酶的生成与改造及酶工程在食品中的应用

关于酶的生成与改造及酶工程在食品中的应用一﹑海洋藻类活性多糖概述

海藻多糖主要来自海带、鹿尾菜(羊栖菜)、巨藻、泡叶藻、墨角藻等海藻。海藻多糖主要包括褐藻胶、褐藻糖胶和褐藻淀粉。从海带中分离得到的褐藻胶、褐藻糖胶和褐藻淀粉粗品均为白色略带黄色的粉末。经纯化得到的褐藻酸钠为白色丝状物；褐藻糖胶为乳白色粉末；二者均溶于水、不溶于乙醇、丙酮、氯仿等有机溶剂。第2页,共33页，2024年2月25日，星期天海洋藻类活性多糖功效1.1抗肿瘤作用1.2抗病毒作用1.3抗辐射作用1.4降血脂作用1.5抗凝血作用1.6护肤作用第3页,共33页，2024年2月25日，星期天

海藻多糖具有抗肿瘤的作用。绿藻中松藻科松藻冷水抽出物，对接种S-180实体肉瘤和艾氏腹水瘤20d的小鼠，以0.5mg/kg腹腔注射6d，抑瘤率达37%-42%；螺旋藻多糖蛋白提取物可显著抑制小鼠体内腹水中肝癌细胞的增殖；螺旋藻多糖以0.3-0.5g/L对B37乳腺癌细胞的抑制率可达68%，对K652白血病细胞抑制率为46%；裙带菜多糖对615荷瘤小鼠抑瘤率为69.13%；施志仪等实验证明海带褐藻糖胶可通过抑制人肝癌细胞进入对数生长期来抑制肿瘤的生长，当剂量达到250μL/mL时，加样24h后表现出杀伤作用，并且实验组细胞生长缓慢，形态较小，多呈圆形，分布不均匀；肺癌细胞、胃癌细胞、白血病细胞HL-60在含有螺旋藻多糖的培养液中培养后，细胞形状变得不规则，内部出现空泡，并逐渐解体；紫菜多糖具有促进免疫功能活性而具抗癌的作用；羊栖菜多糖对荷瘤小鼠的红细胞免疫功能有促进作用

1.1抗肿瘤作用第4页,共33页，2024年2月25日，星期天1.2抗病毒作用

从海藻Gelidumcartilagenium中提取的多糖和卡拉胶对流感B病毒和腮腺炎病毒有对抗作用；红藻多糖（RP1，RP2）对牛免疫缺陷病毒（BIV）有明显的生长抑制作用，抑制率分别为85.96%和88.65%，与临床批准使用的抗AIDS药物叠脱氧胸腺嘧啶89.52%近似；Gonzale报道[13]从海藻中提取得到的多糖硫酸酯能阻断病毒对细胞的吸附，以及抑制人类免疫缺陷病毒（HIV）的逆转录酶；从微红藻中提取的多糖可以阻止病毒在寄主细胞中的复制，并有效地防止病毒侵入正常细胞[14]。研究表明，多糖的硫酸基含量与其抗病毒作用密切相关，可能是通过干扰病毒和宿主细胞之间的吸附来达到其抗病毒作用。第5页,共33页，2024年2月25日，星期天

对自然酶的化学结构进行修饰以改善酶的性能的方法很多。例如，a一淀粉酶一般有Ca2+，Mg2+等金属离子，属于杂离子型，若通过离子置换法将其他离子都换成Ca2+

，则酶的活性提高3倍，稳定性也大大增加；胰凝乳蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖酐结合，酶的空间结构发生某些细微改变，使其催化活力提高4倍；还有对抗白血病药物——天冬酰胺酶的游离氨基进行修饰后，该酶在血浆中的稳定性也得到很大的提高。第6页,共33页，2024年2月25日，星期天

酶进行化学修饰时，应注意：(1)修饰剂的要求(2)酶性质的了解(3)反应条件的选择大多数酶经过修饰后性质会发生一些变化，如酶的热稳定性、抗各类失活因子能力、抗原性、半衰期、最适PH值等酶学性质，酶修饰中存在的问题是，随着酶与修饰剂结合率提高，酶活回收率将下降。克服的方法是采取一些保护措施，如添加酶的竞争性抑制剂，保护酶活性部位以及改进现有的修饰工艺，进一步完善酶的化学修饰。

第7页,共33页，2024年2月25日，星期天

制备修饰酶的目标:提高酶活力;改进酶的稳定性允许酶在一个变化的环境中起作用最适PH值或温度,改变酶的特异性使它能催化不同底物的转化改变催化反应类型,提高催化过程的反应效率。第8页,共33页，2024年2月25日，星期天2.2生物酶工程法

随着人们对酶的深入研究以及氨基酸一级结构的测定、基因重组技术的应用等，可以彻底地改造、合成并且模拟酶。这也就是生物酶工程的主要内容。生物酶工程主要包括基因工程技术生产酶和蛋白质工程技术改造酶两方面内容。第9页,共33页，2024年2月25日，星期天2.2.1基因工程技术改造和生产酶

基因工程改造酶分子主要包括三方面内容：①用基因工程技术大量生产酶。②修饰酶基因，产生遗传修饰。③设计出新酶基因，合成自然界从未有过的酶。

例如：凝乳蛋白酶是生产乳酪的必需用酶，其来源有限。从微生物中提取的凝乳蛋白酶常会引起乳酪苦味。因此，人们克隆了小牛凝乳酶基因在酵母系统中表达，得到的凝乳酶与从小牛胃中提取的天然酶性质完全一致。第10页,共33页，2024年2月25日，星期天2.2.2蛋白质工程改造和生产酶

酶的蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，而且仍需要应用基因工程的全套技术。所不同的是，酶的基因工程主要解决的是酶大量生产的问题，而蛋白质工程则致力于天然蛋白质的改造，制备各种定做的蛋白质，但也要用到基因工程的技术手段。第11页,共33页，2024年2月25日，星期天2.2.2.1合理设计

合理设计是蛋白质工程最早使用的技术，而且现在也在广泛的使用。要达到此目的要做好三个方面的工作。第一要用结晶学技术来获得蛋白质结晶体，然后利用x一射线技术对晶体进行测量、分析，确定蛋白质的三维结构。第二借助计算机对蛋白质进行选择修饰，从氨基酸的化学结构预见空间结构，或通过人工智能等其它方法来确定蛋白质和功能的关系，找到要修饰的位点。第三，通过对基因序列的了解，运用定点突变技术来进行碱基替换。通过此法来改变蛋白质的功能，但要想获得理想的蛋白质工程产物往往要经过多次分析，替换才能达到目的[2]第12页,共33页，2024年2月25日，星期天2.2.2.2定向进化

定向进化是蛋白质工程的新策略，它是在不需要事先了解蛋白质的空间结构的情况下通过模拟自然进化机制，以改进的诱变技术结合确定进化方向的选择方法。因此它能解决合理设计所不能解决的问题，在生产中的应用越来越受到重视。定向进化是在待进化蛋白质基因的PCR扩增反应中，利用TaqDNA多聚酶不具有3‘-5’校对功能的性质，配合适当条件，以很低的比率向目的基因中引人突变，构建突变库，凭借定向选择方法，选出所需性质的蛋白质。定向进化实际就是随机突变加上选择，它与自然进化不同，整个过程都是在人为控制下进行的，并且还可以模拟真核细胞中DNA随机拼接这一蛋白质进化过程来加速蛋白质的优化。第13页,共33页，2024年2月25日，星期天2.3酶分子的定向改造和进化

酶分子设计可以采用定点突变和体外分子定向进化两种方式对天然酶分子进行改造。第14页,共33页，2024年2月25日，星期天2.3.1定点突变

定点突变需要知道酶蛋白的一级结构及编码序列，并根据蛋白质空间结构知识来设计突变位点。定点突变技术可以随心所欲地在已知DNA序列中取代、插入或缺失一定长度的核苷酸片段[6]。该方法与使用化学因素、自然因素导致突变的方法相比，具有突变率高、简单易行、重复性好的特点。第15页,共33页，2024年2月25日，星期天2.3.2体外分子定向进化

体外定向进化是近几年新兴起来的一种蛋白质改造新策略，它可以在尚不知道蛋白质的空间结构，或者根据现有的蛋白质结构知识尚不能进行有效的定点突变时，借鉴实验室手段在体外模拟自然进化的过程(随机突变、重组和选择)，使基因发生大量变异，并定向选择出所需性质或功能，从而使几百万年的自然进化过程在短期内得以实现。具体的在上面已经详述过。第16页,共33页，2024年2月25日，星期天酶在食品工业中的应用第17页,共33页，2024年2月25日，星期天1、酶用于淀粉糖的生产

以淀粉为原料，经α—淀粉酶和葡萄糖淀粉酶催化水解，得D—葡萄糖，将它通过固定化D—葡萄糖异构酶柱完成由D—葡萄糖至D—果糖的转化，再通过精制、浓缩等手段，即可得到不同种类的高果糖浆。第18页,共33页，2024年2月25日，星期天2、酶用于甜味剂的生产

淀粉糖均以淀粉为原料进行生产，其甜度增加有限，所以从根本上解决食糖短缺问题应生产甜度高而又不以淀粉为原料的甜味剂。国外大量生产的阿期巴甜（APM）就是一种高甜度的甜味剂。阿期巴甜（天门冬酰丙氨酸甲酯）是二肽甜味剂，其甜度是蔗糖的200倍。过去是以L—天冬氨酸与L—苯丙氨酸为原料用化学法合成。现在日本采用酶法合成新工艺，可用价格较低的DL—苯丙氨酸为原料，且产品都是α—型体（β—型体有苦味），使生产成本下降30%。第19页,共33页，2024年2月25日，星期天3、酶用于乳品加工（1）干酪生产全世界生产干酪所耗牛奶达1亿多吨，占牛奶总产量的1/4。干酪生产的第一步是将牛奶用乳酸菌发酵制成酸奶，然后加凝乳酶水解K-酪蛋白，在酸性条件下，钙离子使酪蛋白凝固，再经切块加热压榨熟化而成。第20页,共33页，2024年2月25日，星期天（2）分解乳糖牛奶中含有4.5%的乳糖。乳糖是一种缺乏甜味且溶解度很低的双糖，难于消化。有些人饮奶后常发生腹泻、腹痛等病，其原因即在于此。而且由于乳糖难溶于水，常在炼乳、冰淇琳中呈砂状结晶析出，从而影响食品风味。将牛奶用乳糖酶处理，使奶中乳糖水解为半乳糖和葡萄糖即可解决上述问题。第21页,共33页，2024年2月25日，星期天（3）黄油增香乳制品特有香味主要是加工时所产生的挥发性物质（如脂肪酸、醇、醛、酮、酯以及胺类等）所致。乳品加工时添加适量的脂肪酶可增加干酪和黄油的香味。将增香黄油用于奶糖、糕点等食品，可节约黄油用量，提高风味（4）婴儿奶粉人奶与牛奶区别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婴儿肠道感染。第22页,共33页，2024年2月25日，星期天4、酶用于肉类和鱼类加工（1）改善组织、嫩化肉类酶技术可以促使肉类嫩化。牛肉及其他质地较差的肉（如老动物肉），结缔组织和肌纤维中的胶原蛋白质及弹性蛋白质含量高且结构复杂。胶原蛋白质是纤维蛋白，同副键连接成为具有很强机械强度的组成，这种交联键可分成耐热的和不耐热的两种。幼动物的胶原蛋白中，不耐热交联键多，一经加热即行破裂，肉是得嫩；而老动物的肉因耐热键多，烹煮时软化较难，因而肉质显得粗糙，难以烹调，口感亦差。采用蛋白酶可以将肌肉结缔组织中胶原蛋白分解，从而使肉质嫩化。作为嫩化剂的蛋白酶可以分为两类：最常用的一类是植物蛋白酶，另一类是微生物蛋白酶。第23页,共33页，2024年2月25日，星期天（2）转化废弃蛋白将废弃的蛋白、如杂鱼、动物血、碎肉等用蛋白酶水解，抽提其中蛋白质以供食用或用作饲料，是增加人类蛋白质资源的一项有效措施。其中以杂鱼及鱼厂废弃物的利用最为瞩目。海洋中许多鱼类因其色泽、外观或味道欠佳等原因，都不能食用，而这类水产却高达海洋水产的80%左右。采用这项生物技术新成果，使其中绝大部分蛋白质溶解，经浓缩干燥可制成含氮量高、富含各种水溶性维生素的产品，其营养不低于奶粉，可掺入面包、面条中等食用，或用作饲料，其经济效益十分显著。第24页,共33页，2024年2月25日，星期天（3）其他方面的应用用酸性蛋白酶在pH值呈中性条件下处理解冻鱼类，可以脱腥。现今开发利用碱性蛋白酶水解动物脱色来制造无色血粉，作为廉价而安全的补充蛋白资源，这一技术已用于工业化生产。第25页,共33页，2024年2月25日，星期天5、酶用于果蔬加工（1）水果罐头加工制作桔子罐头时需除桔瓣囊衣，过去使用碱处理法，耗水量大，又费工时。现采用黑曲霉产生的半纤维素酶、果胶酶和纤维素酶的混合物，可很好地除去桔瓣囊衣，而避免上述缺点。桔子罐头常发白色浑浊，这是同桔肉中橙皮苷造成的。采用橙皮苷酶，可将橙皮苷水解成为水溶性的橙皮素，从而消除桔子罐头的白浊现象。桃果实含有红色花青素，罐藏时同金属离子作用而呈紫褐色。采用花青素酶处理桃酱、葡萄汁等，即可脱色而提高经济价值。这是因为花青素酶可以水解花青色素，使之变为无色物质。第26页,共33页，2024年2月25日，星期天（2）柑桔类脱苦柑桔类脱苦问题历来是果品加工中的一大问题。桔子中的柠檬苦素是引起桔汁产生苦味的原因，利用球形节杆菌固定化细胞的柠檬酶处理即可消除苦味。第27页,共33页，2024年2月25日，星期天（3）果汁加工水果中均含有果胶物质。果胶的重要特性之一，就是在酸性和高浓度的糖存在时，即可形成凝胶。这一性质是制造果冻、果酱的基础。但在果汁加工上，却造成了压榨、澄清的因难。现采用果胶酶处理破碎的果实，即可加速果汁过滤和促进澄清。第28页,共33页，2024年2月25日，星期天（4）水果蔬菜保藏用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菜的糖分可防止贮藏过程中发生褐变。瓶装桔汁贮藏时因氧化而使色香味变劣，采用葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶去氧即可保持果汁原有的色香味。水果冷冻保藏时，由于果实自