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1、第六章：酶,近年来，随着发酵技术的不断提高，酶制剂己在淀粉类食品、蛋白类食品、果蔬类食品、功能性食品的生产，食品保鲜和食品分析等食品行业的各个领域得到广泛应用。,第一节：引言,1.酶对食品科学的重要性1.1食品体系中的酶内源酶外源酶,1.2重要性,食品化学：注重在食品加工、保藏过程中怎样充分发挥酶的有利作用，控制酶的负面作用。,2.酶的本质,酶是什么？酶是具有催化作用的生物大分子。,3.酶的催化特点,高效性专一性作用条件温和可以调控,3.1高效性,3.1.1举例就分子比(molecular ratio)而言， 以摩尔为单位进行比较，酶的催化效率比化学催化剂高1071013倍，比非催化反应高10
2、81020倍。2H2O22H2O+O21mol H2O2酶能催化 5106mol H2O2的分解1mol Fe3+只能催化610-4molH2O2的分解,3.2.2酶为什么具有催化高效性？,在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。 E + S = E-S P + E,3.2专一性,3.2.1酶的活性中心酶是蛋白质，是大分子化合物，在这样一个大分子中只有一小部分是与底物结合，并与催化作用直接有关，这个部位称酶的活性中心。组成酶活性中心的氨基酸侧链基团主要有Glu和ASP的-COOH，Lys的-NH2，His的咪唑基，
3、Ser的-OH，Cys的-SH，Tyr的侧链基团。,结合部位决定酶的专一性;催化部位决定酶所催化反应的性质。,3.2.2酶为什么具有催化专一性？,3.3作用条件温和,一般范围：2060 左右，常压，近中性的pH值环境。思考：酶为什么要求作用条件温和？,3.4可以调控,酶浓度调节环境条件调节共价修饰调节限制性水解调节抑制剂调节反馈调节金属离子和其它小分子化合物调节,4.酶的命名,4.1习惯命名法通式底物的名称催化反应的类型“酶”字说明：对于水解酶类，在命名时可省去说明反应类型的“水解”字样。,4.2系统命名法,4.2.1通式酶作用底物酶作用基团催化反应类型“酶”字举例D葡萄糖，氧1氧化还原酶,4
4、.2.2国际系统分类法,氧化还原酶类 Oxidoreductases转移酶类 Transgerases水解酶类Hydrolases裂合酶类Lyases异构酶类Isomerases合成酶类Synthetases Synthases,注意；顺序不要搞错！,编号,用4个阿拉伯数字的编号表示，数字中用“”隔开，前面冠以EC（为Enzyme Commission）。EC 类.亚类.亚亚类.排号，如EC 1.1.1.1Enzyme Handbook， Thomas E Barman编，Vol I, Vol II 1969年。 Enzyme Handbook，Thomas E. Barman编 Supple
5、ment I, 1974年。,5.酶的组成,5.1单纯蛋白质酶类 5.2结合蛋白质酶类全酶=酶蛋白+辅助因子（辅酶、辅基或金属离子）注意几个概念辅酶（coenzyme）辅基（prosthetic group）单体酶（monomeric enzyme）寡聚酶（oligomeric enzyme） 多酶复合体（multienzyme complex）,6.生物体系中的酶（自学）,人体内的消化食物的酶类及分布酶在细胞组织中的存在方式常见食品原料中的重要酶类,7.酶的纯化和鉴定（自学）,了解食品加工中，使用酶制剂要注意的两个问题：纯度剂量几个概念：酶活力、酶的活力单位、酶的比活力,第二节：影响酶活力的
6、因素,底物的浓度酶的浓度pH值温度水分活度抑制剂其它环境条件,1.底物浓度对酶活力的影响,在低底物浓度时, 反应速度与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,1/2 Vmax,Km,米氏方程,当反应速度等于最大速度一半时,即V = 1/2 Vmax, Km = S 上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。,Km 即为米氏常数，Vmax为最大反应速度,2.酶浓度对酶活力的影响,当E S 时：情况情况情况,3.pH对酶活力的影响,各种酶在最适pH时所
7、处的解离状态往往最有利于该酶与底物结合并发生催化反应，活力最高。如胆碱酯酶解离成两性离子时活力最大，而精氨酸酶则需解离成负离子时活力最大。,4.温度的影响,温度对酶活力的影响是多方面的：影响ES E+P这一步的速度；影响酶的稳定性；影响反应体系中缓冲剂、底物和辅助因子的缔合/解离平衡；影响底物的溶解度；影响ES的离子化。,4.1酶的热稳定性,残余酶活力测定方法:P206.,4.2酶催化反应的活化能,KAeEa/RT,斜率为K,斜率为Ea/2.3R,4.3低温下酶的活性,KAeEa/RT,例外！为什么？,5.水分活度对酶活力的影响,研究Aw对酶活力影响的二种方法：干燥法有机溶剂取代法,6.酶抑制
8、动力学（自学）,竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制线性混合型抑制,7.影响酶活力的其他环境条件,粘度压力剪切力超声能量离子辐射溶剂,第三节：固定化酶,与水不溶性载体结合，在一定的空间范围内起催化作用的酶。,1.酶的固定化方法,1.1吸附吸附剂：氧化铝、皂土、纤维素、微珠玻璃、高岭土结合力：范德华力、氢键、静电斥力,1.2共价连接,载体：聚丙烯酰胺、尼龙、纤维素、葡聚糖等。特点：连接键牢固，稳定性好；缺点是载体活化、操作繁杂。,1.3交联,多功能试剂交联吸附交联,1.4包埋,主要适用小分子底物,在食品加工受到一定的限制。为什么？,2.固定化酶动力学（自学）,酶被固定时，影响其催化的因素：酶被固定
9、，仅底物能自由扩散；酶的载体被Nernet扩散层所包围，后者的作用像一个边界，使得靠近酶的底物浓度低于体相的底物浓度；酶、底物和载体都可能带有电荷，因此静电作用可能增强或削弱底物与酶的结合。游离酶的反应初速度不再适用。,3.固定化酶在食品工业中的应用（自学）,生产食品食品分析,本次课小结,重点：掌握酶的本质，酶的催化特点，米氏方程和米氏常数，固定化酶的概念和固定化方法。难点：熟悉影响酶活力的因素。,第四节：内源酶的作用对食品原料的影响,食品的质量主要包括：颜色质构风味营养,1.颜色,1.1肉的颜色,氧合肌红蛋白鲜红色,肌红蛋白紫红色,高铁肌红蛋白褐色,低氧分压,高氧分压,1.2果蔬的颜色,脂肪
10、氧合酶叶绿素酶多酚氧化酶,1.2.1脂肪氧合酶,有益的功能漂白小麦粉和大豆粉强化面团中的蛋白质有害的功能破坏叶绿素和胡萝卜素产生氧化型的不良风味使食品中的维生素和蛋白质遭受氧化性破坏使食品中的必需脂肪酸遭受氧化性破坏,（1）脂肪氧合酶的底物,脂肪氧合酶对于它作用的底物具有特异性的要求，含有顺，顺1，4戊二烯的直链脂肪酸、脂肪酸酯和醇都有可能作为脂肪氧合酶的底物。最普通的底物是必需脂肪酸亚油酸/亚麻酸和花生四烯酸。在不饱和脂肪酸中，顺，顺1，4戊二烯的位置对脂肪氧合酶的作用有重要的影响。,（2）举例,脂肪氧合酶作用于亚油酸时，能产生亚油酸的13L和9D氢过氧化物衍生物。,1.2.2叶绿素酶,叶绿
11、素酶存在于植物和含有叶绿素的微生物中，水解叶绿素生成植醇和脱植基叶绿素。尽管将此反应归之于植物绿色的损失，然而还没有足够证据说明，脱植基叶绿素仍然具有绿色，而且也无根据说明脱植基叶绿素脱色(即失去Mg2)的稳定性低于叶绿素。,1.2.3多酚氧化酶（酪氨酸酶、多酚酶、酚酶、儿茶酚氧化酶、甲酚酶和儿茶酚酶）,1.2.3.1多酚氧化酶催化的反应多酚氧化酶是一种含铜的酶，它能催化两类完全不同的反应。一元酚羟基化，生成相应的邻二羟基化合物；邻二酚氧化，生成邻醌。两类反应都需要有分子氧参加。,一元酚的羟基化反应需要在反应体系中同时加入邻二酚或其他还原性化合物，例如抗坏血酸，NADPH，NADP或四氢叶酸。
12、,多酚氧化酶催化的第二类反应是邻二酚被氧化成邻苯醌。,1.2.3.2最初产物邻苯醌的继续变化,相互作用生成高分子量聚合物；与氨基酸或蛋白质作用生成高分子络合物；氧化那些氧化还原电位较低的化合物。其中非酶反应和导致褐色素的生成；色素的分子量愈高，颜色愈暗。反应的产物是无色的。因此，酶促褐变实际上是多酚氧化酶作用的间接结果。在一些食品的加工中，酶促褐变是一个期望的变化，其中最著名的例子是加工红茶。,1.2.3.3酶促褐变,多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶、过氧化物酶等防止措施使果蔬中酶类失活：热处理（烫漂、蒸煮等）、酸处理（如用Vc、柠檬酸、苹果酸来降低pH）、SO2 或Na2SO3处理等。驱除氧气底物
13、改性：使果蔬中的酚类化合物形成甲基取代物。添加抗氧化剂来还原邻苯醌类化合物：如添加Vc。减少或避免果蔬在贮藏或运输中受机械伤。,2.质构,多糖酶类蛋白酶类,2.1果胶酶,果胶甲酯酶聚半乳糖醛酸酶果胶裂解酶,2.1.1果胶甲酯酶,2.1.2聚半乳糖醛酸酶,2.1.3果胶裂解酶,2.2淀粉酶,淀粉酶淀粉酶葡萄糖淀粉酶,2.2.1淀粉酶,作用于淀粉和糖原时，从底物分子内部随机内切1，4键生成一系列相对分子质量不等的糊精和少量低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。一般不水解支链淀粉的1，6键，也不水解紧靠分枝点1，6键外的1，4键。淀粉酶是一种金属酶类，钙离子使酶分子保持适当的构象，从而可以维持其最大的活性与稳定性
14、。,2.2.2淀粉酶,淀粉酶作用于淀粉分子，每次从淀粉分子的非还原端切下两个葡萄糖单位，并且由原来的构型转变为构型，故由此得名。淀粉酶只能从淀粉分子的还原端水解 1，4键，不能作用于l，6键，故水解支链淀粉是不完全的，水解至分枝点前23个葡萄糖残基时停止作用，而残留较大分子的极限糊精，生成麦芽糖50一60。,2.2.3葡萄糖淀粉酶,葡萄糖淀粉酶对淀粉的水解作用也是从淀粉分子非还原端开始依次水解一个葡萄糖分子，并把构型转变为型，因此产物为葡萄糖。葡萄糖淀粉酶不仅能水解淀粉分子的 1，4键，而且能水解 1，3键， 1，6键，但水解速度是不同的。,2.2.4其他,2.3蛋白酶,对动物性食品原料的质构
15、有重要影响。组织蛋白酶钙离子激活中性蛋白酶CANPS乳蛋白酶,2.3.1组织蛋白酶,主要存在肌肉组织细胞的溶菌体离子中。肉在成熟期的变化和组织蛋白酶有重要关系。,2.3.2 CANPS钙离子激活中性蛋白酶,CANP 、 CANP CANP ：在50100mol/L的Ca2存在时，能被激活。CANP ：在12mol/L的Ca2存在时，能被激活。宰后肌肉中， CANPS能和组织蛋白酶协同作用，影响肉的自溶。,2.3.3乳蛋白酶,牛乳中主要的蛋白酶，是碱性丝氨酸蛋白酶。特点：对热较稳定；水解酪蛋白，产生强疏水性的酪蛋白；也能水解s酪蛋白，但不能水解k酪蛋白。,3.风味,在食品加工过程中，酶的作用会使
16、食品产生有益的风味物，或不良的风味物。脂肪氧合酶过氧化物酶,4.营养价值,脂肪氧化酶多酚氧化酶,第五节：作为食品加工助剂和配料的酶,利用酶的催化特性，可以使食品的功能性质产生关键性的变化，也可以除去毒物或产生新的配料。,1.在甜味剂中使用的酶,1.1果葡糖浆,1.2超高麦芽糖浆,超高麦芽糖浆生产是以淀粉为原料，采用生物酶作催化剂，经液化、糖化、精制、浓缩等工序，生产出超高麦芽糖浆产品。,淀粉,液化,糖化,脱色、脱盐,浓缩,超高麦芽糖浆,细菌淀粉酶,淀粉酶和脱枝酶,2.脂酶的应用,当脂肪作为食品的一部分被摄入人体后，大部分是在小肠中在胰脂酶作用下被水解成甘油，甘油一酯和脂肪酸。脂酶存在于胰腺、血
17、浆、唾液、胰汁、乳、许多产生甘油三酯的植物(大豆，蓖麻子和花生等)、霉菌和细菌中。,2.1脂酶的专一性,酰基甘油专一性位置专一性脂肪酸专一性立体定向专一性,2.2应用,脂酶催化的“脂交换”目前，已可采用特异性脂酶，根据对熔点、不饱和度以及一个脂肪酸在甘油三酯中的特异性位置等要求来制备酯类物质。,3.蛋白酶的应用,3.1分类3.1.1根据作用方式差异分类内肽酶：从蛋白质或多肽的内部切开肽键生成分子量较小的胨和多肽。 外肽酶：只能从蛋白质或多肽的氨基酸或羧基末端水解肽键而游离出氨基酸，有氨肽酶、羧肽酶之分。,3.1.2根据活性中心的差异分类,（1）丝氨酸蛋白酶，活性中心含丝氨酸，最适反应pH值81
18、0，这类酶几乎全是内肽。（2）巯基蛋白酶，活性中心含巯基，可为还原剂所活化，巯基易同金属离子结合而引起酶不同程度的失活，最适pH值在中性附近。（3）金属蛋白酶，这类酶以其活性中心含Ca2+、Zn2+等金属离子而得名，加入金属螯和剂如EDTA能将金属原子从酶蛋白中剥离而引起酶失活，失活的酶重新加入金属可使酶活性恢复，另外，氰化物、汞、铅、铜等重金属对酶有抑制作用。（4）羧基蛋白酶，主要是最适pH值24的酸性蛋白酶类，其活性中心含有两个羧基。,3.1.3根据其作用最适pH值差异分类,酸性蛋白酶：能够在微酸环境下（pH2.54.0），水解动植物蛋白质，在酶的活性部位中含有一个或更多的羧基。中性蛋白酶
19、：金属酶，一部分酶蛋白总含有一个锌离子，等电点在pH89 ，是微生物蛋白酶中最不稳定的酶，很易自溶 碱性蛋白酶：在pH 711范围内有活性。在以酪蛋白为底物时的最适pH以9.510.5为多，这种酶除了水解肽键外，还具有水解酯键、酰胺键和转酯及转肽的能力。,3.2蛋白酶的水解度,DH,被水解的肽键数目,总的肽键数目, 100,3.3应用,蛋白酶具有降蛋白质水解成肽和氨基酸的作用功能，能提高和改善蛋白质的溶解性、乳化性、起泡性、粘度、风味等，在食品工业中广泛应用于肉的嫩化、制造鱼蛋白、增加面团柔软性、防止啤酒产生浑浊等工艺 。,4.果胶酶,在果汁加工应用广泛提高得汁率澄清果汁,5.纤维素酶,纤维素
20、是地球上最丰富的糖类物质。,第六节：酶在分析检测方面的应用,酶法检测具有准确、快速、特异性(专一性）和灵敏性强等特点，其中特异性这一特点使得酶法分析不需要物理分离就能辨别试样中被测组分，尤其适合食品这一复杂体系。目前酶在食品分析中的应用涉及食品组分的酶法测定、食品质量的酶法评价及食品卫生与安全检测等多个方面。,1.酶法检测必需具备的两个基本条件,要有专一性高的酶对酶催化作用后的物质变化要有可靠的检出方法。,2.酶法检测的两个步骤,酶反应检测,3.酶法检测的种类,单酶反应多酶偶联反应酶标免疫反应,3.1单酶反应检测,举例：利用脲酶测定尿素的含量。,3.2多酶偶联反应,3.2.1原理利用两种或两种
21、以上的酶的联合作用，使底物通过两步或多步反应，转化为易于检测的产物，从而测定被测定物的量。,3.2.2举例,临床上测定血液或尿液中葡萄糖含量的酶试纸。,3.3酶标免疫反应,指利用酶法，测定样品中抗体或抗原的反应。在应用中一般采用商品化的试剂盒进行测定，其特点是将抗原或抗体制成固相制剂，在与标本中抗体或抗原反应后，只需经过固相的洗涤，就可以达到抗原抗体复合物与其他物质的分离。,3.3.1原理,首先将适宜的酶与抗原或抗体结合在一起。测样品中的抗原含量，制备酶标抗体；测样品中的抗体含量，制备酶标抗原。然后将酶标抗体（或酶标抗原）与样品液中待测抗原（或抗体），通过免疫反应结合在一起，形成酶抗体抗原复合
22、物。将复合物与酶的底物反应，测定复合物中酶的含量，相应就可得出待测抗原或抗体的量。,3.3.2举例,用碱性磷酸酶标记免疫反应，检测某种抗体的含量。将碱性磷酸酶与待测抗体相应的抗原结合，制成碱性磷酸酶标记抗原。将酶标记抗原与样品中待测的抗体，通过免疫反应结合成碱性磷酸酶抗体抗原复合物。将复合物与硝基酚磷酸（NPP）反应，碱性磷酸酶催化NPP水解生成硝基酚和磷酸。,硝基酚呈黄色，黄色的深浅与碱性磷酸酶的含量成正比。,本次课小结,掌握食品原料中内源性酶对食品颜色、质构、风味和营养等食品主要质量特性的影响。熟悉作为食品加工助剂和配料而使用的酶以及酶在食品分析中的应用。重点：掌握食品原料中内源性酶对食品颜色、质构、风味和营养等食品主要质量特性的影响。难点：作为食品加工助剂和配料而使用的酶。,第六章：酶 作业,1.名词解释：酶、酶活力、酶的比活力、固定化酶2.谈谈酶的催化特点和影响酶活力的因素。 3.什么是酶促褐变？4.果蔬加工过程中影响酶促褐变的因素有哪些？如何控制？5.食品加工中有哪些常见的淀粉酶？各有何催化特点？,第七节：酶和健康/营养/食品问题,1.酶缺乏,2.食品中的毒物和抗营养因子,含氰糖苷类毒素蛋白酶抑制剂淀粉酶抑制剂血球凝集素,3.食品过敏,有些人对食品组分，特别是某些蛋白质的摄入会产生不良反应。,
