食品酶加工技術(shù)

1、第一節(jié) 概述（酶學(xué)基礎(chǔ)） 酶是一種生物催化劑，生物體內(nèi)的各種生化反應(yīng)幾乎都是在酶的催化作用下進(jìn)行的。l一、酶的化學(xué)本質(zhì)l 1926年，薩姆納(sumner)首次從刀豆提取液中分離得到脲酶結(jié)晶，證明了它具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)，此后的一系列實(shí)驗(yàn)都證明酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。l與其它蛋白質(zhì)一樣，酶的基本組成單位是氨基酸，并且由肽鍵相連形成氨基酸長(zhǎng)鏈，具有一、二、三級(jí)乃至四級(jí)結(jié)構(gòu)。l酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指由l氨基酸按一定順序連接起來(lái)，并以復(fù)雜形式卷曲，形成具有活性中心的兩性離子結(jié)構(gòu)。l所謂活性中心指的是酶蛋白分子中直接與底物結(jié)合形成酶-底物復(fù)合物的特性部位。l其中，直接與底物相結(jié)合的部位稱為結(jié)合部位，催化底物進(jìn)行特

2、定的化學(xué)反應(yīng)的部位稱為催化部位。活性中心由ser195,his57.asp102組成. ser195是底物結(jié)合部位, ,his57是催化部位。l酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)出某種完整結(jié)構(gòu)(如螺旋)的肽鏈部分;l而三級(jí)結(jié)構(gòu)是指由次級(jí)鍵，如離子鍵、氫鍵和疏水鍵等維系的多肽鏈的總體盤卷結(jié)構(gòu)。l由數(shù)條相同或相類似的肽鏈組成的酶呈現(xiàn)四級(jí)結(jié)構(gòu)，其中每一條肽鏈稱為一個(gè)亞基，亞基在四級(jí)結(jié)構(gòu)被破壞后即分離。l正如蛋白質(zhì)按其組成可分為單純蛋白和結(jié)合蛋白兩大類一樣，酶按其分子組成也可分為單純酶和結(jié)合酶。l單純酶的基本組成只是氨基酸，它的催化活性僅取決于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶；l結(jié)合酶除蛋白質(zhì)以外還有非蛋白部分，

3、這兩部分對(duì)酶的催化活性缺一不可。l我們把其中的蛋白質(zhì)部分稱為酶蛋白，非蛋白部分稱為輔助因子，兩者結(jié)合形成的復(fù)合物稱全酶。l如果全酶中酶蛋白與輔助因子結(jié)合得比較牢固，不易用透析方法把它們分開，這種輔助因子稱為輔基。反之，容易分開的稱為輔酶。輔酶能與不同的酶蛋白結(jié)合，形成不同的酶。它們能催化同一類型的化學(xué)反應(yīng)，但所作用的底物不同。例如，乙醇脫氫酶與乳酸脫氫酶的輔酶均為nad(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)，與酶蛋白結(jié)合后均能催化脫氫反應(yīng)，但前者只能催化乙醇脫氫，而后者只能催化乳酸脫氫。l近10年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，除蛋白質(zhì)外，某些核糖核酸(rna)也具有催化活性，這類rna被稱為核酸類酶或催化活性rna。l二、

4、酶的催化特性l 酶是生物催化劑，因而它除了具有一般催化劑的特點(diǎn)，如縮短反應(yīng)達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間，反應(yīng)過(guò)程中本身不被消耗外，還具有反應(yīng)專一性強(qiáng)，催化效率高，作用條件溫和等特點(diǎn)。(一)酶的專一性l 一種酶僅能作用于某一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，并催化某種類型的反應(yīng)，這種特性稱為酶的專一性。酶的專一性可以按其嚴(yán)格程度的不同，分為下列兩類：1絕對(duì)專一性l 一種酶只能催化一種化合物進(jìn)行一種反應(yīng)，這種高度的專一性稱為絕對(duì)專一性。l例如脲酶只能催化尿素進(jìn)行水解生成co2和nh3，它不能催化尿素以外的任何物質(zhì)發(fā)生水解，也不能使尿素發(fā)生水解以外的其它反應(yīng)。l l當(dāng)?shù)孜锖胁粚?duì)稱碳原子時(shí)，酶只能作用于它異構(gòu)體中的一

5、種，而對(duì)另一種則全無(wú)反應(yīng)，這種絕對(duì)專一性稱為立體異構(gòu)專一性。l例如乳酸脫氫酶催化丙酮酸生成l乳酸，而d乳酸脫氫酶卻只能催化丙酮酸生成d乳酸。l2相對(duì)專一性l 一種酶能夠催化一類結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)進(jìn)行某種相同類型的反應(yīng)，這種專一性稱為相對(duì)專一性。l例如脂肪酶能夠催化所有含酯鍵的一類物質(zhì)水解。(二)酶的催化反應(yīng)條件l 酶的催化反應(yīng)一般都在溫和的ph、溫度條件下進(jìn)行。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫等致使蛋白質(zhì)變性的因素都可使酶失去催化活性。(三)酶催化的高效性 l 酶催化反應(yīng)比非酶反應(yīng)快，每分鐘每個(gè)酶活性中心可有多達(dá)106個(gè)底物分子被代謝 轉(zhuǎn)變。(四)酶催化反應(yīng)的廣泛性l 酶催化反應(yīng)的范圍很寬，比化學(xué)催化劑能催化的反

6、應(yīng)多得多，特別是近些年來(lái)隨著遺傳工程酶、酶的類似物(或稱“合成酶”)的問(wèn)世，例如用固相合成催化劑方法按一定順序?qū)被徇M(jìn)行體外聚合而形成的“合成酶”類，為天然存在的酶催化反應(yīng)以外的化學(xué)反應(yīng)能以與天然酶相仿的速度和相似的溫和條件進(jìn)行，提供了可能性。l 由上述酶催化反應(yīng)的特性不難看出，酶是一種強(qiáng)有力的催化劑，對(duì)于工業(yè)酶用戶而言，了解酶對(duì)底物具有高的親和力，特別適用于低底物濃度的催化反應(yīng)尤為重要。而一般情況下，由于許多工藝過(guò)程中使用的底物是純的一種分子，并不需要每種酶都具有很高的底物專一性。三、酶的命名l 為了準(zhǔn)確地識(shí)別某一種酶，避免發(fā)生混亂和誤解，需要對(duì)已知的3000多種酶進(jìn)行科學(xué)的分類與命名。為

7、此，國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)做了大量的工作，對(duì)酶的分類和命名方案不斷修改和完善，以酶的專一性為基礎(chǔ)，建議每種具體的酶都有其推薦名和系統(tǒng)命名。 (一)酶的推薦名l酶的推薦名是由底物名稱和催化反應(yīng)的類型兩部分構(gòu)成。例如葡萄糖氧化酶，它表明酶作用的底物是葡萄糖，催化反應(yīng)的類型為氧化反應(yīng)。 (二)酶的系統(tǒng)命名l 酶的系統(tǒng)命名包括酶作用的底物、酶作用的基團(tuán)及催化反應(yīng)的類型三部分構(gòu)成，它更詳細(xì)、準(zhǔn)確地反映出該酶所催化的反應(yīng)。l 例如上述葡萄糖氧化酶的系統(tǒng)命名為“d葡萄糖，氧1-氧化還原酶”，它表明該酶所催化的反應(yīng)是以d葡萄糖為脫氫的受體，催化作用在第一位碳原子基團(tuán)上進(jìn)行，催化的反應(yīng)類型為氧化還原反應(yīng)。 l系統(tǒng)命名法

8、首先根據(jù)酶所催化的類型將酶分成6大類，即氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、裂解酶類、異構(gòu)酶類和合成酶類，l再根據(jù)底物及被作用基團(tuán)的性質(zhì)將每一大類分為若干亞類及次亞類，每一次亞類直接包括若干個(gè)酶。l系統(tǒng)命名采用四碼編號(hào)方法，每個(gè)號(hào)碼之間用圓點(diǎn)分開。例如上述“d葡萄糖，氧1氧化還原酶”的系統(tǒng)編號(hào)為ecl.1.3.4，其中ec表示國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)(enzyme commission)；第1個(gè)號(hào)碼“1”表示該酶屬氧化還原酶類；第2個(gè)號(hào)碼“1”表示屬于氧化還原酶類中的第一亞類，該亞類所催化的反應(yīng)系在供體的choh基團(tuán)上進(jìn)行；第3個(gè)號(hào)碼“3”，表示該酶屬第一亞類中的第3小類，該小類的酶所催化的反應(yīng)是以氧為受

9、體的，第4個(gè)號(hào)碼“4”就是該酶在小類中的特定序號(hào)。四、酶活性的測(cè)定l 利用酶制劑的食品加工工藝中需要掌握酶的用量，因此一般都要對(duì)市售酶制劑的酶活性進(jìn)行測(cè)定，也就是測(cè)定在一定條件下酶催化特定化學(xué)反應(yīng)的能力。l這里所說(shuō)的一定條件是指某種酶作用的最適條件，如溫度、ph和底物濃度等。酶活性的大小是以在特定的反應(yīng)系統(tǒng)和條件下測(cè)到的反應(yīng)速度來(lái)表示的，而反應(yīng)速度可以以底物的減少或產(chǎn)物的增加來(lái)表示，反應(yīng)速度越大，意味著酶活力越高，常用的測(cè)定方法有： (一)化學(xué)法l將酶和底物反應(yīng)一定時(shí)間后，中止反應(yīng)，測(cè)定底物的減少或產(chǎn)物的增加。由于底物通常情況下是過(guò)量的，少量底物的減少難以測(cè)定，而產(chǎn)物從無(wú)到有反應(yīng)靈敏，為此以測(cè)

10、定產(chǎn)物增加的方法居多。l此外利用產(chǎn)物與其它試劑的顏色反應(yīng)，也可與分光光度法結(jié)合起來(lái)測(cè)定酶活性。例如。淀粉酶能將淀粉分子鏈的1，4葡萄糖苷鏈任意切斷成長(zhǎng)短不一的短鏈糊精，以及少量麥芽糖和葡萄糖，而使淀粉對(duì)碘呈藍(lán)紫色的特異反應(yīng)逐漸消失，以該顏色消失的速度計(jì)算酶的活性。(二)分光光度法l由于許多酶作用的底物、產(chǎn)物或它們與其它試劑反應(yīng)的化合物能吸收可見光或非可見光，所以可以用分光光度法測(cè)定酶活性。l例如葡萄糖異構(gòu)酶作用于葡萄糖使其轉(zhuǎn)變?yōu)楣牵桥c半胱氨酸咔唑試劑反應(yīng)生成物在580nm有最大吸收峰，因此可用分光光度法測(cè)定葡萄糖異構(gòu)酶活性。(三)其它測(cè)定方法l 其它方法包括用ph計(jì)跟蹤反應(yīng)過(guò)程的ph變化

11、，用氧電極檢測(cè)反應(yīng)過(guò)程中氧的消耗和氧逸出。在某些情況下，跟蹤熒光吸收，可使測(cè)定更靈敏。五、酶的來(lái)源和安全要求l (一)酶的來(lái)源l早期使用的酶取自動(dòng)物、植物或微生物的細(xì)胞或組織。例如：從動(dòng)物的胰臟中提取胰酶，從木瓜中提取木瓜蛋白酶；從黑曲霉中提取果膠酶。自從本世紀(jì)50年代起，人們把酶生產(chǎn)的重點(diǎn)放在微生物發(fā)酵的方法上。如：利用枯草桿菌發(fā)酵生產(chǎn)淀粉酶；利用綠色木霉生產(chǎn)纖維素酶等。80年代以來(lái)，人們除了利用微生物細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)酶以外，還發(fā)展了用植物、動(dòng)物細(xì)胞的離體培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)酶制劑，以滿足人們對(duì)酶的不同需求。(二)食品酶制劑的安全要求l 作為食品加工用的酶制劑，由于其中的各有關(guān)組分經(jīng)常通過(guò)各種途徑進(jìn)入人體

12、，所以其衛(wèi)生安全評(píng)價(jià)是十分重要的。為此聯(lián)合國(guó)糧食農(nóng)業(yè)組織和世界衛(wèi)生組織的食品添加劑專家聯(lián)合委員會(huì)于1977年第21屆大會(huì)上對(duì)食品酶制劑的安全要求作出了以下規(guī)定： l (1)凡從動(dòng)、植物可食部位的組織制取的，以及使用傳統(tǒng)食品加工用菌種生產(chǎn)的酶制劑可作為食品對(duì)待，不需進(jìn)行毒理試驗(yàn)，只需擬定有關(guān)它酶化學(xué)和微生物學(xué)的說(shuō)明。l (2)凡由非致病性的常見食品污染微生物生產(chǎn)的酶需作短期毒性試驗(yàn)。l (3)對(duì)于非常見微生物制取的酶，需作廣泛的毒性試驗(yàn)。六、固定化酶l 在以往的工業(yè)生產(chǎn)中使用的酶，一直都是以溶于水(即水溶性酶)的狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)。酶在整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)中與底物和產(chǎn)物混在一起，反應(yīng)結(jié)束后，即使酶仍具有較高的

13、活力，也難于回收利用，這種一次性使用酶的方式不僅成本高，而且難于連續(xù)化生產(chǎn)。l自50年代起人們開始了固定化酶的研究。所謂固定化酶是指與水不溶性載體相結(jié)合，在一定的空間范圍內(nèi)起催化作用的酶。l1953年德國(guó)科學(xué)家格魯布霍費(fèi)(grubhofer)和施萊思(schleith)采用聚氨基苯乙烯樹脂為載體，經(jīng)重氮法活化后，分別與羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶結(jié)合制成固定化酶。60年代后期，固定化酶技術(shù)迅速發(fā)展，1969年日本的千鈿一郎首次以工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模應(yīng)用固定化氨基?；?，從dl氨基酸連續(xù)生產(chǎn)l氨基酸，實(shí)現(xiàn)了酶應(yīng)用史上的一大變革。 l 固定化酶與一般水溶性酶相比，以固相狀態(tài)作用于底物，這樣不僅保留

14、了酶原有的各種優(yōu)點(diǎn)，而且反應(yīng)后酶易與反應(yīng)液分離，有利于產(chǎn)物的進(jìn)一步分離純化。l酶經(jīng)固定化后穩(wěn)定性提高，機(jī)械強(qiáng)度增加，可以用攪拌或裝柱的形式作用于底物溶液。若將酶裝成酶柱，底物溶液流經(jīng)酶柱后即可生成反應(yīng)產(chǎn)物，使得酶反應(yīng)工藝管道化、連續(xù)化及自動(dòng)化。因此固定化酶的研究成功和應(yīng)用是一項(xiàng)具有重大意義的革新。 (一)固定化的方法l酶的固定化方法很多，主要可分為吸附法、包埋法、結(jié)合法和交聯(lián)法等，如圖231。1吸附法l吸附法可分為物理吸附法和離子吸附法.l物理吸附法是利用各種固體吸附劑，如活性炭、氧化鋁、皂土、淀粉等將菌體吸附在其表面而使酶固定化。用物理吸附法制備固定化酶操作簡(jiǎn)便，條件溫和，不會(huì)引起酶變性失活

15、，但物理吸附作用結(jié)合力較弱，易于脫落，使用受到限制。l離子吸附法是將酶與含有離子交換基的水不溶性載體如deae-纖維素、deae-葡聚糖凝膠、cm-纖維素相結(jié)合。此種方法酶吸附于載體上較為牢固，在工業(yè)上用途較廣。2包埋法l 包埋法是將酶包埋于各種多孔載體中，這種載體的結(jié)構(gòu)可使底物滲入與酶接觸，但阻止酶蛋白滲出。l包埋法使用的載作主要有聚丙烯酰胺、卡拉膠、瓊脂糖和海藻酸鈉等。3共價(jià)結(jié)合法l 此法是將酶與聚合物載體進(jìn)行共價(jià)鍵合的固定化方法。該法酶與載體的結(jié)合較為牢固，酶下易脫落，但因反應(yīng)條件較為劇烈，酶活不免損失，且制備手續(xù)繁雜。4交聯(lián)法l此法是使用雙功能或多功能試劑(如戊二醛)與酶分子乏向進(jìn)行分

16、子間交 聯(lián)的固定化方法。如圖23-2所示為戊二醛的酶固定化交聯(lián)方式。l此法由于酶蛋白的功能團(tuán)，如氨基、巰基、咪唑基參與反應(yīng)，所以酶的活性中心構(gòu)象可能受到影響而使酶顯著失活。(二)固定化酶的形狀 l固定化酶根據(jù)用途的不同可制成顆粒、線條、薄膜和酶管等形狀，其中顆粒狀占絕大多數(shù)。 (三)固定化酶的性質(zhì)l酶經(jīng)固定化后由于受到載體的影響，酶的特性如酶作用的最適溫度、ph、對(duì)底物的特異性均可能會(huì)發(fā)生變化。l一般而言，固定化酶的穩(wěn)定性較水溶性酶有所增加，溫度、ph值、有機(jī)溶劑和其它外界因素對(duì)酶活力的影響減少，但固定化酶的活性較水溶性酶有所下降(個(gè)別除外)。(四)固定化酶在食品加工中的應(yīng)用l自從1969年日

17、本田邊制藥公司首次將氨基?；腹潭ɑ?，用以連續(xù)生產(chǎn)l氨基酸以來(lái)，固定化酶已廣泛地用于食品、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。l 酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是在酶作用過(guò)程中來(lái)研究酶的學(xué)問(wèn)，包括酶反應(yīng)速度規(guī)律以及各種因素對(duì)酶反應(yīng)速度的影響。研究酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于了解酶作用機(jī)制，確定最有效的反應(yīng)系統(tǒng)、反應(yīng)條件及酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)都具有重要意義。一、溶液酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)l溶液酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本關(guān)系式是酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，是我們首先要討論的問(wèn)題。l(一)單底物動(dòng)力學(xué)l單底物反應(yīng)是由一種底物參與的反應(yīng)，如：異構(gòu)酶催化的反應(yīng)、水解酶催化反應(yīng)。后者雖有水參與，但一般條件下水總是過(guò)量的。因此可以認(rèn)為其濃度是恒定的。l早在1902年，vheneri

18、在研究蔗糖酶水解蔗糖的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)隨著底物濃度增加，反應(yīng)速度上升呈雙曲線，如圖23-3所示。 l即在低底物濃度時(shí)，反應(yīng)速度與底物濃度之間成正比關(guān)系，呈現(xiàn)一級(jí)反應(yīng)類型，而在高底物濃度時(shí)，反應(yīng)速度上升很小，呈混合級(jí)反應(yīng)類型；當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾又聊撤N程度時(shí)，反應(yīng)速度達(dá)到一個(gè)極限值，呈零級(jí)反應(yīng)。對(duì)此現(xiàn)象的解釋為酶能同它的底物形成復(fù)合物，而這種復(fù)合物在分解出產(chǎn)物的同時(shí)，又再生出游離酶。l l1913年，l.michaelis和m.l.menten發(fā)展了前人的理論，對(duì)酶促反應(yīng)作了大量的定量研究，歸納出一個(gè)著名的米氏方程，后經(jīng)briggs和hadlane的進(jìn)一步修正，成為酶促反應(yīng)的基本方程，其反應(yīng)式及反應(yīng)方程如下

19、:l米氏常數(shù)的物理意義是酶反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。lkm在酶學(xué)研究中具有重要意義。不同酶的km值不同，如脲酶為25mmol/l。如果一個(gè)酶有幾種催化底物，則對(duì)每個(gè)底物各有一個(gè)特定的km值，km值越小，則酶與底物的親和力越大。(二)多底物反應(yīng)l在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程和代謝研究中，經(jīng)常會(huì)遇到兩個(gè)或更多個(gè)底物參與的反應(yīng)，為了便于對(duì)這類反應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)討論，通常將它們按反應(yīng)方式與歷程分為兩大類，即連續(xù)機(jī)制與乒乓機(jī)制。在連續(xù)機(jī)制中又包括有序和隨機(jī)兩種類型，下面以雙底物反應(yīng)系統(tǒng)為例進(jìn)行討論。l 1連續(xù)機(jī)制l (1)有序機(jī)制l在酶促反應(yīng)過(guò)程中，底物與酶的結(jié)合及產(chǎn)物的釋放有規(guī)定的次序，可表示如下：酶先

20、與底物a結(jié)合再與b結(jié)合，產(chǎn)物釋放亦有順序，先p后q。(2)隨機(jī)機(jī)制l此類反應(yīng)底物與酶結(jié)合的先后是隨機(jī)的，可以先a后b，也可先b后a，產(chǎn)物的釋放也是隨機(jī)的，可表示如下： l對(duì)于連續(xù)機(jī)制來(lái)說(shuō)，其反應(yīng)速度方程可用式（23-3）表示。式中 a、b分別為底物a和b的濃度l -分別為酶對(duì)底物a和b米氏常數(shù)，它們相當(dāng)于某底物在另一種底物無(wú)限增大條件下，使uvmax2時(shí)相應(yīng)該底物的濃度l 底物a與酶結(jié)合的解離常數(shù)bmamkk .ask2.乒乓機(jī)制l乒乓機(jī)制的特征為酶與底物a生成復(fù)合體，產(chǎn)物p的脫離在另一底物b的加入之前，底物和產(chǎn)物是交替地與酶結(jié)合或釋放。如下所示：l其動(dòng)力學(xué)方程為：l式中a、b、和vmax的含

21、義與順序機(jī)制的相同。二、固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)l 從溶液酶到固定化酶是一個(gè)很大的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變給反應(yīng)動(dòng)力學(xué)帶來(lái)的影響是復(fù)雜的。這里僅就固定化對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性態(tài)(或參數(shù))和實(shí)際反應(yīng)速度的影響做一粗淺的討論。 (一)固定化對(duì)酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響l 1構(gòu)象改變 l 構(gòu)象改變是指酶在固定化過(guò)程中發(fā)生了某種扭曲，影響了酶分子的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致了酶與底物結(jié)合能力或酶催化底物轉(zhuǎn)化能力的改變，見圖238(b)。2屏蔽效應(yīng)l酶經(jīng)固定化后，由于載體的存在，干擾與影響了酶與底物或其它效應(yīng)物的結(jié)合，見圖23-8（c）3微擾效應(yīng)l由于載體的疏水、親水及電荷性質(zhì)，使得緊鄰固定化酶的環(huán)境區(qū)域通常稱為微環(huán)境發(fā)生變化而與宏觀反

22、應(yīng)體系不同(見圖23-9)，從而使酶的催化能力及酶對(duì)效應(yīng)物作出調(diào)節(jié)反應(yīng)的能力發(fā)生改變。 4分配效應(yīng) l由于底物和其它各種效應(yīng)物(包括h+與oh-)在微環(huán)境與宏觀體系間的不等分布，使得酶反應(yīng)速度發(fā)生變化。 5擴(kuò)散效應(yīng)l擴(kuò)散效應(yīng)是指底物、產(chǎn)物和其它效應(yīng)物在酶的微環(huán)境區(qū)與宏觀體系之間遷移速度的一種限制，它的直接結(jié)果也是使上述物質(zhì)在這些區(qū)域分布不等。擴(kuò)散限制與底物、產(chǎn)物和其它效應(yīng)物的分子量大小、載體的結(jié)構(gòu)以及酶反應(yīng)的性質(zhì)有關(guān)。l上述這些效應(yīng)通?？偸窍嗷ソ徊妗⑾嗷リP(guān)聯(lián)地存在著，它們綜合在一起決定著固定化酶的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，見表232。 l 其中素質(zhì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)是指溶液酶或固定化酶本身固有的特征動(dòng)力學(xué)參數(shù)。固定

23、化酶相對(duì)溶液酶而言，增加了固定化對(duì)酶造成構(gòu)象改變、屏蔽效應(yīng)及微擾效應(yīng)所產(chǎn)生的影響。在上述基礎(chǔ)上，考慮到分配效應(yīng)及擴(kuò)散效應(yīng)的影響，便得到實(shí)效動(dòng)力學(xué)參數(shù)，它具有更為普遍和實(shí)際的意義，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以測(cè)定。 (二)固定化對(duì)實(shí)際反應(yīng)速度的影響l酶經(jīng)固定化后，由于上述因素的影響，其實(shí)際反應(yīng)速度vp，往往要比理論上預(yù)期的反應(yīng)速度低，通常用有效系數(shù)來(lái)定量表示載體內(nèi)部反應(yīng)的有效程度,。lvp表示單位體積固定化酶的實(shí)際反應(yīng)速度，vs表示當(dāng)載體內(nèi)部濃度等于溶液中濃度時(shí)，單位體積固定化酶的理論預(yù)期反應(yīng)速度，通常情況下095%。l 3糖液精制l 采用硅藻土預(yù)涂轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)連續(xù)過(guò)濾，清除糖化液中非可溶性的雜質(zhì)及膠狀物。隨后

24、用活性炭脫色，離子交換除盡糖液中的雜質(zhì)，使糖液的純度達(dá)到電導(dǎo)率50mscm，真空蒸發(fā)濃縮至40%45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。l 4異構(gòu)化l (1)葡萄糖異構(gòu)酶柱及連續(xù)異構(gòu)化裝置 l 酶柱式連續(xù)異構(gòu)化反應(yīng)是將固定化酶裝于直立保溫反應(yīng)塔中，葡萄糖漿由柱頂進(jìn)料，流經(jīng)酶柱，發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)，由柱底部出料，連續(xù)操作。連續(xù)異構(gòu)化反應(yīng)速度快，時(shí)間短，副反應(yīng)程度低，精制容易，不需要添加鈷離子，鎂離子濃度也可降低。l（2)異構(gòu)化出柱糖漿的指標(biāo) lph7.0；l異構(gòu)糖果糖含量42% l果葡糖漿的糖分組成列于表1021。l異構(gòu)酶柱的進(jìn)料為全酶法所得的淀粉糖化液，含葡萄糖95(干基)以上，其余為低聚糖，精制后的質(zhì)量保持越高越好

25、，如表1023所示。工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用條件一般為濃度40(干基)，60，ph7.5。表中所列果糖含量在5以下，系來(lái)自色譜分離柱回流的葡萄糖液，其中的葡萄糖經(jīng)異構(gòu)化成果糖，但原來(lái)存在的果糖卻對(duì)酶的異構(gòu)化催化反應(yīng)速度有降低影響，所以其量應(yīng)是越低越好。l由異構(gòu)酶桶卸出的f42糖漿經(jīng)用活性炭和樹脂精制，濃縮到71濃度為成品，因?yàn)檫@種產(chǎn)品含葡萄糖較多，需要在3540存放，以防止葡萄糖晶粒析出。若萬(wàn)一有葡萄糖結(jié)晶，加熱即能回溶。l自上述流程圖不難看出，該流程的前段實(shí)際為酶法葡萄糖的生產(chǎn)，將得到的葡萄糖經(jīng)分離純化制成濃度為4245(ww)的精制葡萄糖液，其中加入mgs04.7h2o用作異構(gòu)化酶的激活劑，調(diào)節(jié)ph值

26、(不同來(lái)源的葡萄糖異構(gòu)酶的最適ph有所差別)，然后在異構(gòu)化酶柱中進(jìn)行異構(gòu)化反應(yīng)。l酶柱的結(jié)構(gòu)與徑高比一般根據(jù)固定化葡萄糖異構(gòu)酶的單位體積活性和機(jī)械強(qiáng)度等參數(shù)設(shè)計(jì)的，通常的徑高比為1：2.53.0。工業(yè)上常常將單柱4個(gè)串聯(lián)或以3個(gè)串聯(lián)為一組，兩組再并聯(lián)，目的為了使生產(chǎn)平衡。2、f-90型果葡糖、f-55型果葡糖的生產(chǎn)工藝lf-90型產(chǎn)品是將f-42型果葡糖漿經(jīng)層析分離得到的，將其與f-42型精制糖液按比例混合則得到f-55型產(chǎn)品，見圖2316。二、酶法果汁加工l各種水果中含有多種糖類、有機(jī)酸、維生素等營(yíng)養(yǎng)成分。它們除了作為新鮮水果食用外，還大量被加工成果汁、果酒和水果罐頭等。但將它們加工為成品的

27、過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。例如各種水果都不同程度含有一定數(shù)量的果膠質(zhì)，在加工過(guò)程中果膠質(zhì)進(jìn)入果汁和果酒，給過(guò)濾和澄清帶來(lái)困難。再如柑桔中含有苦味物質(zhì)，影響柑桔罐頭的品質(zhì)和口味。 l果膠是高等植物細(xì)胞間質(zhì)和細(xì)胞初生壁中的結(jié)構(gòu)性多糖類，是各種水果和蔬菜的結(jié)構(gòu)成分之一。在加工過(guò)程中，果汁內(nèi)所含的一定量果膠質(zhì)會(huì)導(dǎo)致壓榨汁不易澄清和過(guò)濾。l解決這些問(wèn)題的方法之一是在加工過(guò)程中使用酶制劑(主要是果膠酶)，以提高果汁、果酒和水果罐頭等產(chǎn)品的加工質(zhì)量，其中果汁澄清是商品果膠酶應(yīng)用的最大市場(chǎng)。l采用果膠酶在適宜條件下處理果汁能使不溶性果膠質(zhì)溶解，使可溶性果膠質(zhì)粘度下降，從而使懸浮粒子絮凝，果汁獲得澄清，易于過(guò)濾，

28、生產(chǎn)出穩(wěn)定的果汁產(chǎn)品。圖2318所示為蘋果汁酶法加工流程圖。l酶法果汁、果酒澄清 l 用于加工果汁和果酒的各種原料中都含有數(shù)量不等的果膠物質(zhì)。這些果膠物質(zhì)隨著水果的加工而進(jìn)入果汁和果酒中，給果汁和果酒的過(guò)濾和澄清帶來(lái)困難。為此，在果汁中加入一些果膠酶制劑，有利于澄清。l所用果膠酶一般均為混合果膠酶。對(duì)于蘋果汁大約在ph3.5，加入酶制劑的量為0.025，加明膠量為0.005，作用溫度3040，則果汁澄清所需時(shí)間為3060min。l一般柑橘汁的ph在2.83.2，比果膠酶作用的最適ph稍低，在延長(zhǎng)作用時(shí)間的情況下，仍可使用果膠酶澄清。添加一些半纖維素酶可以加強(qiáng)柑橘汁的澄清效果。三、蛋白酶在食品工

29、業(yè)中的應(yīng)用l蛋白質(zhì)是人體必需的營(yíng)養(yǎng)成分之一，由于大豆蛋白質(zhì)的氨基酸組成比較完全，且具有降低膽固醇的作用，所以是優(yōu)質(zhì)的食用蛋白質(zhì)，又由于它具有很好的乳化性、發(fā)泡性和黏結(jié)性等功能特性，成為食品加工中的重要原料。l然而，大豆蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，80%的蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量在10萬(wàn)以上，大多數(shù)分子的內(nèi)部呈反行-helix非有序結(jié)構(gòu)，并且分子高度壓縮、折疊，大豆球蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)、四級(jí)結(jié)構(gòu) (特別是二硫鍵使其亞基牢固結(jié)合)的高度結(jié)構(gòu)化形成了立體規(guī)則實(shí)體，正是這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得大豆蛋白質(zhì)的消化率和生物效價(jià)遠(yuǎn)不及牛奶、雞蛋等動(dòng)物性蛋白質(zhì)。 l另外，大豆蛋白質(zhì)的某些功能特性也不能滿足食品加工的需要，尤其是

30、在低ph值時(shí)溶解性不好、高濃度時(shí)黏度大的特點(diǎn)，對(duì)于某些食品，特別是流體食品的加工來(lái)說(shuō)，是非常不利的。l為了進(jìn)一步提高大豆蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)功能，并改善其加工特性，充分發(fā)揮大豆蛋白質(zhì)在維系人體健康方面的重要作用，提高大豆產(chǎn)品的附加值，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們對(duì)大豆蛋白質(zhì)的水解進(jìn)行了不斷的深入研究，對(duì)其水解產(chǎn)物大豆肽的研究開發(fā)一直是一個(gè)重要的研究課題，大豆肽即是大豆蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)控制性的水解、精制以后得到的一類活性肽。l 研究發(fā)現(xiàn)，大豆多肽的必需氨基酸組成與大豆蛋白質(zhì)完全一樣，含量平衡且豐富，而且多肽化合物更容易被人體消化吸收，尤其是某些低分子的肽類，還同時(shí)具有防病、治病、調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能的功效，這些功

31、效是原大豆蛋白質(zhì)及其所組成的氨基酸所不具備的，因此可以說(shuō)，大豆多肽克服了大豆蛋白質(zhì)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上的弱點(diǎn)，具有比大豆蛋白質(zhì)更豐富的營(yíng)養(yǎng)和功能特性，是大豆蛋白質(zhì)的最佳營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。1.大豆多肽的理化性質(zhì)l 1） 溶解性 l 大豆肽比大豆蛋白質(zhì)作為食品原料的更合適性在于它的高濃度時(shí)的低黏度和高溶解度。l大豆蛋白質(zhì)在酸性條件下會(huì)發(fā)生凝固沉淀，特別是在ph4.5左右蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)附近時(shí)，10%濃度的大豆蛋白質(zhì)溶液經(jīng)加熱就會(huì)凝固產(chǎn)生凝膠化現(xiàn)象。l而精制的大豆肽能夠在大豆蛋白的等電點(diǎn)ph4.5附近保持良好的溶解狀態(tài)(如圖3-4-3)，成為透明的溶液，并且不受ph的變化和加熱的影響，具有很好的熱、酸穩(wěn)定性。l很多酸性

32、飲料的ph正好處于ph45之間，因此就無(wú)法添加大豆蛋白質(zhì)來(lái)予以營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化。精制的大豆肽能夠在大豆蛋白的等電點(diǎn)ph4.5附近保持良好的溶解狀態(tài)。這為開發(fā)酸性大豆蛋白飲料及其它富含蛋白質(zhì)的酸性食品創(chuàng)造了條件。2） 黏度l大豆蛋白質(zhì)水解以后，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，因而膨脹性減少、黏度下降。大豆蛋白質(zhì)的黏度是隨著濃度的增加而增加，而大豆肽即使在很高的濃度狀態(tài)下，仍可以保持較低的黏度。其黏度隨濃度的變化如圖3-4-4所示。l圖3-4-4表明，大豆蛋白質(zhì)的濃度在0%10%之間變化時(shí)，黏度變化較為平緩，但是，當(dāng)濃度提高到40%以后，黏度直線上升，而30%大豆肽的黏度才與10%大豆蛋白的黏度相當(dāng)。l實(shí)驗(yàn)表明，大豆蛋白

33、質(zhì)的濃度在13%以上時(shí)，蛋白質(zhì)溶液就失去了流動(dòng)性，濃度在15%時(shí)黏度就高達(dá)9pas，很難繼續(xù)將其濃縮；l而采用酶法制取的大豆多肽溶液，當(dāng)濃度達(dá)到65%時(shí)，黏度只有2.2pas，仍具有較好的流動(dòng)性。l大豆肽在高濃度時(shí)具有低黏度的特性，特別適合應(yīng)用在需要高蛋白質(zhì)含量而又無(wú)法添加大豆蛋白質(zhì)的流體食品中，既可以作為食品中氮源的良好補(bǔ)充，又不會(huì)影響食品的流體性質(zhì)。 3） 改善蛋白質(zhì)的起泡性l大豆肽在一定程度上可以增大大豆蛋白質(zhì)的起泡性，發(fā)泡能力可以達(dá)到普通蛋白質(zhì)的4倍。l研究表明，大豆蛋白質(zhì)的水解度不同，其發(fā)泡性也不同，水解過(guò)度對(duì)起泡性反而不利。圖3-4-8是大豆蛋白質(zhì)的水解度與發(fā)泡性的關(guān)系。4） 提高乳化能力l蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定的油/水乳狀液是食品蛋白質(zhì)最有用的功能性質(zhì)。圖3-4-9指出了大豆蛋白質(zhì)的乳化能力隨水解度增加而提高，在水解度5%是達(dá)到最高值，這也說(shuō)明控制水解過(guò)程的重要性。2.大豆多肽的生產(chǎn)l大豆多肽的生產(chǎn)主要是將大豆蛋白質(zhì)進(jìn)行控制性的水解，再分離精制而成。l對(duì)蛋白質(zhì)的水解，一般有兩種方法，即酸水解和酶水解。酸水解操作簡(jiǎn)單、成本較低，但是對(duì)設(shè)備的材料要求高，并且在生產(chǎn)中不能按規(guī)定的水解程度進(jìn)行水解，同時(shí)水解產(chǎn)物雜，可能導(dǎo)致氨基酸受到一定程度上的破壞而降低產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。 l與酸水解相比，酶水解則是在比較溫和的條