第十二章酶學(xué)研究最新進(jìn)展

第十二章酶學(xué)研究的最新進(jìn)展主要內(nèi)容：

1極端微生物及極端酶2極端酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用3極端酶發(fā)展前景隨著食品工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，酶作為生物催化劑已越來越引起人們的關(guān)注。但在應(yīng)用中常常會出現(xiàn)不穩(wěn)定性，尤其在高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和高滲等極端條件下容易失活，制約著酶技術(shù)的發(fā)展。而運(yùn)用化學(xué)修飾、固定化及定向進(jìn)化等技術(shù)，僅在一定程度上提高酶的穩(wěn)定性，還遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)的要求。開發(fā)能在各種極端環(huán)境中起生物催化作用的酶，是人們當(dāng)前急需解決的問題。1極端微生物及極端酶

極端微生物由于長期生活在極端的環(huán)境條件下，為適應(yīng)環(huán)境，在其細(xì)胞內(nèi)形成了多種具有特殊功能的酶，即極端酶。它們能在各種極端環(huán)境中穩(wěn)定地起催化作用。根據(jù)極端微生物的分類，相應(yīng)地將極端酶分為嗜熱酶、嗜冷酶、嗜酸酶、嗜堿酶、嗜壓酶、嗜鹽酶、耐有機(jī)溶劑酶等。食品相關(guān)的極端酶2極端酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2.1嗜熱酶2.1.1嗜熱酶的結(jié)構(gòu)特性

嗜熱酶具有耐高溫的特性，它的耐熱性主要是由分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。維持其內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵和物理鍵，特別是氫鍵、二硫鍵的存在及數(shù)量與酶的熱穩(wěn)定性有關(guān)。一般認(rèn)為，當(dāng)這些鍵存在及數(shù)量增加時，酶的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)；這些鍵斷開，則酶的熱穩(wěn)定性降低或喪失。此外，分子量較小的蛋白質(zhì)一般比分子量較大的蛋白質(zhì)有更大的熱穩(wěn)定性。嗜熱酶分子的許多微妙結(jié)構(gòu)很可能與熱穩(wěn)定性有關(guān)。例如稍長的螺旋結(jié)構(gòu)、三股鏈組成的β-折疊結(jié)構(gòu)、C和N端氨基酸殘基間的離子作用以及較小的表面環(huán)等。這些構(gòu)造形成了嗜熱酶緊密而有韌性的空間結(jié)構(gòu)，提高了熱穩(wěn)定性。由于人們研究嗜熱酶熱穩(wěn)定性的方法不同，得出的結(jié)果也不同，目前還沒有統(tǒng)一的機(jī)理來解釋其變化的本質(zhì)。2.1.2嗜熱酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用嗜熱酶在高溫下反應(yīng)效率高、穩(wěn)定性好，因而可克服中溫酶在應(yīng)用過程中常出現(xiàn)的生物學(xué)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，從而使許多高溫化學(xué)反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。由于嗜熱酶可在高溫下參加反應(yīng)，可大大提高反應(yīng)成分的溶解度；并且很少有雜菌能在此條件下生存，從而避免了體系被雜菌污染；同時還能減少細(xì)菌代謝物對產(chǎn)物的污染，提高產(chǎn)物的純度。調(diào)味劑的生產(chǎn)目前調(diào)味劑主要是應(yīng)用蛋白酶水解肉類產(chǎn)生的。應(yīng)用嗜熱酶可以減少作用時間，降低酶的用量，從而有效地降解肉類，生成出高質(zhì)量的多味肽。淀粉加工高溫α一淀粉酶和糖化酶在玉米淀粉深加工中得到大量使用。將玉米淀粉水解成葡萄糖過程中，高溫將有利于淀粉溶解于水中從而促進(jìn)水解。奶制品工業(yè)嗜熱β-半乳糖苷酶可用于生產(chǎn)低乳糖食品，改善乳制品的風(fēng)味和營養(yǎng)；此外，在水解過程中還會發(fā)生轉(zhuǎn)糖苷反應(yīng)，生成具有多種功能的低聚乳糖。啤酒一些具有耐熱活性的α-淀粉酶已用于酒精、啤酒及其他發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)。同時在啤酒中應(yīng)用β-葡聚糖酶可以提高麥汁分離速度，降低啤酒渾濁度，減少膠狀沉淀。糖漿生產(chǎn)玉米糖漿轉(zhuǎn)化為高果糖漿的最后一步是固定化葡萄糖異構(gòu)酶在60℃下催化葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖，如將此酶換成嗜熱性的異構(gòu)酶，再升高體系的溫度，將極有利于提高果糖產(chǎn)量。此外，耐熱木糖異構(gòu)酶也能催化葡萄糖異構(gòu)成果糖。其異構(gòu)程度與溫度有關(guān)，溫度高，果糖產(chǎn)量大?，F(xiàn)已研制出在100℃左右的木糖異構(gòu)酶，用于生產(chǎn)高果糖漿。2.2嗜冷酶

2.2.1嗜冷酶的結(jié)構(gòu)特性在低溫條件下具有高催化效率和高柔順性分子構(gòu)象，是低溫酶中普遍存在的酶學(xué)特性。通過對嗜冷酶的蛋白質(zhì)模型和χ-射線衍射分析的結(jié)果表明，嗜冷酶具有不同于一般中性酶的結(jié)構(gòu)：嗜冷酶分子之間的作用力較弱，與溶劑間的作用力較強(qiáng)，使酶結(jié)構(gòu)的柔韌性增加，從而在低溫下容易被底物誘導(dǎo)產(chǎn)生催化作用。當(dāng)溫度提高時，嗜冷酶的弱鍵則容易被破壞而變性失活。2.2.2嗜冷酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用低溫酶能夠廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的兩大要素，就是它們在低溫環(huán)境中的高催化活力和在中高溫度條件下的熱不穩(wěn)定性。嗜冷酶的應(yīng)用不但可利用其高特異活性，節(jié)省酶量，而且也因其易失活，當(dāng)達(dá)到最佳效果后，只需在中等溫度下保持較短時間就可使酶失活，這樣對食物的口感和質(zhì)量有很好的保持作用，而不必?fù)?dān)心酶的持續(xù)作用改變食物的結(jié)構(gòu)。牛奶加工將嗜冷性的β-半乳糖苷酶用于牛奶工業(yè)中，可用于降解奶制品中乳糖含量，使許多對乳糖敏感的人能飲用。不僅可簡化工藝、縮短水解時間，還有效控制細(xì)菌污染、提高奶制品的質(zhì)量。果汁提取工業(yè)嗜冷的果膠酶在果汁提取的過程中，能夠起到降低粘度、澄清終產(chǎn)品等作用。肉類加工肉類柔嫩酶在低溫下可作用于肉類中的結(jié)締組織膠原和彈性硬蛋白，并可在50℃左右失活，在較低pH（pH4-5）下也具有良好的活性，有助于使肉變嫩。烘烤工藝淀粉酶、蛋白酶和木聚糖酶直接作用于淀粉，可以改進(jìn)面團(tuán)和面包屑的性質(zhì)，從而減少生面團(tuán)發(fā)酵時間，提高生面團(tuán)和面包心的質(zhì)量，同時還保持香味和水分。乳品加工使用嗜冷的凝乳酶，可防止剩余的蛋白質(zhì)水解。脂酶則可用于乳制品和黃油的增香、生產(chǎn)類可可脂、提高魚油中n-3系多聚飽和脂肪酸含量等，從而改變食品的風(fēng)味。2.3嗜酸酶和嗜堿酶

嗜酸菌和嗜堿菌的細(xì)胞保持中性pH的內(nèi)環(huán)境，其胞內(nèi)酶仍屬于中性酶，但其胞外酶，如淀粉酶和蛋白酶在極高或極低的pH值環(huán)境中保持穩(wěn)定和活力，因而稱之為嗜酸酶和嗜堿酶。在嗜極菌的酶學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)：與中性酶相比，嗜酸酶在酸性環(huán)境的穩(wěn)定性是由于酶分子所含的酸性氨基酸的比率高，尤其在酶分子的表面；而嗜堿酶對堿的穩(wěn)定性則因?yàn)槠涿阜肿雍瑝A性氨基酸的比率高。嗜酸酶和嗜堿酶在食品中的應(yīng)用嗜酸酶和嗜堿酶能在極端pH條件下進(jìn)行催化反應(yīng)，可用于食品加工中的呈酸或呈堿的環(huán)節(jié)，而不需再調(diào)pH值。（1）嗜酸酶在食品中的應(yīng)用嗜酸酶能夠在pH較低的情況下起催化作用，甚至在胃酸的條件下也能保持穩(wěn)定和活力。它應(yīng)用于食品工業(yè)上，主要是幫助谷物在胃里消化成能被胃接受的小分子，從而提高胃的消化能力。可用于加工酸性奶酪、淀粉的酸解和酶解中；還有一些從嗜酸熱古菌中分離得到的β一糖苷酶可用于纖維素的降解。（2）嗜堿酶在食品中的應(yīng)用嗜堿酶在食品中的應(yīng)用比較廣泛，這類酶不僅具有比較強(qiáng)的耐堿性，而且還具有一定的耐熱性。淀粉加工

*從嗜堿芽孢桿菌H-167中分離的堿性淀粉酶在55℃時活性最大，在pH12時仍能保持活性，此酶在加工淀粉時產(chǎn)品為麥芽二糖，已在食品工業(yè)中應(yīng)用。3極端酶