酶在食品科学中的重要性

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1、第 7 章 酶 (Enzyme)7.1 概述概述7.1.1 酶在食品科学中的重要性酶在食品科学中的重要性很久以前，人类就开始利用酶制备食品，尽管当时人类并没有任何有关催化剂和化学反应本质方面的知识，然而使用酶的技术还是流传了下来。在酿造中利用发芽的大麦来转化淀粉和用破碎的木瓜树叶包裹肉以使肉嫩化，是古代制备食品时使用酶的例子。早期研究消化、发酵和水解反应中的酶都涉及到食品。很长时间以来，食品科学家研究酶在食品体系中的作用，特别是能利用的酶和导致食品腐败的酶备受关注。在生物体内，酶控制着所有的生物大分子（蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸）和小分子（氨基酸、糖、脂肪和维生素）的合成和分解。由于食品加

2、工的主要原料是生物来源的材料，因此，在食品加工中的原料部分含有种类繁多的内源酶，其中某些酶在原料的加工期间甚至在加工过程完成后仍然具有活性。这些酶的作用有的对食品加工是有益的；例如牛乳中的蛋白酶，在奶酪成熟过程中能催化酪蛋白水解而赋予奶酪以特殊风味；而有的是有害的，例如番茄中的果胶酶在番茄酱加工中能催化果胶物质的降解而使番茄酱产品的粘度下降。除了在食品原料中存在着内源酶的作用外，在食品加工和保藏过程中还使用不同的外源酶，用以提高产品的产量和质量。例如使用淀粉酶和葡萄糖异构酶生产高果糖浆，又如在牛乳中加入乳糖酶，将乳糖转化成葡萄糖和半乳糖，制备适合于有乳糖缺乏症的人群饮用的牛乳。因此，酶对食品工

3、业的重要性是显而易见的。如何有效地使用和控制外源酶和内源酶，需要我们掌握酶的基本知识，包括酶的本质，酶是怎样作用于底物和如何控制酶的作用等。7.1.2 酶在食品原料中的分布酶在食品原料中的分布食品原料中酶的分布是不均匀的。所有动植物源性食品的组织和器官中都含有一定量的酶，这些酶对于动植物的生长和发育来说具有十分重要的作用，且在分解或影响酶的活性条件改变之前这些酶都一直保持其活性。一般来说，这些酶的活性在贮藏期间有所增强。食品加工中常用破坏动植物细胞的方法使酶释放出来以产生作用，或使酶失活以中断它的方法来控制加工过程与改善品质，例如，细胞破碎时多酚氧化酶被释放，使氧气与多酚化合物作用产生酶促褐变

4、，即能生成红茶所需宜的色素。但这类变化对于水果和蔬菜（如香蕉和土豆）来说则是非需宜的变化，会引起产品品质的下降。大部分酶与细胞膜或细胞器的膜结合在一起，只有在不正常的环境条件下，酶才会从生物膜溶解出来。一般来说，不同的酶存在于不同的细胞中，表 7-1 中给出了动物细胞中不同细胞器酶的分布。（1）内质网核糖体 至少有 100 多种酶附着在内质网上。收获后促进成熟的酶在完整的内质网内合成，若细胞破碎，内质网不完整则无法进行成熟，与内质网核糖体上的脂蛋白紧密结合的细胞色素能催化脂质氧化，产生不良气味。（2）细胞膜 细胞膜上有许多需要金属离子（Zn2+，Mg2+，Na+，K+）磷酸脂酶，如ATP 酶等

5、，当细胞膜破坏时，细胞内物质就被释放出来。（3）线粒体 线粒体中的酶对食品品质影响很大，例如，果蔬成熟过程中及合成所需的能量来源都是由线粒体内进行的氧化磷酸化作用产生的 ATP 供给。线粒体受损后释放水解酶分解组织内的成分，使食物变软并产生风味。线粒体中的细胞色素能促使脂蛋白膜的脂肪进行氧化作用。（4）叶绿体 叶绿体是植物进行光合作用的场所。叶绿体在光合作用过程中能合成叶绿素和类胡萝卜素，后者是维生素 A 源，因此，是重要的着色剂。叶绿体在加工过程中易被破坏。所含的多酚氧化酶和叶绿素酶能使颜色产生变化，需热烫才能防止。叶绿体中还含细胞色素系统，催化脂质的光氧化作用，形成过氧化物并产生不良气味。

6、（5）过氧化物酶体 内含氧化酶及过氧化氢酶，当过氧化物体破裂，酶游离出来会使食品氧化变质。（6）溶酶体 它是与食品品质变化最密切的细胞器。其中含有许多水解酶，这些水解酶能水解核酸、脂质、蛋白质、碳水化合物、磷酸盐等，几乎大小分子都能水解，而且水解得很彻底。食品中自溶作用的酶都来自溶酶体，如组织蛋白酶是肉熟化与动物组织自溶作用的最大因素。溶酶体在加工过程中受到伤害（如冰冻时产生结晶，体积变大膜被胀破，解冻时则流出）时酶就游离出来。（7）细胞质 细胞质中有许多种酶，其中与食品加工关系最密切的是糖酵解酶系，如肌肉在屠宰后能在无氧条件下进行糖酵解作用。表表 7-1 动物细胞中不同部位所含的酶动物细胞中

7、不同部位所含的酶部 位酶细胞核DNA 依赖性 RNA 聚合酶，多聚腺嘌呤合成酶线粒体琥珀酸盐脱氢酶，细胞色素氧化酶，谷氨酸盐脱氢酶，苹果酸盐脱氢酶， -酮戊二酸盐脱氢盐，丙酮酸盐脱羧酶溶酶体组织蛋白酶 A、B、C、D、E，胶原酶，酸性核糖核酸酶，酸性磷酸酶， 乳糖酶，唾液酸酶，溶解酵素，甘油三酯脂肪酶过氧化物体过氧化氢酶，尿酸盐过氧化酶，D-氨基酸氧化酶内质网、高尔基复合体葡萄糖-6-磷酸酶，核苷二磷酸化酶，核苷磷酸化酶可溶性酶乳酸脱氢酶，磷酸果糖激酶，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，转酮醇酶胰腺酶原颗粒胰凝乳蛋白酶源，脂肪酶，淀粉酶，核糖核酸酶摘自 Whitaker (1994).此外，酶不但在各种

8、细胞器中有不同的分布，而且在食品的不同部位酶的分布与种类也不尽相同，甚至随生长期不同也会有所差异。例如牛奶中有 20 种酶，而另一些酶来自白血球或牛奶中的微生物。鸡蛋蛋白中约含 3.5%（干重）的溶菌酶。麦粒中约含有 55 种酶，外层酶较少。糊粉层则含有多种酶，浓度也很高。胚乳中酶的浓度较低，但因占麦粒总量82%，故总量相当多。胚中也含多种的酶。肌肉组织中含有与糖酵解和氧化磷酸化作用有关的酶。7.2 酶的化学本质与分类酶的化学本质与分类 7.2.1 酶的化学本质酶的化学本质酶（enzyme）是由活生命机体产生的具有催化活性的蛋白质，只要不是处于变性状态，无论是在细胞内还是在细胞外，酶都可发挥其

9、催化作用。关于酶是否蛋白质的问题，在 20世纪初曾有过争论。1926 年萨姆纳（Sumner）首次从刀豆提取液中分离纯化得到脲酶结晶，并证明它具有蛋白质的性质，提出酶的本质是蛋白质的观点。在 20 世纪 80 年代之前，纯酶结晶状态，酶的化学结构和立体结构以及人工合成酶的成功实践，一致认为酶的化学本质是蛋白质。20 世纪 80 年代，酶学领域的最大突破之一是 1982 年 Cech 在研究四膜虫 26S rRNA时，发现了一种具有催化功能的 RNA 分子即通常所说的核酶（ribozyme） ，近年来又陆续发现了不少 RNA 具有催化活性，还发现了一些与其催化活性相关的结构，如锤头结构。至此，人

10、们对酶的本质又有了新的认识，酶的本质也发生变化，即酶是由活生命机体产生的具有催化活性的生物大分子物质。1995 年，Cuenoud 等还发现有些 DNA 分子亦具有催化活性。Cuenoud 等在体外筛选到一些 DNA 序列，它们可以将自身 5 羟基与寡聚脱氧核苷酸的活化的 3 磷酸咪唑基团相连结。但是，在生物体内，除少数几种酶为核酸分子外，大多数的酶类都是蛋白质。从上述可知，酶是生物大分子，有许多实验证明，酶在催化反应中并不是整个酶分子在起作用，起作用的只是其中的某一部分，如，溶菌酶肽链的第一至三十四个氨基酸残基切除后，其催化活性并不受影响，这说明了酶催化底物发生反应时，确实只有酶的某一特定部

11、位在起作用。因此，把酶分子中能与底物直接起作用的特殊部分，称为酶的活性中心。在蛋白质酶中，常见的酶活性中心的基团有：Ser-OH、Cys-SH、His 咪唑基、Asp-COOH、GlyCOOH、Lys-NH3等。根据与它们与底物作用时的功能分为两类：与反应底物结合的称结合基团，一般由一个或几个氨基酸残基组成；促进底物发生化学变化的称催化基团，一般由 23 个氨基酸残基组成。不同酶的活性中心是由于不同酶的完整的空间结构所致，如果酶蛋白变性，其立体结构被破坏，则活性中心的构象相应也会受到破坏，酶则失去活力。7.2.2 酶的催化特性酶的催化特性酶和一般化学催化剂相比，酶具有下列的共性和特点。7.2.

12、2.1 共性酶与一般催化剂相比，具有下面几个共性：具有很高的催化效率，但酶本身在反应前后并无变化。酶与一般催化剂一样，用量少，催化效率高；不改变化学反应的平衡常数。酶对一个正向反应和其逆向反应速度的影响是相同的，即反应的平衡常数在有酶和无酶的情况下是相同的，酶的作用仅是缩短反应达到平衡所需的时间；降低反应的活化能。酶作为催化剂能降低反应所需的活化能，因为酶与底物结合形成复合物后改变了反应历程，而在新的反应历程中过渡态所需要的自由能低于非酶反应的能量，增加反应中活化分子数，促进了由底物到产物的转变，从而加快了反应速度。7.2.2.2 特点酶作为生物催化剂，还具有以下不同于化学催化剂的特点。（1）

13、专一性（specificity） 酶与化学催化剂之间最大的区别就是酶具有专一性，即酶只能催化一种化学反应或一类相似的化学反应，酶对底物有严格的选择。根据专一程度的不同可分为以下 4 种类型。键专一性（bond specificity） 这种酶只要求底物分子上有合适的化学键就可以起催化作用，而对键两端的基团结构要求不严。基团专一性（group specificity） 有些酶除了要求有合适的化学键外，而且对作用键两端的基团也具有不同专一性要求。如胰蛋白酶仅对精氨酸或赖氨酸的的羧基形成的肽键起作用。绝对专一性（absolute specificity） 这类酶只能对一种底物起催化作用，如脲酶，它只

14、能作用于底物尿素。大多数酶属于这一类。立体化学专一性（stereochemical specificity） 很多酶只对某种特殊的旋光或立体异构物起催化作用，而对其对映体则完全没有作用。如 D-氨基酸氧化酶与 dl-氨基酸作用时，只有一半的底物（D 型）被分解，因此，可以此法来分离消旋化合物。利用酶的专一性还能进行食品分析。酶的专一性在食品加工上极为重要。（2）活性容易丧失 大多数酶的本质是蛋白质。由蛋白质的性质所决定，酶的作用条件一般应在温和的条件下，如中性 pH、常温和常压下进行。强酸、强碱或高温等条件都能使酶的活性部分或全部丧失。（3）酶的催化活性是可调控的 酶作为生物催化剂，它的活性受

15、到严格的调控。调控的方式的许多种，包括反馈抑制、别构调节、共价修饰调节、激活剂和抑制剂的作用。7.2.3 酶催化专一性的两种学说酶催化专一性的两种学说 酶为什么具有很高的催化效率呢？一般认为是酶降低了化学反应所需的活化能。所谓活化能，就是指一般分子成为能参加化学反应的活化分子所需的能量。然而在一个化学反应中并不是所有的底物分子都能参加反应的，因为它们并不一定都是活化分子。活化分子是指那些具备足够能量能够参加化学反应的分子。要使化学反应迅速进行，就要想办法增加活化分子。增加活化分子的途径有两条：一是外加能量，对进行中的反应加热或光照，增加底物分子的能量，从而达到增加活化分子的目的；第二是降低活化

16、能，使本来不具活化水平的分子成为活化分子，从而增加了反应的活化分子数目。在研究酶促反应的机理时，不得不提到过渡态理论或中间产物理论。1913 年生物化学家 Michaelic 和 Menten 提出了酶中间产物理论。他们认为：酶降低活化能的原因是酶参加了反应而形成了酶-底物复合物（enzyme-substrate complex） 。这个中间产物不但容易生成（也就是只要较少的活化能就可生成） ，而且容易分解出产物，释放出原来的酶，这样就把原来能阈较高的一步反应变成了能阈较低的两步反应。由于活化能降低，所以活化分子大大增加，反应速度因此迅速提高。如，以 E 表示酶，S 表示底物，ES 表示中间产物，P 表示反应终产物，其反应过程可表示如下：PEESES这个理论的关键是认为酶参与了底物的反应，生成了不稳定的中间主产物，因而使反应沿着活化能较低的途径迅速进行。事实上，中间产物理论已经被许多实验所证实，中间产物确实存在。（1）锁和钥匙学说（lock-and-key model theory）已经提出了两种模型解