《食品酶学绪论》PPT课件.ppt

食品酶学,食品酶学课程,课程编码：08383004课程名称：食品酶学英文名称：Food Enaymology 学时/学分：30/1.5 课程类型：学科基础限选课开课专业：食品科学与工程专业、食品质量与安全专业选用教材：何国庆主编：食品酶学 化学工业出版社2006年版。,食品酶学教学内容,第一章 绪论第二章 酶在食品工业中的应用（重点）第三章 酶学基础知识第四章 酶工程（重点）酶的生产 酶的分离纯化技术 酶的固定化技术 酶分子修饰与改造第五章 食品工业中应用的酶,主要参考书,1、王璋主编：食品酶学，中国轻工业出版社1997年版。2、彭志英主编：食品酶学导论，中国轻工业出版社2002年版。3、郭勇，郑穗平主编：酶学，华南理工大学出版社2000年版。4、主编，李雁群，肖功年译：酶在食品加工中的应用（第二版），中国轻工业出版社2002年版。5、郭勇，郑穗平主编：酶在食品工业中的应用，中国轻工业出版社1996年版。6、周晓云主编：酶学原理与酶工程，中国轻工业出版社2005年版。7、罗贵民主编：酶工程，化学工业出版社2003年版。,几点要求,1、要求学生保证上课出勤率，病、事假需要有假条，并在每次上课之前由班长或课代表转交任课教师；2、课堂上请关闭手机；3、上课注意力集中，请保持与老师授课内容同步，并认真记好各个补充的知识点；4、成绩评定：总成绩=10%出勤率+30%综述性论文+60%期末闭卷考试成绩,酶的应用可以追溯到几千年前；对酶的真正发现和对酶本质的认识直到19世纪中叶才开始起步；随着现代科技的发展和人们对酶本质认识的不断深化，酶的定义也不断变化。,第一章 绪论,20世纪80年代初，Cech和Altman等发现具有催化功能的RNA一核酶，不但打破了酶是蛋白质的传统观念，开辟了酶学研究的新领域。,更加科学的定义：酶是由生物活细胞所产生的、具有高效和专一催化功能的生物大分子。,Dixon和Webb在1979年的著作中对酶定义为：“酶是一种由于其特异的活性能力而具有催化特性的蛋白质”。,1.1 酶的定义,酶的核心本质：酶是催化剂；酶是生物催化剂。,酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的共有特性：只改变反应的速率而不改变反应性质、反应方向和反应平衡点；在反应过程中不消耗；可降低反应的活化能。,酶作为生物催化剂，具有一般催化剂所不具有的特殊性能：高效性 酶参与反应比非酶促反应速率高1081020倍，比其他催化反应高1071013倍。高度专一性酶对催化反应的反应性质和反应底物都有严格的 选择性，只能催化一种或一类的反应，作用于一 种或一类的底物。易变性 酶活力与结构状态密切相关，任何使其结构发生变化 的因素都会引起其催化功能的变化甚至完全丧失。因此，酶促反应必须在温和的条件下进行。高度受控性 酶的催化活力在体内或体外受到多种因素调节 和控制，如基因表达、辅助因子、存在状态、反馈抑制、底物水平、激素水平、激活剂、抑制剂、温度、pH，酶原激活等。代谢相关性 在生物体内，酶控制着所有重要生物大分子（蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸）和小分子（氨基酸、糖和维生素）合成和分解。,1.2 酶学研究内容,酶学（Enzymology）：研究酶的性质 酶的作用规律 酶结构和作用原理 酶的生物学功能 酶的应用的一门科学。酶学的重点研究范畴：酶的生物合成机理 酶的生产及调节控制 酶的分离提纯 酶作用特性和反应动力学 酶的催化作用机制 酶的固定化技术 酶的应用等内容。,食品酶学（food enaymology）是酶学的基本理论在食品科学与技术领域中应用的科学，是酶学的重要分支学科。食品酶学主要研究内容：食品原料和产品中酶的性质、结构、作用规律以及对食品储藏、加工和食用品质的影响，食品级酶的生产及其在食品储藏、加工等环节的应用理论与技术等。,1.3食品酶学研究内容,1.4 食品酶学的发展简史,（一）无意识的应用阶段 远古时代追溯到远古时代，但当时并不知道酶是何物，也不了解其性质，但根据生产和生活的经验积累，已经把酶利用到相当广泛的程度。4000多年前的夏禹时代，酿酒就已经盛行；3000多年前的周朝，利用麦曲将淀粉降解为麦芽糖制造饴糖；2500多年前的春秋战国时期，利用酒曲来治疗肠胃病，用鸡内金治疗消化不良等。,（二）真正认识阶段：19世纪开始认识酶的存在和作用，并在随后的近100多年内取得了奠定酶学研究的许多重要结果,1810年Jaseph Gaylussac发现酵母可将糖转化为酒精；,1833年，Payee和Persoz从麦芽的水提物中用酒精沉淀法得到淀粉酶（diastase）。当时抽提、沉淀等提纯方法，得到了一种无细胞制剂；指出催化特性和不稳定性，已经开始触及到酶的一些本质问题，因此一般认为他们是最早的酶的发现者。,。,1836年,德国生理学家Theodor Schwann在研究消化过程时，分离出一种在胃内消化蛋白的物质，将它命名为胃蛋白酶。这是第一个从动物组织中提取到的酶。,（二）真正认识阶段,1883年,Johan Kjeldahl建立了一套检测有机物中-3价氮的方法，即为测定氮含量的方法。,（二）真正认识阶段,1857年，微生物学家Louis Pasteur等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果，他认为只有活的酵母细胞才能进行发酵，使酶学的研究走了弯路。Liebig反对这种观点，他认为发酵现象是由溶解于酵母细胞液中的酶引起的。1878年，Kuhne将酶统一叫Enzyme，来自希腊文，其意思“在酵母中”，中文译为“酶”或“酵素”。1835 1837年，Berzelius提出了催化作用的概念，该概念对酶学和化学的发展都十分重要。可见对于酶的认识一开始就与它具有催化作用的能力联系在一起。,（二）真正认识阶段,1894-1913年,德国化学家Emil Fisher根据糖化酶的特点建立了钥匙-锁理论，用以解释酶作用的专一性。,（二）真正认识阶段,1896年，德国学者Buchner兄弟用石英砂磨碎的酵母细胞或酵母的无细胞抽提液也能使糖发酵产生酒精，这种能发酵的成分称为酒化酶（zymase）。为此，Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖。一般认为酶学研究始于1896年Buchner的发现。1903年，Henri提出了酶与底物作用的中间复合物学说。,（二）真正认识阶段,1913年，Michaelis和Menten总结了前人工作推导出了酶催化反应的动力学方程米氏方程，对酶反应机理的研究是一个重大的突破。1925年Briggs和Handane对米氏方程作了一项重要的修正，提出了稳态学说。但至此人们还没有搞清楚这种具有催化功能的物质究竟属于哪一类物质。,（二）真正认识阶段,1926年，美国化学家Sumner从刀豆提取出了脲酶（crease）并获得结晶（这是第一个酶结晶），证明脲酶具有蛋白质性质。,1953-1958年,Watson 和 Crick发现DNA是双螺旋结构。,（二）真正认识阶段,19301936年，Northrop和Kunitz得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并证实酶是一种蛋白质，为此Summer和Northrop于1949年共同获得诺贝尔化学奖。20世纪5060年代，Koshland提出了“诱导契合”理论，搞清了某些酶的催化活性与生理条件的变化有关。1965年，Phillips首次用X射线晶体衍射技术阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构，为以后酶结构、功能以及催化机制的研究奠定了良好的基础。Cech（1982年）和Altman（1983年）分别发现了具有催化功能的RNA一核酶，这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念，开辟了酶学研究的新领域，为此Cech和Altrman于1989年获得诺贝尔化学奖。,（二）真正认识阶段,（三）酶制剂研究和应用阶段,1894年，高峰让吉用米曲霉固体培养法生产世界上第一个商品酶制剂产品“他卡”淀粉酶。从20世纪 50年代初开始酶及产酶细胞的固定化技术，使酶学从理论到生产实践得到了迅速的发展。近54年来，酶科学飞速发展，特别是酶应用的推广，形成了酶工程。1953年，Crubhofer和Schleith酶的固定化研究，将胃蛋白酶、淀粉酶等结合在重氮化的树脂上，实现了酶的固定化。20世纪60年代起酶固定化研究渐成气候。,1969年日本千烟一郎第一个把固定化酶应用于工业生产固定化氨基酰化酶大规模生产L-氨基酸。美国从20世纪70年代初使玉米淀粉液化、糖化和异构化，并已成功地工业化生产第一代、第二代和第三代高果糖浆（HFGS）。高果糖浆可以代替蔗糖作为食品的甜味剂，仅美国的可口可乐和百事可乐两家饮料公司，每年就可消耗高果糖浆五六百万吨，既提高了饮料质量。又有利于人的健康，是一个非常成功的技术革新。尔后日本、法国、中国等国家先后投入高果糖浆的生产，并且随着生产技术和工艺的不断改进，高果糖浆的成本也不断下降。近年来。虽然蔗糖的价格不断下跌，但高果糖浆工业已发展壮大，其价格仍比蔗糖低10%15%。,（三）酶制剂研究和应用阶段,1965-1974年，淀粉分解成糖的，不含转葡萄糖苷酶的葡萄糖淀粉酶上市，微生物酶类应用于食品工业的首次重大突破于20世纪60年代发生。,（三）酶制剂研究和应用阶段,自20世纪80年代基因工程技术诞生以来，对酶学的研究与应用技术也产生了深刻的影响。基因工程技术不但促进了基础酶学的研究，如酶基因的克隆、酶催化机理的研究等，同时也促进了酶在食品工业中的应用，奠定了现代食品酶学的重要发展方向。,（三）酶制剂研究和应用阶段,到目前为止，在基因工程中应用的工具酶已有500多种，主要的工具酶有限制性内切酶,DNA连接酶,DNA聚合酶等。克隆酶新技术不断出现，特别是在微生物中高效表达，可通过发酵进行大量生产，目前已有100多种酶基因克隆成功。制造干酪的凝乳酶，过去是从小牛皱胃中提取的，而每年需要宰杀4000多万头小牛，现在，采用基因工程技术，把小牛皱胃中凝乳酶的基因转移至大肠杆菌或酵母菌中，便可通过微生物发酵广泛生产凝乳酶了。,（三）酶制剂研究和应用阶段,食品工业中应用酶来源：动物、植物和微生物，主要为水解酶。作为食品工业应用酶则必须考虑：安全性法规容许成本来源稳定性纯度专一性催化某反应的能力在加工过程中保持稳定等。,1.5 食品工业应用酶,动物的酶：从动物的脏器如胃黏膜、胰脏和肝脏中提取得到，如胃蛋白酶和凝乳酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等。食品工业植物酶的：大麦芽、菠萝、木瓜、无花果和大豆粉等提取得到，淀粉酶、淀粉酶、菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶及无花果蛋白酶等。食品工业应用酶主要包括：糖酶、蛋白酶、酯酶、多酚氧化酶、葡萄糖氧化酶、过氧化物酶、脂肪氧合酶等。（详见教材第六章，将在后面做专题讲授）,1.5 食品工业应用酶,食品工业中应用的酶制剂,1.5 食品工业应用酶,1.5 食品工业应用酶,1.5 食品工业应用酶,1.5 食品工业应用酶,1.6 食品酶学发展趋势,（1）基础研究更加深入 基础研究任务：深入揭示酶的结构和功能的关系、酶的催化机制与调节机制、酶基因的克隆与酶表达特性以及酶与食品品质的关系等。近20年来有不少酶的作用机制被阐明。随着DNA重组技术及聚合酶链式反应技术的广泛应用，酶结构与功能的研究进入了新阶段。只有具有了良好的基础研究成果，才能进一步设计酶、改造酶，为酶在食品领域中的应用奠定坚实的基础。,（2）应用领域更加广泛 食品工业中各个环节，如原料品质改良、储藏保鲜、食品加工、食品分析等，酶无论是对传统产品（如发酵食品等）还是对新型产品（如功能食品等）都起着越来越重要的作用。,（3）酶工程日益成为食品酶学的重点 酶工程的任务是要解决如何更经济有效地进行酶的生产、制备与应用，将基因工程、分子生物学成果用于酶的生产，进一步开发固定化酶技术与酶反应器。,1.6 食品酶学发展趋势,（4）基因工程等新技术的促进 利用基因工程技术改良的微生物生产凝乳酶则是最为成功的典范。凝乳酶、a-淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶、转化酶、脂肪酶、一半乳糖昔酶、一半乳糖昔酶、a一乙酸乳酸脱羧酶、溶菌酶、碱性蛋白酶等食品酶制剂都实现了转基因微生物的生产被分别用于酿造、淀粉修饰、葡萄糖酸生产、食品保鲜、果葡糖浆生产、转化糖生产、特种脂肪生产、修饰食品胶、乳清的利用、乳制品生产、啤酒酿造、大豆制品加工等领域。,1.6 食品酶学发展趋势,（5）开发食品领域应用的新酶源 全世界工业用酶的销售可达20亿美元，但是大部分的酶主要应用在非食品领域，如洗衣粉和动物饲料等行业。在食品中应用的酶大约只占整个酶市场25%。现在食品生产领域广泛应用的酶也主要集中在几类传统的水解酶上，如凝乳酶用于生产奶酪已有几十年的历史。,1.6 食品酶学发展趋势,目前，酶制剂的应用领域在味精、酒精、葡萄糖、山梨醇、异维生素C钠、饴糖、果葡糖浆、麦芽糊精、啤酒、白酒、黄酒、柠檬酸、乳酸、低聚糖等几十个食品行业，取得了显著的经济效益和社会效益。酶的应用使葡萄糖、饴糖、啤酒、酒精、白酒等的生产获得了显著的效益。,第二章 酶在食品工业的应用,第二章 酶在食品工业的应用,2.1 淀粉糖的生产以淀粉为原料，经淀粉酶和葡萄糖淀粉酶催化水解，得D葡萄糖，将它通过固定化D葡萄糖异构酶柱完成由D葡萄糖至D果糖的转化，再通过精制、浓缩等手段，即可得到不同种类的高果糖浆。,2.2 甜味剂的生产 国外大量生产的阿期巴甜（天门冬酰丙氨酸甲酯，APM）就是一种高甜度的甜味剂。阿期巴甜是二肽甜味剂，其甜度是蔗糖的200倍。过去是以L天冬氨酸与L 苯丙氨酸为原料用化学法合成。日本采用酶法合成新工艺，用较低价格的DL苯丙氨酸为原料，且产品型体（型体有苦味），使生产成本下降 30%。,第二章 酶在食品工业的应用,2.3 乳品加工,（1）干酪生产 干酪生产的第一步是将牛奶用乳酸菌发酵制成酸奶，然后加凝乳酶水解K-酪蛋白，在酸性条件下，钙离子使酪蛋白凝固，再经切块加热压榨熟化而成。,（2）分解乳糖 牛奶中含有4.5%的乳糖。乳糖是一种缺乏甜味且溶解度很低的双糖，难于消化。有些人饮奶后常发生腹泻、腹痛等病，其原因即在于此。而且由于乳糖难溶于水，常在炼乳、冰淇琳中呈砂状结晶析出，从而影响食品风味。将牛奶用乳糖酶处理，使奶中乳糖水解为半乳糖和葡萄糖即可解决上述问题。,2.4 肉类和鱼类加工（1）改善组织、嫩化肉类 酶技术可以促使肉类嫩化。幼动物的胶原蛋白中，不耐热交联键多，一经加热即行破裂，肉是得嫩；而老动物的肉因耐热键多，烹煮时软化较难，因而肉质显得粗糙，难以烹调，口感亦差。采用蛋白酶可以将肌肉结缔组织中胶原蛋白分解，从而使肉质嫩化。作为嫩化剂的蛋白酶可以分为两类：最常用的一类是植物蛋白酶，另一类是微生物蛋白酶。,第二章 酶在食品工业的应用,2.4 肉类和鱼类加工（2）转化废弃蛋白 将废弃的蛋白、如杂鱼、动物血、碎肉等用蛋白酶水解，抽提其中蛋白质以供食用或用作饲料，是增加人类蛋白质资源的一项有效措施。其中以杂鱼及鱼厂废弃物的利用最为瞩目。海洋中许多鱼类因其色泽、外观或味道欠佳等原因，都不能食用，而这类水产却高达海洋水产的80%左右。采用这项生物技术新成果，使其中绝大部分蛋白质溶解，经浓缩干燥可制成含氮量高、富含各种水溶性维生素的产品，其营养不低于奶粉，可掺入面包、面条中等食用，或用作饲料，其经济效益十分显著。,第二章 酶在食品工业的应用,2.5 果蔬加工（1）水果罐头加工 制作桔子罐头时需除桔瓣囊衣，过去使用碱处理法，耗水量大，又费工时。现采用黑曲霉产生的半纤维素酶、果胶酶和纤维素酶的混合物，可很好地除去桔瓣囊衣，而避免上述缺点。桔子罐头常发白色浑浊，这是同桔肉中橙皮苷造成的。采用橙皮苷酶，可将橙皮苷水解成为水溶性的橙皮素，从而消除桔子罐头的白浊现象。桃果实含有红色花青素，罐藏时同金属离子作用而呈紫褐色。采用花青素酶处理桃酱、葡萄汁等，即可脱色而提高经济价值。这是因为花青素酶可以水解花青色素，使之变为无色物质。,第二章 酶在食品工业的应用,（2）柑桔类脱苦 柑桔类脱苦问题历来是果品加工中的一大问题。桔子中的柠檬苦素是引起桔汁产生苦味的原因，利用球形节杆菌固定化细胞的柠檬酶处理即可消除苦味。,第二章 酶在食品工业的应用,（3）酶在果汁加工,水果中均含有果胶物质。果胶的重要特性之一，就是在酸性和高浓度的糖存在时，即可形成凝胶。这一性质是制造果冻、果酱的基础。但在果汁加工上，却造成了压榨、澄清的因难。现采用果胶酶处理破碎的果实，即可加速果汁过滤和促进澄清。,2.6 焙烤食品 面粉中添加-淀粉酶可调节麦芽糖的生成量，使二氧化碳产生和面团气体保持力相平衡。添加蛋白酶可促进面筋软化，增加延伸性，减少揉面时间和动力，改善发酵效果。用蛋白酶强化的面粉制通心粉制通心面条，延伸性好，风味佳。用-淀粉酶强化面粉可防止糕点老化。糕点制作使用转化酶可使蔗糖水解为转化糖，从而防止糖浆析晶。面包制作中适当添加脂肪酶可增进面包的香味，这是因为脂肪酶可使乳脂中微量的醇酸或酮酸的甘油酯分解，从而生成-内脂或甲酮等香味物质。,2.7 酿酒 啤酒是以麦芽为原料，经糖化发酵而成的酒精饮料。麦芽中含有发酵所必需的各种酶类。采用微生物淀粉酶、蛋白酶、-淀粉酶、-葡聚酶等酶制剂，可补充酶活力的不足。果酒酿造中采用酸性蛋白酶、淀粉酶、果胶酶可消除浑浊，改善破碎果的榨汁操作。白酒生产中采用糖化酶代替麸曲可使出酒率提高2%7%，这既能节约粮食，又可简化设备，节省厂房。,第二章 酶在食品工业的应用,2.8 内源酶与外源酶的应用领域,内源酶对食品质量的影响食品质量因素包括颜色、质地、风味和营养等多方面，食物的生长和成熟过程都离不开酶的作用，食物的采收、保藏和加工条件都会显著影响食品变化的速率，从而影响食品的品质。食物内源酶对食品质量（包括食品的感官指标、理化指标及卫生要求等）的影响是很大的，有可能产生好的效果，也有可能产生坏的作用。如何在生产中利用酶的特性，以达到我们所期待的结果，具有重要的意义。,2.9 内源酶在食品工业中的应用,内源酶对食品颜色的影晌脂肪氧合酶催化不饱和脂肪酸的氧化作用，形成的自由基中间产物和氢过氧化物会引起叶绿素和胡萝卜素等色素的降解而导致退色；叶绿素酶催化叶绿素水解生成植醇和脱植基叶绿素；多酚氧化酶催化两类完全不同的反应，一类是羟基化反应，另一类是氧化反应。导致香蕉、苹果、桃、马铃薯、蘑菇等发生不希望的褐变，然而，对茶叶、咖啡和梅干等产生希望的褐变。,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,内源酶对食品风味的影响食品中许多风味物质的形成和失去都与多种酶的作用有关。食品在加工和储藏过程中，由于酶的作用可能使原有的风味减弱或失去，甚至产生异味。过氧化物酶是一种非常耐热的酶，存在于所有高等植物中，通常将过氧化物酶作为一种控制食品热处理程度的指示剂。同样也可以根据酶作用产生的异味物质作为衡量酶活力的灵敏方法。即使经热处理后的过氧化物酶，当在常温下保存，酶活力仍能恢复。此外，过氧化物酶在催化过氧化物分解的过程中，同时产生了自由基，能引起食品的变质。,2.9 内源酶在食品工业中的应用,ROOH AH2,H2O ROH A,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,内源酶对食品质地的影响质地对于食品的质量是一项至关重要的指标，水果和蔬菜的质地主要与复杂的糖类有关，如与果胶物质、纤维素、半纤维素、淀粉和木素有关。果胶甲酯酶水解果胶物质生成果胶酸，Ca2+与果胶酸的羧基发生交联，会提高食品的质地强度；聚半乳糖醛酸酶水解果胶物质分子中的a一1，4一糖苷键，将引起某些食品原料物质（如番茄）的质地变软；淀粉酶对食品的品质的影响主要体现在为食品提供黏度和质地；组织蛋白酶存在于动物组织细胞的溶酶体内，在酸性pH下具有活性，当动物屠宰后其pH下降，这些酶可能导致肌肉细胞中的胞外结缔组织分解。,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,内源酶对食品营养质量的影晌酶对食品营养影响的研究相对报道较少。脂肪氧合酶：已知脂肪氧合酶氧化不饱和脂肪酸会引起亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸这些必需脂肪酸含量降低，同时产生过氧自由基和氧自由基，这些自由基将使食品中的类胡萝卜素、维生素E、维生素C和叶酸含量减少，破坏蛋白质中的半胱氨酸、酪氨酸、色氨酸和组氨酸残基，或者引起蛋白质交联。一些蔬菜（如西葫芦）中的抗坏血酸能够被抗坏血酸酶破坏。硫胺素酶：硫胺素酶会破坏氨基酸代谢中必需的辅助因子硫胺素。多酚氧化酶：多酚氧化酶不仅引起褐变，使食品产生不良的颜色和风味，而且还会降低蛋白质中的赖氨酸含量，造成营养价值损失。,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.9 内源酶在食品工业中的应用,2.10淀粉酶在食品工业中的应用,2.10淀粉酶在食品工业中的应用,2.11纤维素酶在食品工业中的应用,2.11纤维素酶在食品工业中的应用,2.12果胶酶在食品工业中的应用,2.13脂肪酶在食品工业中的应用,2.14蛋白酶在食品工业中的应用,2.14蛋白酶在食品工业中的应用,2.14蛋白酶在食品工业中的应用,2.14蛋白酶在食品工业中的应用,2.14蛋白酶在食品工业中的应用,2.14蛋白酶在食品工业中的应用,2.14蛋白酶在食品工业中的应用,2.15乳糖酶在食品工业中的应用,谢谢大家！,