食品酶学导论：果蔬加工中的酶应用

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：果胶酶和果胶甲酯酶在果蔬汁加工中所起的作用有所不同，前者主要是起解聚的作用，能显著地提高果蔬汁的出汁率和榨汁效能，并快速地降低果蔬汁的黏性；而后者则起解酯的作用，把果胶分解成果胶酸和甲醇，有一定降低果蔬汁黏度的作用。

随着果蔬种植业的日益发展以及人们对果蔬之于健康的重要性认识，果蔬加工业有了高速的发展。自20世纪30年代，果蔬加工企业把果胶酶、半纤维素酶等酶制剂用于苹果汁加工并收到极佳效果后，各类酶在果蔬加工中的应用日渐广泛，目前用于果蔬加工的酶主要有：果胶酶类、蛋白酶类、纤维素和半纤维素酶类、淀粉酶类、单宁酶和溶菌酶等，其中以果胶酶类的应用最为广泛；酶在果蔬加工中所起的功能作用多样化，主要有提高出汁率、防止沉淀、提高澄清度、改善产品的风味和口感、提高产品的防腐性能等。

果蔬组织的细胞壁主要由果胶质组成的初层以及由果胶质、纤维素、半纤维素组成的次层组成，其中胞间层主要为果胶成分。果蔬中的果胶物质含量比较高，一般为4%，为果蔬组织保持束缚水分的主要大分子物质。在果蔬成熟过程中，其组织中的原果胶逐步为内源性果胶酶所催化水解，生成果胶和果胶酸等，由感官上判断，果蔬成熟过程从硬转向软，就是内源性果胶酶把不溶性致密原果胶转化为水溶胀性果胶和果胶酸所致。

果胶在植物中作为一种细胞间隙物质而存在，它是由半乳糖醛酸以 α-1，4-糖苷键连接而成的链状聚合物，为一种大分子阴性多糖，半乳糖醛酸分子单元上的羧基大部分被甲酯化（酯化度约75%）；经过脱甲酯化处理后，半乳糖醛酸的羧基被释放出来，此时不含甲酯的果胶则为果胶酸。根据果胶分子半乳糖醛酸单元羧基被甲酯化程度不同，可分为高甲氧基果胶（酯化度高于50%）和低甲氧基果胶（酯化度低于50%）。

在果蔬汁加工中，大分子果胶对水分具有很强的束缚作用，它的存在会导致果蔬汁的压榨与澄清带来问题：一方面会降低果蔬的出汁率和榨汁效能，另一方面导致果蔬汁难以澄清处理。为此，采用果胶酶处理破碎打浆后的果蔬物料，可以有效提高果蔬汁的出汁率和榨汁效能，并可提高果蔬汁过滤速度及其澄清度。

例如，1930年，美国的学者先把果胶酶应用于苹果的生产，每批生产能力可从每小时10t提高到12～16t。食品工业使用的果胶酶一般是由黑曲霉、文氏曲霉或根霉来生产的；利用果胶酶与半纤维素酶、纤维素酶复配处理破碎处理的胡萝卜肉，而后再进行榨汁，与不经酶处理的工艺相比，出汁率提高12%～18%，榨汁效能提高50%以上，而且所得胡萝卜汁易于过滤澄清和浓缩处理。

果胶酶（Pectinase）是指催化水解果胶质的一组酶类。果胶质是由部分甲基化了的多聚半乳糖醛酸构成的高分子物质。在大分子链中，酶的作用位点包括内切、外切、甲基酯外切、聚半乳糖链中内切等6个不同的位点。果胶酶包括两大类：

1.果胶聚半乳糖醛酸酶（pectin polygalacturonase，EC 3.21.1.15，PG）

按照其作用机制和作用位点的不同，该酶可分为：

①内切聚半乳糖醛酸酶（endo PG，EC 3.2.1.5）：内切聚半乳糖醛酸酶可在果胶分子链的α-1，4糖苷键中任意位点进行切割，形成聚合度明显减少、相对分子质量显著下降的果胶和果胶酸，使其黏度迅速降低。

②外切聚半乳糖醛酸酶（exo PG，EC 3.2.1.67）：外切聚半乳糖醛酸酶作用于果胶分子链的非还原末端，形成聚半乳糖醛酸和半乳醛酸，黏度降低不大，后者具有还原性。

③聚甲基半乳糖醛酸酶（PMG）：主要水解甲酯化半乳糖醛酸单元邻近的α-1，4-糖苷键，降低果胶的聚合度，从而降低其黏度，聚甲基半乳糖醛酸酶也分为内切PMG和外切PMG两种。

④聚半乳糖酸裂解酶（polygalacturonate lyase，EC 4.2.2.2，PGL）：又称果胶酸裂解酶（pectalelyase，PL），聚半乳糖酸裂解酶通过反式催化水解果胶酸分子链的α-1，4-糖苷键，生成半乳糖醛酸酯。这种酶最适pH6.8～9.5，需要Ca^{2 +}参与而显著提高活力，可使果胶黏度迅速下降。

⑤聚甲基半乳糖醛酸裂解酶（polymethylgalacturon lyase，PMGL）：聚甲基半乳糖醛酸裂解酶通过反式催化水解高度甲基化的聚半乳糖醛酸中的α-1，4糖苷键，生成半乳糖醛酸酯，也有内切和外切之分。

2.果胶甲基酯酶（pectin methylecsterase，EC 3.1.1.11，PE）

果胶甲基酯酶是一类催化水解果胶质中的甲基酯键的酶，脱下甲基转化为甲醇，把果胶转化为果胶酸，提高其亲水性和负电性。它对果蔬汁加工中的降黏效果有一定作用，是首先用的酶，为了完全达到果胶酸的水解，必须与PG配合使用。然而，经过果胶甲酯酶催化水解后所得果胶酸，与Ca^{2 +}具有很强作用，Ca^{2 +}在果胶酸中与两个羧基相互作用起架桥功能，形成水不溶性和热不可逆性的果胶酸钙凝胶，提高果酱的黏度和果肉的硬度。

果胶酶和果胶甲酯酶的生产菌种，大多采用黑曲霉、棕曲霉和楯壳霉等，尤以黑曲霉为主。之前以固体培养发酵法这一较为成熟技术进行生产，但随着技术水平的提高，目前基本是液体深层发酵这一高效技术方法进行制备生产。

依据果胶酶在果蔬加工的应用效果与目的不同，主要分为两类：一是水解降黏，以提高果蔬汁的加工性能与效果；二是增强果蔬肉质的质地与硬度，或是果蔬酱的黏性与延展涂抹性，提高果蔬制品的可食性。(www.chuimin.cn)

1.果胶酶在果蔬汁加工中的作用

果蔬原料中有较高含量的果胶，因果胶的相对分子质量大、直链式结构且含有较多亲水性基团（例如：羟基、羧基等），使得果胶对果蔬肉组织中的水分具有很强的束缚作用，这增加果蔬原料榨汁的难度；同时，榨汁后水溶性果胶存在于汁液中，使得果蔬汁带有黏性，给果蔬汁后段加工带来诸多问题，例如过滤澄清困难、容易产生影响感官的沉淀物等。因此，在果蔬汁加工过程中使用果胶酶，对果蔬原料中的果胶质以及果蔬汁中果胶成分进行降解处理，以提高果蔬汁的出成率以及加工效能。

果胶酶和果胶甲酯酶在果蔬汁加工中所起的作用有所不同，前者主要是起解聚的作用，能显著地提高果蔬汁的出汁率和榨汁效能，并快速地降低果蔬汁的黏性；而后者则起解酯的作用，把果胶分解成果胶酸和甲醇，有一定降低果蔬汁黏度的作用。果蔬中含有丰富的内源性果胶酶和果胶甲酯酶，在果蔬尤其是水果成熟时期，它们活力比较高，其作用就是把原果胶催化转化为果胶，或者进而转化为果胶酸，这就是致使果蔬质构发生相应变化，由硬转软的根本原因。其中，起主导效果的是解聚作用，具有果胶解聚作用的有果胶裂解酶与聚半乳糖醛酸酶，前者通过反式消除机理水解半乳糖苷键，生成具有不同甲氧基的寡聚糖，后者降解果胶生成半乳糖醛酸以及寡聚糖。

浆果类、柑橘类、番茄等果蔬中的果胶含量高，果蔬肉中的水分以及各种营养成分被果胶束缚，果蔬汁难以被榨取，导致果蔬的出汁率偏低。然而，可通过往果蔬破碎打浆的肉浆中添加果胶酶，则可破坏果胶分子结构，大幅度降幅其束缚力，黏度下降，果汁易于榨取。例如，把这种技术方法应用于草莓加工中，不但可以提高出汁率、成品率并且降低黏度而利于过滤，而且可使果皮中的色素释放而赋予果汁均匀颜色。

柑橘类水果包含的果胶甲基化酯酶使浆液中的果胶脱酯而与钙形成絮状沉淀物，可加入聚半乳糖醛酸酶以降解果胶酸，使产品具有很好的稳定性并利于果汁浓缩。柑橘类水果中有两类苦味物质：类黄酮与柠檬苦素。柚苷在柑橘类水果汁中含量较多，使用真菌柚苷酶可将类黄酮脱苷而脱苦。Dekker在1988年报道使用柠檬苦素脱氢酶去除柠檬苦素。

果胶酶是果蔬加工中有极其重要作用的酶类。特别结合华南地区果蔬资源情况，科学地应用果胶酶及其他酶，对大量种植的水果、蔬菜进行深度加工，具有重要实践意义。

据统计，我国柑橘种植面积150万hm²，约占世界的20%，位居首位；年柑橘产量1010万t，约占世界产量11%，仅次于巴西和美国。虽然我国柑橘种植面积和产量较高，但实际加工率仅占5%左右，而世界上每年种植的柑橘中，有30%以上进行了深加工，包括加工成柑橘浓缩汁、果肉浆、柑橘皮油、籽油、芳香物质浓缩汁、饲料果胶制品及其他副产品。在国内，柑橘主要用来榨汁，而占40%～50%的柑橘皮渣当垃圾处理，造成严重浪费。在苹果、金柚（沙田柚）和大豆等豆制品加工中均存在着大量皮渣尚需进一步加工处理，而这些皮渣实际仍含有许多营养物质和功能性成分。现代生物技术和酶工程技术应用于果蔬加工过程中便能有效地利用果渣和果皮，也可变废为宝。2002年，杨洋、韦小英研究结果表明，柚皮含有黄酮类化合物，其抗氧化效果优于维生素C；2001年，贾冬英、姚开等也认为，柚皮同样是宝，它含有黄酮类化合物、类柠檬素、香精油和天然色素等。

果胶酶和半纤维素酶组成的复合果浆酶在果蔬加工中应用广泛。例如，加工胡萝卜、芹菜等蔬菜时，应用这种复合果浆酶，可以促使不溶性果胶和半纤维素水解成为可溶性果胶酸和糖类。在加工猕猴桃、草莓、樱桃、山楂等浆果时，采用这种复合酶制剂，也同样可提高果蔬汁的出汁率，还增加了色度、酸度和糖分等。

2.果胶甲酯酶在果蔬肉及其酱品中的作用

前述果蔬汁加工中，果胶酶主要的作用目的就是破坏降解果胶，使得果蔬肉质变得更为软烂，以降低果蔬汁黏度、提高出汁率、利于过滤澄清。然而，有的果蔬加工反而需要增加果蔬肉质的硬度或者果蔬酱的粘性，以提高产品的口感和应用效果。例如，芒果果肉干的加工中，如果单纯将果肉切下通过干制而成，则果肉质感偏软烂，缺少咀嚼感，可通过0.1%～0.5%的果胶甲酯酶水解处理，同时也添加0.05%～0.50%乳酸钙，在35～40℃条件下处理20～120min，通过这种技术方法，可以有效提高果肉的硬度质感，通过质构仪分析，芒果肉的硬度可以提高1.0～2.0倍。

果胶甲酯酶对芒果肉硬化的作用机制：利用果胶甲酯酶的催化水解反应，将果胶中的甲酯基团水解下来，降低果胶的甲酯化程度，释放出更多的羧基，也就是果胶分子中半乳糖醛酸甲酯更多被转化为半乳糖醛酸，果胶转化为果胶酸，而后再与环境中的钙离子（Ca^{2 +}）结合形成不可溶且热不可逆的果胶酸钙凝胶，这使得果肉的硬度得到显著的提高。其化学反应机制如图11-27所示。

可通过同样的作用机制，把果蔬酱的黏性大幅度提高，同时也可提高其加工应用性能。例如，在草莓酱加工中，添加0.1%～0.2%的果胶甲酯酶和0.05%～0.08%乳酸钙，在常温下处理20～40min，然后再进行煮制，所得到的草莓酱的黏度有显著提高。

图11-27 果胶甲酯酶硬化果肉的作用机制

果蔬加工中除了使用果胶酶外，根据果蔬原料的结构与成分特征，还结合其他酶协同应用，以进一步提升其加工效能，这些主要有：纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、单宁酶、蛋白酶、溶菌酶、柚苷酶等。这些酶在果蔬加工所起的作用，如表11-19所示。

表11-19 各种酶在果蔬加工中的作用

食品酶学导论：果蔬加工中的酶应用

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