第六章酶 第一节概述 酶( enzyme)是一类具有很强催化活性的蛋白质,存在于一切生物体内 由生物细胞合成,并参与新陈代谢有关的化学反应。所以,在食品中涉及到 许多酶催化的反应,它们对食品的品质产生需宜或不需宜的影响和变化,例 如,水果、蔬菜的成熟,加工和贮藏过程中的酶促褐变引起的颜色变化、某 些风味物质的形成、水果中淀粉和果胶物质的降解,肉类和奶制品的熟化, 以及发酵生产的酒精饮料等。有时为了提高食品品质和产量,在加工或贮藏 过程中添加外源酶,例如利用淀粉酶和葡萄糖异构酶以玉米淀粉为原料生产 高果糖玉米糖浆,牛乳中添加乳糖酶以解决人群中乳糖酶缺乏的问题。在食 品贮藏和热处理过程中,常常根据组织亚细胞结构中酶的分布模式和活性的 变化,作为评价处理效果的一项指标,例如在牛奶、啤酒和蜂蜜的巴氏灭菌 中了解消毒的效果;区别新鲜和冷冻的肉与鱼类食品。食品成分的分析中, 常常利用酶的专一性和敏感性测定食品原料与产品的组成变化,达到控制质 量的目的。关于酶的本质和基础理论在生物化学中已有详细介绍,因此,本 章着重介绍酶在食品加工和贮藏过程中的特点、作用,及与此相关的一些基 本知识 酶的化学本质 人们对酶的认识起源于生产实践。我国几千年前就开始制作发酵饮料及 食品,夏禹时代,酿酒已经出现,周代已能制作饴糖和酱。春秋战国时期已 知道用曲治疗消化不良。西方国家19世纪初曾提出引起某些化学反应的物质 并对酒的发酵过程进行了大量研究。1878年提出了“酶”这个名称,已知生 物体系中的化学反应很少是在没有催化剂的情况下进行的,这些催化剂是称 为酶的专一蛋白质。酶的突出特征是它们的催化能力和专一性,酶加快反应 速率至少是一百万倍,最高可达10倍(如OMP脱羧酶)。酶在被催化的反应上 以及选择被称为底物的反应物上,都是高度专一的。 千万种蛋白质己被提纯,并已证明它们有酶促活力。20世纪80年代以前 致相信所有的酶都是蛋白质,后来核糖酶( riboyzmes)的发现,表明RNA 分子也可能像蛋白质一样,是有高度催化活性的酶。此外,在有些酶中除蛋 白质外还含有另外的一些成分,例如碳水化合物、磷酸盐和辅酶基团。实际 上生物体内除少数几种酶为核糖核酸分子外,大多数的酶类都是蛋白质。但
- 1 - 第六章 酶 第一节 概述 酶（enzyme）是一类具有很强催化活性的蛋白质，存在于一切生物体内， 由生物细胞合成，并参与新陈代谢有关的化学反应。所以，在食品中涉及到 许多酶催化的反应，它们对食品的品质产生需宜或不需宜的影响和变化，例 如，水果、蔬菜的成熟，加工和贮藏过程中的酶促褐变引起的颜色变化、某 些风味物质的形成、水果中淀粉和果胶物质的降解，肉类和奶制品的熟化， 以及发酵生产的酒精饮料等。有时为了提高食品品质和产量，在加工或贮藏 过程中添加外源酶，例如利用淀粉酶和葡萄糖异构酶以玉米淀粉为原料生产 高果糖玉米糖浆，牛乳中添加乳糖酶以解决人群中乳糖酶缺乏的问题。在食 品贮藏和热处理过程中，常常根据组织亚细胞结构中酶的分布模式和活性的 变化，作为评价处理效果的一项指标，例如在牛奶、啤酒和蜂蜜的巴氏灭菌 中了解消毒的效果；区别新鲜和冷冻的肉与鱼类食品。食品成分的分析中， 常常利用酶的专一性和敏感性测定食品原料与产品的组成变化，达到控制质 量的目的。关于酶的本质和基础理论在生物化学中已有详细介绍，因此，本 章着重介绍酶在食品加工和贮藏过程中的特点、作用，及与此相关的一些基 本知识。 一、酶的化学本质 人们对酶的认识起源于生产实践。我国几千年前就开始制作发酵饮料及 食品，夏禹时代，酿酒已经出现，周代已能制作饴糖和酱。春秋战国时期已 知道用曲治疗消化不良。西方国家 19 世纪初曾提出引起某些化学反应的物质， 并对酒的发酵过程进行了大量研究。1878 年提出了“酶”这个名称，已知生 物体系中的化学反应很少是在没有催化剂的情况下进行的，这些催化剂是称 为酶的专一蛋白质。酶的突出特征是它们的催化能力和专一性，酶加快反应 速率至少是一百万倍，最高可达 1017倍（如OMP脱羧酶）。酶在被催化的反应上 以及选择被称为底物的反应物上，都是高度专一的。 千万种蛋白质已被提纯，并已证明它们有酶促活力。20 世纪 80 年代以前 一致相信所有的酶都是蛋白质，后来核糖酶（riboyzmes）的发现，表明 RNA 分子也可能像蛋白质一样，是有高度催化活性的酶。此外，在有些酶中除蛋 白质外还含有另外的一些成分，例如碳水化合物、磷酸盐和辅酶基团。实际 上生物体内除少数几种酶为核糖核酸分子外，大多数的酶类都是蛋白质。但
是,也还必须注意到:蛋白质不是生物催化领域唯一的物质。目前食品工业 中应用的酶都是蛋白质,下面章节中提及的酶,也都专指化学本质为蛋白质 的酶。 酶是球形蛋白质,它同其他蛋白质一样,由氨基酸组成,也具有两性电 解质的性质,并具有一、二、三、四级结构。因而也受到环境因素的作用而 变化或沉淀,乃至丧失酶活性。酶的相对分子质量一般为13k~1000k范围。 酶中的蛋白质有的是简单蛋白,有的是结合蛋白,后者为酶蛋白与辅助因子 结合后形成的复合物。根据酶蛋白分子的特点可将酶分为三类,即单体酶, 只有一条具有活性部位的多肽链,相对分子质量在13k~35k之间,例如溶菌 酶、胰蛋白酶等,属于这一类的酶很少,一般都是催化水解反应的酶;寡聚 酶,由几个甚至几十个亚基组成,这些亚基可以是相同的多肽链,也可以是 不同的多肽链。亚基间不是共价键结合,彼此很容易分开。相对分子质量从 35k到几百万,例如磷酸化酶a和3一磷酸甘油醛脱氢酶等;多酶体系是由几 种酶彼此嵌合形成的复合体,相对分子质量一般都在几百万以上,例如脂肪 酸合成的脂肪酸合成酶复合体。 酶的辅助因子包括金属离子(例如Fe、Cu、Zn、Mg、Ca、Na、K等)及 有机化合物,它们本身无催化作用,但一般在酶促反应中运输转移电子、原 子或某些功能基团,如参与氧化还原或运载酰基的作用。有些蛋白质也具有 此种作用,称之为蛋白辅酶。与酶蛋白成松散结合的辅助因子,在大多数情 况下,可以通过透析或其他方法将它们从全酶中除去,这种辅助因子称为辅 酶( cofactor或 coenzyme)。但是,也有少数辅助因子是以共价键和酶蛋白 牢固结合在一起,不易透析除去,这种辅助因子称为辅基( prosthetic group) 、酶的特征 1、酶的催化作用 酶的显著特征是催化作用和专一性,酶是一种生物催化剂,除具有一般催 化剂的性质外,还显示出生物催化剂的特性:酶的催化效率高,以分子比表 示,酶催化反应的反应速率比非催化反应高10°~10倍,比其他催化反应高 10~103倍。以转换数kcat表示,大部分酶为1000,最大的可达几十万,甚 至一百万以上,酶的作用具有高度的专一性( Specificity),一种酶只能作 用于一种或一类底物,比其他一般催化更加脆弱,容易失活,凡使蛋白质变 性的因素都能使酶破坏而完全失去活性。所以,酶作用的条件一般都比较温 和,酶活力的调控在生物体的生命活动中起着重要的作用,酶的催化活力与 其辅基和金属离子密切相关
- 2 - 是，也还必须注意到：蛋白质不是生物催化领域唯一的物质。目前食品工业 中应用的酶都是蛋白质，下面章节中提及的酶，也都专指化学本质为蛋白质 的酶。 酶是球形蛋白质，它同其他蛋白质一样，由氨基酸组成，也具有两性电 解质的性质，并具有一、二、三、四级结构。因而也受到环境因素的作用而 变化或沉淀，乃至丧失酶活性。酶的相对分子质量一般为 13k～1000k 范围。 酶中的蛋白质有的是简单蛋白，有的是结合蛋白，后者为酶蛋白与辅助因子 结合后形成的复合物。根据酶蛋白分子的特点可将酶分为三类，即单体酶， 只有一条具有活性部位的多肽链，相对分子质量在 13k～35k 之间，例如溶菌 酶、胰蛋白酶等，属于这一类的酶很少，一般都是催化水解反应的酶；寡聚 酶，由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是 不同的多肽链。亚基间不是共价键结合，彼此很容易分开。相对分子质量从 35k 到几百万，例如磷酸化酶 a 和 3－磷酸甘油醛脱氢酶等；多酶体系是由几 种酶彼此嵌合形成的复合体，相对分子质量一般都在几百万以上，例如脂肪 酸合成的脂肪酸合成酶复合体。 酶的辅助因子包括金属离子（例如 Fe、Cu、Zn、Mg、Ca、Na、K 等）及 有机化合物，它们本身无催化作用，但一般在酶促反应中运输转移电子、原 子或某些功能基团，如参与氧化还原或运载酰基的作用。有些蛋白质也具有 此种作用，称之为蛋白辅酶。与酶蛋白成松散结合的辅助因子，在大多数情 况下，可以通过透析或其他方法将它们从全酶中除去，这种辅助因子称为辅 酶（cofactor 或 coenzyme）。但是，也有少数辅助因子是以共价键和酶蛋白 牢固结合在一起，不易透析除去，这种辅助因子称为辅基（prosthetic group）。 二、酶的特征 1、酶的催化作用 酶的显著特征是催化作用和专一性，酶是一种生物催化剂，除具有一般催 化剂的性质外，还显示出生物催化剂的特性：酶的催化效率高，以分子比表 示，酶催化反应的反应速率比非催化反应高 108 ～1020倍，比其他催化反应高 107 ～1013倍。以转换数kcat表示，大部分酶为 1000，最大的可达几十万，甚 至一百万以上，酶的作用具有高度的专一性（Specificity），一种酶只能作 用于一种或一类底物，比其他一般催化更加脆弱，容易失活，凡使蛋白质变 性的因素都能使酶破坏而完全失去活性。所以，酶作用的条件一般都比较温 和，酶活力的调控在生物体的生命活动中起着重要的作用，酶的催化活力与 其辅基和金属离子密切相关
酶的催化反应,如同所有的化学反应一样都需要服从热力学定律。当考 虑放热反应中的催化作用时,反应底物分子A生成产物B的活化能为△E是相当 高的,在大多数情况下,这样的反应不能自发进行,反应物A处于亚稳态。在 加入合适的催化剂后,使A转化为活化能较低的过渡态,形成中间产物EA或EP (图6-1),最后释放出产物P和游离的催化剂。在催化反应过程中,反应速率 常数增大几个数量级,但反应平衡常数不变。由于酶的高度催化活性,在体 外实验中,仅需要10~10mo1/的酶,催化就已经相当显著。但是在活细胞 中酶的浓度则高出很多。 反应过程 图6-1在非催化和酶催化过程自由能的变化 A→P;一一没有催化剂:……有催化剂E 表6-1列出了催化剂对某些反应的活化能和反应速率的影响 表6-1催化剂对某些反应的活化能和反应速率的影响 催化剂 活化能 速率常数 kJ-moI Ke1(25℃) H202→H20+1/202 56.5 2.1×10 过氧化氢酶 ~3.1×103 酪蛋白+nH20→(n+1)肽 胰蛋白酶 2.1×10 乙酸丁酯+H20→丁酸+乙醇 1.0 脂肪酶 ~4.2×10
- 3 - 酶的催化反应，如同所有的化学反应一样都需要服从热力学定律。当考 虑放热反应中的催化作用时，反应底物分子A生成产物B的活化能为△E是相当 高的，在大多数情况下，这样的反应不能自发进行，反应物A处于亚稳态。在 加入合适的催化剂后，使A转化为活化能较低的过渡态，形成中间产物EA或EP （图 6-1），最后释放出产物P和游离的催化剂。在催化反应过程中，反应速率 常数增大几个数量级，但反应平衡常数不变。由于酶的高度催化活性，在体 外实验中，仅需要 10-8～10-6mol/L的酶，催化就已经相当显著。但是在活细胞 中酶的浓度则高出很多。 图 6-1 在非催化和酶催化过程自由能的变化 A→P；——没有催化剂；……有催化剂 E 表 6-1 列出了催化剂对某些反应的活化能和反应速率的影响。 表 6-1 催化剂对某些反应的活化能和反应速率的影响 反 应 催化剂 活化能 kJ•mol-1 速率常数 Krel（25℃） 无 75 10 I－ 56.5 ～2.1×103 H2O2→H2O + 1/2 O2 过氧化氢酶 26.8 ～3.1×108 H+ 酪蛋白+n H2O→(n+1)肽 86 1.0 胰蛋白酶 50 ～2.1×106 H+ 乙酸丁酯+H2O→丁酸+乙醇 55 1.0 脂肪酶 17.6 ～4.2 ×106
蔗糖+H0→葡萄糖+果糖 10 转化酶 5.6×100 亚油酸+02→亚油酸氢过氧化物无 150~270 C 30~50 脂肪氧合酶 16.7 10 2、酶的专一性 酶除了能显著提高反应速率外,还具有很高的专一性,它只能催化一种 或一类化学反应(反应专一性),而且对底物有严格的选择(底物专一性)。 另外变构酶还具有调节专一性的作用 (1)酶的底物专一性 酶的底物专一性( Substrate specficity)即特异性是指酶对它作用的 底物有严格的选择性,酶专一性分为两种类型: ①结构专一性:有些酶对底物的要求非常严格,只作用于一个底物,而不 作用于任何其他底物,这种专一性称为“绝对专一性”。例如脲酶只能催化尿 素水解,而对尿素的衍生物不起作用。麦芽糖酶只作用于麦芽糖而不作用于 其他双糖。 有些酶对底物要求比上述绝对专一性略低一些,它的作用对象不只是 种底物,这种专一性称为“相对专一性”。这些酶对键两端的基团要求程度不 同,只对其中一个基团要求严格,而对另一个则要求不严格,这种专一性称 为“族专一性”或“基团专一性”,这方面是有一些差异的。对于少部分酶是 基团专一性,例如水解酶,其中胰蛋白酶只能水解精氨酸或赖氨酸残基的羧 基形成的肽键或酯键。此性质常用于蛋白质序列的分析之中。另外一种相对 专一性的酶是只作用于一定的键,对键两端的基团并无严格要求,称为“键 专一性”,这类酶对底物的结构要求最低,例如酯酶催化酯键的水解,而对底 物 OR’中的R及R′基团则没有严格的要求,它既能催化水解甘油脂类 简单脂类,也能催化丙酰、丁酰胆碱或乙酰胆碱等,只是对于不同的脂类, 水解速率有所不同。大多数酶催化反应仅对一种底物起作用或优先催化一种 底物,如脲酶。酶的这种专一性评价,只有对纯酶而言才是可靠的,然而在 食品中应用的酶多数是由几种酶组成的混合物,同时还含有其他杂质,因此
- 4 - H+ 蔗糖+H2O→葡萄糖+果糖 107 1.0 转化酶 46 ～5.6×1010 无 150～270 1.0 Cｕ2+ 30～50 ～102 亚油酸+O2→亚油酸氢过氧化物 脂肪氧合酶 16.7 ～107 2、酶的专一性 酶除了能显著提高反应速率外，还具有很高的专一性，它只能催化一种 或一类化学反应（反应专一性），而且对底物有严格的选择（底物专一性）。 另外变构酶还具有调节专一性的作用。 （1）酶的底物专一性 酶的底物专一性（Substrate specficity）即特异性是指酶对它作用的 底物有严格的选择性，酶专一性分为两种类型： ①结构专一性：有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个底物，而不 作用于任何其他底物，这种专一性称为“绝对专一性”。例如脲酶只能催化尿 素水解，而对尿素的衍生物不起作用。麦芽糖酶只作用于麦芽糖而不作用于 其他双糖。 有些酶对底物要求比上述绝对专一性略低一些，它的作用对象不只是一 种底物，这种专一性称为“相对专一性”。这些酶对键两端的基团要求程度不 同，只对其中一个基团要求严格，而对另一个则要求不严格，这种专一性称 为“族专一性”或“基团专一性”，这方面是有一些差异的。对于少部分酶是 基团专一性，例如水解酶，其中胰蛋白酶只能水解精氨酸或赖氨酸残基的羧 基形成的肽键或酯键。此性质常用于蛋白质序列的分析之中。另外一种相对 专一性的酶是只作用于一定的键，对键两端的基团并无严格要求，称为“键 专一性”，这类酶对底物的结构要求最低，例如酯酶催化酯键的水解，而对底 物 中的 R 及 R′基团则没有严格的要求，它既能催化水解甘油脂类、 简单脂类，也能催化丙酰、丁酰胆碱或乙酰胆碱等，只是对于不同的脂类， 水解速率有所不同。大多数酶催化反应仅对一种底物起作用或优先催化一种 底物，如脲酶。酶的这种专一性评价，只有对纯酶而言才是可靠的，然而在 食品中应用的酶多数是由几种酶组成的混合物，同时还含有其他杂质，因此， R C O O R
不容易对这些酶的专一性作确切评价 ②立体专一性( Stereospecificity):酶的立体专一性非常明显,对于 些含有手性基团的化合物,存在光学或立体异构体,而某些酶能够识别底 物的顺、反异构或旋光异构体,也就是只能催化一个对映异构体,而对另外 个对映体则没有作用。因此,可利用酶的这个性质分离手性化合物。酶的 立体专一性在食品分析和加工中是非常重要的 (2)酶反应专一性 酶反应专一性( Reaction specificity)是指底物在允许的几个热力学 反应中,只有一个反应可以被酶催化。酶的分类和命名是以酶反应的专一性 而不是底物专一性为依据的 3、酶的催化理论 研究证明任何酶与底物作用,酶的特殊催化作用只局限于它的大分子的 定区域。对于不需要辅酶的酶来说,酶的活性中心就是指起催化作用的基 团在酶的三级结构中的位置,这些基团在一级结构上可能相差甚远,甚至位 于不同的肽链上,但是它们通过肽链的盘绕、折叠而在空间构象上相互靠近 对于需要辅酶的酶来说,辅酶分子或辅酶分子的某一部分结构往往就是活性 中心的组成部分。确定酶的活性中心有助于研究酶的专一性 为了解释酶的催化理论,早期E. Fisher提出了“模板”( template)或 锁与钥匙学说(1 ock and key theory),认为底物分子或底物分子的一部分 像钥匙,而酶比喻为锁。底物专一地楔入到酶的活性中心部位,也就是说底 物分子进行化学反应的部位与酶分子上有催化效能的基团间有紧密互补的关 系(图 底物 酶一底物复合物 酶 图6-2酶专一性的锁和钥匙机制 利用“ Fisher”的理论还不能解释酶的结构既适合于可逆反应的底物, 又适合于可逆反应的产物,而且也不能解释酶的专一性中的所有现象。在催 化时,很多酶的构象在与底物结合时发生了变化。 Koshland后来在1958年提
- 5 - 不容易对这些酶的专一性作确切评价。 ②立体专一性（Stereospecificity）：酶的立体专一性非常明显，对于 一些含有手性基团的化合物，存在光学或立体异构体，而某些酶能够识别底 物的顺、反异构或旋光异构体，也就是只能催化一个对映异构体，而对另外 一个对映体则没有作用。因此，可利用酶的这个性质分离手性化合物。酶的 立体专一性在食品分析和加工中是非常重要的。 （2）酶反应专一性 酶反应专一性（Reaction specificity）是指底物在允许的几个热力学 反应中，只有一个反应可以被酶催化。酶的分类和命名是以酶反应的专一性， 而不是底物专一性为依据的。 3、酶的催化理论 研究证明任何酶与底物作用，酶的特殊催化作用只局限于它的大分子的 一定区域。对于不需要辅酶的酶来说，酶的活性中心就是指起催化作用的基 团在酶的三级结构中的位置，这些基团在一级结构上可能相差甚远，甚至位 于不同的肽链上，但是它们通过肽链的盘绕、折叠而在空间构象上相互靠近。 对于需要辅酶的酶来说，辅酶分子或辅酶分子的某一部分结构往往就是活性 中心的组成部分。确定酶的活性中心有助于研究酶的专一性。 为了解释酶的催化理论，早期 E.Fisher 提出了“模板”（template）或 锁与钥匙学说（lock and key theory），认为底物分子或底物分子的一部分 像钥匙，而酶比喻为锁。底物专一地楔入到酶的活性中心部位，也就是说底 物分子进行化学反应的部位与酶分子上有催化效能的基团间有紧密互补的关 系（图 6－2）。 图 6－2 酶专一性的锁和钥匙机制 利用“Fisher”的理论还不能解释酶的结构既适合于可逆反应的底物， 又适合于可逆反应的产物，而且也不能解释酶的专一性中的所有现象。在催 化时，很多酶的构象在与底物结合时发生了变化。Koshland 后来在 1958 年提