酶的生成與改造及酶工程在食品中的應(yīng)用

關(guān)于酶的生成與改造及酶工程在食品中的應(yīng)用一﹑海洋藻類活性多糖概述

海藻多糖主要來自海帶、鹿尾菜(羊棲菜)、巨藻、泡葉藻、墨角藻等海藻。海藻多糖主要包括褐藻膠、褐藻糖膠和褐藻淀粉。從海帶中分離得到的褐藻膠、褐藻糖膠和褐藻淀粉粗品均為白色略帶黃色的粉末。經(jīng)純化得到的褐藻酸鈉為白色絲狀物；褐藻糖膠為乳白色粉末；二者均溶于水、不溶于乙醇、丙酮、氯仿等有機(jī)溶劑。第2頁,共33頁，星期六，2024年，5月海洋藻類活性多糖功效1.1抗腫瘤作用1.2抗病毒作用1.3抗輻射作用1.4降血脂作用1.5抗凝血作用1.6護(hù)膚作用第3頁,共33頁，星期六，2024年，5月

海藻多糖具有抗腫瘤的作用。綠藻中松藻科松藻冷水抽出物，對(duì)接種S-180實(shí)體肉瘤和艾氏腹水瘤20d的小鼠，以0.5mg/kg腹腔注射6d，抑瘤率達(dá)37%-42%；螺旋藻多糖蛋白提取物可顯著抑制小鼠體內(nèi)腹水中肝癌細(xì)胞的增殖；螺旋藻多糖以0.3-0.5g/L對(duì)B37乳腺癌細(xì)胞的抑制率可達(dá)68%，對(duì)K652白血病細(xì)胞抑制率為46%；裙帶菜多糖對(duì)615荷瘤小鼠抑瘤率為69.13%；施志儀等實(shí)驗(yàn)證明海帶褐藻糖膠可通過抑制人肝癌細(xì)胞進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期來抑制腫瘤的生長(zhǎng)，當(dāng)劑量達(dá)到250μL/mL時(shí)，加樣24h后表現(xiàn)出殺傷作用，并且實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢，形態(tài)較小，多呈圓形，分布不均勻；肺癌細(xì)胞、胃癌細(xì)胞、白血病細(xì)胞HL-60在含有螺旋藻多糖的培養(yǎng)液中培養(yǎng)后，細(xì)胞形狀變得不規(guī)則，內(nèi)部出現(xiàn)空泡，并逐漸解體；紫菜多糖具有促進(jìn)免疫功能活性而具抗癌的作用；羊棲菜多糖對(duì)荷瘤小鼠的紅細(xì)胞免疫功能有促進(jìn)作用

1.1抗腫瘤作用第4頁,共33頁，星期六，2024年，5月1.2抗病毒作用

從海藻Gelidumcartilagenium中提取的多糖和卡拉膠對(duì)流感B病毒和腮腺炎病毒有對(duì)抗作用；紅藻多糖（RP1，RP2）對(duì)牛免疫缺陷病毒（BIV）有明顯的生長(zhǎng)抑制作用，抑制率分別為85.96%和88.65%，與臨床批準(zhǔn)使用的抗AIDS藥物疊脫氧胸腺嘧啶89.52%近似；Gonzale報(bào)道[13]從海藻中提取得到的多糖硫酸酯能阻斷病毒對(duì)細(xì)胞的吸附，以及抑制人類免疫缺陷病毒（HIV）的逆轉(zhuǎn)錄酶；從微紅藻中提取的多糖可以阻止病毒在寄主細(xì)胞中的復(fù)制，并有效地防止病毒侵入正常細(xì)胞[14]。研究表明，多糖的硫酸基含量與其抗病毒作用密切相關(guān)，可能是通過干擾病毒和宿主細(xì)胞之間的吸附來達(dá)到其抗病毒作用。第5頁,共33頁，星期六，2024年，5月

對(duì)自然酶的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾以改善酶的性能的方法很多。例如，a一淀粉酶一般有Ca2+，Mg2+等金屬離子，屬于雜離子型，若通過離子置換法將其他離子都換成Ca2+

，則酶的活性提高3倍，穩(wěn)定性也大大增加；胰凝乳蛋白酶與水溶性大分子化合物右旋糖酐結(jié)合，酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生某些細(xì)微改變，使其催化活力提高4倍；還有對(duì)抗白血病藥物——天冬酰胺酶的游離氨基進(jìn)行修飾后，該酶在血漿中的穩(wěn)定性也得到很大的提高。第6頁,共33頁，星期六，2024年，5月

酶進(jìn)行化學(xué)修飾時(shí)，應(yīng)注意：(1)修飾劑的要求(2)酶性質(zhì)的了解(3)反應(yīng)條件的選擇大多數(shù)酶經(jīng)過修飾后性質(zhì)會(huì)發(fā)生一些變化，如酶的熱穩(wěn)定性、抗各類失活因子能力、抗原性、半衰期、最適PH值等酶學(xué)性質(zhì)，酶修飾中存在的問題是，隨著酶與修飾劑結(jié)合率提高，酶活回收率將下降。克服的方法是采取一些保護(hù)措施，如添加酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，保護(hù)酶活性部位以及改進(jìn)現(xiàn)有的修飾工藝，進(jìn)一步完善酶的化學(xué)修飾。

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制備修飾酶的目標(biāo):提高酶活力;改進(jìn)酶的穩(wěn)定性允許酶在一個(gè)變化的環(huán)境中起作用最適PH值或溫度,改變酶的特異性使它能催化不同底物的轉(zhuǎn)化改變催化反應(yīng)類型,提高催化過程的反應(yīng)效率。第8頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.2生物酶工程法

隨著人們對(duì)酶的深入研究以及氨基酸一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定、基因重組技術(shù)的應(yīng)用等，可以徹底地改造、合成并且模擬酶。這也就是生物酶工程的主要內(nèi)容。生物酶工程主要包括基因工程技術(shù)生產(chǎn)酶和蛋白質(zhì)工程技術(shù)改造酶兩方面內(nèi)容。第9頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.2.1基因工程技術(shù)改造和生產(chǎn)酶

基因工程改造酶分子主要包括三方面內(nèi)容：①用基因工程技術(shù)大量生產(chǎn)酶。②修飾酶基因，產(chǎn)生遺傳修飾。③設(shè)計(jì)出新酶基因，合成自然界從未有過的酶。

例如：凝乳蛋白酶是生產(chǎn)乳酪的必需用酶，其來源有限。從微生物中提取的凝乳蛋白酶常會(huì)引起乳酪苦味。因此，人們克隆了小牛凝乳酶基因在酵母系統(tǒng)中表達(dá)，得到的凝乳酶與從小牛胃中提取的天然酶性質(zhì)完全一致。第10頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.2.2蛋白質(zhì)工程改造和生產(chǎn)酶

酶的蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而且仍需要應(yīng)用基因工程的全套技術(shù)。所不同的是，酶的基因工程主要解決的是酶大量生產(chǎn)的問題，而蛋白質(zhì)工程則致力于天然蛋白質(zhì)的改造，制備各種定做的蛋白質(zhì)，但也要用到基因工程的技術(shù)手段。第11頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.2.2.1合理設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)是蛋白質(zhì)工程最早使用的技術(shù)，而且現(xiàn)在也在廣泛的使用。要達(dá)到此目的要做好三個(gè)方面的工作。第一要用結(jié)晶學(xué)技術(shù)來獲得蛋白質(zhì)結(jié)晶體，然后利用x一射線技術(shù)對(duì)晶體進(jìn)行測(cè)量、分析，確定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。第二借助計(jì)算機(jī)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行選擇修飾，從氨基酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)預(yù)見空間結(jié)構(gòu)，或通過人工智能等其它方法來確定蛋白質(zhì)和功能的關(guān)系，找到要修飾的位點(diǎn)。第三，通過對(duì)基因序列的了解，運(yùn)用定點(diǎn)突變技術(shù)來進(jìn)行堿基替換。通過此法來改變蛋白質(zhì)的功能，但要想獲得理想的蛋白質(zhì)工程產(chǎn)物往往要經(jīng)過多次分析，替換才能達(dá)到目的[2]第12頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.2.2.2定向進(jìn)化

定向進(jìn)化是蛋白質(zhì)工程的新策略，它是在不需要事先了解蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)的情況下通過模擬自然進(jìn)化機(jī)制，以改進(jìn)的誘變技術(shù)結(jié)合確定進(jìn)化方向的選擇方法。因此它能解決合理設(shè)計(jì)所不能解決的問題，在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越受到重視。定向進(jìn)化是在待進(jìn)化蛋白質(zhì)基因的PCR擴(kuò)增反應(yīng)中，利用TaqDNA多聚酶不具有3‘-5’校對(duì)功能的性質(zhì)，配合適當(dāng)條件，以很低的比率向目的基因中引人突變，構(gòu)建突變庫，憑借定向選擇方法，選出所需性質(zhì)的蛋白質(zhì)。定向進(jìn)化實(shí)際就是隨機(jī)突變加上選擇，它與自然進(jìn)化不同，整個(gè)過程都是在人為控制下進(jìn)行的，并且還可以模擬真核細(xì)胞中DNA隨機(jī)拼接這一蛋白質(zhì)進(jìn)化過程來加速蛋白質(zhì)的優(yōu)化。第13頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.3酶分子的定向改造和進(jìn)化

酶分子設(shè)計(jì)可以采用定點(diǎn)突變和體外分子定向進(jìn)化兩種方式對(duì)天然酶分子進(jìn)行改造。第14頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.3.1定點(diǎn)突變

定點(diǎn)突變需要知道酶蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)及編碼序列，并根據(jù)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)知識(shí)來設(shè)計(jì)突變位點(diǎn)。定點(diǎn)突變技術(shù)可以隨心所欲地在已知DNA序列中取代、插入或缺失一定長(zhǎng)度的核苷酸片段[6]。該方法與使用化學(xué)因素、自然因素導(dǎo)致突變的方法相比，具有突變率高、簡(jiǎn)單易行、重復(fù)性好的特點(diǎn)。第15頁,共33頁，星期六，2024年，5月2.3.2體外分子定向進(jìn)化

體外定向進(jìn)化是近幾年新興起來的一種蛋白質(zhì)改造新策略，它可以在尚不知道蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，或者根據(jù)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)尚不能進(jìn)行有效的定點(diǎn)突變時(shí)，借鑒實(shí)驗(yàn)室手段在體外模擬自然進(jìn)化的過程(隨機(jī)突變、重組和選擇)，使基因發(fā)生大量變異，并定向選擇出所需性質(zhì)或功能，從而使幾百萬年的自然進(jìn)化過程在短期內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。具體的在上面已經(jīng)詳述過。第16頁,共33頁，星期六，2024年，5月酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用第17頁,共33頁，星期六，2024年，5月1、酶用于淀粉糖的生產(chǎn)

以淀粉為原料，經(jīng)α—淀粉酶和葡萄糖淀粉酶催化水解，得D—葡萄糖，將它通過固定化D—葡萄糖異構(gòu)酶柱完成由D—葡萄糖至D—果糖的轉(zhuǎn)化，再通過精制、濃縮等手段，即可得到不同種類的高果糖漿。第18頁,共33頁，星期六，2024年，5月2、酶用于甜味劑的生產(chǎn)

淀粉糖均以淀粉為原料進(jìn)行生產(chǎn)，其甜度增加有限，所以從根本上解決食糖短缺問題應(yīng)生產(chǎn)甜度高而又不以淀粉為原料的甜味劑。國外大量生產(chǎn)的阿期巴甜（APM）就是一種高甜度的甜味劑。阿期巴甜（天門冬酰丙氨酸甲酯）是二肽甜味劑，其甜度是蔗糖的200倍。過去是以L—天冬氨酸與L—苯丙氨酸為原料用化學(xué)法合成?，F(xiàn)在日本采用酶法合成新工藝，可用價(jià)格較低的DL—苯丙氨酸為原料，且產(chǎn)品都是α—型體（β—型體有苦味），使生產(chǎn)成本下降30%。第19頁,共33頁，星期六，2024年，5月3、酶用于乳品加工（1）干酪生產(chǎn)全世界生產(chǎn)干酪所耗牛奶達(dá)1億多噸，占牛奶總產(chǎn)量的1/4。干酪生產(chǎn)的第一步是將牛奶用乳酸菌發(fā)酵制成酸奶，然后加凝乳酶水解K-酪蛋白，在酸性條件下，鈣離子使酪蛋白凝固，再經(jīng)切塊加熱壓榨熟化而成。第20頁,共33頁，星期六，2024年，5月（2）分解乳糖牛奶中含有4.5%的乳糖。乳糖是一種缺乏甜味且溶解度很低的雙糖，難于消化。有些人飲奶后常發(fā)生腹瀉、腹痛等病，其原因即在于此。而且由于乳糖難溶于水，常在煉乳、冰淇琳中呈砂狀結(jié)晶析出，從而影響食品風(fēng)味。將牛奶用乳糖酶處理，使奶中乳糖水解為半乳糖和葡萄糖即可解決上述問題。第21頁,共33頁，星期六，2024年，5月（3）黃油增香乳制品特有香味主要是加工時(shí)所產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)（如脂肪酸、醇、醛、酮、酯以及胺類等）所致。乳品加工時(shí)添加適量的脂肪酶可增加干酪和黃油的香味。將增香黃油用于奶糖、糕點(diǎn)等食品，可節(jié)約黃油用量，提高風(fēng)味（4）嬰兒奶粉人奶與牛奶區(qū)別之一在于溶菌酶含量的不同。奶粉中添加卵清溶菌酶可防止嬰兒腸道感染。第22頁,共33頁，星期六，2024年，5月4、酶用于肉類和魚類加工（1）改善組織、嫩化肉類酶技術(shù)可以促使肉類嫩化。牛肉及其他質(zhì)地較差的肉（如老動(dòng)物肉），結(jié)締組織和肌纖維中的膠原蛋白質(zhì)及彈性蛋白質(zhì)含量高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。膠原蛋白質(zhì)是纖維蛋白，同副鍵連接成為具有很強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的組成，這種交聯(lián)鍵可分成耐熱的和不耐熱的兩種。幼動(dòng)物的膠原蛋白中，不耐熱交聯(lián)鍵多，一經(jīng)加熱即行破裂，肉是得嫩；而老動(dòng)物的肉因耐熱鍵多，烹煮時(shí)軟化較難，因而肉質(zhì)顯得粗糙，難以烹調(diào)，口感亦差。采用蛋白酶可以將肌肉結(jié)締組織中膠原蛋白分解，從而使肉質(zhì)嫩化。作為嫩化劑的蛋白酶可以分為兩類：最常用的一類是植物蛋白酶，另一類是微生物蛋白酶。第23頁,共33頁，星期六，2024年，5月（2）轉(zhuǎn)化廢棄蛋白將廢棄的蛋白、如雜魚、動(dòng)物血、碎肉等用蛋白酶水解，抽提其中蛋白質(zhì)以供食用或用作飼料，是增加人類蛋白質(zhì)資源的一項(xiàng)有效措施。其中以雜魚及魚廠廢棄物的利用最為矚目。海洋中許多魚類因其色澤、外觀或味道欠佳等原因，都不能食用，而這類水產(chǎn)卻高達(dá)海洋水產(chǎn)的80%左右。采用這項(xiàng)生物技術(shù)新成果，使其中絕大部分蛋白質(zhì)溶解，經(jīng)濃縮干燥可制成含氮量高、富含各種水溶性維生素的產(chǎn)品，其營養(yǎng)不低于奶粉，可摻入面包、面條中等食用，或用作飼料，其經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。第24頁,共33頁，星期六，2024年，5月（3）其他方面的應(yīng)用用酸性蛋白酶在pH值呈中性條件下處理解凍魚類，可以脫腥?，F(xiàn)今開發(fā)利用堿性蛋白酶水解動(dòng)物脫色來制造無色血粉，作為廉價(jià)而安全的補(bǔ)充蛋白資源，這一技術(shù)已用于工業(yè)化生產(chǎn)。第25頁,共33頁，星期六，2024年，5月5、酶用于果蔬加工（1）水果罐頭加工制作桔子罐頭時(shí)需除桔瓣囊衣，過去使用堿處理法，耗水量大，又費(fèi)工時(shí)?，F(xiàn)采用黑曲霉產(chǎn)生的半纖維素酶、果膠酶和纖維素酶的混合物，可很好地除去桔瓣囊衣，而避免上述缺點(diǎn)。桔子罐頭常發(fā)白色渾濁，這是同桔肉中橙皮苷造成的。采用橙皮苷酶，可將橙皮苷水解成為水溶性的橙皮素，從而消除桔子罐頭的白濁現(xiàn)象。桃果實(shí)含有紅色花青素，罐藏時(shí)同金屬離子作用而呈紫褐色。采用花青素酶處理桃醬、葡萄汁等，即可脫色而提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這是因?yàn)榛ㄇ嗨孛缚梢运饣ㄇ嗌?，使之變?yōu)闊o色物質(zhì)。第26頁,共33頁，星期六，2024年，5月（2）柑桔類脫苦柑桔類脫苦問題歷來是果品加工中的一大問題。桔子中的檸檬苦素是引起桔汁產(chǎn)生苦味的原因，利用球形節(jié)桿菌固定化細(xì)胞的檸檬酶處理即可消除苦味。第27頁,共33頁，星期六，2024年，5月（3）果汁加工水果中均含有果膠物質(zhì)。果膠的重要特性之一，就是在酸性和高濃度的糖存在時(shí)，即可形成凝膠。這一性質(zhì)是制造果凍、果醬的基礎(chǔ)。但在果汁加工上，卻造成了壓榨、澄清的因難?，F(xiàn)采用果膠酶處理破碎的果實(shí)，即可加速果汁過濾和促進(jìn)澄清。第28頁,共33頁，星期六，2024年，5月（4）水果蔬菜保藏用葡萄糖氧化酶除去脫水蔬菜的糖分可防止貯藏過程中發(fā)生褐變。瓶裝桔汁貯藏時(shí)因氧化而使色香味變劣，采用葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶去氧即可保持果汁原有的色香味。水果冷凍保藏