木聚糖是自然界中继纤维素之后含量第二丰富的再生生物质资源, 是最具代表性的半纤维素,占半纤维素的1/3~1/2。它存在于陆生植物的细胞壁中,几乎植株的所有部位都含有它。木聚糖酶是木聚糖水解酶系中最关键的水解酶。木聚糖酶从动物、植物、微生物中均可获得,以微生物为主。现在已知的能够产生木聚糖酶的微生物包括细菌、曲霉和木霉等。由于大多数木聚糖是一种结构复杂的具有高度分枝的异质多糖,含有许多不同的取代基,因而木聚糖的生物降解需要一个复杂的酶系统,其中多种组分通过相互协同作用来降解木聚糖,所以木聚糖酶是一组酶,而非一种酶。
最近十几年,随着生物技术的不断发展和进步,特别是基因工程技术和蛋白质工程技术的广泛应用后,对木聚糖酶的了解更加深入,已经分离出多种木聚糖酶基因,并已工业生产多种木聚糖酶产品。木聚糖酶在饲料工业、制浆造纸工业、食品工业、能源工业中都显示出广阔的应用前景,已经引起科学家们的广泛关注。现就木聚糖酶的食品应用功能进行论述。
1 木聚糖酶在酿酒工业中的功能
1.1 利用木聚糖酶提高淀粉酶活力, 提高酒精产率
在酿酒行业中, 作为原料的粮食的淀粉层外围有纤维素和木聚糖等半纤维素的包围, 从而影响到对淀粉的利用率。目前, 对纤维素酶的利用研究较多, 而半纤维素酶的应用尚处于初级阶段。利用木聚糖酶作用于半纤维素层, 降低物料粘度, 可以有利于淀粉酶作用于淀粉层, 提高淀粉利用率, 增加酒精的产率。目前, 对于适合某类酒的酿造的木聚糖酶生产菌还缺少针对性的筛选,产酶过程的优化及酶类的提纯方面也少有研究, 故其应用成本较高, 尚未有工业化应用于酒类酿造过程。
1.2 木聚糖酶提高酒液澄清度
我国是啤酒生产大国, 啤酒业对国民经济的发展有重要影响。啤酒生产原料中由于β- 葡聚糖和木聚糖含量较高,造成麦汁过滤困难,酒液混浊, 啤酒滤膜堵塞等问题。为解决这些问题需要大量的资金和技术投入,这样就增加了啤酒的生产成本。而木聚糖酶可以和β- 葡聚糖酶协同作用,而解决滤膜堵塞问题,可提高酒液的澄清度, 降低酿酒成本。对酒液的澄清, 目前研究较多的是自然静置、过滤、加悬浮澄清剂等物理过滤方法, 添加絮凝澄清助剂等, 并且在加入过程中用量或时间控制不当会严重影响澄清效果,而且除了会影响酒体本身的稳定性外, 还会带来新的不稳定的因素; 对于目前应用的多种过滤机还需经常更换过滤材料, 费时、费力, 并且严重影响产品的质量和产量。而一些酶制剂的应用, 由于其活化前处理工艺复杂,成本偏高, 澄清效果也未达到理想状态。木聚糖酶应用于酒液澄清是一个有潜在应用价值的研究方向。
2 在小麦面食工业中的功能
木聚糖酶在食品工业中的应用主要是在小麦改良方面。就面包而言,木聚糖酶的添加主要在制作过程及防止老化这两方面起着积极的作用。
2.1 在面包制作过程中的作用
许多试验观察得出,适量添加木聚糖酶的面团弹性显著增强;切分、搓团、成型时易于操作;面团的形成时间和稳定时间明显缩短;醒发后的面团体积明显增加;烘烤后的面包不仅表皮颜色适中且硬度下降;而且质地洁白、组织细腻、气孔均匀;入口松软且有咬劲。这是因为用于制作面包的改良剂中有葡萄糖氧化酶的存在,它能产生大量的氧化剂,使面粉中的AX产生氧化胶凝作用,胶凝强度会随着WEAX的增加而增强,这会使面团的凝聚力增强,弹性增加,延伸性下降。随着木聚糖酶的添加,WUAX降解为WEAX,可以明显缩短面团的形成时间和稳定时间。面包品质的优劣主要由产气能力和持气能力决定,由于木聚糖酶的添加使得WEAX水解为木糖、木二糖等,为酵母生长提供了碳源,使面团的产气能力大大增强;同,WUAX降解为WEAX,导致黏度更高的WEAX的含量显著增加,WEAX包裹在CO2气泡的液膜周围,增加了面筋—淀粉膜的强度和延伸性,优化了面筋网络,使焙烤时气泡不容易破裂,且CO2扩散离开面团的速度减慢,提高了面团的持气能力。木聚糖酶通过提高面团的产气和持气能力,最终使面包的体积增加,而且使面包组织细腻、气孔均匀且口感良好。另外,优化了的面筋网络,能更有效的减缓面包皮水分的挥发,最终导致了面包皮硬度的下降。
2.2 在面贮藏过程中的作用
面包在贮藏过程中会产生非常显著的老化现象:表皮干裂、内部组织变硬、易掉渣、风味损失等,丧失了食用功能。面包老化主要是由于水分的损失、重新分配及结构的变化所导致的。试验观察发现,适量添加木聚糖酶可延缓面包的老化,面包在贮藏7d后,其硬度和弹性没有明显的变化。这是由于随着木聚糖酶的添加,使得WUAX降解为WEAX,导致黏度更高的WEAX的量显著增加,提高了面包在贮藏过程中的持水性,优化了面筋网络,从而阻碍了水分的损失和重新分配,稳定了面包的组织结构。以上是以面包为例对木聚糖酶在小麦食品中的应用机理作以简要说明。木聚糖酶同样可以应用在馒头、蛋糕等其它小麦食品中,通过改善面团的持水性和面筋结构进而改善其品质,并延长其货价期。我国年消费面粉8000 万t。可见,木聚糖酶在小麦食品加工中有着非常大的应用潜力
3 在果汁生产中的功能
新鲜蔬菜、水果是富含维生素营养的食品,一般可直接食用,但要加工成婴儿食品、膏状物、干燥蔬菜粉末和速溶食品等,主要是利用其嫩软组织中所有的物质。而这些物质通常被一层坚硬的细胞壁所包围,成熟的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素、果胶等物质组成。常见的生产方法是将果蔬榨汁或将它们浸泡取汁。再进行冷冻干燥或直接喷雾等。这样一方面被纤维素、半纤维素果胶包裹的淀粉蛋白质、油脂、色素、精油、香料、维生素不能充分提取,如果采用蒸煮、酸碱等法,使组织柔化来充分提取,会使维生素等遭到破坏,色香味发生变化,很不合理;另一方面可溶性的木聚糖、果胶都是粘性物质,会造成提取液粘度过大给后来的浓缩干燥等带来困难。
如果采用含有纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶的酶制剂来处理,则可在极温和条件下使组织柔化,使细胞破壁,将有效物质充分提取出来,同时大大地降低提取液的粘度,而粘度的降低,可使生产中的浓缩或干燥效率成倍提高,也相应降低生产成本,在果汁生产过程中,特别是用超滤的方法来生产浓缩苹果汁,单独使用果胶酶是不够的,往往在这种酶中添加一定比例的木聚糖酶,来分解其中的阿拉伯木聚糖,这样可提高超滤浓缩速度,减少膜的清洗次数,明显地提高生产效率和产品质量。
果蔬细胞壁是由果胶、纤维素和木聚糖等半纤维素组成的网状结构,可阻止细胞内溶物的渗出,彻底水解果胶是提高出汁率的关键。过去,人们对果胶结构的认识只是直链平滑结构。认为只要有一定的果胶酶即可将果胶水解。但后来发现只用这样的酶彻底水解果胶并不那么容易。尤其是使用这样的果浆酶提高水果的出汁率达不到预期的效果。因此,复合酶制剂应运而生。作为一种果浆酶,它不但要有主要的果胶酶活性,分解果胶主干,还应含有一定的半纤维素酶活性(木聚糖酶、鼠李聚半乳糖醛酸酶等) ,能水解果胶中的分支区域,进一步裂解植物细胞壁,提高水果出汁率。而且,复合型酶制剂还在降低果汁中果胶含量;减少澄清工艺中果胶酶的用量;改善果浆结构、降低粘度;易于固液分离;缩短作用时间等方面有较好的应用。因为,虽然果浆酶通常是用来提高水果的出汁率的,但同时,由于果浆酶分解了水果中的果胶和半纤维素等物质,也降低了果汁的粘度,从而加速了果汁的流出速率,使得压榨时间缩短,亦即提高了压榨机的生产效率。而且部分木聚糖等半纤维素在酶的作用下被分解成可溶性水分,增加了果汁中可溶性固形物的含量,这也使得出汁率得以提高。果浆酶过去往往较多应用在苹果、梨等水果当中,随着人们对健康水平要求的不断加深,一些营养极为丰富全面的果蔬越来越受到人们的青睐,如香蕉、胡萝卜及南瓜等,但由于往往含有大量的淀粉及NSP,使得它们的成品汁过于粘稠,出汁率低而不宜用于果汁饮料的生产。多被加工成果粉、果片、果酱等产品。现在一些企业已经将果浆酶成功应用在这些果蔬的制汁工艺中,且取得了很好的效果。(中国酶制剂网www.cnenzyme.com )
中国农业大学食品科学与营养工程学院 张彬 林炜 尚卓
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