酵素之應用

1. 酵素之應用 謝寶全 教授

2. 目錄 壹、酵素來源與生產 貳、酵素在產業上應用 參、食品用酵素市場概況 肆、結論

3. 酵素的應用 壹、酵素來源與生產 酵素原本存在於生物體內，人體中的酵素是遺傳基因構造可在體內自行合成的，所以有些天生具遺傳性疾病(如地中海型貧血、尿酮症等)的病人，都是因為體內基因無法合成某些酵素所導致。

4. 酵素也可藉由食物補充，其中最好的來源來自於天然蔬菜、水果及草本植物等，日本人常吃的生魚片中也富含許多酵素。但食物經過蒸煮之後，大部分的酵素會受到破壞，使得無法提供酵素至人體中。

5. 工業上所使用的酵素可由蔬果中萃取、發酵而製得。全方位的綜合酵素產品，應是能分解蛋白質、醣類、脂肪等三大營養素的酵素，最好還含有其他酵素(例如抗氧化酵素)，目前在市面上有許多液態的綜合植物、蔬果酵素產品，不僅使用方便，更能符合食補、食療的目的。

6. 另外，許多工業用酵素也能由微生物以生物技術發酵法生產，生產方式有液體及固體發酵法兩種。

7. 貳、酵素在產業上應用 酵素技術在二次大戰之後發展極為快速，1970年代研發出固定化酵素(immobilized enzyme)技術，使得酵素在化工生產及應用上更為普及；1980年代引用重組DNA技術來改良生產菌種及動植物原料，因此酵素的生產與使用，更邁向另一新里程碑。

8. 市面上有許多添加酵素的洗衣精、洗碗精、牙膏、沐浴乳等產品，然而它的用途不止如此，它還廣泛地被應用在醫學、生化學、生物學、遺傳學、藥學、纖維、造紙、農林水產、食品及化妝品等。

9. 酵素在工業、農業及醫學上用途非常廣泛，例如在紡織工業上，澱粉酶用以當作拔糊劑；許多石化及特化工業生產中，某些反應也改以固定化酵素取代化工催化劑；在食品工業上，以澱粉製造葡萄糖(作為食品化點滴注射醫學用途)，也需用酵素來分解澱粉。

10. 在醫療方面也有作為疾病治療的醫用酵素，如尿激酶(urokinase)、催化酶(catalase)及玻尿酸酶(hyaluronidase)，也具有分解血栓、預防心血管疾病的功效。其他醫學用途方面，在健康檢查中，肝功能好壞的指標就是酵素，大家所熟知的GOT與GPT即是指標酵素。

11. 日常生活常用的洗衣粉與牙膏，若含有酵素，其功能就會提高許多。有些牙膏會添加澱粉酶、葡萄糖氧化酶、乳酸過氧化酶、溶菌酶，以及乳鐵蛋白酶等成分。

12. 其中澱粉酶可將口腔及牙縫中的澱粉分解成葡萄糖，葡萄糖經由葡萄糖氧化酶作用可產生過氧化氫，過氧化氫和硫氫離子經由乳酸過氧化酶作用，再次產生次硫氫離子，其過氧化氫和次硫氫離子均有殺菌和抑菌的功效。溶菌酶可分解細菌的細胞壁，因此也有殺菌的功效。

13. 乳鐵蛋白可與唾液中的鐵結合，以降低唾液中的鐵濃度，使細菌無法生長，因此也有抑制細菌生長的功能。

14. 此種酵素牙膏含有唾液中應有的天然抑菌和殺菌成分，可彌補因老化、疾病和服藥引起唾液減少所導致的天然抑菌和殺菌成分不足的情況；另一方面可以恢復唾液正常功能，改善口腔黏膜健康，又因其含有抑菌或殺菌成分，可防止蛀牙及牙周病的發生。

15. 另外，鹼性蛋白分解酵素也可製造成藥用肥皂及沐浴乳，對清潔皮膚及治療皮膚均有幫助。在美容方面酵素具有美白及消除黑斑功能：人的皮膚經過紫外線照射過後會活化皮膚的黑色素細胞，使體內麥拉寧酵素的激烈運作，而引起過多的黑色素。

16. 現在有許多含有添加抑麥拉寧酵素的美白產品被研發出來，對於阻斷黑色素的形成有不錯的功效。

17. 酵素也使化妝品具有保濕的效果；人體膠質具有保濕效果，其內的酵素可溶解於水中，所以甚早使用在化妝品上，因此酵素也成了化妝品的幕後主角；有許多的洗面乳內含有蛋白酶和脂肪酶可清除皮膚表面的角質，使其擁有良好的洗淨力及保濕能力。

18. 由此可知，酵素的應用是非常廣泛，以下將針對食品酵素的應用做介紹: 一、食品酵素的來源 目前食品用的動物來源酵素包括：來自牛肝的接觸酵素(catalase)；牛或豬的胰凝乳蛋白酵素(chymotrypsin)；植物來源酵素包括：來自未發芽大麥的澱粉酵素(β-amylase)；

19. 發芽大麥的α及β澱粉酵素；鳳梨蛋白酵素(bromelain)；微生物來源的酵素發展與應用起源於亞洲，而歐美一般較常使用動植物性來源的酵素。發芽大麥的α及β澱粉酵素；鳳梨蛋白酵素(bromelain)；微生物來源的酵素發展與應用起源於亞洲，而歐美一般較常使用動植物性來源的酵素。

20. 目前，商業上所使用的微生物種類約有25種左右，均屬於GRAS(Generally Recognized As Safe)等級，其主要的微生物來源包括Kluveromyces、Saccharomyces等屬的酵母菌；Bacillus、Aeromonas等屬的細菌；Aspergillus、Rhizopus、Penicillium等屬的絲狀真菌，其中約有40%來自絲狀真菌。

21. 由於微生物具有生長快速、容易操控的優勢；且隨著無菌技術、抗生素發酵與純菌大量培養技術的確立同時，微生物來源的酵素已大量取代動植物來源的酵素，成為酵素供應最主要的來源。

22. 1930年代，果汁工業應用果膠分解酵素於果汁的澄清，成為工業接受微生物來源酵素之首例。1980年代後期，Genencor公司獲得第一個經由重組DNA及蛋白質工程製造之新種Subtilisin的專利。

23. 1988年Novo Nordisk公司第一個引進經由遺傳工程修飾Aspergillus oryzae的脂肪酵素，以Lipoiase之商品名上市，而目前釀造上使用的脂肪酵素則以來自Candida cylindracea為主。

24. 「食品酵素」多屬於水解酵素，大致上可分為下列五大類：醣類分解酵素(carbohydrases)、蛋白質分解酵素(proteases)、脂肪分解酵素(lipases)、氧化還原酵素(oxidoreductases)及其他(others)。

25. 二、食品酵素的應用 酵素的應用由來已久，人類在數千年前就懂得利用麴來釀酒。直到19世紀，Edward Buchner首度證明，酒的發酵，是由酵素而來，酵素的應用發展才真正開始起步。

26. 目前酵素的研發與酵素生產的市場非常成熟，因此經修飾微生物轉殖基因所生產的食品酵素可以馬上派上用場。其中包括澱粉加工、釀酒、烘焙、蛋白質衍生產品、油脂、飲料及乳製品生產等，甚至還可以應用在動物飼料、果汁、添加物、香料與保健產品的生產。

27. 1.糖工業 澱粉水解產物於食品工業之應用，主要是當做甜味劑，以取代傳統上所使用的砂糖。早在19世紀初，德國化學家Kichoff就發現加酸去煮澱粉可以產生甜味物質-葡萄糖。之後，由De Saussuer在西元1815年奠立工業化酸水解澱粉的基礎。

28. 酸水解方法是在酸鹼度低、溫度較高的條件下進行，品質控制不易。當進行酸水解，若控制葡萄糖當量（Dextrose Equivalent，DE）低於30時，長直鏈澱粉分子容易老化，會有混濁現象出現。

29. 而如澱粉酸水解液之DE值高於55時，則會有過量的葡萄糖形成，導致如：5-Hydroxymethylfurfural（5-HMF）及Levulinic Acid等化合物產生，此等副產物不僅難以去除，而且存在苦味，並會最終產品呈現黃色。

30. 自從1959年日本建立葡萄糖大量製造法之後，酵素便開始大量被使用於食品工業；1965年異構糖的工業化成功，隨後加上耐熱性酵素的開發、固定化酵素技術的研發成功，更助長了澱粉糖工業酵素應用的進展。

31. 在糖工業上最常被使用的酵素依序為葡萄糖異構化酵素、澱粉葡萄糖苷酵素及α-澱粉酵素等。

32. 以下介紹製作高果糖糖漿及機能性寡糖的相關酵素以下介紹製作高果糖糖漿及機能性寡糖的相關酵素 (1)高果糖糖漿(High Fructose Syrup，HFS) 果糖於1792年間被發現，但遲至1950年代才被應用於食品加工上，它的甜度約為葡萄糖的兩倍。

33. 而我國於1984年才開始有果糖的商品於市面上販售，目前有豐年、台榮及環泰三家大廠可生產果糖含量55%以上之HFS，所使用的原料以玉米澱粉及樹薯澱粉為主。而我國於1984年才開始有果糖的商品於市面上販售，目前有豐年、台榮及環泰三家大廠可生產果糖含量55%以上之HFS，所使用的原料以玉米澱粉及樹薯澱粉為主。

34. HFS之生產製程分為兩大部分，一為「酵素反應工程」，其內容包括：液化、糖化及異構化反應三部分。液化可降低澱粉乳之黏度，形成安定且易於糖化作用之反應基質；糖化工程係利用amyloglucosidase將麥芽糊精轉化成葡萄糖；異構化工程是利用葡萄糖異構化酵素將葡萄糖轉化成果糖。

35. 第二部分為「精製工程」，其目的是將糖液中之雜質去除、純化及濃縮；包含過濾、脫色、離子交換、濃縮及F/G分離。日本利用酵素於澱粉糖工業已經有40餘年歷史，最近，甜味料呈現多元化發展，且其市場持續成長中。

36. (2)機能性寡糖 除此之外，機能性寡糖也陸續被開發，1995年開始商業化生產的海藻糖(Trehalose)，由於具有機能性，產量增加到3萬噸，非還原性的四糖Maltosyl-trehalose，由於產品的多樣性極適宜加工特性，開始以寡糖的方式用於食品加工。

37. 由於健康意識的抬頭，具有機能性的寡糖市場逐漸活絡，因此食品的三次機能，例如：活化免疫力、低過敏性、抗膽固醇等機能，爲訴求的新產品不斷進入市場，機能性寡糖的市場規模約為70億日圓。

38. 最近幾年以澱粉為原料，利用酵素作用的機能性寡糖製品相繼上市。馬鈴薯澱粉從各種澱粉酵素未分解的部份，得到可以防止蛀牙的磷酸化寡糖，促進鈣質吸收的寡糖，另外也有利用酵素作用，以預防膽固醇過高為訴求的產品在開發中。

39. 利用α-澱粉酵素可以製造難消化性的糊精，Branchcoenzyme也可製造高度分支狀的糊精。利用CGTase製造出的環狀糊精(Cyclodextran，CD)除了做為食品成分的安定劑外，α-CD還具有抑制血糖值上升的機能。

40. Branchcoenzyme也可以製造大環狀的糊精，可用於運動飲料。利用葡聚糖轉移酵素(Glucanotransferase)所製成的大環狀直鏈澱粉(Amylose)被視為具機能性而用於食品加工。

41. 新的寡糖被開發方面，例如：來自細菌的lsomaltosidetransferase，可以製造出一種新的環狀四糖類，具有非消化性、難發酵性的特點，另ㄧ種是利用菊糖(lnulin)合成酵素從砂糖製造高分子量的菊糖，具有預防成人病的效果。

42. 2.製酒工業 在釀造業未來的發展是朝多樣性，賦予更多機能、風味的產品，爲了滿足消費者需求，酵素的利用是必須的。以下介紹改善啤酒及葡萄酒品質相關的酵素:

43. (1)啤酒 啤酒及發泡酒類產品，市場競爭十分激烈，業者主要原料的麥芽，或者副原料的米、玉米澱粉的比率，在酵母、酵素使用上也努力做到差別化，例如使用澱粉枝切酵素的高發酵性啤酒，使用轉葡萄糖苷酵素(transglucosidase)改善風味的啤酒。

44. 傳統啤酒釀造法為主發酵及熟成發酵二階段，其效率差、成本高，故食品酵素可應用於改變下列幾個啤酒製程：傳統啤酒釀造法為主發酵及熟成發酵二階段，其效率差、成本高，故食品酵素可應用於改變下列幾個啤酒製程： (a)以大麥取代麥芽：可降低成本，須添加額外α-澱粉酵素、葡聚糖酵素、蛋白質分解酵素以補充因麥芽減少而量不足之酵素。

45. (b)增加穀物等副原料的用量：提供酵母菌所需的氮源，但須額外添加蛋白質分解酵素。(b)增加穀物等副原料的用量：提供酵母菌所需的氮源，但須額外添加蛋白質分解酵素。 (c)穀物副原料的液化：利用耐高溫的α-澱粉酵素進行穀物副原料的液化。 (d)改善過濾：添加β-聚葡萄糖酵素，以分解β-聚葡萄糖(β-Glucan)，提高麥芽汁之過濾速度。

46. (e)低熱量啤酒：於醱酵過程中，添加β-澱粉酵素、澱粉葡萄糖苷酵素及澱粉葡萄糖化酵素，會幫助酵母將無醱酵性糊精分解為乙醇和二氧化碳，以減少啤酒成品之熱量。(e)低熱量啤酒：於醱酵過程中，添加β-澱粉酵素、澱粉葡萄糖苷酵素及澱粉葡萄糖化酵素，會幫助酵母將無醱酵性糊精分解為乙醇和二氧化碳，以減少啤酒成品之熱量。 (f)縮短啤酒熟成時間：乙醯乙醇是啤酒風味主要的成分，利用α-乙醯乳酸去羧酵素將α-乙醯乳酸直接轉化成乙醯乙醇，從而縮短啤酒熟成時間。

47. (g)啤酒防霧：添加木瓜酵素來防止啤酒冷藏時因單寧所產混濁現象。另外，可用葡萄糖氧化酵素來清除瓶裝啤酒上部空隙的氧，以延長產品貨架壽命。

48. (2)葡萄酒 　 葡萄酒之製造是以葡萄汁為原料，其使用酵素以果膠分解酵素為主，但與一般加工製程不同的是製程中沒有加熱破壞酵素的步驟，因此必須使用純度較高的酵素製劑，以避免其他酵素活性影響葡萄酒的品質。

49. 葡萄酒的釀造中，加入β-葡萄糖化酶(Glucoase)、果膠酵素是為了改善製程，如果要使Monoterpene類的風味，可以加入對酒精及葡萄糖具耐性的β-葡萄糖苷酵素(β-Glucosidase)。葡萄酒的釀造中，加入β-葡萄糖化酶(Glucoase)、果膠酵素是為了改善製程，如果要使Monoterpene類的風味，可以加入對酒精及葡萄糖具耐性的β-葡萄糖苷酵素(β-Glucosidase)。

50. 此外，糖苷酵素(glycosidase)可分解帖烯糖苷(terpinyl glycosides)，促使芳香族化合物帖烯(terpene)游離，增加葡萄酒的香氣。