第二節　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展。消費者對果酒品質的追求也在很大程度上促進了新工藝、新技術在果酒生產中的研究和應用，酶制劑在果酒生產中的應用就是其中的重點和熱點之一。果酒生產者深入研究，發現水果的成熟、乙醇的生成、蘋果酸-乳酸發酵、風味物質的釋放以及各種果汁的榨取、澄清和過濾都是酶作用的結果，酶影響著果酒釀制的各個重要環節。這些發現以及酶制劑工業的飛速發展使得酶制劑在果酒工業中得到越來越廣泛的應用。在果酒生產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酵生產的。作為世界四大酶制劑之一，果膠酶在果汁澄清、果酒釀造中應用十分廣泛。果膠酶的國外研究始于20世紀30年代，20世紀50年代已工業化生產，主要生產國有德國、法國、意大利、丹麥、荷蘭、日本等。國內研究始于1967年，主要研究單位有中國科學院微生物研究所、上海工業微生物研究所、中國科學院上海植物生理研究所、河北大學、山東大學微生物研究所、輕工業部食品發酵工業科學研究所等。20世紀80年代末，天律、江蘇、福建、河北、北京等地開始工業化生產。20世紀80年代以來，我國的水果種植和水果加工工業發展迅速，為果膠酶的開發和應用提供了廣闊的前景。近年來，國內外對果膠酶的研究已經進入了分子生物學水平，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構、功能、調控及其表達產物結構與性能等方面進行了探索。我國對果膠酶的需求量很大，但國內果膠酶的發展卻較緩慢，且通常是將果膠酶單一使用，這限制了果膠酶的應用范圍及效果。

一、果膠酶分類

果膠酶是分解果膠質的多種酶的總稱，是一種在食品工業上廣泛使用的酶。按不同的標準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，在實際應用中多用PG的活力表示果膠酶的活力。

二、果膠酶生產制造

傳統的生產果膠酶的工業化方法為固態發酵法，可用于發酵生產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。黑曲霉具有產果膠酶的能力，但因菌種不同，酶活力有較明顯的差別。培養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用于食品工業的果汁、果酒澄清以及造紙工業的紙漿脫膠和麻類加工。它是應用于果汁生產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，而且澄清度穩定；減少化學澄清劑的用量，改善果汁質量。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，提高生產效率、果汁產量和產品質量的穩定性。在果酒的生產過程中，果汁中有很多物質影響澄清，如纖維素、蛋白質、淀粉、果膠物質等，而果膠物質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。研究發現酶催化反應，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、澄清效果好等優點。

果膠物質與纖維素、半纖維素以及木質素是植物細胞壁最重要的構成物質。果膠大分子阻礙了固體粒子的沉降，有很高的黏度。水果經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，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，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生果膠分解酶，在發酵過程中由酵母也能產生，但這些酶反應過程較為緩慢，不能完全達到生產者的預期目的，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

制汁是果酒生產的關鍵作業之一，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，適當提高原料的破碎程度有利于提高出汁率。果實細胞細胞壁的結構較緊密，通常情況下單純依靠機械或化學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胞的網狀結構，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

在果酒的生產中有兩種澄清作業，一是果汁的澄清，二是原酒的澄清。果汁澄清的目的是在發酵前將果汁中的雜質盡量減少到最低限度，以避免果汁中的雜質參與發酵而產生不良成分，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晶沉淀或無定形的色素微粒自行沉淀出來，以及出現蛋白質混濁、微生物混濁等不良現象，從而保證得到品質較高的果酒。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，盡可能地使果汁中可溶性果膠物質得到徹底分解；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，應在小型實驗的基礎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量的一項重要指標。要獲得清亮透明的果酒，過濾是一項必不可少的工序，是將固相物質與液相物質分離的操作，其作用效果受被過濾物料的物理性質，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。導致果汁黏度較大的主要原因是殘留的果膠物質的作用，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的一項重要指標。在這類果酒生產中必須提取出一定的色素物質。果實中的色素物質主要是花青素，存在于細胞的液泡中。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，破壞細胞結構，從而釋放出花青素等色素物質。

5．改善果酒的品質

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、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。鄒雪等研究了不同濃度果膠酶對藍莓半甜紅酒風味成分的影響，結果表明，添加果膠酶處理后藍莓半甜紅酒的總酸、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，明顯優于未添加果膠酶的藍莓半甜紅酒。李媛等以藍莓和紫薯為原料，對果膠酶解條件和藍莓紫薯復合果酒的發酵工藝進行了研究，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，發酵溫度為24.4℃，條件優化后原酒酒精度為13.3%，改善了酒體中多酚類物質的組成和呈色強度。

五、果膠酶使用中需注意的問題

果膠酶的添加在生產中可根據生產者的目的而進行，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，有時候又在發酵過程中添加。選擇哪一種添加步驟要視生產者的生產目的和生產要求的不同而定。在實際生產中應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℃，在此范圍內每增高10℃，其活性增加一倍。當溫度在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值范圍內對酶制劑無影響，而當pH小于2時，應提高酶劑量。

3．果膠酶的添加量

酶的添加量應視不同廠家的產品和生產目的，經小樣試驗而定。

4．作用時間

作用時間取決于酶的添加量和反應溫度，如果酶的用量減半，則反應時間必須加倍。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，生產中處理時間的確定應考慮到產品工藝的要求，如溫度變化程度的高低，設備的連續化程度等。

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揮作用。根據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，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和一定數量的酚類物質，蛋白質很容易與酚類物質反應，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，蛋白質還因帶正電荷而能與帶負電荷的果膠物質或與具有強水合能力的含果膠渾濁物顆粒聚合，形成懸浮狀態的渾濁物。因此必須在裝瓶前對果酒中的殘留蛋白質進行處理，以保證產品的質量和穩定性。處理果酒中的蛋白質常用皂土吸附法，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，也能取得較好的效果，并且不同的蛋白酶對不同的蛋白質具有專一性。此外，多數水果中含有的多酚氧化酶也容易使果汁或果酒發生氧化，不同程度地破壞果酒的色澤、風味，使產品質量下降，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，想要獲得滿意的澄清度和澄清穩定性，必須用淀粉酶徹底將果汁中的淀粉水解。

3．糖苷酶

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