脂肪酶 (EC3111113,甘油酯水解酶)是一类特殊的酯键水解酶, 根据底物专一性分为非专一性脂肪酶、脂肪酸专一性脂肪酶和专一性脂肪酶。脂肪酶存在于动物、植物和微生物中。
在有机相中,脂肪酶能催化酯合成、酯交换反应、酯聚合反应、肽合成以及酰胺合成等,因此 ,近年来, 在食品工业中得到广泛应用。
01脂肪酶的性质
自1834年脂肪酶被发现以来,已有一百多年的研究历史,脂肪酶是生物体内一类重要的代谢酶,其天然底物为长链脂肪酸酯 (如各种油脂等) ,可以在异相系统 (油、水界面 ) 或有机相中起作用,并且具有一定的位置专一 性。
尽管脂肪酶来源不同 ,不同来源的脂肪酶的氨基酸组成不同,但其分子量都在20000 - 60000之间,其活性中心具有相同或相似的结构组成 ,其活性中心除少数例外,一般都是由丝氨酸、天冬氨酸、组氨酸组成的三联体,酶分子空间结构的中央是一个疏水的β-折叠 ,其周围包绕着两亲的α - 螺旋,三个氨基酸以高度保守的几何取向位于中央β-折叠一侧的“环”中。
大多数脂肪酶还有一个可移动的结构- “盖子”。这个“盖子”在脂肪酶未活化时会盖住“环”中的活性催化部位,脂肪酶分子活化后 ,此“盖子”就会打开,使得酶作用的底物能结合到酶分子的“底物结合位置 ”上。脂肪酶只能在异相系统即油水的界面上作用,对均匀分散的或水溶的底物不作用 ,即使作用也极为缓慢,脂肪酶作用在体系的亲水、疏水界面层。
02在食品工业中的应用
2.1 在油脂加工中应用
脂肪酶可催化脂肪生成脂肪酸和甘油,发生油脂水解反应 ,在脂肪酸与肥皂工业上广泛应用。
由于一般水解反应时,固体油脂在反应系统中极难分散,反应速度缓慢。小林哲夫等在水-有机溶剂二相反应系统进行脂肪酶的水解,将牛油脂溶于适当的有机溶剂中,使含有基质的有机溶剂充分分散于水相中,提高反应速度,反应生成物的脂肪酸和甘油分别分配于有机相和水相进行分离回收, 48h后,牛油的分解率可达100%。
脂肪酶可将一种酯与另一种脂肪酸或醇或酯混合并伴随酰基交换生成新酯,发生酯交换反应。通过酯交换反应 ,改变油脂的性质。
ChangM K等通过固定化脂肪酶以正己烷为溶剂催化氢化的棉籽油和一定比例的菜子油进行转酯反应,产品的熔点较天然可可脂高36℃,可作为 可可脂的替代品;
林志勇进行了乌桕脂生产类可可脂的研究,通过酯交换反应条件,研究得到了较好的可可脂类似物的生产条件。脂肪酶在一定条件下能催化脂肪酸与甘油间的酯化反应, 从而把油中的大量游离脂肪酸转变成中性甘油酯, 这样既降低了酸值, 又增加了中性甘油酯的量,实现油脂的生物精炼脱酸处理。此外 ,脂肪酶还可应用在多不饱和 脂肪酸的强化、合成磷脂等方面。
2.2 在乳品工业中应用
脂肪酶在乳品生产中会产生双重影响,一方面,由于脂肪酶对乳脂肪的分解,会造成鲜奶在储藏过程中产生苦味,造成乳粉在保存过程中质量劣化,会使干酪制品产生不愉快的风味。在酸乳制品中,酶解产生的游离脂肪酸还会抑制一些发酵剂的生产。
另一方面,通过应用脂肪酶在乳品中进行乳酯水解,可进一步增强干酪、奶粉、奶油的风味,促进干酪的成熟,改善乳制品的品质。例如:通过特异性脂肪酶解,奶油可以具有很强烈的香味。在奶油中加入的一定量的脂酶苏打水溶液, 然后均质、保温酶解 ,再用加热的方法灭酶,除去下层酶液,过滤 ,可得增香奶油制品 ,其香气风味大大改善。
2.3 在食品添加剂工业中应用
L-抗坏血酸棕榈酸酯被广泛地用作酯溶性抗氧化剂及营养强化剂。抗坏血酸棕榈酸酯是由L-抗坏血酸酯化而得,同L-抗坏血酸相比,首先,其抗氧化性有了显著的提高;其次,由于棕榈酸基的植入,使得它既有亲水的抗坏血酸基,又有亲油的棕榈酸基,从而成为一种优良的表面活性剂;此外,它还具有极强的抗癌和抗肿瘤功效。
汤鲁宏等对水、庚烷和叔戊醇等几种反应媒体和NOVO435 (Candida antartica) , MML (Mucormiehei) , LIPOLASE, PPL ( Porcine pancreas) 等数种脂肪酶对L - 抗坏血酸棕榈酸酯合成反应的影响进行了系统的研究 ,结果表明:反应媒体及脂肪酶品种对反应影响极大,所研究的几种反应媒体中,叔戊醇是惟一适用于该反应的反应媒体,在所研究的几种脂肪酶中, NO2 VO435表现出了良好的催化活性。
蔗糖月桂酸酯具有乳化、抗菌等功能。已经引起人们越来越多的关注。越来越多的研究者关注于应用酶作为催化剂区域选择性地合成蔗糖月桂酸酯。如 : Pedersen等 用 metallop rotease thermolysin、Bacillus p seudofirmusAL - 89 催化合成出蔗糖 2 - 月桂酸单酯。
通常情况下,芳香和香味成分是由化学合成或从天然来源中提取的, 从植物中提取芳香物质的量有限,无法满足人们的需求,因此目前开始转向用生物技术的方法生产, 目前国内外多用微生物酶法合成芳香化合物。如 Shieh CJ通过响应面方法研究了毛霉固定化脂肪酶催化己醇和三乙酰甘油酯在正十六烷中的转酯优化条件。 Gandolfi R报道了用 Rhizopus oryzae干菌丝体在有机相 中有选择地催化不同芳香酯 (乙酸己酯 ,丁酸己酯 ,乙酸香 叶酯和丁酸香叶酯 ) 的合成。
2.4 在食品废料处理中的应用
油脂加工过程中产生的含脂废物以及废餐饮油 ,主要成分为脂肪酸三甘油酯。不仅游离脂肪酸含量高 ,而且含有醛、酮和聚合物等氧化产品。
汪勇等研究了以废餐饮油为原料,用三步间歇式工艺酶催化的酯化反应制备生物柴油,反应时间为48h,总转化率为90.4%。对比以精炼植物油为原料的制备过程, 在相同的反应条件下,酯化反应的转化率为97.3%。
Wa2tanabe Y等研究了用废餐饮油为原料的连续式酶催化酯化反应,转化率为90%,对比以精炼植物油为原料的制备过程,在相同的反应条件下,酯化反应的转化率为93%。
Yuji shimada等建立了使用固定化脂肪酶分步醇解废弃餐饮油的反应系统,酯化反应转化率超过 90%。
03展望
脂肪酶合成技术在食品及相关领域的研究目前已有很多报道,但大都还处于应用基础研究阶段,脂肪酶催化合成的工业化尝试还不多。随着基因工程和蛋白质工程的发展 ,脂肪酶在食品中的应用将得到更大的发展 ,对促 进食品工业一些领域的快速发展具有重要意义。
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