第二节 果胶酶的作用
近年来，随着人民生活水平的提高，果酒的需求和加工有了突飞猛进的发展。消费者对果酒品质的追求也在很大程度上促进了新工艺、新技术在果酒生产中的研究和应用，酶制剂在果酒生产中的应用就是其中的重点和热点之一。果酒生产者深入研究，发现水果的成熟、乙醇的生成、苹果酸-乳酸发酵、风味物质的释放以及各种果汁的榨取、澄清和过滤都是酶作用的结果，酶影响着果酒酿制的各个重要环节。这些发现以及酶制剂工业的飞速发展使得酶制剂在果酒工业中得到越来越广泛的应用。在果酒生产中使用的酶制剂主要有果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶等，其中果胶酶是重中之重。
果胶酶是指能够催化果胶质分解的多种酶的总称，其广泛存在于植物果实中。微生物中的细菌、放线菌、酵母菌和霉菌都能代谢合成果胶酶。日前市售食品级果胶酶主要是由黑曲霉发酵生产的。作为世界四大酶制剂之一，果胶酶在果汁澄清、果酒酿造中应用十分广泛。果胶酶的国外研究始于20世纪30年代，20世纪50年代已工业化生产，主要生产国有德国、法国、意大利、丹麦、荷兰、日本等。国内研究始于1967年，主要研究单位有中国科学院微生物研究所、上海工业微生物研究所、中国科学院上海植物生理研究所、河北大学、山东大学微生物研究所、轻工业部食品发酵工业科学研究所等。20世纪80年代末，天律、江苏、福建、河北、北京等地开始工业化生产。20世纪80年代以来，我国的水果种植和水果加工工业发展迅速，为果胶酶的开发和应用提供了广阔的前景。近年来，国内外对果胶酶的研究已经进入了分子生物学水平，已从许多微生物中克隆了果胶酶基因和进行了测序，并对果胶酶基因的结构、功能、调控及其表达产物结构与性能等方面进行了探索。我国对果胶酶的需求量很大，但国内果胶酶的发展却较缓慢，且通常是将果胶酶单一使用，这限制了果胶酶的应用范围及效果。
一、果胶酶分类
果胶酶是分解果胶质的多种酶的总称，是一种在食品工业上广泛使用的酶。按不同的标准对果胶酶有不同的划分方法。按照作用方式的不同可以分为两大类：酯酶(esterase)和解聚酶(depolymerizing enzyme)，解聚酶又包括水解酶(hydrolase)和裂解酶(lyase)。按其对作用底物的不同可以分为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。在上述各类果胶酶中，贮藏过程中起作用的果胶酶主要是聚半乳糖醛酸酶(PG)，所以，在实际应用中多用PG的活力表示果胶酶的活力。
二、果胶酶生产制造
传统的生产果胶酶的工业化方法为固态发酵法，可用于发酵生产果胶酶的菌种有曲霉菌、灰霉菌、镰孢菌及其他真菌(如菜豆炭疽病菌、核盘菌、青霉菌。黑曲霉具有产果胶酶的能力，但因菌种不同，酶活力有较明显的差别。培养黑曲霉制成的果胶酶，除果胶酶外，还有纤维素酶、半纤维素酶和蛋白酶。果胶酶的制造可分为两个阶段，即黑曲霉的培养和粗果胶酶粉的制造。食品加工中使用的果胶酶制剂主要来自黑曲霉，它是多种酶的混合物。同时果胶酶本身为多组分酶，包括聚半乳糖醛酸酶(PG)、果胶裂解酶(PL)、果胶酯酶(PE)等主要组分，各组分的功能与作用机理各不相同。在一些食品加工中，单独使用一种果胶酶有时比使用果胶酶复合制剂效果更好。
三、果胶酶的作用机制
果胶酶目前广泛地应用于食品工业的果汁、果酒澄清以及造纸工业的纸浆脱胶和麻类加工。它是应用于果汁生产的最重要酶制剂之一，可以快速彻底地脱除果胶，降低水果榨汁的黏度，有利于果汁的过滤，滤液更为澄清，而且澄清度稳定；减少化学澄清剂的用量，改善果汁质量。因此，果胶酶可以有效地提高水果的出汁率，改善果汁的过滤效率，加速和增强果汁的澄清作用；简化果汁加工工艺，缩短加工时间，提高生产效率、果汁产量和产品质量的稳定性。在果酒的生产过程中，果汁中有很多物质影响澄清，如纤维素、蛋白质、淀粉、果胶物质等，而果胶物质是造成果汁混浊的主要因素。为了解决这个问题，人们尝试了很多办法，如自然澄清、明胶单宁法、冷冻法、酶法及添加膨润土等。研究发现酶催化反应，用量少而催化效率高，有高度的专一性。酶法澄清具有耗时短、澄清效果好等优点。
果胶物质与纤维素、半纤维素以及木质素是植物细胞壁最重要的构成物质。果胶大分子阻碍了固体粒子的沉降，有很高的黏度。水果经破碎后的果汁中含有果胶、纤维素等固形物，果胶阻止甚至使液体流动停止，使固体粒保持悬浮，汁液处于均匀的混浊状态，很难沉淀，又不易滤清，影响果汁的澄清。因此，必须将果胶分解，才能使汁液达到澄清的目的。
果胶酶作用于果胶中D-半乳糖醛酸残基之间的糖苷键，使高分子的半乳糖醛酸降解为半乳糖醛酸和果胶酸小分子物质，并且果胶的多糖链也被降解，使原来存在果汁中的固形物失去依托而沉降下来，增强澄清效果，提高和加快了果汁的可滤性和过滤速度，从而提高出汁率。水果本身在果实成熟过程中也会产生果胶分解酶，在发酵过程中由酵母也能产生，但这些酶反应过程较为缓慢，不能完全达到生产者的预期目的，而人工合成酶则加强和完善了这一过程。
四、果胶酶在果酒中的功能
1．提高出汁率和缩短压榨时间
制汁是果酒生产的关键作业之一，这一工序要求尽可能地提高出汁率和缩短压榨时间。已知出汁率的高低与原料的破碎程度有关，适当提高原料的破碎程度有利于提高出汁率。果实细胞细胞壁的结构较紧密，通常情况下单纯依靠机械或化学方法难以将其充分降解，但通过添加一定量的果胶酶可破坏细胞的网状结构，提高果实的破碎程度，从而在压榨时达到提高出汁效率并缩短压榨时间的目的。同时，把大分子的果胶物质降解后，也有助于提高后一阶段的澄清和过滤效果。
2．有利于果汁的澄清
在果酒的生产中有两种澄清作业，一是果汁的澄清，二是原酒的澄清。果汁澄清的目的是在发酵前将果汁中的杂质尽量减少到最低限度，以避免果汁中的杂质参与发酵而产生不良成分，给酒带来异味。原酒澄清的目的是为了避免果酒在储存过程中酒石结晶沉淀或无定形的色素微粒自行沉淀出来，以及出现蛋白质混浊、微生物混浊等不良现象，从而保证得到品质较高的果酒。两种澄清作用中，所用到酶的主要是果胶酶。果胶酶的主要作用是降解果胶物质，尽可能地使果汁中可溶性果胶物质得到彻底分解；降低果汁黏度，这一点有别于压榨中所用到的果胶酶的作用。由于果胶的分解，使混浊颗粒失去胶体保护而相互絮凝，从而大大提高了澄清效果。在使用果胶酶对果汁进行处理时要注意温度、pH值等的影响，果胶酶使用量的确定，应在小型实验的基础上找出最佳效果的使用量。
3．提高过滤能力
果酒的透明度是果酒质量的一项重要指标。要获得清亮透明的果酒，过滤是一项必不可少的工序，是将固相物质与液相物质分离的操作，其作用效果受被过滤物料的物理性质，如液体黏度、固体颗粒大小等因素影响。在进行果汁或原酒的过滤时，如果黏度过大或者其中的固体颗粒过大，则很容易堵塞过滤层，使过滤能力下降。导致果汁黏度较大的主要原因是残留的果胶物质的作用，因此如果在过滤前的操作中利用果胶酶将这些物质水解，降低果汁的黏度，就能提高过滤能力和加快过滤的速度。
4．改善果酒的色泽
一些果酒须有一定的色泽，如红葡萄酒，因此色泽也是衡量果酒品质的一项重要指标。在这类果酒生产中必须提取出一定的色素物质。果实中的色素物质主要是花青素，存在于细胞的液泡中。如果在果浆或果汁中加入一定量的果胶酶，果胶酶能水解果胶物质，破坏细胞结构，从而释放出花青素等色素物质。
5．改善果酒的品质
果酒酿造中使用果胶酶可以降低酒体黏稠度，提高出汁率和澄清度，提高香气物质、色素、单宁的浸出率，从而提高呈色强度，增加酒香，增强酒体的丰满度，改善酒的品质。邹雪等研究了不同浓度果胶酶对蓝莓半甜红酒风味成分的影响，结果表明，添加果胶酶处理后蓝莓半甜红酒的总酸、酒精度、色度值以及单宁含量均随着果胶酶浓度的增高而增高；处理后酒体澄清透明有光泽，香气浓郁，明显优于未添加果胶酶的蓝莓半甜红酒。李媛等以蓝莓和紫薯为原料，对果胶酶解条件和蓝莓紫薯复合果酒的发酵工艺进行了研究，确定了果胶酶酶解的最佳条件，即果胶酶用量为0.03%，酶解温度为35℃，酶解时间为80min，发酵温度为24.4℃，条件优化后原酒酒精度为13.3%，改善了酒体中多酚类物质的组成和呈色强度。
五、果胶酶使用中需注意的问题
果胶酶的添加在生产中可根据生产者的目的而进行，其添加也有不同的步骤。有的在水果破碎后的果浆中添加果胶酶，有的在水果压榨后的果汁中添加；有时候在过滤过程中添加，有时候又在发酵过程中添加。选择哪一种添加步骤要视生产者的生产目的和生产要求的不同而定。在实际生产中应用时必须注意以下几个方面的问题。
1．作用温度
果胶酶的作用温度一般为20～55℃，在此范围内每增高10℃，其活性增加一倍。当温度在55℃以上时，酶会很快失活。
2．作用pH值
在水果浆、水果汁及果酒的正常pH值范围内对酶制剂无影响，而当pH小于2时，应提高酶剂量。
3．果胶酶的添加量
酶的添加量应视不同厂家的产品和生产目的，经小样试验而定。
4．作用时间
作用时间取决于酶的添加量和反应温度，如果酶的用量减半，则反应时间必须加倍。果胶酶制剂处理对提高出汁率的效果均随作用时间的增加而增加。但并不等于处理时间越长越好，生产中处理时间的确定应考虑到产品工艺的要求，如温度变化程度的高低，设备的连续化程度等。
5．果胶酶溶液的配制
果胶酶为固体粉状，一般配成1%～2%溶液，温度不得超过50℃，溶解后立即使用，以不超过4h为宜。稀释的果胶酶溶液能更好地发挥作用。根据果汁清与浊的程度来决定用量，通常为果汁的0.5% ～0.8%，也可超过此范围。
6．鉴定果胶酶分解果胶质的状况
取一份果汁加两份乙醇(96%乙醇与1%浓盐酸的比例为99∶1配制)，若15min后仍有絮状物出现，则果汁中仍有果胶。样品中果胶的量以及果胶酶对果胶的分解程度，可以絮状物的形成速度和数量进行评估。
六、其他酶在果酒中的作用
1．蛋白酶
果汁中含有少量蛋白质和一定数量的酚类物质，蛋白质很容易与酚类物质反应，生成浑浊物和沉淀物。此外，在一些果汁如苹果原汁(pH3.2～3.5)中，蛋白质还因带正电荷而能与带负电荷的果胶物质或与具有强水合能力的含果胶浑浊物颗粒聚合，形成悬浮状态的浑浊物。因此必须在装瓶前对果酒中的残留蛋白质进行处理，以保证产品的质量和稳定性。处理果酒中的蛋白质常用皂土吸附法，这种方法虽然较有效，但是皂土吸附剂对于各种蛋白质并没有专一吸附性。如果利用外加蛋白酶来水解果酒中的蛋白质，也能取得较好的效果，并且不同的蛋白酶对不同的蛋白质具有专一性。此外，多数水果中含有的多酚氧化酶也容易使果汁或果酒发生氧化，不同程度地破坏果酒的色泽、风味，使产品质量下降，因此也有必要采取一定的措施以破坏多酚氧化酶的活性。
2．淀粉酶
对于一些淀粉含量较高的水果，如苹果，在压榨过程中和压榨后，淀粉会进入果汁中，并在加热时溶解，然后通过凝沉作用，以析出浑浊物的形式出现在果汁中。由于淀粉是一种典型的强水合性亲水胶体，能够覆盖浑浊物颗粒，并使浑浊物颗粒在果汁中呈悬浮状态，想要获得满意的澄清度和澄清稳定性，必须用淀粉酶彻底将果汁中的淀粉水解。
3．糖苷酶
果酒的风味是衡量果酒品质的一项重要指标。果酒的风味物质主要来自水果本身和发酵过程，酶制剂在这方面的应用主要是针对前者。在水果中，风味物质以两种形式存在，一种是以游离态形式存在，另一种是与糖类形成糖苷而以键合形式存在(即风味前体物)。许多研究表明，萜烯类化合物是形成水果风味的主要成分，这些萜烯化合物与糖形成糖苷而呈无芳香气味的风味前体物。这些风味前体物即使在发酵过程中或在酒的贮存过程中都很稳定，难以溶出，但是可以通过风味酶水解作用将风味物质释放出来，从而显著增强酒的风味。其中所用到的风味酶主要有β-D-葡萄糖苷酶、α-L-鼠李糖苷酶、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶。