α—1，4—糖苷键或α—1，6糖苷键的酶，根据水解的方式可分为α—淀粉酶、β—淀粉酶、葡萄糖淀粉酶及异淀粉酶四大类。

（1）α—淀粉酶α—淀粉酶广泛分布于动物（唾液、胰脏等）、植物（麦芽、山萮菜）及微生物中。微生物的酶几乎都是分泌性的。此酶以Ca²⁺为必需因子并作为稳定因子，既作用于直链淀粉，也作用于支链淀粉，以随机方式从淀粉分子内部水解α—1，4糖苷键生成糊精和还原糖。但不能水解α—1，6糖苷键，也不能水解紧靠α—1，6分枝点的α—1，4糖苷键。在淀粉水解成短链的糊精分子后，溶液的黏度迅速下降，故α—淀粉酶又称为液化淀粉酶或液化酶。

（2）β—淀粉酶β—淀粉酶也只水解淀粉中的α—1，4糖苷键，对α—1，6—糖苷键无作用。它与α—淀粉酶的不同点在于从非还原性末端逐次以麦芽糖为单位切断α—1，4糖苷键，产物是麦芽糖，属外切酶。由于麦芽糖在生成过程中构型发生了变化，从α—型转变成β—型，故此种淀粉酶为β—淀粉酶。β—淀粉酶不仅不能水解α—1，6糖苷键，在从非还原末端水解α—1，4糖苷键时，还不能超越α—1，6—糖苷键而去水解分枝点内侧的α—1，4糖苷键，所以，它对支链淀粉的水解是不完全的，只能水解分枝点以外的葡萄糖链，生成相当于支链淀粉50%～60%的麦芽糖，剩余的部分称之为极限糊精。

（3）葡萄糖淀粉酶 又称糖化酶，作用于淀粉时，是从非还原端开始逐次切下一个葡萄糖分子。它不仅能水解α—1，4糖苷键，也能越过α—1，6糖苷键，而且也能水解α—1，6糖苷键和α—1，3糖苷键，但速度慢得多。因此，葡萄糖淀粉酶作用于直链淀粉和支链淀粉时，能将它们全部水解为葡萄糖。

（4）异淀粉酶只水解糖原或支链淀粉分枝点的α—1，6糖苷键，切下整个侧枝，形成长短不一的直链淀粉，即能分解α—淀粉酶、β—淀粉酶和糖化酶作用淀粉后所不能分解的残余物。

淀粉酶的使用范围极广、种类繁多，根据不同的需要可以选择不同种类的酶。α—淀粉酶主要用来生产麦芽糖、糊精，用β—淀粉酶可以得到麦芽糖，用葡萄糖淀粉酶催化糊精可得到葡萄糖。

2.淀粉酶的主要生产菌

（1）α—淀粉酶的主要生产菌 细菌和霉菌，特别是枯草芽孢杆菌。

（2）β—淀粉酶的主要生产菌 多黏芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、环状芽孢杆菌和链霉菌等。

（3）糖化酶的主要生产菌 根霉与曲霉普遍能合成与分泌此酶，我国主要采用黑曲霉生产。

（4）异淀粉酶的主要生产菌 我国主要采用产气杆菌10016。

3.淀粉酶在食品工业中的应用

（1）淀粉的糖化和液化 在以淀粉为原料生产味精、啤酒、面包酵母、淀粉糖、酒精等的生产中，广泛应用淀粉酶进行淀粉的糖化和液化。

（2）酶法生产葡萄糖 先用淀粉酶将原料水解成糊精或低聚糖，再用糖化酶将后者水解成葡萄糖。

二、果胶酶类

果胶物质是所有高等植物细胞壁和细胞间层中的成分，也存在于植物细胞汁液中，与水果、蔬菜的食用质量有很大关系。

果胶酶降解果胶物质，存在于高等植物和微生物中。除了蜗牛以外，在动物界中没有发现果胶酶的存在。这类酶在食品加工中非常重要，如采用果胶酶处理果肉，可以提高果汁产量，促进果汁澄清。果胶酶也是导致许多水果、蔬菜在成熟后过分软化的原因。在番茄酱和橘汁一类食品中，也常因果胶酶的作用，破坏了果胶物质所形成的胶体，使产品的黏度和浊度降低，原来分散状态的固形物失去依托便沉淀下来，降低了这些食品的质量。

1.果胶酶类的主要类型及其性质

（1）聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase，PG）可以水解D—半乳糖醛酸α—1，4糖苷键，在果汁澄清中起着重要作用。

（2）碱性果胶酶（Polygalacturonate lyase，PGL）是一类能在碱性条件下高效分解植物组织中果胶质（由D—半乳糖醛酸以α—1，4糖苷键连接形成的直链状的聚合物）的酶的总称，通过切断果胶分子α—1，4糖苷键，生成具有不饱和键的半乳糖醛酸酯。

（3）聚甲基半乳糖醛酸裂解酶（PMGL）可以切断果胶分子的α—1，4糖苷键。

（4）果胶酯酶（PE）可以使果胶中的甲酯水解，生成果胶酸。

2.果胶酶的主要生产菌

目前国内外研究和应用较多的果胶酶产生菌是细菌和霉菌，也有链霉菌产生果胶酶的报道。在细菌中，欧文氏杆菌（Erwinia sp.）、芽孢杆菌（Bacillus sp.）、节杆菌（Arthrobacter sp.）和假单胞杆菌（Pseodomonas sp.）都产生果胶酶。嗜碱性芽孢杆菌属和欧文氏杆菌属主要用于苎麻和红麻的脱胶、生物制浆及污物的处理软化等方面，应用前景可观，受到较多的关注和研究。已见报道的产果胶酶的霉菌种类大约包括20个属，如曲霉属（Aspergillus sp.）、灰霉菌属（Botrytis sp.）、镰刀菌属（Fusarium sp.）、炭疽菌属（Colletotrichum sp.）、核盘菌属（Scletoriumsp.）和玉圆斑菌属（Cochliobolus sp.）等。目前，黑曲霉、根霉和盾壳霉作为产果胶酶的菌株已经商品化。国内外对霉菌发酵产果胶酶的研究主要集中在曲霉属中，而曲霉属中研究最多的是黑曲霉。其原因是，果胶酶被广泛应用于食品工业中，如用于果汁、果酒及中药营养液的深加工等，使得产品质量和外观得以改善，而生产食品酶制剂的菌株必须是安全菌株。黑曲霉分泌的胞外酶系较全，不仅可以产生大量果胶酶，而且黑曲霉属于安全菌株。另外，黑曲霉产生的果胶酶最适pH一般在酸性范围内，这也是其被应用于食品工业中的原因之一。工业生产中采用真菌，大多数生产的果胶酶都是复合酶。某些微生物能产生单一的果胶酶。

3.果胶酶在食品工业中的应用

（1）应用于澄清型果汁、蔬菜汁中 由于水果、蔬菜中富含果胶质，使果蔬汁的过滤操作困难，同时也使果蔬汁浑浊。因而在果汁生产中，通过使用果胶酶使果胶水解，降低果汁黏度，有利于压榨、提高出汁率。在进行果汁沉降和离心时，果胶酶能破坏果汁中悬浮物的稳定性，使其凝聚沉淀，使果汁澄清。经酶处理的果汁比较稳定，可防止浑浊。

（2）用于提高橘子罐头的质量 使用果胶酶脱除橘子囊衣。橘子（罐头制品）经脱囊衣后果味浓郁，品质提高。

（3）应用于葡萄酒和果露酒制造中 在葡萄酒的酿制过程中，引起压汁、过滤困难和浑浊的主要原因是果胶的存在。利用果胶酶可使果胶溶化降解，这不仅可提高葡萄汁和葡萄酒的产率、有利于过滤和澄清，而且可以提高产品质量。使用果胶酶后，葡萄中单宁的抽出率降低，使酿制的白葡萄酒风味更佳。在红葡萄酒酿制过程中使用果胶酶，可提高色素的抽提率，还有助于酒的老熟，增加酒香。

三、纤维素酶类

纤维素是目前地球上唯一产量巨大而未得到充分利用的可再生资源，是葡萄糖分子以β—1，4糖苷键结合的直链高分子化合物，很难分解。纤维素酶是降解纤维素成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单种酶，而是起协同作用的多组分酶系。

（一）纤维素酶类的主要类型及其性质

（1）葡聚糖内切酶 能在纤维素酶分子内部任意断裂β—1，4糖苷键。

（2）葡聚糖外切酶或纤维二糖酶 能从纤维分子的非还原端依次裂解β—1，4糖苷键释放出纤维二糖分子。

（3）β—葡萄糖苷酶 能将纤维二糖及其他低分子纤维糊精分解为葡萄糖。(www.xing528.com)

（二）纤维素酶的主要生产菌

产纤维素酶的微生物主要有细菌、放线菌和丝状真菌，但对纤维素作用较强的菌有木霉属、青霉属、曲霉属和支顶孢霉属的菌株。我国生产上应用的菌种大多属于木霉，其纤维素酶活力最高。

（三）纤维素酶在食品工业中应用

1.在果蔬加工中的应用

在果蔬加工过程中，若采用纤维素酶处理，不仅可以避免热烫、酸碱处理等造成的营养物质损失，还可以使植物组织软化，有利于细胞内物质渗出、提高出汁率、促进汁液榨取和澄清作用，减少压榨时间，改善口感，简化工艺。纤维素酶在果蔬罐头、果汁澄清、糖渍果品、果酱等生产上均有应用。

2.纤维素酶在细胞内含物及活性物质提取中的应用

纤维素酶用于处理大豆，可促使其脱皮，同时，由于它能使胞壁破坏，使包含于其中的蛋白质、油脂完全分离，增加从豆类中提取优质水溶性蛋白质的得率，以及从大豆和豆饼中提取优质水溶性蛋白质和油脂的获得率，提高了产品质量。纤维素酶用于淀粉制造，可缩短时间，增加得率。同时也可以用于提高活性物质的提取得率。

3.纤维素酶在茶叶加工、速溶茶方面的应用

生产上常用热水浸提法提取茶叶中的有效成分。目前速溶茶存在的问题是制率低，制成的茶饮料稳定性差，而在萃取中加入果胶酶、纤维素酶可以提高茶叶的萃取率及茶汤固形物含量。若用纤维素酶处理茶叶制备速溶茶，既可缩短抽提时间，又可提高水溶性较差的茶单宁、咖啡因等的抽提率，制成速溶茶不仅保持茶叶天然的色、香、味和营养成分，且无不溶性渣滓，饮用方便。

4.纤维素酶在发酵工业中的应用

在酿酒工业中，由于原料品种不一，所含纤维素不同，传统发酵对酒醅的酸度、黏度要求比较高，原料要适当粉碎，不宜太细也不宜太粗，并适当添加稻糠等疏松辅料，造成许多颗粒原料外衣包藏淀粉，不能彻底进行糖化发酵，使残糖量偏高。纤维素酶对纤维有降解作用，能破坏间质细胞壁的结构，使其内含物释放出来，利于糖化酶的作用。使用纤维素酶可以将高粱、小麦等原料淀粉中3%左右的纤维素和半纤维素转化为可发酵性糖，使原料的可利用碳源增加，进而提高出酒率，还可以降低发酵液的黏度。

纤维素酶用于固态无盐酱油发酵，能将包裹蛋白质的纤维素分解，使蛋白质呈裸露状态，便于蛋白酶分解蛋白质，提高酱油得率，加快发酵速度，改善酱油的风味和质量。

5.用纤维素酶生产单细胞蛋白

用纤维素酶生产单细胞蛋白的方法主要有两种：一是先将纤维素经纤维素酶等水解后再由微生物生产单细胞蛋白；另一种是直接利用纤维分解菌发酵纤维素产生单细胞蛋白，即使用两种或多种菌进行，第一种菌通常是作为分解菌，其余的是在纤维素降解的基础上生长，增加菌体量。

四、蛋白酶类

1.蛋白酶类的主要类型及其性质

蛋白酶是水解蛋白肽键的一类酶的总称，按对底物的作用方式分为内肽酶、外肽酶。内肽酶水解蛋白质多肽链内部的肽键，形成相对分子质量较小的和胨，通常称之为蛋白酶。外肽酶从蛋白质分子的游离氨基或羧基的末端逐个将肽键水解，而游离出氨基酸，作用于羧基端肽键的称羧肽酶，作用于氨基端肽键的称氨肽酶。

在微生物的生命活动中，内肽酶的作用是降解大的蛋白质分子，使蛋白质便于进入细胞内，属于胞外酶。外肽酶常存在于细胞内，属胞内酶。目前工业上常用的蛋白酶是胞外酶。按蛋白酶作用的最适pH可分为中性、碱性和酸性蛋白酶。

2.蛋白酶的主要产生菌

产生蛋白酶的菌种很多，细菌、放线菌、霉菌等中均有。生产酸性蛋白酶的微生物有黑曲霉、米曲霉、金黄曲霉、拟青霉、微小毛酶、白假丝酵母、枯草芽孢杆菌等。我国生产酸性蛋白酶的菌株有黑曲霉A.S3.301、A.S3.305等。生产中性蛋白酶的菌有枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、酱油曲霉、米曲霉和灰色链霉菌等。生产碱性蛋白酶的菌主要是芽孢杆菌属的几个种，如地衣芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、嗜碱芽孢杆菌和灰色链球菌等。

3.蛋白酶在食品工业中的应用

在葡萄酒酿造中使用蛋白酶，可以使酒中存在的蛋白质水解，防止出现蛋白质浑浊，可以使酒体澄清透明，以提高产率和产品质量；干酪的生产可以采用乳酸发酵的方法，也可采用凝乳蛋白酶的方法；可用蛋白酶法水解生产明胶。

本章小结

食品工业中常用的细菌有乳酸菌、醋酸菌和谷氨酸生产菌；常用的酵母菌有啤酒酵母、葡萄酒酵母、卡尔酵母、产蛋白假丝酵母；常用的霉菌有毛霉、根霉、红霉、曲霉、青霉。用于发酵工业生产乳酸和乳品的乳酸菌包括链球菌属、片球菌属、明串珠菌属、乳杆菌属、双歧杆菌属。细菌在食品工业上主要用于生产发酵乳制品（酸乳、干酪、酸性奶油）、果蔬汁乳酸菌发酵饮料、酸豆乳、泡菜、榨菜、益生菌制剂、食醋、味精；酵母菌在食品工业上主要用于酿造啤酒、果酒、白酒、加工面包、生产单细胞蛋白；霉菌在食品工业上主要用于酿造酱油、酱类、食醋，生产豆豉、腐乳、柠檬酸等。

复习思考题

1.什么是乳酸菌？简述乳杆菌属、链球菌属、明串珠菌属、片球菌属的生物学特性。以番茄汁乳酸菌饮料为例，简述果蔬汁乳酸菌发酵饮料的生产工艺流程。

2.什么是醋酸菌？醋酸菌的主要种类有哪些？常见的醋酸菌有哪些？

3.谷氨酸菌在细菌分类中属于哪些属？我国谷氨酸发酵最常见的生产菌种有哪些？各有怎样的生物学特性？

4.简述葡萄酒酵母的生物学特性，并说明葡萄酒酵母与啤酒酵母的不同之处。

5.什么叫酒曲？酿造白酒的酒曲有几种？它们在白酒酿造中各起什么作用？白酒的种类如何划分？

6.面包生产菌种为何？选择菌种的依据是什么？如何制备活性干酵母面包发酵剂？

7.什么叫单细胞蛋白（SCP）？利用微生物开发SCP的优点是什么？

8.简述毛霉属、根霉属、曲霉属、青霉属的生物学特性。

9.参与酱油酿造的微生物有哪些？它们在酱油酿造中的作用如何？

10.食醋酿造的基本原理是什么？其糖化剂（曲）菌种、酒母菌种和醋母菌种各有哪些？

11.试述食品工业中的酶制剂种类及产生酶的微生物。