在人類社會發展的歷史中,食品加工工藝的不斷改進,對于人類體力和智力的發展起到了重要的作用。從面包、奶酪、酒類、醬類等古老的食品可以看出,人類對酶的應用幾乎同人類文明史一樣古老。當然,在19世紀后期微生物學、生物化學,尤其是酶學誕生之前,人類所利用的酶學技術在很大程度上依賴于實踐經驗及樸素總結。人們將主要來源于動物或植物食品原料進行加工的過程,常常不自覺地利用各種酶的催化作用,實現食品成分的轉化。

法國科學家巴斯德(LouisPasteur)認為發酵與活細胞有關,但卻認為發酵是活細胞而不是細胞中的某些物質在發揮作用。1878年,德國科學家庫尼(W.Kuhne)**提出“酶”(Enzyme)的概念,這個詞原本的含義就是“在酵母中”。1897年,畢希納兄弟成功地從酵母細胞分離出能使糖發酵的物質,從此酶學得以建立和發展。

酶的本質是具有催化活性的生物大分子,基本上都是以蛋白質的形式存在。與其他形式的催化劑相比,酶具有底物專一性強,反應條件溫和,反應效率高,副產物少等優點。近年來,酶學技術不僅在食品加工中的應用有了許多新的成果,而且在食品質量檢測中也發揮了越來越重要的作用。本文從谷物加工、果蔬加工、肉類加工、乳制品加工四個研究領域對酶學技術在食品加工中的應用及其進展,從酶聯免疫分析法(ELISA)與酶生物傳感器法兩個研究領域對酶學技術在食品質量檢測中的應用及其進展進行了歸納和評述。針對酶學技術在食品加工與食品質量檢測中的應用存在的不足,本文也提出了相應的建議。

2.酶學技術在食品加工中的應用

目前國內外食品酶學技術的研究重點包括谷物加工、果蔬加工、肉類加工、乳制品加工這四個領域。

2.1谷物加工研究領域

谷物是*重要的農產品,也是食品加工*重要的原料。作為食品工業的一個傳統領域,谷物加工業普遍存在產品附加值不高的問題。因此,通過酶學技術對谷物進行深加工和綜合開發利用,能夠在*大程度上提升谷物加工業的經濟效益。谷物中的主要營養物質是淀粉。以小麥為例,新型酶制劑在其深加工過程中得到了廣泛的應用,包括淀粉分離、淀粉制糖、淀粉生產酒精的調漿、液化、糖化以及生料轉化等過程。基于現代醫學與營養學的研究成果,許多研究者從谷物原料的特性出發,利用酶學技術開發各種適合人類營養需求的新型谷物食品,其中包括膳食纖維等一些新類型的營養保健產品。

膳食纖維是一種*其重要的食品成分,包括各種水溶性和水不溶性的纖維物質,具有很多重要的生理功能。許多研究者從不同來源的食物中提取加工膳食纖維,而以抗性糊精為代表的大多數膳食纖維均來源于谷物。抗性糊精由谷物淀粉加工而成,其本質是一種低熱量葡聚糖,屬于低分子水溶性膳食纖維,2012年中國衛生部將其列為普通食品。谷物淀粉為大分子,而抗性糊精為低分子,所以抗性糊精的加工過程可以采用各種酶制劑進行酶解,譬如α-淀粉酶、糖化酶、普魯蘭酶、轉苷酶等。這些酶制劑的使用,在不同水平上提高了抗性糊精的產量和質量。

目前國際市場上已有多種商品化的低聚糖出售,如低聚果糖、低聚半乳糖、殼低聚糖(殼寡糖)等。低聚果糖、低聚半乳糖具有顯著促雙歧桿菌增殖等作用,已被廣泛應用于嬰幼兒乳粉及食品中,而殼低聚糖(殼寡糖)則是一種具有明顯激活機體內源性免疫系統的保健食品。2014年5月16日我國衛生計生委已公告,殼寡糖列入新食品原料目錄。目前生產這些功能性低聚糖的主要途徑是利用微生物所產的菊粉酶、β-半乳糖苷酶、殼聚糖酶等酶制劑的作用,以菊粉、乳糖和髙分子殼聚糖等作為底物進行生物轉化。近年來,利用糖基轉移酶來生產功能性低聚糖的研究也取得了進展,例如,將固定化α-葡萄糖基轉移酶用于低聚異麥芽糖的生產獲得了較好的效果。

可以看出,酶學技術在谷物加工研究領域的應用,既包括淀粉糖、酒精等傳統淀粉轉化食品,也包括抗性糊精、低聚果糖等一些新型營養食品。

2.2果蔬加工研究領域

果汁生產是果蔬加工的一個主要產業。在果汁的加工過程中,由于植物細胞間隙存在粘稠度很高的果膠類物質,給榨汁、過濾和澄清等環節帶來了困難。短時間的果膠酶處理就能使果肉中的果膠降解、粘度下降,不僅有利于提高榨汁收率,同時也提高了果汁澄清的效果。

在果汁生產中,未成熟果實淀粉含量過高同樣會使果漿粘稠,果汁渾濁。淀粉酶是專一性的淀粉水解酶,將淀粉酶和果膠酶復合用于果汁生產中,可降低果汁粘度、縮短過濾時間、澄清果汁并提高果汁的穩定性。例如,在蘋果汁加工中有時會出現一些并非變質的渾濁現象,采用含淀粉酶的復合酶來處理,就能夠保持果汁的澄清。

我國是柑橘汁的生產大國,但以往在其加工過程中采用的方法比較原始,例如,桔子囊衣的脫除以往都是采用酸堿處理,造成了大量廢水和固態廢棄物的排放。而利用聚半乳糖醛酸酶、果膠酶與半纖維素酶組成的復合酶處理,對桔子囊衣脫除效果明確,可以很好地解決這些問題。

果蔬中功能性成分的提取是目前果蔬深加工的一個方向。酶制劑的使用可以在溫和條件下進行,減少這些功能性成分的損失。纖維素酶輔助提取技術就是其中較為常用的一種方法。例如,在蘆筍黃酮提取中就可以采用纖維素酶輔助提取技術。有研究者采用纖維素酶輔助提取技術從大蒜中制備了大蒜多糖。結果表明,大蒜多糖具有很強的抗氧化活性,包括清除自由基的活性,可以作為潛在的抗氧化劑。

因此,酶學技術在果蔬加工研究領域的應用,一方面是果膠酶及其復合酶制劑在果汁生產中的應用,另一方面是纖維素酶輔助提取技術等在果蔬中功能性成分提取中的應用。

2.3肉類加工研究領域

關注肉類食品中營養素的均衡,生產符合現代人對于低鹽低脂需求的功能性肉制品已成為未來肉類加工產業發展的一種趨勢。此外,對于肉類加工副產物的綜合利用可以實現肉類食品資源的充分利用,提升該產業的經濟效益。利用酶學技術的手段,可以對肉類加工的過程進行監測,有利于某些肉類制品獨特風味的產生和保持、減少或者消除加工過程中產生的有害副產物。

除了肉類中固有的內源酶外,外源酶在肉類加工過程中也發揮著重要作用。目前商品化外源酶包括動、植物和微生物來源的水解酶、轉移酶、氧化還原酶等,用于蛋白質的水解或交聯。蛋白質水解過程可以使肉質嫩化、提高活性肽含量,形成獨特的風味物質。蛋白質的交聯可以改善肉制品的保水性、提高其凝膠強度。

肉類風干工藝是一種傳統的風味食品加工方法。采用蛋白酶處理可以促進蛋白質水解,優化肉類風干成熟工藝。例如,堿性蛋白酶能顯著促進肉類原料的蛋白質水解,在風干雞的制作中,就可以采用堿性蛋白酶酶解與高溫風干成熟工藝相結合,提高風味品質。普通中式香腸因其膠黏特性較差,脂肪顆粒大,影響其食用品質[17]。谷氨酰胺轉胺酶可以在蛋白質分子間形成共價交聯,提高產品的彈性、硬度等特性,從而改進產品的品質和口感。脂肪酶能催化脂肪顆粒的水解過程,去除其中多余的脂肪,增加香腸的硬度、膠黏性。

我國是漁業大國,但魚產品加工中還存在著利用率低,附加值不高,深加工產品少等問題。魚類蛋白質經酶解后得到的水解物,其溶解性、乳化性、起泡性和流變性等物理特性得到明顯改善,且水解液中氨基酸種類齊全。例如,采用堿性蛋白酶水解草魚蛋白,可以獲得氨基酸種類齊全的水解液。某些海鮮中含有過敏原,因此采用酶法消除致敏性具有很強的實際意義。例如,采用超高壓法和高壓結合酶法消減,可以在很大程度上降低南美白對蝦中過敏原的致敏性。

可以看出,酶學技術在肉類加工研究領域的應用,不僅有利于傳統肉類食品風味的改良,而且可以制造出更加營養均衡,符合保健需求的功能性肉制品。2.4乳制品加工研究領域

乳制品加工業是畜牧業與現代食品工業交叉的一個重要領域。近年來,國內乳制品市場有了很大的擴展,酶學技術在乳制品加工,尤其是各種發酵乳制品加工中的應用得到了更深入的研究。

乳酸菌(lacticacidbacteria,LAB)是乳制品加工中應用較多的一大類細菌的總稱,它們是人體必不可少的益生菌,因此具有很好的安全性。利用乳酸菌中豐富的蛋白水解酶系,可以在乳制品發酵中促進酪蛋白水解,產生豐富的多肽類風味物質。

嬰兒配方奶粉中添加的牛乳脂肪在脂肪酸組成及分布上與人乳脂肪差異較大,不能很好地滿足成長中嬰兒的營養需求。因此,近年來許多研究者采用酶法生產脂肪酸組成和結構與人乳脂相似的人乳脂替代品,主要目標就是通過Sn-1,3位專一性脂肪酶來催化酯交換或者酸解反應,使產物的物理和化學特性均與人乳脂相似。[22,23]目前比較成熟的商業化脂肪酶制劑是丹麥諾維信的Lipozyme系列。

制造干酪過程中,發揮凝乳作用的關鍵性酶是凝乳酶。凝乳酶的傳統來源是吃奶的小牛皺胃(第四胃),可用來制作各種類型的干酪。但是,來源于小牛皺胃的凝乳酶制劑畢竟有限,難以滿足干酪制造產業的需求,有必要開發新來源的凝乳酶。植物性凝乳酶、微生物凝乳酶、基因工程重組凝乳酶都屬于新來源凝乳酶,其中基因工程重組小牛凝乳酶被認為是*具有潛力的產品,有望成為解決市場需求的新途徑。

因此,酶學技術在乳制品加工研究領域的應用,不僅包括酸奶、干酪等傳統發酵乳制品,也包括嬰兒配方奶粉等新型功能性營養食品。

3.酶學技術在食品安全檢測中的應用

酶學技術在食品安全檢測領域的應用越來越廣泛,其中主要包括:酶聯免疫分析法,酶生物傳感器法。

3.1酶聯免疫分析法(ELISA)

酶聯免疫分析法是屬于標記免疫學技術的一種,1971年由荷蘭和瑞典的學者提出。由于其操作過程簡單易行并可以定量,從而使其在食品安全和衛生檢測中得到廣泛的應用。例如,可以用于果蔬中農藥殘留的檢測。有研究者采用包被抗體、酶標半抗原直接競爭酶聯免疫吸附分析法(ELISA)測定氰戊菊酯在桃中的殘留量。

目前市場上有多種基于ELISA方法開發的用于食品中毒素檢測的試劑盒產品。但是,不同廠家的試劑盒質量和使用范圍上存在差異。例如,有研究者比較了4個廠家的黃曲霉毒素B1酶聯免疫試劑盒,并將試劑盒所測得結果與液相色譜法結果進行比對。結果表明,酶聯免疫法對不同基質的檢測差異性較大,因此針對不同的樣品基質,需要合理選擇酶聯免疫試劑盒。當檢測過程中出現陽性樣品時,需要用液相色譜法進行確認。

為了提高ELISA法對于食品中毒素檢測的靈敏度,有研究者引入了超順磁微粒。比較常規的酶標板,磁微粒能夠提供更高的比表面積,更好的流動性,同時避免了空間位阻,使抗原抗體在液相中更易于接近和反應,從而提高了檢測的靈敏度。

因此,如何設計、制造可靠性更好、靈敏度更高的酶聯免疫試劑盒,是今后研究者重點關注的領域。

3.2酶生物傳感器法

1962年克拉克等人提出可以利用酶與電*相結合來測定特定底物的含量,這一酶生物傳感器的設想得到了許多領域科學家的高度重視。酶對特定底物具有專一性催化特性,而現代電化學分析具有迅速性和簡便性,如果能夠將兩者相結合,人們就可以從復雜的成分中,選擇性地迅速測定特定的物質。1967年,世界上**支葡萄糖氧化酶電*誕生,可用于定量檢測血清中的葡萄糖含量。此后,具有檢測迅速、選擇性好、靈敏度高等優點的酶生物傳感器得到了迅速發展,并且在食品安全檢測中展露鋒芒。例如,食品中的亞硝酸鹽污染對人體健康有很大的危害,因此經常需要對亞硝酸鹽含量進行檢測。基于亞硝酸還原酶的生物傳感器可以快速精確地檢測亞硝酸鹽的含量。

在食品發酵工業中運用的酶生物傳感器一般被制備成酶電*。酶電*是將很薄的一層含酶凝膠覆蓋在電*敏感膜表面組成的離子選擇電*。在對待測樣品檢驗時,其中的成分向膜面擴散,特異性底物可以在酶的催化作用下發生反應,其酶催化產物可以被離子選擇電*轉化為相應的電位值,從而反映樣品中特異性底物的濃度。例如,酒中含有的致癌物氨基甲酸乙酯,是在酒的發酵過程中由尿素和乙醇經化學反應形成的,利用固定化脲酶膜的酶電*可以實現酒的發酵過程中尿素含量的快速、準確檢測。又如,采用微生物發酵法生產肌苷時,需要快速測定發酵液中肌苷含量以控制各種生產參數和工藝條件30]。將核苷磷酸化酶(EC2.4.2.1)與黃嘌呤氧化酶(EC1.2.3.2)雙酶共固定的單電*,與固定化黃嘌呤氧化酶電*構成雙電*系統,可實現肌苷的快速分析。

可以看出,以酶電*為代表的酶生物傳感器,在食品安全檢測領域正在發揮著越來越重要的作用。

4.總結與展望

酶學技術已在食品加工中與食品安全檢測中已得到了廣泛應用。可以預期,隨著生物技術本身的迅速發展,尤其是基因工程技術的應用,可用于食品中的酶制劑種類將大大增加。一方面,人們對于食品品種與質量的要求不斷提高,酶制劑的應用將取得長足的發展,其中利用酶制劑來生產具有保健效用的功能性食品將是一個重要的研究領域。另一方面,人們對食品安全的期望也越來越高,這使得酶學技術在食品檢測中應用帶來了新的機遇,今后有望取得新的發展。

不過,目前在食品加工領域使用的高活性酶制劑普遍價格不菲,其普遍使用受到一定程度的制約。因此,如何生產高活性、低價格的酶制劑成為今后研究的一個方向;而以固定化酶為代表的酶制劑長期使用或者回收再利用,也是降低酶制劑使用成本的一個方向。

就食品安全檢測而言,當酶聯免疫分析法可能存在假陽性時,需要結合液相色譜法等其他手段進行校正,以保證檢測結果的準確性。酶生物傳感器的研究雖然已經進行了四十多年,但由于生物信號到電信號的傳遞過程所具有不穩定性,真正商品化的酶生物傳感器種類還很少,因此需要相關研究者付出更多的努力來提高酶生物傳感器的穩定性,從而使其能夠得到廣泛應用。