酶制剂在面条加工中的应用
面条是中国的传统主食， 在中国人的食品结构中占有重要的地位， 经过多年的发展在全国各地形成了诸如刀削面、拉面、烩面等风味各异、颇具地方特色的面食，近些年更是产生了诸如方便面、挂面、杂粮面等新的面条品种[1]。面条加工中使用的食品添加剂对面条的烹煮品质、食用品质、感官品质、储存性能起到很大的改善作用， 成为面条加工中不可或缺的一部分。随着生活水平的不断提高和食品安全意识的增强， 消费者不仅对面条的质地品质如弹性和韧性的要求愈来愈高， 对面条的安全健康和营养价值也提出了更高的要求。然而， 目前使用的面条添加剂如增白剂、强筋剂、抗氧化剂等大多是由化学改良剂组成， 存在安全隐患。许多国家对化学改良剂的使用进行了限制甚至予以禁用。2005 年开始， 我国已经严禁在面粉及面制品中使用溴酸钾作为强筋剂，2011 年， 偶氮甲酰胺也被禁止用于面制品增白[2]。因此，食品行业和消费者迫切需要健康安全的面条添加剂， 而酶制剂作为一种天然的生物制品，在面条的加工生产中有着广泛的应用前景。
与传统的改良剂相比， 酶制剂具有显著的优越性：首先，它不会存在有害的残留物质；其次，酶的催化反应具有高度专一性和高效性；再者，酶反应条件温和、易操作、能耗低，减少营养成分损失[3]。酶制剂可以提高面条的营养品质、风味特性及质构特性，面条加工中使用的主要酶制剂有转谷氨酰胺酶、葡萄糖氧化酶、木聚糖酶、脂肪酶、脂肪氧合酶等，它们在改善面条筋道、色泽、口感方面有相应的辅助作用。
1· 转谷氨酰胺酶（Transglutaminase，EC2.3.2.13）
转谷氨酰胺酶，又称谷氨酰胺转胺酶，是一种催化酰基转移反应的转移酶，广泛存在于动、植物和微生物体内[4]。转谷氨酰胺酶可催化在蛋白质以及肽键中谷氨酰胺残基的γ-羧酰胺基和伯胺之间的酰胺基转移反应（图1），当赖氨酸残基的γ-氨基作为酰基受体时， 蛋白质在分子内或分子间形成ε-(γ-谷氨酰基)-赖氨酸共价键， 使得蛋白质分子发生交联；当不存在伯胺时，水分子会成为酰基的受体，谷氨酰胺残基脱去氨基， 可以改变蛋白质的等电点及溶解度[4]。
Tang 等[5]研究报道谷氨酰胺转氨酶能够交联面筋蛋白，生成大分子量的聚合物，这些聚合物的形成能够产生较强的面筋网络， 并提高其物理化学性质以及流变学性质。转谷氨酰胺酶应用于面条中，促使面筋中ε-(γ-谷氨酰基)-赖氨酸异肽键形成分子内和分子间的网状结构， 促进非面筋蛋白与面筋蛋白之间的交联作用，加强面筋网络结构，改善面团的流变学性质，延长粉质稳定时间，改善面团的延伸性、弹性及持水率，增大面筋网络的持气性，从而提高面条的品质[6-7]。Wu 等[8]、Shiau 等[9]研究发现面筋网络结构经转谷氨酰胺酶交联而加强， 面团中的淀粉就更好地被包裹在此网状结构中， 面条在烹煮后释放进入沸水中的固形物减少了，减少了淀粉的损失，导致面条的表面黏性下降，面汤的浑浊度降低；且TG酶形成的共价交联结构较耐热， 在热汤中面条可较长时间维持面筋网络结构，提高面条口感[9]。王晶晶等[10]通过转谷氨酰胺酶处理面筋蛋白制备脱酰胺面筋添加到面条中， 发现脱酰胺的面筋蛋白分子直接发生了交联，改变了蛋白质质构，有助于形成良好的面筋网络结构。此外， 转谷氨酰酶用于油炸方便面时, 可降低方便面吸油率, 从而减少方便面热量[11]。Jone 等[12]通过利用TG 酶作用以研究面糊流变性和吸油率间关系，测定结果表明，经TG 酶处理可降低吸油率达19.6%。
转谷氨酰胺酶促使蛋白质发生交联的条件是底物蛋白质需要含有一定量的赖氨酸和谷氨酰胺，同时底物蛋白的结构也对会其催化效果产生影响[13]。由于赖氨酸为小麦粉的第一限制性氨基酸， 转谷氨酰胺酶在催化过程中可能会存在底物浓度不足的问题。此外，面粉品质的差异导致面粉中氨基酸种类和含量的差异， 对转谷氨酰胺酶的催化作用产生很大的影响。转谷氨酰胺酶的复配研究可能解决底物不足的问题，如复配中加二硫苏糖醇，打断蛋白质二硫键，暴露出更多的可供转谷氨酰胺酶催化的位点[14]。
2· 葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，EC 1.1.3.4）
葡萄糖氧化酶在氧气存在条件下能催化α-D-葡萄糖转化为δ-D-葡萄糖内酯, 同时产生过氧化氢。关于葡萄糖氧化酶对面团的作用机理尚未达到共识，大多数学者认为过氧化氢是一种很强氧化剂,在过氧化氢酶的催化作用下能将蛋白分子中巯基（-SH）氧化为二硫键(-S-S-)，从而增强面筋强度[15]，其催化机理如图2 所示。大量流变学研究[16-18]表明葡萄糖氧化酶可改善面团的粉质拉伸及动态流变学特性， 这些研究为葡萄糖氧化酶是通过氧化-SH 生成-S-S-增强面筋强度的理论提供了佐证。但是，也有学者对此观点提出质疑，Vemulapalli 等[19]最先发现了葡萄糖氧化酶对面筋蛋白并不起作用，Rosell[20]等使用毛细管区带电泳分析面粉蛋白， 发现葡萄糖氧化酶对麦谷蛋白没有影响。此外，也有学者[21]认为葡萄糖氧化酶氧化作用过程中产生的H2O2在过氧化氢酶存在的情况下，产生自由基，可以促进小麦粉中水溶性戊聚糖的阿魏酸活性双键与蛋白质、氨基酸残基上的巯基发生交联形成蛋白多糖复合大分子，增强面团的网络骨架，使水溶性部分相对粘度增大，从而提高面团的持水性。
葡萄糖氧化酶在增强面筋方面效果显著， 可以取代禁用的面筋增强剂溴酸钾[22-23]。单成俊等[24]将葡萄糖氧化酶和脂肪酶用于面条制品， 利用葡萄糖氧化酶和脂肪酶催化蛋白质之间交联， 形成更加稳定的面筋网络结构。葡萄糖氧化酶在面条的食用品质上表现为表面结构更加致密，适口性好，富有咬劲和弹性，口感光滑。张剑等[25]、杨春玲等[26]研究发现，葡萄糖氧化酶提高面条的硬度和弹性，减小黏附性，使面条的黏弹性得到很大改善， 有利于面条综合品质的提高； 葡萄糖氧化酶还可以提高面条的抗剪切能力，使它口感更劲道，耐煮性得到加强，使面条烹煮后表面不塌陷、不糊汤。此外，葡萄糖氧化酶还能够改善面条的色泽。面条的颜色是面条的感官评价的一个重要指标， 影响面条的因素主要是面粉中胡萝卜素的含量。胡萝卜素属四萜类化合物，分子中存在共轭双键结构，对氧敏感而不稳定。葡萄糖氧化酶与小麦粉中的葡萄糖作用后产生过氧化氢， 过氧化氢氧化面粉中含有的胡萝卜素、叶黄素等植物色素，从而达到对面粉漂白的效果。
添加葡萄糖氧化酶后,增强面筋强度，面团的强度大大增强,但葡萄糖氧化酶添加量过大时,结果却适得其反，面团的脆性会增强，达不到增强面筋的作用目的[27]。杨春玲等[26]研究表明，过量添加葡萄糖氧化酶和脂肪酶虽对人体健康不构成危害， 但均会影响面粉品质使面团发粘或变硬，甚至使面团崩溃，严重影响面条品质。葡萄糖氧化酶在实际的生产应用方面也存在着缺陷：在体系中稳定性较差，容易发生物理化学变性； 缺乏高产葡萄糖氧化酶的菌种及酶的大规模生产制备技术等。因此，关于葡萄糖氧化酶今后的研究应集中在： 阐明葡萄糖氧化酶在面条中的作用机理，研究除了催化二硫键的形成外，是否对面粉蛋白的其它氨基酸， 以及面粉中的多糖产生作用；筛选或突变获得优良菌株，以便大规模地工业化应用[28]。
3· 木聚糖酶（Oxylanase, EC 3.2.1.8）
小麦粉中的非淀粉多糖主要是戊聚糖， 化学结构上属于阿拉伯木聚糖， 根据其在水中溶解性的不同常将其分为水溶性阿拉伯木聚糖和水不溶性阿拉伯木聚糖。阿拉伯木聚糖在小麦面粉中的含量虽然很低(面粉干基的1.5%~3%)，但对面粉的品质,面团的流变学特性以及面制品的品质等有显著影响[29]，如改变烘焙面包的色泽[30]、延缓面制品的老化[31]等。
木聚糖酶能够促使部分的水不溶性阿拉伯木聚糖溶解，其使得面团的持水能力下降，从而促使面团中其他组分中的水分重新得到分布， 使面团能够形成更好的面筋网络结构、增加面团的延伸性；而面团延伸性的增强也会反过来增加面团水相的黏度，面团的黏度上升又会使得面团内聚力增强，弹性增大，进而提高面条机械加工性能，改善面条品质[32~33]。张勤良等[34]研究证明，添加一定量的木聚糖酶，能够改善面团的弹性稳定性和对过度发酵的耐受性， 使得面粉的粉质，面团的揉制都得到改善，增加了面制品的抗老化作用，延长了货架期。Wang 等[35]、王霞等[36]的研究表明，戊聚糖酶（主要是木聚糖酶）与葡萄糖氧化酶具有协同效应， 前者水解面团内的大分子水不溶性阿拉伯木聚糖， 生成链较短的可水溶性阿拉伯木聚糖， 水溶性阿拉伯木聚糖在葡萄糖氧化酶的作用下发生链间交联形成凝胶， 可以用来改善面条延展性及品质。
虽然木聚糖酶的添加能够改善面条的品质，但是过量的木聚糖酶会使面团中的水分过多释放而影响面条的质量。这是因为添加过量的木聚糖酶在面团揉制过程中， 水不溶性阿拉伯木聚糖的增溶速率较快，水溶性阿拉伯木聚糖过度降解，进而使得面团的内聚力下降，黏度过高，稠度下降，同时面团的抗延伸性也下降， 进而影响面条的品质。对于不同品种、不同产地的小麦粉，因其非淀粉类多糖的含量不同， 在面条加工过程中木聚糖酶的添加量也是不同的。因此，在面条的加工制作过程中，要控制好木聚糖酶的添加量。
4· 脂肪酶（Lipase，EC 3.1.1.3）
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， 它们在对面条的改善过程中起到乳化剂的作用[37]。它们能与淀粉结合形成复合物，从而有效阻止淀粉分子之间的重结晶， 并且使小麦类脂与面筋蛋白质相互作用，形成更好的面筋网络，从而延缓淀粉的老化，保持面条柔软，有弹性。因此，脂肪酶的加入能够起到改善面条的咀嚼性、粘附性、耐蒸煮性以及保鲜的作用。
在面条加工中，脂肪酶可以改变面粉中的淀粉、蛋白质、脂质之间的配比，形成脂质和直链淀粉的复合物，增强面筋蛋白强度，抑制淀粉颗粒的溶胀和直链淀粉在煮熟过程中的渗出现象[38]。在面条专用粉中加入脂肪酶，可减少面团上出现斑点，改善面带压片挤出过程中颜色的稳定性， 同时还可以提高面条的咬劲，使面条在水煮过程中不粘连、不易断，表面光亮滑爽[39]。杨春玲等[26]研究发现葡萄糖氧化酶和脂肪酶具有很好的协同效果， 当这两种酶以合适的比例添加到面条粉中，不但面条的咬劲得到提升，在面条的颜色、透明度上都得到很大改观。
脂肪酶通常与少量脂肪一起使用，不然，面粉中脂肪含量太低而达不到脂肪酶催化的效果。脂肪酶对面条的色泽也具有一定的改善作用， 可以代替已经禁用的面粉增白剂过氧化苯甲酰[40]。但作用机理目前尚不明确，王显伦等[41]认为可能有两方面原因，一是由于脂肪酶水解脂肪产生的脂肪酸在面团中氧及氧化物质的条件下被氧化为过氧化物， 氧化面粉中的胡萝卜素，使之变白；二是脂肪酶水解产物具有的乳化剂和加强面筋网络能力，使结构更加细腻，改善了视觉效果，表现为色度增加。赵艳丽等[39]认为脂肪酶能使其水解产生脂肪酸和二酯或一酯， 脂肪乳化酶能水解极性和非极性脂肪， 产生极性更强的类似乳化剂硬脂酰乳酸钠和二乙酰酒石酸单甘酯的产物。脂肪酸作为面粉内源性脂肪氧化酶的底物，通过氧化反应，将面粉中的有色物质漂白，从而增加面条的白度。
5 ·脂肪氧合酶(lipoxygenase，EC 1.13.11.12)
脂肪氧合酶是一种含非血红素铁的蛋白， 酶蛋白由单肽链组成，专门催化具有顺，顺-1，4 戊二烯结构的不饱和脂肪酸的加氧反应， 形成具有共轭双键的氢过氧化物，这些氢过氧化物性质活泼，是重要的化学反应中间体，主要存在于豆科植物中[42]。
脂氧合酶能催化氧化不饱和脂肪酸形成氢过氧化物， 氢过氧化物氧化蛋白质分子的-SH 形成二硫键-S-S-，并能诱导蛋白质分子聚合，使蛋白质分子变得更大，从而起到增强面筋的作用[43]，作用机理如图3 所示。Toyosaki 等[44]通过SDS-PAGE 的方法研究了脂肪氧合酶对面筋蛋白的聚合作用， 结果表明经脂肪氧合酶处理的样品，经SDS-PAGE 检测出的分子质量明显高于对照组。同时，脂肪氧合酶还可以通过偶合反应破坏胡萝卜素的双键结构， 从而使面条增白， 可替代强筋剂溴酸钾及漂白剂过氧化苯甲酰的用量。Cato 等[45]通过对白盐面条添加内源性脂肪氧合酶和外源性脂肪氧合酶， 比较面条的质构和色泽变化，发现脂肪氧合酶和面筋蛋白聚合，能够减少面条加工储存过程中的断条率和损失率， 并且面条的色泽得到很好地改善。
随着研究的深入， 学者们推测脂肪氧合酶与面筋筋力相关因素———面粉中淀粉多糖以及面筋蛋白中的氨基酸有着密不可分的关系， 但是缺乏有力的实验证据。目前对于脂肪氧合酶的研究大多还局限在其对面团流变学和拉伸性能等宏观变化方面[46]，没有对强筋机制进行深入研究。而且，目前商品化的脂肪氧合酶纯酶提取工艺复杂，价格昂贵，制约了脂肪氧合酶应用前景。因此，接下来对于脂肪氧合酶的研究应集中在： 对脂肪氧合酶的单一组分与面筋蛋白、面粉中多糖之间的酶促机制进行全面、深入的研究；探寻能获得低成本、高纯度的酶的研究材料，为脂肪氧合酶在面条工业中的应用提供便利。
6 ·其它酶制剂
α-淀粉酶又称α-1,4-D-葡萄糖-葡萄糖苷水解酶，是一种重要的淀粉水解酶，它以随机作用方式切断淀粉、糖原、寡聚糖或多聚糖分子内的α-1，4 葡萄糖苷键，产生麦芽糖、低聚糖和葡萄糖等。α-淀粉酶水解面条中的淀粉分子， 使直链淀粉和支链淀粉的比例发生变化，低聚糖、糊精的含量增加，口感发粘[47]；直链淀粉和支链淀粉中裂开的键有助于支链淀粉-脂肪复合物的形成，可以起到抗老化的作用。蛋白酶可以分解面条中的蛋白质， 使面筋的数量减少，会导致面团的吸水率、形成时间、稳定时间下降，弱化度提高，延伸性和抗延伸性都下降[48]。它专一地作用于蛋白分子，对面筋的弱化是不可逆的，一般很少使用或特殊用途使用。
酶制剂是一种绿色环保的食品添加剂， 具有专一性强、添加量少、改良效果好的优点，在面条加工中有着广泛的应用前景。但是，酶制剂的工业化生产及应用现状却也存在一些问题。酶的添加量问题，不同性质和酶活的产品，都有其适合的应用领域，原料来源的不同也会使酶的添加量和添加水平存在一定的差异，在实际应用中，如果使用不当，不但会影响酶的应用效果，还可能适得其反[26-27]。酶的来源问题，这些酶制剂大多来源于微生物菌种，在工业生产中往往缺乏高产的菌种及酶的大规模生产制备技术。因此，要解决上述问题，就需要更加系统深入地开展酶制剂的作用机理及其应用研究， 根据特定的应用对象有针对性地创造最佳的反应条件， 最大限度地发挥酶制剂的作用，提高产品质量，降低生产成本。随着科技的进步和应用研究的深入，以及高产量菌株的培育，酶制剂这种安全、高效的食品添加剂必将在面条的工业化生产中发挥举足轻重的作用。