食品化学酶的历史
酶的发现
酶的活性在最適溫度發揮得最好 酶的活性在最適溫度發揮得最好 最適溫度
酶 的 活 性
溫度(℃ 溫度 ℃ )
酶 的 活 性
溫度(℃ 溫度 ℃ )
影響酶作用的因素
二：酸鹼度（ｐＨ）影響酶活性
不同種類的酶有不同的最適pH值 不同種類的酶有不同的最適 值，某些酶只能在特定 值範圍內才能起作用。 的pH值範圍內才能起作用。 值範圍內才能起作用 胃蛋白酶 反 應 速 率 唾液澱粉酶 胰蛋白酶
酶的發現
古埃及時代: 古埃及時代 穀物
神奇力量
酒精
巴斯德: 巴斯德
糖
酶
酒精
20世紀---酶的世紀 20世紀---酶的世紀 世紀--＊每一種生物都有酶,酶的成分是蛋白質 每一種生物都有酶,
1926年 結晶出一種酶（ 1926年,Sumner 結晶出一種酶（ urease ）從此 開啟了數十年的蓬勃酶化學研究
萨姆纳） （詹姆斯B萨姆纳） 詹姆斯 萨姆纳
,
•活細胞內每一步代謝反應，都有一個對應 活細胞內每一步代謝反應， 活細胞內每一步代謝反應 的專用酶來負責催化
代謝作用的定義
什麼是新陳代謝? 什麼是新陳代謝 活細胞內進行的各種化學反應 化學反應, 代 謝 作 用= 活細胞內進行的各種化學反應 代謝作用的總合表現即生命現象
酶的特性
2:通常是大分子的蛋白質 通常是大分子的蛋白質 易受高溫或酸鹼值破壞
蛋白質受熱變質,無法回覆原來特性 蛋白質受熱變質 無法回覆原來特性
酶的特性
可重複使用: 3. 可重複使用: 進行催化,但本身不參與反應,所以反應完畢， 進行催化,但本身不參與反應,所以反應完畢，回覆原 反應完畢 可繼續進行催化. 狀,可繼續進行催化 可繼續進行催化 4.只需少量酶便足夠 4.只需少量酶便足夠 因為能重複使用，且催化的效率很高, 因為能重複使用，且催化的效率很高,故只需少量便足夠 5.具有專一性 5.具有專一性 只會與一種性質相似的物質起催化作用, 只會與一種性質相似的物質起催化作用,所以每一種 反應各有特定的酶進行催化
酶在食品分析中应用
荧光 黄色
360,450 420
酶在食品分析中应用
为什么辣根过氧化物酶可应用于elisa？
（1）成本低 （2）热稳定性好 （3）显色反应类型多
酶在食品分析中应用
2.4 ELISA技术在食品分析中的应用
近年来，ELISA因其操作程序的规范化、简单化 和检测的高灵敏性，在农药残留、兽药残留、 重要有机物污染、生物毒素、食品添加剂和人 畜共患疾病病原体的快速检测和分析等食品安 全性检测领域正逐步推广应用。
酶在食品分析中应用
（1）毒素检测
真菌毒素是真菌产生的次级代谢产物，其中的 十几种对人类危害较大，它们一般同时具有毒 性强和污染频率高的特点。其中毒性最大、致 癌能力最强的是黄曲霉毒素。它在自然界中分 布十分广泛，黄曲霉常常和其他多种微生物在 一起，生长在粮食、油料作物的种子、各种食 品和饲料中。
法分析。近年来，酶法分析发展迅速，广泛应
用于临床检验、食品、环境等生物及其它样品
的检测。
酶在食品分析中应用
1. 酶法分析的特点及应用类型
酶的特性 催化效率高
酶法检测的特点 快速
灵敏性强
专一性
特异性、准确
不需要物理分离，干扰少
酶在食品分析中应用
酶在食品分析中的应用类型
1. 去除样品中的杂质。如测定果糖、多糖等。 2. 催化待测物生成新的产物，而这种产物更容
第10章 酶在食品分析中的应用
主要内容： 1 酶法分析的特点及应用类型 2 酶联免疫测定（ELISA） 3 聚合酶链式反应（PCR） 4 酶生物传感器 5 酶抑制率法
酶在食品分析中应用
酶法分析的发展
酶在定量分析中的应用可以追溯到19世纪中期。 当时，曾采用麦芽提取物作为过氧化物酶源， 以愈创木酚作为共底物或指示剂测定过氧化氢。
简述酶的研究简史
酶学的产生：1777年，意大利物理学家Spallanzani的山鹰实验；1822年，美国外科医生Beaumont研究食物在胃里的消化；19世纪30年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。
1684年，比利时医生Helment提出ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素）；1833年，法国化学家Payen和Person用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶；1878年，德国科学家Kűhne提出enzyme —从活生物体中分离得到的酶，意思是“在酵母中”（希腊文）。
酶学的迅速发展（理论研究）：1926年，美国康乃尔大学的”独臂学者”萨姆纳博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证明具有蛋白质的性质；1930年，美国的生物化学家Northrop分离得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶，确立了酶的化学本质。
酶本质探究历程
酶本质探究历程
1、1773年，意大利科学家斯帕兰扎尼做了一个巧妙的实验：将肉块放入小巧的金属笼中，然后让鹰吞下去。
过一段时间他将小笼取出，发现肉块消失了。
于是，他推断胃液中一定含有消化肉块的物质。
2、1810年，JaephGayluac发现酵母可将糖转化为酒精
3、1857年,法国微生物学家巴斯德通过显微镜观察,提出酒精发酵是由于酵母细胞活动的结果,即离不开酵母活细胞；李比希反对这种观点,认为引起发酵的是酵母细胞中的某些物质。
4、1897年,德国化学家毕希纳把酵母细胞放在石英砂中用力研磨,加水搅拌,在进行加压过滤,得到不含酵母的提取液,在这些汁液中加入葡萄糖,一段时间后就冒出气泡,糖液居然变成了酒,为此Bucher获得了1911年诺贝尔化学奖；后来科学家就把它命名为“酶”,英文名称是Enzyme,意思是“在酵母中”,但是酶到底是什么还是个谜
5、1926年，美国科学家萨姆钠从刀豆种子中提取出脲酶的结晶，并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。
6、20世纪30年代，科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶，并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。
7、20世纪80年代，美国科学家切赫和奥特曼发现少数RNA也具有生物催化作用。
酶的故事
5.2 关于酶作用专一性的假说
• 酶的辅因子，根据它们与酶蛋白结合的松紧 程度不同，可分为两类，
• 辅酶：指与酶蛋白结合比较松弛的小分子有 机物质，通过透析方法可以除去，如辅酶I和 辅酶Ⅱ等。
• 辅基：以共价键和酶蛋白结合，不能通过透 析除去，需要经过一定的化学处理才能与蛋 白分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉，丙 酮酸氧化酶中的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)， 都属于辅基。
• 1878年, 给酶一个统一的名词，叫Enzyme， 这个字来自希腊文，其意思“在酵母中”。
• 后来对酶的作用机理及酶的本质做了深入研 究，
• 1930年，证实酶是一种蛋白质； • 80年代初发现了具有催化功能的RNA——核酶
(ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的 传统观念，开辟了酶学研究的新领域， • 现已鉴定出4 000多种酶，数百种酶已得到结 晶，而且每年都有新酶被发现。
酶的应用
• 酶工程已成为当代生物工程的重要支柱。 已普遍使用于食品、发酵、制革、纺织、 日用化学及医药保健等部门，在化学分 析、生物传感器及环保方面的应用。
1.酶催化作用的特点
1.1酶和一般催化剂的比较
• 1.1.1 酶 和 其 他催化剂一样， 都能显著地改 变化学反应速 率，使之加快 达到平衡，但 不能改变反应 的平衡常数。
4.1 习惯命名法
• 1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的，主要依 据两个原则：
• 4.1.1根据酶作用的底物命名，如催化水解淀粉的酶 叫淀粉酶，催化水解蛋白质的酶叫蛋白酶。有时还加 上来源以区别不同来源的同一类酶，如胃蛋白酶，胰 蛋白酶。
• 4.1.2根据酶催化反应的性质及类型命名，如转移酶、 氧化酶等。有的酶结合上述两个原则来命名，如琥珀 酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反应的酶。
1.酶和酶的发现
1. 与1号试管相比，2号试管出现了什么不同 的现象？这一现象说明了什么？
2号试管出现了气泡，说明加热促进过氧化氢分 子分解，加热使过氧化氢分子获得能量，从常 态变为容易分解的活跃状态，分子从常态变为 活跃状态的能量叫做活化能。
2. 3号和4号试管没有加热，也有气泡产生为 什么？
Fe3+和过氧化氢酶促使过氧化氢酶分解，但它 们并未共给过氧化氢能量，而是降低了过氧化 氢分解反应的活化能。
酶的本质
很久很久以前，人们发现鸟类 只能磨碎食物，但不能分解食物。 也就是说鸟类体内只能进行物理 消化，不能进行化学消化。
•
1773年，意大利科学家 斯帕兰扎尼（1972-1977） 做了一个很巧妙的实验： 将肉块放入小巧的金属笼 里面，然 后让老鹰把笼子 吞下去。过 一段时间之后， 他把笼子取出来，发现笼 内的肉消失了。
B. 纤维素酶 D. 淀粉酶
氧化还原
砖红色沉淀
方法步骤
取两支洁净的试管，编号，按下表操作
序 号 1 2 3
项 目
1
注入可溶性淀粉液 注入蔗糖溶液 注入新鲜的淀粉酶溶液 2mL \ 2mL
试管
2
\ 2mL 2mL
轻轻振荡摇匀，将试管浸到60摄氏度的热水 中，5min。 取出试管，各加2mL斐林试剂（边加边摇） 将试管放入装有热水的大烧杯中，酒精灯 加热，煮沸1min。 观察实验现象
1.这个实验要解决什么问题？
老鹰体内不仅可以进行物理消化，而且还可以进 行化学消化
2.是什么物质使肉块消失了？
当时还不清楚，直到1836年另一位科学家做的 一个实验，才解决了这个问题。
• 直到1836年，德国科学家施旺 （1810-1882）从胃液中提取出 了消化蛋白质的物质，这才解 开胃的消化之谜。
酶 的发现
上世纪80年代美国人切赫和加拿大人奥特 斯曼发现了具有催化作用的RNA——核酶。
酶为生 活添姿 彩
一、酶的发现
1. 胃液对食物的消化作用
1773年
意大利科学家斯帕兰扎尼研
究发现，鹰胃中的分泌物对
肉有消化作用。
斯帕兰扎尼（1729-1799）
2.对于酵母发酵的争论
19世纪中期
发酵离不开酵母菌的生命活动， 发酵的动力蕴涵于活细胞中， 具有生命活力。
巴斯德（1822-1895）
发酵是一种化学反应，与酵母
பைடு நூலகம்
发酵确实可以在无细胞的条件下进行 发酵所需要的物质是活细胞产生的
5.对酵母提取液的研究
1904年
英国人哈登利用透析袋分析
酵母提取液的成分。 推测其催化作用的可能是其中的大分子物质 ——蛋白质。
哈登 （1865-1940）
6.酶的化学本质
1926年美国人萨姆纳尔得 到脲酶的结晶，证实了酶的 化学本质是蛋白质。
菌的生命活动无关。
李比希 （1803-1873）
3.酶（Enzyme）的名称的提出
1877年
德国人库恩提出酶（Enzyme） 这个名词，取自希腊语“来源 于酵母”之意。
库恩（1837–1900）
4.无细胞发酵的发现
1897年
德国的毕希纳发现无细胞的
酵母汁就可以完成发酵。
毕希纳 （1860-1917）
《生物化学》-第五章 酶化学
—CH2—·O·：
H
底物中典 型的亲电 中心包括：
磷酰基
Cys-SH
—CH2—·S·：
H
脂酰基 糖基
His-咪唑基
—CH2—C=CH
HN N：
CH
（五）金属离子催化
金属离子作为酶的辅助因子起作用的方式：
1.与酶蛋白紧密结合稳定酶的天然构象，亲电催化 2.与酶结合较弱，作为激活剂存在。 3.通过价态的可逆变化，参与氧化还原反应。
其他成分的酶：
核酶（ribozyme） ：具有催化活性的天然RNA。 近年还有DNA分子具有催化活性报道。
酶的概念： 酶是生物催化剂。由活细胞产生的具有高效催化能力 和催化专一性的蛋白质、核酸或其复合体。
脲酶：专一性水解尿素。
第一个被分离提取的酶，并证明其化学本质为蛋白质。 抗体酶：是用化学反应的过渡态类似物作免疫原产生 的催化性抗体，是一种具有催化能力的蛋白质，其本 质上是免疫球蛋白。
（6）对于结合酶，辅酶、辅基往往参与酶活中心的 组成。
第二节 酶催化作用的机制
一、酶与底物的结合——中间复合物学说
该学说认为，在酶促反应中，酶（E）总是先和底 物（S）结合生成不稳定的中间复合物（ES），再 分解成产物（P），并释放出酶（E）。 ——中间复合物学说能较好的解释酶为什么能降 低反应的活化能。
实际上，底物与酶结合是一种相互作用的过程， 底物可诱导蛋白质构象改变，蛋白质必需基团也可使 底物敏感键发生变化，更好“契合” 。 3.“三点附着”模型：该模型认为底物与酶活中心的 结合有三个结合位点，只有当这三个位点都匹配的时 候，酶才会催化相应的反应。
二、酶作用高效率机制
（一）底物与酶的邻近、定向效应
1）绝对专一性
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酶的历史
一、概念
酶工程亦称酶工艺，是在生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的原料转化为有用物质的技术酶工程与发酵工程密切相关，是发酵工业发展的产物，是酶学原理与化工技术相结合而形成的一门理论性很强的应用技术。
主要内容包括各种酶的开发、生产和利用，酶的分离、纯化技术、酶的化学修饰技术，固定化技术，酶反应器的研制和应用等。
酶是生物催化剂，是生物体产生的具有活性的蛋白质。
它可高效、专一地催化特定的生化反应，酶的催化作用可使反应速度提高10的8次到10的20次倍。
酶促反应具有反应条件温和、能耗低、污染小、操作简单等优点。
2、1961 年国际生化联合会酶学委员会提出将酶分为：
氧化还原酶：在生物体内参与产能、解毒和某些生物活性物质的合成；
转移酶：在生物体内将某功能基团从一个化合物转至另一个化合物；
水解酶：在生物体内外起降解作用，是人类应用最广的酶类；
裂解酶：可脱去底物上某一基团而留下双链，或可相反地在双链处加入某一基团；异构酶：依生物代谢需要对某些物质进行分子异构化；
连接酶（合成酶）：关系着许多生命物质的合成；
3、酶蛋白有3种组成形式：
单体酶：是仅有1个活性部位的多肽链构成的酶，分子量为13000-35000 。
寡聚酶：是由若干相同或不同的亚基结合而组成的酶。
多酶复合物：是指多种酶进行连续反应的系统，前一反应产物为后一反应的底物。
二、酶的探索与发现：
公元前800年,古老的烹调方法中已使用来自微生物的酶。
1833-1835年,淀粉的第一次酶解法国化学家Anselme Payen和ean-Franois Persoz 描述了从大麦的麦芽中分离淀粉酶多聚体的过程，并将之命名为淀粉酶。
1836年,德国生理学家Theodor Schwann在研究消化过程时，分离出一种在胃内消化蛋白的物质，将它命名为胃蛋白酶。
这是第一个从动物组织中提取到的酶。
1883年,Johan Kjeldahl建立了一套检测有机物中-3价氮的方法，即测定氮的含量的方法。
1894年,加酶食品的第一次商业化生产
1894-1913年,德国化学家Emil Fisher根据糖化酶的特点建立了钥匙-锁理论。
1926年,科学家发现酶是蛋白质
1953-1958年,Watson 和 Crick发现DNA是双螺旋结构
1963年,碱性蛋白酶--洗涤剂用酶的突破
1965-1974年,淀粉工业的重大突破随着一种可以将淀粉分解成糖的，不含转葡萄糖苷酶的葡萄糖淀粉酶上市，微生物酶类应用于食品工业的首次重大突破于20世纪60年代发生。
酶的生产和利用
一、微生物酶制剂的生产
主要有以下步骤：
1、目的酶生产菌株的分离筛选
（1）从自然界分离筛选
（2）用物理、化学因子处理诱变
（3）用基因重组或细胞融合技术选育
2、酶的生产
（1）要选择好的培养方法，包括培养基组成配比、培养温度、pH 值、通气量等。
图:微生物在相当于三层楼高的发酵罐里生长繁殖，产生所需的酶
（2）确定工业规模大量生产的一系列工程和工艺条件，以及培养罐的形式、大小、通气条件、温度和pH 值的控制等。
图：通过改变培养基类型、酸碱度、氧气浓度和温度，研究人员现了生产某种酶的微生物的最佳
生长条件。
三、酶的提取、分离和纯化
1、微生物酶制剂的工业提取步骤大致如下：
如果是胞内酶，则首先要分离收集其菌体，使之破碎，将酶提取至液相中，此为出发酶液；
如果是胞外酶，它的深层发酵液或固体培养物的抽提液则为出发酶液。
2、制取工业酶制剂的步骤：
第一步——除去出发酶液中的悬浮固形物，获得澄清酶液，必要时再进行减压浓缩；
第二步——根据质量要求和经济性采用适当方法（如用盐析法、有机溶剂沉淀法、丹宁沉淀法等）将酶沉淀分离；
图：只有酶和水能通过转鼓式过滤机；培养基和微生物则被留在硅藻土上。
第三步——收集沉淀、干燥、研粉、加适当的稳定剂、填充剂、做成粉末制剂。
∙∙酶粒是在大型连续运转的水平混合机内生产出来的。
提取的酶与盐、纤维素及其他成分混合形成0.5mm大小的粒状物。
然后用一种聚合体包裹，以防止酶尘在
使用过程中可能引起的致敏危险。
图:用多聚体包裹酶以减少酶尘引起的致敏危险。
3、其他方法
对于质量要求高可提取液中共存有妨碍目的酶工艺效果的其他酶时，常用一些特殊纯化方法将目的酶与其他酶和杂蛋分开，再分别沉淀制取。
常用的方法有：
（ 1 ）蛋白质选择性变性法
（ 2 ）分级盐析法
•有机溶剂分级沉淀法
•等电点法
•柱层析法
•电泳法
•亲和层析法
四、酶的化学修饰技术
1、金属离子置换修饰
2、大分子结合修饰
3、肽链有限水解修饰
4、侧链修饰
图：微生物的基因经修饰能够产生所需的酶
五、固定化酶和固定化细胞
固定化酶是通过物理或化学的处理，使水溶性酶和固态的水不溶支持物（载体）相结合或被载
体包埋，但仍保留酶活力。
1、固定化酶的特征
（1）反应完成后经过过滤或离心等简单的分离就可回收，重复使用，降低了酶制剂的成本；（2）可以装成酶柱，当底物溶液流经酶柱时，就能发生酶促反应，适合于工业化应用；
（3）酶经固定化后，稳定性一般都有所提高。
2、固定化酶的特点
（1）省去了酶分离纯化的时间和费用；
（2）可进行多酶反应；
（3）保持了酶的原始状态，从而增加了酶的稳定性；
（4）由于辅助因子存在和细胞内的连续性合成，酶的活力较为持久；
（5）用固定化细胞反应柱或反应床可连续进行发酵，一边加入培养基，一边排出发酵液，可避免产物对酶活性的抑制。
3、固定化酶的方法
（1）载体结合法
a、物理吸附法
是将酶吸附在活性炭、多孔玻璃、酸性白土、高岭土、硅胶等惰性载体上，此法对酶活性破坏较少，但吸附作用力常较弱而易脱落，因而常与交联法结合使用。
b、离子结合法
是利用离子键将酶及带有离子交换基团的不溶性载体，如离子交换树脂或带有交换基团的纤维素、葡萄聚糖结合在一起，此法操作简便，酶回收率也较高，但在较强离子强度下进行酶反应时易于脱落。
c、共价结合法
是利用共价键将酶和载体加以偶联，但因涉及条件较苛刻而化学反应又剧烈，因而酶回收率较低、操作复杂，但酶与载体的结合相当牢固。
(2)交联法
这是利用双功能试剂将酶分子相互交联而不需要载体。
常用的交联剂有戊二醛、异氰酸酯、双重氮联苯胺或乙烯双马来亚胺（形成重氮盐）。
此法反应也较为剧烈，从而影响酶的回收，但固定后的酶稳定性较好。
(3)包埋法
a、网格型
是将酶固定在具有网格结构的高分子凝胶中。
通常作为凝胶材料者有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等合成高分子材料以及海藻酸、明胶、胶原等天然大分子材料。
此法操作方便，很少改变酶的高级结构，因而回收率高，但在反应中存在“固相”扩散阻力，只适用于小分子底物和产物，机械强度往往也较差。
b、微囊型
是将酶液包埋在微小（<300μm ）的具有半透性高分子材料外壳形成的珠囊中。
此法操作较复杂，酶回收率一般不高，但被包埋的酶不易流失，微囊的比表面积很大，一般也只能适用于小分子底物和产物。
六、酶反应器
不可截留：是指酶一次性分批使用不再回收。
可截留：是通过超滤膜将酶截留在反应系统中。
七、生物传感器
生物传感器是根据酶和微生物细胞对其基质具有专一性而用于分析某一化学物质的工具，是由固定化的生物材料与适当的换能器件密切接触而构成。
原理：利用电极测定酶膜传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器、免疫传感器、生化发光传感器、生物亲和传感器及生物效应管传感器等。