脂肪酶在食品工业中的应用.docx
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脂肪酶在食品工业中的应用
题目名称
:
脂肪酶的生产发酵工艺
学院(部)
:
包装与材料工程学院
专业
:
生物技术
班级
:
生物技术1102班
学生姓名
:
周洁
任桂
刘芳玉
学号:
11404500220
11404500217
11404500218
酶工程(论文)
2014年4月28日
摘要
脂肪酶即甘油三酯水解酶,它催化天然底物油脂水解,生成脂肪酸、甘油和甘油单酯或二酯。
面粉中含有1% ~2% 的脂类,且大部分是甘油三酸酯,能被脂肪酶降解生成游离脂肪酸、甘油单酸酯和甘油二酸酯。
因此,加入脂肪酶能够获得乳化剂对面团的改善效果。
在面条加工中,通过此酶的作用,可以使面粉中的天然脂质得到改性,形成脂质、直链淀粉复合物,从而防止直链淀粉在膨胀和煮熟过程中的渗出现象。
本文从脂肪酶的来源及性质.菌株的选育.脂肪酶的获得.酶反应器的选择方法等几方面对脂肪酶的研究进行了综述,同时论述其在食品工业中的应用。
关键词:
脂肪酶酶酶反应器菌株选育应用
Abstract
Lipaseistriglyceridehydrolysisenzyme,itnaturalsubstratecatalyticoilhydrolysisandgeneratefattyacids,glycerolandglycerinmonoesterorsecondester.Flourcontaining1%~2%ofthelipids,andmostistriglyceride,degradationbylipasecangeneratefreefattyacid,glycerinsingleacidesterandglyceroldiacidester.So,jointhelipasecangetemulsifiereffectontheimprovementofthedough.Inthenoodleprocessing,throughtheroleofthisenzyme,canbemodified,makesthenaturallipidsintheflourlipids,amylosecomplexformation,thuspreventingamyloseintheseepagephenomenonintheprocessofexpansionandcooked.Inthispaper,fromtheoriginandnatureoflipase.Strainsbreeding.Lipaseobtained.Thechoiceoftheenzymereactormethodseveralaspects,suchasthestudyoflipaseweresummarized,anddiscussesitsapplicationinfoodindustry.
Keywords:
lipaseenzymereactorstrainsbreedingapplication
1课程设计的目的
脂肪酶即甘油三酯水解酶,它催化天然底物油脂水解,生成脂肪酸、甘油和甘油单酯或二酯。
面粉中含有1% ~2% 的脂类,且大部分是甘油三酸酯,能被脂肪酶降解生成游离脂肪酸、甘油单酸酯和甘油二酸酯。
因此,加入脂肪酶能够获得乳化剂对面团的改善效果。
在面条加工中,通过此酶的作用,可以使面粉中的天然脂质得到改性,形成脂质、直链淀粉复合物,从而防止直链淀粉在膨胀和煮熟过程中的渗出现象。
脂肪酶广泛的存在于动植物和微生物中。
植物中含脂肪酶较多的是油料作物的种子,如蓖麻籽、油菜籽,当油料种子发芽时,脂肪酶能与其他的酶协同发挥作用催化分解油脂类物质生成糖类,提供种子生根发芽所必需的养料和能量;动物体内含脂肪酶较多的是高等动物的胰脏和脂肪组织,在肠液中含有少量的脂肪酶,用于补充胰脂肪酶对脂肪消化的不足,在肉食动物的胃液中含有少量的丁酸甘油酯酶。
在动物体内,各类脂肪酶控制着消化、吸收、脂肪重建和脂蛋白代谢等过程;细菌、真菌和酵母中的脂肪酶含量更为丰富。
由于微生物种类多、繁殖快、易发生遗传变异,具有比动植物更广的作用pH、作用温度范围以及底物专一性,且微生物来源的脂肪酶一般都是分泌性的胞外酶,主要的发酵微生物有黑曲霉,假丝酵母等等。
适合于工业化大生产和获得高纯度样品,因此微生物脂肪酶是工业用脂肪酶的重要来源,一般不同来源的脂肪酶特性也不一样并且在理论研究方面也具有重要的意义。
本文就脂肪酶的来源种类特性及其在食品工业生产中的应用作一简要论述,期望能对相关研究有帮助。
2课程设计的背景
2.1脂肪酶的来源以及分类
脂肪酶按其来源主要分为3类:
(1)动物源性脂肪酶,如猪、牛等胰脂肪酶提取物。
(2)植物源脂肪酶,如蓖麻籽、油菜等。
(3)微生物源性脂肪酶。
由于微生物种类多、繁殖快、易发生遗传变异,具有比动植物更广的作用pH、作用温度范围以及底物专一性,且微生物来源的脂肪酶一般都是分泌性的胞外酶,所以微生物脂肪酶是主要的研究对象。
目前已报道的产脂肪酶微生物大约65个属,其中细菌28个属,放线菌4个,酵母菌10,真菌23个[1],产脂肪酶微生物分布很广,目前还在不断发现报道新的产脂肪酶微生物[2].细菌脂肪酶大多数是胞外酶易于液体深层发酵,生产比较容易。
细菌脂肪酶大多数是碱性脂肪酶,且在pH4~11、温度30℃~60℃间具有良好的稳定性。
假单胞菌属的细菌脂肪酶应用最为广泛。
[3]
2.2脂肪酶的性状
脂肪酶是一种特殊的酯键水解酶[4],它能水解甘油三酯产生脂肪酸、甘油二脂、甘油单脂和甘油[5-6]。
广泛存在于动物组织、植物种子和微生物体中[7-8],适合在油-水界面分解油脂。
脂肪酶是一类具有多种催化能力的酶,可以催化三酰甘油酯及其他一些水不溶性酯类的水解、醇解、酯化、转酯化及酯类的逆向合成反应,除此之外还表现出其他一些酶的活性,如磷脂酶、溶血磷脂酶、胆固醇酯酶、酰肽水解酶活性等(Hara;Schmid)。
脂肪酶不同活性的发挥依赖于反应体系的特点,如在油水界面促进酯水解,而在有机相中可以酶促合成和酯交换。
2.3脂肪酶菌株的分离筛选[9-11]
(1)土样预处理:
分别称取10g土样于100mL无菌水中混匀,取上清依次稀释至10-1,10-2,10-3,10-4,10-5,10-6。
(2)菌株的初筛:
每个稀释梯度取150μL涂布于初筛平板,每个梯度涂布3个平板,30℃培养48h,挑取有透明圈的菌落在分离平板上继续划线分离至单菌落。
(3)菌株的复筛:
挑取含有透明圈的脂肪酶菌株于发酵培养基中在30℃,110r/min培养48h,发酵液8000r/min离心5min,取上清检测酶活力。
2.4产脂肪酶菌株的初步鉴定
菌落形态菌落扁平、乳白色、短绒状或近于粉状、生长快、中心有突起、以突起为中心呈同心圈放射线形式平面扩散。
用接种环搅动菌落时菌落呈现黏
稠状而非丝状。
2.5初筛方法
可淘汰85%一90%不符合要求的微生物,利用平皿的生化反应进行分离。
(1)RhodamineB平板筛选法
筛选原理:
脂肪在脂肪酶的催化作用下水解生成甘油和脂肪酸,脂肪酸能与RhodamineB的阳离子发生作用,生成黄色的荧光物质,所以用紫外灯的观察,产脂肪酶的菌株周围会出现荧光圈,依据荧光圈的大小进行菌种的筛选。
(2)溴甲酚紫平板筛选法
筛选原理:
溴甲酚紫作为一种显色剂,其pH变色为5.2—6.8,在碱性条件下显紫色,在酸性条件下显黄色,脂肪在脂肪酶的催化作用下生成的脂肪酸会使培养基的pH降低,产脂肪酶菌株的周围会出现黄色的透明圈,根据透明圈的有无和大小来筛选产脂肪酶的菌株,透明圈越大说明产脂肪酶活力越强。
(3)琼脂块培养法
将分离培养基用灭菌的打孔器制作成许多单个的直径约0.6cm的小琼脂块,排放在干净的培养皿内,将挑选的菌株接种在这些小琼脂块上培养,让其充分生长,然后依次再将长3满菌的小琼脂块放到酶活测定板上,培养1~3d,观察各菌落周围油脂水解圈的大小,水解圈越大,酶活越强,将水解圈大的菌株纯化后保存在斜面培养基上。
2.6复筛方法-摇瓶培养
种子培养基→发酵培养基→收集菌体和上清液,分别测酶活。
2.7酶反应器的选择
2.7.1 根据酶的应用形式选择反应器
在体外进行酶催化反应时,酶的应用形式主要有游离酶和固定化酶。
(1)游离酶反应器的选择:
可以选用搅拌罐式反应器、膜反应器、鼓泡式反应器、喷射式反应器等。
①游离酶催化反应最常用的反应器是拌罐式反应器。
搅拌罐式具有设备简单,操作简便,酶与底物的混合较好,物质与热量的传递均匀,反应条件容易控制等优点,但是反应后酶与反应产物混合在一起,酶难于回收利用。
②对于有气体参与的酶催化反应,通常采用鼓泡式反应器。
鼓泡式反应器结构简单,操作容易, 混合均匀,物质与热量的传递效率高,是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。
③对于某些价格较高的酶,由于游离酶与反应产物混在一起,为了使酶能够回收,可以采用游离酶膜反应器。
④对于某些耐高温的酶,如高温淀粉酶等,可以采用喷射式反应器,进行连续式的高温短时反应。
喷射式反应器混合效果好,催化效率高,只适用于耐高温的酶。
(2)固定化酶反应器的选择:
应用固定化酶进行催化反应,可以选择搅拌罐式反应器、填充床式反应器、鼓泡式反应器、流化床式反应器、膜反应器等。
应用固定化酶进行反应,由于酶不会或者很少流失,为了提高酶的催化效率,通常采用连续反应的操作形式。
颗粒状的固定化酶可以采用搅拌罐式反应器、填充床式反应器、流化床式反应器、鼓泡式反应器等进行催化反应。
2.7.2根据酶反应动力学性质选择反应器
(1)必须保证酶分子与底物分子能够有效碰撞,为此,必须使酶与底物在反应系统中混合均匀。
搅拌罐式反应器、流化床式反应器均具有较好的混合效果。
填充床式反应器的混合效果较差。
在使用膜反应器时,也可以采用辅助搅拌或者其他方法,以提高混合效果,防止浓差极化。
(2)底物浓度的高低对酶反应速度有显著影响。
具有高浓度底物抑制作用的酶,如果采用分批搅拌罐式反应器,可以采取流加分批反应的方式进行反应。
对于具有高浓度底物抑制作用的游离酶,可以采用游离酶膜反应器进行催化反应;对于具有高浓度底物抑制作用的固定化酶,可以采用连续搅拌罐式反应器、填充床式反应器、流化床式反应器、膜反应器等进行连续催化反应。
(3)有些酶催化反应,其反应产物对酶有反馈抑制作用。
对于具有产物反馈抑制作用的固定化酶,也可以采用填充床式反应器。
(4)某些酶可以耐受100℃以上的高温,最好选用喷射式反应器。
2.7.3根据底物或产物的理化性质选择反应器
(1)反应底物或产物的分子质量较大时,由于底物或产物难于透过超滤膜的膜孔,所以一般不采用膜反应器。
(2)反应底物或者产物的溶解度较低、粘度较高时,应当选择搅拌罐式反应器或者流化床式反应器,而不采用填充床式反应器和膜反应器,以免造成阻塞现象。
(3)反应底物为气体时,通常选择鼓泡式反应器。
(4)有些需要小分子物质作为辅酶(辅酶可以看作是一种底物)的酶催化反应,通常不采用膜反应器,以免辅酶的流失而影响催化反应的进行。
2.7.4其他
(1)所选择的反应器应当能够适用于多种酶的催化反应,并能满足酶催化反所需的各种条件,并可进行适当的调节控制。
(2)所选择的反应器应当尽可能结构简单、操作简便、易于维护和清洗。
(3)所选择的反应器应当具有较低的制造成本和运行成本。
3酶反应器的设计
3.1确定酶反应器的类型
脂肪酶液态发酵可采用分批发酵,补料分批发酵,连续发酵,反复分批发酵;而固态发酵一般只见于分批发酵。
可以采用分批搅拌罐式反应器.
3.2确定反应器的制造材料
由于酶催化反应具有条件温和的特点,通常都是在常温、常压、PH近乎中性的条件下进行反应的,所以酶反应器的设计对制造材料没什么特别要求,一般采用不锈钢制造反应器。
3.3进行物料衡算
酶催化反应一般是在30℃~70℃之间,所以热量衡算并不复杂。
温度的调节控制也较为简单,一般采用一定温度的热水通过夹套或者列管加热或者冷却的方式,进行温度的调节控制。
3.3.1酶反应动力学参数的确定
底物浓度
酶浓度
最适温度
最适PH
0.04kg/L
5U/L
30℃
7.0
3.3.2计算底物的用量
设年产量P:
36000kg,按每年300d计算
P(kg/年)=Pd(kg/d)×300=Ph(kg/h)×300×24
∴Pd=120
产物转化率:
YP/S=△[S]/[S0]=([S0]-[St])/[S0]
设已知[S0]=0.04kg/L
[St]=0.01kg/L
∴YP/S=(0.04-0.01)/0.04=0.75
R:
收得率,是指分离得到的产物与反映出生成的产物量的比值
∴R=36000/40000=0.9
S=P/(YP/S·R)≈53333.3g
Sd=177.7kg
3.3.2计算反应液总体积
根据所需的底物用量和底物浓度,就可以计算得到反应液的总体积
Vt=S/[S](L)
Vt为反应液总体积(L);S为底物用量(g);[S]为反应前的底物浓度
∴Vt=53333.3/0.04=1333332.5(L)
Vd=4444.5(L)
3.3.4计算酶用量
根据催化反应所需的酶浓度和反应液体积,就可以计算所需酶量。
所需的酶量为所需的酶浓度与反应液体积的乘积。
即
E=[E]·Vt(U)
E为所需的酶量(U);[E]为酶浓度(U/L);Vt为反应液体积
∴E=5×1333332.5=6666662(U)
3.3.5计算反应器数目
在酶反应器的设计过程中,选定了反应器的类型和计算得到了反应液总体积之后,要根据生产规模、生产条件等确定反应器的有效体积和反应器的数目。
反应器的有效体积是指酶在反应器中进行催化反应时,单个反应器可以容纳反应液的最大体积,一般的反应器的有效体积为反应器总体积的70%~80%。
因为选择了分批式反应器,所以可根据每天获得的反应液的总体积、单位反应器的有效体积和底物在反应器内停留的时间,计算所需反应器的数目。
计算公式如下:
N=(Vd/V0)·(t/24)
N为反映器数目(个);Vd为每天获得的反应液总体积(L/d);V0为单个反应器的有效体积(L);t为底物在反应器中的停留时间(h);24是指每天24h
∴V0=60000×0.8=48000
∴N=(4016.1/48000)·100≈9
4酶反应器的操作
4.1酶反应器操作条件的确定及其调控
4.1.1反应温度的确定与调节控制
酶催化作用受到温度的影响,酶得催化反应有一个最适温度,温度过低,反应速度减慢;温度过高,会引起酶的变性失活。
因此,要根据酶的动力学特性,确定催化的最适温度,并将反应温度控制在最适温度范围内,进行调节。
要安装有夹套或列管等换热设备。
4.1.2pH值的确定与调控
酶催化反应都有一个最适PH,PH过高或过低都会使反应速度减慢,甚至使酶变性失活,因此要将pH维持在一个最适范围内,采用分批式反应器时,通常在加入酶之前,要先用稀酸稀碱将底物溶液调节到最适pH,再进行反应。
4.1.3底物浓度
底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素之一。
在底物浓度较低的情况下,酶催化反应速度与底物浓度成正比,当底物浓度达到一定数值后反应速度的上升不再与底物浓度成正比而是趋向平衡。
所以底物浓度不是越高越好,而是有一个最适的底物浓度。
对于分批式反应器,要先将一定浓度的底物溶液引进反应器,调节好pH,在最适温度下进行酶催化反应,采用逐步流加底物的方法,以提高酶催化反应速率。
4.1.4酶浓度
在底物浓度足够高的条件下,酶催化反应速度与酶浓度呈正比提高酶浓度可以提高催化反应的速度。
4.1.5搅拌速度
搅拌速度过慢,会影响混合的均匀性,搅拌速度过快,会产生较大的剪切力使酶的结构发生破坏,尤其是固定化酶的结构遭到破坏。
4.1.6流动速度
在操作过程中要确定合适的流动速度和流动状态,并根据变化的情况进行适当的控制调节。
4.2酶反应器操作的注意事项
(1)保持酶反应器的操作稳定性
(2)防止酶的变性失活
(3)防止微生物的污染
5脂肪酶的应用与展望
酶在食品工业中具有广泛而重要的作用,近年来人们对脂肪酶的研究取得了很大的进展,已引起了全世界的广泛关注。
目前,脂肪酶在非水体系中反应的研究在国外已取得突破性进展,脂肪酶的应用已深入到食品工业中的多个领域,国内脂肪酶在非水介质中的酶促反应亦成为近几年的研究热点,并取得一些可喜的成果。
当前,由于固定化酶的方法过于复杂,效率低、成本高,或使用了有毒的化学试剂而不符合食品加工所必须满足的经济和安全的标准,所有这些都限制了固定化脂肪酶技术在食品工业中的应用,但随着生物技术以及材料、化工等各相关学科的发展,相信固定化脂肪酶的工作会有新的突破。
在食品中也将得到更广泛的运用,对促进食品工业快速发展具有重要意义。
心得体会
本次试验由本组3人完成,周洁和刘芳玉负责脂肪酶相关方面知识的查询,和大量文献的参考,任桂负责酶反应器的设计计算,本次分工明确,共经历了不下5次的修改工作。
从选材,内容风格的确立,分配,修改都经历过本组几次的讨论。
通过这次课程设计,我们了解了脂肪酶在食品方面的应用,掌握了它的基也知道了自己的不足,开拓了自己的知识面。
参考文献
[1]张树政.酶制剂工业下册【M】.北京科学出版社,1984:
655-656
[2]PleissJ,FischerM,PeikerM,etal.LiPaseengineeringdatabaseunderstandingandexploitingsequence-structure-functionrelationships[J].JoumalofMolecularCatalysisB:
Enzymatic,2000,10:
491-508.
[3]沈同,王镜岩.生物化学[M].北京:
高等教育出版社,1991.151-152.
[4]晋青波,张庆庆,汤斌,等.紫外诱变原生质体提高脂肪酶活
力[J].安徽工程科技学院学报,2008,23
(1):
7-10.
[5]胡长浩,施文芳,沈麟,等.脂肪酶菌种的筛选、鉴定及酶学
性质研究[J].生物技术,2009,19
(2):
53-57.
[6]陈晟,陈坚,吴敬,等.微生物脂肪酶的结构与功能研究进展[J].
工业微生物,2009,39(5)55-57.
[7]汪小锋,王俊,杨江科,等.微生物发酵生产脂肪酶的研究进
展[J].生物技术通报,2008,(4):
47-53.
[8]谭珍连,梁静娟,庞宗文,等.原生质体紫外诱变选育白地霉
GXU08脂肪酶高产菌株[J].生物技术,2007,17
(2):
42-44
[9]付建红,石玉瑚,欧阳平凯,等.产低温脂肪酶菌株Geotrichumcandidumch-3的选育、发酵条件及酶学性质研究[J].中国生物工程杂志,2007,27(10):
22-27.
[10]陈锋菊,谭树华,黄凤玲等.产低温脂肪酶菌株Psychrobactersp.7342的筛选及粗酶性质研究[J].生命科学研究,2010,14(3):
199-202.
[11]闫丽娟,谢振荣,赵春雷,等.黄遵锡耐高温酸性脂肪酶菌株NJY-1-3的选育及发酵条件的研究[J].食品科技,2010,35(3):
11-16
[12]陈晟,陈坚, 吴敬,等.微生物脂肪酶的结构与功能研究进展 [ J]. 工业微生物, 2009 , 39( 5) 55- 57 .
[13]沈同,王镜岩.生物化学[M] .北京:
高等教育出版社,1991. 151 152.
[14]黄家岭.细菌源脂肪酶的发酵生产及其纯化和固定化工艺研究[J].安徽农业科学,2009,37(6):
8—9.
[15]刘均洪等.南极假丝酵母生产脂肪酶发酵条件研究[J].青岛科技大学学报,2005,26
(2)101-105.
[16] 袁勤生,赵健.酶与酶工程[M].华东理工大学出版社,2005,第一版.
[17] 罗贵民.酶工程[M].化学工业出版社,2003,8.
[18] 鲁玉侠,蔡妙颜,郭祀远.海藻酸钠包埋法制备固定化脂肪酶研究[J].现代食品科技,22(4):
30-32.
[19] 张虎,李光浩,陈瑞等.脂肪酶的固定化新技术[J].工业微生物,2000,33(3):
50-52.
[20] 中华人民共和国行业标准QB/T1803- 93
[21] 阿尔伯森 P A 著. 细胞颗粒和大分子的分配.朱自强, 郁士贵, 梅乐和等译L 杭州:
浙江大学出版社,1995
[22] 周晓云等. 双水相体系提取脂肪酶的研究[J].浙江 农业大学学报 ,1997,23
(2):
205~210,
[18] 王自社等. 脂肪酶的研究及应用进展[J].安徽农业科学,2011 , 39( 7 ):
3798- 3800
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