固定化酶及其在食品工业中的应用(一)

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摘要固定化酶是酶工程的核心技术之一,有利于实验酶的重复使用及产物与酶的分离,将酶工程提高到一个新的水平,极大地促进了酶工程的研究与应用,并广泛应用于各个领域。综述了固定化酶的制备方法,总结了其在食品工业中的应用,并对其的发展进行了展望。
　　关键词固定化酶;食品工业;应用

　　AbstractImmobilized enzyme is the core of the enzyme engineering,it benefits the reuse of enzyme and separation of the production and enzyme,advances the enzyme technology level. The technology of immobilized enzyme promotes the research and application of enzyme enginearing.And now immobilized enzyme has been widely used. The immobilized method was introduced,then the application of immobilized enzyme in food industry was summarized,and the future prospect of this technology was expounded in the end.
　　Key wordsimmobilized enzyme;food industry;application
　　
　　固定化酶技术是20世纪60年代发展起来的一项生物工程技术。酶的固定化(immobilization of enzymes)是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,进行特有的催化反应,并可回收及重复利用的技术[1]。固定化酶的研究不仅在化学生物学、生物工程医学及生命科学等领域异常活跃,而且因为其节省能源与资源、减少污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求[2]。
　　1固定化酶的定义与特点
　　固定化酶技术是将酶用人工方法固定在特定载体上,进行催化、生产,因而固定化酶一般可以被认为是不溶性酶。与水溶性酶相比,其优点如下:易于将固定化酶与底物、产物分高,便于后续的分离和纯化;可以在较长时间内连续生产;酶的稳定性和最适温度提高;酶反应条件容易控制;可以增加产物的收率,提高产物质量;酶的使用效率高,使用成本低;适于产业化、连续化、自动化生产。与此同时,由于酶的分离、固定化处理等原因,固定化酶也具有一些难以避免的缺点:在固定化过程中,酶活力会损失;生产成本提高,工厂初期投资大;只能用于水溶性底物,适合于小分子;不适宜于多酶反应,还需要需要辅助因子的协助才可以有效反应[3-4]。
　　2固定化酶的方法
　　酶的固定方法主要有吸附法、包埋法、共价键合法和一些其他方法,针对不同的酶、不同的载体,需要采用不同的方法,有时还需要将几种方法联合使用。
　　2.1吸附法
　　吸附法是通过非特异性物理吸附法或生物物质的特异吸附作用将酶吸附在炭、有机聚合物、玻璃、无机盐、金属氧化物或硅胶等材料上。该方法又分为物理吸附法和离子吸附法。此法简便,且酶变性的可能性较小。但是在酶和载体结合具有弱键的本质,在使用过程中易解吸,又由于载体具有非特异性吸附剂的本质,因此可能同时吸附除酶以外的其他物质[4]。
　　2.2包埋法
　　包埋法是指酶或细胞包埋在各种多种载体(如聚丙烯酰胺凝胶、矽酸盐凝胶、藻酸盐、角叉菜聚糖等)中发生聚合、沉淀或凝胶化使之固定的方法。主要分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法,该方法操作简单,酶活回收率较高,但发生化学反应时,酶易失活,适用于小分子底物和产物的酶。
　　2.3结合法
　　结合法指选择适宜的载体,使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定方法。包括离子键结合法和共价键结合法。离子键结合法操作简单,条件温和,酶活性损失少,但酶与载体结合力弱,酶易脱落,这也是最常用的方法之一。共价键结合法研究较为成熟,酶与载体结合牢固,一般不轻易脱落,但反应条件较剧烈,会引起酶蛋白空间构象的变化,破坏酶的活性部位。
　　2.4交联法
　　交联法是用双功能试剂或多功能试剂进行酶分子之间的交联,是酶分子和双功能试剂或多功能试剂之间形成共价键,得到三向德交联网状结构,除了酶分子之间发生交联外,还存在一定的分子内交联。根据使用条件和添加材料的不同,还能够产生不同物理性质的固定化酶。此法反应条件较剧烈,酶活回收率很低,故不常用。一般将吸附法和交联法2种方法结合起来使用。
　　3固定化酶在食品工业上的应用
　　3.1固定化酶在柑橘汁加工中的应用
　　柑桔加工产品出现过度苦味是柑桔加工业中较重要的问题,苦味物质主要由2类物质组成:一类为柠檬苦素的二萜烯二内酯化合物(A和D环);另一类为果实中多种黄酮苷,其中柚皮苷为葡萄柚和苦橙等柑桔类果汁中的主要黄酮苷,柚皮苷的苦味与鼠李糖和葡萄糖连接键的分子构象有关[5]。主要是利用不同的酶分别作用于柠檬苦素和柚皮苷生成不含苦味的物质。Manjon等使用空心玻璃床作为载体,分别使DEAE-Sephadex和单宁-氨基乙基纤维(tanninamino ethy1 cellulose)作为载体;Puri等使用海藻糖;Soures等使用醋酸纤维和三醋酸纤维制成膜固定酶,其试验结果都表明用固定化酶处理后的果汁苦味明显降低。
　　3.2固定化果胶酶在果汁加工中澄清的应用
　　在果汁加工中,果胶的存在会使压榨与澄清困难,而果胶酶是指分解果胶物质的多种酶的总称。Lozano等[6]将尼龙膜进行O-烷基化活化后与果胶酶共价偶联,然后置于微滤反应器中,被降解的小分子果胶随滤膜流出,贮液粘度降低88.14 %,从而破坏果汁的胶体状态。张来群等[7]将尼龙网经3-二甲氨基丙胺活化后,用戊二醛共价偶联果胶酶,所得固定化酶Km值与自然酶接近,在较宽的pH值范围内保持正常活力,对温度的稳定性有较大提高。Vaillant等[8]以虾壳几丁质为载体,以戊二醛为偶联剂共同固定PL和内切纤维素酶,发现其半衰期为407 h。
　　3.3固定化酶在啤酒澄清中的应用
　　啤酒以其清晰度高、泡沫适中、营养丰富和口感好成为人们的最佳选择。但是,由于啤酒中含有一定量的蛋白质,它与游离于啤酒中的多酚、单宁等结合产生不溶性胶体或沉淀,造成啤酒混浊,从而严重影响了啤酒的质量。温燕梅等[9]采用吸附―交联法,使胰蛋白酶先吸附于磁性胶体粒子表面,后用戊二醛双功能试剂交联,形成“酶网”裹着载体形成固定化酶,该磁性酶对啤酒澄清防止冷浑浊有明显效果。赵炳超等[10]在戊二醛做交联剂的条件下,以介孔分子筛MCm248作载体固定化木瓜蛋白酶,所得固定化酶的热稳定性有了显著提高,固定化酶的pH值稳定性和储藏稳定性也有了明显改善。