国家科学技术学术著作出版基金项目酶工程技术及其在农产品加工中应用(国家科学技术学术著作出版基金项目)

一、 酶工程及其研究的主要内容 酶是体现生命新陈代谢本质特征的一类特殊蛋白质，如何在细胞外条件下充分利用酶的高效、温和、专一等优点， 发挥其生物催化的奇妙作用来造福人类是科学家孜孜以求的目标。酶工程正是为实现上述目标而孕育而生的新兴生物工程技术领域。酶工程 (Enzyme engineering) 是酶学、微生物学与生物化工等学科相互交叉、有机结合而产生的新兴边缘学科，也是20世纪70年代初在分子生物学、生物化学、细胞生物学和发酵工程技术基础上发展起来的现代生物工程的重要组成。它是一项利用酶、含酶细胞器或细胞 (微生物、动物、植物)作为生物催化剂来完成重要化学反应， 并将相应底物转化成有用物质的应用型生物高新技术[1]。酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。前者指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用；后者则是酶学和以基因重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物，主要包括3个方面：①用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)； ②修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶)；③设计新的酶基因合成自然界不曾有的新酶。 在酶工程研究中，除酶分子本身外还有一项重要内容就是酶生物反应器。酶生物反应器结合固定化技术，不尽在以农产品加工为基础的食品工业、饲料加工、洗涤剂工业、纺织、造纸、皮革、生物医药等多领域发挥了革命性技术进步作用，建立在酶固定化技术基础上，业已发展成酶电极、酶膜反应器、免疫传感器和多酶反应器等新技术已在生化分析、临床诊断与工业生产过程的监测、环境治理和监控等方面得到了广泛的应用。 1971 年美国召开**届国际酶工程会议，把酶的生产与应用确认为酶工程的核心内容，主要涉及以下6 个部分： ①酶的产生；②酶的分离纯化；③酶的固定化；④酶分子的定向改造与修饰；⑤酶生物反应器；⑥酶的应用。 三 酶与酶工程技术在农产品加工中的作用 农产品加工业横跨农业、工业和服务业三大领域，具有投资少、周期短、效益好的特点，是发展中国家工业化初中期应优先发展的产业。发达国家和我国经济发达地区实践表明，农产品加工业具有延长农业产业链条、提高农产品附加值和增加农民收入的作用，是带动现代农业发展的“引擎”，减少农产品产后损失的重要途径，推进农业产业化的核心。 改革开放以来，我国农产品加工业已经取得??世瞩目成就，从企业数量看，农产品加工企业由2000年60753个增至2014年129367个，增长112.94%，年均增长5.55%。2000年以来，我国农产品加工业产值与农业产值比值逐渐提高，从2000年0.93：1升至2005年1.46：1，2009年突破2：1；总体上看，改革开放前30年，我国农产品加工业实现了数量和规模快速发展，由于多数农产品加工企业加工设备陈旧、技术水平低，农产品加工行业缺少相应的行业标准，产品质量监管体系不健全；农产品加工以初级加工为主，加工副产物综合利用不足现象普遍。发达国家农产品综合利用率高达90%，我国仅40%左右，造成资源严重浪费。据报道，2013年我国粮油、果蔬、畜禽、水产品加工副产物约5.8亿吨，其中60%作为废物丢掉或简单堆放；粮食加工副产物中，稻壳利用率不足5%，米糠不足10%，碎米为16%；其他类农产品加工副产物综合利用情况，油料在20%以上，果蔬不足5%，畜类为29.9%，禽类为59.4%，水产类在50%以上。在多数农产品或其副产物加工开发不足的同时，少数农产品又存在过度加工问题，突出表现为粮食过度加工。粮食碾磨加工中，大米出品率应在70%～75%，小麦面粉应达80%以上，但由于片面追求“精、细、白”的产品外观，我国大米、小麦面粉平均出品率仅为65% 。由于粮食过度加工，每年损失150亿斤以上，不仅造成营养损失，更造成粮食资源浪费。随着我国经济结构转型，农产品加工业势必要加快转型发展，由追求数量与规模的粗放式加工向以清洁生产为主线的精深加工转型, 向建现代高新技术武装的现代工艺与装备转型，以实现高质量发展；农产品加工的高新技术在学科交叉中快速突破，如目前国际上广泛应用于农产品加工领域的高新技术，主要有生物工程技术、速冻技术、冷冻升华干燥技术、冷冻浓缩技术、气调保鲜技术、膜分离技术、微波技术、膨化技术、挤压技术、超临界流体萃取技术、微电子技术、计算机图象处理技术、微胶囊技术、真空技术、高压加工技术、特征红外干燥技术、无菌包装技术等。酶工程技术作为现代农产品加工高新技术之一，在农产品加工领域的应用，对于改进加工工艺、提高产品品质以及降低环境污染等都具有显著工业优势。现代酶工程技术应用于农产品加工领域，对于推动产业发展和技术进步具有重要意义。 1 酶技术在农产品品质改性的作用 很多以食品加工原料为主要用途的农产品，其天然成分是加工食品的基本原料，但其加工适性和营养特性需要针对现代加工业的特殊需求，进行改性处理。如面粉经过符合酶处理后，配制出加工专用分（饺子粉、面包粉、饼干粉等），肉制品经过酶嫩化处理，加工肉食品经谷酰胺转移酶处理后，提高肉制品的凝胶特性等。利用蛋白酶处理大豆蛋白，解除大豆蛋白的致敏原性等。 2 酶技术在功能性营养因子的开发制备中的作用 随着国民经济的快速发展，百姓日常消费水平快速提升和不断转型，健康食品产业快速兴起，农产品中天然功能性成分不断被发现，功能性成分的生理调节活性得到理论阐释和实验证实，在功能性成分的分离提取过程中，酶技术在天然成分中的功能性因子的转化和挖掘起到不可或缺的作用，酶技术的应用，酶辅助提取技术的建立，为功能性成分的提取工艺带来突破性进步，并极大地提高了产品的纯度和稳定性。如：*突出的成功是以牛乳酪蛋白、大豆蛋白为资源的活性肽的开发。 3 酶技术在农产品精深加工工艺作用 利用酶的高度专一性和催化高效性，酶技术引入农产品加工工艺，为农产品加工带来了革命性技术进步。一方面是工艺过程极大优化，同时，借助酶催化物质转化作用，实现了传统加工工艺所不可能的新型加工制品。*早规模化应用于农产品加工工艺的如淀粉糖加工工艺，通过淀粉酶催化淀粉的液化、糖化工艺过程，淀粉转化葡萄糖，不仅制备的葡萄糖纯度得到极大提升，产率极大提高，同时催化过程是在温和反应条件下进行的，避免了强酸处理环境，产品下游工艺简化，环境影响降低。利用不同酶制剂，控制不同的工艺条件，可以用糖的原料生产出不同的目标产品，如利用淀粉→液化→糖化→葡萄糖→葡萄糖异构酶→果葡糖浆→循环处理→高果糖浆。在澄清型果蔬汁加工的过滤工艺中,由于引进果胶酶处理工序,使解决了澄清型果蔬汁加工的过滤难题,实现关键技术的突破。 4 酶技术在农产品检验检测中的作用 酶法分析技术是以酶为工具，通过酶催化特异性反应，对酶催化底物、或酶活性效应物进行定量或定性分析测定，已在分析检测领域得到广泛应用，主要包括酶联免疫技术、酶标记抗体、酶标记基因探针、酶传感器技术等。在农产品加工领域应用也越来越得到普及推广，在农产品加工领域，酶法分析主要用于有效成分分析检测、农药（兽药）残留检测、环境污染重金属的检测等。