酶膜反应器及其在食品工业中的应用

酶膜反应器及其在食品工业中的应用 许牡丹 檀志芬 (陕西科技大学生命科学与工程学院 成阳 。712081) 摘要：酶膜反应器把酶促反应的专一性和膜分离过程 高效融合，创造出有利的过程热力学和动力 学，因而具有反应和传质速度快、条件温和、选择性 高、易于连续化和 自动化、操作和设备成本 低等特点。概述 了酶膜反应器的原理，特点及分类，重点介绍了其在食品工业中的应用。 关键 词：酶膜反应 器；酶促反应 ；分 离；应 用 中图分类号 ：TS206．6 文献标识码 ：A 文章编号 ：1005—9989(2003)10—0056—04 Enzyme membrane reactors and its application in food industries XU M u．dan TAN Zhi．fen (Shanxi University of Science&Technology，Life Sciences &Engineering College，Xianyang，71 2081) Abstract：Enzyme membrane reactor can create favorable thermodynamics and kinetics by combining the high selectivity of enzymatic reaction and high efficiency of membrane separation process，and thus possesses the following main features：high reaction and mass transfer rates，mild rea~ion condition，high selectivity，and smooth continuous operation and automation，low operation and equipment cost．The conception，distinct features and different classification of enzyme membrane reactor were generally described．Emphases its application in food Industries． Key words：enzyme membrane reactor；enzymatic reaction；separation；application 0 前言 酶膜反应器是膜和生物化学反应相结合的系统 或操作单元，依靠酶的专一性、催化性及膜特有的 功能，可在生物反应过程中实现反应与反应的耦合， 产物的原位分离、浓缩和酶的回收利用于一体，从 而达到改变反应进程、控制反应过程、减少副产物 的生成、提高产品得率等 目的。自20世纪 60年代 末 Blatt等人首次提出了酶膜反应器的概念后，在近 40年的时间内，酶膜反应器在生物、医药、石化、 食品、环境、农业等许多领域得到了越来越广泛的 应用【l】。本文概述了酶膜反应器的原理、特点及分 类，重点介绍了其在食品工业中的应用。 1 酶膜 反应 器的原理 酶膜反应器是以膜作为固定化酶的载体，进行酶 收稿 日期：2003-08一lO 作者简介：许牡丹(1963一)，女，副教授 ，研究方向为食品生物技 术与分析检测。 促反应的同时，利用膜的选择性透过作用，在有外 推力(压差、电位差等)的情况下，实现产品的分离、 浓缩和酶的回收再利用。对于一个成功的连续操作 的酶膜反应器而言，要求酶在反应体系中完全截留， 截流率为 100％，以保证酶完全留在反应体系中：对 催化的反应产物应能在浓缩梯度或压力差下通过扩 散或传导透过膜微孔，使产物不断的得到分离且要 求产物的截留率为 0，若产物是一类低溶解度的易 沉淀物质，产物在反应过程中一直存在于反应体系 中，可达到很高的产物得率。 在酶膜反应器中，酶通常以两种形式存在，可 溶或不溶状态处在膜的表面或微孔中，通过物理吸 附、包埋、共价键合和化学交联等方法将酶固定在 某些媒介上(如惰性蛋白质、凝胶、脂质体等)或直接 固定在膜上 ，使酶处于膜的某一空间范围内。在多 相反应体系中，酶通常固定在膜亲水的一侧或膜内， 但是对某些酶如酯酶则固定在膜朝向疏水的一侧。 维普资讯 http://www.cqvip.com 一t | 超滤(UF)膜 的孔径 分布范围为 1—100nm，分子 量切割(NMWCO)为 500 100000道 尔顿 ，而酶 的分 子量范围是 10000—100000道 尔顿 ，因此 ，超滤膜特 别适用于酶膜反应器，尤其是具有高的通透率、易 清洗等优点的非对称性超滤膜在工业中已得到大规 模的应用。在选择膜时，不仅要考虑酶底物、产物 的分子大小，而且还应考虑它们在溶液中的化学特 性以及膜本身的特性如膜材料的形态、孔度、孔径 分布、截留分子量大小、化学稳定性、适宜的 pH 值范围、热稳定性、耐压的能力、是否影响到酶的 活力、膜的价格等因素 。 2 酶膜反应器的分类 按酶与底物的反应方式分 ，酶膜反应器包括扩 散式、超滤式、异相反应式三种，如图 1所示。 E+(S)+P S S2 P2 (III)异相反 应 式 图 1 酶膜反应器的三种形式 在(I)中，底物由进料液侧经扩散透过膜与酶接 触反应，产物则从酶溶液侧透过膜返回底物溶液中， 酶一般被固定在大量对称膜的海绵层中。在(II)中， 底物 S不断向酶溶液侧输入，产物 P则随着溶液向 透过液侧移动而被分离出去。在(III)中，Sl、S2分 别为水难溶和水溶性底物，Sl在由微孔膜稳定的界 面 上反应 。 超滤式酶膜反应器有三种操作方式：(a)循环 式；(b)末端式；(c)渗析式。如图 2所示。 s一 单 (a】 滤单元 (c) 图 2 超滤式酶膜反应器的三种操作方式 循环式最典型的结构是搅拌反应器与膜组件结 合在一起，反应器中的酶与底物由供料泵送往膜组 件 ，被截留在膜上的酶和未反应的底物由循环泵输 回反应器继续利用。末端式酶膜反应器操作简单， 常在实验室中用于检验反应机理等。渗析式酶膜反 应器，底物被输入反应器中酶液一侧，产物则透过 膜进入另一侧，两侧的溶液分别以大体相同的流速 循环，这种方式传质效率低，应用受限。 3 酶膜反应器的特点 酶膜反应器较传统反应器具有如下特点： (1)酶促反应具有较高的反应速率和选择性； (2)膜作为酶的固定化载体 ，可 以使酶在类似 于生物膜的环境中高效发挥作用； (3)反应产物能及时从反应区域移出，可有效 地消除产物抑制和副反应； (4)在反应中酶可重复利用 ，有利于降低生产 成本，提高生产效率； (5)对油水等多相反应系统 ，生物催化膜反应 器为它提供充分的接触反应界面，并在反应完后油 水进行即时分离，不会带来传统反应器产生的乳化 问题； (6)易于连续化和 自动化控制，易于与反应过 程集 成和组合 ； (7)反应、分离、浓缩一体化，降低产品在下 游加工中分离纯化的费用； (8)在实验研究中，超滤生物催化反应器是研 究反应动力学、产物抑制、底物抑制、酶失活的一 种强有力手段。 4 酶膜反应器在食品工业中地应用 酶膜反应器在食品工业中主要应用于淀粉、蛋 白质、纤维素水解生产麦芽糖、异麦芽低聚糖、多 肽 、氨基酸、牛乳中乳糖的降解和乳清的再利用、 用油脂生产食品添加剂、果汁的澄清、肉类嫩化及 一 些生物活性物质的合成等方面。 4．1 在乳品工业 中的应用 牛乳和乳清中含大量乳糖，世界上有相当的人 属于乳糖不适者 ，乳糖不易发酵、溶解度较低，在 冷冻制品中易形成结晶，影响食品的加工性能，液 态牛乳在通过管道进行高温瞬时杀菌时，乳糖的存 在会产生胶状物堵塞管道 ，并且乳清中大量乳糖使 乳清 的排放造成很大的环境污染等问题 。Jone、 BoUen等分别将 B．半乳糖苷酶固定于中空纤维膜卷 式膜上水解牛乳中乳糖处理乳清，生产低聚糖牛乳 和婴儿食品等，这种方法与常规固定化方法相比其 初始化速率提高了 l一3个数量级，扩散阻力低、传 质效率高、短暂的时间即能达到相当的乳糖转化率， 并能使乳糖的转化与高分子蛋白质的回收用简单的 步骤即可完成。具有双歧杆菌增殖作用的低聚半乳 阐 阐 P S 维普资讯 http://www.cqvip.com 爱 品 技 ■ 糖可用 B一半乳糖苷酶转化乳糖来合成，1995年， Miguel[2】用多微孔的 PVC膜将米曲霉的 8．半乳糖苷 酶固定，使乳清超滤浓缩液连续流过反应器，当乳 糖转化率为 25％～40％时，可得到较高的低聚半乳 糖。Ismail Y．s[31等 1998年用酶膜反应器研究低聚半 乳糖合成，通过不断去除反应过程中生成的单糖， 解除其阻遏作用，提高了低聚半乳糖的产率。 4．2 在淀粉糖生产中的应用 淀粉糖生产中 目前所用的反应器存在着体积 大、生产周期长、酶只能利用一次、生产不连续、 不同批次生产的产品质量有变化等缺陷。酶膜反应 器集催化反应、分离，浓缩、催化剂回收和利用于一 体，能有效克服普通反应器的缺陷。20世纪 70年 代初，不少学者已经开始研究酶膜反应器在淀粉水 解中的应用。Butterworth et al[4l最早将末端式平膜反 应器用于 B一淀粉酶水解预糊化的粘玉米淀粉的实 验。Closset et al[ 1用管式膜反应器代替平膜反应器 研究，实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 酶膜反应器比普通反应器效率更高， 操作性能更好，但在实验过程中，膜通量持续降低， 始终不稳定。Gaouar et al[6l在中空纤维酶膜反应器 中水解液化淀粉生成麦芽糖，与固定化酶生产麦芽 糖比较，产量提高5～25倍，转化率提高了10％～20％。 Yi-Hsu Ju et al[71对 淀粉酶固定在中空纤维酶膜上 液化可溶性淀粉进行了研究，展示了膜反应器在淀 粉糖工业中的新用途。虽然固定化后酶活降低，但 实验结果显示，9．5min 内(平均值)淀粉即可被水解 至 DE值 12。此种方法可用于实际生产中。李吴等 人[8】采用聚砜 中空纤维酶膜反应器，运用 淀粉酶 和异淀粉酶双酶协同作用以木薯淀粉为原料来制取 麦芽低聚糖，获得最终产品M3~6含量达到70％以上。 试验表明酶膜反应连续化新工艺大大节省酶用量及 缩短 反应 周期。另据 文献报道 ，用酶膜 反应器水解 淀粉生产糖浆，与间歇釜反应器相 比较，后者所用 时间为前者的 8倍。 4．3 在生物活性肽合成中的应用 生物活性肽是一种比较重要的活性物质，可制 作成功能性饮料、食品及 口服液等。目前，生物活 性肽的合成主要有三个途径：(1)重组 DNA技术； (2)化学合成法；(3)酶促合成法。酶促合成可避免外 消旋作用，并能保护具有功能性氨基酸的侧链，是 生物活性多肽最有优势的合成方法 。酶膜反应器为 酶促合成反应提供 了广 阔的发展 空间。Prazeres D．M．Ftgl等 1999年报道将胰蛋 白酶包囊化于溴化十 四烷基甲胺(TTAB)／庚烷，正辛醇反胶团中，以易溶 于水的亮氨酰胺和易溶于有机相的乙酰苯丙氨酸乙 酯为底 物，在陶 瓷膜反应 中进行 了二肽 Ac—Phe— Leu．NH，的合成。由于二肽能够选择性地从反应体 系中沉淀析出，从而实现了酶促反应与产物分离和 有效集成，二肽得率达到 70％～80％，纯度>92％， 酶的催化活性在 7d内基本不衰减。我国姜思义【m 2001年报道，利用酶膜反应器进行二肽N．Ac—L—Phe— L—Leu—NH2的合成研究。N一乙酰一L一苯丙氨酸乙酯 (APEE)的正辛醇溶液从聚丙烯腈 中纤维膜 的管程 通入并循环，L．亮氨酰胺的磷酸盐缓冲液(pH=7．8) 从中空纤维膜的管程通入并循环。两股进料液扩散 进入膜孔后，由固定在膜中的脂肪酶催化而生成二 肽，二肽依据其溶解度被分配在水相或有机相中， 当超过饱和溶解度后从液相沉淀出来，从而纯化， 实现了酶促反应与分离纯化的有效耦合而达到较高 的效率，酶的初始反应速率为 6．6nmol／min，产品得 率为 90％。Hlorsheimer成功地用酶膜反应器研究了 0c一胰凝乳蛋 白酶合成 L—Trg—L—Arg。Givibo则在此基 础上把酶膜反应器体积放大到 0．2L，在 150L溶液 纯化可得到 273g L—Trg—L—Arg。 4．4 在饮料生产中的应用 胶质是 D一半乳糖醛酸一定程度的甲基化得到 的线形聚合体，胶质和糖(半乳糖、树胶醛糖和鼠李 糖)的相互作用反映了果汁的浓度和粘度。果胶酶 (水解多聚半乳糖醛酸链)和果胶酯酶(水解胶质的酯 键产生果胶酸)用于降低果汁粘度，果胶酶固定在膜 反应器上使酶可重复利用并通过横流超滤控制澄清 过程中的膜污染问题[1¨，把酶固定在膜上(聚砜螺旋 卷组件)与溶液中的游离 酶相 比，渗透量提高了 30％，然而，稳态弥散流需要进一步提高来满足大 规模应用，其它影响渗透量的参数有：(1)固定的生 物催化剂的数量；(2)流膜压力；(3)轴向压力；(4) 操 作方 式 H1。 酒中的多酚化合物影响酒的色泽和风味，漆酶 氧化溶液中的多酚物质来稳定酒类【l ，固定化花色 素酶于合成或天然聚合物上水解花色素来稳定酒类。 在酒成熟过程中，二次发酵把苹果酸转化为乳 酸 ，使反应产品具有好 的感官特性 。Leuconosfic cenos的细胞固定于横流超滤聚丙烯毛细管膜上，酒 沿膜组件循环，渗透物在一侧收集，控制膜上的细 胞密度和酒通过膜的时间来控制转换，酒的 pH 值 从 3．4提高到 4．2，提高了酒的风味，因为高 pH值 阻止蛋白质在 口中的沉淀。 4．5 在食品添加剂生产中的应用 酶膜反应器在食品添加剂方面的应用主要表现 在生产氨基酸、有机酸、乳化剂及香味物质等。 维普资讯 http://www.cqvip.com j Ij 在许多氨基酸和有机酸酶法合成时，一些酶在 进行 反应时 ，需要 辅助因子如 NAD 、NADP 、ATP、 辅酶 A来协助完成共价键生成、能量传递、基因转 移和氧化还原反应，但这些辅助因子通常价格昂贵， 若在反应系统中不能再生，将大幅度增加生产成本。 由于酶膜反应器可允许同时固定化几种酶在膜上协 同催化反应或允许几种底物在膜上发生系列反应， 可实现酶催化的串联反应，辅酶或辅助因子的再生 降低 了生产成本。利用酶膜反应器 已合成L．丙氨酸、 亮氨酸、L．乳酸、甘露酸等。其中L．亮氨酸脱氢酶 转化丙酮酸 为 L．丙氨 酸的过程 已大规模 生产 。 NADH为参加该反应的辅助因子，并依靠甲酯脱氨 酶将 NAD 再生 为 NADH，同时 NADH 固定在 PEG 上，维持膜反应系统。每一辅基分子循环利用达 5O 万次。 利用酶膜 反应器 以脂酶通过水解 油脂合成甘 油 一 酸酯、甘油二酸酯、甘油磷脂等。脂酯在相界面 可得到活化，尤其是在多相酶膜反应器中脂酯活性 可 显著 提高 ，因为这 有利于酶和底物 的界面接触 。 这类反应器使两个互不相溶的相分别流过膜的两 侧 ，一种底物通过膜与固定在膜另一侧的酶分子结 合，反应在界面上发生，不产生乳化 问题。 底物 产 品 图 3 用于水解油脂的中空纤维酶膜反应器 图 3为中空纤维酶膜水解油脂生产乙酸乙酯的 示意图，该膜为亲水膜，脂肪酸被固定在膜的内侧 ， 油相走膜的内侧 ，通过泵循环，水相走膜的外侧， 也用泵循环，油相循环引起的高压足以保持两相分 开，所以水分子不会透过膜而进入脂相。Giorn[H】 等人于 1998年报道了用传统乳浊液搅拌槽式反应 器(STR)和有机一水两相酶膜反应器制备脂肪酸的试 验研究结果表明：传统乳浊液搅拌槽反应器反应速率 明显高于酶膜反应器，分别是 6．8和 4．5mmol／L·h， 且酶膜反应器中酶的催化活性稳定，在两周内都没 有衰减，并可连续操作。 参考文献： 【l】 Ho W S，Sirkar K K．Membrane Handbook[M]．New York：Van Nostran d Reinhold，1992：353．413 【2】 Miguel H，Leiva L，Guzman M．Process Biochemistry， 1995，30：757．762 ■ 曩l品 技 】I【 【3】 Ismail Y S，Foda R M I，Lopez-leiva M H．Food Chemi stry，1998，62：141-147 【4】 Butterworth T A，et a1．Biotechnol Bioeng，1970，12： 6l5．63l 【5】 G P Closset，et 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pH值较为接近)，水解效果较好。 4．3 黄花鱼水解过程中加入 6％的盐，防止醪液在 反应中腐败变质，并利于鱼露独特鲜味的形成。 4．4 正交试验结果说明，最佳风味料配方为洋葱粉 4％，姜粉 2％，白砂糖 4％，黄酒 3％，味精 1％， 胡椒 1％。 4．5 鱼露产品含水分 95％，粗蛋白2．31％，粗脂肪 0．86％，总酸 5．74，可溶性固形物 10．3％。 本实验探索了鱼露生产的新工艺并得到了相应 的配方，开辟了一条加工天然海鲜调味品的新途径。 参考文献： 【l】 宋刚．新型复合调味品生产工艺与配方．北京：中国轻 工业 出版社．1997：236．243 【2】 高福成 ．新 型发酵食 品．北京 ： 中国轻 工业 出版 社 ．1998(5)：81-83 【3】 孙俊华．酶法水解虾壳蛋白的进一步研究．中国调味 品 ， 1996， 17(12)： 12-16 【4】 梁惠，张秀珍．山东省常见海产品蛋白质氨基酸含量 分析．海洋科学，1999，l3(6)：1-4 蘸 量蘸 维普资讯 http://www.cqvip.com