食品酶学综述

食品酶学综述

摘要:本文介绍了酶学的反展历程，酶的本质的认识过程，酶的催化机理和结构，并对酶的固定化和酶在食品中的应用作了介绍。

关键词：酶学，结构，催化机理，固定化，工业应用

1：酶学发展历程

酶学作为一门科学可以追溯到19世纪，然而在最近50年中得到了飞速发展。其研究历程大致如下。1833年，Payen 和Persoz 发现麦芽提取液的酒精沉淀物中含有一种对热不稳定的物质，它能将淀粉转变成糖。在19世纪中期已经知道存在胃蛋白酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和转化酶，以后又陆续发现了一些其他的酶。1857年法国著名微生物学家巴斯德首先对酒精发酵机理作了理论解释，认为酒精发酵是酵母细胞引起的，提出了“活体酵素”和“非活体酵素”的概念。同时代的Liebig 、Berzelius 和Wohler 等人提出了不同的看法，认为酒精发酵本质是物质的作用。因而这两学派围绕酒精发酵的本质在科学史上发生了长达半世纪的学术论战。1876年德国学者K ühne 首先提出enzyme 一词。1897年德国学者Buchener 兄弟在制作药品时，发现酶离开活体细胞也能起作用，，这是一个划时代的发现。不仅从理论上阐明了生命现象是物质的作用，而且为酶制剂的开发应用奠定了科学依据。以上是19世纪酶的发现和提出的历程，进入20世纪以后酶学得到了迅速的发展，从纯化、酶反应的动力学、酶的结构功能、酶的合成等各个方面都取得了大的进展。

2酶的本质

2.1对酶的本质的认识过程

对于酶的认识有以下过程。关于酶的定义，1964年Dixon 1等人认为酶是具有催化功

【】能的一种特殊蛋白质。1975年Stryer 2指出酶是一类蛋白质，其显著的特性是具有催化能

【】力、催化作用的专一性、作用条件的限制性。同年，Lemninger 3认为酶是一种专一地催

【】化生物化学反应的蛋白质，具有非常高的催化效能和高度专一性。1979年Wyun 4指出酶

是来源于生物体的一种分子，它能够提高某一特定反应速度而不影响已确认了的最终平衡

【】状态，酶可以从反应终了的混合物中回收。1981年Schwimmer 5认为酶作用具有高度的

专一性、高度的催化效能以及高度的受控性。总结起来，酶是活细胞生产的具有高效催化能力、高度专一性和高度受控性的一类特殊蛋白质。当然，并不是所有的酶都是蛋白质。1982年美国的Cech 研究组发现RNA 分子中含有一个具有自身切接功能的片段，成为内含子（Intron ），这种具有催化功能的RNA 称为核酸类酶（Ribozyme ）。1983年Atman 和Pace 发现核糖核酸酶P 中的RNA 单独催化前体t-RNA 切除某些片段，生成t-RNA 。即从现在【】

的角度看，少数具有催化功能的物质并不是蛋白质。

2.2酶分子的组成

蛋白质的功能多种多样，其中酶是具有催化作用的一大类蛋白质。酶的分子结构6与其他蛋白质结构概念一样，有所谓的一级、二级、三级、四级结构概念。酶的一级结构即为基本结构，是由许多氨基酸按特定顺序排列而成的肽链，氨基酸之间通过肽键（—CH=NH—）连接。自然界中存在20中L —氨基酸，按不同的排列次序、以不同数量，形成种类繁多的

【】蛋白质或酶。7

就酶分子组成而言，一些酶蛋白需要有某些辅助因子存在时才有催化活性。这些辅助因子与酶蛋白结合的紧密程度并不相同。两者结合紧密而不易分离的辅助因子称为辅基（Prosthetic group ）。而两者结合较松弛，在酶反应过程中与酶蛋白容易分离的辅助因子，则称为辅酶（Prosthetic enzyem）或称为“辅助底物”或“底物载体”。蛋白酶与辅基或辅酶形成的复合物称为全酶（Holoenzyme ）。全酶（或双成分酶）=酶蛋白+辅基（或者辅酶）。全酶中的辅酶或辅基一般由小分子的有机化合物组成，或是由简单的金属离子组成，它们在整个酶的催化作用过程中担负着传递电子、原子或其他化学基团的功能。下表介绍归纳了几种比较重要的辅基或辅酶。

【】

从上述辅酶或辅基的介绍中可知其中部分是维生素的衍生物，维生素对于人类维持正常生命活动所必需的物质。但就微生物而言，对各种维生素的需要情况有显著的差别，微生物生长所需要的维生素称为生长因子，主要是维生素B 族物质。[8]

2.3酶的结构和功能

迄今为止，酶学研究者认为，在酶蛋白分子上，不是全部组成多肽的氨基酸都起作用，而只有少数的氨基酸残基与酶的催化活性直接相关。这些特殊的氨基酸残基，一般比较集中在酶蛋白的一个特定区域，这个区域称为酶的活力部位或者活力中心（Active site or Active center ）。按1963年Koshland 的提法，活力部位是由酶蛋白分子中少数几个氨基酸残基（包括辅基、辅酶、金属的酶）组成，它们在蛋白质一级结构上的位置可能相差甚远，当肽链折

叠、盘绕时，使得他们在空间位置很接近，构成一个特定的空间区域。因此，活力部位不是一个点或者是一个面，而是一个小的中心区域。所以活力部位的提法是比较准确的。

酶活力部位包括底物结合部位（Combining site of substrte）和催化部位（Catalytic site）。前者只有与相适应的底物分子才能够结合（如底物分子大小、形状和电荷），决定酶的专一性。而后者是催化反应中直接参与电子授受关系的部位（含酶的辅基或者金属部分）。

从生物学的角度看，酶分子不仅能起到催化作用而且同时也具有调节功能。因此，酶的结构中不仅存在着酶的活力部位（或者叫活力中心），而且存在调节部位（或者调节中心），称为别构部位。这一概念是1963年由Monod 等人提出的。别构部位不同于酶的活力部位，活力部位是结合配体（底物），并催化配体转化，而别构部位也是结合配体的部位，但结合的不是底物，而是别构配体，这种配体称为效应剂。效应剂在结构上与底物毫无共同之处，效应剂结合到别构部位上引起酶分子构象上的变化，从而导致活性部位构象的变化。这种改变可能增进催化能力，也可能降低催化能力。增强催化能力者称为正效应剂，反之，称为负效应剂。具有别构部位的酶和其他恒态酶在动力学性态上是不同的，它往往偏离米氏动力学方程，酶反应速度与底物浓度之间不是呈矩形双曲线关系，而是呈S 型曲线或者表现双曲线特征。

酶是在活细胞中合成的，但不是所有新合成的酶都具有催化活力，这种新合成的酶的前体称为酶原（Proenzyme ）。就生命现象而言，酶原是酶结构一种潜在的存在形式，如果没有这种形式，生命就会停止。

1957年H.Harris 提出酶的多形性概念，认为酶可能催化相同的反应，但其结构和物理化学性质有所不同，这种现象称为酶的多形性。根据其来源可分为异源同工酶和同工酶（Isoenzyme ），前者是不同来源的同工酶，例如，酵母菌中醇脱氢酶和动物肝脏中的醇脱氢酶，而后者是来自同一生物体同一生物活细胞的酶，能催化同一反应但是由于结构基因不同，因而酶的一级结构，物理化学性质及其他性质有所差别，称为同工酶。

2．4酶的催化作用机制

2.4.1酶催化作用的本质

分子一般通过相互碰撞而传递能量，要使化学反应能够发生，反应物分子必须发生碰撞。但是，并非所有的分子碰撞都是有效的，那些具有足够能量的反应物分子碰撞之后，才发生化学反应，这种碰撞叫做有效碰撞。具有足够能量，从而能发生有效碰撞的分子称为活化分子，活化分子所具有的能量超过反应特有的能阈。能阈是指化学反应中反应物分子进行化学反应时所必须具有的能量水平，每一个反应有它一定的能阈。为了使反应物分子超越反应的能阈变为活化分子，需要从外部供给的额外能量称为活化能。反应的能阈越低，即需要的活化能越少，反应越容易进行。酶作为一种高效的催化剂，和一般的催化剂相比，能够使反应的能阈更低，所需活化能大为减少。

2.4.2酶的催化机制

当然为了达到减少活化能的目的，酶与底物之间必然要通过某种方式而相互作用，并经过一系列的变化过程。酶和底物的相互作用和变化过程，称为酶的催化机制。关于酶的催化机制，有如下几种假说。

3酶的分离、纯化技术

3.1酶纯化的必要性和原料的选择

一种生物体内含有数以千记的不同的分子，他们包括复杂的高分子量化合物，例如蛋白质、核酸、碳水化合物和复合脂肪以及小分子的有机酸、碱、糖和盐。其中很多种蛋白质具有酶的活力。生物体在细胞水平上精确的组织使得酶的分布不是均一的。如果需要测定某一种酶的活力，就必须进行初步分离，以除去抑制剂或其他干扰测定的物质。如果需要研究某一种酶的氨基酸组成、分子量、三级结构、底物特异性或动力学参数，那么就必须将酶与所有其他物质分离。在这些情况下，酶的纯化就显得非常重要。

选择怎么样的材料来纯化一种酶，取决于研究工作的类型，如果需要研究一种特定的酶，而不必顾及它的来源，那么可以选择一种含有大量此种酶，而且又能大量供应的材料作为来源。如果需要研究特殊来源中的某一种酶，那么就没有选择的余地。可以通过微生物培养的方法来对酶进行富集。对于微生物通过改变生长介质的成分能够增加酶的数量。许多微生物酶是可以诱导的。酶在生物体内是集中分布的。在水果中，酶富集在靠近皮和核的部位，而在水果的主题部位，酶的浓度较低。在检验酶在生物体各个部位的浓度之后，有可能采用生物体的某一部位作为酶的最富有的来源。这样的筛选，比起采用整个生物体作为起始材料可

【9】导致酶富集很多倍（10-100）。另外，即使在生物体某一器官中，酶的浓度也是不均匀的。

3.2预处理和酶溶液的浓缩

一般对于动物材料要先剔除结缔组织和脂肪组织，然后再捣碎；油料种子需要先进性脱脂出来和脱壳，避免单宁等物质的干扰。

微生物材料也需要先将菌体与发酵介质分离。材料应保持新鲜或添加抗氧化剂或立即冷冻处理，以防止酶变性失活。对于微生物材料而言，一般胞外酶不存在破碎细胞问题，而胞内酶只能在破碎细胞后才能释放出来。破碎细胞的方法

3.3酶的纯化方法

酶的纯化方法很多，现根据酶的溶解度、分子大小、电离特性、稳定性和亲和力等方面

3.4酶活力的损失

在纯化的过程中，酶活力的损失是难免的，事实上也没有必要回收全部酶活力。然而必须指出，如果在纯化中的某一步，大部分或者全部酶活丧失掉，那么就必须考虑修改这一步的条件，或者删去这一步。在纯化中酶活力丧失的原因主要是蛋白质变性，一般通过改变pH 或者温度可防止此类情况的发生。酶活力丧失的其他原因可能是纯化过程中酶所必需的辅助因子被除去，例如，在透析之后可能出现这种情况。总之，在酶纯化过程中，确定每一步的最佳条件和各步之间的最佳配合是成功的关键。

4酶的催化反应和影响酶催化的因素

4.1酶反应速度的测定

酶促反应速度和普通化学反应一样，可用单位时间内底物减少量或产物增加量来表示。

一般测定产物在单位时间的增加量来表示的较多，因为测定起来比较灵敏，可制作出产物浓度与时间关系曲线。在一定条件下，酶所催化的反应速度称为酶活力，即一定时间内底物分解量或产物生成量，用单位数表示。由于酶促反应受到许多条件的影响，因此，在测定酶活力时要尽量使反应条件恒定，对于温度和氢离子浓度要严格控制。测定酶活力的常用几种方

4.2影响酶催化的因素

4.2.1温度对酶促反应的影响

各种酶的催化反应均有其最适应的温度，此时，酶的反应速度最快。与普通的化学反应一样，在酶的最适温度以下，温度每升高10℃，其反应速度也相应的增加1-2倍，温度对酶反应速度的影响通常用温度系数Q 10来表示。当温度超过酶的最适温度时，酶蛋白就会逐渐产生变性作用而减弱甚至丧失其催化活力。一般的酶耐温程度不会超过60℃，但有的酶（来自芽孢菌）的热稳定性很高。另外，在有的酶中加入一些无机离子，可以增加其热稳定性。因此，在应用酶制剂前必须做酶的温度试验，找出适合生产工艺要求的最适温度。至于低温对酶促反应的影响，一般地说，在低温下(如0℃左右或者更低) 酶活力降低，但酶活性不受破坏，一般升高温度也就能恢复其原有的催化活力。

4.2.2pH 对酶促反应的影响

氢离子浓度对酶促反应速度的影响很大。每种酶都有特定的最适pH ，大于或小于这个数值，酶的活力就要降低，甚至影起酶蛋白变性而丧失活力。pH 对酶活力的影响，主要因为改变底物和酶分子的带点状态。当底物为蛋白质、肽或氨基酸等两性电解质时，它们随着pH 的变化表现出不同的解离状态：带正电荷或带负电荷或不带电荷。而酶的活力部位往往只能作用于底物的一种解离状态。酶的化学本质是蛋白质，故具有两性解离特性。pH 的改变会改变酶的活力部位上有关基团的解离状态，从而影响酶与底物的结合。假定酶在某一pH 时，酶的活力部位上存在一个带正电荷的基团和带负电荷的基团时，此时酶最易与底物结合，当pH 偏高或者偏低时，酶活力部位带点情况改变，酶与底物的结合能力便降低，从而使酶活力降低。

4.2.3高浓度底物的抑制作用

按照米氏理论，酶促反应底物浓度的增加是有一个极限的，当底物浓度过高时反应速度又重新下降，这是高浓度底物对反应起了抑制作用。其原因有如下几点：首先，酶促反应是在水溶液中进行的，水在反应中有利于分子的扩散和运动。当底物浓度过高时就使水的有效

浓度降低，反应速度下降；其次，过量的底物与酶的激活剂（如某些金属离子）结合，降低了酶活剂的有效浓度而使反应速度下降；最后，一定的底物是与酶分子中一定的活性部位结合的，并形成了不稳定的中间产物。过量的底物分子聚集在酶分子上就可能生成无活性的中间产物，这个中间产物是不能分解为反应产物的。

5固定化酶和固定化细胞

5.1酶固定化技术发展历程

虽然酶的固定化技术是一种新技术，但是早在1916年Nelson 和Griffin 就曾经将转化酶吸附在碳和氧化铝上，并且证明这种吸附的酶，即固定化酶，具有活性。可惜这个发现长期以来并未得到重视，在40年后，这个领域的研究工作活跃起来。从1954年到1961年，Melaren 、Estermann 和Zittle 研究将酶吸附到无机载体上，而Bar-Eli 和Katchalski 、Mitz 和Sunmmaria 分别研究将酶共价结合到有机共聚体和纤维素。1961年以后，固定化酶这一领域开始飞速发展起来。

5.2固定化酶的制备方法

酶的催化作用主要由活性中心完成，酶蛋白的构想也与酶的活力密切相关，因此，在制备固定化酶时，必须保证酶活力部位的氨基酸残基不发生变化，避免那些导致酶蛋白高级结构破坏的操作。固定化酶的制备方法有此下四类：吸附法、包埋法、共价结合法、交联法。

5.3固定化酶的特点

固定化酶的形状多样，如颗粒、线条、薄膜和酶管等。可根据实际情况选用。酶固定化后，酶活力和其他性质与游离酶有所不同。酶经过固定化后，活力大部分降低，但稳定性提高。固定化后的酶储存稳定性高于游离酶，可较长时间保留活力。

5.4固定化细胞

固定化细胞就是将细胞约束或者限定在一定的空间范围内，但仍保留其催化活性并且能反复使用。与酶的 固定化相比，固定化细胞有效利用了游离细胞的完整性酶系统和选择透过性，即具有固定酶的优点，又具有自身的优越性。固定化细胞要保持细菌的完整，防止自溶的发生，抑制细胞内蛋白酶对于目的酶的分解。

6酶在食品加工中的应用和前景展望

食品加工过程中如何保持食品的色、香、味是非常重要的问题，因此加工过程中应避免使用剧烈的化学反应。酶由于反应温和，专一性强，催化效率高，反应容易控制，因而被广泛应用于食品工业的各个领域。迄今为止，在自然界发现酶约3000多种。但是，已经得到广泛应用的酶仅仅数百种，形成工业规模的也仅仅有几十种。因此，酶的研究开发潜力巨大，根据地球上存在的再生资源，尚有许多丰富资源未得到充分利用，开发新酶源具有重大的科学价值和经济价值。 食品工业是应用酶工程最早、最广泛的行业。近年来，由于固定化细胞技术应用和固定化酶反应器的推广应用，促进了食品添加剂新产品的开发，产品品种增加，质量提高，成本下降，为食品工业带来了巨大的社会经济效益，酶工程技术加快了新酶源的开发，使功能性食品添加剂，如营养强化剂、低热量的甜味剂、食用纤维和脂肪替代品等发展迅速。

参考文献

【1】Dixon.M and Webb.Enzymes and Edition New York: Academic Press

【2】Olempska-Beer, Zofia S ，Merker, Robert I. Food-processing enzymes from recombinant microorganisms - a review. REGULATORY TOXICOLOGY AND PHARMACOLOGY,45(2):144 -158

【3】James, J; Simpson, BK. Application of enzymes in food processing. CRITICAL REVIEWS IN FOOD SCIENCE AND NUTRITION.36(5):437-463

【4】4Wyun.C.H.The sructure and funtion of enzymes ,Edward Arnold,London:Edward Arnold,1979

【5】5Schwimmer.Source book of Food Enzymology .USA:The A VI publishing company Inc.,1981

【6】Doolittle,R.F.Proteins.Sci.Amer.1985,253(4):74-81

【7】Sali.A.,Overington.J.P.et al.From comparisons of protein sequences and structure to protein modelling and design .Trends Biochem.Sci.1990,15:235-240

【8】彭志英主编. 食品酶学导论. 中国轻工业出版社，2007.8：97-98

【9】王璋. 食品酶学. 中国轻工业出版社，1991，4：40-41

食品酶学综述

摘要:本文介绍了酶学的反展历程，酶的本质的认识过程，酶的催化机理和结构，并对酶的固定化和酶在食品中的应用作了介绍。

关键词：酶学，结构，催化机理，固定化，工业应用

1：酶学发展历程

酶学作为一门科学可以追溯到19世纪，然而在最近50年中得到了飞速发展。其研究历程大致如下。1833年，Payen 和Persoz 发现麦芽提取液的酒精沉淀物中含有一种对热不稳定的物质，它能将淀粉转变成糖。在19世纪中期已经知道存在胃蛋白酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和转化酶，以后又陆续发现了一些其他的酶。1857年法国著名微生物学家巴斯德首先对酒精发酵机理作了理论解释，认为酒精发酵是酵母细胞引起的，提出了“活体酵素”和“非活体酵素”的概念。同时代的Liebig 、Berzelius 和Wohler 等人提出了不同的看法，认为酒精发酵本质是物质的作用。因而这两学派围绕酒精发酵的本质在科学史上发生了长达半世纪的学术论战。1876年德国学者K ühne 首先提出enzyme 一词。1897年德国学者Buchener 兄弟在制作药品时，发现酶离开活体细胞也能起作用，，这是一个划时代的发现。不仅从理论上阐明了生命现象是物质的作用，而且为酶制剂的开发应用奠定了科学依据。以上是19世纪酶的发现和提出的历程，进入20世纪以后酶学得到了迅速的发展，从纯化、酶反应的动力学、酶的结构功能、酶的合成等各个方面都取得了大的进展。

2酶的本质

2.1对酶的本质的认识过程

对于酶的认识有以下过程。关于酶的定义，1964年Dixon 1等人认为酶是具有催化功

【】能的一种特殊蛋白质。1975年Stryer 2指出酶是一类蛋白质，其显著的特性是具有催化能

【】力、催化作用的专一性、作用条件的限制性。同年，Lemninger 3认为酶是一种专一地催

【】化生物化学反应的蛋白质，具有非常高的催化效能和高度专一性。1979年Wyun 4指出酶

是来源于生物体的一种分子，它能够提高某一特定反应速度而不影响已确认了的最终平衡

【】状态，酶可以从反应终了的混合物中回收。1981年Schwimmer 5认为酶作用具有高度的

专一性、高度的催化效能以及高度的受控性。总结起来，酶是活细胞生产的具有高效催化能力、高度专一性和高度受控性的一类特殊蛋白质。当然，并不是所有的酶都是蛋白质。1982年美国的Cech 研究组发现RNA 分子中含有一个具有自身切接功能的片段，成为内含子（Intron ），这种具有催化功能的RNA 称为核酸类酶（Ribozyme ）。1983年Atman 和Pace 发现核糖核酸酶P 中的RNA 单独催化前体t-RNA 切除某些片段，生成t-RNA 。即从现在【】

的角度看，少数具有催化功能的物质并不是蛋白质。

2.2酶分子的组成

蛋白质的功能多种多样，其中酶是具有催化作用的一大类蛋白质。酶的分子结构6与其他蛋白质结构概念一样，有所谓的一级、二级、三级、四级结构概念。酶的一级结构即为基本结构，是由许多氨基酸按特定顺序排列而成的肽链，氨基酸之间通过肽键（—CH=NH—）连接。自然界中存在20中L —氨基酸，按不同的排列次序、以不同数量，形成种类繁多的

【】蛋白质或酶。7

就酶分子组成而言，一些酶蛋白需要有某些辅助因子存在时才有催化活性。这些辅助因子与酶蛋白结合的紧密程度并不相同。两者结合紧密而不易分离的辅助因子称为辅基（Prosthetic group ）。而两者结合较松弛，在酶反应过程中与酶蛋白容易分离的辅助因子，则称为辅酶（Prosthetic enzyem）或称为“辅助底物”或“底物载体”。蛋白酶与辅基或辅酶形成的复合物称为全酶（Holoenzyme ）。全酶（或双成分酶）=酶蛋白+辅基（或者辅酶）。全酶中的辅酶或辅基一般由小分子的有机化合物组成，或是由简单的金属离子组成，它们在整个酶的催化作用过程中担负着传递电子、原子或其他化学基团的功能。下表介绍归纳了几种比较重要的辅基或辅酶。

【】

从上述辅酶或辅基的介绍中可知其中部分是维生素的衍生物，维生素对于人类维持正常生命活动所必需的物质。但就微生物而言，对各种维生素的需要情况有显著的差别，微生物生长所需要的维生素称为生长因子，主要是维生素B 族物质。[8]

2.3酶的结构和功能

迄今为止，酶学研究者认为，在酶蛋白分子上，不是全部组成多肽的氨基酸都起作用，而只有少数的氨基酸残基与酶的催化活性直接相关。这些特殊的氨基酸残基，一般比较集中在酶蛋白的一个特定区域，这个区域称为酶的活力部位或者活力中心（Active site or Active center ）。按1963年Koshland 的提法，活力部位是由酶蛋白分子中少数几个氨基酸残基（包括辅基、辅酶、金属的酶）组成，它们在蛋白质一级结构上的位置可能相差甚远，当肽链折

叠、盘绕时，使得他们在空间位置很接近，构成一个特定的空间区域。因此，活力部位不是一个点或者是一个面，而是一个小的中心区域。所以活力部位的提法是比较准确的。

酶活力部位包括底物结合部位（Combining site of substrte）和催化部位（Catalytic site）。前者只有与相适应的底物分子才能够结合（如底物分子大小、形状和电荷），决定酶的专一性。而后者是催化反应中直接参与电子授受关系的部位（含酶的辅基或者金属部分）。

从生物学的角度看，酶分子不仅能起到催化作用而且同时也具有调节功能。因此，酶的结构中不仅存在着酶的活力部位（或者叫活力中心），而且存在调节部位（或者调节中心），称为别构部位。这一概念是1963年由Monod 等人提出的。别构部位不同于酶的活力部位，活力部位是结合配体（底物），并催化配体转化，而别构部位也是结合配体的部位，但结合的不是底物，而是别构配体，这种配体称为效应剂。效应剂在结构上与底物毫无共同之处，效应剂结合到别构部位上引起酶分子构象上的变化，从而导致活性部位构象的变化。这种改变可能增进催化能力，也可能降低催化能力。增强催化能力者称为正效应剂，反之，称为负效应剂。具有别构部位的酶和其他恒态酶在动力学性态上是不同的，它往往偏离米氏动力学方程，酶反应速度与底物浓度之间不是呈矩形双曲线关系，而是呈S 型曲线或者表现双曲线特征。

酶是在活细胞中合成的，但不是所有新合成的酶都具有催化活力，这种新合成的酶的前体称为酶原（Proenzyme ）。就生命现象而言，酶原是酶结构一种潜在的存在形式，如果没有这种形式，生命就会停止。

1957年H.Harris 提出酶的多形性概念，认为酶可能催化相同的反应，但其结构和物理化学性质有所不同，这种现象称为酶的多形性。根据其来源可分为异源同工酶和同工酶（Isoenzyme ），前者是不同来源的同工酶，例如，酵母菌中醇脱氢酶和动物肝脏中的醇脱氢酶，而后者是来自同一生物体同一生物活细胞的酶，能催化同一反应但是由于结构基因不同，因而酶的一级结构，物理化学性质及其他性质有所差别，称为同工酶。

2．4酶的催化作用机制

2.4.1酶催化作用的本质

分子一般通过相互碰撞而传递能量，要使化学反应能够发生，反应物分子必须发生碰撞。但是，并非所有的分子碰撞都是有效的，那些具有足够能量的反应物分子碰撞之后，才发生化学反应，这种碰撞叫做有效碰撞。具有足够能量，从而能发生有效碰撞的分子称为活化分子，活化分子所具有的能量超过反应特有的能阈。能阈是指化学反应中反应物分子进行化学反应时所必须具有的能量水平，每一个反应有它一定的能阈。为了使反应物分子超越反应的能阈变为活化分子，需要从外部供给的额外能量称为活化能。反应的能阈越低，即需要的活化能越少，反应越容易进行。酶作为一种高效的催化剂，和一般的催化剂相比，能够使反应的能阈更低，所需活化能大为减少。

2.4.2酶的催化机制

当然为了达到减少活化能的目的，酶与底物之间必然要通过某种方式而相互作用，并经过一系列的变化过程。酶和底物的相互作用和变化过程，称为酶的催化机制。关于酶的催化机制，有如下几种假说。

3酶的分离、纯化技术

3.1酶纯化的必要性和原料的选择

一种生物体内含有数以千记的不同的分子，他们包括复杂的高分子量化合物，例如蛋白质、核酸、碳水化合物和复合脂肪以及小分子的有机酸、碱、糖和盐。其中很多种蛋白质具有酶的活力。生物体在细胞水平上精确的组织使得酶的分布不是均一的。如果需要测定某一种酶的活力，就必须进行初步分离，以除去抑制剂或其他干扰测定的物质。如果需要研究某一种酶的氨基酸组成、分子量、三级结构、底物特异性或动力学参数，那么就必须将酶与所有其他物质分离。在这些情况下，酶的纯化就显得非常重要。

选择怎么样的材料来纯化一种酶，取决于研究工作的类型，如果需要研究一种特定的酶，而不必顾及它的来源，那么可以选择一种含有大量此种酶，而且又能大量供应的材料作为来源。如果需要研究特殊来源中的某一种酶，那么就没有选择的余地。可以通过微生物培养的方法来对酶进行富集。对于微生物通过改变生长介质的成分能够增加酶的数量。许多微生物酶是可以诱导的。酶在生物体内是集中分布的。在水果中，酶富集在靠近皮和核的部位，而在水果的主题部位，酶的浓度较低。在检验酶在生物体各个部位的浓度之后，有可能采用生物体的某一部位作为酶的最富有的来源。这样的筛选，比起采用整个生物体作为起始材料可

【9】导致酶富集很多倍（10-100）。另外，即使在生物体某一器官中，酶的浓度也是不均匀的。

3.2预处理和酶溶液的浓缩

一般对于动物材料要先剔除结缔组织和脂肪组织，然后再捣碎；油料种子需要先进性脱脂出来和脱壳，避免单宁等物质的干扰。

微生物材料也需要先将菌体与发酵介质分离。材料应保持新鲜或添加抗氧化剂或立即冷冻处理，以防止酶变性失活。对于微生物材料而言，一般胞外酶不存在破碎细胞问题，而胞内酶只能在破碎细胞后才能释放出来。破碎细胞的方法

3.3酶的纯化方法

酶的纯化方法很多，现根据酶的溶解度、分子大小、电离特性、稳定性和亲和力等方面

3.4酶活力的损失

在纯化的过程中，酶活力的损失是难免的，事实上也没有必要回收全部酶活力。然而必须指出，如果在纯化中的某一步，大部分或者全部酶活丧失掉，那么就必须考虑修改这一步的条件，或者删去这一步。在纯化中酶活力丧失的原因主要是蛋白质变性，一般通过改变pH 或者温度可防止此类情况的发生。酶活力丧失的其他原因可能是纯化过程中酶所必需的辅助因子被除去，例如，在透析之后可能出现这种情况。总之，在酶纯化过程中，确定每一步的最佳条件和各步之间的最佳配合是成功的关键。

4酶的催化反应和影响酶催化的因素

4.1酶反应速度的测定

酶促反应速度和普通化学反应一样，可用单位时间内底物减少量或产物增加量来表示。

一般测定产物在单位时间的增加量来表示的较多，因为测定起来比较灵敏，可制作出产物浓度与时间关系曲线。在一定条件下，酶所催化的反应速度称为酶活力，即一定时间内底物分解量或产物生成量，用单位数表示。由于酶促反应受到许多条件的影响，因此，在测定酶活力时要尽量使反应条件恒定，对于温度和氢离子浓度要严格控制。测定酶活力的常用几种方

4.2影响酶催化的因素

4.2.1温度对酶促反应的影响

各种酶的催化反应均有其最适应的温度，此时，酶的反应速度最快。与普通的化学反应一样，在酶的最适温度以下，温度每升高10℃，其反应速度也相应的增加1-2倍，温度对酶反应速度的影响通常用温度系数Q 10来表示。当温度超过酶的最适温度时，酶蛋白就会逐渐产生变性作用而减弱甚至丧失其催化活力。一般的酶耐温程度不会超过60℃，但有的酶（来自芽孢菌）的热稳定性很高。另外，在有的酶中加入一些无机离子，可以增加其热稳定性。因此，在应用酶制剂前必须做酶的温度试验，找出适合生产工艺要求的最适温度。至于低温对酶促反应的影响，一般地说，在低温下(如0℃左右或者更低) 酶活力降低，但酶活性不受破坏，一般升高温度也就能恢复其原有的催化活力。

4.2.2pH 对酶促反应的影响

氢离子浓度对酶促反应速度的影响很大。每种酶都有特定的最适pH ，大于或小于这个数值，酶的活力就要降低，甚至影起酶蛋白变性而丧失活力。pH 对酶活力的影响，主要因为改变底物和酶分子的带点状态。当底物为蛋白质、肽或氨基酸等两性电解质时，它们随着pH 的变化表现出不同的解离状态：带正电荷或带负电荷或不带电荷。而酶的活力部位往往只能作用于底物的一种解离状态。酶的化学本质是蛋白质，故具有两性解离特性。pH 的改变会改变酶的活力部位上有关基团的解离状态，从而影响酶与底物的结合。假定酶在某一pH 时，酶的活力部位上存在一个带正电荷的基团和带负电荷的基团时，此时酶最易与底物结合，当pH 偏高或者偏低时，酶活力部位带点情况改变，酶与底物的结合能力便降低，从而使酶活力降低。

4.2.3高浓度底物的抑制作用

按照米氏理论，酶促反应底物浓度的增加是有一个极限的，当底物浓度过高时反应速度又重新下降，这是高浓度底物对反应起了抑制作用。其原因有如下几点：首先，酶促反应是在水溶液中进行的，水在反应中有利于分子的扩散和运动。当底物浓度过高时就使水的有效

浓度降低，反应速度下降；其次，过量的底物与酶的激活剂（如某些金属离子）结合，降低了酶活剂的有效浓度而使反应速度下降；最后，一定的底物是与酶分子中一定的活性部位结合的，并形成了不稳定的中间产物。过量的底物分子聚集在酶分子上就可能生成无活性的中间产物，这个中间产物是不能分解为反应产物的。

5固定化酶和固定化细胞

5.1酶固定化技术发展历程

虽然酶的固定化技术是一种新技术，但是早在1916年Nelson 和Griffin 就曾经将转化酶吸附在碳和氧化铝上，并且证明这种吸附的酶，即固定化酶，具有活性。可惜这个发现长期以来并未得到重视，在40年后，这个领域的研究工作活跃起来。从1954年到1961年，Melaren 、Estermann 和Zittle 研究将酶吸附到无机载体上，而Bar-Eli 和Katchalski 、Mitz 和Sunmmaria 分别研究将酶共价结合到有机共聚体和纤维素。1961年以后，固定化酶这一领域开始飞速发展起来。

5.2固定化酶的制备方法

酶的催化作用主要由活性中心完成，酶蛋白的构想也与酶的活力密切相关，因此，在制备固定化酶时，必须保证酶活力部位的氨基酸残基不发生变化，避免那些导致酶蛋白高级结构破坏的操作。固定化酶的制备方法有此下四类：吸附法、包埋法、共价结合法、交联法。

5.3固定化酶的特点

固定化酶的形状多样，如颗粒、线条、薄膜和酶管等。可根据实际情况选用。酶固定化后，酶活力和其他性质与游离酶有所不同。酶经过固定化后，活力大部分降低，但稳定性提高。固定化后的酶储存稳定性高于游离酶，可较长时间保留活力。

5.4固定化细胞

固定化细胞就是将细胞约束或者限定在一定的空间范围内，但仍保留其催化活性并且能反复使用。与酶的 固定化相比，固定化细胞有效利用了游离细胞的完整性酶系统和选择透过性，即具有固定酶的优点，又具有自身的优越性。固定化细胞要保持细菌的完整，防止自溶的发生，抑制细胞内蛋白酶对于目的酶的分解。

6酶在食品加工中的应用和前景展望

食品加工过程中如何保持食品的色、香、味是非常重要的问题，因此加工过程中应避免使用剧烈的化学反应。酶由于反应温和，专一性强，催化效率高，反应容易控制，因而被广泛应用于食品工业的各个领域。迄今为止，在自然界发现酶约3000多种。但是，已经得到广泛应用的酶仅仅数百种，形成工业规模的也仅仅有几十种。因此，酶的研究开发潜力巨大，根据地球上存在的再生资源，尚有许多丰富资源未得到充分利用，开发新酶源具有重大的科学价值和经济价值。 食品工业是应用酶工程最早、最广泛的行业。近年来，由于固定化细胞技术应用和固定化酶反应器的推广应用，促进了食品添加剂新产品的开发，产品品种增加，质量提高，成本下降，为食品工业带来了巨大的社会经济效益，酶工程技术加快了新酶源的开发，使功能性食品添加剂，如营养强化剂、低热量的甜味剂、食用纤维和脂肪替代品等发展迅速。

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