脂肪酶在食品工业上的应用

脂肪酶在食品工业上的应用

摘要：脂肪酶是一种既可催化水解反应又可催化合成反应的生物催化剂。本文主要介绍了脂肪酶的来源、结构以及对食品品质的影响。脂肪酶根据来源分为内源性脂肪酶和外源性脂肪酶。并介绍了加入外源性脂肪酶对腌肉制品和乳制品风味的影响。

关键字：脂肪酶；来源；结构；食品

前言

脂肪酶（(lipase，EC3.1.1.3)全称为甘油三酰酯水解酶,其基本功能是催化甘油酯水解为甘油和脂肪酸。脂肪酶广泛存在动物、植物种子和微生物中[1]。动物体内含脂肪酶较多的是高等动物的胰脏和脂肪组织等，而植物中含脂肪酶较多的是油料作物的种子。而微生物脂肪酶种类最多，广泛存在于细菌、酵母和霉菌中，最易获得和大规模生产，且具有比动植物脂肪酶更广泛的pH、温度适应性，因此是工业用脂肪酶的重要来源。脂肪酶分为碱性脂肪酶、中性脂肪酶和酸性脂肪酶。溶酶体酸性脂肪酶可水解中性脂肪，如甘油酯和胆固醇，最适pH值4.0—5.0。碱性脂肪酶(EC3.1.1.34)水解二、三酰甘油酯，最适pH值8.0—9.0。有研究者认为中性脂肪酶是激素依赖型脂肪酶,最适pH 为中性(7.0-7.5)[2-3]。脂肪酶作为重要的工业用酶，广泛应用于食品、制革、饲料、洗涤、油酯化工等传统工业领域[4]。在乳制品中添脂肪酶，奶酪中的酸、酯类（十四酸乙酯除外）挥发性风味物质含量有所增加，辛酸、己酸、癸酸等含量增加明显[5]。在腌肉制品中添加脂肪酶可以使脂肪在较短的时间内分解，会对快速腌肉制品的风味有很大贡献，加快腌肉制品的成熟[6]。

1 脂肪酶的来源与结构特性

1.1脂肪酶的来源

食品中脂肪酶可以分为内源性脂肪酶和外源性脂肪酶。内源性脂肪酶主要存在动物的脂肪和肌肉组织中以及植物的油料种子中。外源性脂肪酶主要是通过微生物产生的，根据产脂肪酶微生物的不同，脂肪酶可以分为细菌性脂肪酶和真菌性脂肪酶。细菌性脂肪酶大多数是胞外酶易于生成。细菌脂肪酶大多数是碱性脂肪酶, 且在pH4~11、温度30℃~60℃间具有良好的稳定性。大多数细菌脂肪酶是糖蛋白，但也有些细菌胞外脂肪酶是脂蛋白[7]。目前商业化的菌株有：假单胞菌脂肪酶(Pseudomonas lipase)、葡萄球菌脂肪酶(Staphylococcus lipase)、芽胞杆菌脂肪酶(Bacillus lipase)等6大类。真菌脂肪酶具有温度和pH稳定性、底物特异性以及在有机溶剂中具有高活性，提取成本较低等优点。目前商业化的真菌脂肪酶有：黑曲霉( Aspergillus niger) ,米曲霉( Thermomyces Lanuginosus) , 高温毛壳霉( Humicolalanuginosa) , 米赫毛霉( Mucor miehei) , 少根根霉( Rhizopus arrhizus) , 德氏根霉( Rhizopus delemar) ,日本根霉( Rhizopus japonicus) , 雪白根霉( Rhizopusniveus) , 米根霉( Rhizopus oryzae) , 皱褶假丝酵母(Candida rugosa), 南极假丝酵母(Candida antarctica),柱状假丝酵母( Candida cylindracea)[8]。

1.2 脂肪酶的结构特性

不同类型的脂肪酶具有非常相似的立体结构。脂肪酶的氨基酸顺序可能有较大的差别,但却具有相似的折叠方式和活性中心。一般地,脂肪酶的多肽链折叠成两个结构域，即N—末端和C—末端结构域。几乎所有的脂肪酶的活性部位都有组氨酸(His)、色氨酸(Ser)、天冬氨酸(Asp)组成[9]。通常情况下,脂肪酶的活性部位被一个螺旋片段(又称为“盖子”)所包住。在底物(如醇、酸或醋等)存在的情况下，酶的构象发生变化，“盖子”打开，含有活性部位的疏水部分就暴露出来。“盖子”中α—螺旋的双亲性会影响脂肪酶与底物在油/水界面的结合能力，其双亲性的减弱将导致脂肪酶活性的降低。“盖子”的外表面相对亲水，而其面向催化部位的内表面则相对疏水[10]。

图1 Pseudomonas aeruginosa脂肪酶X-衍射三维结

构图

图1为Pseudomonas aeruginosa脂肪酶三维结构图在活性中心附近，脂肪酶有一个Ca2+结合位点。Ca2+分别与脂肪酶主链上的4个羰基氧原子和2个水分子相互作用,形成一个稳定的八面体,有助于脂肪酶的激活和酶结构的稳定,但Ca2+并不参与脂肪酶的催化作用。图中箭头代表β链,卷曲结构代表α螺旋,小圆球代表潜在的Ca2+结合位点,右上角的α螺旋形成盖子结构覆盖在活性中心上面[11]。

2 影响脂肪酶活性的因素

Sang-Buem Cho[12] 等人研究了橄榄油、大豆油、葡萄籽油、芝麻油、CuSO4、MgCl2、KNO3、CaCl2和KCl对金黄色葡萄球菌分泌脂肪酶活性的影响。研究发现大豆油、葡萄籽油、KNO3、CaCl2对脂肪酶有抑制作用。pH值、温度和水分活度也会影响脂肪酶的活性。一些脂肪酶在中性pH值附近稳定性较强。由黑曲霉菌株、色素细菌和根霉分泌的胞外酶在酸性pH值附近活性较强。P. nitroaeducens分泌的脂肪酶在碱性pH值附近活性较强[13]。Epipactis gigantea分泌的脂肪酶和其它一些脂肪酶的最适活性温度在30-35℃范围内。从冰岛温泉的生物体内提取的嗜热细菌分泌的脂肪酶在40-60℃范围内活性较高[13]。

Maria-JoséMotilva h和Fidel Toldrá[14] 对影响猪肉和动物脂肪组织中脂肪酶和磷脂酶活性的因素的研究表明水分活度对中性脂肪酶有显著影响,水分活度在0.90 时,其活力损失约50%,而当水分活度下降至0.80 时,中性脂肪酶活力几乎损失殆尽。盐含量对中性脂肪酶也具有显著的抑制作用,当盐含量达到6%时,活力几乎损失殆尽，这可能是中性脂肪酶活力加工前期显著下降的原因。中性脂肪酶的最适pH 为7.0-7.5,加工后期pH 的升高可能有利于提高其活力。盐和水分活度可以活化酸性脂肪酶,随着盐含量升高和水分活度降低,其活力逐渐升高,当盐含量达到6%-8%时,其活力可增至原来的 3 倍,水分活度降低至0.90时,其活力提高约150%。酸性脂肪酶的最适pH 为 5.5。

3 脂肪酶对食品品质的影响

在腌制肉制品的脂质降解过程中，微生物起到了重要作用。但是，脂肪的初期降解主要是由内源性脂肪酶引起的。无菌条件下制备的干腌香肠和接种了乳酸菌和微球菌的均发现了游离脂肪酸的增加，表明内源脂肪酶在脂质降解中也发挥了作用。为了研究内源酶在腌腊肉制品加工过程中对生物化学变化的影响,Montel等[15]在无菌条件下制备了香肠，与接种了微生物的样品相对比发现无菌组的游离脂肪酸仅比接种组略低一点。腌肉中的微生物主要有霉菌、酵母菌、乳酸菌、微球菌和葡萄球菌。很多研究表明干腌香肠中接种酵母菌具有较高的脂肪酶活性利于风味的形成。乳酸菌和微球菌也有部分的脂质降解能力，不同的菌株脂质降解能力不同[16]。I.Zalacain[17]通过对比只含有传统起发剂（Lactobacillus plantarum 、Staphylococcus carnosus）与加入了Candida cylindracea分泌的脂肪酶和传统起发剂的干腌香肠发现：加入脂肪酶后的样品，酸价升高、TBA值降低、短链脂肪酸含量升高、游离脂肪酸含量升高。酸价升高主要是由于脂类分解.。TBA降低说明虽然脂类降解加快但是脂类氧化酸败却没有增加。短链脂肪酸含量的升高主要是由于糖的降解和脂质氧化反应。但是含脂肪酶的组亚麻酸的含量较低，可能是由于亚麻酸被解离的少或者是被分解为挥发性物质。

乳制品中的脂肪酶根据来源分为两类：原来存在的脂肪酶以及原料乳中嗜冷菌分泌的脂肪酶。原料乳中的天然脂肪酶——脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase, LPL）。LPL的含量与牛的品种、哺乳期的阶段、饮食和营养及其季节有关[18]。冷藏原料奶中生长的优势菌群为嗜冷菌，在储存原料奶的过程中其分泌产生的脂肪酶有较强的耐热性，在巴氏杀菌或高温处理后仍会有残留，并在后期的奶制品储藏过程中继续分解脂肪，导致产品的风味和质地产生