第七章_氧化还原酶.doc
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1、第七章 氧化还原酶第7章 氧化还原酶(1)(3学时)主要内容:一、过氧化物酶二、多酚氧化酶一、过氧化物酶(PODperoxidase)o 过氧化物酶是存在于各种动物、植物和微生物体内的一类氧化酶。催化由过氧化氢参与的各种还原剂的氧化反应。o 过氧化物酶是由单一肽链与一个铁卟啉辅基结合构成的血红蛋白。多数植物过氧化物酶与碳水化合物结合成为糖基化蛋白。糖蛋白有避免蛋白酶降解和稳定蛋白构象的作用。1过氧化物酶作用方式及分布o 1.1过氧化物酶作用方式 过氧化物酶(供体:过氧化氢 氧化还原酶)催化过氧化氢分解时,同时有氢供体参加。 H2O2+ AH2 2H2O+Ao 1.2过氧化物酶分类 (1 ) 含
2、铁过氧化物酶 正铁血红素过氧化物酶 :含有正铁血红素 (羟高铁血红素)为辅基,存在于高等植物 、动物和微生物中。 绿过氧化物酶 :绿过氧化物酶的辅基也含有一个铁原卟啉基团,这类酶存在于动物器官和乳中(乳过氧化氢酶 )。 (2 )黄蛋白过氧化物酶:含有黄素腺嘌呤二核苷酸作为辅基,这类酶存在于微生物 和动物 组织中。 o 1.分布:过氧化氢酶在植物细胞中以两种形式存在:。以可溶形式存在于细胞浆中以结合形式在细胞中与细胞壁或细胞器相结合 辣根是过氧化氢酶最重要的一个来源。辣根中20%的过氧化氢酶(POD)与细胞壁结合,用2mol/L NaCl(高离子强度)才能提取出来。辣根中过氧化物酶活力为569,
3、000单位/g组织(蘑菇仅240单位/g组织)。 2 过氧化物酶在食品加工中的应用(1) 过氧化物酶是果蔬成熟和衰老的指标:如苹果气调贮藏中,过氧化物酶出现两个峰值,一个在呼吸转折(成熟),一个在衰老开始。(2) 过氧化物酶的活力与果蔬产品,特别是非酸性蔬菜在保藏期间形成的不良风味有关。(3)过氧化氢酶属于最耐热的酶类,在果蔬加工中常被当作热处理是否充分的指标。POD的测定方法:方法:将已热处理的原料中抽取样品,横切,随即放入愈创木酚或联苯胺溶液中,然后取出,在切面上滴0.3%H2O2,数分钟后,用愈创木酚处理的样品变为褐色,联苯胺变为深蓝色,说明过氧化氢酶未被破坏,热处理时间不够,如果均不变
4、色,则表示热处理效果良好。3过氧化物酶最适pH和最适温度3.1最适pH过氧化物酶一般都含有多种同功酶,因此最适pH范围较宽。酸性状态,过氧化物酶血红素和蛋白质部分分离,酶蛋白从天然状态转变到可逆变性状态,活力下降,且热稳定性低;在中型和碱性状态,酶处于天然状态,蛋白质结构含螺旋结构,稳定,酸化后螺旋结构破坏,产生结构。如青刀豆:pH5.0-5.4,有可溶态,离子结合,共价结合。3.最适温度差异较大:35-60。n 不同来源的过氧化物酶在最适作用温度上存在着很大的差别。例如,马铃薯和花菜(均浆)中过氧化物酶的最适温度分别为55和3540。4过氧化物酶的热稳定性o 4.1. 热失活概念双向性:PO
5、D中含有不同的耐热性质部分,不耐热部分在热处理时很快地失活,而耐热部分在同样的温度缓慢地失活。在88热处理时甜玉米中过氧化物酶的失活 (用邻-苯二胺作为氢体底物测定酶活力)可逆性:经热处理后的酶液在室温或较低温度下保藏,它的活力部分可以再生。例如:辣根过氧化物酶在70 加热1小时后,在30 下再生的酶活力可达到处理前的30-40%,而在50 下不能再生,如再降低到40 时,酶活力又开始提高。o 4.2. 过氧化物酶冷冻增活效应果蔬热烫后,有多少残余活力或再生活力被允许留在被保藏的产品中,残余酶活力在冰冻保藏后,质量比酶完全失活时要高。o 4.3. 非脂肪氧合酶作用在热失活中过氧化物酶分子聚集成
6、寡聚体,分子量增加一倍,这个过程包括酶分子展开和展开的酶分子进一步堆积,血红素基暴露,增加了血红素蛋白非酶催化脂肪氧化的能力,导致不良风味的产生,这一过程非脂肪氧合酶作用(热烫钝化)。o 问题:经热烫的罐装或冷冻蔬菜在保藏期间产生的不良风味的原因?5 影响过氧化物酶热失活的因素o 5.1. 不同来源的POD具有不同的耐热性。一般来说,植物的过氧化物酶活力越高,它的耐热性也越高。n 比如马铃薯和花菜匀浆中的过氧化物酶在95加热10min就完全而不可逆地失活。n 而甘蓝中的过氧化物酶在120加热10min仍然有0.3%活力保存下来。o 5.2. 低水分含量,POD耐热性增加:n 例如:水分含量低于
7、40%时,谷类中过氧化物酶的热稳定性与水分含量成反比。n 对于加工脱水果蔬有重要参考价值。o 5.3. 外加因素:降低pH,增加NaCl浓度。n 以辣根中过氧化物酶为例,加入羟高铁血红素能降低酶的热失活速度(pH 7.0、76)n 而升高温度能提高酶的热失活速度。n 在pH7时酶热失活的速度最低,在pH 4.0和pH10时酶热失活的速度分别提高到8倍和2倍。n 酶失活的初速度正比于NaCl的浓度(pH7.0、NaCl浓度低于0.6mo1L),n 糖能提高苹果和梨中过氧化物酶的热稳定性。o 5.4. 加热方式:pH确定,T确定,T变长,导致酶失活后可能性变大,HTST易导致酶再生。o 5.5.
8、结合处理: 微波和离子照射能降低在热烫过程中使酶失活所需的热处理强度。辐射处理o 在采用结合处理时,先使用辐射处理,再使用热处理。辐射时酶分子的聚集和单体的改性而使酶的热稳定性显著降低,且不会出现活力再生(辐射诱导水产生自由基二次进攻的结果)。6 化学试剂对过氧化氢酶的影响6.1. 使POD失活的作用方式:o 与酶结合失活o 作用于底物或产物6.2. 化学试剂种类2.1 SO2和亚硫酸盐:SO2的作用仅仅是破坏H2O2 SO2+ H2O 2H2O+SO3o 0.1-0.15%的焦亚硫酸盐能防止豌豆产生不良风味6.2.2 氰化物、叠氰化物和氟复合物:能与血红素结合,为可逆抑制。6.2.3 表面活
9、性化合物:如单甘脂,卵磷脂等,显著失活。6.2.4 高分子物质:如果胶在pH5.5时,使POD显著失活;pH低,使POD完全失活。果胶的存在还能使POD最适pH从5.5移动至8.0,大多数果胶pH在酸性范围。这在食品加工中很重要。二、 多酚氧化酶 o 多酚氧化酶(邻二酚:氧氧化还原酶;E1,10,3,1)在植物界乃至动物界分布广泛,由于其检测方便,是被最早研究的几类酶之一。引起食品酶促褐变的主要酶类o 果蔬食品在加工及贮藏过程中存在褐变反应,而褐变的原因有非酶性的和酶性的,多酚氧化酶是引起食品酶促褐变的主要酶类,因此研究多酚氧化酶的特性对制定食品的加工与保藏工艺有非常重要的意义。o 有害:新鲜
10、、冷冻、干制和罐藏产品的褐变。o 有利:红茶生产,苹果浓缩汁除涩o 三要素:底物、O2、酶1多酚氧化酶在自然界的分布o (1)广泛存在于自然界,植物、微生物及动物器官。植物品种不同,含量变化很大。果蔬中以橄榄含量最高。o (2)PPO在植物细胞中分布取决于品种和年龄,果蔬而言还取决成熟度,如线粒体,叶绿体。o (3)PPO在果蔬的不同部分含量存在很大差异。大多数水果中PPO以结合状态存在。葡萄皮中PPO活力高,葡萄成熟时PPO活力下降幅度最大。2多酚氧化酶催化的反应及其作用底物o 2.1.催化反应:两类反应都需要有分子氧参加。 (1) 一元酚羟基化:蘑菇中单酚。 (2) 邻二酚氧化,生成邻醌。
11、多酚氧化酶催化的氧化反应的最初产物邻醌将继续变化。相互作用生成高分子量聚合物。与氨基酸或蛋白质作用生成高分子络合物。氧化哪些氧化还原电位较低的化合物,生成无色化合物。 n 其中导致褐色素的生成,反应的产物是无色的。2.2.作用底物2.2.1果蔬中四类 儿茶素 3,4二羟基肉桂酸酯 3,4二羟基苯丙氨酸 酪氨酸2.2.2特点o PPO的最佳底物并非和酶同时存在于同一植物中。o PPO只能催化在对位上有一个大于CH2的取代基的一元酚羟基化,即PPO对底物具有特异性要求。o 不同的品种果蔬,同一品种不同部位中PPO具有不同的底物特性。o 多酚氧化酶在植株幼嫩阶段及生长旺盛期活性最高。3 pH对多酚氧
12、化酶活力的影响o PPO的最适pH4-7之间波动。o 不同种类,同一种果蔬不同品种的PPO,具不同最适pH。o 不同部位,pH也有差异。o 酶的提取或分离方法对最适pH也有影响。o 测定酶活力时,采用的底物和缓冲液对酶最适pH有影响。o 用同工酶,PPO具有一个最适pH外,尚有第二个最适pH。4 温度对多酚氧化酶活力的影响o 酶活力最适温度逐步提高降低,如桃中PPO,从3开始随温度升高,至37最高,后下降。o 不同底物表现出不同的PPO酶活力最适温度:如马铃薯,底物为儿茶素,最适温度22。底物为焦醅酚,最适温度1535,线性上升。o 热失活温度70-90/短时间。o 低温状态酶失活是可逆的。微
13、量的多酚氧化酶也能导致果蔬褐变,冷冻食品生产中热处理是必要的。5多酚氧化酶抑制效应酶促褐变三因素:酶,底物,O2。(1)对酶的抑制:o PPO以铜为辅基的金属蛋白,金属螯合物,如抗坏血酸、柠檬酸、EDTA、果胶、氰化物。(2)与酶催化生成的反应产物作用 同邻二酚氧化产物醌作用的还原剂,如抗坏血酸、SO2、偏重亚硫酸盐。 醌偶合剂:与醌作用,生成稳定的无色化合物,如半胱氨酸、谷胱甘肽、SO2、偏重亚硫酸盐。(3)清除酶作用的底物o 与酚类底物作用的化合物:n PVPP(聚乙烯吡咯烷酮)与酚强烈缔合,消去底物。(无甲醛啤酒的生产)o 隔氧(4) 热烫处理(灭酶)6光照强度与多酚氧化酶活性 多酚氧化
14、酶属于植物体内的末端氧化酶系统,光照明显促进了此酶的活性。不同光照条件下海带体内酚类化合物含量的结果表明,在01200 Lx(勒克斯)间,PPO随光照强度增加而呈上升趋势。在对玫瑰组织培养的研究中,采用不同的遮光处理(对照、单层膜、双层膜),其结果也同样证明在一定的光照强度变化幅度内,PPO活性和接种后的褐变率均随光强增加而上升。另外在茶叶研究中也有与此相一致的报道。7 多酚氧化酶的激活剂 o 多酚氧化酶的作用会导致食品褐变。长期以来,防止食品的酶促褐变是一个重要的研究课题。食品界在多酚氧化酶的抑制剂方面作了很多的研究工作,而对于它的激活剂相对地了解较少。o 阴离子洗涤剂,例如SDS (十二烷
15、基磺酸钠) ,能有效激活多酚氧化酶。若苹果经PVP(聚乙烯毗咯烷酮)处理,其果皮的多酚氧化酶便会失活,但用SDS处理后又能将已失活的酶激活。SDS能激活以潜在的形式存在于粗提取液中的多酚氧化酶。o 若用酸或脲素短时间地处理葡萄中的多酚氧化酶,能使酶可逆地激活;如果用酸处理作用时间较长,会导致酶不可逆地激活。另外Cu2+和底物3,4二羟基苯丙氨酸对一些果蔬来源的多酚氧化酶也有激活作用。8 多酚氧化酶在果品和蔬菜中的生理作用o (1)起氧的缓冲剂作用;o (2)为抵抗病原菌提供一定程度的保护作用(因为PPO反应产物的反应能力大);o (3)酚类物质氧化产物与细胞成份的相互作用,使组织不易受病虫害侵
16、噬;o (4)酶活性的降低标志果实达成熟阶段,适口性增加,种子积累开始。谢谢第7章 氧化还原酶(2)主要内容: 三、 脂肪氧合酶 四、葡萄糖氧化酶 五、超氧化物歧化酶三、 脂肪氧合酶(lipoxygenase, LOX)o 脂肪氧合酶(亚油酸:氧 氧化还原酶;EC 1.13.1.13)是近20年发现的与植物代谢有密切关系的一种酶,它属于氧化还原酶属的范畴,广泛存在于植物体中。研究认为,它可能参与植物生长、发育、成熟、衰老的各个过程,特别是成熟衰老过程中自由基的产生以及乙烯的生物合成,都发现有脂氧合酶的参与。因此脂肪氧合酶被认为是引起机体衰老的一类重要的酶。o 虽然在动物组织中发现了类似于脂肪氧
17、合酶的作用,但是,到目前为止,还没有分离出和脂肪氧合酶类似的酶,动物组织中脂肪的氧化主要是于血红素蛋白质的作用,后者是存在于动物组织中有效的脂肪氧化因素。1 脂肪氧合酶催化的反应 o 脂肪氧合酶对于它作用的底物具有特异性的要求,含有顺,顺1,4戊二烯的直链脂肪酸、脂肪酸酯和醇都有可能作为脂肪氧合酶的底物。o 最普通的底物是必需脂肪酸:n 亚油酸 o CH3(CH2)4CHCHCH2CHCH(CH2)7COOH n 亚麻酸o CH3(CH2CH=CH)3(CH2)7COOH n 花生四烯酸o CH3(CH2)4(CH=CH-CH2)4(CH2)2COOH o 顺,顺1,4戊二烯单位的亚甲基在8位
18、的脂肪酸异构体(亚油酸)是脂肪氧合酶的最佳底物。在3位增加一个顺双键并不影响脂肪氧合酶对底物的作用,例如亚麻酸是脂肪氧合酶的良好底物。在脂肪酸的10位和羧基之间增加双键仍然可以作为脂肪氧合酶的底物,例如花生四烯酸(5,8,11,1420四烯酸)和8,11,1420三烯酸都是脂肪氧合酶的底物。脂肪氧合酶作用于亚油酸时,能产生亚油酸的13L和9D氢过氧化物衍生物。2 脂肪氧合酶作用的初期产物的进一步变化 o 如果将氢过氧化亚油酸看作为脂肪氧合酶的初期产物,那么它进一步变化的产物将十分复杂的,氢过氧化亚油酸变化的可能途径,它们包括:n 氢过氧化亚油酸的还原,过氧化物酶体系参与这类反应;n 酶催化氢过
19、氧化亚油酸异构化成多羟基衍生物和酮:n 氢过氧化亚油酸的环氧化,这类反应发生在面粉水悬浊液体系之中;n 马铃薯中的酶催化氢过氧化亚油酸生成乙烯醚;n 在无氧条件下,脂肪氧合酶催化氢过氧化亚油酸和亚油酸发生二聚化反应,同时生成戊烷和氧代二烯酸等产物;n 氢过氧化亚油酸分解生成挥发性的醛和酮,是否有一种特殊的“裂解酶”参与这类反应还没有确定。o 氢过氧化亚油酸通过上述各种途径可以产生数以百计的不同产物,因此,同一种脂肪氧合酶能同时以合乎需要和不合乎需要的方式影响食品的质量,其中一些产物不会影响食品的感官质量,它们的生成,从某种意义上讲,通过竞争减少了另一些有损于食品感官质量的产物的生成。o 除了上
20、述六种途径外,氢过氧化亚油酸还能与食品中非脂肪成分作用,从而进一步影响食品的质量。3 pH对脂肪氧合酶作用的影响o 脂肪氧合酶的最适pH一般在7.08.0,曲线呈钟形,曲线的最高点相当于pH7.08.0,然而,在pH低于7时,酶活力下降的部分原因是脂肪氧合酶的底物亚油酸的溶解度下降的结果,在酸性pH范围内亚油酸实际上是不溶解的,图7-2指出了表面活性剂吐温20对大豆脂肪氧合酶活力pH曲线的影响。4 脂肪氧合酶的作用对食品质量的影响 o 食品的质量取决于它的色、香、味。质构和营养价值。脂肪氧合酶的作用对食品质量的影响比较复杂,它既有助于提高一些质量指标,又能损害另一些质量指标。4.1 脂肪氧合酶
21、的作用对焙烤食品质量的影响 o 脂肪氧合酶在焙烤工业中起着重要的作用。在面包等面制品的生产过程中,添加适量的脂肪酸氧合酶及大豆粉可使面粉中存在的少量不饱和脂肪酸氧化分解,生成具有芳香风味的羰基化合物,从而能改进面粉的颜色和焙烤质量。漂白面粉o 在面粉中加入1%含脂肪氧化酶活力的大豆粉,可改善面粉的颜色和焙烤质量。o 脂肪氧合酶可通过偶合反应导致胡萝卜色素被漂白。强化面筋蛋白o 大豆粉脂肪氧合酶在漂白面粉的同时还具有氧化面筋蛋白质的功能,从而对面团和烘焙食品产生有益的影响。在面粉中加入脂肪和大豆粉后,脂肪经脂肪氧合酶作用所生成的氢过氧化物起着氧化剂的作用。在后者的作用下,面筋蛋白质的巯基(SH)
22、被氧化成SS,这对于强化面团中的蛋白质,即面筋蛋白质的三维网状结构是必要的。改进面包的体积和软度o 脂肪氧合酶还具有另外一个重要功能就是通过面筋蛋白质的氧化,防止脂肪的结合增加面团中游离脂肪的数量,这就保证了外加起酥脂肪能有效地改进面包的体积和软度。在游离脂肪释出时所伴随的面筋蛋白质的氧化,对于改进面团的流变性质是很重要的。在促使面筋蛋白质氧化的过程中,氧化脂肪中间物也起重要的作用。4.2 脂肪氧合酶的作用对于食品颜色、风味和营养的影响 o 脂肪氧合酶作用于不饱和脂肪酸及脂时产生的初期产物,在进一步分解后生成的挥发性化合物对不同的食品的风味产生截然不同的影响。(1)对食品风味的影响n 在一些水
23、果和蔬菜中,例如番茄、豌豆、青刀豆、香蕉和黄瓜,这些挥发性化合物构成了人们期望的风味成分,n 然而在冷冻蔬菜和其他加工食品中,它们却产生了不良的风味。n 在谷类保藏过程中产生的不良风味也与脂肪氧合酶作用的初期产物的进一步分解有关。n 脂肪氧合酶还直接或间接地和肉类酸败及高蛋白质食品的不良风味有关。(2)脂肪氧合酶对食品营养的影响n 它作用的产物对维生素A及维生素A原的破坏;n 它的作用减少了食品中必需不饱和脂肪酸的含量;n 酶作用的产物同蛋白质的必需氨基酸作用,从而降低了蛋白质的营养价值及功能性质。5 脂肪氧合酶的抑制o 脂肪氧合酶会产生两种有害的副作用:一是造成有营养价值的多不饱和脂肪酸损失
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