单宁酶及其在茶饮料中的应用 |
【关键词】 单宁酶；茶饮料；应用 单宁酶又称单宁酯酰水解酶（EC3.1.1.20），它可以水解没食子酸单宁中的酯键和缩酚羧键，生成没食子酸和葡萄糖，可广泛应用于制革、酿酒、医药、饮料等领域。 1单宁酶的性质和生产 1.1单宁酶的来源和性质 单宁酶除存在于富含单宁的植物中外，还广泛存在于微生物中。能够产生单宁酶的微生物来源十分丰富，主要是真菌类的曲霉属、青霉属和根霉属，尤其是曲霉属中的黑曲霉、米曲霉和黄曲霉；此外，酵母菌、寄生内座壳菌、巴斯德菌、茄形镰刀菌和绿木霉等也可产生单宁酶。 单宁酶是一种糖蛋白，不同来源的单宁酶其分子量和糖链的含量有所差异，酶蛋白由2-8个单体聚合而成，糖基含量由12%到62%不等。不同来源的单宁酶温度和pH稳定性不同：最适温度较高的50-60℃，一般在30-40℃之间，热稳定范围在60-70℃以下；来源于真菌和植物的单宁酶的最适pH一般为4.0-6.0，pH稳定性范围一般是3.0-7.0之间，细菌单宁酶的最适pH一般偏中性[2]。金属离子对单宁酶活性的影响也有所不同：Libuchi S等[3]发现许多离子对单宁酶无活化作用，但Zn2+和Ca2+可抑制酶活，另外EDTA溶液会使酶完全失活，而Aoki K[4]等发现EDTA对酶活无明显影响。Rajakumar G S等[5]发现Cu2+，Zn2+，Fe2+，Mg2+均对酶活力有显著影响。郭鲁宏等[6]研究发现除了Mn2+，Zn2+抑制酶活之外，其它金属离子对酶活均无明显的激活或抑制作用。Kar B 等[7] [41]研究表明Mg2+、Hg+ 可提高单宁酶活力， Ba2+、Ca2+、Zn2+、Hg+、Ag+ 会抑制酶活力，Fe3+、Co2+ 完全抑制酶活。 1.2单宁酶的发酵生产 单宁酶是一种诱导酶，可由微生物在单宁酸存在的条件下诱导产生的，目前对单宁酶发酵生产研究的重点多集中在曲霉和青霉上，常通过诱变育种选育和改良生产菌株以及通过优化发酵条件等途径来提高发酵产酶活力。如Libuchi等[1]以Asp oryzae为出发菌株，以单宁酶为诱导物，探讨了菌株产单宁酶的最适培养条件。Aoki K等[4]以酵母属的Candida sp K-Ⅰ为出发菌株，以单宁为诱导物，探讨了培养的最适条件，发现添加了3%的单宁所得的单宁酶积累量最多。Bradoo S等[8]对产单宁酶的日本曲霉进行摇瓶发酵培养条件优化，将酶活力提高了13%。龚加顺等[9]利用离子注入技术诱导得到一株单宁酶高产的9701菌株，其摇瓶培养的酶活力高达13.0l IU/ml，比出发菌株9401的酶活力高了2.89倍，且产酶性能稳定，重复性好；对另一株单宁酶高产菌株进行产酶条件优化后，获得了53.58mo1/s的高产酶活力。王征等[10]对黑曲霉的产酶发酵条件进行优化研究，获得316U/m1的较高酶活力。刘如石等[11]对黑曲霉NO.3菌株产酶发酵条件进行优化研究，最高酶活力可达144.25U/100mL发酵液，酶比活力为17.71。近期余钧池等[12]采用先培养菌体后再诱导产酶的方式，在诱导剂浓度为1.5%，诱导培养基初始pH5.0，30℃培养48h的条件下，发酵米曲霉得到的单宁酶活力相当于167.4U/ml发酵液。 基因工程育种具有能定向、稳定遗传、目的性强、育种周期短和能克服远缘杂交的障碍等优点，国内外都开展了构建高产单宁酶基因工程菌的研究。Hatamoto O等[13]克隆了米曲霉单宁酶的基因，用3个脱氧核糖核苷酸探针按照单宁酶N-末端和内在的氨基酸序列合成了单宁酶基因。单宁酶低产菌株米曲霉AO1被包含单宁酶基因的质粒pT1转化后，转化株的单宁酶活力增加了，且与转化的质粒数成比例。陈志仕[14]克隆并分析了米曲霉单宁酶基因序列，构建了含单宁酶基因的载体，实现了在大肠杆菌（E.coli）和毕赤酵母（Pichia pastoris）中的表达。郑穗兰[15]改造了重组米曲霉单宁酶基因的表达质粒，成功地进行了基因表达框架的改造，通过转化筛选获得了转化子并进行了摇瓶表达的初步摸索。ZHONG X F 等[16]研究了米曲霉单宁酶基因在毕赤酵母（Pichia pastoris）中的表达，酶活力比出发菌株提高了3倍。由于天然菌生产单宁酶主要是通过曲霉属微生物的发酵获得，曲霉属发酵工艺成熟、易于大规模的培养、成本低廉、副产物少、产物分离简单，人们也对利用重组曲霉表达系统提高单宁酶的表达进行了尝试。如黄小凤等[17]利用PCR扩增得到米曲霉单宁酶基因的编码序列，然后将其连接到黑曲霉的表达载体ANED2-SP2上。将构建好的单宁酶基因表达载体通过原生质转化法导入黑曲霉菌株ST31中，该重组菌株的单宁酶活力最高为104.02U/ml，比原始天然菌株提高了2-3倍。Tadashi T等[18]将外源的DNA整合到大豆曲霉和米曲霉的染体中，提高了在ku70 和ku80 基因断裂过程中基因的中靶频率，为单宁酶基因的整合提供了参考价值。 单宁酶的生产可采用固体发酵和液体深层发酵两种方法。虽然固体发酵的设备要求比较简单，易于推广，但其缺点是容易污染杂菌；而液体深层发酵比较容易控制，不易污染杂菌，而且生产效率高，目前单宁酶的研究和生产多采用液体深层发酵的方法。 2单宁酶在茶饮料中的应用 2.1防止茶饮料的冷浑浊 在茶饮料的生产中，茶叶的高温提取液冷却后会变浑浊，并产生絮状沉淀（茶乳酪）。茶叶提取液中固形物浓度越高，这种沉淀现象越严重，影响了茶饮料的稳定。此外，茶饮料在冷藏中也会变得浑浊，滋味和香气都会产生很大的影响，这种现象使其作为冷饮的商品价值受到很大的损害。茶饮料产生茶乳酪沉淀的原因是茶水中的与儿茶素或者是以茶黄素等为核心形成的不溶性复合物，防止产生沉淀的方法包括原料茶叶的选择、适当的抽提条件、膜过滤处理、降低水溶性固形物的浓度等，也有采用添加PVPP进行处理。但不管是哪一个方法都会使茶叶的特有成分和儿茶素类的含量下降，添加糖类虽然可抑制沉淀生成，但也存在增加热量等问题[19]。单宁酶是将茶乳酪转溶的专一酶，它能断裂儿茶酚与没食子酸间的酯键，使苦涩味的酯型儿茶素水解，释放出的没食子酸阴离子又能与茶黄素、茶红素竞争，形成分子量较小的水溶性短链物质，从而降低茶汤的混浊度[20]。Takino Y[21]利用米曲霉产生的单宁酶作用于6%的红茶茶汤，发现单宁酶在茶汤pH 为5.6，温度为45 ℃的条件下作用30-60分钟后，茶乳酪产生最少。可口可乐公司利用单宁酶解决茶饮料中的“冷后浑”，取得了良好的效果，浑浊度由80%降至8%[22]。对红茶进行单宁酶处理，结果发现速溶茶完全溶于冷水，而且滋味良好，而无酶处理的茶的固形物和浸提物产量均低于酶处理的茶[23]。日本专利J P3951260 报道：将提取物的温度控制在单宁酶适宜温度（20-80 ℃），添加酶量为每克干茶0.5～50单位，调整pH4.0～7.0，经酶处理的茶汤用分子量不少于5000道尔顿的超滤膜过滤，再经反渗透浓缩后，冷冻干燥即得冷水可溶的速溶茶[24]。近年来由于透明塑料瓶的大量使用，饮料的透明度比以往有更高的要求，单宁酶防止茶饮料产生冷浑浊的作用效果更加受到关注。 2.2提高茶叶的提取率 中森薰等[19]发现，与未用单宁酶处理的茶叶提取液相比，用单宁酶处理的提取液中，单宁的含量增加34%，增加43%，而可溶性固形物也增加了24%，因而从茶叶提取出的多种成分能保持在提取液中，不被沉淀，使茶叶的提取率大幅度上升。单宁酶应用于红茶、绿茶、乌龙茶深加工中, 还能使茶叶中可溶性金属元素含量增加。Lauren S.等[25]报道，用单宁酶处理红茶，茶汤中可溶性铁、钙的含量分别增加了23%与15%；若在绿茶加工中使用单宁酶，可使离子铁的含量提高18%，并部分消除夏春茶的苦涩味，提高茶品质。Jakson 和Lee[20]研究报道，添加单宁酶处理茶汤，茶中的铁、钙、镁和锌等离子的溶解性会增加。单宁酶还可用以辅助茶叶抗氧化剂来对抗食品氧化，如Mai J等[26]报道用单宁酶处理的红茶水浸出物其抗氧化能力得到增强。 2.3保持茶汁的泽和减轻苦涩味 通常茶饮料由于浸出后产生沉淀，就会使提取液中的固形物浓度下, 降而泽变淡。单宁酶的作用提高了茶成分的得率，就能防止这种现象的发生。同时，由于茶叶中所含的、维生素、儿茶素类物质具有多种生理功能，例如茶多酚类的抗氧化作用、抗菌作用等，通过单宁酶处理，提高茶叶有效成分的得率，也就提高了其功能性。美国斯福冰茶公司研究认为，在加工速溶红茶的提取工序之前，将红茶先用单宁酶和纤维素酶的溶液喷洒，然后将茶叶放入封闭系统中放置一段时间，不仅可提高原料的制取率，增加可溶性物质的含量，而且还能减轻一些苦涩味，增加茶叶的香气。在绿茶、乌龙茶加工中的应用研究中也发现，加入一定量的单宁酶能降低酯型儿茶素的含量，从而消除夏秋茶的部分苦涩味道[22]。 3展望 单宁酶防止冷混浊、提高提取率、保持泽和改善口味的作用在茶饮料工业中有广泛的应用。如何采取更高效的方法培育高产菌株、提取单宁酶液，以降低成本，是单宁酶研究中的主要内容。此外，单宁酶如果是以水溶性酶的状态进行作用，酶在整个反应系统中与底物、产物混在一起，难以回收利用。寻合适的载体，将酶固定化，实现酶反应工艺管道化、连续化、自动化，将进一步降低生产成本，提高生产效率。 参考文献 [1]Libuchi S, Minoda Y, Yamada K. 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