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1、第1章 绪论食品酶学食品酶学食品酶学食品酶学食品酶学食品酶学主要内容1.1 酶学研究简史1.2 酶的一般特征1.3 酶的分类和命名1.4 酶学对食品科学的重要性什么是酶？酶是生物体产生的一类具有生物催化活性的生物大分子。1.1 酶学研究简史酶的研究处于生物学和化学的衔接点，是一门内容广泛、发展迅速的科学。它的分支遍及很多领域，并与许多学科紧密联系，特别同生物化学、物理化学、微生物学、遗传学、植物学、农学、药理学、毒理学、生理学、医学以及生物工程的关系更为密切。由于酶独特的催化功能，由于酶独特的催化功能，近年来已在食品、轻工、化工、医药、环保、能源和科学研究等各个领域得以广泛应用。1.1.1 酶
2、的早期研究酶的早期研究然而，人们真正认识酶的存在和作用，是从19世纪开始的。1833年法国化学家Payen和Persoz从麦芽汁提取物中首次发现了淀粉酶，他们将这种由酒精沉淀后得到的可使淀粉水解成可溶性糖的物质命名为淀粉糖化酵素，并指出了它的热不稳定性，初步触及了酶的一些本质问题。到19世纪中期，科学家们已陆续发现了胃蛋白酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和转化酶等。1855年，Schoenbein在植物体内发现了过氧化物酶，由此解决了愈创树脂变色的难题。随后在1856年，Schoenbein又在蘑菇中发现了另外一种酶多酚氧化酶，能够在氧存在的条件下催化反应生成有色氧化物。另外，在这个时期，许多科学家
3、发现酶的催化作用与酵母在发酵期间的作用相似，因而微生物学家巴斯德（Pasteur）和化学家李比希（Liebig）提出了两种不同观点。巴斯德主张：发酵和活细胞有关，酒精发酵是酵母细胞生活的结果。巴斯德巴斯德（1822-1895）微生物学的奠基人提出分子不对称性理论，开创了立体化学研究的途径。创立了发酵的生物学理论，低温消毒技术（巴氏杀菌）免疫学-预防接种，研制出狂犬疫苗李比希认为：发酵及其他类似过程，是由于化学物质的作用，纯粹是化学过程。从1901年到1910年最早的十次诺贝尔化学奖获得者中，李比希的学生就有七位。李比希李比希 (18031873)德国化学家 化学教育改革家有机化学创始人农业化学
4、之父关于发酵本质的长期论战1897年，布希纳两兄弟(Eduard Buchner&Hans Buchner)成功的从酵母细胞分离出具有发酵作用的物质，能使糖发酵。他们当时的兴趣是制备用于治疗疾病的酵母无细胞提取物，这些提取物的保存必须不加防腐剂，例如不能加酚。于是他们决定试用蔗搪，这是在烹调化学中常用的防腐剂。他们得到了惊人的结果:酵母汁液迅速将蔗糖发酵产生了酒精。这说明巴斯德和李比希的两种观点实质上是一致的。生物化学就是在解决发酵本质的著名论战中产生的。Hans Buchner（1850-1902）德国细菌学家Eduard Buchner(1860-1917)1907年诺贝尔化学奖通常以Bu
5、chner(布氏)漏斗而留名 Enzyme的词源而“酶”（Enzyme）的概念，是由德国科学家Kuhne在1878年首先提出用以表示未统一名称的已知的各种酵素。这个词（enzyme）本身的意思是“在酵母中”，起源于希腊语，其中en表示“在之内，zyme 表示酵母或酵素。1.1.2 酶催化的专一性 在大量实验研究的基础上，Fischer于1894年提出了“锁和钥匙”模型，成功解释了酶的催化反应机制。酶催化专一性理论研究的另一重要成就是1959年Koshland提出的“诱导契合”理论，以解释酶的催化理论和专一性，同时也搞清了某些酶的催化活性与生理条件变化有关。1.1.3 酶学的理论研究 20世纪初
6、期，定量描述酶作用的方法得到了很大发展。1902年Henri和Brown各自独立地提出了以下观点：在固定酶浓度的条件下，逐步增加底物浓度而得到的反应速度底物浓度的饱和类型曲线是由于形成酶底物中间络合物的结果。1913年，Michaelis和Menten提出中间产物学说，推导出酶促反应动力学方程，即著名的米氏方程，定量地描述酶的上述性质：V=VmaxS/Km+S而20世纪50年代起酶学理论方面的研究也十分活跃，在蛋白质（或酶）的生物合成理论方面获得了许多突破性进展。1955年，Sanger等报道了胰岛素中氨基酸排列的次序以及荷尔蒙的分子量为6000，这是在测定蛋白质一级结构上的第一次突破。195
7、7年Kornberg等人发现DNA聚合酶并进行DNA复制的系列研究。20世纪50年代开始，由于分子生物学和生物化学的发展，对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸（DNA）的结构与功能有了比较清晰的阐述。70年代初实现了DNA重组技术或称克隆技术，极大地推动着食品科学与工程的发展，也促使酶学研究进入新的发展阶段。另外，近20年来的研究发现，除蛋白质以外，核糖核酸核糖核酸（RNA）也有催化活性。）也有催化活性。例如，1982年Cech等人在四膜虫的RNA分子中发现一个具有自身切接功能的片段，称之为“内含子”，它可以从前体RNA中特异地把与它本身相同的片段（413个核苷酸）切下来，然后把剩余的RNA部分重
8、新接起来。切下的片段环化成为具有催化活性的RNA，称之为核酸类酶或催化活性RNA。这个结果使酶的传统概念受到了挑战，提出酶并不一定是蛋白质的问题。我们究竟是否把RNA看作酶，或是酶是蛋白质的概念应该改变，随着科学研究的发展，相信在不久的将来会得到解决。1.1.4 酶的纯化和固定化 酶的纯化在1920年后取得了重大的突破。1926年美国人Sumner首先从刀豆中获得了不负载任何其他催化剂的脲酶蛋白质结晶，从此确立了酶的化学本质是蛋白质的观点，为酶的理化特性研究奠定了基础。20世纪30年代掀起了酶结晶研究的热潮。最有代表性的成果是1930年至1936年间Northrop等人制取了胃蛋白酶、胰蛋白酶
9、、胰凝乳蛋白酶和羧肽酶A的结晶。至此人们已经获取了上百种酶的结晶，另外还有超过600种酶被提取纯化。从20世纪50年代开始，酶及产酶细胞的固定化技术从酶学理论到生产实践得到了迅速的发展。1953年，德国科学家Grubhofer和Schleith 首先将聚氮基苯乙烯树脂重氮化，将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核酸酶结合，制成固定化酶，有效地进行了酶的固定化研究。1971年，出现了固定化菌体技术，70年代后期人们开始运用固定化细胞技术生产胞外酶。酶的纯化和固定化到了80年代中期，固定化原生质体技术则被用于生产胞内酶，以去除细胞壁扩散的障碍。酶固定化技术的发展也引起了食品、发酵工业一场大变革。美国在
10、20世纪70年代初开始采用这一新技术，使玉米淀粉经酶法液化、糖化、异构化和固定化后，成功地工业化生产第一代、第二代和第三代高果糖浆，代替蔗糖作为可口可乐和百事可乐等饮料食品的甜味剂，提高了饮料质量，是一项非常成功的技术创新。酶的纯化和固定化目前为止，已发现自然界存在的酶有3000多种，但真正形成工业规模生产的只有几十种。因此，当今食品酶学的研究开发具有广阔的发展前景。随着酶生产的发展，酶的应用越来越广泛。在生产应用过程中，人们逐渐发现酶的稳定性较差、不能重复使用等不足之处。于是，为了更好地发挥酶的催化功能，人们开始尝试对酶进行分子修饰，即通过各种方法，使酶分子结构发生某些改变，从而使酶的某些特
11、性和功能发生改变，以满足人们对酶应用的要求。其方法之一就是固定化酶的研究。酶的纯化和固定化1.1.5 酶工程的发展 自1969年日本的千畑一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸后，学者们开始用“酶工程”这个新名词来代表有效地利用酶的科学技术领域。而近20多年来，在酶和细胞固定化技术发展的同时，其他酶分子修饰技术也在不断发展进步。此外，酶的化学合成、人工模拟，以及各种酶的应用技术研究，使酶工程不断向广度和深度发展，显示出广阔而诱人的前景。1.2 酶的一般特征酶的一般特征酶既然是生物催化剂，它就具有催化剂一般的特征。酶和一般催化剂一样，只能催化热力学上允许进行的反应，因为
12、在反应中其本身不被消耗，因此有极少量就可大大加速化学反应的进行。它对化学反应正逆两个方向的催化作用是相同的。所以它可以缩短平衡到达的时间，而不改变反应的平衡点。但酶和一般催化剂比较，又有其不同之处。重要1.2.1 酶的催化效率高酶的一个突出的特点是催化效率极高。同一反应，酶催化反应的速度比一般催化剂催化的反应速度要大1061013倍。有极少量酶就可催化大量反应物发生转变。重要例如，铁离子和过氧化氢酶都可以催化双氧水（H202）分解成为水和氧气。在一定条件下，1mol铁离子可催化610-4mol双氧水分解。在相同条件下，1mol过氧化氢酶却可催化5106mol的双氧水分解。过氧化氢酶的催化效率达
13、到铁离子的1010倍。1.2.2 酶作用的专一性酶的另外一个特点是它具有高度的专一性。酶对其所作用的物质（称为底物）有着严格的选择性。一种酶仅能作用于一种物质，或一类分子结构相似的物质，促其进行一定的化学反应，产生一定的反应产物，这种选择性作用称为酶的专一性。酶的专一性是酶的特性之一。重要例如，蛋白酶只能催化蛋白质的水解，酯酶只催化酯类的水解，而淀粉酶只能催化淀粉的水解。若用一般催化剂，对作用物的要求就不那么严格，以上三类物质都可以在酸或碱的催化下水解。1.2.2.1 键专一性 这种酶只对底物分子中其所作用的键要求严格，而不管键两端所连基团的性质。例如，酯酶可以水解任何酸与醇所形成的酯，它不受
14、酯键两端基团R和R的限制。OCROR+OH2CO-OR+ROH+H+1.2.2.2基团专一性有些酶对底物的要求较高，它们不但要求底物具有一定的化学键，而且对键的某一端所连的基团也有一定的要求。例如，-葡萄糖苷酶能催化任何-葡萄糖苷的水解：此酶要求底物必须是D-葡萄糖通过-糖苷键所形成的糖苷，但并不要求R基团的性质。胰蛋白酶能够催化水解碱性氨基酸，如精氨酸或赖氨酸的羧基所形成的肽键，而对此肽键氨基端的氨基酸残基没有什么要求。OOHHHOHOHHOHHCH2OHROOHHHHOHOHHOHHCH2OH+OH2+ROH1.2.2.3绝对专一性这类酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很严格，甚至有时只
15、能催化一种底物，进行一种化学反应。例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨及二氧化碳。而对尿素的各种衍生物，一般均不起作用。CNH2ONH2+OH2脲 酶NH32+CO2 此外，过氧化氢酶只能催化过氧化氢的分解，琥珀酸脱氢酶只能催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸。凝血酶只能水解蛋白质分子中精氨酸残基的羧基与甘氨酸残基的氨基所形成的肽键，因而这些酶对于其所作用的底物都具有高度的专一性。1.2.2.4立体异构专一性几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度的专一性。即酶只能催化一种立体异构体发生某种化学反应，而对另一种立体异构体则无作用。例如乳酸脱氢酶能催化L-乳酸脱氢变为丙酮酸，对D-乳酸则无作用。D-氨基酸
16、氧化酶能作用于各种D-氨基酸，催化其氧化脱氢，但对L-氨基酸则毫无作用。1.2.3 大多数酶的化学本质是蛋白质酶是由生物活细胞产生的有催化能力的蛋白质，只要不是处于变性状态，无论是在细胞内还是细胞外都可发挥催化作用。目前在食品工业应用的酶也都是蛋白质。紫外线、热、表面活性剂、重金属盐以及酸碱变性剂等能使蛋白质变性的因素，往往也能使酶失效。酶本身能被水解蛋白质的蛋白质水解酶分解而丧失活性。重要酶在生活细胞中产生，但有些酶被分泌到细胞外发挥作用。如人和动物消化管中以及某些细菌所分泌的水解淀粉，脂肪和蛋白质的酶，这类酶称胞外胞外酶酶。其他大部分酶在细胞内起催化作用，称为胞内酶胞内酶。这些酶在细胞内常与颗粒体结合，并有着一定的分布。如线粒体上分布着三羧酸循环酶系和氧化磷酸化酶系，而蛋白质生物合成的酶系则分布在内质网的核糖体上。1.3 酶的分类和命名1833年 Payen和Persoz发现麦芽提取液的酒精沉淀物中包含一种热敏性物质可将淀粉水解变为糖，由于其能从不可溶的淀粉颗粒中分离出可溶性的糊精，他们将此物质命名为“diastase”意思是“分离”（中文现译为“淀粉酶”），这样随意的方式成为酶命
