固定化酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王琳琳，高興明，韋海濤，范小雪，王存芳

1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353；2.山東熊貓乳品有限公司，山東 濟(jì)南 251400

0 引言

早在80年前，一些專家發(fā)現(xiàn)吸附在骨炭粉上的酶具有生物活性，啟發(fā)了業(yè)界學(xué)者對固定化酶的探索.1953年，N.Grubhofer等[1]將聚苯乙烯樹脂重氮化后作為載體與胃蛋白酶、淀粉酶、羧肽酶、核糖核酸酶共價(jià)結(jié)合，制成了最早的固定化酶.1969年，日本的千畑一郎將固定化的氨基酰化酶(該固定化酶的生產(chǎn)成本比游離酶低60%)成功應(yīng)用于D-氨基酸、L-氨基酸的光學(xué)分析，開拓了國際上利用固定化酶進(jìn)行連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的道路，這也是酶應(yīng)用歷史上的一次偉大變革[2].1970年，中國科學(xué)院生物化學(xué)研究所和中國科學(xué)院微生物所開始研究固定化酶，揭開了我國探索固定化酶的序幕.隨后，國內(nèi)多家科研單位開始研究固定化酶，發(fā)展勢頭銳不可擋.本文在簡述固定化酶及其特性的基礎(chǔ)上，綜述了固定化酶在食品加工貯藏(乳制品加工、水產(chǎn)品加工、油脂改性、啤酒儲存)、食品添加劑(高果糖漿、低聚果糖、L-蘋果酸、L-天門冬氨酸、阿斯巴甜)生產(chǎn)、生物活性肽(酪蛋白磷酸肽(CPP)、高F值寡肽)制備和食品檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并指出了未來的研究方向，以期為固定化酶在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用提供參考和新思路.

1 固定化酶

采用人工措施將酶從生物體內(nèi)提取出來并固定到相應(yīng)的載體上，即可制得在一定空間內(nèi)具有催化效應(yīng)的固定化酶.固定化酶主要有線條、顆粒、薄膜、酶管等形狀，其中，顆粒固定化酶的應(yīng)用最為廣泛，它和線條固定化酶主要用于發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)，可大大提高發(fā)酵的反應(yīng)效率；薄膜固定化酶主要用于酶電極；酶管固定化酶的機(jī)械強(qiáng)度較大，主要用于食品檢測[3-5].固定化酶除了具有酶的一般催化特性(如底物特異性、反應(yīng)溫和、高效等)[6]外，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：可提高對溫度、pH值的適應(yīng)性，以及對蛋白酶、抑制劑的抗性[7]；可通過簡單的方法回收再利用，且酶活力損耗少；后續(xù)與產(chǎn)物、底物的分離純化較容易[8]；可批量操作并具有連續(xù)性，適用于連續(xù)化、自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)[9].然而，固定化酶在固定化處理、分離等過程中具有如下缺點(diǎn)：工業(yè)化生產(chǎn)投資較大；固定化預(yù)分離時(shí)酶活力的損失較大，其中胞內(nèi)酶尤為明顯；不易進(jìn)行多酶反應(yīng)，輔助因子在某些酶的反應(yīng)中起關(guān)鍵作用；小分子底物易與固定化酶反應(yīng)，大分子底物與其反應(yīng)概率較低，且只對水溶性底物具有催化作用[10].

固定化酶的固定方法主要包括包埋法、吸附法、共價(jià)法和交聯(lián)法[11-18].其中，包埋法不涉及酶的構(gòu)象和酶分子的化學(xué)變化，合成簡單，但存在擴(kuò)散限制、傳質(zhì)受阻等問題，不適合催化大分子底物[17]；吸附法工藝簡單，條件溫和，載體選擇范圍廣且可再生，主要通過一些較弱的相互作用力(如氫鍵、范德華力、親疏水作用、靜電作用等)實(shí)現(xiàn)酶的固定化;共價(jià)法和交聯(lián)法屬于化學(xué)固定方法，所形成的化學(xué)鍵由于能量較高而難以斷裂，故這兩種固定方法不可逆[18].

近年來，固定化酶被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)[19]，因其具有節(jié)約資源和能源、減少或防治污染的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)而符合當(dāng)代可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求.王歡等[20]利用氨基化樹枝狀介孔SiO2固定葡萄糖氧化酶，用于檢測血清和飲料中的葡萄糖，該固定化酶重復(fù)使用36次以上仍具有80%的相對酶活力.該方法操作方便、準(zhǔn)確度高，提高了酶的pH穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，降低了檢測成本.N.Marjan等[21]使用多醛交聯(lián)劑制備了磁性納米粒子固定果膠酶，提高了果膠酶的回收率和酶活力.M.M.D.Júlia等[22]利用固定化殼聚糖酶生產(chǎn)殼寡糖，與β-葡萄糖苷酶、纖維素酶相比，該固定化酶表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性，在水解6個(gè)周期后，仍可保持70%的初始酶活力.

2 固定化酶在食品加工貯藏中的應(yīng)用

2.1 乳制品加工

乳制品是人們?nèi)粘Ｋ璧鞍踪|(zhì)等的重要來源，其對固定化酶的要求較高，因而，如何利用固定化酶生產(chǎn)高質(zhì)量的乳制品是研究人員一直關(guān)注的重點(diǎn).1998年底，中國食品添加劑標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)將乳糖酶列為食品添加劑的新品種，使乳糖酶在乳制品工業(yè)中的應(yīng)用更為廣泛.固定化乳糖酶可分解乳糖、制造干酪，主要應(yīng)用于液體乳制品(如低乳糖牛奶)、冷凍乳制品(如冰激凌、雪糕、速凍酸乳酪)、糖的替代添加劑(如低聚半乳糖)等方面.牛奶中的乳糖含量一般為4.3%～4.5%，乳糖酶可將其分解為葡萄糖和半乳糖，避免乳糖不耐癥患者產(chǎn)生腹脹、腹瀉等不良反應(yīng).固定化乳糖酶能夠連續(xù)水解乳制品中的乳糖，大大提高乳糖的分解效率[23].李燕等[24]采用聚丙烯酰胺凝膠包埋米曲霉制備了固定化乳糖酶，該固定化酶的熱穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)且適宜的溫度范圍增大，酶活力損失較少，機(jī)械強(qiáng)度也有所增大.使用該固定化酶水解牛奶，不但能夠保持牛奶原有的風(fēng)味，還能增加甜度，減少其他糖類的添加量[25].將固定化乳糖酶應(yīng)用于冰淇淋類產(chǎn)品的加工中，既可提升冰淇淋類產(chǎn)品的口感和甜度，還可彌補(bǔ)乳糖在低溫時(shí)易結(jié)晶的缺點(diǎn)[26].

2.2 水產(chǎn)品加工

酶工程是對水產(chǎn)品加工影響最大的一種生物技術(shù)，固定化酶不僅可改善水產(chǎn)品的品質(zhì)，還可提升水產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值.海參是一種營養(yǎng)價(jià)值較高的海鮮產(chǎn)品，由于放養(yǎng)密度過大、日常管理不科學(xué)、池底環(huán)境含氮量較高、人工復(fù)合餌料研究滯后等問題，海參的多種并發(fā)癥日益凸現(xiàn).在餌料中適量添加益生菌和有助于海參消化的酶制劑是解決上述問題的關(guān)鍵.李向陽等[27]采用包埋法，將真菌α-淀粉酶固定化在環(huán)保、無毒、廉價(jià)的海藻酸鈉上制成海參餌料添加劑，提高了海參腸道內(nèi)淀粉的消化利用率，減少了代謝產(chǎn)物的排出量.固定化酶也可使一些低附加值水產(chǎn)品副產(chǎn)物得到更為合理的利用.羅非魚是較為常見的淡水養(yǎng)殖魚類，在水產(chǎn)加工方面主要用于魚片的生產(chǎn)，其副產(chǎn)物一般用作飼料或肥料，利用率很低.瞿葉輝[28]采用吸附法制備殼聚糖埃洛石 (CS/HNTs) 復(fù)合微球并用于固定木瓜蛋白酶，該固定化酶儲存性更好，穩(wěn)定性更高，可大大提高木瓜蛋白酶的利用價(jià)值.利用該固定化酶從羅非魚副產(chǎn)物中提取的抗氧化活性多肽，可作為添加劑應(yīng)用于食品、化妝品等行業(yè).

2.3 油脂改性

脂肪酶是一種能夠顯著提高油脂催化效率的綠色生物催化劑，在油脂工業(yè)中應(yīng)用廣泛，可通過水解、酯交換、酯轉(zhuǎn)移等反應(yīng)達(dá)到油脂改性的目的[29]，例如，1,3-特異性脂肪酶可進(jìn)行酶促酯交換反應(yīng)，將棕櫚油催化改性為制作巧克力的代可可酯[30].然而，脂肪酶易受水、溫度、 pH值、酶液濃度、底物濃度、酶的激活劑或抑制劑等因素影響，導(dǎo)致酶失活、目標(biāo)物產(chǎn)率降低[31].為了解決上述問題，R.Rao等[32]使用固定化的脂肪酶M60催化鱈魚肝油，獲得了富含w-6或w-3系列多不飽和脂肪酸等脂類物質(zhì)；J.B.Lyu等[33]通過共價(jià)連接方式，將用醛標(biāo)記的枯草芽孢桿菌脂肪酶A固定在Fe3O4單分散磁鐵礦微球上，重復(fù)反應(yīng)10次后，該固定化脂肪酶的酶活力仍能保持在90%，同時(shí)，酶的熱穩(wěn)定性和溶解度大大提高，酶凝聚在一起的可能性也被降低.

2.4 啤酒儲藏

在儲藏過程中，啤酒中的多肽和多酚成分會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，造成啤酒出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象.木瓜蛋白酶可以水解啤酒中的多肽和蛋白質(zhì)，但由于水解度的大小直接影響啤酒的泡沫穩(wěn)定性，所以需要控制水解程度[34].溫燕梅等[35]采用吸附-交聯(lián)法使胰蛋白酶先吸附于磁性膠體粒子表面，然后利用戊二醛雙功能試劑交聯(lián)形成固定化酶，該固定化酶對預(yù)防啤酒渾濁有明顯的效果.趙炳超等[36]以戊二醛為交聯(lián)劑、介孔分子篩MCM-48作載體固定木瓜蛋白酶，所得固定化酶的熱穩(wěn)定性顯著提高，pH穩(wěn)定性和儲藏穩(wěn)定性也有明顯改善.經(jīng)固定化酶處理的啤酒，既可保持儲藏過程中良好的澄清度，也可保證風(fēng)味上與傳統(tǒng)啤酒無明顯差異.

3 固定化酶在食品添加劑生產(chǎn)中的應(yīng)用

高果糖漿、低聚果糖、L-蘋果酸等是常用的食品添加劑，利用性能穩(wěn)定的固定化酶生產(chǎn)這些食品添加劑，具有產(chǎn)量高、成本低等優(yōu)點(diǎn).

3.1 高果糖漿的生產(chǎn)

固定化葡萄糖異構(gòu)酶是目前全球產(chǎn)量最高、應(yīng)用范圍最廣的一種固定化酶，一般是將其固定在菌體上，常用的固定方法是熱處理法，溫度需達(dá)到60～65 ℃，熱處理時(shí)間持續(xù)15 min.以淀粉為原料生產(chǎn)高果糖漿的關(guān)鍵酶主要有以下3種：α-淀粉酶，又稱液化酶，主要起到淀粉液化的作用；葡萄糖淀粉酶，其水解產(chǎn)物為β-葡萄糖；葡萄糖異構(gòu)酶，可將葡萄糖異構(gòu)為果糖，是催化淀粉最關(guān)鍵的酶.早在1973年，研究者就使用固定化的葡萄糖異構(gòu)酶催化淀粉生產(chǎn)高果糖漿.采用此方法獲得的高果糖漿，果糖含量高達(dá)55%，且價(jià)格比蔗糖低10%～20%，經(jīng)濟(jì)效益較高[37].使用高果糖漿替代蔗糖是固定化酶應(yīng)用最成功的工業(yè)案例，500 t固定化的葡萄糖可生產(chǎn)約1×107t高果糖漿[38].但該工藝在我國發(fā)展比較緩慢，目前只應(yīng)用于高果糖漿的小規(guī)模生產(chǎn)[39]，因此，急需尋找新型固定化載體，制備可以高產(chǎn)量生產(chǎn)高果糖漿的固定化葡萄糖異構(gòu)酶，以降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益.

3.2 低聚果糖的生產(chǎn)

低聚果糖(Fructo Oligsacccharids，F(xiàn)OS)，又稱蔗果低聚糖，以菊芋粉為原料，通過菊糖內(nèi)切酶水解作用制得.低聚果糖既是一種新型糖源，又是一種功能性保健食品，受到廣大消費(fèi)者的青睞.低聚果糖的生產(chǎn)主要采用液體深層發(fā)酵法，但此方法存在一定的缺點(diǎn)：生產(chǎn)酶的菌體不能夠再利用，酶的利用率也較低；過濾、除雜、脫色等工藝使后處理過程成本增加.1995年，魏遠(yuǎn)安等[40]以少量CaCl2和戊二醛作為交聯(lián)劑，固定了GX-0010 菌株中的果糖基轉(zhuǎn)移酶和殼聚糖凝膠，發(fā)現(xiàn)1 kg固定化果糖基轉(zhuǎn)移酶可生產(chǎn)11 330 kg的低聚果糖漿，且該糖漿中的果糖含量高達(dá)58%.2000年，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固定化的果糖基轉(zhuǎn)移酶對溫度的適應(yīng)性更強(qiáng)，熱穩(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性更高[41].目前，低聚果糖生產(chǎn)中的主要問題是產(chǎn)率較低，僅為40%～60%[42]，而酶的固定化技術(shù)為提高低聚果糖生產(chǎn)效率、降低成本提供了可能.

3.3 L-蘋果酸、L-天門冬氨酸和阿斯巴甜的生產(chǎn)

L-蘋果酸是一種人體必需的有機(jī)酸，在三羧酸循環(huán)中起重要作用，廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥行業(yè).L-天門冬氨酸是一種良好的營養(yǎng)增補(bǔ)劑，主要添加于各種清涼飲料，是糖代用品阿斯巴甜(Aspartame，APM)的主要生產(chǎn)原料.研究發(fā)現(xiàn)[43]，固定化的富馬酸酶在生產(chǎn)L-蘋果酸和L-天門冬氨酸方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢：富馬酸在固定化的富馬酸酶催化下，可生成L-蘋果酸；富馬酸與氨的結(jié)合物在天門冬氨酸酶(從大腸桿菌中提取)催化下，可生成L-天門冬氨酸.通過該方法獲得的L-蘋果酸和L-天門冬氨酸產(chǎn)量較高，一個(gè)10 m3的固定化細(xì)胞柱每月可生產(chǎn)數(shù)噸L-蘋果酸和L-天門冬氨酸.阿斯巴甜，又稱阿斯巴坦，是由L-天門冬氨酸和L-苯丙氨酸(或L-甲基苯丙氨酸酯)以化學(xué)或酶催化反應(yīng)合成的一種氨基酸二肽衍生物，作為一種非碳水化合物類的人造甜味劑，已被廣泛應(yīng)用于食品添加劑行業(yè).目前，工業(yè)生產(chǎn)阿斯巴甜最常用的方法是固定化酶耦合反應(yīng).與傳統(tǒng)的酶催化反應(yīng)相比，固定化酶耦合反應(yīng)具有反應(yīng)時(shí)間短、酶的回收利用率高、產(chǎn)物分離純化簡單等優(yōu)勢.陳飛飛[44]采用一種NaCl增溶和微波輔助的方法，快速高效地制備了固定化嗜熱菌蛋白酶，該固定化酶的催化活力是游離酶的1.6倍，其熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑性均有所提高，且可回收利用，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本.

4 固定化酶在生物活性肽制備中的應(yīng)用

生物活性肽是一類對機(jī)體具有積極作用的特異性蛋白片段，在蛋白序列中通常不具有活性，但可通過酶解或微生物發(fā)酵等方式釋放后發(fā)揮作用[45].生物活性肽來源廣泛，易消化利用，安全性較高，因具有降膽固醇、降血壓、抗菌、抗氧化等生物活性而成為食品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).然而，生物活性肽在食品中的應(yīng)用受其制備方法的影響[46].固定化酶酶解是制備生物活性肽的主要方法之一，與酸水解、堿水解等化學(xué)水解方法相比，不僅是一種綠色安全的方法，還可最大限度地保護(hù)氨基酸不被破壞.

4.1 CPP的制備

CPP是一類源于酪蛋白的磷酸肽，在促進(jìn)機(jī)體對礦物質(zhì)吸收和預(yù)防齲齒方面具有重要作用，可添加到嬰幼兒奶粉、中小學(xué)生營養(yǎng)奶、高鈣餅干、預(yù)防齲齒的牙膏等產(chǎn)品中[47].目前，日本已生產(chǎn)液體營養(yǎng)食品、兒童咖哩飯、口香糖等多種CPP商業(yè)產(chǎn)品[48].1999年，吳思方等[49]采用固定化酶酶解酪蛋白制備了CPP，并通過正交試驗(yàn)優(yōu)化了其工藝參數(shù)，獲得了粗制的CPP產(chǎn)品.張黎明[50]以殼聚糖為載體、戊二醛為交聯(lián)劑，利用固定化的胰蛋白酶酶解酪蛋白生產(chǎn)CPP，得率較高，生產(chǎn)成本較低.盡管CPP的制備方法有很多，但每種方法各有利弊.其中固定化酶酶解法具有天然、易控制、效果佳、可大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢而應(yīng)用廣泛，但因酶的種類有限，在食品工業(yè)中的應(yīng)用也存在一定的局限性.

4.2 高F值寡肽的制備

高F值寡肽是一個(gè)由2—9 個(gè)氨基酸殘基組成的混合小肽(或稱寡肽)體系，其支鏈氨基酸與芳香族氨基酸的物質(zhì)的量比值大于20，具有保肝、護(hù)肝、治療肝臟疾病、抗疲勞、抗氧化、延緩衰老等生理功能，食品和醫(yī)學(xué)界對其關(guān)注度均較高[51].黃程[52]以碎魷魚肉為原料，以固定化風(fēng)味酶和固定化胃蛋白酶(由殼聚糖和戊二醛為材料制備)作為催化酶制備了高F值寡肽，并利用活性炭吸附法降低了其芳香族氨基酸的含量.固定化的胃蛋白酶在酶解反應(yīng)之后仍可保持較高的酶活力，并可實(shí)現(xiàn)重復(fù)再利用.

5 固定化酶在食品檢測中的應(yīng)用

隨著食品安全問題重要性的日益凸顯，快速、即時(shí)、低成本、便捷化的食品安全檢測方法受到研究者的重視[53].生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感，并可將生物物質(zhì)濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器，主要應(yīng)用于食品檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[54].生物傳感器不僅可快速高效地鑒定食品成分，降低檢測儀器、試劑成本，而且可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測，其可快速進(jìn)行分子識別和有毒有害物質(zhì)檢測得益于利用生物活性物質(zhì)固定化制備的敏感膜[55].張彥等[56]制備了利用殼聚糖將葡萄糖氧化酶固定在蛋膜和氧電極的葡萄糖傳感器，建立了快速測定葡萄糖含量的方法，該生物傳感器具有靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間短、操作簡單、成本低等特點(diǎn).舒友琴等[57]將固定化酶和生物傳感器聯(lián)用，采用化學(xué)發(fā)光法高效精準(zhǔn)地檢測食品中的淀粉含量，該方法誤差較小.伍周玲等[58]采用固定化乙酰膽堿酯酶和多碳納米管制備了電化學(xué)生物傳感器，該傳感器可用于食品中農(nóng)藥殘留的快速高效檢測，其中，氨基甲酸酯類殺蟲劑的含量可通過峰電流值來定量.在酶基生物傳感器中，酶固定化是影響傳感器性能的關(guān)鍵步驟，納米生物催化技術(shù)可大大提高其性能，展現(xiàn)出更好的選擇性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性和再現(xiàn)性.

6 結(jié)語與展望

本文對固定化酶及其特性、制備方法進(jìn)行了簡述，對固定化酶應(yīng)用于食品加工貯藏、食品添加劑生產(chǎn)、生物活性肽制備和食品檢測的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，指出了固定化酶以其高催化效率、高剩余酶活力、高穩(wěn)定性已被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域；以固定化酶為基礎(chǔ)的生物傳感器以其高選擇性、高靈敏度已被成功應(yīng)用于食品中有毒有害物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的檢測，在食品檢測領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展.然而，目前固定化酶在食品工業(yè)化生產(chǎn)中的投資較大且應(yīng)用技術(shù)尚不成熟，固定化預(yù)分離時(shí)酶活力的損失較大，不易進(jìn)行多酶反應(yīng).因此，研究者未來可著重探索新的固定化技術(shù)和固定化載體，優(yōu)化固定化預(yù)分離技術(shù)，制備能夠進(jìn)行多酶反應(yīng)及對大分子底物具有催化效應(yīng)的新型固定化酶，以降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益.隨著生物、化學(xué)、信息技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，符合當(dāng)代可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的固定化酶在食品行業(yè)中的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊.