酶在食品加工中的应用

食品工业是最早和最广泛应用酶的行业之一，目前已有几十种酶成功地应用于食品工业。如表7-1所示为食品工业常用酶情况，如葡萄糖、饴糖、果葡糖浆的生产，蛋白制品的加工，果蔬加工，食品保鲜和改善食品的品质与风味等。

表7-1 食品工业常用酶

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食品工业中应用的酶种、剂型在不断增加。例如世界上应用于工业生产的酶已达60多个品种，剂型达到600多种。高温α—淀粉酶的剂型有8种，糖化酶的剂型有6种，用于各种果蔬汁处理的专用复合酶剂型已达16种之多。通过基因工程和蛋白质工程技术改造的基因工程菌生产的更高效、更稳定、应用范围更广的酶种比例在逐年增加。食品工业中应用的酶法生产方式也由传统向现代化的方向转变。固定化酶和固定化微生物细胞得到广泛应用（表7-2），固定化动植物细胞技术已进入食品工业生产领域。在此基础上，新型的可连续操作的各种酶反应器装备不断引入食品工业的生产。

表7-2 已在食品工业中应用或研究的固定化酶

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（一）食品工业常用酶的基本特性

1.糖酶

（1）α—淀粉酶α—淀粉酶亦称液化淀粉酶或α-1，4—葡聚糖—4—葡聚糖水解酶。作用于淀粉和糖原时，从底物分子内部随机内切α-1，4键，生成一系列相对分子质量不等的糊精和少量低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。反应速度随底物浓度降低而减小。不同来源的酶其最适pH和作用温度均有差别，工业上应用的酶最适pH为4.5～7.0，最适温度为85～94℃。来源于淀粉液化芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的α—淀粉酶有淀粉吸附性。

（2）β—淀粉酶β—淀粉酶亦称糖化酶或葡聚糖麦芽糖水解酶。作用于淀粉分子，每次从非还原碳端切下2～3个葡萄糖单位，并且由原来的α型转变为β型。只能水解α-1，4键，对于支链淀粉水解至分枝点前2～3个葡萄糖残基时停止作用，故留下的是极限糊精。无淀粉吸附性，不能水解生淀粉。最适pH为5.0～6.0，最适温度为55℃。常与α—淀粉酶结合使用，用于产生饴糖。

（3）葡萄糖淀粉酶 葡萄糖淀粉酶亦称1，4—葡聚糖葡萄糖水解酶。水解时从淀粉非还原碳端依次水解一个葡萄糖分子，并把构型转变为β型。不仅能水解α-1，4键，还能水解α-1，3键和α-1，6键，但前者的水解速度是后两者的十几倍。该酶还有催化葡萄糖合成麦芽糖或异麦芽糖的作用，并随葡萄糖浓度增加催化速度增加，故在水解淀粉时会有麦芽糖或异麦芽糖副产物产生。最适pH为4.0～5.0，最适温度为55～60℃。

（4）果胶酶 商业用果胶酶的有效成分主要有三种酶。一种是果胶甲酯酶，主要作用为催化甲酯果胶以脱去甲酯基，产生聚半乳糖醛酸苷键和甲酯；第二种是聚半乳糖醛酸酶，其作用是内切方式使果胶中以α-1，4键结合的半乳糖醛基水解成为还原糖；第三种是果胶裂解酶，以内切方式使果胶断裂而得寡糖。除此之外，还有一些以外切方式作用于底物的果胶酶。不同来源的酶特性有差别，工业应用的酶作用温度为40～50℃，最适pH为3.5～4.0。

（5）纤维素酶 纤维素酶包括多种水解酶，是一类复合酶类，主要有以下三种：第一种为葡萄糖内切酶，作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4糖苷键，将长链纤维分子切断，产生大量含非还原端的小分子纤维素；第二种为葡萄糖外切酶，又称纤维二糖水解酶，作用于纤维素线状分子末端，水解β-1，4糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子；第三种为β—葡萄糖苷酶，水解纤维二糖和短链的纤维素生成葡萄糖。对纤维二糖和纤维三糖的水解很快，随着葡萄糖聚合度的增加，速度下降。纤维素酶对热较稳定，工业应用的酶作用最适pH为4.5～5.5，最适作用温度为50～60℃。

2.蛋白酶

（1）木瓜蛋白酶 主要来源于未成熟的木瓜，属于内切酶。可快速水解含L—精氨酸、赖氨酸、甘氨酸和瓜氨酸的蛋白质。商品酶中还含有木瓜凝乳蛋白酶和溶菌酶。最适温度为65℃，最适pH为5.0～7.0。广泛用于水解蛋白生产、啤酒澄清、肉类嫩化等。

（2）中性蛋白酶 目前中性蛋白酶主要来源于枯草杆菌发酵，属于肽链内切酶，可特异性地作用于含苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的肽键。最适作用温度为45～55℃，最适pH为5.5～7.5。常用于水解蛋白、制造脱腥豆乳、改善饼干面团特性。

（3）胰蛋白酶 属于内切酶，可特异性地作用于含赖氨酸、精氨酸的肽键，使多肽水解成低分子的肽类。最适作用温度为45℃，最适pH为3.0。常用于面团改性、肉类嫩化、蛋白水解等。

（4）凝乳酶 凝乳酶属于含硫蛋白酶中的天冬氨酰蛋白酶，其主要作用特性是特异地裂解κ—酪蛋白序列中的苯丙氨酸—蛋氨酸之间的肽键，而对凝块蛋白质的水解速度很慢，这种作用方式避免了蛋白质不协调的降解而造成干酪风味和质地的缺陷。凝乳酶传统来源是小牛皱胃液，目前正逐步转向由微生物来生产。其中利用米黑毛霉等微生物生产的凝乳酶比较多。利用基因工程技术把小牛胃中凝乳酶基因转移到宿主微生物中表达也有很大发展。小牛凝乳酶对牛乳最适凝固pH为5.8，作用温度为37～43℃。

3.脂肪酶

属于非特异性羧酸酯水解酶，也称为甘油酯水解酶。作用于含有1～3个脂肪酸的甘油酯酯键，彻底水解后产物为甘油和脂肪酸。依据脂肪酶的来源不同，脂肪酶可以分为动物性脂肪酶、植物性脂肪酶和微生物性脂肪酶。不同来源的脂肪酶可以催化同一反应，但反应条件相同时，酶促反应的速率、特异性等则不尽相同。植物性脂肪酶最适作用pH为5.0，其余两类脂肪酶最适作用pH为7.0～8.5，作用温度一般都为30～40℃。常用于干酪制造、脂类改性、脂类水解。

4.其他常用酶

（1）葡萄糖异构酶 也称木糖异构酶。它能将D—葡萄糖、D—木糖、D—核糖等醛糖可逆地转化成为相应的酮糖。来源于乳酸杆菌的酶最适pH为6.0～7.0，锰、钾离子能提高其耐热性。最适作用温度为40～60℃。其固定化酶很早就应用于工业化果葡糖浆的生产，20世纪80年代中期，产该酶的菌种经过诱变改良，已无需木糖或钴离子诱导。

（2）葡萄糖氧化酶 其作用特性为在氧的参与下将β-D—葡萄糖氧化为葡萄糖醛酸，常由黑曲霉、青霉制取。适宜pH为4.5～7.5，最适温度为30～60℃。常用于食品加工中去除多余的葡萄糖，防止褐变，或在食品保藏中脱氧。

（3）转谷氨酰胺酶 该酶催化蛋白质中的谷氨酸残基的γ—羟胺基团与各种伯胺之间发生酰基转移反应。利用这种特性可使蛋白分子之间或分子内部形成异肽链，从而提高蛋白质的凝胶性，已广泛应用于肉制品、乳制品、植物蛋白制品、焙烤制品中。

（4）转移糖苷酶 这是一类可采用酶法生产功能性低聚糖的糖苷基转移酶。常见的有：用于生产低聚果糖的β—果糖转移酶或β—呋喃果糖苷酶；用于生产帕拉金糖的葡萄糖转移酶；用于生产异麦芽寡糖的α—葡萄糖苷酶；用于生产低聚半乳糖的半乳糖苷酶等。

（二）酶在食品工业中的应用

食品加工过程中如何保持食品的色、香、味是非常重要的问题，因此加工过程中应避免使用剧烈的化学反应。酶由于反应温和，专一性强，催化效率高，反应容易控制，因而被广泛地用于食品工业的各个领域，从原料的改造、原料贮藏、产品的修饰和加工、加工工艺改造、产品贮藏、废物利用到环保治理无所不及。

1.酶在果葡糖浆生产中的应用

果葡糖浆又称异构糖浆，是以淀粉为原料，先用酶将其水解为葡萄糖，再通过异构酶的作用，使一部分葡萄糖转化为果糖而成的混合糖浆。由于葡萄糖的甜度只有蔗糖的70%，而果糖的甜度是蔗糖的1.5～1.7倍，故当糖浆中的果糖含量达到42%时，其甜度与蔗糖相同，在食品工业中可广泛代替蔗糖，特别是因果糖在低温下甜度更为突出，因而最适合于冷饮。

一般以大米或低脂玉米淀粉为原料，经液化、糖化和异构化三步酶反应：

（1）调浆与液化 淀粉用水调成干物质含量30%～35%的淀粉乳，用盐酸调节至pH 6.0～6.5，每吨淀粉原料加入α—淀粉酶0.25L，粉浆泵入喷射器瞬时升温至105～110℃，管道液化反应10～15min，料液输送至液化罐，在95～97℃下，两次加入α—淀粉酶0.5L，继续液化反应40～60min，碘色反应合格即可。

（2）糖化 液化液输送至糖化罐，降温至60℃，调节pH至4.5，加入糖化酶，在间隙搅拌下，糖化至葡萄糖值（DE值），即还原糖（以葡萄糖计）占糖化液干物质的百分比达95%以上。

（3）糖液精制 采用硅藻土预涂转鼓过滤机连续过滤，清除糖化液中非可溶性杂质及胶状物。随后用活性炭脱色，离子交换除尽糖液中的杂质，使糖液纯度达到电导率小于50MS/cm，真空蒸发浓缩至40%～45%。

（4）异构化酶柱 连续异构化反应是将固定化酶装于直立保温反应塔中，葡萄糖浆由柱顶进料，流经酶柱，发生异构化反应，由柱底部出料，连续操作。

2.酶在果蔬汁生产中的应用

酶在高品质果蔬汁的生产中具有广泛的应用，如原料果皮处理、提高榨汁率、提高果汁过滤效率、果蔬汁的澄清、释放芳香物质等。对于某些果蔬汁的生产来说，所使用的酶往往不止一种，而是复合剂型或多种酶的交替使用。常用于果蔬汁生产的酶有果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、橘皮苷酶、转移糖苷酶等。下面简要介绍几种常用果蔬汁生产中的酶法处理工艺。

（1）澄清苹果汁 在苹果汁生产中使用的酶主要是复合果胶酶。复合果胶酶中不仅含有果胶酯酶、聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶，还含有纤维素酶、半纤维素酶和淀粉酶，其作用主要体现在两个方面：榨汁前处理果浆以提高榨汁得率，榨汁后处理果汁达到澄清净化的目的。澄清苹果汁生产工艺为：

由于多数情况下苹果原料是经过贮藏的，苹果中的原果胶已部分水解，所以榨汁性能下降，会影响榨汁得率，必须进行完善的果浆酶处理。起作用的主要是果胶酶和纤维素酶、半纤维素，通过对苹果组织的分解破坏，提高榨汁得率。对破碎后的苹果浆进行酶处理可以采用以下两种操作步骤：

①将果浆迅速加热到40～45℃，搅拌15～20min，通风（预氧化），添加0.02%～0.03%高活性酶制剂，进行45℃、1h处理（缓慢搅拌）。

②将果浆加热到40℃，添加0.05%明胶，均匀混合，添加0.03%酶制剂，40℃、1h处理。

苹果汁的澄清工艺非常重要，它会直接影响成品品质，处理不好往往会造成后续沉淀或混浊。酶法澄清原理是利用混合果胶酶、纤维素酶、淀粉酶的共同作用，分解造成混浊的大分子果胶、淀粉和细胞碎块等能吸附微粒和带电粒子的物质，最后利用明胶中和带电离子的电荷而沉淀下来。澄清工艺一般为：复合果胶酶添加量0.02%～0.05%，明胶50mg/kg，控制pH 3.5，温度40～45℃，时间1～2h。

（2）澄清葡萄汁 大多数品种的葡萄在破碎后所得到的葡萄浆都显得浓稠黏滑，难以压榨。为了提高葡萄出汁率，减轻劳动强度，缩短加工时间，获得色泽好、汁液清澈的葡萄汁，生产中已普遍采用酶处理技术进行处理。其工艺流程如下：(https://www.xing528.com)

葡萄→清洗→破碎→去梗→预制汁（酶处理）→压榨→澄清→稳定→过滤→原汁

对葡萄浆进行酶处理时不能加热，否则会破坏果汁色泽，最好在室温下进行。添加果胶酶后不必调pH，因为汁液酸度较接近酶最适pH。加酶量为0.2%左右，酶处理时间一般为1～2h。榨汁后要进行蛋白稳定操作，通常添加明胶助澄清，最后添加硅藻土等助滤剂过滤。

3.酶在啤酒生产中的应用

酿酒工业中使用酶处理技术较多的是啤酒生产。啤酒是以麦芽为主要原料，经糖化和发酵而成的含酒精饮料。麦芽中含有降解原料生成可发酵性物质所必需的各种酶类，主要为淀粉酶、蛋白酶、β—葡聚糖酶、纤维素酶等。当麦芽质量欠佳或大麦、大米等辅助原料使用量较大时，由于酶的活力不足，使糖化不能充分，蛋白质降解不足，从而影响啤酒的风味与得率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、β—淀粉酶、β—葡聚糖酶等酶制剂，可补充麦芽中酶活力不足的缺陷。在用大麦作辅料或麦芽发芽不良时，其中因含β—葡聚糖（一种黏性分枝多糖），而使麦芽汁的过滤发生困难，特别是由于β—葡聚糖不溶于酒精，啤酒生成沉淀而不易滤清，用β—葡聚糖酶处理可使其分解而改善过滤操作，从而可以稳定啤酒的质量。另外，使用木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或霉菌酸性蛋白酶，可以用于啤酒澄清并防止浑浊，从而延长啤酒的保存期。

4.酶在食品保鲜中的应用

酶法保鲜是一种正在兴起的食品保鲜技术。酶法保鲜的原理是利用酶的催化作用，防止或消除外界因素对食品的不良影响，从而保持食品原有的优良品质。由于酶的催化作用具有专一性和温和性，酶法保鲜可应用于各种食品的保鲜，特别是有效防止氧化和微生物对食品所造成的不良影响。目前应用较多的是葡萄糖氧化酶和溶菌酶保鲜技术。

（1）利用葡萄糖氧化酶保鲜 在一个密闭的环境中，葡萄糖氧化酶在有底物葡萄糖存在时，会利用周围环境中的氧对葡萄糖进行氧化反应，可有效地消除环境中的氧，对于易氧化的食品成分起到抗氧化的作用。对于需氧微生物来说，就可起到除氧剂的作用，从而抑制微生物的生长繁殖。如将葡萄糖氧化酶直接加入啤酒、罐装果汁、果酒、水果罐头中，不仅起到防止食品氧化变质的作用，还可有效防止罐装容器的氧化腐蚀。

将葡萄糖氧化酶与葡萄糖混合在一起制成保鲜袋，置入装有需除氧保鲜食品的容器或袋中，以防止食品氧化并抑制好气性微生物的生长，如月饼的保鲜、饼干的防止酸败等均有应用。

在一些食品的加工过程中，也可利用葡萄糖氧化酶保持食品的品质，如在蛋制品的加工中已应用该酶的特性进行脱糖。在蛋白片的实际生产过程中的脱糖处理如下所述。

前处理→蛋白液→调pH（6.8～7.2）→葡萄糖氧化酶处理（350～500U/kg）→间断加双氧水

（2.0mL/kg，30℃，5～6h）→升温调pH（7.5）→加胰酶处理→过滤→烘干→成品

（2）利用溶菌酶保鲜 溶菌酶对食品保鲜的原理是利用其可溶解许多细菌的细胞膜特性，从而杀灭微生物。溶菌酶对革兰氏阳性菌、好气性孢子形成菌、枯草杆菌、地衣型芽孢杆菌等均有良好的抗菌能力。溶菌酶最适作用条件为pH 6～7，温度50℃。溶菌酶与乙醇、植酸、聚磷酸盐、甘氨酸复配使用，效果会更好。通常采用从蛋清中提取的溶菌酶，该酶对人体无害，可有效防止细菌对食品的污染，已广泛用于各种食品的防腐保鲜。

在干酪生产中，加入一定量的溶菌酶，可防止微生物污染而引起的酪酸发酵，以保证干酪品质。在鲜奶或奶粉中加入一定量的溶菌酶，不但起到防腐保鲜的作用，而且可增强双歧杆菌的生产能力，使之更接近人乳，有利于婴儿健康成长。在清酒（酒精含量15%～17%）中加入15mg/kg的溶菌酶，可防止一种称为火落菌的乳酸菌生长，起到良好的防腐效果。以前采用水杨酸防腐，对人体胃和肝有损害。在水产品表面喷洒一定浓度的溶菌酶液，可起到一定的保鲜作用。

5.在食品领域其他方面的应用

酶在食品领域还有其他方面的广泛应用。如已工业化的酶技术有：酶解纤维素生产葡萄糖，酶法生产新型低聚糖，酶法制造干酪，酶法生产环状糊精，固定化木瓜蛋白酶澄清啤酒，固定化黑曲酶和酵母生产柠檬酸，固定化乳糖酶生产低乳糖牛乳，固定化酶法酿造调味品，转谷氨酰胺酶改性蛋白，酶法食品脱毒，酶法食品脱苦，固定化酶法食品工业废水处理等。

（三）酶应用于食品工业时的注意事项

对多数酶来说，它是一类具有专一性生物催化能力的蛋白质。对于酶的实际应用，除了要针对其应用目的选用正确的酶品种和剂型外，还要根据各种酶与作用底物的特性，尽可能地创造能发挥酶最佳效能的条件，如适宜的酶添加量、底物浓度、作用温度、pH环境以及避免抑制剂、添加激活剂、进行适当的搅拌等。当酶应用于食品工业时，除了要创造上述的一些基本作用条件外，还存在一些有别于应用于其他行业的特殊要求。主要表现在以下一些方面。

1.食品级酶制剂要达到食品添加剂的安全性要求

由于用于食品加工的酶类是直接添加到食品或食品原料中，或者与它们直接接触，因此食品级酶制剂本身的卫生安全性尤为重要。用于食品加工的酶制剂要遵循食品添加剂安全评价程序进行毒理学评估，通常需FAO/WHO食品添加剂安全委员会或FDA的认可。联合国食品添加剂专家委员会于1977年第21届大会上作出如下规定。

（1）凡从动植物可食部位的组织，或用食品加工传统使用菌种生产的酶制剂，可作为食品对待，不需进行毒理学试验，只需建立有关酶化学和微生物学的规格即可应用。

（2）凡由非致病微生物生产的酶，除制定化学规格外，需做短期毒性试验，以确保无害，并分别评价，制定一日摄取容许量（ADI值）。

（3）对于非常见微生物制取的酶，不仅要有规格，还要做广泛的毒性试验。

来自于动植物的酶制剂一般不存在毒性问题。来自于酵母、乳杆菌、乳酸链球菌、黑曲霉、米曲霉等种属，以及来自于非致病菌如大肠杆菌、枯草杆菌的酶制剂，一般也认为是安全的。FAO/WHO在制定每种酶制剂的ADI值时，也规定该酶制剂的来源，如只有来自于米曲霉、黑曲霉、根霉、枯草杆菌和地衣型芽孢杆菌的酶制剂才可作为食品加工用酶制剂。

2.食品级酶制剂在生产使用时要遵循相应的卫生规定

（1）按照良好的制造技术生产酶制剂，必须达到食品级。

（2）根据各种食品的微生物卫生标准，用酶制剂加工的食品必须不引起微生物总量的增加。

（3）用酶制剂加工的食品必须不带入或不增加危害健康的杂质。

（4）用于生产食品酶制剂的工业菌种，必须是非致病性的，不产生毒素、抗生素、激素等生理活性物质，必须通过安全性试验，才能使用。

要做到以上规定，要注意以下几个方面：

（1）用于制备食品级酶制剂的原料或培养基无污染。用于生产酶的原料或培养基不能被农药、除草剂、重金属等有毒物质所污染，否则可能导致酶制剂污染，最终进入食品中。此外，在生产过程中选择合理的酶提取工艺，尽量降低有毒物质的含量。酶提取工艺中尽量避免使用有毒的提取有机溶剂、吸附剂、沉淀剂等，同时减少生产设备可能带来的重金属污染。

（2）酶制剂一般需用稳定剂稳定，粉末状酶制剂需用填充剂进行稀释，这些外加物质要卫生安全，同样达到食品添加剂的要求。

（3）酶制剂是属于蛋白类物质，可能会受到致病菌的污染，因此其包装、保存要按食品添加剂的一些特殊要求进行。

对于大多数食品级酶制剂，由于主要用作对食品原料的降解，因此其酶的纯度并不是主要的，并不要求达到生化标准。大多数食品级酶制剂含有一种主要的酶和几种其他的酶。如木瓜蛋白酶制剂，除含有木瓜蛋白酶外，还含有木瓜凝乳蛋白酶、溶菌酶和纤维素酶等。

思考题

1.什么是发酵工程，获得发酵产品必备的条件是什么？

2.影响发酵的因素有哪些？如何控制？

3.简述发酵技术在食品工业有哪些应用。

4.列举2种食品工业用酶的基本特性。

5.试述酶技术在食品工业有哪些应用。

6.食品工业用酶有哪些注意事项？