果膠酶的研究及其應(yīng)用

1、果膠酶的研究及其應(yīng)用LOGO前言v果膠酶（Pectinases）是指分解果膠物質(zhì)的多種酶的總稱，在食品加工、飼料加工、造紙、環(huán)境保護(hù)、誘導(dǎo)植物抗病等方面都有很大的應(yīng)用價值。果膠酶可源于動物、植物和微生物。由于動、植物及天然來源的果膠酶產(chǎn)量低且提取困難，不能滿足生產(chǎn)的需要；而微生物因生長速度快，生長條件簡單，代謝過程特殊和分布廣因而成為果膠酶的重要來源。隨著果膠酶用量的增加及發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對微生物果膠酶進(jìn)行了深入地研究，并已有多種微生物來源的果膠酶商品酶制劑出售。本文主要從以下幾方面概述了果膠酶近年來的研究進(jìn)展及其在果蔬、紡織、造紙加工業(yè)中的應(yīng)用概況。Contents果膠酶1果膠酶的

2、應(yīng)用2展望341 果膠酶v 1.1 果膠酶的分布v 許多霉菌及少量的細(xì)菌和酵母菌都可產(chǎn)生果膠酶，主要以曲霉和桿菌為主，新近報道的其它菌有青霉如意大利青霉、擴(kuò)展青霉等，白絹菌、立枯絲核菌、微小毛霉、高大毛霉、熱解糖梭菌、匐枝根霉、出芽短梗霉、粗糙鏈孢霉、嗜熱側(cè)孢霉等。由于真菌中的黑曲霉屬于公認(rèn)安全級，其代謝產(chǎn)物是安全的。因此目前市售的食品級果膠酶主要來源于黑曲霉，最適pH 值一般在酸性范圍。近年來，一些來源于細(xì)菌桿菌屬的堿性果膠酶日益受到重視如浸麻芽孢桿菌等。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷提高，也可利用基因克隆技術(shù)實現(xiàn)果膠酶在其它微生物宿主的表達(dá)。1 果膠酶v1.2 果膠酶類型v通常情況下?？筛鶕?jù)以下

3、標(biāo)準(zhǔn)對果膠酶進(jìn)行分類：1）果膠、果膠酸、原果膠是否為其優(yōu)先底物；2）底物是被反式消去作用還是水解；3）切割方式是隨意的（內(nèi)切酶）還是發(fā)生在末端方向的（外切酶）。根據(jù)以上分類標(biāo)準(zhǔn)，果膠酶一般可分為以下三大類。v 1.2.1 果膠酯酶（Pectinesterase,PE）隨機(jī)切割甲酯化果膠分子中的甲氧基，產(chǎn)生甲醇和游離羧基。v 1.2.2 解聚酶（Depolymerizingenzymes）水解酶專一水解底物的糖苷鍵,可分為：（1）聚甲基半乳糖醛酸酶（Polymethylgalacturonase,PMG）；可分為內(nèi)切酶（endo-PMG）與外切酶（exo-PMG）。（2）聚半乳糖醛酸酶（Poly

4、galacturonase,PG）；也可分為內(nèi)切酶（endo-PG）與外切酶（exo-PG）。另一類解聚酶則通過反式消去作用切割底物的 -1,4- 糖苷鍵,降解產(chǎn)物帶有還原基團(tuán)和雙鍵，雙鍵位于產(chǎn)物非還原末端C4、C5 之間，并在235nm處產(chǎn)生最大紫外吸收。此類酶稱為裂解酶，可分為（1）聚甲基半乳糖醛酸裂解酶（Polymethylgalac-turonatelyase，PMGL）：俗稱果膠裂解酶（PNL），可分為內(nèi)切酶（endo-PMGL）與外切酶（exo-PMGL）；（2）聚半乳糖醛酸裂解酶（Polygalacturonatelyase，PGL）：又稱果膠酸裂解酶（PL），也可分為內(nèi)切酶（e

5、ndo-PGL）與外切酶（exo-PGL）。v1.2.3 原果膠酶（Protopectinase, PPase）原果膠酶是一種可以催化原果膠水解的胞外酶類，可將原果膠分解為水溶性的高聚合度果膠。根據(jù)其作用方式可分為（1）A- 型原果膠酶（A-PPase）；作用于原果膠內(nèi)部區(qū)域的聚半乳糖醛酸部位；（2）B- 型原果膠酶（B-PPase）：作用于與聚半乳糖醛酸鏈和細(xì)胞壁組份（如纖維素等）相連的多糖鏈。1978 年，日本學(xué)者Sakai 等從酵母中發(fā)現(xiàn)了具有釋放高聚合果膠能力的原果膠酶產(chǎn)生菌株。20多年來，他們對各種微生物原果膠酶的酶學(xué)性質(zhì)，作用機(jī)理及工業(yè)應(yīng)用等方面做了大量的研究?，F(xiàn)已從細(xì)菌，酵母和霉

6、菌中篩選出產(chǎn)該酶的菌株。2 果膠酶的應(yīng)用v 2.1 利用果膠酶瓦解植物細(xì)胞的細(xì)胞壁v 2.1.1 果膠酶澄清作用v 果膠酶是能分解果膠質(zhì)的多種酶的總稱，包括果膠聚半乳糖醛酸酶、聚甲基半乳糖醛酸酶、果膠甲酯水解酶、原果膠酶。果膠酶作用于果膠中D-半乳糖醛酸殘基之間的糖苷鍵，可以打破果膠分子，軟化果肉組織中的果膠質(zhì)，使高分子的半乳糖醛酸降解為半乳糖醛酸和果膠酸小分子物質(zhì)，并且果膠的多糖鏈也被降解，果膠分子的這種連續(xù)降解使果酒的黏性下降，原來存在果酒中的固形物失去依托而沉降下來，增強(qiáng)澄清效果，提高和加快了果酒的可濾性和過濾速度。因此果膠酶是應(yīng)用于果酒生產(chǎn)的重要酶制劑之一，它被廣泛用于果酒的澄清。2

7、果膠酶的應(yīng)用v蘆薈汁在加工過程中極易產(chǎn)生渾濁與變色現(xiàn)象。因此，其穩(wěn)定化工藝是蘆薈深加工的關(guān)鍵。新鮮的蘆薈凝膠是一種高黏度的汁液，須經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚聿拍苓M(jìn)行穩(wěn)定化的后續(xù)工藝。導(dǎo)致蘆薈凝膠汁粘度高的果膠分子，是引起蘆薈汁渾濁的原因之一。蘆薈汁穩(wěn)定化工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一是澄清工藝。采用果膠酶處理蘆薈汁其原理是利用果膠酶水解蘆薈汁中能夠引起渾濁的果膠物質(zhì)。使蘆薈汁變得清澈透亮。2 果膠酶的應(yīng)用v2.1.2 天然產(chǎn)物的提取v果膠物質(zhì)的存在不同程度的影響或阻礙著天然產(chǎn)物的釋放。在適宜條件下，植物細(xì)胞會發(fā)生自溶也可產(chǎn)生包括果膠酶在內(nèi)的分解酶類，但這會使待分離產(chǎn)物發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，甚至產(chǎn)生一些大多數(shù)情況下不利于分離的

8、小分子副產(chǎn)物。因此，靠植物細(xì)胞的自身酶系并不利于天然產(chǎn)物的提取。一般應(yīng)先熱失活鈍化胞內(nèi)酶系，再有選擇地進(jìn)行酶處理。v天然色素如葡萄紫、番茄紅、紫蘇紫、蘿卜紅等均可使用酶法提取，但所用果膠酶不得含有花青素酶等雜酶以免影響某些產(chǎn)品色澤。2 果膠酶的應(yīng)用v 其次，天然生物活性物質(zhì)提取物是目前中藥進(jìn)入國際市場的一種理想方式，出口比例已超過中藥，并呈上升趨勢?？衫霉z酶生產(chǎn)的提取物有：銀杏葉提取物、大蒜油濃縮液、蘑菇濃縮液、人參漿、當(dāng)歸浸膏、甘草液等。另外，在金耳多糖，香菇多糖，金針菇多糖，山楂葉總黃酮等的提取中也使用了果膠酶。利用酶類提取，不僅可提高萃取率，還可提高純度。v 另外，在油料萃取方面，按

9、照傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，菜籽油、棕櫚油、葵花籽油、橄欖油等一般是由正己烷等脂溶性溶劑萃取制得。而正己烷是一種致癌物質(zhì)。將果膠酶和纖維素酶，半纖維素酶結(jié)合使用，可破壞油料作物的細(xì)胞壁，便于油料的釋放，從而提高萃取率。由于酶法提取條件溫和，油料中多酚物質(zhì)和VE都有所增加，從而提高油料的穩(wěn)定性。2 果膠酶的應(yīng)用v2.1.3 紡織品的生物脫膠v用堿性果膠酶處理，代替堿對棉、麻等織物進(jìn)行煮練加工和整理工藝，以去除初生胞壁中的果膠物質(zhì)，在比較緩和的pH值和溫度條件下使處理后的織物手感柔軟，強(qiáng)度高。取代了耗能大，污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)熱堿脫膠工藝。另外，可避免因微生物處理造成的纖維素的降解。2 果膠酶的應(yīng)用v2.1.4

10、造紙業(yè)的生物制漿v造紙工業(yè)中的生物制漿與紡織品的生物脫膠類似，都是通過果膠酶等酶處理降解植物纖維原料中的果膠、半纖維素及木質(zhì)素，使其分散成滿足造紙工業(yè)不同要求的束纖維或單纖維。以生產(chǎn)柔軟、均一、有彈性的高品質(zhì)材料。由于紙漿中高分子果膠帶負(fù)電荷，經(jīng)酶降解至六糖以下即可將其除去。避免了成品紙的靜電現(xiàn)象。2 果膠酶的應(yīng)用v2.2 部分分解細(xì)胞間質(zhì)中的果膠物質(zhì)v2.2.1 帶果肉食品的生產(chǎn)v一般常規(guī)加工所得到的果肉在必要的高溫處理或機(jī)械泵出后，成型顆粒量明顯減少，硬度降低，直接影響了產(chǎn)品品質(zhì)。果膠質(zhì)在PE作用下脫去甲氧基，在鈣離子存在下形成凝膠，從而保持了果肉原有的形狀和硬度。以此為基料的產(chǎn)品有果汁、

11、果凍、果肉酸奶、果肉冰淇淋等。2 果膠酶的應(yīng)用v 2.2.2 單細(xì)胞產(chǎn)品的生產(chǎn)v 所謂單細(xì)胞產(chǎn)品是指將生物組織進(jìn)行轉(zhuǎn)化而形成的完整的單細(xì)胞懸液。這種單細(xì)胞內(nèi)各種營養(yǎng)成分保存完好，表面及內(nèi)部的張力較小，易穩(wěn)定存在，而且易被酶類消化。它最初應(yīng)用于細(xì)胞融合技術(shù)，隨著制備技術(shù)的不斷完善，這種單細(xì)胞產(chǎn)品可用于嬰兒、老人及病人食品中，還可作為美容品中的活性成分，用于保濕、抗氧化、抑制黑色素生成等。酶法降解植物細(xì)胞間質(zhì)中的果膠物質(zhì)產(chǎn)生完整的單細(xì)胞懸液的過程稱為浸解作用，在浸解過程中，一方面設(shè)法使內(nèi)源性果膠酯酶滅活，避免細(xì)胞軟化；另一方面，用外源果膠酶適度降解胞外果膠及其它成分，避免胞內(nèi)物質(zhì)泄漏，降低品質(zhì)。該

12、工藝常用于生產(chǎn)帶肉果蔬汁飲料、乳制品的配料、即食的干燥土豆泥、胡蘿卜泥等食品，以及蘆薈、人參、越橘葉、紅花等美容保健品的配料。2 果膠酶的應(yīng)用v 2.3 利用果膠酶生產(chǎn)果膠低聚糖v 2.3.1 以果膠為底物生產(chǎn)低聚果膠v PG可水解細(xì)胞壁中的果膠成分產(chǎn)生聚合度為10左右的寡聚半乳糖醛酸，后者是植物防御反應(yīng)的誘導(dǎo)因子，防御作用包括產(chǎn)生有抗真菌活性的抗毒素，抑制蛋白合成的抑制劑等等，而且當(dāng)endo-PG與其抑制蛋白結(jié)合以后可進(jìn)一步激活此防御反應(yīng)，所以PG在植物致病、抗病中具有雙重作用。某些中草藥中的藥用成分也與果膠成分有關(guān)，如艾草葉中的果膠成分是一種生物活性成分，柴胡根中的抗?jié)兲穷惻c果膠分子中的

13、RG-II有關(guān)，而人參葉中的RG-II也具有抗?jié)冏饔茫窈械腞G-I能夠促進(jìn)鼠T細(xì)胞產(chǎn)生IL-6，增進(jìn)機(jī)體免疫力，蒼術(shù)根中的果膠片段具有腸道免疫活性。此外，果膠酶解產(chǎn)物還具有抑菌活性!可顯著抑制乳酸菌的生長；還可作為功能性食品的配料。2 果膠酶的應(yīng)用v2.3.2 以幾丁質(zhì)、幾丁聚糖為底物生產(chǎn)低分子寡糖vPG可水解幾丁質(zhì)、幾丁聚糖的-（1，4）-糖苷鍵，得到水溶性寡糖。這類低分子寡糖具有多方面的生理功能，如抗腫瘤、抗菌、增強(qiáng)免疫機(jī)能，改善腸道微生物區(qū)系的分布，刺激有益菌的生長等。另外，幾丁寡糖可作為保水劑、抗菌劑、植物生長調(diào)節(jié)劑等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品和化妝品業(yè)。3 展望v隨著生物技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)的方法、包括化學(xué)合成、化學(xué)水解等工藝正在被酶催化合成和水解所代替。果膠酶的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大，從食品加工到紡織、