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食品酶学
食品酶学讲稿
参考书
1酶工程，郭勇主编，高等学校轻工专业试用教材，中国轻工业出版社；
2酶工程，罗贵民主编，化学工业出版社；
3酶与食品加工，［英］G.G.伯奇等主编，郑寿亭、高培基译
轻工业出版社。
4蛋白质分子基础，陶慰孙等编著，高等教育出版社
CH1绪论
CH1—1酶与食品的关系
1食品酶学概说
食品酶学这个概念，是近几年提出来的，可以说，到目前仍没有一个完整的定义，就我们选用的教材也是如此，自始至终，没有对食品酶学下一个完整定义；近几年全国轻工院校和农业院校的有关食品专业，有条件的都开设了这门课；可以说，不同院校所开设的内容不很一致，因为不同的任课教师，对食品酶学的理解和认识的角度不一定相同；总体课程设置不同，用于本课程的学时也就不同，不管怎样，有一点应该是一致的，食品酶学所开设的内容应该是与食品有一定关系的酶学内容，也就是说，食品酶学是酶学的一个分支；在这里我们把食品酶学定义为：
食品酶学是专门研究与食品工业有关的酶学理论及酶工程技术的学科。
2酶与食品的关系
酶与食品的关系非常重要，这不仅现在酶在食品工业上显得重要，很早以前酶就在食品加工方面起着很重要的作用，在没有酶制剂以前，在利用淀粉原料发酵时，来利用大麦发芽后转化淀粉成麦芽糖，利用木瓜树叶包裹瘦肉，以促进肉的嫩化等；目前酶在食品工业上的应用实例可以说是举不胜举。
我们把酶与食品的关系概括以下几点：
①酶在食品工业上应用可改善食品工艺
②酶工程技术将在开发新的食品资源方面起极其重要的作用。
③酶在食品分析中的应用将越来越得到普及。
④酶在食品加工方面应用也有其不足之处，因酶是蛋白质，具有一定的免疫原性，有时引起食品的过敏反应，有些酶蛋白本身对人体有一定毒性。
如有些蛋白水解酶，．．．．．
CH1.2酶的基本概念
1酶是蛋白质
酶的化学本质是蛋白质，这一点是被生物化学所证明了的，研究酶的化学本质，可用研究蛋白质的方法进行研究；一般情况下，一个结构完整的酶包括蛋白质和非蛋白质两部分，蛋白质部分称为辅基酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子，辅基酶蛋白和辅助因子构成一个全酶。
辅助因子的化学本质因不同的酶而不同，它可以是小分子量的有机化合物，也可以是无机矿物质离子，这两部分构成一个完整活性酶体系的必不可少部分，缺少任何一部分都不能表现出有效酶活力。
例如：
2酶具有催化活性
酶是一种生物催化剂，在催化活性上与无机催化剂类似，酶在催化反应时，其本身不发生化学改变，只是催化反应的进行，此外，酶在催化反应时，仅改变反应述度，并不改变反应的平衡。
酶催化反应的动力学机理是降低反应的活化能。
3酶催化反应具有专一性和高效性
酶作为生物催化剂，其催化反应的专一性远远超过无机催化剂，根据酶的专一化程度，可分为绝对专一性和相对专一性。
绝对专一性是指一种酶只能催化一种底物进行一种反应，底物的分子结构、空间构型及构象的不同都表现出专一性。
例如：
乳酸脱氢酶（LactatedehydrogenaseEC1.1.1.27）催化丙酮酸生成L-乳酸而D－乳酸脱氢酶（EC1.1.1.28）却只能催化催化丙酮酸生成D-乳酸
CH乳酸脱氢酶CH
C=OH－C－OH
COOHNADHNAD+COOH
CHD—乳酸脱氢酶CH
C=OHO－C－H
COOHNADHNAD+COO
相对专一性是指一种能够催化一类结构相似的物质进行相同类型的反应。
例如：
胰蛋白酶（TrypsinEC3.4.31.4）催化含有赖氨酸或精氨酸羰基的肽键的水解反应，凡是具有含赖氨酸或精氨酸羰基酰胺键的底物都能被此酶催化水解。
CH1.3酶的分类和命名
1酶的分类原则
目前已经认识的酶有3000多种，并且随着生物化学研究的深入，认识酶的种类不断增加，为了准确地认识某一种酶，避免发生混乱和误解，在酶学研究和酶工程领域，要求必须对每一种酶都要有准确的名称和明确的分类。
一般每一种酶有两个名称，一个是它的习惯名称，另一个是其分类名称，其分类名称一般是根据它的催化底物来命名的。
例如：
淀粉酶（Diastase），蛋白酶（Protiase），果胶酶（Pectinase），纤维素酶（Cellulase）等。
以催化底物命名存在的问题是，当几种拥有共同底物时就容易混乱。
为此1955年建立的国际生物化学协会（InternationalUnionofBiochemistry）酶学委员会（EnzymeCommission）。
自1956年开始进行酶的系统命名和分类研究，于1961年该委员会正式提出了酶的分类命名方案。
系统命名：
是将底物和催化的反应同时考虑，进行命名，如：
α-1，4葡萄糖水解酶；
对于双底物的将两底物用冒号分开：
如：
ATP:
己糖磷酸转移酶；
对与可逆反应的，一般正反应和负反应用同一个名称，主要考虑催化的主要方向，或根据首先证明的催化反应来确定。
如乳酸脱氢酶。
此后，分别在1964年、1972年、1978年、1984年进行了修订与补充，形成了一套目前为普遍接受的酶分类体系；系统命名分类体系根据酶催化反应的类型将酶分成６大类，即：
氧化还原酶..........................................
（1）
转移酶..................................................
（2）
水解酶..................................................（3）
裂合酶..................................................（4）
异构酶..................................................（5）
合成酶..................................................（6）
酶的分类编号原则是采用四码编号方法，第一码代表６大类中的哪一类，第二码代表大类中的亚类，第三码表示亚类中的小类，第四码表示小类中不同酶的排序号；四位号码之间用圆点（．）分开。
例如：
水解酶类 3.1是作用于酯键的亚类3.1.1水解羧酸酯键
3.1.2硫醇酯键
.
.
.
3.1.7二磷酸单酯
3.2作用于糖基化合物3.2.1水解糖苷键
3.3作用于醚键
3.4作用于肽键
2同功酶的概念
笼统地讲，同功酶应该是指那些具有相同催化功能的不同的酶形式，这些不同形式主要表现为酶蛋白分子的一级、二级、三级、四级结构和辅酶或辅基的差异，但是，在酶学上的概念仅那些具有相同催化功能，而由于遗传因素所引起的氨基酸序列不同的酶，换句话说，两个同功酶，必须是由两个结构基因编码的，如果由同一基因编码，而仅仅是在蛋白合成后的修饰过程的差异不能归同功酶这个概念。
3酶活力概念及活力测定
在酶的生产及其应用过程中，衡量酶量的多少的概念有酶的质量和酶的活力，质量概念仅仅是一个相对量，由于不同来源的酶制剂，其纯度不同，所以其应用效果有很大差异，因此，在酶学及酶工业上，用酶活力来表示酶量的多少。
酶活力是指在一定条件下，酶所催化的反应述度。
酶的活力越大，反应述度越高。
我们知道，酶催化反应述度，用单位时间内底物的减少量或产物的增加量表示：
ds dp
v=————=———
dtdt
既然用酶活力表示酶量，就必须有一个相应的量的单位，即酶的活力单位；关于酶活力单位定义在我国较为混乱，不同的酶采用不同的单位，目前，对淀粉糖化酶（Glucoamylases）、果胶酶（Pectinases）、纤维速酶（Cellulases）等，普遍采用以在最适条件下，每小时产生1mg产物或转化1mg底物的酶量即为一个酶活力单位（U）。
其他国家也不尽相同，酶学委员会（E．C．）对酶活力单位作了统一规定，酶活力单位定义为：
在特定条件下（酶的最适反应条件），每１min催化1μmol底物转化成产物（或产生1μmol产物）的酶量即为一个酶活力单位（U）；这个单位又称为国际单位（ＩＵ）。
近些年来，提出了一个更大的酶活力单位，即‘Katal’，一个‘Katal’单位是在一秒钟内，转化一摩尔底物的酶量。
１Katal=6×107U
酶的活力单位和质量单位虽然都是酶量多少的标志，两者之间无法彼此对应，为此，人们引用了酶比活力这个概念。
即每mg酶制剂所含的酶活力。
酶比活力＝酶活力（Ｕ）／mg酶制剂
酶活力的测定方法
酶活力的测定方法多种多样，总的要求是快速、简便、准确。
总的说，无论用什么方法，都包括以下几个要点
①提供最适底物：
由于酶的底物专一性，测定酶活力时，提供的底物必须是最适底物，当同时有几种底物时，以Km值最小的为最适底物。
②测定时酶量适当，酶量太小，形成的产物或转化的底物太少，不利于测定，酶量太大，一方面形成的产物太多，超越测定范围；此外，当酶量太大时，底物不能使酶最大饱和，测定的反应述度不是最大反应述度。
③确定反应时间，既然；测定酶活力是测得最大反应述度，反应时间太长，随着反应进行，底物不断减少，到反应后期，反应述度下降，测定出现误差；反应时间太短，在操作过程中，人为的时间误差很大，也不利于准确测定。
④反应条件应是最适反应条件，主要包括反应温度、pH值和基质的离子环境。
CH2酶学概论
CH1-1酶的结构和功能
酶的化学本质是蛋白质，酶包括单一酶和结合酶两类，单一酶的催化活性仅由其酶蛋白部分完成，而结合酶的催化活性，除蛋白部分外，还需要金属离子或其它小分子有机化合物作为酶的辅助因子。
结合酶又称为全酶，其由酶蛋白和辅助因子两部分组成。
无论是单一酶还是结合酶，其蛋白质部分的结构构成其功能的结构基础。
１.酶催化功能的结构基础
1.1酶的活性中心
酶是大分子生物活性物质，一般来讲，分子量至少都在１０４以上，由数百个或更多的氨基酸残基组成。
现已证明，在酶蛋白上，只有少数氨基酸残基和酶催化活力直接有关。
这些氨基酸残基一般不集中在肽链的某一区域，也不相互毗邻，往往分散在相距较远的氨基酸序列中，甚至有的分布在不同的肽链中。
显然，这些氨基酸呈分散状态时，不能发挥其共同的催化活性，这些氨基酸是通过酶蛋白的二、三、四级结构使得其在空间上彼此集中，构成一个特定的与酶活性表达有关区域，这个特定区域即酶的活性中心（activecenter），换句话说，酶的活性中心是酶分子上的与底物结合并催化反应的特定基团或特定区域。
酶活性中心包括两部分，其一是底物结合部位，其二是催化部位；底物结合部位是酶与底物特异性结合的部位，又叫专一性决定部位。
催化部位直接参与催化反应，底物的敏感键在此部位被催化形成相应的产物。
底物结合部位和催化部位两者不能绝对分开，任何单一部位都不能孤立地发挥作用，有时两者合二为一。
例如：
１.2酶催化的邻近和定向效应
邻近效应是指A和B两个底物分子结合在酶分子的结合部位上，两分子的反应基团相互靠近，从而降低了两分子进入过渡态所需要的能量，或说增加了两分子反应基团的发生反应的空间机率。
A、B两个分子进入过渡太，两分子的反应基团的需要按一定的方向重叠或交叉，这一方向稍有偏离，反应就难以进行或增加很大能量才能进行，这种酶活性部位赋予底物的这一方向性即定向效应。
1.3酶的别构部位（allostericsite）
酶分子表现其活性是以完整的结构为基础的，某些酶除其活性部位外，还有一个别构部位影响酶的活性，这些酶又称为别构酶或变构酶。
多为代谢代谢调节酶，由别构部位的变构改变酶的活性，别构部位的变构也是通过与一个配体结合来实现的，但其与酶的活性部位不同，别构部位结合的配体不是底物，而是一个调节酶活性的效应物。
２.酶催化专一性的经典学说
2.1锁钥学说（lockandkeytheory）
1894年，E.Fisher提出酶与底物作用的锁钥学说，以解释酶与底物之间的专一性问题，其基本含义是：
酶与底物分子或底物分子的一部分之间，在结构上有严格的互补对应关系，当底物与酶结合时就象钥匙和锁那样契合对应。
锁钥学说对于了解酶的立体专一性及酶与简单底物结合的动力学理论有一定的邦助；但锁钥学说，认为酶的活性部位就象锁那样有着固定的结构，并且是一个不变的刚性结构，作为钥匙的底物不能有任何结构上的改变，尽管锁钥学说有其合理的内核，但有许多实验事实该理论不能解释。
２.2诱导契合学说（induced-fithypothesis）
1958年，Koshland提出了诱导契合学说，其主要内涵是：
当酶与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于与底物分子结合或催化的变化，酶与底物在此基础上互补契合，以发挥酶的催化功能。
本学说继承了锁钥学说酶与底物特异结合的合理内核，同时拼弃了其机械不变的刚性理论。
诱导契合学说，不仅能解释锁钥学说不能解释的实验事实，而且近年来运用物理化学方法，如Ｘ－射线衍射分析、旋光色散分析、圆二色性分析、核磁共振、差示光谱等现代研究方法，确实证实了酶与底物结合时，酶的构象发生改变。
CH1.2酶催化反应的动力学
酶催化反应动力学所研究的主要内容包括酶浓度、底物浓度、温度、pH、离子强度、激活剂和抑制剂等诸因素对酶催化反应的影响。
由于酶分子是一个大分子生物催化剂，催化反应的体系非常复杂，因此酶催化反应动力学是一个复杂的研究课题，在这里我们仅讨论酶催化反应动力学的几个基本问题。
１.酶催化反应的初述度
酶催化反应的述度是用单位时间内产物的形成或底物的减少量来表示的，对于一个酶催化反应S───P
d[s]d[p]
V=-───=───
dtdt
图１酶催化反应述度图２酶催化反应的初述度
可以看出，反应述度随反应的进行，而逐渐降低，因此研究酶催化反应动力学，反应述度的概念必需是一个特定时间下的述度，通常研究酶催化反应动力学采用的反应述度是引用初述度这个概念，初述度即反应时间为零时的极限述度，因为只有初述度是在理想条件下进行的反应述度，干扰反应述度的因素最少。
图中曲线的斜率即为初述度
2.底物浓度对反应述度的影响
以单底物--单产物的酶催化反应模型为例，当酶量固定不变时，底物浓度对反应述度的影响见图３
2.1Michaelis-Menten迅述平衡学说及Henri-Michaelis-Mentwen方程
单底物酶促反应模型:
k1kpk3
E+S────ES────E+P
-k1
图３底物浓度对反应述度
迅述平衡学说对上述反应模型有两点假定：
①酶与底物结合形成酶底物复合物的述度很快。
②整个反应述度取决于酶底物复合物释放出游离酶和形成产物的反应述度，因此反应述度
v=kp[ES].........................................................
（1）
Ks=[E][S]/[ES]（Ks是ES的分解常数）.........
（2）
[ES]=[E][S]/Ks..................................................（3）
如果我们设反应体系中酶的总浓度为[],当反应达到平衡以后,酶分子以下列两种形式存在：
[E0]=[E]+[ES].............................（4）
将3式分别和1式4式加以整理便得：
v=Kp[E][S]/Ks........................................（5）
[E0]=[E]+[E][S]/Ks..................................（6）
将5式除以6式得：
Kp[E][S]/KsKp[S]/Ks
v/[E0]=─────────=───────...........（7）
[E]+[E][S]/Ks1+[S]/Ks
.将两边都乘以1/Kp
[S]/Ks
v/Kp[E0]=──────.............................（8）
1+[S]/Ks
∵v=Kp[ES]只有当[E0]全部转变成[ES]时，反应才能达到最大反应述度。
∴Vm=Kp[E0]...............................（9）
将9式和8式整理得：
[S]/Ks[S]
v/Vm=─────=──────.......（10）
1+[S]/KsKs+[S]
Vm[S]
v=──────.............................（11）
Ks+[S]
这就是Hemri-Michaelis-Menten方程。
也就是我们所说的米氏方程。
我们总结一下，利用迅述平衡学说进行米氏方程的推导有以下三点基本假设：
①在反应模型中，不考虑ES→E+P的逆反应，然而，对于大多数酶促反应来说，反应是可逆的，要忽略这一逆反应，只有在反应的起始，产物Ｐ→０时才成立。
②[S]大大高于[E]值，在反应过程中，底物的消耗可忽略不计。
③ES解离成E+S的述度显著快于ES形成E+P的述度，即ES→E+P的反应不影响E+S───ES的平衡。
2.2恒态学说及对米氏方程的修正
事实上迅述平衡学说对很多反应不太适宜，为此，1925年，Briggs和Handane对米氏方程进行了修正，提出了恒态学说。
其基本内涵是：
在初述度测定过程中，底物浓度随反应时间而降低，产物相应增高；而中间复合物ES可在相当一段时间内保持浓度的恒定状态。
Briggs和Handane对米氏方程的修正，保留了迅述平衡学说的前两点假设，因此，反应模型仍为：
k1kp
E+S────ES────E+P
-k1
底物的消耗述度为K1[E][S]，底物的消耗用于ES的形成，ES已经形成，就会按K1[ES]的述度解离成E+S，同时ES按Kp[ES]的述度形成E+P。
v=Kp[ES].........................................................
（1）
[E0]=[E]+[ES].................................................
（2）
v/[E0]=Kp[ES]/{[E]+[ES]}..............................（3）
v/Vm=[ES]/{[E]+[ES]}....................................（4）
恒态学说认为:
K1[E][S]=K-1[ES]+Kp[ES]=（K-1+Kp）[ES]......（5）
[ES]=K1[E][S]/（K-1+Kp）..................................（6）
定义:
（K-1+Kp）/K1=Km.....................................（7）
∴[ES]=[S][E]/Km.........................................（8）
将（8）式代入（4）式得：
[S][E]/Km
v/Vm=────────=[S]/（Km+[S]）....（9）
[E]+[S][E]/Km
Vm[S]
v=────.......................................................（10）
Km+[S]
（10）式即为修正的单底物酶促反应动力学方程，为了纪念Michaelis-Menten创造性工作，这个方程也称为Michaelis-Menten方程，简称米氏方程。
式中Vm为最大反应述度，Km为米氏常数。
2.3关于米氏方程意义的讨论：
①反应述度v是底物浓度[S]的函数，其几何意义是一条双曲线，当[S]远远大于Km{[S]》Km}时，V→Vm；在测定酶活力时，必需提供足够大的底物浓度；反之，当[S]《Km时，V→Vm[S]/Km，因为在一定条件下，对于一个酶来说，Vm/Km是一个常数，所以，反应述度V与底物浓度[S]成直线关系，在酶法分析中，利用酶测定底物浓度时，应提供足够大的酶浓度，使得产物与底物浓度成直线关系，以根据产物的形成来测定底物浓度。
②Km是酶促反应的动力学常数，其等于当达到最大述度一半时的底物浓度。
Km值是酶的一个特征性常数，它不受酶量，酶的纯度的影响，当pH、温度、介质的离子强度等不变时，Km值不变。
它是酶与底物亲和力的标志，Km值越大，标志要使反应速度达到最大反应速度一半时，必须提供的底物浓度越大，即酶与底物的亲和力越小；反之亦反。
③因为Vm=Kp[E0]，所以，当底物浓度足够大时，最大反应述度Vm与酶量成正相关，因此Vm是随酶量而变化的常数。
催化反应的Vm应换算成酶的催化常数Kcat，Kcat是每摩尔酶催化每摩尔底物转化或产生每摩尔产物所需的时间。
3酶浓度对酶活力的影响
根据米氏方程V=Vm[S]/{Km+[S]}
当底物浓度足够大时，V→Vm=Kp[E0]
因此，酶促反应述度与酶浓度在一定的底物浓度范围内与酶浓度成正比。
４pH对反应述度的影响
大部分酶的活性受pH的影响，在一定的pH条件下，酶促反应具有最大反应述度，当pH高于或低于该pH值时，反应述度都降低；此pH范围即为最适pH。
用酶活力对pH作图，便得到一条钟形曲线。
图pH对酶活力的影响
pH对酶活力的影响主要表现在以下几个方面：
①pH的改变影响酶的空间构象，从而引起酶活力的改变。
②pH影响酶活性中心催化基团的解离，影响酶与底物的亲合力或催化活性。
③pH影响底物的解离状态，改变底物的可给性。
５温度对酶促反应述度的影响
从实验结果来看，温度对酶活力的影响，类似于pH对酶活力的影响，以酶活力对温度作图，便得到一条钟形曲线。
图温度对酶活力的影响
温度对酶活力的影响，主要表现在两个方面，一方面温度的改变影响着酶的稳定性，在低温条件下，主要表现为可逆行失活，随温度的恢复酶活力也得到恢复；在高温条件下，表现为不可逆行失活。
另一方面，温度直接影响酶促反应的进行，根据Arrhenius方程：
k=Ae-Ea/RT可以看出，述度常数k与绝对温度T成正比。
ＣＨ3酶工程技术概论
酶工程技术作为生物工程技术的四大领域之一，目前可以说，在生产上发挥着巨大作用的当为发酵工程和酶工程技术。
概括地讲，酶的生产和应用的技术过程即称为酶工程。
酶工程技术主要包括内容有：
酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶分子的修饰、酶的固定化和酶反应器、以及酶的应用工程技术。
酶工程的主要任务是：
通过预先设计经过人工操作而获得大量所需要的酶，并通过各种方法使酶发挥最大的催化功能。
CH3-1酶的发酵生产
所有生物体在一定条件下都能产生多种酶，酶在生物体内产生的过程，称为酶的生物合成。
目前工业酶制剂的主要来源主要包括：
通过微生物发酵生产和从动植物细胞中提取两个途径。
以前，酶的发酵生产，主要是利用微
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