第二節(jié)　果膠酶的作用

近年來，隨著人民生活水平的提高，果酒的需求和加工有了突飛猛進的發(fā)展。消費者對果酒品質(zhì)的追求也在很大程度上促進了新工藝、新技術(shù)在果酒生產(chǎn)中的研究和應(yīng)用，酶制劑在果酒生產(chǎn)中的應(yīng)用就是其中的重點和熱點之一。果酒生產(chǎn)者深入研究，發(fā)現(xiàn)水果的成熟、乙醇的生成、蘋果酸-乳酸發(fā)酵、風(fēng)味物質(zhì)的釋放以及各種果汁的榨取、澄清和過濾都是酶作用的結(jié)果，酶影響著果酒釀制的各個重要環(huán)節(jié)。這些發(fā)現(xiàn)以及酶制劑工業(yè)的飛速發(fā)展使得酶制劑在果酒工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在果酒生產(chǎn)中使用的酶制劑主要有果膠酶、纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶、蛋白酶等，其中果膠酶是重中之重。

果膠酶是指能夠催化果膠質(zhì)分解的多種酶的總稱，其廣泛存在于植物果實中。微生物中的細(xì)菌、放線菌、酵母菌和霉菌都能代謝合成果膠酶。日前市售食品級果膠酶主要是由黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)的。作為世界四大酶制劑之一，果膠酶在果汁澄清、果酒釀造中應(yīng)用十分廣泛。果膠酶的國外研究始于20世紀(jì)30年代，20世紀(jì)50年代已工業(yè)化生產(chǎn)，主要生產(chǎn)國有德國、法國、意大利、丹麥、荷蘭、日本等。國內(nèi)研究始于1967年，主要研究單位有中國科學(xué)院微生物研究所、上海工業(yè)微生物研究所、中國科學(xué)院上海植物生理研究所、河北大學(xué)、山東大學(xué)微生物研究所、輕工業(yè)部食品發(fā)酵工業(yè)科學(xué)研究所等。20世紀(jì)80年代末，天律、江蘇、福建、河北、北京等地開始工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代以來，我國的水果種植和水果加工工業(yè)發(fā)展迅速，為果膠酶的開發(fā)和應(yīng)用提供了廣闊的前景。近年來，國內(nèi)外對果膠酶的研究已經(jīng)進入了分子生物學(xué)水平，已從許多微生物中克隆了果膠酶基因和進行了測序，并對果膠酶基因的結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控及其表達產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性能等方面進行了探索。我國對果膠酶的需求量很大，但國內(nèi)果膠酶的發(fā)展卻較緩慢，且通常是將果膠酶單一使用，這限制了果膠酶的應(yīng)用范圍及效果。

一、果膠酶分類

果膠酶是分解果膠質(zhì)的多種酶的總稱，是一種在食品工業(yè)上廣泛使用的酶。按不同的標(biāo)準(zhǔn)對果膠酶有不同的劃分方法。按照作用方式的不同可以分為兩大類：酯酶(esterase)和解聚酶(depolymerizing enzyme)，解聚酶又包括水解酶(hydrolase)和裂解酶(lyase)。按其對作用底物的不同可以分為聚甲基半乳糖醛酸酶(polymethylgalacturonase，PMG)、聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase，PG)、聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(polymethylgalacturonatelyse，PMGL)、聚半乳糖醛酸裂解酶(polygalacturonatelyse，PGL)等。在上述各類果膠酶中，貯藏過程中起作用的果膠酶主要是聚半乳糖醛酸酶(PG)，所以，在實際應(yīng)用中多用PG的活力表示果膠酶的活力。

二、果膠酶生產(chǎn)制造

傳統(tǒng)的生產(chǎn)果膠酶的工業(yè)化方法為固態(tài)發(fā)酵法，可用于發(fā)酵生產(chǎn)果膠酶的菌種有曲霉菌、灰霉菌、鐮孢菌及其他真菌(如菜豆炭疽病菌、核盤菌、青霉菌。黑曲霉具有產(chǎn)果膠酶的能力，但因菌種不同，酶活力有較明顯的差別。培養(yǎng)黑曲霉制成的果膠酶，除果膠酶外，還有纖維素酶、半纖維素酶和蛋白酶。果膠酶的制造可分為兩個階段，即黑曲霉的培養(yǎng)和粗果膠酶粉的制造。食品加工中使用的果膠酶制劑主要來自黑曲霉，它是多種酶的混合物。同時果膠酶本身為多組分酶，包括聚半乳糖醛酸酶(PG)、果膠裂解酶(PL)、果膠酯酶(PE)等主要組分，各組分的功能與作用機理各不相同。在一些食品加工中，單獨使用一種果膠酶有時比使用果膠酶復(fù)合制劑效果更好。

三、果膠酶的作用機制

果膠酶目前廣泛地應(yīng)用于食品工業(yè)的果汁、果酒澄清以及造紙工業(yè)的紙漿脫膠和麻類加工。它是應(yīng)用于果汁生產(chǎn)的最重要酶制劑之一，可以快速徹底地脫除果膠，降低水果榨汁的黏度，有利于果汁的過濾，濾液更為澄清，而且澄清度穩(wěn)定；減少化學(xué)澄清劑的用量，改善果汁質(zhì)量。因此，果膠酶可以有效地提高水果的出汁率，改善果汁的過濾效率，加速和增強果汁的澄清作用；簡化果汁加工工藝，縮短加工時間，提高生產(chǎn)效率、果汁產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。在果酒的生產(chǎn)過程中，果汁中有很多物質(zhì)影響澄清，如纖維素、蛋白質(zhì)、淀粉、果膠物質(zhì)等，而果膠物質(zhì)是造成果汁混濁的主要因素。為了解決這個問題，人們嘗試了很多辦法，如自然澄清、明膠單寧法、冷凍法、酶法及添加膨潤土等。研究發(fā)現(xiàn)酶催化反應(yīng)，用量少而催化效率高，有高度的專一性。酶法澄清具有耗時短、澄清效果好等優(yōu)點。

果膠物質(zhì)與纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素是植物細(xì)胞壁最重要的構(gòu)成物質(zhì)。果膠大分子阻礙了固體粒子的沉降，有很高的黏度。水果經(jīng)破碎后的果汁中含有果膠、纖維素等固形物，果膠阻止甚至使液體流動停止，使固體粒保持懸浮，汁液處于均勻的混濁狀態(tài)，很難沉淀，又不易濾清，影響果汁的澄清。因此，必須將果膠分解，才能使汁液達到澄清的目的。

果膠酶作用于果膠中D-半乳糖醛酸殘基之間的糖苷鍵，使高分子的半乳糖醛酸降解為半乳糖醛酸和果膠酸小分子物質(zhì)，并且果膠的多糖鏈也被降解，使原來存在果汁中的固形物失去依托而沉降下來，增強澄清效果，提高和加快了果汁的可濾性和過濾速度，從而提高出汁率。水果本身在果實成熟過程中也會產(chǎn)生果膠分解酶，在發(fā)酵過程中由酵母也能產(chǎn)生，但這些酶反應(yīng)過程較為緩慢，不能完全達到生產(chǎn)者的預(yù)期目的，而人工合成酶則加強和完善了這一過程。

四、果膠酶在果酒中的功能

1．提高出汁率和縮短壓榨時間

制汁是果酒生產(chǎn)的關(guān)鍵作業(yè)之一，這一工序要求盡可能地提高出汁率和縮短壓榨時間。已知出汁率的高低與原料的破碎程度有關(guān)，適當(dāng)提高原料的破碎程度有利于提高出汁率。果實細(xì)胞細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較緊密，通常情況下單純依靠機械或化學(xué)方法難以將其充分降解，但通過添加一定量的果膠酶可破壞細(xì)胞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高果實的破碎程度，從而在壓榨時達到提高出汁效率并縮短壓榨時間的目的。同時，把大分子的果膠物質(zhì)降解后，也有助于提高后一階段的澄清和過濾效果。

2．有利于果汁的澄清

在果酒的生產(chǎn)中有兩種澄清作業(yè)，一是果汁的澄清，二是原酒的澄清。果汁澄清的目的是在發(fā)酵前將果汁中的雜質(zhì)盡量減少到最低限度，以避免果汁中的雜質(zhì)參與發(fā)酵而產(chǎn)生不良成分，給酒帶來異味。原酒澄清的目的是為了避免果酒在儲存過程中酒石結(jié)晶沉淀或無定形的色素微粒自行沉淀出來，以及出現(xiàn)蛋白質(zhì)混濁、微生物混濁等不良現(xiàn)象，從而保證得到品質(zhì)較高的果酒。兩種澄清作用中，所用到酶的主要是果膠酶。果膠酶的主要作用是降解果膠物質(zhì)，盡可能地使果汁中可溶性果膠物質(zhì)得到徹底分解；降低果汁黏度，這一點有別于壓榨中所用到的果膠酶的作用。由于果膠的分解，使混濁顆粒失去膠體保護而相互絮凝，從而大大提高了澄清效果。在使用果膠酶對果汁進行處理時要注意溫度、pH值等的影響，果膠酶使用量的確定，應(yīng)在小型實驗的基礎(chǔ)上找出最佳效果的使用量。

3．提高過濾能力

果酒的透明度是果酒質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。要獲得清亮透明的果酒，過濾是一項必不可少的工序，是將固相物質(zhì)與液相物質(zhì)分離的操作，其作用效果受被過濾物料的物理性質(zhì)，如液體黏度、固體顆粒大小等因素影響。在進行果汁或原酒的過濾時，如果黏度過大或者其中的固體顆粒過大，則很容易堵塞過濾層，使過濾能力下降。導(dǎo)致果汁黏度較大的主要原因是殘留的果膠物質(zhì)的作用，因此如果在過濾前的操作中利用果膠酶將這些物質(zhì)水解，降低果汁的黏度，就能提高過濾能力和加快過濾的速度。

4．改善果酒的色澤

一些果酒須有一定的色澤，如紅葡萄酒，因此色澤也是衡量果酒品質(zhì)的一項重要指標(biāo)。在這類果酒生產(chǎn)中必須提取出一定的色素物質(zhì)。果實中的色素物質(zhì)主要是花青素，存在于細(xì)胞的液泡中。如果在果漿或果汁中加入一定量的果膠酶，果膠酶能水解果膠物質(zhì)，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而釋放出花青素等色素物質(zhì)。

5．改善果酒的品質(zhì)

果酒釀造中使用果膠酶可以降低酒體黏稠度，提高出汁率和澄清度，提高香氣物質(zhì)、色素、單寧的浸出率，從而提高呈色強度，增加酒香，增強酒體的豐滿度，改善酒的品質(zhì)。鄒雪等研究了不同濃度果膠酶對藍(lán)莓半甜紅酒風(fēng)味成分的影響，結(jié)果表明，添加果膠酶處理后藍(lán)莓半甜紅酒的總酸、酒精度、色度值以及單寧含量均隨著果膠酶濃度的增高而增高；處理后酒體澄清透明有光澤，香氣濃郁，明顯優(yōu)于未添加果膠酶的藍(lán)莓半甜紅酒。李媛等以藍(lán)莓和紫薯為原料，對果膠酶解條件和藍(lán)莓紫薯復(fù)合果酒的發(fā)酵工藝進行了研究，確定了果膠酶酶解的最佳條件，即果膠酶用量為0.03%，酶解溫度為35℃，酶解時間為80min，發(fā)酵溫度為24.4℃，條件優(yōu)化后原酒酒精度為13.3%，改善了酒體中多酚類物質(zhì)的組成和呈色強度。

五、果膠酶使用中需注意的問題

果膠酶的添加在生產(chǎn)中可根據(jù)生產(chǎn)者的目的而進行，其添加也有不同的步驟。有的在水果破碎后的果漿中添加果膠酶，有的在水果壓榨后的果汁中添加；有時候在過濾過程中添加，有時候又在發(fā)酵過程中添加。選擇哪一種添加步驟要視生產(chǎn)者的生產(chǎn)目的和生產(chǎn)要求的不同而定。在實際生產(chǎn)中應(yīng)用時必須注意以下幾個方面的問題。

1．作用溫度

果膠酶的作用溫度一般為20～55℃，在此范圍內(nèi)每增高10℃，其活性增加一倍。當(dāng)溫度在55℃以上時，酶會很快失活。

2．作用pH值

在水果漿、水果汁及果酒的正常pH值范圍內(nèi)對酶制劑無影響，而當(dāng)pH小于2時，應(yīng)提高酶劑量。

3．果膠酶的添加量

酶的添加量應(yīng)視不同廠家的產(chǎn)品和生產(chǎn)目的，經(jīng)小樣試驗而定。

4．作用時間

作用時間取決于酶的添加量和反應(yīng)溫度，如果酶的用量減半，則反應(yīng)時間必須加倍。果膠酶制劑處理對提高出汁率的效果均隨作用時間的增加而增加。但并不等于處理時間越長越好，生產(chǎn)中處理時間的確定應(yīng)考慮到產(chǎn)品工藝的要求，如溫度變化程度的高低，設(shè)備的連續(xù)化程度等。

5．果膠酶溶液的配制

果膠酶為固體粉狀，一般配成1%～2%溶液，溫度不得超過50℃，溶解后立即使用，以不超過4h為宜。稀釋的果膠酶溶液能更好地發(fā)揮作用。根據(jù)果汁清與濁的程度來決定用量，通常為果汁的0.5% ～0.8%，也可超過此范圍。

6．鑒定果膠酶分解果膠質(zhì)的狀況

取一份果汁加兩份乙醇(96%乙醇與1%濃鹽酸的比例為99∶1配制)，若15min后仍有絮狀物出現(xiàn)，則果汁中仍有果膠。樣品中果膠的量以及果膠酶對果膠的分解程度，可以絮狀物的形成速度和數(shù)量進行評估。

六、其他酶在果酒中的作用

1．蛋白酶

果汁中含有少量蛋白質(zhì)和一定數(shù)量的酚類物質(zhì)，蛋白質(zhì)很容易與酚類物質(zhì)反應(yīng)，生成渾濁物和沉淀物。此外，在一些果汁如蘋果原汁(pH3.2～3.5)中，蛋白質(zhì)還因帶正電荷而能與帶負(fù)電荷的果膠物質(zhì)或與具有強水合能力的含果膠渾濁物顆粒聚合，形成懸浮狀態(tài)的渾濁物。因此必須在裝瓶前對果酒中的殘留蛋白質(zhì)進行處理，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。處理果酒中的蛋白質(zhì)常用皂土吸附法，這種方法雖然較有效，但是皂土吸附劑對于各種蛋白質(zhì)并沒有專一吸附性。如果利用外加蛋白酶來水解果酒中的蛋白質(zhì)，也能取得較好的效果，并且不同的蛋白酶對不同的蛋白質(zhì)具有專一性。此外，多數(shù)水果中含有的多酚氧化酶也容易使果汁或果酒發(fā)生氧化，不同程度地破壞果酒的色澤、風(fēng)味，使產(chǎn)品質(zhì)量下降，因此也有必要采取一定的措施以破壞多酚氧化酶的活性。

2．淀粉酶

對于一些淀粉含量較高的水果，如蘋果，在壓榨過程中和壓榨后，淀粉會進入果汁中，并在加熱時溶解，然后通過凝沉作用，以析出渾濁物的形式出現(xiàn)在果汁中。由于淀粉是一種典型的強水合性親水膠體，能夠覆蓋渾濁物顆粒，并使渾濁物顆粒在果汁中呈懸浮狀態(tài)，想要獲得滿意的澄清度和澄清穩(wěn)定性，必須用淀粉酶徹底將果汁中的淀粉水解。

3．糖苷酶

果酒的風(fēng)味是衡量果酒品質(zhì)的一項重要指標(biāo)。果酒的風(fēng)味物質(zhì)主要來自水果本身和發(fā)酵過程，酶制劑在這方面的應(yīng)用主要是針對前者。在水果中，風(fēng)味物質(zhì)以兩種形式存在，一種是以游離態(tài)形式存在，另一種是與糖類形成糖苷而以鍵合形式存在(即風(fēng)味前體物)。許多研究表明，萜烯類化合物是形成水果風(fēng)味的主要成分，這些萜烯化合物與糖形成糖苷而呈無芳香氣味的風(fēng)味前體物。這些風(fēng)味前體物即使在發(fā)酵過程中或在酒的貯存過程中都很穩(wěn)定，難以溶出，但是可以通過風(fēng)味酶水解作用將風(fēng)味物質(zhì)釋放出來，從而顯著增強酒的風(fēng)味。其中所用到的風(fēng)味酶主要有β-D-葡萄糖苷酶、α-L-鼠李糖苷酶、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶。