酶处理在果蔬汁加工中的应用

第一篇：酶处理在果蔬汁加工中的应用

1.豆奶的主要质量问题是什么？如何控制？ 2.酶处理在果蔬汁加工中的应用

3.举例说明稳定剂的作用原理及在果蔬汁饮料中的应用 4.举例说明乳化剂的乳化原理及在豆乳饮料中的应用 2.酶处理在果蔬汁加工中的应用

摘要：多酚氧化酶带来的酶促褐变是水果、蔬菜加工成果蔬汁过程中引起营养价值、外观品质等降低的主要原因之一，直接导致巨大的经济损失。就酶促褐变的机理、条件以及抑制方法作一综述，通过物理、化学以及生物的处理方法可以有效地抑制果蔬汁加工过程中的酶促褐变。

褐变在果蔬汁加工、储藏过程中会经常发生，严重影响商品的外观和营养品质。褐变一般可以分为两类：一类是有酶参与催化多酚类物质氧化的酶促褐变；一类是如美拉德反应、焦糖化作用产生的褐变，称为非酶褐变。果蔬汁加工过程中的褐变主要是由酶引起的酶促褐变，而且以多酚氧化酶引起的酶促褐变最为明显。本文就酶促褐变的机理、条件以及抑制方法作一综述，旨在为果蔬汁加工、储藏过程中酶促褐变的控制提供依据。酶促褐变的机理酶促褐变是果蔬中的多酚类物质在多酚氧化酶的作用下被氧化形成醌及其聚合物的反应过程。一般认为，果蔬的酶促褐变主要是由于果蔬中富含的多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，简称PPO）催化酚类物质的氧化反应引起的。PPO 能催化果蔬中游离酚酸的羟基化反应以及羟基酚到醌的脱氢反应，醌在果蔬体内自身缩合或与细胞内的蛋白质反应，产生褐色色素或黑色素。在果蔬体内，PPO 主要存在于完整的细胞质体和微体中，而PPO 的底物主要存在于液泡中，处于潜伏状态，在完整的细胞中作为呼吸传递物质，在酚-醌之间保持着动态平衡，不发生酶促褐变。当新鲜的果蔬在加工过程中组织被损伤，氧大量侵入，酶原被激活，酚类物质经酶的催化作用氧化为醌类物质，从而引起褐变反应[1]。酶促褐变的控制2.1 酶促褐变的条件

从酶促褐变的反应机理中可以看出，酶促褐变必须具备4 个条件：①氧的存在；②酶的作用；③含Cu2+辅基的参与；④酶与底物的结合[2]。因此对酶促褐变的抑制就是通过采用物理的、化学的以及生化手段等方法来切断或控制其任何一个环节。

2.2 褐变的控制方法 2.2.1 二氧化硫及亚硫酸盐

二氧化硫及亚硫酸盐对果蔬的酶促褐变的抑制效果很好，而且持续时间长。它们既可以直接作用于酶本身，降低对单酚和二酚类的催化反应活性，又可与反应中生成的醌类物质结合形成无色物质。同时，亚硫酸还有漂白和抑制微生物生长的作用[3]。虽然二氧化硫和亚硫酸盐对果蔬中的褐变有高效的抑制作用，但是亚硫酸盐用于食品中会对人的健康产生影响，已经被限制使用，所以人们都致力于研究亚硫酸盐的替代品。2.2.2 抗坏血酸

抗坏血酸是近年来食品工业中应用最多的褐变抑制剂，它在酶反应体系中的作用是相当复杂的。它既是还原剂可以还原醌类物质，而且还可以作为铜离子的螯合剂，通过-OH 与多酚氧化酶的辅基Cu2+螯和，也可以直接被多酚氧化酶氧化，起到竞争性抑制作用。抗坏血酸的添加量十分关键，添加量过少，不仅不能抑制褐变，反而易与

氨基酸反应促进羰氨反应造成非酶褐变；添加量过多，成品在贮存期间，特别是在较高温度下，由于氧化后所形成的酮化合物与氨化合物发生非酶促褐变反应，从而加剧成品的变色[4]。近年来对抗坏血酸和其他抑制剂联合使用效果的研究比较多。2.2.3 L-半胱氨酸

L-半胱氨酸也是一种强效抑制剂，其抑制褐变的机制归纳起来为：一是醌类物质能与半胱氨酸形成无色的复合物，阻止了醌类物质聚合而不能形成的色素物质；二是半胱氨酸可通过与PPO活性位点的铜离子不可逆结合而抑制酶活性，或者替代PPO 活性位点的组氨酸残基；三是半胱氨酸并非阻止PPO 氧化酚类，而是阻止酚类的聚合[5]。但是L-半胱氨酸会产生令人不愉快的气味，破坏产品风味，所以近年来致力于研究L-半胱氨酸与其他抑制剂联合使用的效果。2.2.4 曲酸

曲酸及其衍生物对酪氨酸酶（或称多酚氧化酶PPO）有强烈抑制作用，20μg/ml 浓度的曲酸就可抑制不同来源的酪氨酸酶的70%~80%的活力。另外曲酸具有抗氧化性，它的酚羟基可以被还原；它还可与Fe、Cu、Mn 等金属离子发生螯合反应。刘波[6]发现曲酸在苹果汁褐变中的抑制率可以达到70%~80%。2.2.5 酸化剂

引起酶促褐变最适宜的pH 范围在4~7 之间。降低介质中的pH，可以控制酚酶的活性，抑制其催化作用。一般通过添加酸控制pH 在3 以下，酚酶的活性就几乎可以完全丧失。常用的酸有柠檬酸、苹果酸、抗坏血酸及其它有机酸混合溶液。2.2.6 4-乙基间苯二酚（4-HR）

4-己基间苯二酚（4-HR）是一种新型抗氧化剂，是酪氨酸酶的有效抑制剂，其化学稳定性相当好，安全性高，对酚酶抑制力强，已被推荐用于防治果蔬产品的酶促褐变，具有良好的应用前景。Luo等报道，0.005% 4-己基间苯二酚（4-HR）对苹果片的褐变已有明显的抑制作用[7]。谢绍萍等报道，当4HR 添加量≥0.1%时，对香蕉浆液的护色有较好的效果[8]。4-己基间苯二酚也被证实能够有效地抑制蘑菇、鲜切梨、马铃薯的酶促褐变。2.2.7 复合抑制剂

近年来研究最多的就是各种褐变抑制剂的联合作用，许多报导都显示了复合抑制剂的效果远好于单一抑制剂。H.Ozoglu 等报道了0.49mM 的抗坏血酸、0.42mM 的L-半胱氨酸和0.05mM 的肉桂酸的抑制剂组合在苹果汁中的褐变抑制效果远好于单一抑制剂的效果[9]。2.2.8 杜仲叶提取物

杜仲作为一味中药，在我国应用很广泛。杜仲叶也有很好的保健效果，如镇静、镇痛、降压、抗炎等作用。Min-Kyung Lee 等报导了杜仲叶提取物在许多果蔬汁中都有很好的抑制褐变的效果，而且耐酸耐碱，是一种很好的褐变抑制剂[10]。杜仲 叶提取物抑制褐变的机理还未明确，实验中杜仲叶提取物经过透析以后褐变抑制效果大大降低，表明其中抑制褐变的主要成分应该是一些小分子物质。2.2.9 洋葱提取物

洋葱作为一种蔬菜在我国食用也很广泛，具有抗氧化、降血糖、杀菌、抗癌等保健效果。Mi-Jeong Kim 等报导了洋葱提取液在梨果汁中具有不错的抑制效果[11]。但是洋葱的褐变抑制机理还不明确。洋葱中含有微量元素硒，是一种很强的抗氧化剂，除此外还含有L-半胱氨酸和类黄酮物质，洋葱提取物中的这些成分可能是褐变抑制效果的主要成分。但是洋葱提取物有强烈的刺激气味，用于果汁中会对风味造成很大的影响。2.2.10 桑树皮和桑树枝提取物

中药中的桑白皮具有降血糖、利尿、抗人艾滋病毒、降血压、抗菌等作用。李海涛等报导了桑白皮和桑树枝条提取物在浑浊苹果汁中具有很好的抑制效果[12]。从桑白皮中分离提取的桑皮苷A和氧化白藜芦醇也具有很好的抑制褐变效果，很可能是桑白皮和桑树枝条提取物抑制褐变的主要成分。但是桑白皮和桑树枝条提取物的褐变抑制 机理还不明确。展望

控制果蔬汁在加工、储藏过程中的酶促褐变，提高果蔬汁产品的营养价值和外观品质是人们长期关注的问题。目前，人们已经从原料选择、酶活性和酶促反应的抑制、反应产物的改变、氧气的控制等多方面入手，找到了多种控制果蔬汁中酶促褐变的有效方法。但是因为果蔬中的PPO 具有特异性，根据果蔬品种的不同，各种褐变抑制剂的抑制效果也不尽相同，都存在着一定的局限性。同时，由于过氧化物也会引起酶促褐变，还应结合过氧化物引起的酶促褐变以及非酶褐变一同加以研究，才能找到控制果蔬汁褐变的理想方法。

第二篇：果胶酶在果蔬汁中的应用

新疆农业大学

专业文献综述

题

目:

果胶酶在果蔬汁中的应用

姓

名:

韦奇才

学

院:

食品科学与药学院

专

业:

食品科学与工程

班

级:

082班

学

号:

084031266

2010年 12 月 28 日 新 疆 农 业 大 学

摘要:果胶酶普遍存在于细菌、真菌和植物中是分解果胶类物质的酶的总称,在果蔬加工、纺织和造纸工业中应用非常广泛，果胶酶在果蔬饮料中的应用也非常广泛。本文综合介绍了果胶的组成和结构论述了果胶酶的分类、作用机制及酶活性测定方法，讨论了果胶酶在果蔬汁的出汁率、澄清、超滤等方面的应用，并对果胶酶在果蔬饮料加工中的应用等方面进行综述。

关键词:果胶酶 果蔬汁 出汁率 澄清 超滤 营养成分

前言

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，果品成了人类健康不可缺少的营养物质。虽然我国有丰富的果品资源，然而因果品本身营养丰富含水量高，很容易受微生物污染故保存期比较短。为了充分利用资源优势提高我国农产品在国际市场上的竞争能力，必须大力发展果品加工业。但是目前果品加工中存在着不少难题例如果汁和果酒的澄清果实的脱皮、加工过程中香气成分和营养物质的损耗等。解决这些难题仅仅靠改进加工工艺或增加设备投资是很难实现的。而目前有许多难题已经通过酶工程的应用得到了很好的解决。

近年来酶工程在果品加工中的应用非常广泛,所用的酶种类越来越多,数量也越来越大,人类已开发出应用于果蔬汁中的酶类如果胶酶、果胶酯酶、纤维素酶、鼠李糖苷酶、中性蛋白酶、半乳甘露聚糖酶、液化葡萄糖苷酶等,其中使用最多的是果胶酶。1 果胶酶

国外对果胶酶的研究始于20世纪30年待至50年代已工业化生产，而国内的研究则始于80年代末才开始工业化生产。随着我国水果种植和水果加工业的发展，对果胶酶的开发和应用也迅速发展。在果汁生产过程中果胶酶可以快速彻底地脱除果胶，降低果汁黏度利于果汁过滤澄清滤液且澄清度稳定;减少化学澄清剂的用量改善果汁质量;果胶酶利于压榨可以有效地提高水果的出汁率，在沉降、过滤、离心分离过程中改善果汁的过滤效率，利于沉淀分离，加速和增强果汁的澄清作用。经果胶酶处理的果汁稳定性好，可防止存放过程中产生浑浊，沉淀和絮凝现象。1.1 果胶酶的定义

果胶酶是指能够分解果胶物质的酶的总称，是果汁生产中最重要的酶制剂之一，已被广泛应用于果汁的提取和澄清、改善果汁的质量以及植物组织的浸渍和提取。

1.2 果胶酶的分类及作用机制

果胶酶可以分为3类:原果胶酶、解聚酶和果胶酯酶(PE)。原果胶酶将不溶性的原果胶水解为水溶性果胶，根据其作用方式不同又可分为外切酶和内切酶。一般用苯酚-硫酸法测定溶液中由原果胶释放出果胶物质的量，来确定原果胶酶的活力。

聚半乳糖醛酸酶(PG)分为外切酶和内切酶。PG内切酶广泛存在于真菌、细菌和很多酵母中高等植物中也发现有内切酶的存在。内切酶作用于聚半乳糖醛酸时随机水解其中的半乳糖醛酸单位可使其溶液的粘度下降但还原力增加不大。聚半乳糖醛酸酶的活力可以通过测定反应中还原能力的增加或者底物溶液粘度的降低来确定。聚半乳糖醛酸裂解酶(PGL)和聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(PMGL)分别通过反式消去作用切断果胶酸分子和果胶分子的α-14糖苷键，生成β-45不饱和半乳糖醛酸。这两种裂解酶都分为外切酶和内切酶两种，一些植物软腐病菌、食品腐败菌以及霉菌均能产生外切聚半乳糖醛酸酶。裂解酶的活力可以通过测定其释放的不饱和糖醛酸数量来计算。2 果胶酶在果蔬饮料生产中的应用

果胶酶作为果蔬汁生产中最重要的酶制剂之一，已被广泛应用于果蔬汁的提取和澄清、改善果蔬汁的可过滤性以及植物组织的浸渍和提取。

目前大部分原果汁、浓缩果汁的生产过程中都在使用果胶酶，但由于各种水果中果胶含量差别较大，而且果胶质的成分也有差异，因此应根据水果的不同品种、不同加工目的来确定合适组成的果胶酶。2.1 果汁的提取

目前果汁的提取方法主要是加压榨出和过滤果汁，加工时首先将植物细胞壁破坏。大多数植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素和果胶物质等组成细胞壁的结构较紧密，单纯依靠机械或化学方法难以将其充分破碎。另外果胶随成熟度的增加酯化程度较高，也是影响出汁率的主要因素之一。

用果胶酶处理可以破坏果实细胞的网状结构，提高果实的破碎程度，有效降低其黏度改善压榨性能，提高出汁率和可溶性固形物含量，从而就能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有利于后续的澄清、过滤和浓缩工序。例如在苹果汁生产中苹果要先经机械压榨然后离心获得果汁但果汁中仍然含有较多的不溶性果胶而呈浑浊状。直接将果胶酶加到苹果汁中处理后经加热杀菌、灭酶、过滤得到澄清的果汁。2.2 果胶酶能提高果蔬汁的出汁率

果胶酶是应用于果蔬饮料生产中最主要的酶类，它能较大幅度地提高果蔬饮料的出汁率，改善其过滤速度和保证产品贮存稳定性等。若添加果胶酶制剂则可降低葡萄汁液的黏稠度，提高出汁率，缩短加工时间，获得色泽清亮、汁液清澈的葡萄汁。

在苹果浓缩汁生产中为了避免液化技术的缺点，很多厂商采用两阶段液化技术或者称为果渣液化技术:首先在果浆中添加果胶酶浸渍后压榨或者不加果胶酶直接压榨;接着将压榨后的果渣加水之后加入果胶酶和纤维素酶进行酶解然后压榨从而大大提高苹果的出汁率。2.3 果胶酶能使果蔬饮料澄清

果胶酶作用于果蔬汁时除降低粘度外还可产生絮凝作用使果蔬汁澄清。澄清机理的实质包括果胶的酶促水解和非酶的静电絮凝两部分。果汁中有很多物质如纤维素、蛋白质、淀粉、果胶物质等，影响澄清且果胶物质是造成果汁混浊的主要因素。在樱桃汁的加工过程中添加果胶酶使果胶水解从而使樱桃汁黏度降低过滤阻力减小，过滤速度加快;同时由于樱桃汁中的悬浮果粒失去高分子果胶的保护，很容易发生沉降而使上层汁液清亮，在以后的澄清过程中明胶澄清剂的加入量便可大大减少。

果胶酶还可以用于苹果汁、甘蔗汁、蟠桃汁、桃杏李果汁等的澄清。添加果胶酶时应使酶与果浆混合均匀根据原料品种控制酶制剂的用量并控制作用的温度和时间。若果胶酶与明胶结合使用效果更佳。有时采用复合酶法澄清如在澄清枣汁时使用果胶酶和α-淀粉酶。2.4 果胶酶能提高超滤时的膜通量

利用超滤技术生产清汁及浓缩清汁在果蔬汁加工业中越来越流行。超滤比传统的过滤速度快、效果好但它的主要缺点是由于果蔬汁中大量糖的存在，在超滤过程中会使超滤系统产生次生覆膜降低了超滤通量。加入分解多糖物质的商品果胶酶可减少次生覆膜的产生，提高超滤通量增加了产量。因此脱胶对于获得较高的膜通量和浓缩比非常关键。除了可以提高膜通量果胶酶还可用于超滤膜的清洗。

与化学方法相比利用果胶酶清洗超滤膜，能100%地进行生物降解而且可以在最佳pH、温度下作用从而可以缩短清洗时间、增加超滤膜的通透量和使用寿命、增加产量、节省能源。因此将超滤技术与酶技术联用对发挥超滤作用至关重要。

2.5 果胶酶能改善果蔬饮料的营养成分

利用果胶酶生产果蔬汁不仅提高了出汁率而且保留了果蔬汁中的营养成分。首先果蔬汁的可溶性固形物含量明显提高，而这些可溶性固形物由可溶性蛋白质和多糖类物质等营养成分组成。果蔬汁中的胡萝卜素的保存率也明显提高。

对果胶酶处理果汁的研究表明酶处理后的果汁的葡萄糖、山梨糖和果糖含量显著提高，蔗糖含量下降总糖含量上升。此外由于果胶的脱酯化和半乳糖醛酸的大量生成，造成果汁的可滴定酸度上升pH下降。芳香物质含量也有明显提高，经果胶酶处理后的葡萄汁各种酯类、萜类、醇类和挥发性酚类含量提高葡萄汁的风味更佳。由于细胞壁的破裂，类胡萝卜素、华色苷等大量色素溶出大大提高了果蔬汁的外观品质。K、Na、Ca、Zn 等矿物质元素含量也有较大提高。2.6 果胶酶能改善浓缩果汁品质

果汁浓缩后不仅流动性差而且稳定性也差，因此果汁的浓缩也需先澄清和脱果胶，以避免浓缩时产生胶凝。果汁经酶处理去除果胶后，再浓缩所得浓缩汁有较好的流动性并且重新稀释后仍是稳定的。尤其适用于柑橘类浓缩汁的生产。

目前果胶酶在果品加工中的应用还有脱苦和去除异味等，不同活性比例的果胶酶制剂已在许多国家成为标准加工作业。随着酶技术本身的发展，果胶酶在食品工业尤其在果品加工业中的应用前景会更加广阔。2.7 果胶酶还可用于果实脱皮——脱除及净化果皮

含有纤维素和半纤维素的粗果胶酶制剂能够作用于果实皮层使之细胞分离、结构破坏而脱落。如柑桔囊衣、莲子肉皮和大蒜膜层经粗果胶酶处理后可以很快地脱落。此外果胶酶对杏仁也有一定的脱皮作用。

目前不同活性比例的果胶酶制剂已是降解果蔬细胞壁改善压榨性能、降低粘度、增加出汁率和提高营养成分不可省略的部分。在许多国家添加果胶酶已是制造澄清或者浓缩的草莓汁、葡萄汁、苹果汁及梨汁的标准加工作业。随着酶技术本身的发展果胶酶在果蔬汁中的应用前景会更加光明。

小结

目前在果蔬汁加工业中已广泛采用果胶酶降解果蔬细胞壁以改善压榨性能、降低粘度、增加出汁率和提高营养成分。在食品加工中酶的一个重要用途是使原料更易于处理，增加产品的得率。使用果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶可促进细胞分离细胞壁变软，这特别适于水果和蔬菜。果胶酶作用于果胶质中D-半乳糖醛酸残基之间的糖苷键使高分子的聚半乳糖醛酸降为小分子物质。因此它在食品工业有重要的应用价值。果胶酶是应用于果蔬汁生产中且主要的酶类它可以较大幅度地提高果蔬品种的出汁率，改善其过滤速度和保证产品贮存稳定性。随着软饮料行业的快速发展果胶酶的需求和应用前景将极为广泛。

我国对果胶酶的工业化应用还处于相对滞后的状态，为提高果胶酶的使用率简化产品提纯工艺并达到连续化生产的目的，将果胶酶固定于廉价载体上已成为国际上研究的一项重要课题。

参考文献

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第三篇：固定化酶在现代工业中的应用

固定化酶在现代工业中的应用

姓名：胡艳芬 学号：2008132106 指导教师：张孟

摘要

酶是一类有催化功能的蛋白质,具有反应条件温和, 底物专一性强, 可在水溶液和中性pH 下操作等优点。与游离酶相比，固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时，又克服了游离酶的不足之处。本文简要介绍了固定化酶的概念、制备方法及其在生物、医药、环境保护等方面的广泛应用。重点介绍一些固定化酶在现代工业中的应用，并对其应用前景进行了展望。

关键词

固定化酶 制备 工业 应用 前景

酶是一类由活细胞产生的具有生物催化功能的分子量适中的蛋白质,具有极高的催化效率、高度的特异性及控制的灵敏性。大多数酶是水溶性的。由于酶催化反应具有底物专一性、催化高效性、反应条件温和等优点,符合绿色化学的要求,从而被大家高度重视,已在许多领域得到广泛的应用。酶的最大缺点是其不稳定性,在酸、碱、热及有机溶剂中易发生变性,活性降低或丧失;而且酶反应后,会在溶液中残留,造成酶反应难以连续化、自动化,同时也不利于终产品的分离提纯,这些都大大阻碍了酶工业的发展,所以有必要采取酶工程技术改善这些缺点。酶工程技术措施较多,其中酶的固定化技术是重要举措之一。酶的固定化是用人工方法把从生物体内提取出来的酶固定在特定的载体上或使酶与酶相交联,酶被限定在一定区域内,但仍保持原有高效、专

一、条件温和的催化功能。

已固定化的酶像化学反应所用的固体催化剂那样, 既能发挥它们的催化特性, 又能回收, 并能多次反复使用, 使整个生产工艺可以连续化、自动化。近年来, 国内外科技工作者在固定化酶在工业生产中的应用做了大量研究，并得到了广泛的发展，本文将对这些成就做具体介绍。固定化酶的概念

1916 年Nelson 和Griffin 最先发现了酶的固定化现象后, 科学家就开始了固定化酶的研究工作。1969 年日本一家制药公司第1 次将固定化的酰化氨基酸水解酶用来从混合氨基酸中生产L-氨基酸, 开辟了固定化酶工业化应用的新纪元。酶的固定化是用人工方法把从生物体内提取出来的酶固定在特定的载体上或使酶与酶相交联,酶被限定在一定区域内,但仍保持原有高效、专

一、条件温和的催化功能。通常酶是游离的,而经过固定化以后,酶被束缚在一定区域内,因而这样的酶被称为固定化酶

[ 3, 4 ]

[2][1]

。与游离酶相比, 固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时, 又克服了游离酶的不足, 呈现贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。固定化酶的制备

酶的固定化(enzyme immob ilization)是指采用有机或无机固体材料作为载体(carrier or support),将酶包埋起来或束缚、限制于载体的表面和微孔中, 使其仍具有催化活性, 并可回收及重复使用的酶化学方法与技术。固定化酶的制备方法有物理法和化学法两大类。物理方法包括物理吸附法、包埋法等。物理法固定酶的优点在于酶不参加化学反应,整体结构保持不变,酶的催化活性得到很好保留。化学法是将酶通过化学键连接到天然的或合成的高分子载体上,使用偶联剂通过酶表面的基团将酶交联起来,而形成相对分子量更大、不溶性的固定化酶的方法。

2.1 传统的酶固定化方法

传统的酶固定化方法大致可分为4 类: 吸附法、交联法、包埋法、共价结合法。吸附法是最早出现的酶固定化方法, 包括物理吸附和离子交换吸附。该法条件温和, 酶的构象变化较小或基本不变, 因此对酶的催化活性影响小, 但酶和载体之间结合力弱, 在不适pH、高盐浓度、高温等条件下, 酶易从载体脱落并污染催化反应产物等。交联法是利用双功能或多功能交联试剂, 在酶分子和交联试剂之间形成共价键, 采用不同的交联条件和在交联体系中添加不同的材料, 可以产生物理性质各异的固定化酶。交联法一般作为其它固定化方法的辅助手段。包埋法的基本原理是载体与酶溶液混合后, 借助引发剂进行聚合反应, 通过物理作用将酶限定在载体的网格中, 从而实现酶固定化的方法。该法不涉及酶的构象及酶分子的化学变化, 反应条件温和, 因而酶活力回收率较高。包埋法固定化酶易漏失, 常存在扩散限制等问题, 催化反应受传质阻力的影响, 不宜催化大分子底物的反应。载体偶联法是指酶分子的非必须基团与载体表面的活性功能基团通过形成化学共价健实现不可逆结合的酶固定方法, 又称共价结合法。载体偶联法所得的固定化酶与载体连接牢固, 有良好的稳定性及重复使用性,成为目前研究最为活跃的一类酶固定化方法。但该法较其它固定方法反应剧烈, 固定化酶活性损失更加严重。2.2 传统固定化技术的改进

保持各种传统固定化方法的优点并改进其不足一直是固定化酶方面研究的重要内容。改善酶固定化效果的途径有: 改善表面积以及孔径等物理结构,如采用分子筛或纳米纤维微孔膜;改善化学交联的反应及方式, 如辐照, 引发剂引发等;改善结合的方向选择性, 如采用定向固定化的方法;其他手段, 如利用长臂使酶远离载体表面, 使载体-酶体系的溶解度随温度、pH 值等条件的改变而改变, 以便于产物的分离及酶的回收。针对不同的酶有不[5]同的策略, 对于某些酶可能取向很重要, 而对于其他酶可能载体造成的环境重要一些, 因此, 每种酶固定的最佳条件目前还是特异的, 没有统一的理论, 其原因可能是相互间的影响因素太多, 而酶又多由具有复杂组成和空间构型的蛋白质构成, 不存在明显的因果联系。今后可望建立起适用的模型, 使用计算机得到最优的固定策略。2.3 新型酶固定化方法

开发新型酶固定化方法的原则是: 实现在较为温和的条件下进行酶的固定化, 尽量减少或避免酶活力的损失。通过辐射、光、等离子体、电子等新方法均可制备高活性固定化酶。Mohy 等[ 6] 以137 Cs 为辐射源,通过C2射线引发将甲基丙烯酸甲酯接枝共聚于尼龙膜表面, 经进一步活化, 用于青霉素酰化酶的固定。光偶联法是以光敏性单体聚合物包埋固定化酶或带光敏性基团的载体共价固定化酶, 由于条件温和, 可获得酶活力较高的固定化酶。Li等 利用含芳香叠氮基的光活性酯, 在远紫外光辐照下, 叠氮基光解生成氮烯与PES 膜表面的C-H 键间发生插入反应形成仲胺, 将脲酶共价键合到PES 膜的表面。等离子体是高度激发的原子、分子、离子以及自由基的聚集体, 大量的等离子体常在室温下存在。载体材料表面可以由等离子体进行有用修饰

[ 8, 9]

[ 7]

, 从而引入活性基团。Puleo 等将钛合金T i26Al24V 表面用丙烯酸胺等离子体处理引入氨基, 然后将含碳硝化甘油接枝于钛合金表面, 或者将等离子体处理的钛合金先由琥珀酸酐处理, 再用含碳硝化甘油接枝, 进而将溶菌酶和骨形态蛋白进行固定, 实现了生物分子在生物惰性金属上的固定化。固定化酶在现代工业中的应用

3.1 酶蛋白工程在工业酶中的应用

目前酶蛋白质工程主要集中在工业用酶的改造, 因为工业用酶有较好的酶学和晶体学研究基础, 酶的发酵技术(包括诱变技术和筛选方法)也比较成熟, 而且其微生物的遗传工程发展较好, 其次工业酶无须进行医学鉴定, 能很快地投入使用.如用作洗衣粉添加酶的枯草杆菌蛋白酶, 是一种天然的丝氨酸蛋白酶, 它能够分解蛋白质, 使衣服上的血迹和汗渍等很容易洗掉.但这种酶一般比较脆弱, 在漂白剂的作用下容易被破坏而失去活性, 原因是222位的甲硫氨酸容易被氧化成砜或亚砜.现在利用蛋白质工程技术, 用丝氨酸或丙氨酸替代后, 酶的抗氧化能力大大提高, 可在0.5mol/L 的过氧化氢溶液中停留1小时而活性丝毫未损, 这样便可与漂白剂混合使用.可以预见生物工程技术的发展和酶固定化技术可以相互补充, 共同发展对酶在工业领域的应用必将起到更大的推动作用。3.2 固定化酶在食品工业中的应用

酶固定化在食品工业中的应用是早期发展起来的一个传统领域.其中最有名的, 也是规模最大的过程, 就是采用固定化葡萄糖异构酶, 从葡萄糖生产高果糖浆.其它还包括采用固定化乳糖酶去除牛乳中的乳糖、采用固定化脂肪酶通过转酶反应生产可可油替代品、采用固定化耐热蛋白酶制造甜味剂2天冬甜精, 以及应用固定化L2天冬酶从富马酸铵生产天冬氨酸等[ 7]。1973 年,日本用聚丙烯酸酰胺为载体,用包埋法制成固定化天冬氨酸酶,用于工业化生产。固定化乳糖酶和固定化天门冬氨酸-β-脱羧酶分别于1977 年和1982 年用于工业化生产。

3.2.1 固定化酶在乳制品生产中的应用

牛奶中含有一定量的乳糖,有些人体内缺乏乳糖酶,在饮用牛奶后常出现腹泻、腹胀等症状;另外,由于乳糖难溶于水,常在炼乳、冰淇淋中呈沙样结晶析出,影响风味。乳糖酶可将乳糖分解为半乳糖和葡萄糖,如将牛奶用乳糖酶处理则可解决上述问题。Fernandes等[ 6 ]研究用琼脂糖作载体,固定来源于南极的冷适应菌Pseudoalterom onas sp的β-半乳糖苷酶,并应用于牛奶中乳糖的降解,生产低乳糖牛奶;Caterina等[ 7 ]运用固定化技术,研究牛奶中碱性磷酸酶的耐热性;Mona等[ 8 ]研究用离子吸附法固定来源于B acillus licheniform is 5A1的牛奶凝结酶,并用于干酪生产。

3.2.2 固定化酶在啤酒生产中应用

在啤酒生产中,需添加外源性的淀粉酶来补充天然酶的不足。此外,长期放置的啤酒会由于多肽和多酚物质发生聚合反应而变得混浊,为防止出现混浊,目前主要采用添加蛋白酶来水解啤酒中的蛋白质和多肽。温燕梅等以化学共沉淀法制得的磁性聚乙二醇胶体粒子为载体,固定胰蛋白酶,该磁性酶对啤酒澄清、防止冷浑浊有明显效果;Stepanova等研究用DEAE-纤维素固定β-葡萄糖苷酶和多聚半乳糖醛酸酶,用于樱桃、李子的果酒生产。3.2.3 固定化酶在茶饮料生产中的应用

将固定化酶法应用于茶饮料生产中,可去除异味,提高适口性,提高营养价值。李平等

[ 9 ]

研究从黑曲霉(Aspergillus niger)发酵液中提取β-葡萄糖苷酶酶液,用丝素蛋白将其固定,此固定化酶可应用于茶汁的风味改良;苏二正

[10 ]

等以海藻酸钠为载体,采用交联-包埋-交联的方法共固定化了单宁酶和β-葡萄糖苷酶,可应用于茶饮料的除浑和增香处理。3.3 固定化酶在化工领域中的应用。

水解蛋白酶固定化后可用于肽及有机化合物的酶促合成,如硅藻土固定化木瓜蛋白酶可在乙酸乙酯介质中催化合成LeuPhe-LeuLL231 [ 3 ] 彭志英1 食品酶学导论[M ] 1 北京: 中国轻工业出版社, 20021 [ 4 ] 罗贵民,曹淑桂,张今1酶工程[M ] 1北京:化学工业出版社, 2002 [ 5 ] 杨昌英, 潘家荣, 钟珩等.醋酸纤维素固定化脂肪酶催化猪油合成单甘酯[ J ].湖北化工, 2002,(6): 20 21.[ 6 ] Mohy M Y, Ben civenga U, Rossi S, et al.Charact erizat ion theact ivity of pen icillin G acyl as e immobilized on to nylon membranesgraft ed with different acrylic monomers by means of C2radiation[ J].J ou rnal of Molecular Cat alysis B: E nzymat ic, 2000: 2332 244.[ 7 ]吴国琪,凌达仁,王忱,等.固定化谷氨酸脱羧酶性能的研究[J ].离子交换与吸 附,1999 ,15(1):71.[ 8 ] Mona A E, Yannick C B1 Immobilization of Bacilluslicheniformis 5A1 milk-clotting enzyme and characterization of itsenzyme p roperties [ J ] 1 World Journal of Microbiology andBiotechnology, 2006, 22(3): 197～2001 [ 9 ] Kalia V , Goyal L , Pundir C S.烷基胺玻璃固定化葡萄糖氧化酶测定血糖[J ].生物工程学报, 1998 , 14(3): 336.[ 10 ] 徐晖,王燕,魏密苏.环境工程中固定化酶与固定化微生物的应用[J ].沧州师范专科学校学报,2002 ,18(3):42.[ 11 ] Dinelli D.Process Biochem [ J ].Process Bio chem, 1972, 7(8): 9 14.[ 12 ] 岳振峰, 彭志英, 徐建祥等.壳聚糖固定化葡萄糖苷酶的研究[ J ].食品与发酵工业, 2001, 27(4): 20 24.[ 13 ] 陈雄.固定化糖化酶的研究[ J ].中国酿造, 2001,(2):19 20.[ 14 ] 唐芳琼, 孟宪伟, 陈东, 冉均国, 苟立, 郑昌琼.纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器[ J ] , 中国科学B 辑, 2000,30(2): 119 124.[ 15 ] 马秀玲,陈盛,黄丽梅,等.磁性固定化酶处理含酚废水的研究[J ].广州化学，2003,28(1):17

Immobilized in the modern industrial application

Name: Hu Yanfen

Instructor: ZhangMeng

Abstract Enzymes are a class of proteins with catalytic function, with mild reaction conditions, substrate specificity, and can be in aqueous solution and neutral pH operation, etc..Compared with free enzyme, immobilized enzyme while maintaining its high specificity and moderate catalytic properties of enzymes, they also overcome the inadequacies of the free enzyme.This paper introduces the concept of the immobilized enzyme, preparation methods and in biology, medicine, environmental protection and other aspects of the wide range of applications.Highlights some of the immobilized enzyme applications in modern industry, and its application prospect.Key words

Immobilized Preparation Industry Application foreground

第四篇：果蔬汁饮料国内外加工技术发展新趋势

果蔬汁饮料国内外加工技术发展新趋势

摘要: 我国是水果和蔬菜生产大国，产量均居世界第一位。发展果蔬汁产业可以提高果蔬的附加值，具有明显的经济和社会效益。本文介绍了果蔬汁饮料加工技术中的护色，超滤膜分离，超高压，均质，冷杀菌等技术及发展趋势。

关键词: 护色技术，超滤膜分离技术，超高压技术，冷杀菌技术

前言

果蔬汁有“液体果蔬”之称，较好的保留了果蔬原料中的营养成分。人们对健康的关注，消费意识的转变，饮料的消费已逐渐由嗜好性饮料向营养性饮料转变，果蔬汁饮料满足了这—要求，市场正在逐渐扩大。目前市场上的果汁主要有橙汁、苹果汁、菠萝汁、葡萄汁等，蔬菜汁主要有西红柿汁、胡萝卜汁、南瓜汁以及一些果蔬复合汁。

近年来，我国的果蔬汁加工业有了较大的发展，大量引进国外先进的果蔬汁加工生产线，如浓缩果汁生产线、利乐包生产线、康美合生产线、三片罐生产线、爱卡包生产线等，采用一些先进的加工技术如高温短时杀菌技术、无菌包装技术、膜分离技术等，将我国的果蔬汁加工生产水平提高了—个层次, 果蔬汁加工产品的品种目前有: ①浓缩果汁:具有体积小、重量轻的特点,可以减少贮藏、包装及运输的费用,有利于国际贸易。随着欧洲市场对我国浓缩苹果汁的酸度的放松,未来我国出口欧洲的苹果汁将会增加。②NFC 果蔬汁:不是用浓缩果蔬汁加水还原而来,而是果蔬原料经过取汁后直进行杀菌,包装成成品,免除了浓缩汁调配后的杀菌过程。果蔬汁的营养高、风味好。③复合果蔬汁:利用各种果蔬原料的特点,从营养、颜色和风味等方面进行综合调制,创造出更为理想的果蔬汁产品。④果肉饮料:较好地保留了水果中的膳食纤维,原料的利用率较高[1]。

我国水果、蔬菜资源丰富，其中水果年产量近7 000万吨，蔬菜产量约5亿吨，均居世界第一位。我国果蔬产业已成为仅次于粮食作物的第二大农业产业。预计到2010年，我国水果和蔬菜总产量将分别达到1亿吨和6亿吨。丰富的果蔬资源为果蔬加工业的发展提供了充足的原料。因此，果蔬加工业作为一种新兴产业，在我国农业和农村经济发展中的地位日趋明显，已成为我国广大农村和农民最主要的经济来源和新的经济增长点，成为极具外向型发展潜力的区域性特色、高效农业产业和我国农业的支柱性产业。

由于果蔬汁产业具有的明显经济和社会效益，国家在“十五”、“十一五”科技攻关重大专项和国家863项目中，专门设置了果蔬汁加工的课题，例如：苹果深加工关键技术与设备研究开发、蔬菜汁产业化关键工艺技术研究与产品开发、优质鲜榨苹果汁和浑浊型苹果汁加工关键技术与产业化开发、浓缩果汁质量控制技术研究等。

发达国家越来越重视果蔬加工业，其发展趋势主要有以下几点：

发达国家已实现了果蔬产、加、销一体化经营，具有加工品种专用化、原料基地化、质量体系标准化、生产管理科学化、加工技术先进及大公司规模化、网络化、信息化经营等特点。同时，发展中国家果蔬加工业近年来也得到长足发展。

近年来，生物技术、膜分离技术、高温瞬时杀菌技术、真空浓缩技术、微胶囊技术、微波技术、真空冷冻干燥技术、无菌贮存与包装技术、超高压技术、超微粉碎技术、超临界流体萃取技术、膨化与挤压技术、基因工程技术及相关设备等已在果蔬加工领域得到普遍应用。先进的无菌冷罐装技术与设备、冷打浆技术与设备等在美国、法国、德国、瑞典、英国等发达国家果蔬深加工领域被迅速应用，并得到不断提升。这些技术与设备的合理采用，使发达国家加工增值能力明显地得到提高。

果蔬饮料的工艺流程

果蔬原料

→

选果

→

清洗

→

破碎

→

榨汁

→

调配

→

过滤→

均质

→

脱气

→

灭菌

→

灌装

→

封口

→

喷淋

→

杀菌→

装箱

→

成品

根据不同的阶段分析目前常采用的技术及发展趋势

1、护色技术的应用

果蔬加工过程中的色泽变化统称为褐变,视其褐变过程生物酶的参与与否，而划分为酶促褐变和非酶褐变。生产加工过程中控制褐变产生常用的物理方法主要有烫漂,超滤、超声处理、超临界二氧化碳处理等，化学方法有：亚硫酸盐处理、硫处理、氯化物处理、食盐水处理酸化剂处理等。目前，对于果蔬产品的护色，化学抑制剂是占主导地位的措施。

2、超滤膜分离技术的应用 超滤在果汁加工方面的应用始于1977年, Hedth bell 在苹果汁的澄清上首次获得成功,由于超滤用于澄清果汁的加工可以提高5%-8%的产量.节省澄清剂、助滤剂的费用,简化工艺,减少能耗, 降低劳动强度,且对果蔬汁中营养成分和芳香物质的损失也少, 产品质量高, 因而引起广大食品科学工作者的重视。

通过试验还发现起滤后的果汁细菌总数下降了84 % , 因此超滤还可以使果汁达到无菌化并表现出冷杀菌的潜势.传统加工工艺得到的澄清汁往往在贮藏中易出现后混浊现象, 据研究发现引起后混浊的主要原因是由于果胶、淀粉、明胶截留、酸类物质、蛋白质、阿拉伯聚糖、右淀糖醉、微生物、助滤剂等等.通常用果胶酶在适当P H 下进行分离去除, 但若用超滤处理混浊苹果汁时, 果胶和单宁等物质可10 %去除, 同时可去除果汁中的杂菌.另外,超滤还在很在程度上保留了原汁中的V(1 3 5 m g /1 0 m l), 用于小香槟酒的处理存贮四个月以上无沉淀出现,质量明显提高, 符合卫生要求[2]。

膜分离技术应用于果蔬汁的浓缩是目前研究的热点，包括反渗透技术和联合膜分离技术。反渗透膜技术是利用反渗透膜来浓缩果汁, 当膜两侧的压力差大于渗透压差, 则水分可由浓向稀移动。反渗透法可在常温下进行, 不需加热, 但膜的品种和质量的选择至关重要。近年来, 人们分别对橙汁、苹果汁、梨汁、葡萄汁、菠萝汁、番茄汁等进行了反渗透浓缩研究, 重点在探索膜的种类、操作条件对膜通量及果汁中风味物质截留率的影响。

通常,果汁除含有糖、酸等可溶性成分外,还含有果胶、蛋白质、纤维素等悬浮性固形物,这样果汁的粘度大。直接用反渗透浓缩,易造成严重的膜污染和较低的透水速率,很难以一级方式把果汁浓缩到蒸发法所达到的浓度。一般而言,超滤适用于大分子(如蛋白质、胶体、多糖)与小分子(无机盐及低分子有机物等)溶液的分离；而微滤适用于细菌、微粒等组分的分离。如果在反渗透以前,用超滤或微滤除去果汁中的果胶等悬浮性固形物,这样可降低粘度,减少膜污染程度, 从而显著提高反渗透的效率[3]。

3、超高压技术在果汁加工中的应用

高压技术在食品加工中的应用和研究几乎和现代高压技术的发展同步。开创现代高压技术研究先河的美国物理学家B ridgmen从1906年开始, 对物质的宏观物理行为的高压效应进行了系统的研究。日本是最先将高压技术运用到食品工业的国家,1989年京都大学联合农林水产省和21家食品与机械公司成立了一个特殊组织, 进行高压食品的攻关;1990年开发出世界第一种高压食品—果酱。美国、巴西、韩国和欧洲的许多国家也先后对高压食品加工原理、方法和技术细节及应用前景进行了广泛的研究, 并已开始向市场提供高压食品, 法国是第一个将高压食品商业化的欧洲国家。目前在我国, 超高压设备在果汁、果酱加工中的应用研究正在进行, 结果令人满意。

高压处理过程中, 物料在液体介质中被压缩,超高压产生的极高的静压不仅会影响细胞的形态,还能使形成生物高分子立体结构的氢键、离子键和疏水键等非共价键发生变化, 使蛋白质凝固、淀粉等变性、酶失活或激活、细菌等微生物被杀死, 可用来改善食品的组织结构或生成新型食品。

高压处理基本上是一种物理过程, 对维生素、色素和风味物质等低分子化合物的共价键无明显影响, 其主要特点是:(1)瞬间压缩, 作用均匀,时间短、操作安全和耗能低;(2)污染少(热、化学);(3)更好地保持食品的原风味(色、香、味)和天然营养(如维生素C等);(4)通过组织变性, 得到新特性食品;(5)压力不同, 作用性质不同。

4、均质技术

均质是生产混浊果蔬汁的特有工序。均质的目的是使果蔬汁中的不同粒度、不同相对密度的果肉颗粒进一步破碎并使之均匀，促进果胶渗出，增加果汁与果胶的亲和力，抑制果蔬汁分层并产生沉淀，使果蔬汁保持均一稳定。常用的乳化均质机械有均质机和胶体磨两种。

近年来，APV 公司开发的G型(一体成型式汽缸座)和R型(三片汽缸座)高压均质机得到了广泛的应用。G型均质机是汽缸部件成一体型的装置。其抽气阀门可按用途需要选用相宜的阀门，如用于奶酪和奶油等高粘度和高磨耗性食品的选用球阀；用于植物油、牛乳和冰淇淋等低粘度、低磨损性食品的选用提升阀。R型均质机是由三分型的汽缸件构成，在汽缸件内分为选择切割部、流动部和冲压打浆部三部分，当送入处理的液体物料在相对较差的条件下时或者在高于50MPa高压下运转时，能够最大限度抑制汽缸整体的破损和开裂。同样可以按照用途不同和物料物理性状的具体条件分别选用球阀和提升阀。

5、冷杀菌技术的应用

杀菌是果汁饮料生产中的关键技术。传统的杀菌方法是加热杀菌法, 若加热杀菌的温度较低, 则会因杀菌不足而导致产品的腐败变质;若加热杀菌的温度过高, 则会使果汁中的营养成分受到破坏,风味劣变、产生热臭, 造成产品的质量下降[4]。

冷杀菌的技术有： ① 超高压杀菌法

超高压杀菌法, 就是在密闭容器内, 用水作为介质对软包装果汁施以400～600MPa 的压力, 在这种强压下, 能杀死果汁中几乎所有的细菌、霉菌和酵母菌。现在日本市场上已有利用超高压杀菌的果汁、果酱等产品出售。这种经超高压处理过的果汁, 可充分保持水果原有的色、香、味和营养成分, 可以预见, 在果汁生产中, 超高压杀菌技术将成为21 世纪最有前途的杀菌方法[5,6]。

②辐照杀菌

辐照杀菌是利用放射性元素(如60Co 或137Cs)衰变时放出的射线作为照射源的一种杀菌方法。用与冷杀菌技术的是电离辐照。采用这种技术进行杀菌应遵照我国辐照食品卫生管理的有关规定, 选择适当的照射剂量及时间(辐射杀菌的常用剂量范围为1～500Mard、温度范围是-30～25 ℃), 以保证辐照食品的安全。目前有不少营养口服液及粉状全营养素制品均用此法进行灭菌处理。其它如肉禽类、水产品、蛋品、果蔬类、谷类及其制品、香料等也采用此技术杀菌。现在, 世界从事这项研究的国家有50 多个, 已有28 个国家采用此技术处理食品, 相应的辐照食品的检测技术也得到推动和发展。

与传统方法比较, 辐照杀菌具有许多优点: a.射线处理无需提高食品温度, 照射过程中食品温度的升高微乎其微。因此处理适当的食品在感官性状、质地和色香味方面的变化甚微。

b.γ射线的穿透力强, 在不拆包装和不解冻的情况下, 射线可透过进行杀菌。起到化学药品和其他处理方法不能达到的作用。

c.应用范围广泛。能处理各种不同类型的食物品种。食品可在照射前进行包装和烹调, 照射后的制作更加简化和方便。降低了成本, 节省了时间。

d.射线处理食品不会留下任何残留物。e.能节约能源。f.辐照装置加工效率高。③高强脉冲电场杀菌

脉冲电场(Pulsed Elect ric Fields , PEF)杀菌是利用强电场脉冲的介电阻断原理对食品微生物产生抑制作用。在果蔬加工过程中, 滋生的微生物对于脉冲电场钝化作用敏感, 革兰氏阴性细菌明显比酵母和革兰氏阳性细菌敏感, 而更顽固的细菌内生孢子需要采用大电容和很长时间的处理。脉冲电场可以使果蔬中的细菌减少4～5 个对数周期, 用脉冲电场逐步处理希氏大肠杆菌则可以减少9 个对数周期。

优点: 超高压脉冲电场杀菌具有处理时间短、能耗低、传递快速、均匀等优点, 因而可广泛地用于食品杀菌。

④超声波灭菌

超声波对传声媒质的相互作用, 蕴藏着巨大的能量, 这种能量能在极短的时间内足以起到杀灭的破坏微生物的作用, 而且能够对食品产生诸如均质、催陈、裂解大分子物质等多种作用。具有其他冷杀菌方法难以取得的最佳效果, 从而提高品质,保持功能成分不受破坏。

⑤高强脉冲光杀菌技术

这种方法是用连续的宽带光谱短而强的脉冲,抑制食品和包装材料表面、透明饮料、固体表面和气体中的微生物。这两种都是近年研究的杀菌的方法, 都有其各自的优点, 但在果汁应用中还尚在研究中。应该注意在的是, 现在的杀菌趋势向着2 种或2 种以上方法结合使用, 从避免各自杀菌方法的局限, 达到较好的杀菌结果。如由于在一些场合, 其过高的压力使得能耗增加, 对设备要求过高, 不利于工业化生产。所以超高压常与其它方法相结合进行杀菌, 如超高压低温杀菌技术、超高压脉冲电场杀菌等。又如超声波与其他杀菌方法结合才有巨大的应用前景。

冷杀菌处理过的果汁, 可以保持水果原有的风味和营养成分, 延长了产品的货架寿命, 避免了热杀菌而造成的营养成分的损失和产生的热臭异味。因此冷杀菌是很有杀菌前景的高新技术[7,8]。

结语：

虽然果蔬汁饮料加工技术已达到一定的水平，但仍存在着一些问题，例如膜分离技术，其本身就有一定的局限性，主要是膜通量随着分离时间的推移会大幅降低且清洗困难，膜耐高温耐腐蚀性能不强，膜使用寿命短等，故需要不断开发新型膜材料，提高膜的性能，拓宽膜的品种，发展新品种的共混膜和复合膜，改进膜的清洗方法，发展新的膜分离技术及集成膜分离技术等来弥补膜分离技术目前的不足。又如，果蔬汁护色所采取的措施都有一定的不足之处,有的会引起食品风味的改变,有的使食品的营养损失,有的使色泽和质地发生变化,有的会给人体健康带来危害及副作用。因此，必须研究出一些防褐变效果好又安全的护色技术。另外，应结合生物技术与已成熟的技术用于果蔬汁饮料加工。目前已有应用生物技术改善饮料加工原料、生产饮料添加剂和功能因子以及去除饮料不良性状的研究，但生物技术要真正实现大规模地运用于果蔬汁饮料加工还有待进一步研究与完善。

参考文献

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第五篇：计算机在材料加工中的应用

计算机在材料加工中的应用

摘 要：本文介绍了计算机模拟在材料加工过程中的发展趋势，它将为企业参与激烈的市场竞争并取得成功提供重要手段，计算机模拟技术必将在未来材料加工技术中起到举足轻重的作用。

关键词：材料加工；计算机模拟；虚拟制造；

Abstract：This paper has reviewed the developmental history and the important role of computer simulation of materials processing in manufacturing industry for current and proposed materials process applications as well as typical variables interrelate with specific process elements and the capability and payoff of process simulation for these same applications.Keywords：material process，computer simulation，virtual manufacture 1 前言

随着时代的发展，世界制造业面临市场开拓和技术发展两大挑战。高质量、低成本、短周期的先进制造技术是制造业的发展方向，它的科学性、先进性、正确性和敏捷性对于国民经济的发展非常重要。虚拟制造技术的出现是先进制造技术的重要标志之一[1-2]。虚拟制造与实际制造有本质区别，它是在计算机防真与虚拟现实技术的支持下，在计算机上进行产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等，是在计算机上实现将原材料变成产品的虚拟现实过程，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，进入全方位预测，力争一次成功的新阶段，从而缩短产品周期，减少费用，提高质量。材料加工是先进制造技术中重要的组成，它的应用涉及航空航天、汽车、石化、军事等事关国民经济的重要产业。在我国加入世贸组织之后，我国的制造业面临更多更大的机遇与挑战。材料加工与以切削为主体的冷加工相比，其特点是: 从质量评价标准上，在保证零件尺寸形状精度和表面质量的同时，更注重保证零件和结构内部组织性能和完整性;在产品和零件设计上，更强调针对复杂型腔和曲面的能力;在工艺过程中，除了运动和外力作用等因素，还涉及温度场、流场、应力应变场及内部组织的变化;生产环境恶劣，控制因素多样。以上特点反映了材料加工过程对综合自动化和信息集成的需求和复杂性，因此，充分了解材料加工计算机模拟的重要性及其发展趋势，对于推动我国制造业的科技进步，缩短产品的开发和加工周期，快速响应市场，提高竞争能力，真正体现高速、高效、高质的制造优势，具有重要的意义。2计算机模拟技术的发展

计算机模拟是制造业发展的产物。以有限元方法为基础的计算机模拟技术是20 世纪技术发展的巨大成果，在工程物理科学的各个分支领域都起着十分重要的作用。新材料、新工艺、新产品、高要求、高精度、低成本的现代制造模式要求深入了解和掌握材料成形机理、过程变化，在计算机上实现过程显现，开拓科学的工艺和设计方法，实现最优设计与制造。因此，计算机数值模拟技术以及以此为基础的优化设计方法研究成为当今和今后国内研究的热点。

2.1宏观模拟向微观模拟深入

我们知道在工程中使用的金属材料大多数为多晶材料，材料的微观组织形态直接影响零件的机械性能和物理性能，所以选择合理的加工工艺参数十分重要。材料加工过程微观组织的计算机模拟由于具有描述分子级尺寸水平的能力，这将对控制材料晶粒大小及分布，进一步了解位错的产生和运动、晶界结构、防止内部空洞和微裂纹的萌生和扩展等问题提供了新的方法[3-4]，将大大推动材料微观结构研究的进展，并对确定优化材料加工的工步数和顺序、热处理方案十分有益。此外，在金属成形过程中，适用的优化准则对材料最终的力学性能和微观组织性能具有重要的影响，通过优化坯料形状或预成形模具形状、模具速度使最终锻件具有良好的尺寸精度、少无飞边和所期望的微观组织。为此，一方面要要研究合适的优化设计变量的选择，包括影响终锻件力学组织性能的状态变量和过程变量，即形状设计变量和速度设计变量。另一方面要研究和建立微观组织优化设计的目标函数，该目标函数考虑晶粒尺寸大小及分布，再结晶晶粒尺寸、再结晶程度和无再结晶部分的晶粒尺寸及其体积分数。

2.2高精度、高效三维有限元模拟

近二十年间，以有限元法为核心的数值模拟技术在金属塑性成形领域中应用，所采用的理论体系从小变形弹塑性有限元理论、刚-(粘)塑性有限元理论，到现在的大变形弹-(粘)塑性有限元理论，分析技术发展迅速，逐渐趋于成熟。采用大变形弹-(粘)塑性有限元法分析金属成形问题，不仅能按照变形路径得到塑性区的发展情况，工件中的应力、应变的分布规律，以及几何形状的变化，而且能有效地处理卸载，计算残余应力、残余应变，从而可以分析和防止产品的缺陷等问题，符合金属成形对于精密化模拟分析的要求。目前，二维大变形弹-(粘)塑性有限元法模拟技术已日趋成熟，并已在工程中得到成功的应用。但大变形弹-(粘)塑性有限元法是建立在有限变形理论基础上的，需要对变形梯度进行多次分解，从分析金属成形过程的角度出发，计算工作量大，而金属成形过程通常是在高温下进行的，工件在发生变形的同时伴随有温度的变化，因此，在分析金属成形过程模拟中，还必须考虑温度的影响，即进行温度场与变形场的耦合计算，特别是工程中可以简化为二维分析的问题并不多，三维模拟是必然趋势，三维问题分析在数学模型和图形处理上的复杂程度大大增加，由此引起的计算量猛增，比二维问题的计算量高出几十倍甚至上百倍，这对于计算机存储量的要求也随之增加。近年来，由于计算机软硬件技术的迅速发展和数值计算方法的不断完善，使三维问题的分析成为可能。一方面，人们在研究提高计算速度的方法，开发了大规模计算问题的并行计算方法(Parallel Computation)，利用并行处理机中多CPU 可同时工作的特点，配以软件编程中的并行处理方法，使计算速度大为加快，目前国际上许多商业软件都推出了并行版，如ANSYS、MARC、LS-DYNA3D 等;另一方面人们在研究改善计算方法，众所周知，金属成形过程中，坯料的变形特别大，若采用更新的拉格朗日法(Updated Lag rang ian Method)进行计算时[10]，初始划分的单元网格逐渐畸变，若将已经畸变的网格形状作为增量计算的参考构形，将导致计算精度降低，甚至引起不收敛，为克服上述问题，通常当网格畸变到一定程度后，必须停止计算，重新划分适合于计算的网格，通过新旧网格间信息场量的插值传递，再继续进行计算，要完成一个成形问题的模拟，通常需要多次重划网格，这将导致计算量的增加和由于多次插值带来的计算精度的降低，因此，许多研究开发人员正致力于改进三维网格重划的自适应能力和自动化程度，改进新旧网格间信息传递的插值方法，取得了可喜的进展。同时，开发了ALE法(Arbitrary Lagrangian Eulerian Method)和显式解法(Explicit Solution)[11]，而ALE 法不再象Lagrangian公式中将网格固定在材料上，而是不依赖于材料的运动而移动，因此可控制网格的几何形态，ALE 通过利用高阶的技术不断进行网格重划，从而避免上述问题，提高计算速度和精度，这对于为提高计算精度和效率而进行的网格细划十分有利，该方法已在MSC/ DYTRAN、Press Form 等软件中得到成功的应用，而显式解法主要是为解决非线性问题隐式求解时为保证求解精度需反复迭代，使计算量猛增的问题，目前该方法已成功地应用于LS-DYNA3D 中[12]。另外，随着计算机软硬件的迅速发展，计算速度问题也将逐步得到解决。

到目前为止，二维大体积金属成形过程有限元模拟技术已趋成熟，国内外先后开发了许多商品软件，这些软件多适用于二维问题、伪三维问题及简单三维问题的分析。通过使用弹-塑性-实时响应模型，可确定完整的应力、应变和挠曲变化状况，残余应力也容易被计算。近年来，金属成形工业对三维过程模拟提出了更高更精确的要求。对于处理复杂三维金属塑性成形问题，虽然存在模具型腔几何形状描述、动态边界条件及网格重划等技术难点[5]，随着计算方法的完善和计算机技术的进步，开发出使用便捷且适用范围广的三维有限元程序已成必然。一方面研究提高计算速度的方法，通过计算机技术中多个CPU 可同时运行的并行处理技术和软件编程中的并行处理方法，开发大规模计算问题的并行计算方法，从而大大提高计算效率;另一方面不断完善计算方法，对于影响三维模拟精度的若干技术问题，如初始速度场的生成、摩擦边界条件的处理、刚性区和塑性区的区分、缩减因子的确定、收敛准则的选择和热力耦合等问题，在保证求解精度和效率的前提下，均可采用二维有限元模拟中相关的算法和处理技术。而模具型腔几何形状描述、动态边界条件及网格生成和重划等技术难点与二维模拟相比有较大的区别，这些问题处理的正确与否将直接关系到模拟分析的可靠性和求解效率。因此，人们在不断地寻求解决的方法。Cho等[6]为了解决复杂三维问题，采用考虑热传导的三维热黏塑性有限元模型，将一个无法用解析式描述的任意复杂形状的模具表面，通过Ferguson分片，用一个分片连续的形式给出，将被网格重构的变形体分为表面自适应层和中心区两部分，提出一种基于体适应映射法的三维网格重构技术。所提出的网格重构方法是以产生线性八节点六面体单元为基础的。在表面自适应层上自动产生网格后，中心区通过体适应映射法自动生成网格，并对万向节的热锻过程进行了完整的模拟。此外，在计算机上处理三维金属成形，还需进一步提高模拟的可视化水平，拥有良好的用户界面是非常重要的。随着计算机装载了三维图形处理程序及计算速度和硬件水平的提高，可在前后处理中大量应用可视化技术，用户在二维屏幕上可直接观看物体的三维图形和数据。在金属成形过程模拟中，可通过采用切片技术和镜像显示技术观测物体某一横截面或整个结构的变化情况，点跟踪技术可使用户了解在成形过程中原始材料上任意点的流动情况，同时绘制这些点的过程参数变化曲线图。

2.3单目标优化设计到多目标优化设计渗透 金属材料的成形通常在高温下进行，工件塑性成形是一个复杂的热力学过程，受到应力应变分布不均匀、硬化和再结晶等因素的影响，而工件的形状和尺寸精度及其内部质量和性能决定着产品质量。热处理过程作为材料加工中不可缺少的环节，是一个包含温度、相变、应力/应变相互作用的复杂过程，是一个多机制综合作用的过程。对其进行组织性能预测的数值模拟，首先必须通过大量实验，使模拟技术建立在可靠的试验数据基础上，建立准确的数学模型，将组织场-变形场-温度场三者进行耦合计算，将成形过程与热处理工艺的模拟与质量控制相结合，使模拟结果更准确。由此可作为参考对影响成形过程和热处理工艺的各种工艺参数进行综合优化设计，以适应先进制造技术的要求(高精度、高质量、高效率)。

2.4虚拟制造系统的开发

现代化制造加工业的目的应是适应全球市场需求，目标应是应用CAD/CAE/CAM技术来实现优质、高效、低费用产品生产。为适应现代化制造业中要求柔性化、快捷、低成本及高质量的要求，在生产设计中互相借助彼此硬件和软件技术，把最先进的技术集中起来不失为一种好的解决方法。但这种集成与常规的集成技术不同，它是虚拟的，是一种并行工程思想与先进制造技术的综合体现。它主要包括:

1、敏捷制造(AM):利用“竞争—合作/合同”机制，发挥局部特长;

2、并行工程(CE):实现同步设计、加工、核算和管理;

3、专家系统(ES):实现领域知识和复杂问题的评价和求解;

4、网络技术及先进的管理系统(NT-MS):实现先进集成技术的最快捷的手段。图1 为虚拟系统的结构图。基于虚拟系统的制造业，将是21 世纪市场上一种较好较快实现产品的运营方针，可大大减低新产品开发风险，提高经济效益，最终使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

图 1 虚拟系统的结构图

2.5反向设计技术与专家系统

在某一给定的成形工艺中，最终产品的材料状态和几何形状取决于诸多工艺参数(加载条件、模腔形状、模具润滑条件、初始坯料几何尺寸等)，若考虑某些工艺参数固定不变，则通过对另一些工艺参数的反复模拟和修改，以得到所希望得到的最终产品的材料状态和几何尺寸，成形工艺的设计可认为是对于初始坯料和随后的各预成形坯及模具的设计，但这种反复迭代的方法需要花费大量的计算时间是极不经济的。八十年代中，S.Kobayashi 等系统研究了这一问题，提出了反向模拟技术(Backward Tracing Technique)，即从一给定的最终形态，沿着相反的加载路径，反向模拟实际的工艺过程，该方法为工艺设计开辟了新途径。近十年来，反向模拟技术得到了一定的进展和应用，但始终没取得突破性进展，其主要原因是从最终形态反向模拟时，无法给定初始场量，因此获得的初始毛坯设计在理论上存在缺陷，无法估计设计所带来的误差。近年来，工艺设计与优化的技术取得了新的进展，提出了敏感性分析(Sensitivity Analysis)的反向设计方法(Inverse Method)，该方法将预成形设计和模具设计问题处理为优化问题，用严密的数学公式进行描述，将优化问题的目标函数定义为一组给定设计变量中所希望的最终状态和数值计算状态之间的误差的某种度量，敏感性分析是一种广泛用于计算目标函数梯度的方法，由于所求解的问题高度非线性并具有历史依赖性，因此，最适合应用直接差分法(Direct Differentiation Method)，控制方程直接由敏感性场的场量公式差分得到。该方法已成功地应用于坯料和模具形状的优化设计中。另外，在材料加工领域中，许多设备和工艺问题主要还是利用已经总结出来的经验公式和参数，加上仍存在于专家头脑中的经验知识来解决。在实际生产中，经验知识的运用往往多于数学分析运算，且很有效，因此，如何充分发挥这些知识的作用，充分利用这一资源，具有非常重要的意义。专家系统就是很好的解决方法，它利用知识的显式表示、事实和推理技术，以解决通常需要专家才能解决的问题。一个典型的专家系统包括: 知识获取的装置，收集专家们在该领域的规则和知识，这一装置也包括规则编辑器，允许用户改进现有规则和增加新的规则;存储事实和规则的数据库，该数据库通常可与其它数据库系统结合；一个推理机，以确定如何应用知识规则来解决问题：一个用户界面，以允许非专家的用户使用该系统来解决特殊问题。该方法正广泛应用于材料加工的工艺设计中。

2.6新模拟技术开发

数值分析的巨大成果是有限元方法。但是，当网格高度畸变时，这种以单元作为基本概念的方法却有许多难以处理的问题，主要原因是网格的存在妨碍了处理与原始网格线不一致的不连续性和大变形。在处理这类问题时，有限元法通常采用网格重构，但这样不仅计算费用昂贵，而且会使计算精度受损[13]。为解决上述问题，近年来，一种新的无网格数值方法正在迅速发展。无网格方法将连续体离散为有限数目的质点，位移场函数在没有明显网格的情况下通过这些质点的插值得到，该方法仅采用基于点的近似，而不需要节点的连续信息，不仅避免了繁琐的单元网格生成，而且提供了连续性好、形式灵活的场函数，具有前后处理简单、精度高等方面的优点。在处理弹塑性、裂纹扩展、移动界面、高速碰撞以及具有大变形特征的工业成形问题时具有重要的研究价值和广阔的应用前景。无网格方法以其在场函数近似、局部特征描述等方面特有的优点，越来越受到国内外学者的关注，呈现出强劲的发展势头，具有广阔的应用前景和重要的研究价值。

3结语

先进制造技术是制造业赖以生存、国民经济得以发展的主体技术，以制造技术为焦点的技术竞争已在全球展开。计算机模拟技术使制造技术走出从前主要依赖于经验的狭小天地，进入全方位预测，力争一次成功的新阶段，从而实现有效的现代工程设计和迅速的新产品开发。随着计算机模拟技术的不断完善发展，它将继网络技术和数据库技术后成为21 世纪材料加工技术的又一技术支撑环境。

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