纤维素酶的研究进展及在饮料生产中的应用

随着人们生活水平的不断提高, 纯天然、高果汁含量的饮料成为行业发展的新趋势。

水果中富含纤维素且不易水解, 其结晶状刚性结构加大果汁加工难度。纤维素易被专性纤维素酶水解, 所以纤维素酶的研究成为饮料生产中的关注热点。

来源于黑曲霉(Aspergillus niger)的半纤维素酶(hemicellulase)和纤维二糖酶(cellobiase); 来源于黑曲霉、里氏木霉(Trichoderma reesei)、绿色木霉(Trichoderma  viride)等的纤维素酶(cellulase)在 GB 2760-2014 中允许使用。随着人们对食品安全的期望越来越高, 纤维素酶高安全性在食品加工中有着极大的优势。

01 纤维素酶的结构

纤维素酶是由多种水解酶组成的一个复杂酶系, 主要由葡萄糖内切酶、葡萄糖外切酶、β-葡萄糖苷酶3种酶组成(见表 1)。要把纤维素分子降解成葡萄糖, 需要3种酶共同作用完成。

02 纤维素酶在果汁饮料中的应用

2.1 柑橘汁生产中的应用

由于柑橘味道酸甜可口, 富含维生素C、叶酸和钾, 对人体健康有重要作用。但柑橘囊衣富含纤维素和有苦味的苷类物质, 简单的直接榨汁技术不能满足人们对柑橘汁品质的要求, 利用纤维素酶水解柑橘囊衣中的纤维素可得到完整的柑橘囊胞,生产污染远远小于传统生产工艺。

Baker研究表明, 柑橘果皮和果肉之间的黏附作用与果胶、纤维素和半纤维素有关。

Ben-Shalom利用纤维素酶水解柑橘内果皮中的囊衣部分,柑橘汁出汁率高且保持柑橘原有的味道和品质。

2.2 草莓汁生产中的应用

草莓富含多种天然营养物质且口感酸甜, 深受人们喜爱。但草莓结构松软,破碎以后草莓浆黏度太大且浆渣不易分离导致草莓汁得率极低。

一般工厂会采用果胶酶预处理原料，但国内果胶酶多为单一酶, 且主要用于果汁的脱胶和澄清等方面,不能充分释放出果浆中大量营养性可溶物, 极大影响草莓汁的营养价值。

万日余等采用绿色木霉菌株 YV95os 生产的纤维素酶制剂应用于草莓果汁加工与传统生产工艺相比,出汁率提高9.2%,压榨时间缩短15 min, 提高草莓汁的生产效率。

为降低草莓果汁中纤维素的聚合度、结晶度,增加纤维素的可及度、提高纤维素的反应活性可对果汁进行超声或酯化预处理。

2.3 芒果汁生产中的应用

芒果含有丰富多种营养物质,且香甜可口是世界五大水果之一, 素有热带水果之王的美称。但芒果采收期短、含水量高, 鲜果极易腐败变质。芒果汁是芒果深加工的主要产品形式。由于芒果富含可食性纤维和果胶,导致 果浆黏度大、出汁率不高; 纤维素酶和果胶酶水解果浆中的纤维素与果胶降低了果浆的黏度、提高出汁率。

Sreenath 等研究了纤维素酶和果胶酶对降低芒果浆黏度的影响, 发现丹麦产的 Ultrazym100 对芒果浆黏度的降低效果最好,可使黏度降低82%, 果胶酶和纤维素酶同时使用时能将出汁率提高 8%～10%。

李昌宝等以“象牙”芒果为原料,用纤维素酶和果胶酶对果浆进行处理,当果胶酶添加量0.01%、纤维素酶添加量0.007%时, 芒果的出汁率最高可达 71.15%。

2.4 菠萝汁生产中的应用

菠萝多汁且味道酸甜可口,富含多种营养物质深受消费者喜爱。但是,菠萝生产季节性强,收获期较为集中,含水量高, 呼吸强度大,在贮藏、运输过程容易腐烂变质。

菠萝汁加工是菠萝深加工的重要生产方式。但现有的菠萝汁加工无法得到澄清菠萝汁。而引起菠萝汁浑浊的主要物质是纤维素和果胶物质。陈渝等研究了果胶酶和纤维素酶对菠萝汁澄清效果,未经处理的菠萝汁在20℃时的透光性为40%, 在30℃条件下使用8.84 U/100 mL果胶酶、42.13U/100 mL纤维素酶处理菠萝汁40 min可得到透光性为87%的果汁。

2.5 牛心柿汁生产中的应用

牛心柿果富含多糖、纤维素、有机酸及矿物质和人体必需氨基酸,具有很高的食用价值和药用价值。

但柿果中富含纤维素和多糖类物质,果浆黏度大。工业榨汁机械挤压果浆出汁率低,产品质量差。采用纤维素酶处理柿果果浆,能够大大减少果浆中的纤维素含量,使果浆黏度降低。

王军等采用陕西牛心柿为原料在50℃条件下用0.20%的果胶酶和0.03%纤维素酶对牛心柿果浆处理5h出汁率为74.9%。

03 展望

在食品加工中, 利用纤维素酶预处理水果原料生产果汁饮料相对于传统的水果饮料加工不仅减少了水果营养的损失,改善了口感,更利于消化吸收,节约了加工时间和成本, 减少环境污染等。

同时,纤维素酶的利用不仅仅只使用在水果的深加工方面,在发酵、酿造及新型能源的开发研究上也有使用。并且利用纤维素酶把纤维素废渣回收利用变废为宝是开辟食品工业的原料来源的未来发展方向之一。

目前纤维素酶已经广泛地应用在包括食品在内的各个不同行业。纤维素酶的生产最大的瓶颈问题是菌种的产酶条件优化以及工业生产中酶活不高且耐酸碱性差。

采用诱变育种结合基因工程等手段有望逐步解决此类问题。而探究多种微生物协同作用来降解纤维素,有针对性的选择酶种类和复配酶来提高产品品质也是纤维素降解菌剂发展的趋势。