酶工程与食品产业

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章 酶工程与食品产业,第一节 酶工程概述,第二节 酶的生产与分离纯化,第三节 固定化酶,第四节 酶反应器和酶传感器,第五节 酶工程在食品工业上的应用,1酶由生物体产生,2酶与生命活动密切相关,3酶主要是蛋白质,酶的概念,：,酶主要是活细胞产生的具有催化作用的蛋白质,1酶由生物体产生1,1酶由生物体产生2,2酶与生命活动密切相关,所有生命活动或过程都需要酶的参与,（1）执行具体生理机能,（2）降解大分子,（3）协同激素起信号转化、传递、放大作用,（4）催化代谢反应,酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础,在生物进化过程中形成了从酶的合成到酶的结构和活性各种水平的调节机构。,3酶主要是蛋白质,1）相对分子质量大,2）由氨基酸组成,3）为两性电解质,4）具有胶体物质的一系列特性,5）引起蛋白质变性的物理及化学因素，同样,也能使酶失活,6）受蛋白水解酶作用而丧失活性,酶有以下性质与蛋白质极为相似,酶的催化特性,1、与一般催化剂的共性,2、作为生物催化剂的特性,1、与一般催化剂的共性,（1）用量少；效率高；反应前后质和量不变,（2）加速化学反应的速度，不改变反应的平衡,点,(3),不,能够触发热力学上不能进行的反应。,（4）催化可逆反应的酶对正反应、逆反应都有催化作用,（5）降低反应的活化能。,（一）,高度的催化效率,（二）高度的特异性,（三）,可调节性,2、,作为生物催化剂的特性,酶活性部位和必需基团,活性中心（活性部位）,必需基团：,活性部位,活性中心,为什么酶蛋白具有催化活性而非酶蛋白无催化活性？,酶,的活性中心,必需基团(essential group),酶的活性中心(active center)/或,活性部位(active site）,活性中心内的必需基团,活性中心外的必需基团,结合基团,催化基团,几个名词：,结合基团：,与底物结合的必需基团,催化基团：,直接参与催化反应的必需基团,必需基团分为两类,第一节 酶工程概述,一、酶工程的概念,酶工程:,酶的大批量生产以及利用酶的催化作用,借助工程技术手段进行物质转化,生产人们所需要产品的技术。,酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程的关系,二、酶工程的内容,根据酶工程研究和解决问题的手段不同，将酶工程分为,化学酶工程和生物酶工程,。,（一）化学酶工程,亦称初级酶工程，,指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用。,（二）生物酶工程,生物酶工程主要包括三个方面：,一,是用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)，,二是修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶)，,三是设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶(新酶),当前酶工程的主要任务是：,研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚合的酶、检测用酶、能分解有毒物质的酶及废物综合利用酶。,利用基因工程技术开发新酶品种和提高酶产量。,固定化酶和细胞、固定化多酶体系及辅因子再生体系，特定生物反应的研究和应用。,用微生物和动植物组织研究生物传感器。,非水系统的反应技术，酶分子的修饰与改造以及酶型高效催化剂的人工合成研究。,第二节 食品酶的生产与分离纯化,一、酶的生产,获得酶制剂的方法有:,化学合成,从生物体内直接提取分离,目前酶的生产主要以微生物为原料。,（一）对酶生产菌的要求,1、不能是致病菌。,可用于食品的有枯草芽孢杆菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵母等,2、不易退化，不易感染噬菌体。,3、产酶量高，而且最好产生胞外酶。,4、能利用廉价的原料，发酵周期短，易培养。,生产菌种的获得,:除了从菌种保存机构和有关部门获得外，一般都有要通过筛选得到。,筛选包括：菌样采集、菌种分离、纯化和生产性能检定。,例如：纤维素酶是一种复合酶，,包括,葡萄糖内切酶（EG) :,作用于纤维素分子内部的非结晶区,随机水解,-1,4糖苷键,产生小分子纤维素.,葡萄糖外切酶（纤维二糖水解酶，CBH）:作用于,纤维素分子末端,水解,-1,4糖苷键,每次切下一个纤维二糖分子.,-葡萄糖苷酶（BG）:,水解纤维二糖和小分子纤维素,生产葡萄糖.,生产纤维素酶的主要菌种有:,细菌:纤维素酶产量低,为胞内酶或吸附在细胞壁上,提取纯化困难。研究较多的为纤维素黏菌属、生孢纤维素黏菌属、纤维粘杆菌属。,霉菌,：目前,生产纤维素酶的微生物大多为霉菌。研究较多的为木霉属、曲霉属、根霉属、漆斑霉属，,纤维素酶产量高。,纤维素酶的提取分离方法,有分级沉淀、电泳法、层析法、凝胶过滤法、离子交换法、等电点聚焦法等,纤维素酶在食品工业中的应用,果汁生产,促进果汁的提取澄清，提高可溶性固形物含量，促进果皮渣综合利用。如柑橘皮经纤维素酶解,香料生产,用纤维素酶处理后再提取可提高香料的产量。,果蔬生产,种子蛋白利用：用于大豆脱皮,速溶茶的生产,可发酵糖的生产,琼脂生产,酱油酿造,酒精酿造,淀粉酶,是水解淀粉的酶类，包括,-淀粉酶、-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、异淀粉酶,-淀粉酶：,随机水解淀粉分子内部的,-1,4糖苷键,不能水解-1,6糖苷键.水解产物为分子量不等糊精、少量低聚糖、麦芽糖、葡萄糖.,生产菌种:主要来自于,细菌,（枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌，尤其是耐热的,-淀粉酶）和,曲霉,。,-淀粉酶:,从淀粉分子的非还原端水解,-1，4糖苷键，,依次切下一个麦芽糖.不能水解,-1，6糖苷键,水解产物糊精和麦芽糖.,生产菌种:主要为,芽孢杆菌、假单孢菌、放线菌,等。,葡萄糖淀粉酶:,从淀粉分子的非还原端水解,-1，4糖苷键，,依次切下一个葡萄糖,也能水解,-1，6糖苷键.,生产菌种:主要为,黑曲霉,，水解产物,葡萄糖,异淀粉酶:,水解支链淀粉的分支点的,-1，6糖苷键.,生产菌种:主要为,假单孢菌,，水解淀粉的,-1，6糖苷键，与,-淀粉酶一起使用制造麦芽糖。,淀粉酶在食品工业上的应用,果葡糖浆的生产,是一种果糖和葡萄糖为主要成分的混合糖浆。,生产工艺：,淀粉,-淀粉酶,液化型淀粉,葡萄糖淀粉酶,糖化,葡萄糖异构酶,混合糖浆,超高麦芽糖浆的生产,工艺流程：,淀粉,-淀粉酶,液化型淀粉,-淀粉酶和异淀粉酶,糖化,脱色,超高麦芽糖浆,超高麦芽糖浆,:麦芽糖含量达75%-85%以上的麦芽糖浆,（,二）发酵方法与发酵条件,用于酶生产的发酵方法有：,1、固体发酵法,即以麸皮、米糠等为基本原料，加无机盐和适量水分(通常50左右)进行的一种微生物培养法。,用青霉、曲霉生产果胶酶；用木霉生产纤维素酶,2、,液体发酵法,利用合成的液体培养基在发酵罐内进行搅拌通气培养，目前主要的方式,。,（1）间歇发酵法,：,特点：,先在适于菌体生长条件下培养，然后再转入产酶条件下进行发酵。产酶量高，同时营养物质与诱导物浪费少。,（2）连续发酵法,：,特点：,先将菌体培养至某一生长期如对数期，然后一面连续加入新鲜培养液，另外又不断地以相同速度放出培养产物，二者的速度还应和生长速,度一致,，,使菌体生长处于恒态条件，同时还可能打破酶合成的反馈阻遏，使产酶率提高。,发酵条件既要有利菌体生长繁殖，又不影响酶的形成。,影响发酵的条件：,首先，培养基组成，,其次，通风量、培养温度等因素,（三）提高酶产量的方法,在正常情况下，酶产量受其合成调节机制的调控，因此要提高酶产量就必须,打破这种调控机制。,酶合成调节控制能保证机体最经济有效地将体内原料和能量用于合成生命活动最需要的物质，但是人们为了需要使某些酶大量合成就必须打破这种调节机构。,1、通过条件控制提高酶产量,(1)添加诱导物:,这种方法只适应于诱导酶的合成。其关键在于选择适宜的诱导物及其浓度。,诱导物：,一是酶的作用底物，但有些底物并不一定是诱导物；,二是一些难以代谢的底物类似物。,三是诱导物的前体物质。,此外,对于参加分解代谢的胞外酶，它们的产物也往往行诱导作用，如纤维二糖诱导纤维素酶。,(,2)降低阻遏物浓度:,对于受分解代谢产物阻遏的酶，常采用直接限制碳源或相应的生长因子供应。,对于合成代谢的酶解决尾产物阻遏的方法,在培养基中添加尾产物类似物或尾产物形成的抑制剂,采用营养缺陷型菌株，限制其必须生长因子的供应,阻遏有两种：分解代谢产物阻遏、尾产物阻遏,分解代谢产物阻遏：当细胞在容易利用的碳源（葡萄糖）上生长时，有些酶特别是参与代谢的酶类的合成受阻。,尾产物阻遏：有些酶当它们的作用产物积累到一定浓度，并满足集体需要后，其合成就受阻。,2、通过基因突变提高酶产量,根据酶合成的调节机构，要使酶产量因基因突变而提高，有两种可能：,一是使诱导型变成组成型：即获得的突变株在没有诱导物存在的条件下酶产量达诱导的水平；,二是使阻遏型变为去阻遏型：即获得的突变株在引起阻遏的条件下，酶产量达到无阻遏的水平。,方法,：,物理：紫外线、X-射线,化学：5-溴代尿嘧啶、亚硝酸等,基因突变,？,基因重组？,3、其他提高酶产量的方法,(1)添加表面活性剂：,人们发现许多表面活性剂能提高酶的产量，特别有利于霉菌胞外酶的生产，而且它们对菌和酶没有专一性，通常用的是非离子型表面活性剂如Tween80、TritomX-100等。,目前认为，表面活性剂可能是提高了细胞膜的透性，有助于打破细胞内酶合成的“反馈平衡”。,(2)其他产酶促进剂：,有时添加其他一些物质也能提高酶的产量。如枯青霉培养基中添加植酸钙镁，可使5-P-二酯酶产量增加10-20倍。,(3)通过基因重组提高酶的产量,：,分离纯化酶时应注意的问题,防止酶变性失活,提高酶的纯度,检测酶的活性,二、酶的分离纯化,酶的分离纯化包括三个基本的环节：,抽提：即把酶从材料转入溶剂中制成酶溶液；,纯化：即把杂质从酶溶液中除掉或从酶溶液中把酶分离出来；,制剂：即将酶制成各种剂型。,第四节 固定化酶,从20世纪60年代起，固定化酶研究的发展很快。初期，人们集中于各种制备方法的研究，近年，人们的注意力已开始转向固定化酶和固定化细胞在工业、医学、化学分析、亲和层析和环境保护、能源开发以及理论研究等方面的应用研究。,固定化酶：,指经过一定改造后被限制在一定的空间内，能模拟体内酶的作用方式，并可反复连续地进行有效催化反应的酶。固定化酶又称固相酶。,固定化技术：,是通过化学或物理等手段将酶分子束缚起来供重复使用的技术,固定化酶与水溶性酶相比，具有的优点：,（1）极易将底物、产物分开；,（2）可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应；,（3）在大多数情况下，可以提高酶的稳定性；,（4）酶反应过程可以加以严格控制；,（5）产物中没有酶的残留，简化了工业设备；,（6）较水溶性酶更适合于多酶反应；,（7）可以增加产物的得率，提高产物的质量；,（8）酶使用效率提高，成本降低。,固定化酶在使用中存在如下的缺点：,（1）固定化时，酶活力有损失；,（2）增加了固定化的成本，投资大；,（3）只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；,（4） 与完整菌体比，不适于多酶反应，特别是需要辅因子的反应；,（5）胞内酶必须经过酶的分离。,一、酶的固定方法,酶,的固定方法有四种：,吸附法,共价键结合法,交联法,包埋法,（一）吸附法,吸附法分为物理吸附法和离子吸附法。,1、物理吸附法,通过氢键等物理作用，将酶固定在水不溶载体上的方法。,常用的载体,无机吸附剂：如高岭土、硅藻土、硅胶、磷酸钙胶、微孔玻璃等。无机吸附剂吸附容量低，一般小于1mg蛋白/g吸附剂，还易发生解吸。,有机吸附剂：如纤维素、骨胶原、赛璐玢、火棉胶等。吸附容量可达70mg蛋白/cm,2,膜。,物理吸附法制成的固定化酶，酶活力损失少，但酶易脱落，实用价值小。,2、离子吸附法,将酶同含有离子交换基的水不溶性载体相结合。,操作简便,处理条件温和，可以得到较多高活性的固定化酶,常用载体：,阴离子交换剂：DEAE(二乙氨基乙基)-纤维素、ECTEOLA-(混合氨类)-纤维素、TEAE(四乙氨基乙基)- 纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等；,阳离子交换剂：CM-纤维素、纤维素-柠檬酸,（二）包埋法,将聚合物单体和酶溶液混合，再借助于聚合促进剂(包括交联剂)的作用进行聚合，使酶包埋于聚合物中以达到固定化。,此法由于酶分子仅仅是被包埋，故酶活力高，但此法对作用于大分子底物不适宜。,1、聚丙烯酰胺凝胶包埋法,2、辐射包埋法,3、卡拉胶包埋法,4、大豆蛋白质包埋法,5、微胶囊法,（三）共价结合法,酶蛋白分子上官能团和载体上的反应基团通过化学价键形成不可逆的连接的方法,1、酶与载体共价结合的功能基团,氨基：(Lys的-NH,2,和肽链-N端的-NH,2,)；,羧基：Asp的-羧基、Glu的-羧基和C端的-羧基；,酚基、Tyr的酚环；,巯基：Cys的巯基；,羟基：Ser、Thr、Tyr的羟基；,咪唑基：His的咪唑基；,吲哚基：Try的吲哚基。,常用的载体包括天然高分子（纤维素、琼脂糖、葡萄糖凝胶、胶原及其衍生物），合成高分子(聚酰胺、聚丙烯酰胺、乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物等)和无机支持物（多孔玻璃、金属氧化物等）。,共价结合法制备的固定化酶,酶和载体的连接键结合牢固,使用寿命长，但制备过程中酶直接参与化学反应，常常引起酶蛋白质的结构发生变化，导致酶活力的下降，,往往需要严格控制操作条件才能获得活力较高的固定化酶。,2、载体,直接关系到固定化酶的性质和形成,一般亲水性载体在蛋白的结合量、固定化酶的活力和稳定性上都优于疏水载体；,载体需要结构疏松、表面积大，有一定的机械强度；,带有在温和的条件下可与酶共价结合的功能基团；,最好没有或很少专一性吸附；,同时载体应便宜易得，并能反复使用。一般载体必须先活化。,3、偶联反应,选择什么偶联反应取决于载体的功能基团和酶分子上的非必需基团。,(1)重氮化反应：,（2）异硫氰酸酯反应,（3）溴化氢-氨碳酸基反应,等,（四）交联法,利用双/多功能试剂在酶分子间或酶与载体间，或酶与惰性蛋白间进行交联反应，以制备固定化酶。,交联剂：,戊二醛、,苯基二异硫氰酸酯、双重N联苯胺-2，2，-二磺酸；甲异氰-4-异硫氰等,交联反应可以发生在酶分子之间，也可以发生在酶分子内部。,酶浓度低发生在酶分子内部，酶浓度高时分子间交联比例上升形成固定化酶后往往为不溶态。,二、固定化酶的性质,（一）固定化对酶反应系统的影响,1、构象改变和立体屏蔽效应,构象改变：指酶在固定化过程中，酶与载体的相互作用引起酶活性中心的构象发生变化，从而导致酶活性下降。这种效应，通常出现于,吸附法和共价偶联法,。,立体屏蔽效应：由于载体的空间大小，或是由于固定方法与位置的不同，对酶的活性中心造成空间障碍，底物与酶无法接触，从而影响酶活性。,2、微环境影响,微环境：指紧邻固定化酶的环境区域。,由于载体的亲水、疏水性质和介质的介电常数等直接影响酶的催化效率。通常可以通过改变载体与介质的性质进行调节。,3、分配效应与扩散效应,这些效应与微环境密切相关。,(1)分配效应：由于固定化载体的亲水和疏水性质使酶的底物、产物等在微环境与宏观体系间发生了不等分配，改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响了反应速度。,(2)扩散限制效应：指底物、产物等的迁移和运转速度受到限制的一种效应。,（二）固定化对酶稳定性的影响,大多数酶在固定化以后，有较高的稳定性和较长的有效寿命。,其原因是：,固定化增加了酶结构的牢固性程度；,阻挡了不利因素对酶的侵袭；,限制了酶分子的相互作用。,1、增加热稳定性,2、增强对变剂性、抑制剂的抵抗能力,3、固定化减轻蛋白酶的破坏作用,4、半衰期延长,第五节 酶反应器和酶传感器,一、酶反应器,酶反应器：利用游离酶、或固定化酶将底物转化成产物的,装置,。,酶反应器类型：,根据使用对象的不同，可以分为,游离酶反应器,固定化酶反应器。,（一）固定化酶反应器的类型,1、间歇式搅拌罐,2、连续式搅拌罐,3、固定床反应器,（填充床反应器）,4、 流化床反应器,5、 膜型反应器,连续式搅拌罐,间歇式搅拌罐,固定床反应器,固定床反应器,流化床反应器,特点：,酶的底物一次性加入反应器，而产物一次性取出，反应完成，将固定化酶滤出，再转入下一批反应。,优点,：反应器结构简单，造价较低；由于搅拌使内容物混合均匀；反应温度和pH值易于控制；传质阻力小，反应能迅速达到稳态；能处理难溶底物或胶状底物，适用于受底物抑制的酶反应。,缺点：,反应效率较低，容易造成酶失活，游离酶不能回收，操作麻烦，不适用于大规模工业生产。,1、,间歇式搅拌罐,2、连续式搅拌罐,特点,：向反应器投入固化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速补充新鲜底物溶液，以相同流速输出反应液。,优点：该反应器具有与,间歇式搅拌罐,同样的优点。此外，不需要将固定化酶滤出，因而操作较简便。,缺点：反应效率较低，,容易造成酶失活,3、固定床反应器,特点：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的固定床。底物溶液以一定的方向和流速不断地流进固定床，产物从固定床出口不断地流出来。,优点：反应效率较高；可以减少产物对酶的抑制作用；结构简单，容易操作，适用于大规模工业生产。,缺点：传质系数和传热系数较低；,柱床不易堵塞；,底物溶液必须在加压下才能流入柱床内；更换固定化酶较麻烦。,4、流化床反应器,特点：底物溶液以较大的流速，从反应器底部向上流过固定化酶柱床，从而使固定化酶颗粒始终处于流化(浮动)状态。,优点：使反应液混合比较充分，进而使传质、传热情况良好；对温度和pH值的调控及气体的供给都比较容易；柱床不易堵塞,缺点：需要保持较大的流速，运转成本较高；固定化酶处于流动状态，易使酶颗粒磨损；流化床的空隙体积大，使酶浓度不高；底物溶液高速流动，使固定化酶冲出反应器外，从而降低了产物转化率。,5、膜型反应器,特点：由膜状或板状的固定化酶所组装的反应器，均称膜型反应器。,类型：,螺旋卷膜式反应器；,中空纤维膜式反应器；超滤膜酶反应器,酶反应器设计的主要目标：产品的质量和产量最高，生产成本最低,评价酶反应器优劣的条件：生产能力大小；产品质量高低,二、酶传感器,酶传感器:,以固定化酶作为感受器，以基础电极作为换能器的生物传感器。,酶传感器的类型:,根据感受器与基础电极结合方式的不同，将酶传感器分为：,电极密接型,液流系统型,电极密接型,液流系统型,电极密接型：直接在基础电极的敏感面上安装固定化酶膜，从而构成酶电极。,液流系统型：将固定化酶填充在反应柱内，底物溶液流经反应柱时，发生酶促反应，产生生化信号再流经基础电极敏感面，此时，生化信号转换成电信号。,（一）酶传感器的工作原理,：,把酶电极插入待测溶液中，此时固定化酶专一地催化混合物中目的物质发生化学反应，产生某种离子或气体等电极活性物质(生化信号)，再由基础电极给出混合物溶液中目的物质的浓度数据。,（二）酶传感器的性能指标,稳定性：酶电极的稳定性可以用使用时间和使用次数来表示。,响应特性：从酶电极插入被测试样到获得稳定测定值的电信号所需要的时间，称为响应时间。,恢复时间：酶电极在完成第一个样品测定之后，不能立即作第二个样品测定，需要有一个恢复时间。,测量范围：测量范围是指酶电极电位对目的物质浓度存在线性关系的底物浓度范围。,测定中的干扰,（三）酶传感器的应用,酶电极具有测试专一、灵敏、快速、简便、准确的优点，并且，稳定性较好，可以使用几十次到几百次。因此，它已广泛地应用于发酵过程、临床诊断、化学分析，以及环境监测等各个方面。,用于测定许多物质的含量：葡萄糖、尿素、尿酸、乳酸、乙酸、赖氨酸、乙醇、胆碱、乳糖、果糖、蔗糖、过氧化氢等物质。,第六节酶工程在食品工业中的应用,一、改进啤酒生产工艺，提高啤酒质量,原理,：,以大麦、水为主要原料，以大米或其他未发芽的谷物、酒花为辅助原料。大麦经过发芽产生多种水解酶类制成麦芽，麦芽和未发芽的谷物原料再经过糖化，借助麦芽本身多种水解酶类将淀粉、蛋白质等大分子物质分解为可溶性糖类、糊精以及氨基酸、肽等低分子物质制成麦芽汁，麦芽汁通过酵母菌的发酵作用生成酒精和CO,2,，以及多种营养和风味物质，最后经过过滤、包装、杀菌等工艺制成CO,2,含量丰富、酒精含量仅3-6、富含多种营养成分、酒花芳香、苦味爽口的饮料酒即成品啤酒。,工艺过程：,大麦清选分级浸渍发芽干燥麦芽及辅料粉碎糖化过滤麦汁煮沸麦汁沉淀麦汁冷却接种酵母繁殖主发酵后发酵过滤包装杀菌贴标成品。,酒花：,是桑科蔓延性植物的雌花，经干燥后备用。因含有律草酮、蛇麻酮、单宁等，所以不仅给啤酒以特有的芳香味和爽快的苦味，而且还有澄清和防腐作用,。,传统的啤酒生产主要依靠麦芽中的、-淀粉酶的水解作用，生成麦芽糖，进而发酵过滤等，又称全麦啤酒。传统的生产过程缓慢，效率低，难以适应现代化的要求，正逐步向外加酶制剂的方向发展。,20世纪80年代以后，耐高温淀粉酶在我国广泛推广，外加酶的范围不断扩大，已从糊化锅、糖化锅发展到前发酵、后发酵、清酒罐装等方面，啤酒生产实现了无麦芽糊化，节粮、节能显著，啤酒行业的综合经济效益得到进一步提高。多种酶的添加成为现代啤酒技术进步的一个标志。,（一）固定化生物催化剂酿造啤酒新工艺,利用固定化酶和固定化细胞技术酿造酒是近年来国外啤酒工业的新工艺。,前苏联专家把酵母细胞镶嵌在陶瓷或聚乙烯材料的环形载体上(直径为10-20mm)进行啤酒发酵，发酵周期缩短到2d，鲜啤酒的理化指标均可达到传统工艺水平，但产量比传统工艺增加22.5倍。,上海工业微生物所和上海华光啤酒厂把卡伯尔酵母固定化后用于啤酒酿造，试验表明，啤酒的主发酵时间可以控制在24h以内，后酵时间缩短到7d左右，比传统工艺缩短一半以上，酿成的啤酒口味正常、泡沫性良好，各项理化指标均符合标准。,固定化的方法主要有下述两种：,一种是以藻朊酸作为交联剂通过与酶共价结合起来，再把微生物细胞包埋进去；,另一种是将干燥的微生物酵母细胞悬浮在酶液中，使两者充分混合，脱水后加戊二醛和鞣酸(单宁)使两者结合起来。,（二）固定化酶用于啤酒澄清,啤酒中含有多肽和多酚物质，在长期放置过程中，会发生聚合反应，使啤酒变混浊。在啤酒中添加木瓜蛋白酶等蛋白酶，可以水解其中的蛋白质和多肽，防止出现混浊。但是，如果水解作用过度，会影响啤酒泡沫的保持性。,Witt等人（1970年）用戊二醛交联把木瓜蛋白酶固定化，可连续水解啤酒中的多肽。将经预过滤的啤酒在0和-1下及一定二氧化碳压力，通过木瓜蛋白酶的反应柱，得到的啤酒可在长期贮存中保持稳定。,固定化木瓜蛋白酶的优点之一 是热稳定性提高。可溶性的木瓜蛋白酶在88时30min失活，而欧重氨基芳香基硅烷固定的木瓜蛋白酶在88时80min才失活。,（,三）添加蛋白酶和葡萄糖氧化酶，提高啤酒稳定性,1、,添加蛋白酶提高啤酒稳定性,通过蛋白酶来降解啤酒中的蛋白质，提高啤酒稳定性。目前主要采用添加菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶。多数是在成熟啤酒过滤之前，与酒液混合进过滤机，或者直接加入清酒罐中。,每1kg固定化木瓜蛋白酶可处理啤酒1t以上，在连续式反应器中，可连续使用3个月以上。,2、添加葡萄糖氧化酶，提高啤酒稳定性和保质期。,啤酒中多酚类物质的氧化不仅加速了混浊物质的形成，而且使啤酒色泽加深，影响啤酒风味。,葡萄糖氧化酶能催化葡萄糖生成葡萄糖酸，同时消耗了氧，起到了脱氧作用。葡萄糖氧化酶的存在可以去除啤酒中的溶氧和成品酒中瓶颈氧，阻止啤酒氧化变质、防止老化、保持啤酒原有风味、延长保质期 。,实践证明，添加葡萄糖氧化酶后的啤酒溶氧量大幅度减少，老化减轻，口感好，澄清度高，可延长保质期12个月。,葡萄糖氧化酶,是一种天然食品添加剂，无毒副作用。该酶在pH值3.565，温度2070范围内均可稳定发挥作用，作用后不产生沉淀、混浊现象，,（四）葡聚糖酶提高啤酒的持泡性,啤酒原料大麦中含有,-葡聚糖,，含量约5-8。在大麦发芽过程中，产生一定量的-葡聚糖酶并对-葡聚糖进行降解作用。适量的-葡聚糖是构成啤酒酒体和泡沫的重要成分，但过多的-葡聚糖会使麦芽汁难于过滤，降低出汁率，易使麦芽汁浑浊。在发酵阶段，过量的-葡聚糖可与蛋白质结合，使啤酒酵母产生沉降，影响发酵的正常进行。如果成品啤酒-葡聚糖含最超标，容易形成雾浊或凝胶沉淀，严重影响产品质量。,（五）降低啤酒中双乙酰含量,双乙酰即丁二酮（CH,3,COCOCH,3,）的含量多少是影响啤酒风味的重要因素，是品评啤酒是否成熟的主要依据，在一定程度上决定着啤酒的质量，双乙酰由-乙酰乳酸经非酶氧化脱羧形成，是啤酒酵母在发酵过程中形成的代谢副产物。,一般成品啤酒的双乙酰含量不得超过0.1mg/L，否则会使啤酒带有不愉快的馊味。-乙酰乳酸脱羧酶可使-乙酰乳酸转化为3羟基丙酮，改变了-乙酰乳酸转化途径，从而有效地降低啤酒中双乙酰的含量，加快啤酒的成熟。,（六）改进工艺，生产干啤酒,与普通啤酒相比，干啤酒具有发酵度高、残糖量低、热量低，干爽及饮后无余味等特点。,啤酒生产主要原料麦芽中含淀粉55-65，辅料大米含淀粉71-73，这些淀粉主要依靠麦芽自身的-淀粉酶、-淀粉酶的水解作用而生成以麦芽糖为主的可发酵性糖。正常麦汁中，可发酵性糖只占总糖的75-80，占总浸出物的65-73。仅靠麦芽中的酶进行糖化，很难达到麦汁发酵度75以上的指标。,通过添加-淀粉酶、异淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等酶制剂，可以提高发酵度，酿造干啤酒。如添加普鲁兰酶和糖化酶酿造干啤酒，添加糖化酶酿造干啤酒，添加真菌淀粉酶酿造干啤酒。,二、改进果酒、果汁饮料的生产工艺,橘苷酶可用于分解柑橘类果肉和果汁中的柚皮苷以除去苦味，橙皮苷酶可分解橙皮苷，有效防止柑橘类罐头食品出现白色浑浊，果胶酶可用于果酒、果汁的澄清，纤维素酶可将传统工艺中的果皮渣进行综合利用，促进果汁的提取与澄清，提高可溶性固形物含量。目前已成功地将柑橘果皮渣酶解制取全果饮料，其中的纤维素经纤维素酶水解后，可转化为可溶性糖和低聚糖，构成全果饮料中的膳食纤维，具有一定的医疗保健价值。,果胶酶的应用,（一）果汁提取,苹果汁要先用机械压榨，然后离心获得果汁，但果汁中仍然含较多的不溶性果胶而呈浑浊状，通过外加酶制剂，即可澄清果汁。具体做法是在浑浊果汁内加入果胶酶(PL)并轻轻搅拌，在酶作用下，不溶性果胶渐渐凝聚成絮状物析出，从而可以获得清澈的琥珀色苹果汁。有的苹果因果肉柔软难以压出果汁，但添加果胶酶（PL）能大大促进果汁的提取。可以在把果肉搅拌1530min后，直接添加0.04果胶酶，并于45下处理10min；即可多产果汁1224。还可以把纤维素酶与果胶酶结合使用，使果肉全部液化，用于生产苹果汁、胡萝卜汁和杏仁乳，产率高达85，而且简化了生产工艺，,（二）果汁澄清,新压榨出来的果汁不仅黏度大，而且浑浊。加果胶酶澄清处理后，黏度迅速下降，浑浊颗粒迅速凝聚，使果汁得以快速澄清、易于过滤。但对于橘汁，由于要求保持雾状浑浊，所以应使用不含果胶酶的内切多聚半乳糖醛酸酶制剂进行澄清处理。利用0.1的果胶酶处理苹果果汁、果浆，可明显地提高出汁率、可溶性固形物含量和透光率，降低pH值和相对黏度，处理时间越长，效果越好。0.1的果胶酶与0.1的纤维素酶结合使用，效果更好。,（三）果酒澄清、过滤,果胶的存在会降低果酒的透光率，并极易产生浑浊和沉淀。经果胶酶澄清处理能除去果酒中的果胶，提高果酒的稳定性。采用传统工艺生产苹果酒果香不足、新鲜感不强，将果胶酶应用于苹果酒酿造，并辅以其他工艺改革，不但提高出汁率10.814.3，提高果汁的过滤效率，缩短苹果酒的贮存期，提高设备利用率，进而使苹果汁透光率由30.1提高到71.5，酿出的苹果酒果香清新、典型性好。,三、食品保鲜,常见的保鲜技术主要有添加防腐剂或保鲜剂和冷冻、加热、干燥、密封、腌制、烟熏等。,一种崭新的食品保鲜技术-酶法保鲜正在崛起。由于酶具有专一性强、催化效率高，作用条件温和等特点，可广泛地应用于各种食品的保鲜。,酶法保鲜的原理:,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，在较长时间内保持食品原有的品质和风味。,目前应用较多的是,葡萄糖氧化酶和溶菌酶,的酶法保鲜。,（一）利用葡萄糖氧化酶保鲜,葡萄糖氧化酶可催化葡萄糖与氧反应，生成葡萄糖酸，有效地防止食品成分的氧化作用,葡萄糖氧化酶可以在有氧条件下，将蛋类制品中的少量葡萄糖除去，而有效地防止蛋制品的褐变,葡萄糖氧化酶以黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)为辅基，葡萄糖氧化酶在pH值3.5-6.5的条件下，具有很好的稳定性，最适pH值5.6，当pH值大于8.0或小于2.0时，会导致酶的失活。葡萄糖氧化酶在低温条件下有很好的稳定性。固体葡萄糖氧化酶酶制剂在-15可保存8年，在0可保存2年以上，但当温度高于40时，活力下降。汞离子和银离子是该酶的抑制剂。甘露糖和果糖对其有竞争性抑制作用。,1、食品的除氧保鲜,食品在运输、储藏保存过程中，氧的存在容易引发色、香、味的改变。,如花生、奶粉、饼干、冰淇淋、油炸食品等富含油脂食品的氧化，导致油脂的酸败，降低营养价值，甚至产生有毒物质；使受伤的苹果、梨、马铃薯等水果蔬菜及草莓酱、苹果酱、肉类等变色，影响商品质量。,葡萄糖氧化酶可直接加入到啤酒及果汁、果酒和水果罐头中，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。,含有葡萄糖氧化酶的吸氧保鲜袋也已在生产中得到广泛应用。,2、蛋类制品的脱糖保鲜,蛋制品主要有蛋白片、,蛋白粉,和全蛋粉等，是生产糕点和糖果的原料。,在蛋类蛋白中含有0.50.6的葡萄糖，葡萄糖的羰基与蛋白质的氨基反应，使蛋白出现褐变、小黑点，使加工产品色泽加深、溶解度降低并有不愉快气味，必须除去蛋白中的葡萄糖。,将一定量的葡萄糖氧化酶加到蛋白液或全蛋液中，并适当配合一定量的过氧化氢酶，即可使葡萄糖完全氧化,除掉蛋白中的葡萄糖.,（二）利用溶菌酶保鲜,常采用加热杀菌和添加化学防腐剂等方法防止食品的腐败。,溶菌酶对人体无害，可有效防止细菌对食品的污染。,用一定浓度的溶菌酶溶液进行喷洒，即可对水产品起到防腐保鲜效果。既可节省冷冻保鲜的高昂的设备投资，又可防止盐腌、干制引起产品风味的改变，简单实用。,在干酪、鲜奶或奶粉中加入一定量的溶菌酶，可防止微生物污染，保证产品质量，延长贮藏时间。,在香肠、奶油、生面条等其他食品中，加入溶菌酶也可起到良好的保鲜作用。,四、利用固定化酶生产高果糖浆,食糖是日常生活必需品，也是食品、医药等工业原料。,世界食糖的需求每年以4的速率增加，而产量每年只增加2-3，供不应求。,目前各国都竞相生产高果糖浆(甜度为蔗糖的173.5)。在美国、日本等发达国家2/3的食糖已为高果糖浆代替。,高果糖浆采用固定化葡萄糖异构酶和固定化含酶菌体进行生产。,高果糖浆的生产工艺,五、酶法生产新型低聚糖,低聚糖：指2-10个单糖分子通过糖苷键连结起来，形成直链或分支链的一类寡糖的总称。,过量摄取蔗糖会引起肥胖、糖尿病、心血管疾病等,国际市场低聚糖年总产量达6万t，已广泛应用于饮料、糖果、糕点、乳制品、冷饮、调味料，疗效食品等产品中,主要有：,异麦芽寡糖、蔗果寡糖、半乳糖基寡糖、半乳糖基转移寡糖、帕拉金糖、偶合糖、大豆低聚糖、异构乳糖,等。,低聚糖的主要,生理功能,：促进双歧杆菌增殖；抑制腐败菌的生长繁殖；低热能，防止肥胖和糖尿病、抗龋齿、抗肿瘤等。,低聚糖的生产过程一般包括：,酶的发酵生产,低聚糖的酶法合成,分离精制,酶的发酵生产，可对菌种进行基因工程改造，以提高酶的活力和产量，运用现代发酵技术和新型生物反应器，达到最优化控制以提高发酵酶的产量；,在酶法合成过程中，大多采用固定化酶或固定化菌体来连续合成低聚糖；,分离精制过程一般包括过滤、脱色、脱盐、分离、纯化、浓缩等操作过程。,(一)低聚果糖的生产,又称为蔗果寡糖，其分子结构是在蔗糖(GF)分子上结合l3个果糖分子的寡糖的总称,主要有：蔗果三糖(GF2)、蔗果四糖(GF3) 、蔗果五糖(GF4)，蔗糖与果糖分子以-l，2糖苷键连接,普遍存在于高等植物中，尤其以洋葱、牛蒡、芦笋、香蕉等植物中含量较高。,目前工业上用-果糖转移酶（为胞内酶，来自于黑曲霉）作用于蔗糖，进行分子间果糖转移反应生产低聚糖。,(二)异麦芽寡糖,直链麦芽糖分子中具有分支状键合的寡糖，因此又称为分支低聚糖。,分子中除了-1，4糖苷键以外，尚含有-1，6糖苷键及-1，3糖苷键等分枝状结合方式,主要成分为：异麦芽糖、潘糖和异麦芽三糖，其次还含有异麦芽四糖、具有-1，3糖苷键的黑曲糖及具有-1，2糖苷键的曲二糖等 。,异麦芽糖生产中最关键的酶：,-葡萄糖苷酶,如黑曲霉、米曲霉生产的-葡萄糖苷酶可进行-1，6糖苷键葡萄糖苷转移反应,异麦芽糖浆,粉状异麦芽糖,异麦芽寡糖的特点:,具有适口的甜味，甜度约为蔗糖的50，粘度和蔗糖相近,具有良好的保湿性和抗结晶性,可防止淀粉老化,具有一定的双歧杆菌增殖效果和抗龋齿能力,耐热、耐酸性强,因此，异麦芽寡糖可替代部分蔗糖应用于饮料、冷饮、糖果、乳制品、糕点、焙烤等食品中，是目前世界上生产量最大(约2000万t)、价格最便宜的一种新型低聚糖。,(三)低聚半乳糖的生产,低聚半乳糖：是在乳糖分子的半乳糖基上以-1，4糖苷键、-l，6糖苷键连接23个半乳糖分子的寡糖类混合物。,低聚半乳糖是以乳糖为原料，由,-半乳糖苷酶,进行半乳糖转移反应来生产。乳糖是半乳糖残基供给体，同时也是接受体,荷兰Borculo公司利用乳糖生产低聚半乳糖，应用于乳制品、婴儿食品、糖果、饮料等食品。该公司生产的低聚半乳糖浆的组成为：低聚半乳糖5865，乳糖2128，葡萄糖20-23，半乳糖14，固形物75，甜度约为蔗糖的30。,-半乳糖苷酶,：也称乳糖酶，它能将乳糖水解为葡萄糖及半乳糖，也能将水解下来的半乳糖苷转移到乳糖分子上。,只有,米曲霉和环状芽孢杆菌,产的-半乳糖苷酶可以合成三聚及三聚以上的低聚半乳糖。,目前工业化生产低聚半乳糖多采用固定化酶的方法连续生产,低聚半乳糖的特点,：,为难消化性低聚糖，其热值远低于蔗糖，具有良好的双歧杆菌的增殖效果，能改善便秘、抑制肠内腐败菌的生长，此外还有一定程度的抗龋齿性和改善脂质代谢的效果。,六、酶法生产环状糊精,环状糊精：,是一种由6个以上的葡萄糖以-1，4糖苷键结合的环状低聚糖。,是应用,环状糊精葡萄糖基转移酶,的催化作用自淀粉或葡萄糖分子间转化而成的。,这种酶的产生菌，目前采用,嗜碱性芽孢杆菌,。,环状糊精产品的主要种类：,-,环状糊精,：由6个脱水葡萄糖单位组成,-,环状糊精,，由7个脱水葡萄糖单位组成,-,环状糊精,，由8个脱水葡萄糖单位组成,环状糊精(CD)的生产一般分为三个阶段,：,第一阶段是制造环状糊精合成酶，,第二阶段是利用酶作用于淀粉糊来合成环状糊精，,第三阶段是环状糊精的分离提取与精制。,环状糊精的作用,：,1、使易挥发、氧化和光分解的物质稳定化,食品中易挥发的香精、香料及食品中的香味物质，食品中易氧化及遇光和热易分解的色素、维生素、生理活性物质等，可借助,环状糊精,和它们所形成的包接络合物使其稳定化。,2、改变物质的物理和化学性质,改变食品中色、香、味等成分的乳化性和分散性,使某些难溶于水的物质溶解和乳化，常用于脂肪含量高的乳饮料、蛋白饮料、调味油、冰淇淋、咖啡、可可饮料中，以提高其乳化稳定效果，并保持其特有的风味；,在蛋白起泡粉中添加-CD可提高其起泡能力,通过和CD形成包接络合物可以去除食品中的异臭味和苦味,如脱除海产品的腥味及肉制品和豆制品、调味品、酵母制品等食品令人不快的臭味；,脱除柑橘汁、水解蛋白等食品中的苦味,脱除食品中的胆固醇，生产无胆固醇食品,应用CD形成包接络合物使液体食品固体化或粉末化,如用CD将液体的酒类、饮料、调味品等改变成固体状，生产出固体酒、固体饮料和固体调味品，以方便包装、运输和贮藏。,3改变被包接络合物分子的反应性能,利用和CD形成包接络合物，一方面可以使易起反应的共混物质成分稳定化，使之共同存在而不发生反应；另一方面可选择性地保护部分反应基团，使反应物选择性地反应。,可应用于食品中防止沉淀及一些不利的化学反应，如防止食品的变色、变味等。,七、 酶法应用于干酪制品的生产,牛乳中约含3酪蛋白，酪蛋白经凝乳酶作用，变成不溶性的副酪蛋白钙，使牛乳凝结，再将凝块进行加工、成型和成熟而制成的一种乳制品即干酪。,干酪营养丰富，其中含有丰富的蛋白质、脂肪和钙、磷、硫等盐类及多种维生素。干酪是一种重要的发酵乳制品。,据统计，全世界干酪年产量达1200万t以上，而且每年以约4的速度递增。我国干酪生产也有较大的发展，目前年产量在1000t以上。,制造干酪过程中起凝乳作用的关键性酶：,凝乳酶,，传统来源是从小牛皱胃液中提取。,据报道，有近40余种微生物可生产一定活力的凝乳酶，其中以,米黑毛霉,产生的凝乳酶为主,目前，全世界微生物凝乳酶的用量已超过总用量的1/3，而由微生物凝乳酶生产的干酪也占全世界总产量的一半以上,采用基因工程技术生产凝乳酶取得成功,干酪制造的过程：,牛乳的凝结,从干酪凝块中沥干乳清,干酪成熟,与干酪生产有关的酶,凝乳酶,：,牛凝乳酶属于天冬氨酰蛋白酶，在低pH范围内，酶活性最高。凝乳酶的主要功能是使牛乳凝结,乳中的天然蛋白酶,由发酵剂(乳酸菌）菌种产生的水解酶,（ 如细菌蛋白酶、肽酶等）,。,干酪风味物质的形成,1、蛋白质水解产生的风味化合物,如肽、氨基酸、胺、酸、硫醚等；,2、脂肪降解产生的风味化合物,如脂肪酸、甲基酮、内酯和醚类物质；,3、凝块中残存的乳糖和柠檬酸产生的风味化合物,如乳酸、醋酸、丙酸、CO,2,、酯和乙醇等。,思考题,1、酶工程的概念及研究内容。,2、对酶生产菌有何要求？酶分离纯化的步骤有哪些？,3、简述固定化酶的优点及酶固定化的方法。固定化对酶稳定性有何影响？,4、酶反应器、酶传感器的概念,固定化酶反应器的类型,酶传感器的工作原理，衡量酶传感器的性能指标.,5、试述酶工程在啤酒生产中的应用。并简述啤酒生产的原理及工艺。,6、简述环状糊精的种类及在食品工业中的应用。,7、简述淀粉酶的种类及其特点以及纤维素酶在食品工业中的应用。,8、常见的低聚糖有那些？有何生理功能？,9、与干酪生产有关的酶有哪些？构成干酪风味的物质有哪些？画出干酪生产工艺流程。,10、为什么葡萄糖氧化酶和溶菌酶可用于食品保鲜？,作业：,论述固定化酶在食品工业上的应用。,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,内容总结,第四章 酶工程与食品产业。酶的概念：酶主要是活细胞产生的具有催化作用的蛋白质。在生物进化过程中形成了从酶的合成到酶的结构和活性各种水平的调节机构。酶工程:酶的大批量生产以及利用酶的催化作用,借助工程技术手段进行物质转化,生产人们所需要产品的技术。研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚合的酶、检测用酶、能分解有毒物质的酶及废物综合利用酶。非水系统的反应技术，酶分子的修饰与改造以及酶型高效催化剂的人工合成研究。酶蛋白分子上官能团和载体上的反应基团通过化学价键形成不可逆的连接的方法。共价结合法制备的固定化酶,酶和载体的连接键结合牢固,使用寿命长，但制备过程中酶直接参与化学反应，常常引起酶蛋白质的结构发生变化，导致酶活力的下降，往往需要严格控制操作条件才能获得活力较高的固定化酶。由于载体的亲水、疏水性质和介质的介电常数等直接影响酶的催化效率。3、简述固定化酶的优点及酶固定化的方法,