食品化学8-第8章-酶课件.ppt

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1、第8主要内容 8.1 概 述 8.2 食品中的重要酶类 8.3 酶对食品质量的影响与应用 8.4 固定化酶 8.5 酶的化学修饰 8.6 非水相酶催化作用 8.7 本章小结与思考题知识点 了解食品中酶的定义、种类及其性质 掌握影响酶活性的各种因素及食品中重要酶类的性质和应用 掌握酶对食品品质的影响及酶在制糖、乳制品、肉制品、果蔬制品等加工过程中的应用 了解酶的固定化、化学修饰和非水相催化的概念和意义，掌握酶固定化、化学修饰和非水相催化方法的使用情况 了解酶学在食品研究及加工过程中的应用和意义 了解食品中酶的定义和种类及食品中重要酶类的性质 掌握酶的固定化、化学修饰的方法和意义 掌握酶在食品加工

2、中的应用重点难点 了解酶的催化特性并根据其特性有效的指导工业生产 掌握酶的固定化和化学修饰方法8.1.1 酶的基本性质1 酶的化学本质 在1979年Dixon 和Webb 将酶定义为“酶是具有催化作用的蛋白质，而此种催化作用的性质来源于其特有的激活能力”。1982年，Cech 和Altrnan 等分别发现了具有催化功能的核糖酶(ribozyme)，近年来又发现了很多RNA 具有催化活性。酶（enzyme）是对其特异底物起高效催化作用的蛋白质和核酸；是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂；是由生命机体产生的具有催化活性的生物大分子物质。2 酶的催化特性 高效性酶的催化活性比其他的化学催化剂活性高

3、很多。高度的专一性 一种酶只能作用于某一类或者某一种特定的反应，分成绝对专一性、相对专一性和立体化学专一性三种类型。（1）绝对专一性酶对底物要求非常严格，要求底物分子与之完全吻合。（2）相对专一性 酶与结构相似的一类化合物或化学键发生某种催化反应，其对底物的专一化程度要求较低。相对专一性可分成化学键专一性和基团专一性。（3）立体异构专一性酶只能对某种特殊的旋光或立体异构体起催化作用，而对其对映体完全不起作用。易失活大多数酶都是蛋白质，凡是能使蛋白质变性的物理化学因素都可能使酶结构破坏。活性可调控调控方式有调节底物浓度、产物浓度以及反应条件等。反应条件温和如中性pH、温和的温度和常压等。酶-底物

4、复合物的形成有利于底物转变成过渡态。E+S E+P ES 图8-1“锁钥学说”模型“诱导契合学说”(Induced-fit hypothesis)酶的活性部位具有一定的柔性。图 8-2“诱导契合学说”模型8.1.2 酶分子结构与活性的分析1 酶的分子结构 酶是蛋白质，其结构包括一级结构和高级结构：一级结构：构成酶蛋白的20种基本氨基酸的种类、数目和排列顺 序，一级结构的改变会使酶的催化功能发生相应的改变；二级结构：主要有-螺旋和-折叠片两种形式；三级结构：-螺旋围绕-折叠骨架结构的周围或两侧形成紧密折叠 的球状结构；四级结构：亚基间的空间排布。3 酶的活性及其测定 酶单位 在特定条件下（温度可

5、采用25 或其他选用的温度，其他条件如pH 值及底物浓度等均采用最适条件），每1min 催化1mol 的底物转化为产物所需要的酶量定义为1个酶活性单位(U)，称国际单位(IU)。测定方法 动态连续测定法；快速反应追踪法。测定手段 光谱分析法；化学法；放射性化学法。回本节8.1.3 酶催化反应的影响因素1 温度双重性 随着温度的升高，反应速度会加快。和一般化学反应相同，在达到最适温度之前，温度每升高10，反应速度是原来的12倍。随着温度的升高，酶蛋白会失活，使反应速度下降。绝大多数酶在60以上即失去活性。图8-5温度对酶活力的影响3 底物浓度 所有酶催化反应，如果其他的条件保持恒定，酶的浓度也保

6、持不变，则反应速率取决于底物浓度。当底物浓度较低时，反应速率会随着底物浓度的增加而加快，表现为一级反应。但随着底物浓度增加酶的反应速率并不是直线增加，反应速率增加的幅度不断下降，如继续加大底物浓度，反应速率也不会再增加，这时表现为零级反应，此时达到极限速率。底物浓度对酶催化反应的影响可用Michaelis和Menten提出的中间产物学说来解释。根据对酶促反应的动力学的研究推导出表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程(Michaelis-Menten equation)。v=VmaxSKm+S图8-7底物浓度对酶催化反应速率的影响 其中Vmax为酶促反应的最大速度，Km为米

7、氏常数，指酶催化反应的速度达到最大速度一半时的底物浓度(mol/L)。Km的求法（1）双倒数作图（2）V-V/S法v=VmaxSKm+S图8-8Km的两种求法4 酶浓度 在一般的酶促反应中，常常SE，酶反应速度达到最大反应速度。对大多数酶促反应来说，当底物足够过量而且其他适宜条件不变，并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，反应速率与酶的浓度成正比。若反应继续进行，速率将会降低，这主要归结为底物浓度下降及终产物对酶的抑制作用。5 激活剂 能够促使酶促反应速度加快使酶由无活性到有活性或者使酶活性增强的物质。无机离子 主要是金属离子，它们有的本身就是酶的辅助因子，有的是

8、酶的辅助因子的必要成分。如:激酶需要Mg2+激活；唾液淀粉酶需要Cl-激活。有机小分子 一些还原剂，如抗坏血酸、半胱氨酸，使含-SH的酶处于还原态。金属螯合剂，如EDTA(乙二胺四乙酸)，可络合一些重金属杂质，解除它们对酶的抑制，从而使酶活升高。从抑制剂对酶活性抑制的动力学角度来看，可将酶的抑制作用分成两类，即可逆抑制和不可逆抑制。酶与抑制剂非共价地可逆结合，当用透析或超滤等方法除去抑制剂后酶的活性可以恢复，这种抑制作用叫可逆抑制作用。可逆抑制作用可分为三种类型：竞争性抑制作用；非竞争性抑制作用；反竞争性抑制作用 不可逆抑制是指抑制剂一旦与酶结合就不能用透析或超滤等方法将其除去，酶的催化作用受

9、到抑制后再也不能恢复。7 物理因素 高压、超声波、电场、磁场等物理作用形式会影响酶的活性。其中静高压技术用于酶的活性影响一直还处于热点报道中。近年来关于动态高压技术对酶的活性影响也开始陆续的报道，采用动态高压微射流对梨汁多酚氧化酶、香菇多酚氧化酶和胰蛋白酶处理后引起活性或反应稳定性不同程度升高，同时发现其酶学性质的变化与动态高压诱导的去折叠态（unfolding）构象有关。回本节8.1.4 酶学对食品科学的重要性1.食品加工和保藏l 动物屠宰后，水解酶类开始发生作用使肉嫩化，改善了肉的风味和质构；l 水果成熟后适度控制内源酶的作用，维持水果特有的颜色、香气和味道；l 牛乳中加入乳糖酶使乳糖转化

10、成葡萄糖和半乳糖，有利于吸收。优点：酶在食品中不会残留任何有害物质，而且酶催化的反应具有专一性和高效性的特点，其反应条件温和，对食品的营养损失少，用量少且操作简单。2.食品营养 一般来说，在食品加工过程中营养成分的损失大多是由非酶作用所引起的，但也不能忽视食品原料中的一些酶的破坏作用。8.2 食品中的重要酶类8.2.1 水解酶8.2.2 氧化酶回目录酶的分类 氧化还原酶类催化底物氧化还原反应的酶类，如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、氧化酶、羟化酶等；转移酶类催化底物之间基团转移或转换的酶类，氨基转移酶、甲基转移酶、激酶、磷酸化酶等；水解酶类催化底物进行水解的酶类，淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶等；裂

11、解酶类（裂合酶类）催化底物移去一个基团并形成双键的反应或逆反应的酶类，醛缩酶、水化酶、脱水酶等；8.2.1 水解酶水解酶是食品工业应用最广泛的酶类，主要是用于水解基本营养素。食品工业中一般使用的是两类酶，一类是内源酶；另一类是外源酶。食品行业中常用的水解酶主要有糖酶、蛋白酶和脂肪酶。糖酶 糖酶是用于水解各种碳水化合物的酶，按其作用点可分为两类：聚糖水解酶类（如-淀粉酶、-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、异淀粉酶、果胶酶、纤维素酶等）；糖苷水解酶类（如转化酶、乳糖酶、橙皮苷酶、鼠李糖苷酶等）。-淀粉酶(EC 3.2.1.1)水解淀粉及其它多糖类（糖原、环糊精）内的-1,4-糖苷键；作用于直链淀粉能显著降低

12、溶液的黏度，并使碘的呈色能力极速下降或消失，产物以麦芽糖为主，带有少量的葡萄糖和糊精；水解支链淀粉产生麦芽糖、葡萄糖和具有-1,6-糖苷键的-极限糊精混合物。（1）淀粉酶能够水解淀粉中葡萄糖单元之间糖苷键。按照作用方式的不同可以将淀粉酶分为-淀粉酶、-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶等。-淀粉酶(EC 3.2.1.2)为外切酶，水解非还原性末端-1,4-糖苷键，依次将淀粉链上的一个个麦芽糖单位裂解下来，其糖单位构型由型转变为型。不能水解-1,6-糖苷键，也不能越过此键继续水解-1,4-糖苷键及不能水解淀粉内部的-1,4-糖苷键，因而反应时不能使淀粉黏度极速下降。葡萄糖淀粉酶(EC 3.2.1.3)为外切酶

13、，水解淀粉分子非还原性末端的-1,4-糖苷键，将淀粉链上的一个个葡萄糖单元水解下来，并使裂解后的糖单元构型由型转变为型。特异性相对较低，除主要水解-1,4-糖苷键外，还能水解-1,3-糖苷键和-1,6-糖苷键，但对这三种糖苷键的催化速度并不相同，其相对速度分别为100、6.6、3.6。葡萄糖淀粉酶水解直链淀粉和支链淀粉的最终产物都是葡萄糖。图8-9几种水解酶类作用位点示意图（2）果胶酶 果胶酶一般分为三类：催化果胶解聚的聚半乳糖醛酸酶、果胶酸裂解酶、以及催化果胶分子中酯水解的果胶酯酶。聚半乳糖醛酸酶根据对底物催化方式不同分为两类：内切聚半乳糖醛酸酶(EC 3.2.1.15)，作用于果胶酸分子内

14、部的-1,4-糖苷键，使底物的黏度显著下降，多数酶的最适pH在4.0-5.0之间。外切聚半乳糖醛酸酶(EC 3.2.1.67)，水解非还原性末端的-1,4-糖苷键，将果胶酸链上的半乳糖醛酸单元逐个水解下来，最适pH约为5.0，一些离子如Ca2+对外切聚半乳糖醛酸酶具有激活作用。果胶酯酶(EC 3.1.1.11)也称为果胶甲酯酶、果胶酶、果胶甲氧基酶和果胶脱甲氧基酶。能够水解果胶分子中的甲酯基，生成果胶酸和甲醇。常与聚半乳糖醛酸酶组成催化体系。果胶酸裂解酶(EC 4.2.2.2)果胶酸裂解酶能催化果胶酸上半乳糖醛酸残基的C4和C5位，通过氢的转消除作用（-消除反应）使糖苷键断裂，催化反应需要有C

15、a2+的参与，最适pH8.0-9.5。图8-10三种果胶酶的催化作用（3）纤维素酶 纤维素酶催化纤维素水解。纤维素酶具有较高的热稳定性，最适pH在4.5-6.5范围内。根据作用于纤维素和降解的中间产物不同可分为四类：内切纤维素酶(EC 3.2.1.4)、纤维二糖水解酶(EC 3.2.1.91)、外切葡萄糖水解酶(EC 3.2.1.74)和-葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.21)。在食品工业中，应用纤维素酶水解纤维素，有利于消化吸收和改良食品风味。（4）转化酶(EC 3.2.1.26)催化蔗糖水解为葡萄糖和果糖，使溶液的旋光度从+66.5转变到-19.75。在食品工业中主要用于将蔗糖水解成较甜的糖

16、浆，并改变溶液的一些物理性质，如提高沸点、渗透压和溶解度及降低凝固点等。2 蛋白酶 广泛存在于各种生物体系中，是食品工业中应用最普遍的酶类之一。催化水解连接蛋白质氨基酸单元的肽键，将蛋白质水解成较小分子的肽类和氨基酸，从而方便机体吸收利用，或改变含蛋白质食品的某些特性以便进一步加工。丝氨酸蛋白酶可以软化和嫩化肉的结缔组织，使肌肉变得柔软多汁，改善口味。巯基蛋白酶可用于食物的催熟、肉的嫩化及啤酒的澄清等。凝乳酶用于生产干酪，主要催化酪蛋白沉淀，并有助于风味物质的形成，在食品工业中应用最广的一种酸性蛋白酶。金属蛋白酶的活性中心含有金属离子（多数是二价金属离子），大部分是肽链外切酶，在食品工业中应用

17、相对较少。3 脂肪酶 广泛存在于动植物和微生物（如霉菌、细菌等）中，能水解不溶解或多相体系中处在油/水界面的甘油三酯的酯键，将甘油三酯最终水解为脂肪酸和甘油。大多数脂肪酶的最适pH在8.0-9.0之间，底物、盐和乳化剂会影响酶的最适pH。在食品工业中，可利用脂肪酶改善含脂类食品的风味，或将油脂水解和酯交换而得到新的产品。回本节8.2.2 氧化酶1 多酚氧化酶 普遍存在于植物、真菌、昆虫的质体中。多酚氧化酶(EC 1.10.3.1)可分为：单酚氧化酶(EC 1.14.18.1）双酚氧化酶(EC 1.10.3.2)漆酶（EC 1.10.3.1)多酚氧化酶一般是指儿茶酚氧化酶和漆酶的统称。多酚氧化酶

18、最主要的特性就是酶促褐变引起果蔬的品质劣变。在食品工业中，多酚氧化酶也有很多的优点。如促进茶、咖啡、可可在发酵过程中褐色的形成；在啤酒生产过程中，多酚氧化酶与啤酒风味陈化紧密相关。2 葡萄糖氧化酶(EC 1.1.3.4)有氧存在下催化葡萄糖水解，产物有葡 萄糖酸内酯、双氧水和葡萄糖酸等。葡萄糖氧化酶具有良好的热稳定性。葡萄糖氧化酶对-D-葡萄糖有强烈的特异性反应，且催化烃基处在-位的葡萄糖分子比处在-位时的酶活力高160倍左右。由于葡萄糖氧化酶的特异性反应，因此在食品工业上有很多方面的应用。例如葡萄糖氧化酶可在蛋制品加工中除去葡萄糖，防止美拉德反应；在干制品加工及包装中除氧，延长食品保质期；除

19、去啤酒生产中的溶解氧和瓶颈氧，延长货架期；催化反应产生的双氧水可以杀菌消毒，也可用于生产葡萄糖酸。3 过氧化物酶 在氢供体参与下催化过氧化氢或过氧化物，广泛分布于自然界中。由于过氧化物酶一般含有多种同工酶，而不同的同工酶的最适pH各不相同，因此导致其最适pH范围较宽。多数过氧化物酶在热失活后可以部分再生，这是该酶的一个重要特征。在果蔬加工中，采用导致不良风味形成的主要酶作为判断果蔬热处理是否充分的指标，由于过氧化物酶非常耐热，因而，常利用过氧化物酶作为选择热处理条件的指标。4 脂肪氧合酶(EC 1.13.11.12)脂肪氧合酶活力在pH7.0-8.0之间最高，其热稳定性比较差，控制温度是防止脂

20、肪氧合酶失活的有效方法。脂肪氧合酶的催化底物必须含有顺,顺-1,4-戊二烯单元，必需脂肪酸中的亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸是较常见的底物。脂肪氧合酶催化过程很复杂，产物中有多种自由基及氢过氧化物，会使产品出现不良风味，降低蛋白质的营养价值等不良影响。回本节8.3 酶对食品质量的影响与应用8.3.1 酶对食品质量的影响8.3.2 酶在食品加工中的应用回目录8.3.1 酶对食品质量的影响食品的质量主要包括：颜色 质构 风味 营养1 色泽 常见的酶有多酚氧化酶、脂肪氧合酶和叶绿素酶。酶促褐变是酚酶催化酚类底物形成醌及其聚合物的过程。如：肉的色泽变化氧合肌红蛋白鲜红色肌红蛋白紫红色高氧分压高铁肌红蛋白褐

21、色酶促褐变的影响：多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、过氧化物酶等防止措施：使果蔬中酶类失活：热处理（烫漂、蒸煮等）、酸处理（如用Vc、柠檬酸、苹果酸来降低pH）、SO2 或Na2SO3处理等；驱除氧气；底物改性：使果蔬中的酚类化合物形成甲基取代物；添加抗氧化剂来还原邻苯醌类化合物：如添加Vc；减少或避免果蔬在贮藏或运输中的机械损伤。2 质构 食品质构的变化主要取决于能够水解维持食物构形化合物的酶类，如淀粉酶、果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶和蛋白酶等。淀粉主要维持着食品的黏度和质构，淀粉酶通过水解淀粉以破坏淀粉结构，影响着食品的质构和黏度。-淀粉酶主要是降低食品的黏度，同时还对其稳定性产生影响。组织蛋白

22、酶存在于动物的组织细胞中，在酸性条件下分解肌原纤维和结缔组织，有效地促进肉的嫩化和成熟。果胶酶对果胶物质的水解可显著改变果品的质构。3 风味 食品风味受许多化学物质的影响，在食品的保存和加工中，食品内源酶或添加酶都将对食品的风味产生至关重要的作用。产生不良气味的酶主要是一些氧化酶类，如脂肪氧合酶、过氧化物 酶等。脂肪氧合酶通过氧化脂肪生成羰基化合物和氧化破坏食品中的必需脂肪酸，产生青草味或豆腥味等不良风味。过氧化物酶会促进不饱和脂肪酸的过氧化物降解，产生挥发性的氧化风味化合物和破坏食品组分的自由基。在食品加工中，当热烫不彻底或冷冻时，过氧化物酶和脂肪氧合酶等的作用会导致很多蔬菜产生异味。4 营

23、养 目前酶对食品营养价值的影响报道还不多。脂肪氧合酶能够氧化亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸及一些维生素；抗坏血酸酶能破坏一些蔬菜中的抗坏血酸，硫胺素酶能破坏硫胺素，核黄素水解酶能降解一些微生物中的核黄素；多酚氧化酶会降低蛋白质中的赖氨酸，这些都对食品的营养价值造成重要影响。一些水解酶类能通过水解作用促进机体对营养物质的消化吸收，如蛋白酶、脂肪酶等将大分子的蛋白质和脂肪水解成更易被机体吸收的小分子，提高食品的营养价值。回本节8.3.2 酶在食品加工中的应用1 酶在制糖工业中的应用 在制糖工业中，常使用的酶有-淀粉酶、-淀粉酶、葡糖淀粉酶、葡萄糖异构酶和异淀粉酶等。葡萄糖：由-淀粉酶将淀粉液化成糊精，

24、再利用葡萄糖淀粉酶将糊精催化成葡萄糖。果葡糖浆：由葡萄糖异构酶催化葡萄糖异构化生成部分果糖而得到的葡萄糖和果糖的混合物。饴糖、麦芽糖：-淀粉酶将淀粉水解为麦芽糖，麦芽糖和糊精混合成为饴糖。麦芽糊精、环状糊精：淀粉经-淀粉酶低程度水解可制备糊精。2 酶在蛋白质类食品加工中的应用 主要有凝乳酶、乳糖酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等，在制作奶酪、水解乳糖、肉的嫩化等过程中蛋白酶都有着至关重要的影响。乳制品：凝乳酶主要是用于生产干酪；乳糖酶将乳糖水解为葡萄糖和半乳糖，即可被机体消化吸收。肉制品：用于嫩化肉类的酶有木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、黑曲霉蛋白酶和米曲霉蛋白酶等。酶的作用就是分解结缔组织中的胶

25、原蛋白，使肌肉软化。3 酶在果蔬制品加工中的应用 果蔬制品主要包括果汁、果酒、果酱和罐头等，酶在这些食品加工中通常起着澄清、除味、脱色等作用。用于果蔬加工的酶主要有果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、柚苷酶、橙皮苷酶等。4 酶在焙烤行业中的应用 焙烤行业的重点是面包、饼干等糕点的制作，所涉及到的酶主要有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、脂肪氧合酶和葡萄糖氧化酶等。5 酶在酿酒行业中的应用 酶在啤酒、白酒、葡萄酒等酒类酿造中有着重要影响。啤酒生产中，有时因为内部酶的不足，酵母发酵受到抑制，影响啤 酒的风味和产量，因此添加淀粉酶以弥补不足。在啤酒灭菌前加入木瓜蛋白酶可防止蛋白质沉淀，使啤酒澄清，延长 货架期。在葡

26、萄酒酿造过程中，葡萄汁发酵之前加入果胶酶，能使葡萄酒在发 酵后更易澄清。在白酒和酒精的生产中，利用糖化酶代替部分麸曲，可提高出酒率。6 酶在保鲜方面的应用 酶法保鲜是利用酶的催化作用，在加工、运输和保藏过程中，防止或消除外界因素对食品的不良影响，保持原有品质和特性，通常使用的是葡萄糖氧化酶和溶菌酶。葡萄糖氧化酶可有效地除去密封容器中的氧气，防止食品氧化。在灌装饮料和酒品中，防止灌装食品的氧化变质。在蛋类制品中除去葡萄糖，保持食品的色泽和溶解性。溶菌酶能催化细菌细胞壁中的肽多糖水解，破坏细菌的细胞壁，使细菌溶解死亡，防止细菌对食品的腐蚀。回本节8.4 固定化酶8.4.1 酶固定化的方法8.4.2

27、 固定化酶的性质8.4.3 固定化酶在食品中的应用回目录游离酶的缺点：（1）酶的稳定性较差，在温度、pH、和无机离子等外界因素的影响 下，容易变性失活。（2）酶一般都是在水溶液中与底物反应，反应结束后酶难以回收。（3）反应结束后，酶成为产物的杂质。固定化酶：指固定在载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶。特点：即保持了酶的催化特性，又克服了游离酶的不足之处，具有增强稳定性，可反复或连续使用以及易于和反应产物分开等显著特点。回本节8.4.1 酶固定化的方法交联法胶体包埋法半透膜包埋法离子键结合法共价键结合法热处理法结合法包埋法吸附法图8-11各种固定化方法示意图1 吸附法 通过载体表面和酶分

28、子表面间的次级键相互作用而达到固定目的的方法。根据吸附剂的特点又分为两种：物理吸附离子交换吸附 物理吸附法：通过氢键、疏水键等物理作用力将酶固定于不溶性载体的方法。常用的载体：活性炭、高岭土、氧化铝、硅胶、微孔玻璃、多孔陶瓷、纤维素、火棉胶等。离子交换吸附法：在适宜的pH和离子强度条件下，利用酶的侧链解离基团和离子交换基间的离子键作用而达到酶固定化的方法。常用离子交换剂：CMC、DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。特点 优点：操作简便，条件温和，吸附剂可反复使用。缺点：酶和载体吸附力较弱，易解吸脱落。2 共价结合法 借助共价键将酶的活性非必需侧链基团和载体的功能基团进行偶联制备固定化酶的方法。常用载体：纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、甲壳质、聚丙烯酰胺、氨基酸共聚物等。特点优点：酶与载体结合牢固，不会轻易脱落，可连续使用。缺点：反应条件较激烈，易影响酶的空间构象而影响酶的催化活性。