第一篇：酶處理在果蔬汁加工中的應用

1.豆奶的主要質量問題是什么？如何控制？ 2.酶處理在果蔬汁加工中的應用

3.舉例說明穩定劑的作用原理及在果蔬汁飲料中的應用 4.舉例說明乳化劑的乳化原理及在豆乳飲料中的應用 2.酶處理在果蔬汁加工中的應用

摘要：多酚氧化酶帶來的酶促褐變是水果、蔬菜加工成果蔬汁過程中引起營養價值、外觀品質等降低的主要原因之一，直接導致巨大的經濟損失。就酶促褐變的機理、條件以及抑制方法作一綜述，通過物理、化學以及生物的處理方法可以有效地抑制果蔬汁加工過程中的酶促褐變。

褐變在果蔬汁加工、儲藏過程中會經常發生，嚴重影響商品的外觀和營養品質。褐變一般可以分為兩類：一類是有酶參與催化多酚類物質氧化的酶促褐變；一類是如美拉德反應、焦糖化作用產生的褐變，稱為非酶褐變。果蔬汁加工過程中的褐變主要是由酶引起的酶促褐變，而且以多酚氧化酶引起的酶促褐變最為明顯。本文就酶促褐變的機理、條件以及抑制方法作一綜述，旨在為果蔬汁加工、儲藏過程中酶促褐變的控制提供依據。酶促褐變的機理酶促褐變是果蔬中的多酚類物質在多酚氧化酶的作用下被氧化形成醌及其聚合物的反應過程。一般認為，果蔬的酶促褐變主要是由于果蔬中富含的多酚氧化酶（Polyphenol Oxidase，簡稱PPO）催化酚類物質的氧化反應引起的。PPO 能催化果蔬中游離酚酸的羥基化反應以及羥基酚到醌的脫氫反應，醌在果蔬體內自身縮合或與細胞內的蛋白質反應，產生褐色色素或黑色素。在果蔬體內，PPO 主要存在于完整的細胞質體和微體中，而PPO 的底物主要存在于液泡中，處于潛伏狀態，在完整的細胞中作為呼吸傳遞物質，在酚-醌之間保持著動態平衡，不發生酶促褐變。當新鮮的果蔬在加工過程中組織被損傷，氧大量侵入，酶原被激活，酚類物質經酶的催化作用氧化為醌類物質，從而引起褐變反應[1]。酶促褐變的控制2.1 酶促褐變的條件

從酶促褐變的反應機理中可以看出，酶促褐變必須具備4 個條件：①氧的存在；②酶的作用；③含Cu2+輔基的參與；④酶與底物的結合[2]。因此對酶促褐變的抑制就是通過采用物理的、化學的以及生化手段等方法來切斷或控制其任何一個環節。

2.2 褐變的控制方法 2.2.1 二氧化硫及亞硫酸鹽

二氧化硫及亞硫酸鹽對果蔬的酶促褐變的抑制效果很好，而且持續時間長。它們既可以直接作用于酶本身，降低對單酚和二酚類的催化反應活性，又可與反應中生成的醌類物質結合形成無色物質。同時，亞硫酸還有漂白和抑制微生物生長的作用[3]。雖然二氧化硫和亞硫酸鹽對果蔬中的褐變有高效的抑制作用，但是亞硫酸鹽用于食品中會對人的健康產生影響，已經被限制使用，所以人們都致力于研究亞硫酸鹽的替代品。2.2.2 抗壞血酸

抗壞血酸是近年來食品工業中應用最多的褐變抑制劑，它在酶反應體系中的作用是相當復雜的。它既是還原劑可以還原醌類物質，而且還可以作為銅離子的螯合劑，通過-OH 與多酚氧化酶的輔基Cu2+螯和，也可以直接被多酚氧化酶氧化，起到競爭性抑制作用。抗壞血酸的添加量十分關鍵，添加量過少，不僅不能抑制褐變，反而易與

氨基酸反應促進羰氨反應造成非酶褐變；添加量過多，成品在貯存期間，特別是在較高溫度下，由于氧化后所形成的酮化合物與氨化合物發生非酶促褐變反應，從而加劇成品的變色[4]。近年來對抗壞血酸和其他抑制劑聯合使用效果的研究比較多。2.2.3 L-半胱氨酸

L-半胱氨酸也是一種強效抑制劑，其抑制褐變的機制歸納起來為：一是醌類物質能與半胱氨酸形成無色的復合物，阻止了醌類物質聚合而不能形成的色素物質；二是半胱氨酸可通過與PPO活性位點的銅離子不可逆結合而抑制酶活性，或者替代PPO 活性位點的組氨酸殘基；三是半胱氨酸并非阻止PPO 氧化酚類，而是阻止酚類的聚合[5]。但是L-半胱氨酸會產生令人不愉快的氣味，破壞產品風味，所以近年來致力于研究L-半胱氨酸與其他抑制劑聯合使用的效果。2.2.4 曲酸

曲酸及其衍生物對酪氨酸酶（或稱多酚氧化酶PPO）有強烈抑制作用，20μg/ml 濃度的曲酸就可抑制不同來源的酪氨酸酶的70%~80%的活力。另外曲酸具有抗氧化性，它的酚羥基可以被還原；它還可與Fe、Cu、Mn 等金屬離子發生螯合反應。劉波[6]發現曲酸在蘋果汁褐變中的抑制率可以達到70%~80%。2.2.5 酸化劑

引起酶促褐變最適宜的pH 范圍在4~7 之間。降低介質中的pH，可以控制酚酶的活性，抑制其催化作用。一般通過添加酸控制pH 在3 以下，酚酶的活性就幾乎可以完全喪失。常用的酸有檸檬酸、蘋果酸、抗壞血酸及其它有機酸混合溶液。2.2.6 4-乙基間苯二酚（4-HR）

4-己基間苯二酚（4-HR）是一種新型抗氧化劑，是酪氨酸酶的有效抑制劑，其化學穩定性相當好，安全性高，對酚酶抑制力強，已被推薦用于防治果蔬產品的酶促褐變，具有良好的應用前景。Luo等報道，0.005% 4-己基間苯二酚（4-HR）對蘋果片的褐變已有明顯的抑制作用[7]。謝紹萍等報道，當4HR 添加量≥0.1%時，對香蕉漿液的護色有較好的效果[8]。4-己基間苯二酚也被證實能夠有效地抑制蘑菇、鮮切梨、馬鈴薯的酶促褐變。2.2.7 復合抑制劑

近年來研究最多的就是各種褐變抑制劑的聯合作用，許多報導都顯示了復合抑制劑的效果遠好于單一抑制劑。H.Ozoglu 等報道了0.49mM 的抗壞血酸、0.42mM 的L-半胱氨酸和0.05mM 的肉桂酸的抑制劑組合在蘋果汁中的褐變抑制效果遠好于單一抑制劑的效果[9]。2.2.8 杜仲葉提取物

杜仲作為一味中藥，在我國應用很廣泛。杜仲葉也有很好的保健效果，如鎮靜、鎮痛、降壓、抗炎等作用。Min-Kyung Lee 等報導了杜仲葉提取物在許多果蔬汁中都有很好的抑制褐變的效果，而且耐酸耐堿，是一種很好的褐變抑制劑[10]。杜仲 葉提取物抑制褐變的機理還未明確，實驗中杜仲葉提取物經過透析以后褐變抑制效果大大降低，表明其中抑制褐變的主要成分應該是一些小分子物質。2.2.9 洋蔥提取物

洋蔥作為一種蔬菜在我國食用也很廣泛，具有抗氧化、降血糖、殺菌、抗癌等保健效果。Mi-Jeong Kim 等報導了洋蔥提取液在梨果汁中具有不錯的抑制效果[11]。但是洋蔥的褐變抑制機理還不明確。洋蔥中含有微量元素硒，是一種很強的抗氧化劑，除此外還含有L-半胱氨酸和類黃酮物質，洋蔥提取物中的這些成分可能是褐變抑制效果的主要成分。但是洋蔥提取物有強烈的刺激氣味，用于果汁中會對風味造成很大的影響。2.2.10 桑樹皮和桑樹枝提取物

中藥中的桑白皮具有降血糖、利尿、抗人艾滋病毒、降血壓、抗菌等作用。李海濤等報導了桑白皮和桑樹枝條提取物在渾濁蘋果汁中具有很好的抑制效果[12]。從桑白皮中分離提取的桑皮苷A和氧化白藜蘆醇也具有很好的抑制褐變效果，很可能是桑白皮和桑樹枝條提取物抑制褐變的主要成分。但是桑白皮和桑樹枝條提取物的褐變抑制 機理還不明確。展望

控制果蔬汁在加工、儲藏過程中的酶促褐變，提高果蔬汁產品的營養價值和外觀品質是人們長期關注的問題。目前，人們已經從原料選擇、酶活性和酶促反應的抑制、反應產物的改變、氧氣的控制等多方面入手，找到了多種控制果蔬汁中酶促褐變的有效方法。但是因為果蔬中的PPO 具有特異性，根據果蔬品種的不同，各種褐變抑制劑的抑制效果也不盡相同，都存在著一定的局限性。同時，由于過氧化物也會引起酶促褐變，還應結合過氧化物引起的酶促褐變以及非酶褐變一同加以研究，才能找到控制果蔬汁褐變的理想方法。

第二篇：果膠酶在果蔬汁中的應用

新疆農業大學

專業文獻綜述

題

目:

果膠酶在果蔬汁中的應用

姓

名:

韋奇才

學

院:

食品科學與藥學院

專

業:

食品科學與工程

班

級:

082班

學

號:

084031266

2010年 12 月 28 日 新 疆 農 業 大 學

摘要:果膠酶普遍存在于細菌、真菌和植物中是分解果膠類物質的酶的總稱,在果蔬加工、紡織和造紙工業中應用非常廣泛，果膠酶在果蔬飲料中的應用也非常廣泛。本文綜合介紹了果膠的組成和結構論述了果膠酶的分類、作用機制及酶活性測定方法，討論了果膠酶在果蔬汁的出汁率、澄清、超濾等方面的應用，并對果膠酶在果蔬飲料加工中的應用等方面進行綜述。

關鍵詞:果膠酶 果蔬汁 出汁率 澄清 超濾 營養成分

前言

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，果品成了人類健康不可缺少的營養物質。雖然我國有豐富的果品資源，然而因果品本身營養豐富含水量高，很容易受微生物污染故保存期比較短。為了充分利用資源優勢提高我國農產品在國際市場上的競爭能力，必須大力發展果品加工業。但是目前果品加工中存在著不少難題例如果汁和果酒的澄清果實的脫皮、加工過程中香氣成分和營養物質的損耗等。解決這些難題僅僅靠改進加工工藝或增加設備投資是很難實現的。而目前有許多難題已經通過酶工程的應用得到了很好的解決。

近年來酶工程在果品加工中的應用非常廣泛,所用的酶種類越來越多,數量也越來越大,人類已開發出應用于果蔬汁中的酶類如果膠酶、果膠酯酶、纖維素酶、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膠酶。1 果膠酶

國外對果膠酶的研究始于20世紀30年待至50年代已工業化生產，而國內的研究則始于80年代末才開始工業化生產。隨著我國水果種植和水果加工業的發展，對果膠酶的開發和應用也迅速發展。在果汁生產過程中果膠酶可以快速徹底地脫除果膠，降低果汁黏度利于果汁過濾澄清濾液且澄清度穩定;減少化學澄清劑的用量改善果汁質量;果膠酶利于壓榨可以有效地提高水果的出汁率，在沉降、過濾、離心分離過程中改善果汁的過濾效率，利于沉淀分離，加速和增強果汁的澄清作用。經果膠酶處理的果汁穩定性好，可防止存放過程中產生渾濁，沉淀和絮凝現象。1.1 果膠酶的定義

果膠酶是指能夠分解果膠物質的酶的總稱，是果汁生產中最重要的酶制劑之一，已被廣泛應用于果汁的提取和澄清、改善果汁的質量以及植物組織的浸漬和提取。

1.2 果膠酶的分類及作用機制

果膠酶可以分為3類:原果膠酶、解聚酶和果膠酯酶(PE)。原果膠酶將不溶性的原果膠水解為水溶性果膠，根據其作用方式不同又可分為外切酶和內切酶。一般用苯酚-硫酸法測定溶液中由原果膠釋放出果膠物質的量，來確定原果膠酶的活力。

聚半乳糖醛酸酶(PG)分為外切酶和內切酶。PG內切酶廣泛存在于真菌、細菌和很多酵母中高等植物中也發現有內切酶的存在。內切酶作用于聚半乳糖醛酸時隨機水解其中的半乳糖醛酸單位可使其溶液的粘度下降但還原力增加不大。聚半乳糖醛酸酶的活力可以通過測定反應中還原能力的增加或者底物溶液粘度的降低來確定。聚半乳糖醛酸裂解酶(PGL)和聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(PMGL)分別通過反式消去作用切斷果膠酸分子和果膠分子的α-14糖苷鍵，生成β-45不飽和半乳糖醛酸。這兩種裂解酶都分為外切酶和內切酶兩種，一些植物軟腐病菌、食品腐敗菌以及霉菌均能產生外切聚半乳糖醛酸酶。裂解酶的活力可以通過測定其釋放的不飽和糖醛酸數量來計算。2 果膠酶在果蔬飲料生產中的應用

果膠酶作為果蔬汁生產中最重要的酶制劑之一，已被廣泛應用于果蔬汁的提取和澄清、改善果蔬汁的可過濾性以及植物組織的浸漬和提取。

目前大部分原果汁、濃縮果汁的生產過程中都在使用果膠酶，但由于各種水果中果膠含量差別較大，而且果膠質的成分也有差異，因此應根據水果的不同品種、不同加工目的來確定合適組成的果膠酶。2.1 果汁的提取

目前果汁的提取方法主要是加壓榨出和過濾果汁，加工時首先將植物細胞壁破壞。大多數植物細胞壁主要由纖維素、半纖維素和果膠物質等組成細胞壁的結構較緊密，單純依靠機械或化學方法難以將其充分破碎。另外果膠隨成熟度的增加酯化程度較高，也是影響出汁率的主要因素之一。

用果膠酶處理可以破壞果實細胞的網狀結構，提高果實的破碎程度，有效降低其黏度改善壓榨性能，提高出汁率和可溶性固形物含量，從而就能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有利于后續的澄清、過濾和濃縮工序。例如在蘋果汁生產中蘋果要先經機械壓榨然后離心獲得果汁但果汁中仍然含有較多的不溶性果膠而呈渾濁狀。直接將果膠酶加到蘋果汁中處理后經加熱殺菌、滅酶、過濾得到澄清的果汁。2.2 果膠酶能提高果蔬汁的出汁率

果膠酶是應用于果蔬飲料生產中最主要的酶類，它能較大幅度地提高果蔬飲料的出汁率，改善其過濾速度和保證產品貯存穩定性等。若添加果膠酶制劑則可降低葡萄汁液的黏稠度，提高出汁率，縮短加工時間，獲得色澤清亮、汁液清澈的葡萄汁。

在蘋果濃縮汁生產中為了避免液化技術的缺點，很多廠商采用兩階段液化技術或者稱為果渣液化技術:首先在果漿中添加果膠酶浸漬后壓榨或者不加果膠酶直接壓榨;接著將壓榨后的果渣加水之后加入果膠酶和纖維素酶進行酶解然后壓榨從而大大提高蘋果的出汁率。2.3 果膠酶能使果蔬飲料澄清

果膠酶作用于果蔬汁時除降低粘度外還可產生絮凝作用使果蔬汁澄清。澄清機理的實質包括果膠的酶促水解和非酶的靜電絮凝兩部分。果汁中有很多物質如纖維素、蛋白質、淀粉、果膠物質等，影響澄清且果膠物質是造成果汁混濁的主要因素。在櫻桃汁的加工過程中添加果膠酶使果膠水解從而使櫻桃汁黏度降低過濾阻力減小，過濾速度加快;同時由于櫻桃汁中的懸浮果粒失去高分子果膠的保護，很容易發生沉降而使上層汁液清亮，在以后的澄清過程中明膠澄清劑的加入量便可大大減少。

果膠酶還可以用于蘋果汁、甘蔗汁、蟠桃汁、桃杏李果汁等的澄清。添加果膠酶時應使酶與果漿混合均勻根據原料品種控制酶制劑的用量并控制作用的溫度和時間。若果膠酶與明膠結合使用效果更佳。有時采用復合酶法澄清如在澄清棗汁時使用果膠酶和α-淀粉酶。2.4 果膠酶能提高超濾時的膜通量

利用超濾技術生產清汁及濃縮清汁在果蔬汁加工業中越來越流行。超濾比傳統的過濾速度快、效果好但它的主要缺點是由于果蔬汁中大量糖的存在，在超濾過程中會使超濾系統產生次生覆膜降低了超濾通量。加入分解多糖物質的商品果膠酶可減少次生覆膜的產生，提高超濾通量增加了產量。因此脫膠對于獲得較高的膜通量和濃縮比非常關鍵。除了可以提高膜通量果膠酶還可用于超濾膜的清洗。

與化學方法相比利用果膠酶清洗超濾膜，能100%地進行生物降解而且可以在最佳pH、溫度下作用從而可以縮短清洗時間、增加超濾膜的通透量和使用壽命、增加產量、節省能源。因此將超濾技術與酶技術聯用對發揮超濾作用至關重要。

2.5 果膠酶能改善果蔬飲料的營養成分

利用果膠酶生產果蔬汁不僅提高了出汁率而且保留了果蔬汁中的營養成分。首先果蔬汁的可溶性固形物含量明顯提高，而這些可溶性固形物由可溶性蛋白質和多糖類物質等營養成分組成。果蔬汁中的胡蘿卜素的保存率也明顯提高。

對果膠酶處理果汁的研究表明酶處理后的果汁的葡萄糖、山梨糖和果糖含量顯著提高，蔗糖含量下降總糖含量上升。此外由于果膠的脫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。芳香物質含量也有明顯提高，經果膠酶處理后的葡萄汁各種酯類、萜類、醇類和揮發性酚類含量提高葡萄汁的風味更佳。由于細胞壁的破裂，類胡蘿卜素、華色苷等大量色素溶出大大提高了果蔬汁的外觀品質。K、Na、Ca、Zn 等礦物質元素含量也有較大提高。2.6 果膠酶能改善濃縮果汁品質

果汁濃縮后不僅流動性差而且穩定性也差，因此果汁的濃縮也需先澄清和脫果膠，以避免濃縮時產生膠凝。果汁經酶處理去除果膠后，再濃縮所得濃縮汁有較好的流動性并且重新稀釋后仍是穩定的。尤其適用于柑橘類濃縮汁的生產。

目前果膠酶在果品加工中的應用還有脫苦和去除異味等，不同活性比例的果膠酶制劑已在許多國家成為標準加工作業。隨著酶技術本身的發展，果膠酶在食品工業尤其在果品加工業中的應用前景會更加廣闊。2.7 果膠酶還可用于果實脫皮——脫除及凈化果皮

含有纖維素和半纖維素的粗果膠酶制劑能夠作用于果實皮層使之細胞分離、結構破壞而脫落。如柑桔囊衣、蓮子肉皮和大蒜膜層經粗果膠酶處理后可以很快地脫落。此外果膠酶對杏仁也有一定的脫皮作用。

目前不同活性比例的果膠酶制劑已是降解果蔬細胞壁改善壓榨性能、降低粘度、增加出汁率和提高營養成分不可省略的部分。在許多國家添加果膠酶已是制造澄清或者濃縮的草莓汁、葡萄汁、蘋果汁及梨汁的標準加工作業。隨著酶技術本身的發展果膠酶在果蔬汁中的應用前景會更加光明。

小結

目前在果蔬汁加工業中已廣泛采用果膠酶降解果蔬細胞壁以改善壓榨性能、降低粘度、增加出汁率和提高營養成分。在食品加工中酶的一個重要用途是使原料更易于處理，增加產品的得率。使用果膠酶、纖維素酶和半纖維素酶可促進細胞分離細胞壁變軟，這特別適于水果和蔬菜。果膠酶作用于果膠質中D-半乳糖醛酸殘基之間的糖苷鍵使高分子的聚半乳糖醛酸降為小分子物質。因此它在食品工業有重要的應用價值。果膠酶是應用于果蔬汁生產中且主要的酶類它可以較大幅度地提高果蔬品種的出汁率，改善其過濾速度和保證產品貯存穩定性。隨著軟飲料行業的快速發展果膠酶的需求和應用前景將極為廣泛。

我國對果膠酶的工業化應用還處于相對滯后的狀態，為提高果膠酶的使用率簡化產品提純工藝并達到連續化生產的目的，將果膠酶固定于廉價載體上已成為國際上研究的一項重要課題。

參考文獻

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第三篇：固定化酶在現代工業中的應用

固定化酶在現代工業中的應用

姓名：胡艷芬 學號：2008132106 指導教師：張孟

摘要

酶是一類有催化功能的蛋白質,具有反應條件溫和, 底物專一性強, 可在水溶液和中性pH 下操作等優點。與游離酶相比，固定化酶在保持其高效專一及溫和的酶催化反應特性的同時，又克服了游離酶的不足之處。本文簡要介紹了固定化酶的概念、制備方法及其在生物、醫藥、環境保護等方面的廣泛應用。重點介紹一些固定化酶在現代工業中的應用，并對其應用前景進行了展望。

關鍵詞

固定化酶 制備 工業 應用 前景

酶是一類由活細胞產生的具有生物催化功能的分子量適中的蛋白質,具有極高的催化效率、高度的特異性及控制的靈敏性。大多數酶是水溶性的。由于酶催化反應具有底物專一性、催化高效性、反應條件溫和等優點,符合綠色化學的要求,從而被大家高度重視,已在許多領域得到廣泛的應用。酶的最大缺點是其不穩定性,在酸、堿、熱及有機溶劑中易發生變性,活性降低或喪失;而且酶反應后,會在溶液中殘留,造成酶反應難以連續化、自動化,同時也不利于終產品的分離提純,這些都大大阻礙了酶工業的發展,所以有必要采取酶工程技術改善這些缺點。酶工程技術措施較多,其中酶的固定化技術是重要舉措之一。酶的固定化是用人工方法把從生物體內提取出來的酶固定在特定的載體上或使酶與酶相交聯,酶被限定在一定區域內,但仍保持原有高效、專

一、條件溫和的催化功能。

已固定化的酶像化學反應所用的固體催化劑那樣, 既能發揮它們的催化特性, 又能回收, 并能多次反復使用, 使整個生產工藝可以連續化、自動化。近年來, 國內外科技工作者在固定化酶在工業生產中的應用做了大量研究，并得到了廣泛的發展，本文將對這些成就做具體介紹。固定化酶的概念

1916 年Nelson 和Griffin 最先發現了酶的固定化現象后, 科學家就開始了固定化酶的研究工作。1969 年日本一家制藥公司第1 次將固定化的酰化氨基酸水解酶用來從混合氨基酸中生產L-氨基酸, 開辟了固定化酶工業化應用的新紀元。酶的固定化是用人工方法把從生物體內提取出來的酶固定在特定的載體上或使酶與酶相交聯,酶被限定在一定區域內,但仍保持原有高效、專

一、條件溫和的催化功能。通常酶是游離的,而經過固定化以后,酶被束縛在一定區域內,因而這樣的酶被稱為固定化酶

[ 3, 4 ]

[2][1]

。與游離酶相比, 固定化酶在保持其高效專一及溫和的酶催化反應特性的同時, 又克服了游離酶的不足, 呈現貯存穩定性高、分離回收容易、可多次重復使用、操作連續可控、工藝簡便等一系列優點。固定化酶的制備

酶的固定化(enzyme immob ilization)是指采用有機或無機固體材料作為載體(carrier or support),將酶包埋起來或束縛、限制于載體的表面和微孔中, 使其仍具有催化活性, 并可回收及重復使用的酶化學方法與技術。固定化酶的制備方法有物理法和化學法兩大類。物理方法包括物理吸附法、包埋法等。物理法固定酶的優點在于酶不參加化學反應,整體結構保持不變,酶的催化活性得到很好保留。化學法是將酶通過化學鍵連接到天然的或合成的高分子載體上,使用偶聯劑通過酶表面的基團將酶交聯起來,而形成相對分子量更大、不溶性的固定化酶的方法。

2.1 傳統的酶固定化方法

傳統的酶固定化方法大致可分為4 類: 吸附法、交聯法、包埋法、共價結合法。吸附法是最早出現的酶固定化方法, 包括物理吸附和離子交換吸附。該法條件溫和, 酶的構象變化較小或基本不變, 因此對酶的催化活性影響小, 但酶和載體之間結合力弱, 在不適pH、高鹽濃度、高溫等條件下, 酶易從載體脫落并污染催化反應產物等。交聯法是利用雙功能或多功能交聯試劑, 在酶分子和交聯試劑之間形成共價鍵, 采用不同的交聯條件和在交聯體系中添加不同的材料, 可以產生物理性質各異的固定化酶。交聯法一般作為其它固定化方法的輔助手段。包埋法的基本原理是載體與酶溶液混合后, 借助引發劑進行聚合反應, 通過物理作用將酶限定在載體的網格中, 從而實現酶固定化的方法。該法不涉及酶的構象及酶分子的化學變化, 反應條件溫和, 因而酶活力回收率較高。包埋法固定化酶易漏失, 常存在擴散限制等問題, 催化反應受傳質阻力的影響, 不宜催化大分子底物的反應。載體偶聯法是指酶分子的非必須基團與載體表面的活性功能基團通過形成化學共價健實現不可逆結合的酶固定方法, 又稱共價結合法。載體偶聯法所得的固定化酶與載體連接牢固, 有良好的穩定性及重復使用性,成為目前研究最為活躍的一類酶固定化方法。但該法較其它固定方法反應劇烈, 固定化酶活性損失更加嚴重。2.2 傳統固定化技術的改進

保持各種傳統固定化方法的優點并改進其不足一直是固定化酶方面研究的重要內容。改善酶固定化效果的途徑有: 改善表面積以及孔徑等物理結構,如采用分子篩或納米纖維微孔膜;改善化學交聯的反應及方式, 如輻照, 引發劑引發等;改善結合的方向選擇性, 如采用定向固定化的方法;其他手段, 如利用長臂使酶遠離載體表面, 使載體-酶體系的溶解度隨溫度、pH 值等條件的改變而改變, 以便于產物的分離及酶的回收。針對不同的酶有不[5]同的策略, 對于某些酶可能取向很重要, 而對于其他酶可能載體造成的環境重要一些, 因此, 每種酶固定的最佳條件目前還是特異的, 沒有統一的理論, 其原因可能是相互間的影響因素太多, 而酶又多由具有復雜組成和空間構型的蛋白質構成, 不存在明顯的因果聯系。今后可望建立起適用的模型, 使用計算機得到最優的固定策略。2.3 新型酶固定化方法

開發新型酶固定化方法的原則是: 實現在較為溫和的條件下進行酶的固定化, 盡量減少或避免酶活力的損失。通過輻射、光、等離子體、電子等新方法均可制備高活性固定化酶。Mohy 等[ 6] 以137 Cs 為輻射源,通過C2射線引發將甲基丙烯酸甲酯接枝共聚于尼龍膜表面, 經進一步活化, 用于青霉素酰化酶的固定。光偶聯法是以光敏性單體聚合物包埋固定化酶或帶光敏性基團的載體共價固定化酶, 由于條件溫和, 可獲得酶活力較高的固定化酶。Li等 利用含芳香疊氮基的光活性酯, 在遠紫外光輻照下, 疊氮基光解生成氮烯與PES 膜表面的C-H 鍵間發生插入反應形成仲胺, 將脲酶共價鍵合到PES 膜的表面。等離子體是高度激發的原子、分子、離子以及自由基的聚集體, 大量的等離子體常在室溫下存在。載體材料表面可以由等離子體進行有用修飾

[ 8, 9]

[ 7]

, 從而引入活性基團。Puleo 等將鈦合金T i26Al24V 表面用丙烯酸胺等離子體處理引入氨基, 然后將含碳硝化甘油接枝于鈦合金表面, 或者將等離子體處理的鈦合金先由琥珀酸酐處理, 再用含碳硝化甘油接枝, 進而將溶菌酶和骨形態蛋白進行固定, 實現了生物分子在生物惰性金屬上的固定化。固定化酶在現代工業中的應用

3.1 酶蛋白工程在工業酶中的應用

目前酶蛋白質工程主要集中在工業用酶的改造, 因為工業用酶有較好的酶學和晶體學研究基礎, 酶的發酵技術(包括誘變技術和篩選方法)也比較成熟, 而且其微生物的遺傳工程發展較好, 其次工業酶無須進行醫學鑒定, 能很快地投入使用.如用作洗衣粉添加酶的枯草桿菌蛋白酶, 是一種天然的絲氨酸蛋白酶, 它能夠分解蛋白質, 使衣服上的血跡和汗漬等很容易洗掉.但這種酶一般比較脆弱, 在漂白劑的作用下容易被破壞而失去活性, 原因是222位的甲硫氨酸容易被氧化成砜或亞砜.現在利用蛋白質工程技術, 用絲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 的過氧化氫溶液中停留1小時而活性絲毫未損, 這樣便可與漂白劑混合使用.可以預見生物工程技術的發展和酶固定化技術可以相互補充, 共同發展對酶在工業領域的應用必將起到更大的推動作用。3.2 固定化酶在食品工業中的應用

酶固定化在食品工業中的應用是早期發展起來的一個傳統領域.其中最有名的, 也是規模最大的過程, 就是采用固定化葡萄糖異構酶, 從葡萄糖生產高果糖漿.其它還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過轉酶反應生產可可油替代品、采用固定化耐熱蛋白酶制造甜味劑2天冬甜精, 以及應用固定化L2天冬酶從富馬酸銨生產天冬氨酸等[ 7]。1973 年,日本用聚丙烯酸酰胺為載體,用包埋法制成固定化天冬氨酸酶,用于工業化生產。固定化乳糖酶和固定化天門冬氨酸-β-脫羧酶分別于1977 年和1982 年用于工業化生產。

3.2.1 固定化酶在乳制品生產中的應用

牛奶中含有一定量的乳糖,有些人體內缺乏乳糖酶,在飲用牛奶后常出現腹瀉、腹脹等癥狀;另外,由于乳糖難溶于水,常在煉乳、冰淇淋中呈沙樣結晶析出,影響風味。乳糖酶可將乳糖分解為半乳糖和葡萄糖,如將牛奶用乳糖酶處理則可解決上述問題。Fernandes等[ 6 ]研究用瓊脂糖作載體,固定來源于南極的冷適應菌Pseudoalterom onas sp的β-半乳糖苷酶,并應用于牛奶中乳糖的降解,生產低乳糖牛奶;Caterina等[ 7 ]運用固定化技術,研究牛奶中堿性磷酸酶的耐熱性;Mona等[ 8 ]研究用離子吸附法固定來源于B acillus licheniform is 5A1的牛奶凝結酶,并用于干酪生產。

3.2.2 固定化酶在啤酒生產中應用

在啤酒生產中,需添加外源性的淀粉酶來補充天然酶的不足。此外,長期放置的啤酒會由于多肽和多酚物質發生聚合反應而變得混濁,為防止出現混濁,目前主要采用添加蛋白酶來水解啤酒中的蛋白質和多肽。溫燕梅等以化學共沉淀法制得的磁性聚乙二醇膠體粒子為載體,固定胰蛋白酶,該磁性酶對啤酒澄清、防止冷渾濁有明顯效果;Stepanova等研究用DEAE-纖維素固定β-葡萄糖苷酶和多聚半乳糖醛酸酶,用于櫻桃、李子的果酒生產。3.2.3 固定化酶在茶飲料生產中的應用

將固定化酶法應用于茶飲料生產中,可去除異味,提高適口性,提高營養價值。李平等

[ 9 ]

研究從黑曲霉(Aspergillus niger)發酵液中提取β-葡萄糖苷酶酶液,用絲素蛋白將其固定,此固定化酶可應用于茶汁的風味改良;蘇二正

[10 ]

等以海藻酸鈉為載體,采用交聯-包埋-交聯的方法共固定化了單寧酶和β-葡萄糖苷酶,可應用于茶飲料的除渾和增香處理。3.3 固定化酶在化工領域中的應用。

水解蛋白酶固定化后可用于肽及有機化合物的酶促合成,如硅藻土固定化木瓜蛋白酶可在乙酸乙酯介質中催化合成LeuPhe-LeuLL231 [ 3 ] 彭志英1 食品酶學導論[M ] 1 北京: 中國輕工業出版社, 20021 [ 4 ] 羅貴民,曹淑桂,張今1酶工程[M ] 1北京:化學工業出版社, 2002 [ 5 ] 楊昌英, 潘家榮, 鐘珩等.醋酸纖維素固定化脂肪酶催化豬油合成單甘酯[ 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 ]吳國琪,凌達仁,王忱,等.固定化谷氨酸脫羧酶性能的研究[J ].離子交換與吸 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測定血糖[J ].生物工程學報, 1998 , 14(3): 336.[ 10 ] 徐暉,王燕,魏密蘇.環境工程中固定化酶與固定化微生物的應用[J ].滄州師范專科學校學報,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.殼聚糖固定化葡萄糖苷酶的研究[ J ].食品與發酵工業, 2001, 27(4): 20 24.[ 13 ] 陳雄.固定化糖化酶的研究[ J ].中國釀造, 2001,(2):19 20.[ 14 ] 唐芳瓊, 孟憲偉, 陳東, 冉均國, 茍立, 鄭昌瓊.納米顆粒增強的葡萄糖生物傳感器[ J ] , 中國科學B 輯, 2000,30(2): 119 124.[ 15 ] 馬秀玲,陳盛,黃麗梅,等.磁性固定化酶處理含酚廢水的研究[J ].廣州化學，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：果蔬汁飲料國內外加工技術發展新趨勢

果蔬汁飲料國內外加工技術發展新趨勢

摘要: 我國是水果和蔬菜生產大國，產量均居世界第一位。發展果蔬汁產業可以提高果蔬的附加值，具有明顯的經濟和社會效益。本文介紹了果蔬汁飲料加工技術中的護色，超濾膜分離，超高壓，均質，冷殺菌等技術及發展趨勢。

關鍵詞: 護色技術，超濾膜分離技術，超高壓技術，冷殺菌技術

前言

果蔬汁有“液體果蔬”之稱，較好的保留了果蔬原料中的營養成分。人們對健康的關注，消費意識的轉變，飲料的消費已逐漸由嗜好性飲料向營養性飲料轉變，果蔬汁飲料滿足了這—要求，市場正在逐漸擴大。目前市場上的果汁主要有橙汁、蘋果汁、菠蘿汁、葡萄汁等，蔬菜汁主要有西紅柿汁、胡蘿卜汁、南瓜汁以及一些果蔬復合汁。

近年來，我國的果蔬汁加工業有了較大的發展，大量引進國外先進的果蔬汁加工生產線，如濃縮果汁生產線、利樂包生產線、康美合生產線、三片罐生產線、愛卡包生產線等，采用一些先進的加工技術如高溫短時殺菌技術、無菌包裝技術、膜分離技術等，將我國的果蔬汁加工生產水平提高了—個層次, 果蔬汁加工產品的品種目前有: ①濃縮果汁:具有體積小、重量輕的特點,可以減少貯藏、包裝及運輸的費用,有利于國際貿易。隨著歐洲市場對我國濃縮蘋果汁的酸度的放松,未來我國出口歐洲的蘋果汁將會增加。②NFC 果蔬汁:不是用濃縮果蔬汁加水還原而來,而是果蔬原料經過取汁后直進行殺菌,包裝成成品,免除了濃縮汁調配后的殺菌過程。果蔬汁的營養高、風味好。③復合果蔬汁:利用各種果蔬原料的特點,從營養、顏色和風味等方面進行綜合調制,創造出更為理想的果蔬汁產品。④果肉飲料:較好地保留了水果中的膳食纖維,原料的利用率較高[1]。

我國水果、蔬菜資源豐富，其中水果年產量近7 000萬噸，蔬菜產量約5億噸，均居世界第一位。我國果蔬產業已成為僅次于糧食作物的第二大農業產業。預計到2010年，我國水果和蔬菜總產量將分別達到1億噸和6億噸。豐富的果蔬資源為果蔬加工業的發展提供了充足的原料。因此，果蔬加工業作為一種新興產業，在我國農業和農村經濟發展中的地位日趨明顯，已成為我國廣大農村和農民最主要的經濟來源和新的經濟增長點，成為極具外向型發展潛力的區域性特色、高效農業產業和我國農業的支柱性產業。

由于果蔬汁產業具有的明顯經濟和社會效益，國家在“十五”、“十一五”科技攻關重大專項和國家863項目中，專門設置了果蔬汁加工的課題，例如：蘋果深加工關鍵技術與設備研究開發、蔬菜汁產業化關鍵工藝技術研究與產品開發、優質鮮榨蘋果汁和渾濁型蘋果汁加工關鍵技術與產業化開發、濃縮果汁質量控制技術研究等。

發達國家越來越重視果蔬加工業，其發展趨勢主要有以下幾點：

發達國家已實現了果蔬產、加、銷一體化經營，具有加工品種專用化、原料基地化、質量體系標準化、生產管理科學化、加工技術先進及大公司規模化、網絡化、信息化經營等特點。同時，發展中國家果蔬加工業近年來也得到長足發展。

近年來，生物技術、膜分離技術、高溫瞬時殺菌技術、真空濃縮技術、微膠囊技術、微波技術、真空冷凍干燥技術、無菌貯存與包裝技術、超高壓技術、超微粉碎技術、超臨界流體萃取技術、膨化與擠壓技術、基因工程技術及相關設備等已在果蔬加工領域得到普遍應用。先進的無菌冷罐裝技術與設備、冷打漿技術與設備等在美國、法國、德國、瑞典、英國等發達國家果蔬深加工領域被迅速應用，并得到不斷提升。這些技術與設備的合理采用，使發達國家加工增值能力明顯地得到提高。

果蔬飲料的工藝流程

果蔬原料

→

選果

→

清洗

→

破碎

→

榨汁

→

調配

→

過濾→

均質

→

脫氣

→

滅菌

→

灌裝

→

封口

→

噴淋

→

殺菌→

裝箱

→

成品

根據不同的階段分析目前常采用的技術及發展趨勢

1、護色技術的應用

果蔬加工過程中的色澤變化統稱為褐變,視其褐變過程生物酶的參與與否，而劃分為酶促褐變和非酶褐變。生產加工過程中控制褐變產生常用的物理方法主要有燙漂,超濾、超聲處理、超臨界二氧化碳處理等，化學方法有：亞硫酸鹽處理、硫處理、氯化物處理、食鹽水處理酸化劑處理等。目前，對于果蔬產品的護色，化學抑制劑是占主導地位的措施。

2、超濾膜分離技術的應用 超濾在果汁加工方面的應用始于1977年, Hedth bell 在蘋果汁的澄清上首次獲得成功,由于超濾用于澄清果汁的加工可以提高5%-8%的產量.節省澄清劑、助濾劑的費用,簡化工藝,減少能耗, 降低勞動強度,且對果蔬汁中營養成分和芳香物質的損失也少, 產品質量高, 因而引起廣大食品科學工作者的重視。

通過試驗還發現起濾后的果汁細菌總數下降了84 % , 因此超濾還可以使果汁達到無菌化并表現出冷殺菌的潛勢.傳統加工工藝得到的澄清汁往往在貯藏中易出現后混濁現象, 據研究發現引起后混濁的主要原因是由于果膠、淀粉、明膠截留、酸類物質、蛋白質、阿拉伯聚糖、右淀糖醉、微生物、助濾劑等等.通常用果膠酶在適當P H 下進行分離去除, 但若用超濾處理混濁蘋果汁時, 果膠和單寧等物質可10 %去除, 同時可去除果汁中的雜菌.另外,超濾還在很在程度上保留了原汁中的V(1 3 5 m g /1 0 m l), 用于小香檳酒的處理存貯四個月以上無沉淀出現,質量明顯提高, 符合衛生要求[2]。

膜分離技術應用于果蔬汁的濃縮是目前研究的熱點，包括反滲透技術和聯合膜分離技術。反滲透膜技術是利用反滲透膜來濃縮果汁, 當膜兩側的壓力差大于滲透壓差, 則水分可由濃向稀移動。反滲透法可在常溫下進行, 不需加熱, 但膜的品種和質量的選擇至關重要。近年來, 人們分別對橙汁、蘋果汁、梨汁、葡萄汁、菠蘿汁、番茄汁等進行了反滲透濃縮研究, 重點在探索膜的種類、操作條件對膜通量及果汁中風味物質截留率的影響。

通常,果汁除含有糖、酸等可溶性成分外,還含有果膠、蛋白質、纖維素等懸浮性固形物,這樣果汁的粘度大。直接用反滲透濃縮,易造成嚴重的膜污染和較低的透水速率,很難以一級方式把果汁濃縮到蒸發法所達到的濃度。一般而言,超濾適用于大分子(如蛋白質、膠體、多糖)與小分子(無機鹽及低分子有機物等)溶液的分離；而微濾適用于細菌、微粒等組分的分離。如果在反滲透以前,用超濾或微濾除去果汁中的果膠等懸浮性固形物,這樣可降低粘度,減少膜污染程度, 從而顯著提高反滲透的效率[3]。

3、超高壓技術在果汁加工中的應用

高壓技術在食品加工中的應用和研究幾乎和現代高壓技術的發展同步。開創現代高壓技術研究先河的美國物理學家B ridgmen從1906年開始, 對物質的宏觀物理行為的高壓效應進行了系統的研究。日本是最先將高壓技術運用到食品工業的國家,1989年京都大學聯合農林水產省和21家食品與機械公司成立了一個特殊組織, 進行高壓食品的攻關;1990年開發出世界第一種高壓食品—果醬。美國、巴西、韓國和歐洲的許多國家也先后對高壓食品加工原理、方法和技術細節及應用前景進行了廣泛的研究, 并已開始向市場提供高壓食品, 法國是第一個將高壓食品商業化的歐洲國家。目前在我國, 超高壓設備在果汁、果醬加工中的應用研究正在進行, 結果令人滿意。

高壓處理過程中, 物料在液體介質中被壓縮,超高壓產生的極高的靜壓不僅會影響細胞的形態,還能使形成生物高分子立體結構的氫鍵、離子鍵和疏水鍵等非共價鍵發生變化, 使蛋白質凝固、淀粉等變性、酶失活或激活、細菌等微生物被殺死, 可用來改善食品的組織結構或生成新型食品。

高壓處理基本上是一種物理過程, 對維生素、色素和風味物質等低分子化合物的共價鍵無明顯影響, 其主要特點是:(1)瞬間壓縮, 作用均勻,時間短、操作安全和耗能低;(2)污染少(熱、化學);(3)更好地保持食品的原風味(色、香、味)和天然營養(如維生素C等);(4)通過組織變性, 得到新特性食品;(5)壓力不同, 作用性質不同。

4、均質技術

均質是生產混濁果蔬汁的特有工序。均質的目的是使果蔬汁中的不同粒度、不同相對密度的果肉顆粒進一步破碎并使之均勻，促進果膠滲出，增加果汁與果膠的親和力，抑制果蔬汁分層并產生沉淀，使果蔬汁保持均一穩定。常用的乳化均質機械有均質機和膠體磨兩種。

近年來，APV 公司開發的G型(一體成型式汽缸座)和R型(三片汽缸座)高壓均質機得到了廣泛的應用。G型均質機是汽缸部件成一體型的裝置。其抽氣閥門可按用途需要選用相宜的閥門，如用于奶酪和奶油等高粘度和高磨耗性食品的選用球閥；用于植物油、牛乳和冰淇淋等低粘度、低磨損性食品的選用提升閥。R型均質機是由三分型的汽缸件構成，在汽缸件內分為選擇切割部、流動部和沖壓打漿部三部分，當送入處理的液體物料在相對較差的條件下時或者在高于50MPa高壓下運轉時，能夠最大限度抑制汽缸整體的破損和開裂。同樣可以按照用途不同和物料物理性狀的具體條件分別選用球閥和提升閥。

5、冷殺菌技術的應用

殺菌是果汁飲料生產中的關鍵技術。傳統的殺菌方法是加熱殺菌法, 若加熱殺菌的溫度較低, 則會因殺菌不足而導致產品的腐敗變質;若加熱殺菌的溫度過高, 則會使果汁中的營養成分受到破壞,風味劣變、產生熱臭, 造成產品的質量下降[4]。

冷殺菌的技術有： ① 超高壓殺菌法

超高壓殺菌法, 就是在密閉容器內, 用水作為介質對軟包裝果汁施以400～600MPa 的壓力, 在這種強壓下, 能殺死果汁中幾乎所有的細菌、霉菌和酵母菌。現在日本市場上已有利用超高壓殺菌的果汁、果醬等產品出售。這種經超高壓處理過的果汁, 可充分保持水果原有的色、香、味和營養成分, 可以預見, 在果汁生產中, 超高壓殺菌技術將成為21 世紀最有前途的殺菌方法[5,6]。

②輻照殺菌

輻照殺菌是利用放射性元素(如60Co 或137Cs)衰變時放出的射線作為照射源的一種殺菌方法。用與冷殺菌技術的是電離輻照。采用這種技術進行殺菌應遵照我國輻照食品衛生管理的有關規定, 選擇適當的照射劑量及時間(輻射殺菌的常用劑量范圍為1～500Mard、溫度范圍是-30～25 ℃), 以保證輻照食品的安全。目前有不少營養口服液及粉狀全營養素制品均用此法進行滅菌處理。其它如肉禽類、水產品、蛋品、果蔬類、谷類及其制品、香料等也采用此技術殺菌。現在, 世界從事這項研究的國家有50 多個, 已有28 個國家采用此技術處理食品, 相應的輻照食品的檢測技術也得到推動和發展。

與傳統方法比較, 輻照殺菌具有許多優點: a.射線處理無需提高食品溫度, 照射過程中食品溫度的升高微乎其微。因此處理適當的食品在感官性狀、質地和色香味方面的變化甚微。

b.γ射線的穿透力強, 在不拆包裝和不解凍的情況下, 射線可透過進行殺菌。起到化學藥品和其他處理方法不能達到的作用。

c.應用范圍廣泛。能處理各種不同類型的食物品種。食品可在照射前進行包裝和烹調, 照射后的制作更加簡化和方便。降低了成本, 節省了時間。

d.射線處理食品不會留下任何殘留物。e.能節約能源。f.輻照裝置加工效率高。③高強脈沖電場殺菌

脈沖電場(Pulsed Elect ric Fields , PEF)殺菌是利用強電場脈沖的介電阻斷原理對食品微生物產生抑制作用。在果蔬加工過程中, 滋生的微生物對于脈沖電場鈍化作用敏感, 革蘭氏陰性細菌明顯比酵母和革蘭氏陽性細菌敏感, 而更頑固的細菌內生孢子需要采用大電容和很長時間的處理。脈沖電場可以使果蔬中的細菌減少4～5 個對數周期, 用脈沖電場逐步處理希氏大腸桿菌則可以減少9 個對數周期。

優點: 超高壓脈沖電場殺菌具有處理時間短、能耗低、傳遞快速、均勻等優點, 因而可廣泛地用于食品殺菌。

④超聲波滅菌

超聲波對傳聲媒質的相互作用, 蘊藏著巨大的能量, 這種能量能在極短的時間內足以起到殺滅的破壞微生物的作用, 而且能夠對食品產生諸如均質、催陳、裂解大分子物質等多種作用。具有其他冷殺菌方法難以取得的最佳效果, 從而提高品質,保持功能成分不受破壞。

⑤高強脈沖光殺菌技術

這種方法是用連續的寬帶光譜短而強的脈沖,抑制食品和包裝材料表面、透明飲料、固體表面和氣體中的微生物。這兩種都是近年研究的殺菌的方法, 都有其各自的優點, 但在果汁應用中還尚在研究中。應該注意在的是, 現在的殺菌趨勢向著2 種或2 種以上方法結合使用, 從避免各自殺菌方法的局限, 達到較好的殺菌結果。如由于在一些場合, 其過高的壓力使得能耗增加, 對設備要求過高, 不利于工業化生產。所以超高壓常與其它方法相結合進行殺菌, 如超高壓低溫殺菌技術、超高壓脈沖電場殺菌等。又如超聲波與其他殺菌方法結合才有巨大的應用前景。

冷殺菌處理過的果汁, 可以保持水果原有的風味和營養成分, 延長了產品的貨架壽命, 避免了熱殺菌而造成的營養成分的損失和產生的熱臭異味。因此冷殺菌是很有殺菌前景的高新技術[7,8]。

結語：

雖然果蔬汁飲料加工技術已達到一定的水平，但仍存在著一些問題，例如膜分離技術，其本身就有一定的局限性，主要是膜通量隨著分離時間的推移會大幅降低且清洗困難，膜耐高溫耐腐蝕性能不強，膜使用壽命短等，故需要不斷開發新型膜材料，提高膜的性能，拓寬膜的品種，發展新品種的共混膜和復合膜，改進膜的清洗方法，發展新的膜分離技術及集成膜分離技術等來彌補膜分離技術目前的不足。又如，果蔬汁護色所采取的措施都有一定的不足之處,有的會引起食品風味的改變,有的使食品的營養損失,有的使色澤和質地發生變化,有的會給人體健康帶來危害及副作用。因此，必須研究出一些防褐變效果好又安全的護色技術。另外，應結合生物技術與已成熟的技術用于果蔬汁飲料加工。目前已有應用生物技術改善飲料加工原料、生產飲料添加劑和功能因子以及去除飲料不良性狀的研究，但生物技術要真正實現大規模地運用于果蔬汁飲料加工還有待進一步研究與完善。

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第五篇：計算機在材料加工中的應用

計算機在材料加工中的應用

摘 要：本文介紹了計算機模擬在材料加工過程中的發展趨勢，它將為企業參與激烈的市場競爭并取得成功提供重要手段，計算機模擬技術必將在未來材料加工技術中起到舉足輕重的作用。

關鍵詞：材料加工；計算機模擬；虛擬制造；

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

隨著時代的發展，世界制造業面臨市場開拓和技術發展兩大挑戰。高質量、低成本、短周期的先進制造技術是制造業的發展方向，它的科學性、先進性、正確性和敏捷性對于國民經濟的發展非常重要。虛擬制造技術的出現是先進制造技術的重要標志之一[1-2]。虛擬制造與實際制造有本質區別，它是在計算機防真與虛擬現實技術的支持下，在計算機上進行產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗等，是在計算機上實現將原材料變成產品的虛擬現實過程，使得制造技術走出主要依賴于經驗的狹小天地，進入全方位預測，力爭一次成功的新階段，從而縮短產品周期，減少費用，提高質量。材料加工是先進制造技術中重要的組成，它的應用涉及航空航天、汽車、石化、軍事等事關國民經濟的重要產業。在我國加入世貿組織之后，我國的制造業面臨更多更大的機遇與挑戰。材料加工與以切削為主體的冷加工相比，其特點是: 從質量評價標準上，在保證零件尺寸形狀精度和表面質量的同時，更注重保證零件和結構內部組織性能和完整性;在產品和零件設計上，更強調針對復雜型腔和曲面的能力;在工藝過程中，除了運動和外力作用等因素，還涉及溫度場、流場、應力應變場及內部組織的變化;生產環境惡劣，控制因素多樣。以上特點反映了材料加工過程對綜合自動化和信息集成的需求和復雜性，因此，充分了解材料加工計算機模擬的重要性及其發展趨勢，對于推動我國制造業的科技進步，縮短產品的開發和加工周期，快速響應市場，提高競爭能力，真正體現高速、高效、高質的制造優勢，具有重要的意義。2計算機模擬技術的發展

計算機模擬是制造業發展的產物。以有限元方法為基礎的計算機模擬技術是20 世紀技術發展的巨大成果，在工程物理科學的各個分支領域都起著十分重要的作用。新材料、新工藝、新產品、高要求、高精度、低成本的現代制造模式要求深入了解和掌握材料成形機理、過程變化，在計算機上實現過程顯現，開拓科學的工藝和設計方法，實現最優設計與制造。因此，計算機數值模擬技術以及以此為基礎的優化設計方法研究成為當今和今后國內研究的熱點。

2.1宏觀模擬向微觀模擬深入

我們知道在工程中使用的金屬材料大多數為多晶材料，材料的微觀組織形態直接影響零件的機械性能和物理性能，所以選擇合理的加工工藝參數十分重要。材料加工過程微觀組織的計算機模擬由于具有描述分子級尺寸水平的能力，這將對控制材料晶粒大小及分布，進一步了解位錯的產生和運動、晶界結構、防止內部空洞和微裂紋的萌生和擴展等問題提供了新的方法[3-4]，將大大推動材料微觀結構研究的進展，并對確定優化材料加工的工步數和順序、熱處理方案十分有益。此外，在金屬成形過程中，適用的優化準則對材料最終的力學性能和微觀組織性能具有重要的影響，通過優化坯料形狀或預成形模具形狀、模具速度使最終鍛件具有良好的尺寸精度、少無飛邊和所期望的微觀組織。為此，一方面要要研究合適的優化設計變量的選擇，包括影響終鍛件力學組織性能的狀態變量和過程變量，即形狀設計變量和速度設計變量。另一方面要研究和建立微觀組織優化設計的目標函數，該目標函數考慮晶粒尺寸大小及分布，再結晶晶粒尺寸、再結晶程度和無再結晶部分的晶粒尺寸及其體積分數。

2.2高精度、高效三維有限元模擬

近二十年間，以有限元法為核心的數值模擬技術在金屬塑性成形領域中應用，所采用的理論體系從小變形彈塑性有限元理論、剛-(粘)塑性有限元理論，到現在的大變形彈-(粘)塑性有限元理論，分析技術發展迅速，逐漸趨于成熟。采用大變形彈-(粘)塑性有限元法分析金屬成形問題，不僅能按照變形路徑得到塑性區的發展情況，工件中的應力、應變的分布規律，以及幾何形狀的變化，而且能有效地處理卸載，計算殘余應力、殘余應變，從而可以分析和防止產品的缺陷等問題，符合金屬成形對于精密化模擬分析的要求。目前，二維大變形彈-(粘)塑性有限元法模擬技術已日趨成熟，并已在工程中得到成功的應用。但大變形彈-(粘)塑性有限元法是建立在有限變形理論基礎上的，需要對變形梯度進行多次分解，從分析金屬成形過程的角度出發，計算工作量大，而金屬成形過程通常是在高溫下進行的，工件在發生變形的同時伴隨有溫度的變化，因此，在分析金屬成形過程模擬中，還必須考慮溫度的影響，即進行溫度場與變形場的耦合計算，特別是工程中可以簡化為二維分析的問題并不多，三維模擬是必然趨勢，三維問題分析在數學模型和圖形處理上的復雜程度大大增加，由此引起的計算量猛增，比二維問題的計算量高出幾十倍甚至上百倍，這對于計算機存儲量的要求也隨之增加。近年來，由于計算機軟硬件技術的迅速發展和數值計算方法的不斷完善，使三維問題的分析成為可能。一方面，人們在研究提高計算速度的方法，開發了大規模計算問題的并行計算方法(Parallel Computation)，利用并行處理機中多CPU 可同時工作的特點，配以軟件編程中的并行處理方法，使計算速度大為加快，目前國際上許多商業軟件都推出了并行版，如ANSYS、MARC、LS-DYNA3D 等;另一方面人們在研究改善計算方法，眾所周知，金屬成形過程中，坯料的變形特別大，若采用更新的拉格朗日法(Updated Lag rang ian Method)進行計算時[10]，初始劃分的單元網格逐漸畸變，若將已經畸變的網格形狀作為增量計算的參考構形，將導致計算精度降低，甚至引起不收斂，為克服上述問題，通常當網格畸變到一定程度后，必須停止計算，重新劃分適合于計算的網格，通過新舊網格間信息場量的插值傳遞，再繼續進行計算，要完成一個成形問題的模擬，通常需要多次重劃網格，這將導致計算量的增加和由于多次插值帶來的計算精度的降低，因此，許多研究開發人員正致力于改進三維網格重劃的自適應能力和自動化程度，改進新舊網格間信息傳遞的插值方法，取得了可喜的進展。同時，開發了ALE法(Arbitrary Lagrangian Eulerian Method)和顯式解法(Explicit Solution)[11]，而ALE 法不再象Lagrangian公式中將網格固定在材料上，而是不依賴于材料的運動而移動，因此可控制網格的幾何形態，ALE 通過利用高階的技術不斷進行網格重劃，從而避免上述問題，提高計算速度和精度，這對于為提高計算精度和效率而進行的網格細劃十分有利，該方法已在MSC/ DYTRAN、Press Form 等軟件中得到成功的應用，而顯式解法主要是為解決非線性問題隱式求解時為保證求解精度需反復迭代，使計算量猛增的問題，目前該方法已成功地應用于LS-DYNA3D 中[12]。另外，隨著計算機軟硬件的迅速發展，計算速度問題也將逐步得到解決。

到目前為止，二維大體積金屬成形過程有限元模擬技術已趨成熟，國內外先后開發了許多商品軟件，這些軟件多適用于二維問題、偽三維問題及簡單三維問題的分析。通過使用彈-塑性-實時響應模型，可確定完整的應力、應變和撓曲變化狀況，殘余應力也容易被計算。近年來，金屬成形工業對三維過程模擬提出了更高更精確的要求。對于處理復雜三維金屬塑性成形問題，雖然存在模具型腔幾何形狀描述、動態邊界條件及網格重劃等技術難點[5]，隨著計算方法的完善和計算機技術的進步，開發出使用便捷且適用范圍廣的三維有限元程序已成必然。一方面研究提高計算速度的方法，通過計算機技術中多個CPU 可同時運行的并行處理技術和軟件編程中的并行處理方法，開發大規模計算問題的并行計算方法，從而大大提高計算效率;另一方面不斷完善計算方法，對于影響三維模擬精度的若干技術問題，如初始速度場的生成、摩擦邊界條件的處理、剛性區和塑性區的區分、縮減因子的確定、收斂準則的選擇和熱力耦合等問題，在保證求解精度和效率的前提下，均可采用二維有限元模擬中相關的算法和處理技術。而模具型腔幾何形狀描述、動態邊界條件及網格生成和重劃等技術難點與二維模擬相比有較大的區別，這些問題處理的正確與否將直接關系到模擬分析的可靠性和求解效率。因此，人們在不斷地尋求解決的方法。Cho等[6]為了解決復雜三維問題，采用考慮熱傳導的三維熱黏塑性有限元模型，將一個無法用解析式描述的任意復雜形狀的模具表面，通過Ferguson分片，用一個分片連續的形式給出，將被網格重構的變形體分為表面自適應層和中心區兩部分，提出一種基于體適應映射法的三維網格重構技術。所提出的網格重構方法是以產生線性八節點六面體單元為基礎的。在表面自適應層上自動產生網格后，中心區通過體適應映射法自動生成網格，并對萬向節的熱鍛過程進行了完整的模擬。此外，在計算機上處理三維金屬成形，還需進一步提高模擬的可視化水平，擁有良好的用戶界面是非常重要的。隨著計算機裝載了三維圖形處理程序及計算速度和硬件水平的提高，可在前后處理中大量應用可視化技術，用戶在二維屏幕上可直接觀看物體的三維圖形和數據。在金屬成形過程模擬中，可通過采用切片技術和鏡像顯示技術觀測物體某一橫截面或整個結構的變化情況，點跟蹤技術可使用戶了解在成形過程中原始材料上任意點的流動情況，同時繪制這些點的過程參數變化曲線圖。

2.3單目標優化設計到多目標優化設計滲透 金屬材料的成形通常在高溫下進行，工件塑性成形是一個復雜的熱力學過程，受到應力應變分布不均勻、硬化和再結晶等因素的影響，而工件的形狀和尺寸精度及其內部質量和性能決定著產品質量。熱處理過程作為材料加工中不可缺少的環節，是一個包含溫度、相變、應力/應變相互作用的復雜過程，是一個多機制綜合作用的過程。對其進行組織性能預測的數值模擬，首先必須通過大量實驗，使模擬技術建立在可靠的試驗數據基礎上，建立準確的數學模型，將組織場-變形場-溫度場三者進行耦合計算，將成形過程與熱處理工藝的模擬與質量控制相結合，使模擬結果更準確。由此可作為參考對影響成形過程和熱處理工藝的各種工藝參數進行綜合優化設計，以適應先進制造技術的要求(高精度、高質量、高效率)。

2.4虛擬制造系統的開發

現代化制造加工業的目的應是適應全球市場需求，目標應是應用CAD/CAE/CAM技術來實現優質、高效、低費用產品生產。為適應現代化制造業中要求柔性化、快捷、低成本及高質量的要求，在生產設計中互相借助彼此硬件和軟件技術，把最先進的技術集中起來不失為一種好的解決方法。但這種集成與常規的集成技術不同，它是虛擬的，是一種并行工程思想與先進制造技術的綜合體現。它主要包括:

1、敏捷制造(AM):利用“競爭—合作/合同”機制，發揮局部特長;

2、并行工程(CE):實現同步設計、加工、核算和管理;

3、專家系統(ES):實現領域知識和復雜問題的評價和求解;

4、網絡技術及先進的管理系統(NT-MS):實現先進集成技術的最快捷的手段。圖1 為虛擬系統的結構圖。基于虛擬系統的制造業，將是21 世紀市場上一種較好較快實現產品的運營方針，可大大減低新產品開發風險，提高經濟效益，最終使企業在激烈的市場競爭中立于不敗之地。

圖 1 虛擬系統的結構圖

2.5反向設計技術與專家系統

在某一給定的成形工藝中，最終產品的材料狀態和幾何形狀取決于諸多工藝參數(加載條件、模腔形狀、模具潤滑條件、初始坯料幾何尺寸等)，若考慮某些工藝參數固定不變，則通過對另一些工藝參數的反復模擬和修改，以得到所希望得到的最終產品的材料狀態和幾何尺寸，成形工藝的設計可認為是對于初始坯料和隨后的各預成形坯及模具的設計，但這種反復迭代的方法需要花費大量的計算時間是極不經濟的。八十年代中，S.Kobayashi 等系統研究了這一問題，提出了反向模擬技術(Backward Tracing Technique)，即從一給定的最終形態，沿著相反的加載路徑，反向模擬實際的工藝過程，該方法為工藝設計開辟了新途徑。近十年來，反向模擬技術得到了一定的進展和應用，但始終沒取得突破性進展，其主要原因是從最終形態反向模擬時，無法給定初始場量，因此獲得的初始毛坯設計在理論上存在缺陷，無法估計設計所帶來的誤差。近年來，工藝設計與優化的技術取得了新的進展，提出了敏感性分析(Sensitivity Analysis)的反向設計方法(Inverse Method)，該方法將預成形設計和模具設計問題處理為優化問題，用嚴密的數學公式進行描述，將優化問題的目標函數定義為一組給定設計變量中所希望的最終狀態和數值計算狀態之間的誤差的某種度量，敏感性分析是一種廣泛用于計算目標函數梯度的方法，由于所求解的問題高度非線性并具有歷史依賴性，因此，最適合應用直接差分法(Direct Differentiation Method)，控制方程直接由敏感性場的場量公式差分得到。該方法已成功地應用于坯料和模具形狀的優化設計中。另外，在材料加工領域中，許多設備和工藝問題主要還是利用已經總結出來的經驗公式和參數，加上仍存在于專家頭腦中的經驗知識來解決。在實際生產中，經驗知識的運用往往多于數學分析運算，且很有效，因此，如何充分發揮這些知識的作用，充分利用這一資源，具有非常重要的意義。專家系統就是很好的解決方法，它利用知識的顯式表示、事實和推理技術，以解決通常需要專家才能解決的問題。一個典型的專家系統包括: 知識獲取的裝置，收集專家們在該領域的規則和知識，這一裝置也包括規則編輯器，允許用戶改進現有規則和增加新的規則;存儲事實和規則的數據庫，該數據庫通常可與其它數據庫系統結合；一個推理機，以確定如何應用知識規則來解決問題：一個用戶界面，以允許非專家的用戶使用該系統來解決特殊問題。該方法正廣泛應用于材料加工的工藝設計中。

2.6新模擬技術開發

數值分析的巨大成果是有限元方法。但是，當網格高度畸變時，這種以單元作為基本概念的方法卻有許多難以處理的問題，主要原因是網格的存在妨礙了處理與原始網格線不一致的不連續性和大變形。在處理這類問題時，有限元法通常采用網格重構，但這樣不僅計算費用昂貴，而且會使計算精度受損[13]。為解決上述問題，近年來，一種新的無網格數值方法正在迅速發展。無網格方法將連續體離散為有限數目的質點，位移場函數在沒有明顯網格的情況下通過這些質點的插值得到，該方法僅采用基于點的近似，而不需要節點的連續信息，不僅避免了繁瑣的單元網格生成，而且提供了連續性好、形式靈活的場函數，具有前后處理簡單、精度高等方面的優點。在處理彈塑性、裂紋擴展、移動界面、高速碰撞以及具有大變形特征的工業成形問題時具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。無網格方法以其在場函數近似、局部特征描述等方面特有的優點，越來越受到國內外學者的關注，呈現出強勁的發展勢頭，具有廣闊的應用前景和重要的研究價值。

3結語

先進制造技術是制造業賴以生存、國民經濟得以發展的主體技術，以制造技術為焦點的技術競爭已在全球展開。計算機模擬技術使制造技術走出從前主要依賴于經驗的狹小天地，進入全方位預測，力爭一次成功的新階段，從而實現有效的現代工程設計和迅速的新產品開發。隨著計算機模擬技術的不斷完善發展，它將繼網絡技術和數據庫技術后成為21 世紀材料加工技術的又一技術支撐環境。

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