酶(Enzymes)是一种大分子生物催化剂,大部分酶是蛋白质,有少部分酶是具有催化活性的RNA分子(即核酶)。
早在多年前的夏禹时代,我国劳动人民就开始用谷物酿酒,但光有谷物是不够的,还需要加入“酒曲”。酒曲中含有大量的微生物和酶,能够加速将谷物中的淀粉、蛋白质等转变成糖和氨基酸;糖在酵母菌和酶的作用下进一步转化成酒精。可以说,“酒曲”是人类发现最早的“酶”之一。
酶的特点
酶的催化效率非常高,一个酶分子在1分钟内能将数百万个底物分子转化为产物,其催化效率比一般无机催化剂的效率高10-多倍,效率之高,令人惊讶;不仅如此,酶还非常专一,一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键并生成一定的产物,而对其他化合物或化学键不起作用,科学家打过一个形象的比方——一把钥匙开一把锁。
此外,酶作为催化剂,所需的条件比较温和。比起工业催化剂动辄几百乃至上千摄氏度的反应温度而言,绝大多数的酶在常温下就能实现最佳工作状态。但这并不意味着酶是一种很随便的催化剂。恰恰相反,酶对于反应环境的要求是相当苛刻的,温度、酸碱度等环境因素的改变,都会使酶的催化能力发生变化,轻则催化能力降低,重则完全丧失催化能力。
酶的生产
那么,怎样才能得到酶呢?
酶广泛存在于动植物体内,除了少量从动物或植物中提取的酶制剂(如从木瓜中提取的木瓜蛋白酶)外,工业生产中使用的许多酶制剂,都是由微生物发酵而来的。微生物等原材料经过培养处理后得到的发酵液,经过提取、分离、纯化等步骤,得到纯化后的酶液;酶液再经过浓缩、结晶、干燥、成型等工艺流程,制成各种酶制剂。
只要酶制剂保存得当,即使保存比较长的时间,酶依然会具有催化活性。
酶的应用
酶在生命体中的重要性不言而喻,诸如细胞新陈代谢等几乎所有的生命过程中的化学反应,都是在酶的催化作用下完成的。此外,酶在医学、食品工业等领域以及我们的日常生活中都有极其重要的用途。
用血液中谷丙转氨酶的活力可以诊断肝病,大量的酶在帮助消化、治疗心血管疾病、治疗肿瘤、治疗酶缺乏症等各个领域发挥着重要的作用。
酶催化淀粉水解生产葡萄糖对于食品工业至关重要,此外,各种酶在果蔬汁生产、蛋白质类食品生产、食品的保鲜处理等方面也有重要应用。
酶制剂在果蔬汁生产中的应用
酶制剂在果汁加工工业上的应用已有60余年的历史。酶的应用有效解决了果汁生产中果浆粘度高、出汁率低且果汁澄清困难等问题,并使果汁生产更加节约且高效,降低了生产成本,并改善了果汁的品质。
目前在果汁生产中应用的酶制剂主要包括果胶酶、淀粉酶、纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶等。这其中以果胶酶的研究应用更加深入和广泛。全球商业果胶酶制剂销售量约占所有食品酶制剂销量的25%。
果胶酶
果蔬汁加工时首先将植物细胞壁破坏,大多数植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶等组成,其中果胶随成熟度的增加,酯化程度也较高,而且是影响出汁率的主要因素之一。
果胶在植物中作为一种细胞间隙填充物而存在。它是由半乳糖醛酸以α-1,4键联接而成的聚合物。果胶在酸性及高浓度糖存在下形成凝胶的性质用于生产果冻、果酱,但在果蔬汁加工中却导致压榨与澄清发生困难,而采用果胶酶则解决了这个问题。
果胶酶是指能降解果胶质的一类酶的总称,主要包括果胶酯酶(pectinesterases,PE)、聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonases,PG)和果胶裂解酶(pectinlyases,PL)。
各种果胶酶的作用方式各不相同,果胶酯酶能够促使果胶脱甲酯(脱去果胶中的甲氧基基团)生成果胶酸,果胶酯酶对于果胶溶液的粘度几乎没有影响;聚半乳糖醛酸酶降解果胶酸为寡聚半乳糖醛酸或半乳糖醛酸,能迅速降低底物的粘度;果胶裂解酶可将果胶降解为含有不饱和键的寡聚半乳糖醛酸或半乳糖醛酸。这几种酶协同作用可将果胶降解为小分子可溶解的寡聚物或单体。
果胶酶作用于果蔬汁时,除降低粘度外,还可产生絮凝作用,使果蔬汁澄清。澄清机理的实质包括果胶的酶促水解和非酶的静电絮凝两部分。新加工的果蔬汁一般是稳定的胶体系统,其主要稳定因素是果胶,果胶的粘性对胶体起保护作用,也能阻止果蔬汁蛋白与带相反电荷的多酚物质或悬浮颗粒发生反应而沉降。当果蔬汁中的果胶酶作用部分水解,使体系粘度下降,胶体失去了稳定性,使原来被包裹在内部的带正电荷的蛋白质颗粒暴露出来,与其它带负电荷的粒子相撞,就导致絮凝的发生。
淀粉酶
说起淀粉酶,大家一定不陌生,当我们细细咀嚼馒头或米饭时,会感觉有甜味儿,这是因为米饭或馒头的主要成分是淀粉,唾液中的唾液淀粉酶会将淀粉分解成麦芽糖,所以会有甜味!
成熟的水果中淀粉含量很少,但实际果汁生产中往往含有大量未成熟果实,其含淀粉量可达水果总质量的2%。淀粉的存在会造成果浆粘稠,且其形成的络合物容易导致果汁的后浑浊。淀粉酶可将淀粉水解为易溶解的寡糖或单糖,进而消除淀粉在果汁中引起的负面作用。
根据作用方式的不同,淀粉酶可分为α-淀粉酶与β-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。既作用于直链淀粉,亦作用于支链淀粉,无差别地切断α-1,4-链。当底物为直链淀粉时,产物以麦芽糖为主,还有麦芽三糖及少量葡萄糖;在分解支链淀粉时,除麦芽糖、葡萄糖外,还生成分支部分具有α-1,6-键的α-极限糊精。β-淀粉酶与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-葡聚糖链。对于像直链淀粉那样没有分支的底物能完全分解得到麦芽糖和少量的葡萄糖。作用于支链淀粉或葡聚糖的时候,切断至α-1,6-键的前面反应就停止了,因此生成分子量比较大的极限糊精。因此,在果汁生产中所用的淀粉酶一般为α-淀粉酶。
纤维素酶
纤维素是植物细胞壁中的主要成分,也是造成果汁粘稠、出汁率低等问题的重要因素。纤维素酶是一类降解纤维素的多种酶的总称,包括内切葡聚糖酶、外切纤维二糖水解酶和β?葡萄糖苷酶,多种酶协同作用可以将纤维素降解成分子量较小的纤维二糖和葡萄糖。大部分水果细胞壁中含有丰富的纤维素,用纤维素酶处理可提高细胞壁的通透性,使细胞内溶物充分释放,可以提高出汁率和可溶性固形物含量,并有助于澄清果汁。
但是,目前欧盟法律法规禁止在果汁生产过程中使用纤维素酶。
在果蔬汁生产中使用酶制剂,主要有两个目的:提高出汁率和澄清果汁。
提高出汁率
浆果类水果、胡萝卜等的细胞壁和细胞膜由果胶、纤维素、淀粉、蛋白质等物质构成,破碎后的果泥十分粘稠,压榨取汁非常困难。加入果胶酶能催化果胶解聚。细胞壁降解的第一阶段,由内切型聚半乳糖醛酸酶和果胶裂解酶有限降解中层的可溶性果胶,使组织崩溃,细胞分离,细胞壁基本保持完整的细胞悬浮在粘度较高的介质中。在内切型聚半乳糖醛酸酶和果胶酯酶/果胶裂解酶作用下进一步降解可溶性果胶和胞壁果胶,有利于压榨取汁。
在过去的多年中,人们认为果胶细胞壁只是直链平滑结构,所以认为只要有一定的果胶裂解酶、果胶甲酯酶和聚半乳糖醛酸酶的活性即可将果胶水解。但后来发现只用这样的酶水解果胶并不那么容易,尤其是使用这样的酶提高水果的出汁率,更是达不到预期的效果。
通过近几年对果胶细胞壁结构的进一步研究,认识到果胶结构并不像以前人们理解的那样只含有平滑区域。而今发现,果胶结构还含有10%-40%的分叉区域,正是这些分叉区域,造成果胶降解非常困难
果胶沉积于初生细胞壁和细胞间层,在初生壁中与不同含量的纤维素、半纤维素、木质素的微纤丝以及某些伸展蛋白(extensin)相互交联,使各种细胞组织结构坚硬,表现出固有的形态,为内部细胞的支撑物质。
基于对果胶结构的新认识,我们意识到要想彻底分解果胶细胞壁结构,必须含有多种酶活性。
诺和诺德公司(诺维信公司N0vozlIrmes的前身)在瑞士的子公司于年率先开发生产了果浆处理用酶,从而使苹果汁的出汁率首次突破了90%。这种专门用于果浆处理的酶制剂称为果浆处理酶,是一种含果胶酶、蛋白酶等的复合酶,其作用是分解果胶,有效裂解果蔬细胞壁,改善果浆的压榨性能,提高出汁率。
澄清果汁
果蔬中果胶、可溶性淀粉、蛋白质及微小悬浮颗粒等物质,易随榨汁的进行而混溶在果蔬汁中,导致果蔬汁的混浊或沉淀,,影响产品质量。因此,为了得到清汁,就必须进行酶解澄清处理。
苹果浊汁
加入果胶酶、淀粉酶
酶解澄清
苹果清汁
将淀粉酶和果胶酶复合用于果汁生产中,可降低果汁粘度、缩短过滤时间、澄清果汁并提高果汁的稳定性。在浑浊苹果汁中会出现一些非变质而产生浑浊的现象,用含淀粉酶的复合酶来处理果汁就能够保持果汁的稳定性。
结语
多年来的生产实践表明,酶制剂在果蔬汁的生产过程中发挥着重要的作用,随着市场需求的多样化发展及技术的进步,用于果蔬汁加工中的酶制剂品种也在不断地增加,随着生物技术的发展,酶在果蔬汁加工中的应用将会有更美好的前景!