第三章 酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用課件

第三章

酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

王繼剛

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第一節(jié)酶工程原理和方法

（一）酶工程的定義

利用酶、菌體細胞具有的特異催化功能，或對酶結構進行修飾改造，并借助于生物反應器和工藝優(yōu)化過程，有效地發(fā)揮酶的催化特性來生產人類所需產品的技術。它包括酶、細胞固定化技術、酶化學修飾技術和酶反應器設計等。

一、酶工程概述

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶工程是現代生物技術的重要組成部分。

以微生物或酶為催化劑進行物質轉化的工業(yè)生物技術，大規(guī)模生產人類所需的化學品、醫(yī)藥、能源和材料等，是解決人類目前面臨的資源、能源及環(huán)境危機的有效手段。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶工程一般工藝流程示意圖

胞外酶胞內酶

菌種→基因改造→發(fā)酵→發(fā)酵酶液（→預處理→細胞分離→細胞破壁→碎片分離→）提取→精制→酶制劑及其改造酶制劑↓原料→前處理→殺菌→酶反應器→反應液→產品提取→成品

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（二）酶工程的發(fā)展歷程

1.20世紀50～60年代早期的酶工程技術，主要是從動物、植物和微生物原料中提取、分離、純化制造各種酶制劑，并將其應用于化工、食品和醫(yī)藥等工業(yè)領域。

1949大規(guī)模工業(yè)化階段（液體深層發(fā)酵）細菌淀粉酶2.20世紀70年代后期，酶的固定化技術取得了突破，使固定化酶、固定化細胞、生物反應器與生物傳感器等酶工程技術迅速獲得應用。

1969日本固定化氨基?；?，第一次將固定化酶成功地應用于工業(yè)生產?！腹こ陶Q生

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用3.目前，各種酶工程技術已用于制造多種精細化工產品和醫(yī)藥產品，并且在食品工業(yè)、化學檢測和環(huán)境保護等各個領域中得到了有效的應用。

酶的非水相催化

新酶的開發(fā)第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（三）酶的分類：

按酶催化反應的類型分類1．氧化還原酶2．轉移酶3．水解酶4．裂合酶5．異構酶6．連接酶（合成酶）第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用1．氧化還原酶(Oxidoreductase)催化氧化-還原反應，轉移氫或加氧。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)、過氧化氫酶、氧合酶、細胞色素氧化酶。如，乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2．轉移酶(Transferase)轉移酶催化基團轉移反應，即將一個底物分子的基團或原子轉移到另一個底物的分子上。參與生物物質的代謝

例如，谷丙轉氨酶催化的氨基轉移反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用3．水解酶(Hydrolase)水解酶催化底物的加水分解反應（或逆反應）。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反應：第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用4．裂合酶(Lyase)裂合酶催化從底物分子中移去一個基團或原子形成雙鍵的反應及其逆反應。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用5．異構酶(Isomerase)此類酶為生物代謝需要對某些物質進行分子異構化，分別進行外消旋、差向異構、順反異構等，分為差相異構酶、消旋酶、順反異構酶等

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用6．連接酶（合成酶）(LigaseorSynthetase)合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N以及C-S鍵的形成反應。這類反應必須與ATP分解反應相互偶聯。A+B+ATP+H-O-H===A

B+ADP+Pi例如，丙酮酸羧化酶催化的反應。丙酮酸+CO2

草酰乙酸第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶用于生物催化的概況類別占總酶比例%利用率%水解酶hydrolases2665氧化還原酶oxidoreductases2725轉移酶transferases245裂合酶lyases12~5異構酶isomerases5~1連接酶ligases6~1第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用國際系統命名法系統名稱包括底物名稱、構型、反應性質，最后加一個酶（-ase）字。酶的系統編號：EC1.1.1.1例如：習慣名稱:谷丙轉氨酶系統名稱:丙氨酸：

-酮戊二酸氨基轉移酶酶催化的反應:谷氨酸+丙酮酸

-酮戊二酸+丙氨酸

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用工業(yè)酶制劑的命名和分類

分類：碳水化合物酶、蛋白質酶、酯酶和其他酶如α－淀粉酶

高轉化率糖化酶（葡萄糖淀粉酶）

一些習慣歸類：1、動物酶、植物酶、微生物酶2、胞內酶和胞外酶3、溶液酶和固定化酶第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用二、酶制劑的生產

1.包括菌種的來源、產酶菌種的分離、篩選、育種和酶的發(fā)酵生產等。

2.酶生產菌的要求（1）不能是致病菌，特別是對食品用酶和醫(yī)藥用酶。目前認為可用于食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)的生產菌種有：枯草桿菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵母和脆壁克魯維酵母。（2）不易退化，不易感染噬菌體。（3）產酶量高，而且最好產生胞外酶。（4）能利用廉價的原料，發(fā)酵周期短，易培養(yǎng)。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用3.酶的發(fā)酵方法1、固體培養(yǎng)發(fā)酵培養(yǎng)基以麩皮、米糠等為主要原料加入其它營養(yǎng)成分，經滅菌、接產酶菌株，在一定條件下發(fā)酵，目的獲得淀粉酶和蛋白酶，如酒曲生產。2、液體深層發(fā)酵液體培養(yǎng)基，在發(fā)酵容器中，經滅菌、冷卻接入產酶細胞，在一定條件下發(fā)酵，是目前酶生產的主要方法。

3、固定化細胞發(fā)酵第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用三、微生物細胞的破碎

胞外酶：能分泌透過細胞壁到細胞外部的酶。胞內酶：存在于細胞內部的酶。對于胞內酶的提取，需要破碎技術，胞外酶則無需破碎。破碎的目的是將細胞壁和細胞膜破壞掉，使胞內物質釋放出來，包括機械破碎法和非機械破碎法。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（一）機械破碎法

1.高壓勻漿法適合于細菌和酵母的破碎，不適合于絲狀真菌及某些基因工程菌。

2.珠磨法適合于各種微生物細胞的破碎。

3.超聲破碎法對桿菌的破碎較容易，對酵母菌的破碎效果較差。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（二）非機械破碎法

1.酶溶法加酶法:常用的有溶菌酶、蛋白酶、糖苷酶等，它們對細胞壁或細胞膜進行酶解，使細胞破碎。自溶法：在微生物生長代謝過程中，控制一定條件，誘發(fā)微生物產生少量的溶胞酶或激發(fā)自身溶胞酶的活力，以達到細胞自溶的目的。

2.化學滲透法用有機溶劑、變性劑、表面活性劑、抗生素或金屬螯合物等處理，使細胞壁或膜的通透性（滲透性）改變，從而使胞內物質有選擇地滲透出來。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用四、酶的提取與純化

酶的提取:在一定條件下，用適當的溶劑處理含酶原料，使酶充分溶解到溶劑中的過程，也稱作酶的抽提，即初步純化。常用的方法：鹽溶液提取、酸溶液提取、堿溶液提取、有機溶劑提取。酶的精制:即高度純化。常用的方法：沉淀法、超濾法、色譜分離法、結晶法等。其中沉淀法和超濾法既可用于初步純化，也可用于精制。

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分離：將酶從原料中抽提出來，并盡可能少引入雜質，得到粗酶液

純化：將酶和雜質中分離開來，或者有選擇地將酶從包含雜質中分離出來，得到一定純度的酶。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶的純化過程與一般蛋白質純化過程相比的特點：

1、特定的一種酶在細胞中的含量較少，

2、酶可以通過測定活力的方法加以跟蹤。前者給純化帶來了困難，而后者卻迅速找出純化過程的關鍵所在。

理想的提取和分離純化方法：在提高酶的比活的同時，要求酶回收率高，提取步驟少、工藝簡單，成本低。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用策略：①酶產品的質量要求設定目標：（用途：醫(yī)用、食品級、工業(yè)級或研究級）目標酶蛋白與主要雜質的性質②提取過程的設計應盡可能防止酶的損失，減少處理步驟。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用③提取方法的經濟性和可分析性盡量減少添加劑的使用盡早使用高效分離方法，將昂貴、費時的分離方法放在最后階段。酶活力、蛋白濃度、純度測定方法可行性④劑型（液體濃縮酶、粉狀酶、精制酶、結晶酶等）第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用基本過程：（一）、材料（選擇）預處理及破碎細胞

1.胞內酶和胞外酶

2.破碎細胞（二）、固液分離（離心或過濾）酶的溶解性、穩(wěn)定性第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（三）、凈化與脫色絮凝劑脫色處理（四）、濃縮

（熱量法、沉淀分離、膜分離）

（五）純化、結晶（干燥）第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用提取和純化方法：（一）根據酶分子溶解度不同的方法

通過改變某些條件，使溶液中某種物質的溶解度降低，從溶液中沉淀析出，達到與其他物質分離的目的。

1.鹽析沉淀法通常采用的鹽有硫酸銨、硫酸鈉、磷酸鉀、硫酸鎂、氯化鈉和磷酸鈉等。其中以硫酸銨最為常用，因為它在水中的溶解度大而溫度系數小，不影響酶的活性，分離效果好，而且價廉易得。鹽析沉淀所得到的產品常含有大量鹽分，一般可用超濾或層析等方法脫鹽，使酶進一步純化。

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2.等電點沉淀法在酶的沉淀分離中，等電點沉淀法經常與鹽析沉淀、有機溶劑沉淀和復合沉淀等方法一起使用，使其沉淀完全。

3.有機溶劑沉淀法利用酶等物質在有機溶劑中的溶解度不同而使其分離。常用的有機溶劑有乙醇、丙酮、異丙酮、甲醇等。

4.復合沉淀法在酶液中加入某些高分子聚合物，例如，單寧，使它與酶形成復合物而沉淀下來，分離出沉淀后，再用適當方法將酶從復合物中重新析出。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（二）根據酶分子大小和形狀不同的方法

1.離心分離法在酶的提取分離純化過程中，細胞的收集、細胞碎片和沉淀的分離以及酶的純化等往往要使用離心分離。

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2.體積排阻法利用具有一定大小網狀的凝膠顆粒（固定相）填充柱的分子篩作用，利用溶液中各組分的相對分子質量不同來進行層析分離的一種方法。常用的凝膠有瓊脂糖凝膠（Sepharose）、聚丙烯酰胺凝膠（Biogel）和葡聚糖凝膠（Sephadex）等。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

3.透析透析膜可用動物膜、羊皮紙、火棉膠或塞璐玢等制成。使用時可做成透析管、透析袋或透析槽等形式。優(yōu)點：設備簡單，操作簡便。缺點：時間長，若不更換水或緩沖液時，只擴散到膜內外平衡為止。透析結束時，透析袋內的保留液體積較大，濃度較低。透析主要用于酶、蛋白質、核酸等生物大分子的分離純化，從中除去小分子物質。透析在酶純化過程中極為常用，通過透析可以除去酶液中的鹽類、有機溶劑、低相對分子質量的抑制劑等。

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4.超濾借助于超濾膜將不同相對分子質量的物質分離的技術，是在一定的正壓力或負壓力驅動下，將料液強制通過一定孔徑的超濾膜，部分小分子的溶質和溶劑透過膜而成為超濾液，而大分子的酶和蛋白質等物質被截留，從而達到分離純化的目的，也可用于酶液的濃縮和脫色。超濾膜截留的顆粒直徑范圍為2～200nm，相當于相對分子質量1000～500000。構成超濾膜的主要材料有醋酸纖維、尼龍、聚砜、陶瓷等。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（三）根據酶分子電荷性質的方法

1.離子交換層析根據被分離物質與分離介質（離子交換劑）間異種電荷的靜電引力的不同來進行物質分離的。不同離子交換劑上的可解離基團對各種離子的親和力不同，而使不同物質分離。離子交換劑根據活性基團的性質分為陽離子交換劑和陰離子交換劑。酶具有兩性性質，可用陽離子交換劑，也可用陰離子交換劑進行酶的分離純化。

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2.電泳分離在外電場作用下，不同蛋白質離子所帶凈電荷的多少和性質不同，因而其向兩極泳動的方向和速度也不相同，從而達到分離的目的。為了減少對流擴散，電泳過程一般在浸透了緩沖液的聚丙烯酰胺凝膠、淀粉膠等介質上進行。電泳分離的蛋白質量通常較?。s數毫克），常用作分析用。但現在已發(fā)展了制備電泳，用這種方法制備的酶，可以在介質中洗脫或直接從電泳柱底部依次流出。

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3.等電聚焦電泳先從陽極頂端擴散裝入一種酸（如磷酸），然后從陰極端擴散裝入一種堿（如乙醇胺），用具有不同等電點的脂肪族聚氨基聚羧基化合物作為兩性電介質載體，當陰陽兩極通電以后電介質在一定范圍內便形成pH值梯度，當該載體電介質同樣品一起電泳時，蛋白質便朝其各自等電點相等的pH值位置移動而被濃縮。優(yōu)點：不但可將各種酶精確分開，通過測定各段的pH值還可以了解該酶的等電點?？梢苑蛛x和檢出等電點相差僅0.02的兩種蛋白質成分。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（四）根據酶分子專一性結合的分離方法

1.親和層析酶的底物、底物類似物及酶的競爭性抑制劑同酶之間有著較高的親和力，可作為配基固定于不溶性載體，可選擇性地將酶吸附而同雜質分離。然后可以通過改變緩沖液的離子強度和pH值的方法，也可以使用濃度更高的同一配體溶液或親和力更強的配體溶液，將酶洗脫下來。

2.免疫吸附層析利用抗原一抗體的高親和性反應原理進行酶的分離純化。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（五）酶分離純化的原則1.防止酶失活

這一原則要貫穿純化工作的始終，在后期尤為重要。建立一個可靠和快速、易行的測定酶活方法物理因素、化學因素和生物因素導致酶失活2.分離純化的環(huán)節(jié)的選擇（經濟、宜行）：

純化倍數、酶活回收率和重現性（衡量優(yōu)劣）經濟、可靠，建立靈敏、快速、特異、精確的檢測（酶活和蛋白質的含量）手段。3、分離步驟、方法和成本間的關系

提取、分離、純化、制劑第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（六）酶的分離純化應注意的問題

1.要注意防止酶變性失活低溫、不能過酸、過堿等。

2.酶分離純化的目的是將酶以外的所有雜質盡可能除去，因此選擇分離方法是應盡可能不破壞酶所需要的條件。

3.通過檢測酶活性，為選擇適當方法和條件提供了直接依據。一個好的酶分離純化的方法和措施是使酶的純度提高倍數大，活力回收高，同時重復性好。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（七）酶的純度與酶活力

許多分離方法都可用于檢驗酶的純度，實驗室常用聚丙烯酰胺凝膠電泳來檢驗酶的純度。酶分子結構高度復雜，同一種酶制劑，采用不同方法檢驗結果可能不一致，酶的純度應注明達到哪種純度，如電泳純、HPLC純等。比活力：每毫克酶蛋白具有的酶活力單位數。一般情況下，酶的比活力隨酶的純度的提高而提高。酶的純度也可用酶的比活力來衡量。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶活力測定方式有二：1.

測定一定時間內的化學反應的量

通常測定在一定時間內最適于酶的條件下酶促反應產物的生成量。如蛋白酶的活力，可據酶催化酪蛋白水解生成的酪氨酸與酚試劑作用藍色反應，再用比色法測定之。2.

測定完成一定量反應所需的時間，測定酶所催化的一定量底物的減少或一定量產物的生成所需的時間，酶活力與之成反比。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

測定酶活力可采用中止反應法、連續(xù)反應法，或采用自動化酶分析儀操作進行。

中止反應法:

在恒溫反應系統中進行酶促反應，間隔一定的時間，分幾次取出一定容積的反應液，使酶停止作用，然后分析產物的生成量或底物的消耗量。幾乎所有的酶都可根據這一原理，設計出測定其活力的具體方法。

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連續(xù)反應法:

不需要取樣中止反應，而是基于反應過程中光譜吸收、氣體體積、酸堿度、溫度、黏度等的變化，用儀器跟蹤檢測反應進行的過程，記錄結果，算出酶活力。連續(xù)法使用方便，一個樣品可多次測定，但很多酶反應不能用該法測定。

自動化酶分析儀:

從加樣、啟動反應、檢測、數據記錄及結果處理等，整個過程均由儀器自動完成。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶偶聯法

指選擇另一種酶與酶發(fā)生偶聯反應，即第一種酶E1所催化的產物作為E2的底物，通過測定第二個酶促反應產物的量變化來測的活力，此法適用于活力不高或所催化產物不便測定的一些酶活力測定。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用舉例：α-淀粉酶活力測定1.標準碘液法

原理：淀粉對碘呈藍黑色的特異性逐漸消失，消失的速率與酶活性有關。方法：終止法稀鹽酸測吸光度2.DNS法α-淀粉酶可隨機地作用于淀粉中的α-1,4-糖苷鍵，生成葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖、糊精等還原糖，同時使淀粉的粘度降低，因此又稱為液化酶。方法：終止法熱變性測吸光度第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶法分析第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用底物濃度對酶速的影響第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶法分析包括兩個步驟：

1.酶反應在適宜的條件下進行催化反應

2.檢測測定反應前后物質的變化情況，可以測定底物的減少、產物的增加或輔酶的變化第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用游離酶催化的缺點：

1.穩(wěn)定性差：在高溫、強酸、強堿等外界因素下易失活。

2.酶的一次性使用:反應結束后，酶即使仍有活性，也難以回收，成本提高，難于連續(xù)化生產。

3.產物的分離純化較困難：酶與產物混在一起。六、酶的固定化第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用六、酶的固定化

（一）酶的固定化方法

1.吸附法（1）物理吸附法。酶被物理吸附于不溶性載體的一種固定化方法。吸附的載體：包括無機載體（活性炭、石英砂、多孔玻璃、氧化鋁、硅膠、磷酸鈣）和有機載體（淀粉、谷蛋白、纖維素、葡聚糖、瓊脂糖、聚丙烯酰胺）等。優(yōu)點：具有不破壞酶活性中心和酶高級結構變化少，若能找到適當的載體，這是簡單的好方法。缺點：酶與載體結合力弱、酶易脫落等。

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（2）離子吸附法。通過離子效應，將酶分子固定到含有離子交換基團的固相載體上。常見的載體：DEAE-纖維素、DEAE-葡聚糖凝膠、CM-纖維素、DOWEX-50等。優(yōu)點：操作簡單，處理條件溫和，能得到酶活回收率較高的固定化酶。缺點：酶與載體的結合力較弱，當離子強度高、緩沖液種類或pH值發(fā)生變化時，酶容易脫落。

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2.化學結合法（1）共價結合法。將載體有關基團活化、與酶分子上的功能團發(fā)生化學反應形成共價鍵的一種固定化方法，是研究得最多的固定化方法之一。可與載體結合的酶的功能團：α或ε-NH2，α、β或γ-羧基，巰基，咪唑基，酚基等，但參與共價結合的氨基酸殘基應當是酶催化活性的非必需基因，否則可能會導致固定后酶活力完全喪失。特點：反應條件苛刻，操作復雜，容易使酶的高級結構發(fā)生變化而破壞活性中心，操作時需注意。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

（2）共價交聯法。通過雙功能或多功能試劑（交聯劑），在酶分子之間或酶分子與微生物細胞之間形成共價鍵的連接方法。它與共價結合法的區(qū)別是它使用交聯劑而不用載體。常用的交聯劑：戊二醛、異氰酸酯、順丁烯二酸酐和乙烯共聚物等。特點：反應條件比較激烈，固定化酶的活力回收率較低，但盡量降低交聯劑濃度和縮短反應時間，會有助于固定化酶比活力的提高。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

3.包埋法可分為凝膠網格型和微囊型。將酶或微生物包埋在高分子凝膠網格中的包埋法稱為凝膠網格包埋型，將其包埋在高分子半透膜中的包埋法稱為微囊型。優(yōu)點：一般不需要與酶蛋白的氨基酸殘基起結合反應，較少改變酶的高級結構，酶活力的回收率較高。缺點：僅適用于小分子底物和產物的酶，因為只有小分子物質才能擴散進入高分子凝膠的網格，并且這種擴散阻力還會導致固定化酶動力學行為的改變和酶活力的降低。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

（1）凝膠網格型。采用明膠、卡拉膠、海藻酸鈉或淀粉等天然高分子化合物作為包埋劑時，可以將酶直接與溶膠態(tài)的包埋劑混合凝膠化。缺點：凝膠孔徑不規(guī)則，有一部分大于平均孔徑，時間稍長時，酶容易泄漏。常與交聯法結合達到加固的目的，如先用明膠包埋，再用戊二醛交聯等。

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（2）微囊型。利用各種類型的膜將酶封閉起來，這類膜能使小分子產物和底物通過，而酶和其他的高分子不能通過。缺點：反應條件要求高，制備成本高。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（二）細胞的固定化方法

細胞固定化的主要方法有用載體對細胞的包埋法和利用載體與細胞之間吸引力的吸附法兩種。固定化細胞的制備方法類似于固定化酶的制備方法。優(yōu)點：固定化后酶活基本沒有損失，它還保留了細胞原有的多酶系統，對于多步催化轉換的反應，優(yōu)勢更加明顯，而且勿需輔酶的產生，直接將微生物細胞固定化，不僅可以免去提純酶的步驟。

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缺點：只適用于胞內酶，而且細胞中的酶很多，可能產生副反應，使產物不純。在選用固定化細胞作為催化劑時，應考慮到底物和產物是否容易通過細胞膜，膜內是否存在產物分解系統和其他副反應系統，或者說雖有這兩種系統，但是否可事先用熱處理或pH值調整等簡單方法使之失效。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（三）固定化酶（細胞）的性質

1.酶活力的變化酶經固定化后，酶分子的構象可能改變，導致了酶與底物結合能力或催化底物轉化能力發(fā)生變化；載體的存在給酶的活性部位或調節(jié)部位造成某種空間障礙，影響酶與底物的作用；酶包埋于載體，底物必須擴散進入載體才能和酶分子接觸，擴散速率的不同限制了酶與底物的作用。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

2.酶穩(wěn)定性的變化經固定化后，大多數酶的穩(wěn)定性提高，這對實際應用十分有利。固定化酶的穩(wěn)定性常用半衰期（t1/2）表示，即固定化酶活力降為最初活力一半所經歷的連續(xù)工作時間。它是衡量固定化酶操作穩(wěn)定性的關鍵。

3.最適pH值的變化氫離子在溶液和固定化酶之間的分配效應，對反應速度具有重要影響。如果酶反應產生酸或消耗酸時，pH值曲線會發(fā)生顯著變化（曲線向右移動或向左移動），最適pH值也會相應變化。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

4.最適溫度的變化酶反應的最適溫度是酶失活速度與酶反應速度綜合的結果。在一般情況下，固定化后酶的失活速度下降，最適溫度也隨之提高。

5.動力學常數的變化酶固定于電中性載體后，表觀米氏常數往往比游離酶的米氏常數高，而最大反應速度變??；而當底物與帶有相反電荷的載體結合后，表觀米氏常數往往減小，這對固定化酶實際應用有利。此外，在高離子強度下，酶的動力學常數幾乎不變。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（四）固定化酶（細胞）的評價指標

1.相對酶活力具有相同重量酶蛋白的固定化酶與游離酶活力的比值。它與載體結構、顆粒大小、底物相對分子質量及酶的結合效率有關。相對酶活力低于75%的固定化酶，一般無實際應用價值。

2.酶的活力回收率固定化酶的總活力與用于固定化的酶總活力的百分比。一般情況下，活力回收率應小于l。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（五）固定化酶的優(yōu)缺點

優(yōu)點：極易將產物和底物分開；可以在較長時間內進行反復分批反應和裝柱連續(xù)反應；在大多數情況下，可以提高酶的穩(wěn)定性；酶反應過程可以嚴格控制；產物中沒有酶的殘留，簡化了工業(yè)設備；較水溶性酶更適合于多酶反應；可以增加產物的收得率，提高產物的質量；酶使用效率提高，成本降低。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用缺點：固定化時，酶活力有損失；增加了固定化的成本，工廠投資開始增大；只能用于水溶性底物，而且較適用于小分子底物，對大分子底物不適宜；與完整菌體相比，不適合多酶反應，特別是需要輔助因子的反應；胞內酶必須經過酶的分離過程。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用七、酶反應器

生物反應器：利用生物催化劑進行生物技術產品生產的反應裝置稱為生物催化反應器，一般稱為生物反應器（Bioreactor）

發(fā)酵罐（fermenter）：細胞生物反應器

生化反應器（biochemicalreactor）

生物反應器：傳統的發(fā)酵罐、酶反應器、固定化酶或固定化細胞反應器、動植物細胞培養(yǎng)用反應器和光合生物反應器。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用發(fā)酵生產過程示意圖過程調控

發(fā)酵罐

滅菌原料預處理

產物分離提純

產品菌種培養(yǎng)空氣除菌能量熱量第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用生物催化反應過程示意圖過程調控生物催化反應器

底物產物分離提純

產品生物催化劑制備能量第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用生物反應器的特點優(yōu)良的生物反應器應具備：1.嚴密的結構2.良好的液體混合性能3.高效的傳質、傳熱性能4.配套而可靠的檢測和控制儀表酶反應器較發(fā)酵罐簡單第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用生物反應器工程通過反應器型式、操作方式的改變能否使生物催化反應效率最大化？將反應與傳質緊密相關

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用酶反應器：用于游離或固定化酶（細胞）進行催化反應的容器及其附屬設備。分類：按結構分為：攪拌罐式反應器鼓泡式反應器填充床式反應器流化床式反應器膜反應器噴射反應器第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用按操作方式：間歇（分批）式連續(xù)式半連續(xù)式（包括流加）理想型：連續(xù)操作活塞式反應器（CPFR）連續(xù)操作攪拌式反應器（CSTR）第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（一）攪拌罐式反應器（StirredTankReactor,STR）組成：反應罐攪拌器保溫裝置分類：分批攪拌罐式反應器流加分批攪拌罐式反應器連續(xù)攪拌罐式反應器第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用1、分批攪拌罐式反應器(BSTR)

將酶和底物溶液一次性加到反應器中，在一定條件下反應一段時間，然后將反應液全部取出。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用1．分批攪拌反應器

（BatchStirredTankReactor,BSTR）

反應器結構簡單，不需要特殊裝置，適與小規(guī)模試驗缺點是：操作麻煩，固定化酶經反復回收使用時，易失去活性，故在工業(yè)生產中，間歇式酶反應器很少用于固定化酶，但常用于游離酶。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2、連續(xù)攪拌罐式反應器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）

催化劑采用顆粒狀的固定化酶，少數應用片狀固定化酶。運轉過程中要不斷分出部分反應液，同時補充等量的新鮮底物溶液，為不致使酶隨反應液流失，所以在它的出口處通常有濾膜。適于有底物抑制場合。缺點是：攪拌漿剪切力大，易打碎磨損固定化酶顆粒第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用3．連續(xù)攪拌罐-超濾反應器酶循環(huán)第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（二）填充（固定）床式反應器（PBR）

固定化酶堆疊在一起，固定不動，底物溶液按照一定的方向以一定的速度流過反應床，通過底物溶液的流動，實現物質的傳遞和混合。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用填充床反應器（PackedReactor,PBR）,優(yōu)點是：高效率、易操作、結構簡單等，因而，PBR是目前工業(yè)生產及研究中應用最為普遍的反應器。它適用于各種形狀的固定化酶和不含固體顆粒、黏度不大的底物溶液，以及接近平推流，當有產物抑制時，可獲得高轉化效率。缺點是：傳質和熱系數相對較低，固定化酶顆粒大小會影響壓降和內擴散阻力。當底物溶度含固體顆?；蝠ざ群艽髸r，不宜采用PBR。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用三、流化床反應器（FBR）

底物溶液以足夠大的流速向上通過固定化酶床層，使固體顆粒處于流化狀態(tài)?？捎糜谔幚碚承詮姾秃泄腆w顆粒的底物，或用于需要供應氣體或排放氣體的反應。適用于固定化酶進行連續(xù)催化反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用流化床反應器（FluidizedBedReactor,FBR）。FBR可用于處理黏度較大和含有固體顆粒的底物溶度，同時，亦可用于需要供氣體或排放氣體的酶反應（即固、液、氣三相反應）。但因FBR混合均勻，故不適用于有產物抑制的酶反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用四、鼓泡式反應器(bubblecolumnreactor,BCR)

利用從反應器底部通入的氣體產生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應底物和混合兩種作用的一類反應器，是一種無攪拌裝置的反應器。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用五、膜反應器

將酶催化反應與半透膜的分離作用組合在一起而成的反應器。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用膜反應器（membranereactor,MR）可以用于游離酶的催化反應，也可以用于固定化酶的催化反應。用于固定化酶催化反應的膜反應器是將酶固定在具有一定孔徑的多孔薄膜中，而制成的一種生物反應器。膜反應器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纖維型、轉盤型等多種形狀。常用的是中空纖維反應器。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用六、噴射式反應器

利用高壓蒸汽的噴射作用，實現酶和底物的混合，進行高溫短時催化反應的一種反應器。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用反應器類型適用的操作方式適用的酶特點攪拌罐式反應器分批式,流加分批式連續(xù)式,游離酶固定化酶反應比較完全，反應條件容易調節(jié)控制。填充床式反應器連續(xù)式固定化酶密度大，可以提高酶催化反應的速度。在工業(yè)生產中普遍使用。流化床反應器分批式流加分批式連續(xù)式固定化酶流化床反應器具有混合均勻，傳質和傳熱效果好，溫度和pH值的調節(jié)控制比較容易，不易堵塞，對粘度較大反應液也可進行催化反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用反應器類型適用的操作方式適用的酶

特點鼓泡式反應器分批式流加分批式連續(xù)式游離酶固定化酶鼓泡式反應器的結構簡單，操作容易，剪切力小，混合效果好，傳質、傳熱效率高,適合于有氣體參與的反應。膜反應器連續(xù)式游離酶固定化酶清洗比較困難噴射式反應器連續(xù)式游離酶通入高壓噴射蒸汽，實現酶與底物的混合，進行高溫短時催化反應，適用于某些耐高溫酶的反應第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

1984年A.Zaks和A.MKlibanov首次發(fā)表了關于非水相介質中脂肪酶的催化行為及熱穩(wěn)定性的研究報道，引起了廣泛的關注。傳統的酶學領域迅速產生一個全新的分支

非水酶學。現在非水酶學方法在多肽合成、聚合物合成、藥物合成以及立體異構體拆分等方面顯示出廣闊的應用前景。八非水介質中的酶催化反應第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用非水相介質：有機溶劑反應介質，氣相反應介質，超臨界流體反應介質。優(yōu)點：1)酶在有機介質中由于水分子的減少，相對來說酶分子的構象表現出比水溶液中更具有“剛性”特點。因而使通過選擇不同性質的溶劑來調控酶的某些特性成為可能。例如在有機溶劑中，可以利用酶與配體的相互作用性質，誘導改變酶分子的構象，調控酶的底物專一性,、立體選擇性和手性選擇性等。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用(3)由于引起酶變性的許多因素都與水的存在有關,因此在有機介質中酶的穩(wěn)定性得到顯著提高。(2)在適當的條件下，可以改變酶促反應的熱力學平衡向有利于合成方向（而不是水解方向）進行。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用(5)在有機介質中進行的酶促反應，可以省略產物的萃取分離過程,提高收率，從低沸點的溶劑中分離純化產物比水中容易；酶不溶于有機介質，易于回收再利用。(4)由于有機溶劑的存在,水量減少，大大降低了許多需要水參與的副反應，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和?；D移等。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用(6)脂溶性底物和產物在有機溶劑中的高度溶解性,有利于提高底物濃度總的水平。同時由于底物和產物的高脂溶性，使它們在酶分子表面的實際濃度較低,可以減少底物或產物對酶引起的抑制作用。(7)在有機溶劑的存在下，一般不存在微生物污染問題。(8)由于酶不溶于有機溶劑中，所以是一個非均相反應體系。應用振蕩或攪拌改善底物及產物的交換是反應的關鍵。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（一）有機相酶反應具備條件

1．保證必需水含量。2．選擇合適的酶及酶形式。3．選擇合適的溶劑及反應體系。4．選擇最佳pH值。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

必需水(EssentialWater)：維持酶催化活性所必須的最少量的水。與酶分子緊密結合的一層左右的水分子，對酶活性至關重要的。不同酶與必需水結合的緊密程度及所結合的必需水量是不同的。把有機溶劑中酶催化反應理解為宏觀上是非水相，而微觀上是微水相反應。因此非水體系又稱低水體系。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用脂肪酶活性與水的關系加水量%(V/V)相對活力%070.2920.41002.075在反應體系中，必需水量也決定于有機溶劑。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用影響酶反應體系中需水含的因素a．不同酶需水量不同b.同一種酶在不同有機溶劑中需水量不同溶劑疏水性越強，需水量越少第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用二、有機溶劑的選擇1、有機溶劑與酶活性：溶劑主要是通過對體系中水、酶以及底物和產物的作用來間接地或直接地影響酶活性：(1)對吸附在酶分子上的水分的影響，溶劑可以奪走吸附在酶分子表面的必需水，破壞了維持酶蛋白構象的氫鍵和疏水作用，降低了酶的活性和穩(wěn)定性。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用(2)對底物和產物的影響，有機溶劑可以直接與底物、產物分子發(fā)生反應，或者可以通過底物和產物在水相和有機相的分配，從而影響其在酶分子表面的水層中的濃度來改變酶的活性。(3)對酶的直接影響，溶解于水層中的溶劑分子可以抑制處于水中的酶或使酶失活，酶與兩相界面的直接接觸也可導致酶的失活第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2．選擇有機溶劑必須考慮因素(1)有機溶劑與反應的匹配性（即相容性）包括反應產物與溶劑的匹配性，極性產物傾向于保留在酶附近，可能引起產物抑制或不必要的副反應發(fā)生。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用相容性例：對于酶促糖改性而言，使用疏水性的，與水不互溶的溶劑是不現實的，因為不溶性底物和不溶性的酶之間無相互作用，必須用親水性的溶劑（如吡啶或二甲基甲酰胺）第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用(2)溶劑必須對于該主反應是惰性例：酯基轉移反應涉及到醇對于酯的親核攻擊而產生另一種酯，如果溶劑也是酯，就會生成以溶劑為基礎的酯，如果溶劑是醇，也會得到類似結果。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用(3)必須考慮的其他因素溶劑的密度、黏度、表面張力、毒性、廢物處理和成本等（溶劑因底物而宜）溶劑參數lgP：即一種溶劑在辛醇/水兩相間分配系數的常用對數值，它能直接反映溶劑的疏水性。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用三、溶劑及反應體系的選擇水溶性有機溶劑：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴等水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、戊醚等第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用六、有機介質對酶性質的影響

1、穩(wěn)定性2、活性3、專一性4、反應平衡方向第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（一）穩(wěn)定性（１）熱穩(wěn)定性提高（２）儲存穩(wěn)定性提高第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用結論

在低水有機溶劑體系中，酶的穩(wěn)定性與含水量密切相關；一般在低于臨界含水量范圍內，酶很穩(wěn)定；含水量超出臨界含水量后酶穩(wěn)定性隨含水量的增加而急劇下降。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（二）活性

1、單相共溶劑體系中，有機溶劑對酶活性影響（1）有機溶劑直接作用于酶（2）有些酶的活性會隨著某些有機溶劑濃度升高而增大，在某一濃度（最適濃度）達到最大值；若濃度再升高，則活性下降。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2、低水有機溶劑體系中，大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活性亦變化例：有人對吸附在不同載體上的胰凝乳蛋白酶或乙酸脫氫酶在各種水濃度下的酶活性研究表明，酶活性隨水活度大小而變化，在一定水活度下，酶活性隨載體不同而變化第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用3、在反向微團體系中，微團效應使某些酶活性增加超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性稱為超活性（Super-activity）。認為：超活性是由圍繞在酶分子外面的表面活性劑這一外殼之較大剛性所引起。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（三）專一性某一些有機介質可能使某些酶的專一性發(fā)生變化，這是酶活性中心構象剛性增強的結果。有些在水中不能實現的反應途徑，在有機介質中卻成為主導反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（四）反應平衡方向酶合成產物有機溶劑使用濃度（%）合成收率（%）枯草桿菌蛋白酶核糖核酸酶甘油9050無色桿菌蛋白酶人胰島素DMF和乙醇3080羧肽酶牛胰核糖核酸酶甘油9050凝血酶人生長激素甘油8020嗜熱桿菌蛋白酶天冬甜味素乙酸乙酯

胰凝乳蛋白酶腦啡肽乙醇或DMF

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用七、酶形式的選擇（1）酶粉：例如：有人研究a-胰凝乳蛋白酶在酒精中轉酯反應，發(fā)現催化活性隨反應體系中酶量的減少而顯著增加。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（２）化學修飾酶（疏水性修飾、反相膠束）：例如：SOD酶經糖脂修飾后變成脂溶性，它對溫度、PH、蛋白酶水解的穩(wěn)定性均高于天然SOD。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（３）固定化酶：把酶吸附在不溶性載體上（如硅膠、硅藻土、玻璃珠等）制成固定化酶，其對抗有機介質變性的能力、反應速度、熱穩(wěn)定性等都可提高。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（３）固定化酶：第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用有機相中固定化后載體對酶的影響

A.載體能通過分配效應劇烈地改變酶微環(huán)境中底物和產物的局部濃度。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用B.載體影響酶分子上的結合水

通過選擇合適的載體可使體系中的水進行有利分配。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用C.通過載體與酶之間形成的多點結合作用，可穩(wěn)定酶的催化活性構象。例：α-胰凝乳蛋白酶與聚丙烯酰胺凝膠共價結合后，在乙醇中的穩(wěn)定性明顯提高，并且對有機溶劑的抗性隨酶與載體間共價鍵數量的增加而增強。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用D.酶動力學影響一個酶同時催化的兩個反應的相對速度。例在低水活度下把胰凝乳蛋白酶固定在聚酰胺載體上，水解反應被抑制卻有利于醇解反應。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用八、酶在微水體系中的應用1、有機合成氧化光學活性物質的合成手性藥物的合成油和脂肪的精制（生物柴油）生物表面活性劑的合成肽的合成其他的專一性合成第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2、化學分析（膽固醇的測定）3、聚合（高聚物合成，環(huán)保材料合成）4、解聚5、外消旋混合物的分離第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用脂肪酸酯的合成酶催化的酯交換反應和酯合成反應也成功的應用到需要量小、價值高的食品、醫(yī)藥產品、化妝品添加劑的合成中。其中包括簡單的烷基、萜烯、硫醇酯以及蠟酯，如異戊酸乙酯、油酸戊醇酯，乙酸牻牛耳春牛兒醇酯、乙酸香茅醇酯，棕櫚酸異丙醇酯等。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用多肽的合成例a-胰蛋白酶可以催化N-乙酰色氨酸與亮氨酸合成二肽水中反應合成率為0.1%以下在乙酸乙酯和微量水組成的系統中，合成率可達100%第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第二節(jié)酶工程在食品工業(yè)中的應用

（一）淀粉糖加工

1.α-淀粉酶（EC3.2.1.1）淀粉內切酶，能隨機水解直鏈或支鏈淀粉分子α-1,4-糖苷鍵生成不同長度的寡糖，液化淀粉速度快，最終產物為α-極限糊精和少量的葡萄糖及麥芽糖。細菌α-淀粉酶熱穩(wěn)定性高，主要用于淀粉高溫液化，作用條件一般為85℃，pH5.5～7.0。

一、酶工程與食品加工第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

2.β-淀粉酶（EC3.2.1.2）一種淀粉外切酶，在淀粉鏈非還原性末端水解α-1,4-糖苷鍵，產生麥芽糖。與α-淀粉酶相同，β-淀粉酶也不能水解α-1,6-糖苷鍵，形成β-極限糊精，麥芽糖的含量僅為60%。如果將β-淀粉酶與脫支酶聯合應用可將淀粉水解成麥芽糖。

β-淀粉酶較佳作用條件為pH6.5～7.0，溫度50℃。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

3.葡萄糖淀粉酶（EC3.2.1.3）也稱糖化酶，主要催化淀粉和寡糖的α-1,4-糖苷鍵水解，從分子的非還原性末端釋放出β-葡萄糖分子。此酶還可緩慢水解α-1,6糖苷鍵和α-1,3糖苷鍵，水解后生成DE值為97～98，葡萄糖含量為95%～97%(w／w)的葡萄糖漿。生成的葡萄糖漿也可以脫水得到結晶葡萄糖，或用作高果糖漿的原料。在pH4.5、35～60℃時，可將α-淀粉酶生成的糊精轉變成葡萄糖。葡萄糖淀粉酶對α-1,6糖苷鍵活性較低，這樣達到所需要的水解程度，要加大酶用量或延長保溫時間，或將該酶與脫支酶聯用。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

4.葡萄糖異構酶（EC5.3.1.5）能夠將葡萄糖轉化成果糖，它是加工果糖和高果糖漿（HFCS）的重要酶類。能產生葡萄糖異構酶的微生物主要有芽孢桿菌、鏈霉菌、密蘇里游動放線菌等。在pH7.5～8.0、55～60℃下作用效果良好。Mg2+是葡萄糖異構酶的穩(wěn)定劑和激活劑，木糖可用于這種酶的誘導。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

5.脫支酶，又稱異淀粉酶（EC3.2.1.68）:能夠專一作用于支鏈淀粉中的α-1,6-糖苷鍵，對于鏈結構中的α-1,6-糖苷鍵不能水解。將這種酶同葡萄糖淀粉酶一起使用，可以產生DE＞96的葡萄糖漿；與β-淀粉酶一起使用，可將液化后的淀粉漿轉化成麥芽糖漿，麥芽糖的產量比β-淀粉酶單獨作用時顯著增加。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

實例果葡糖漿

1.果葡糖漿的功能和應用以淀粉為原料，通過α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解形成葡萄糖，再利用葡萄糖異構酶的異構化反應，制成一種含有果糖與葡萄糖的混合糖漿。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

第一代果葡糖漿含42%的果糖；第二代果葡糖漿也稱為高果糖漿，含果糖55%，甜度約為蔗糖的1.1倍；第三代果葡糖漿被稱為高純度果葡糖漿，果糖含量為90%，甜度為蔗糖的1.4倍。果葡糖漿溶解度高，發(fā)酵性能好，化學穩(wěn)定性高，并且易為人體所吸收，因此，在飲料工業(yè)廣泛應用，在面包、糕點、罐頭和冷飲等領域也有不同程度的應用。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

2.果葡糖漿的酶法合成生產工藝主要包括淀粉的液化、糖化和異構化等步驟。首先，淀粉乳在α-淀粉酶的作用下被液化成DE值為15%～20%的液化液，液化液經調整pH值和溫度，并加入糖化酶進行糖化至糖化液DE值達到96.7%～98%，然后過濾，最后再用活性炭和離子交換樹脂處理，成為凈化的葡萄糖液。被凈化后葡萄糖液通過裝有固定化異構酶的反應器被異構化，最終得到果糖含量在42%左右的果葡糖漿。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（二）乳品加工

1.乳糖酶（EC3.2.1.23）也稱為β-D-半乳糖苷酶，廣泛存在于桃、杏、蘋果等植物及大腸桿菌、乳酸桿菌、酵母菌和霉菌等微生物中，其作用是將乳糖分解形成葡萄糖和半乳糖。（1）乳糖水解乳的加工哺乳動物尤其是人在出生后腸道里具有乳糖酶活性，但斷奶后用其他食物如牛乳等代替母乳，乳糖酶活性逐漸減小甚至無乳糖酶產生，因而引起乳糖不適應癥。食后會引起腹瀉和胃腸不適。乳糖水解乳利用乳糖酶將乳中乳糖水解加工而成，是乳糖不適應癥的理想食品。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

（2）防止乳糖結晶乳糖溶解度較低，在高濃度時會結晶析出，一些濃縮乳清在貯運中會出現乳糖結晶，還有一些濃縮乳制品如甜煉乳，由于乳糖結晶析出影響產品外觀和保藏。若在乳清中添加乳糖酶或在煉乳加工中添加25%～30%乳糖水解乳，可以防止結晶現象，并且增加產品甜度，減少蔗糖用量。（3）縮短乳凝固時間用乳糖水解乳制造酸乳和奶酪等可以加快酸化過程，有助于奶酪結構和風味的形成，并且可縮短乳凝固時間，奶酪凝固也更加堅實。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

（4）乳清糖漿及半乳糖葡萄糖漿的制造及應用乳清是加工干酪及干酪素的副產物，世界年生產量約9×107t，其中一半用于生產乳糖和乳清蛋白，其余一半當廢水排放，不僅污染環(huán)境，而且會流失有價值的營養(yǎng)物。通過乳糖酶水解乳清，使其中4.5%乳糖分解成半乳糖和葡萄糖，所得稱為乳清糖漿。乳清糖漿的甜度達到蔗糖甜度的65%～80%，溶解度增加3～4倍。若再經過葡萄糖異構酶作用，將其中葡萄糖異構化生成果糖，則稱為半乳糖果葡糖漿，其甜度與等濃度的蔗糖相當。水解乳清能夠代替蔗糖作為甜味劑，用于各種點心、飲料、糖果、焙烤食品、罐頭食品及冰淇淋加工。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

2.凝乳酶（EC3.4.4.3）奶酪加工中一個重要的步驟就是要使液態(tài)乳轉變成凝乳，這個凝結過程是采用凝乳酶類來催化完成。乳中的酪蛋白以膠體狀態(tài)存在，其膠粒結構的外圍為κ-酪蛋白，中心為αs1-和β-酪蛋白酸鈣。凝乳酶的作用是使κ-酪蛋白中苯丙氨酸和亮氨酸間鍵的斷裂，酪蛋白膠粒成為亞穩(wěn)態(tài)，內部的αs1-和β-酪蛋白酸鈣會凝聚成較大膠體聚合物沉淀出來形成凝乳。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

傳統使用的凝乳酶是犢牛皺胃酶，但是以犢牛為原料制取凝乳酶遠遠不能滿足干酪生產需要，各國都在尋求新的凝乳酶資源，研究發(fā)現微小毛霉、米曲毛霉及淺白隱球酵母均能產生凝乳酶，微生物凝乳酶具有巨大的開發(fā)潛力，其不足之處是有些酶熱穩(wěn)定性較高，致使在乳制品中殘留量升高。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

3.蛋白酶能夠將乳中的蛋白質分解產生氨基酸和肽類，在奶酪成熟和風味形成中發(fā)揮重要作用。并且能夠縮短全脂奶酪成熟時間，改善低脂奶酪的風味和質地。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用4.脂肪酶在乳品中的應用主要是在干酪生產中，用于加速干酪的成熟，縮短成熟時間，提高生產效率?，F在的干酪生產一般都是同時添加蛋白酶和脂肪酶，以促進干酪的成熟，使干酪產生出其特有的風味。此外，還可將脂肪酶添加到奶油中，以增加奶油的風味。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用5、過氧化氫酶6、溶菌酶可作為防腐劑，它的主要功用是水解細菌細胞壁，在細胞內，則對吞噬后的病原菌起破壞作用.該酶對革蘭氏陽性菌中的枯草桿菌、耐輻射微球菌有分解作用。對大腸桿菌、普通變形菌和副溶血性弧菌等革蘭氏陰性菌也有一定程度溶解作用，其最有效濃度為0.05%。與植酸、聚合磷酸鹽、甘氨酸等配合使用，可提高其防腐效果。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（三）果蔬加工

1.果膠酶（EC3.2.1.15）內切或外切聚半乳糖醛酸酶，存在于真菌、植物和某些細菌中，它們水解聚半乳糖醛酸殘基的α-1,4-糖苷鍵形成小分子果膠，在果蔬加工中應用最多，主要用于果汁和果酒的澄清。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

（1）果汁澄清有些水果如山楂、草莓、柑橘、蘋果、葡萄等含有豐富的果膠，在制汁工藝中，由于果膠產生很高的黏性，影響壓榨取汁和果汁澄清。通常在果實破碎后添加適量果膠酶，在適宜條件下作用一定時間，以分解原料中果膠，加速果汁的壓榨和澄清。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

（2）果酒澄清在現代果酒釀造過程中，已普遍使用果膠酶，它對果酒質量和生產效率發(fā)揮重要作用。在葡萄酒生產中，同果蔬汁加工相同，果膠酶也是在果實破碎后加入，用量為2.5～4mL／100L，處理溫度15～35℃，酶解時間為3～10d。經過果膠酶處理的原酒，其自流汁含量明顯增加，也就是高檔酒產量增加。同時原酒過濾速度加快，色素浸出物增加，能節(jié)約助濾汁皂土30%以上。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

（3）柑橘去囊衣去囊衣柑橘罐頭生產傳統的方法是采用酸或堿處理除去囊衣，這種方法在處理過程中對果肉會造成一定破壞，耗水量也較大，容易形成酸（堿）殘留。利用黑曲霉產生的果膠酶、纖維素酶和半纖維素酶的混合物，在一定溫度、pH值條件下，能有效去除囊衣，處理效果優(yōu)于酸堿法。此外，某些蔬菜、水果經過纖維素酶適當處理，可使細胞壁膨脹軟化，提高其消化性并改進口感。在果蔬汁加工中，纖維素酶與果膠酶一起使用可將汁液中纖維素類物質和果膠物質分解，促進果汁的提取和澄清。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2.纖維素酶（EC3.2.1.4）一組包含果膠酶、蛋白酶、半纖維素酶和核糖核酸酶的多酶復合體，具有很強的降解纖維素和果實細胞壁的功能。纖維素酶能夠將植物纖維素水解為纖維二糖和葡萄糖，使細胞內容物得以充分釋放。（1）果汁澄清纖維素酶經常與果膠酶協同作用進行果汁澄清。在草莓果漿中添加適量的纖維素酶和果膠酶，能有效地提高出汁率，并且縮短壓榨時間。（2）板栗去皮酶法去除板栗外皮能較好地保持果肉營養(yǎng)成分、形狀、口感及色澤。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

3.柚苷酶某些柑橘中含有苦味的物質柚苷，從而會影響到其加工品的風味和質量。真菌柚苷酶能夠將柚苷降解起到脫苦作用。在應用中，一般應選用耐酸性強（pH2.8左右）、酶活性高的柚苷酶制劑添加于果汁中，在30～40℃下處理1～2h，即達到脫苦效果。柑橘罐頭加工中需要進行加熱殺菌，需選用耐熱性強的柚苷酶。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

4.葡萄糖氧化酶能夠將β-D-吡喃葡萄糖氧化形成葡萄糖酸，同時消耗氧氣。果汁中含有的L-抗壞血酸在有氧情況下極易被氧化，尤其在熱加工過程中損失很大。在果汁加工過程中添加一定量的葡萄糖氧化酶，可以通過它這種耗氧性質對L-抗壞血酸起到保護作用。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（四）魚、肉制品加工

1.木瓜蛋白酶來源于番木瓜，是成分復雜的多酶體系，主要包括木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶及番木瓜蛋白酶等，其主要功能是催化蛋白質和肽類水解。目前應用較多的是通過它的蛋白質分解活性，在肉制品加工中用于肉的嫩化。木瓜蛋白酶可使肌原纖維蛋白溶解加快，使肉松化和嫩滑，改善肉的口感，提高其營養(yǎng)價值，促進其消化吸收。木瓜蛋白酶對于肌原纖維蛋白的作用在40～70℃范圍內活性最高。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

2.轉谷氨酰胺酶轉谷氨酰胺酶能催化蛋白質之間發(fā)生交聯反應，在肉品加工過程中，可應用轉谷氨酰氨酶這一特性對低價值碎肉進行重組，提高肉制品的外觀及質構，增加產品的附加值。在魚制品加工中，當原料品質較差時（如凍魚），可以通過添加轉谷氨酰胺酶提高產品的凝膠強度。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（五）油脂改良

脂肪酶（EC3.1.1.3）是油脂改良中的關鍵酶，又稱甘油三酯水解酶，能夠在油－水界面上催化天然油脂水解，生成脂肪酸、甘油和甘油單酯或二酯；在有機相中進行酯的合成和酯交換反應。天然油脂由于其結構組成不同而具有不同的理化性質和營養(yǎng)價值，利用脂肪酶的多種催化類型和脂肪酶作用的專一特性，在適宜的反應條件下，對天然油脂的結構進行改造，能夠合成具有一定營養(yǎng)功能和結構特征的結構脂（structured1ipid），從而合理有效地利用有限的天然油脂資源，并且提高其營養(yǎng)價值，改善其功能特性，促進高附加值產品的開發(fā)和應用。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

1.n-3長鏈聚不飽和脂肪酸的富集目前人類膳食中兩種重要的必需脂肪酸n-6和n-3PUFA（聚不飽和脂肪酸）比例為l∶10～20，明顯高于權威機構推薦的比例1∶3～10。目前，研究人員利用酶工程的方法對海魚魚油中的n-3PUFA進行富集以及合成富含n-3PUFA的甘油酯。通過脂肪酶催化的水解、酸解、醇解、酯化和酯交換等反應途徑實現n-3PUFA在甘油酯中的富集和合成。水解是根據脂肪酶的選擇性，直接作用于魚油，將飽和及單不飽和脂肪酸從甘油三酯中分離出來，而長鏈n-3PUFA仍然留在?；视头肿又?。這樣，通過控制油脂的水解程度能夠達到富集n-3PUFA目的。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2.中（短）鏈脂肪酸酯的合成

中（短）鏈脂肪酸具有氧化穩(wěn)定性、較低的熔點及黏度、代謝容易被吸收并且能夠迅速提供能量等優(yōu)點。近年來有關中（短）鏈脂肪酸甘油酯的合成研究也是油脂改良的重點之一。其中Sn-2和Sn-1／3中（短）鏈脂肪酸甘油酯的合成特別受到關注，作為功能型和營養(yǎng)型甘油酯，它能夠提供容易吸收的脂肪酸，改善人體代謝條件并且治療某些疾病。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

3.可可脂替代品的生產

天然可可脂由于價格昂貴而限制了其在食品中的廣泛應用，有關利用廉價脂肪酶催化生產可可脂替代品的研究受到有關研究者的關注。近年來，國內外對此進行了許多研究，主要方法為利用棕櫚油的分餾產物（POP）與硬脂酸或硬脂酸乙酯由Sn-1（3）脂肪酶作用進行酯交換，合成POS（棕櫚酰油酰－硬脂酸酯）和SOS（硬脂酰－油酰－硬脂酸酯），POS和SOS均為可可脂的主要成分。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

4.塑性脂肪的合成

利用動物脂肪和植物油以適當比例混合進行酯交換反應，在不同條件下可以得到從硬到軟不同的塑性脂肪，產物隨飽和脂肪酸酯含量的改變，熔點有一定變化，塑性范圍（固體酯含量）在15%～35%的塑性脂肪通常涂抹性能良好。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（六）啤酒釀造

1.葡萄糖淀粉酶和β-葡聚糖酶

通常在發(fā)酵后加入，葡萄糖淀粉酶是為了降解殘留的糊精，以保證啤酒的最高乙醇含量。但在釀制鮮啤酒中不加葡萄糖淀粉酶，因為鮮啤酒不經過巴氏殺菌，添加的酶將存留在啤酒中不能除去。

β-葡聚糖酶起到分解β-葡聚糖調節(jié)啤酒酒精度的作用，并且有助于啤酒過濾。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

2.蛋白酶啤酒中的蛋白質與多酚、碳水化合物容易形成復合物，并且產生不溶性膠體沉淀，造成啤酒混濁。用木瓜蛋白酶對冷凍貯存中的啤酒進行處理，降解造成啤酒混濁的蛋白質及其復合物，保證啤酒在冷凍貯存中的高清晰度。同時，由于木瓜蛋白酶的作用產生了更多的肽和氨基酸，能夠起到改善啤酒品質的作用。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用3.葡萄糖氧化酶作為新型生物去氧劑，在啤酒中添加的主要作用是通過與啤酒中的葡萄糖生成葡萄糖酸，除去啤酒中的溶解氧和瓶頸氧。對防止啤酒老化，保持啤酒原有風味，以及延長保質期有顯著效果。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用（七）焙烤食品

1.α-淀粉酶、β-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶與焙烤食品加工過程有關的酶主要為α-淀粉酶和β-淀粉酶，兩者協同作用使淀粉糖化生成葡萄糖、麥芽糖和含有1,6-糖苷鍵的低分子寡糖。酵母麥芽糖酶再將麥芽糖分解為可發(fā)酵的葡萄糖并產生氣體。小麥粉中β-淀粉酶含量和活性基本上能滿足焙烤要求。高精度加工使得小麥粉中α-淀粉酶損失很多、含量較低，產生的糊精濃度較低，最終形成的氣體減少，加工出的面包體積小、質量差。因此，面包加工通常需要補充外源α-淀粉酶。第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用

一般小麥中α-淀粉酶熱穩(wěn)定性好，在烘烤過程中它仍然繼續(xù)作用產生糊精，使得面包變得很黏，細菌α-淀粉酶更為耐熱，用于面包加工也會產生相同問題。而真菌α-淀粉酶，如米曲霉α-淀粉酶在60℃以上失活，可以防止淀粉過度糊化，同時可賦予面包良好的組織質量和良好的色澤，延長貨架壽命。添加葡萄糖淀粉酶能夠獲得足量的葡萄糖供酵母發(fā)酵產氣。

第三章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用2.蛋白酶將蛋白酶添