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固定化脂肪酶在食品中的应用

发布日期:2021/7/29 16:34:32

酶是一类具有高效性、专一性等特点的生物催化剂。酶可以在生物体内和体外进行生物转化,且具有优良的立体选择性、区域选择性以及化学选择性。脂肪酶作为一种绿色的生物催化剂广泛应用在化工、食品、医药、能源、环境等领域。

本文主要研究固定化脂肪酶在食品工业中的应用。 

01.合成芳香化合物

带有水果香味的短链酯作为芳香剂在食品工业中广受欢迎,这些芳香化合物可通过化学合成或从天然来源获得。

风味化合物通常是短链脂肪酸和醇类,如类似菠萝或苹果口味的丁酸甲酯、丁酸丁酯、异丁酸异戊酯、类似菠萝或草莓口味的丁酸乙酯、类 似香蕉口味的乙酸异戊酯/丁酸异戊酯。

固定化脂肪酶在温和的条件下催化合成天然香料,而且其比化学合成更安全可靠,从而在芳香化合物的合成方面表现出广泛的应用前景。

Garlapati 等研究了固定化米根霉 NRRL3562 脂肪酶在无溶剂条件下催化酯化合成丁酸甲酯和乙酸辛酯。考察了醇摩尔比、反应时间、温度等不同的酯化反应参数对摩尔转化率(%)的影响。结果表明,固定化酶对丁酸甲酯和乙酸辛酯的相对活性保持在95%以上,分别达到5次和6 次,脂肪酶活性较高。

Ghamgui等用非商品化的模拟葡萄球菌固定化脂肪酶在纯底物条件下催化乙酸和异戊醇的酯化反应合成乙酸异戊酯(香蕉味),考察了脂肪酶用量、乙酸与异戊醇的摩尔比等反应参数对反应的影响。结果表明,乙酸和异戊醇在8h内转化率可达64%。固定化酶制剂经4次循环使用后,固定化酶活性未见明显下降,固定化酶稳定性和活性都较高。

Matte等将羊毛热霉菌脂肪酶(TLL)固定在天然和改性的 Immobead 150上,通过使用乙二胺进行多点共价连接来合成丁酸丁酯和丁酸异戊酯。结果表明,天然Immobead 150(EMULTI)上的多点共价固定化脂肪酶在70℃下的半衰期为5.32 h,比其TLL溶液的稳定性高约30倍,在丙酮、正己烷和异辛烷中表现出很高的稳定性。酯化反应在24h内酯化率可达60%以上,在所有固定化方法中,EMULI的热稳定性、溶剂稳定性和离子液体稳定性都表现最好。

02.油脂改性加工

固定化脂肪酶在油脂工业中有着广阔的应用前景。主要用于油脂加工,油脂改性在食品加工过程中是非常关键的环节。

固定化脂肪酶优于游离酶,因为固定化可以提高酶的稳定性和活性。在固定化形式中,酶可以重复使用。固定化方法大多采用非共价相互作用。

天然油脂由于支链较长、脂肪酸的饱和度不同的弊端,导致稳定性较差,利用脂肪酶的位置特异性和脂肪酸特异性,可以作为生物催化剂对油脂进行改性。

经过脂肪酶改性的油脂,具有更高的营养价值、稳定性和品质,在食品加工领域具有较大的市场潜力。

Paula等将商业非区域选择性假丝酵母脂肪酶(Novozym 435)和1,3-区域选择性米根霉脂肪酶固定在有机无机聚硅氧烷-聚乙烯醇杂化基质中,作为反应器的生物催化剂,通过酶促酯交换反应来调整乳脂的物理性质,获得了适合工业生产的健康的酯交换脂肪混合物。

Tecelão等在60℃的无溶剂介质中,将三棕榈素与油酸或ω-3多不饱和脂肪酸在酶催化酸解条件下合成人乳脂肪(HMFs),对4种固定化脂肪酶Lipozyme RM IM、Theromyces Lanuginosa脂肪酶、Lipozyme TLIM 和 Novozym 435 进行了测试,结果表明,生物催化剂的活性和操作稳定性取决于所使用的酰基供体。 

03.提高食品添加剂脂溶性

在食品工业中异抗坏血酸被作为抗氧化剂广泛应用,但是由于其亲水性较高,很难应用在脂类食品中。

利用固定化脂肪酶催化抗坏血酸转化为抗坏血酸酯类物质,可以有效提高产物的亲脂性,能更好地应用于脂类食品中。

Santibáñez 等采用不同载体固定化斯氏假单胞菌脂肪酶TL,在有机介质中以棕榈酸和抗坏血酸为原料,酶法酯化合成抗坏血酸棕榈酸酯,与商业Novozym 435脂肪酶进行了性能比较。结果表明,假单胞菌脂肪酶 TL在55℃ 时转化率达57%,高于商业Novozym 435脂肪酶在70 ℃的底物转化率。

Sun 等通过固定化脂肪酶将异抗坏血酸转化为D-异抗坏血酸棕榈酸酯,改善了异抗坏血酸在有机介质中的油溶性,且转化率较高,产率高达 95.32%。

汤鲁宏等将庚烷和叔戊醇等多种反应媒体和数种脂肪酶对L-抗坏血酸棕榈酸酯合成反应的影响进行了研究,结果表明,叔丁醇适用于酯合成反应,且 Novozym 435 脂肪酶具有良好的催化活性。

04.合成食品乳化剂糖酯

糖酯是一种非离子表面活性剂,其亲水基团为糖基,疏水基团为脂肪酸,同时具有两亲性。可以用脂肪酶在单一的酶促反应步骤中合成,其基础是尽可能使用可更新、廉价且容易获得的原料,糖酯类食品乳化剂因其可被生物降解,对环境无毒无害,被广泛应用于食品工业中。

Zaidan 等通过共价键和物理吸附将脂肪酶交联到纳米反应器(即NER-CRL),将皱纹假丝酵母(CRL)脂肪酶固定化在氨基活化的云母上,来催化合成乳糖酯。结果表明,NER-CRL和Amino-CRL 具有较高的操作稳定性,半衰期分别超过13和10次,比活力比游离酶分别提高了2.4和2.6倍。

Adnani 等模拟木糖醇和硬脂酸的脂肪催化酯化反应,将Novozym 435(大孔树脂固定化南极假丝酵母脂肪酶)在正己烷中催化合成木糖醇脂肪酸酯。结果表明,脂肪酸酯实际收率为96.10%。

Kapoor 等以南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)的交联酶聚集体(CLEAS)为原料,在低水条件下催化甘油与棕榈酸的酯化反应。结果表明,反应 24h,转化率可达90.3%,其中单甘酯和双甘酯的产率分别为87%和3.3%。

05.合成类可可脂

可可脂的熔点为37℃,具有入口即化的熔融特性,含有棕榈酸和硬脂酸,是食品工业中加工巧克力的重要原料。

但是天然可可脂的产量较低且价格较为昂贵,因此固定化脂肪酶被用来催化油脂间酯交换生产可可脂替代品,在食品工业中应用较为广泛。 Dutt等用从土壤中分离到的芽孢杆RK-3 菌株来生产1,3-区域特异性脂肪酶,以棕榈油和硬脂酸甲酯为原料进行酯交换反应。结果表明,最终产物与CB类似,且在24 h内的转化率为83.17%。

龚欣等研究了利用固定化脂肪酶 Lipozyme TLIM 催化制备低热量乌桕类可可脂,发现在温度为65 ℃、Aw为0.06、催化时间15.5 h时,交换率最高为34.9%,产物的SI值为0.55,熔点为37℃,研究表明可以利用乌桕脂制备低热量的类可可脂。

胡芳等用脂肪酶Lipozyme TLIM来催化酯交换反应合成类可可脂,结果类可可脂得率高达85.586%,高级结构分析表明产物中甘油三酯的组成和结构与天然可可脂类似。

文章来源:路雪纯,辛嘉英,张帅,王艳 ,夏春谷,脂肪酶固定化及其在食品领域中应用的研究进展。

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