¿Cuáles son los factores que afectan la eficacia del uso de enzimas y su aplicación en la industria alimentaria?
Respuesta rápida: Las enzimas y los ingredientes de procesamiento de alimentos generalmente se seleccionan según el ajuste del sustrato, el rango de pH y temperatura, la dosis y si la especificación de uso final es aceptable para el proceso objetivo. La opción comercial más sólida es aquella que funciona consistentemente en condiciones de procesamiento reales.
A medida que la gente presta cada vez más atención a la seguridad, la nutrición, la salud y la delicia de los alimentos, los alimentos ya no son sólo una necesidad básica para satisfacer la supervivencia de las personas, sino que la industria alimentaria se está desarrollando en la dirección de ser más seguros, más nutritivos y más deliciosos. En la búsqueda de una vida verde con bajas emisiones de carbono, la preparación enzimática con alta eficiencia, seguridad, efectos secundarios no tóxicos y pequeño impacto en el medio ambiente y otras características, penetra en todos los aspectos de nuestras vidas. Como el pan que comemos, el pan al vapor, los jugos de las bebidas, las bebidas, los condimentos para saltear y los documentos en papel que entregamos a mano, se pueden utilizar en preparaciones enzimáticas.
La enzima como catalizador biológico altamente eficiente tiene ventajas únicas frente a los agentes químicos tradicionales, cada vez más utilizados en la industria alimentaria. En la actualidad, la industria de las enzimas se ha convertido en una de las industrias emergentes más prometedoras de China. Por lo tanto, es de gran importancia reconocer la naturaleza química de la preparación enzimática para el uso razonable y correcto de la preparación enzimática. Introducimos brevemente varios factores que afectan el efecto catalítico de las preparaciones enzimáticas.
01 Factores que afectan el uso de la preparación enzimática
I. Influencia del valor de PH
Cada tipo de enzima sólo muestra una alta vitalidad en un rango de pH específico, que es el valor de pH óptimo para la acción enzimática. En términos generales, la enzima es más estable al valor de pH óptimo, por lo que el valor de pH de la acción de la enzima es también su valor de pH estable. Si el valor del pH de la reacción enzimática es demasiado alto o demasiado bajo, la enzima se dañará irreversiblemente y la estabilidad y vitalidad disminuirán o incluso se inactivarán. Las diferentes enzimas tienen diferentes rangos de pH óptimos, incluidos los ácidos, neutros y alcalinos. Por ejemplo, según el pH óptimo de la acción de la proteasa, a menudo se divide en proteasa ácida, proteasa neutra y proteasa alcalina. Acción enzimática El pH también es un parámetro que se mide en determinadas condiciones. A diferente temperatura o sustrato, el pH óptimo de la acción enzimática es diferente; cuanto mayor es la temperatura, más estrecho es el rango de pH estable de la acción enzimática.Por lo tanto, en el proceso de reacción catalizada por enzimas, el valor del pH de la reacción debe controlarse estrictamente.
Influencia de la temperatura
Bajo ciertas condiciones, cada enzima tiene una temperatura óptima, en la cual la actividad enzimática es máxima, el efecto es mejor y la enzima es más estable, la velocidad de la reacción catalizada por enzima aumenta y la pérdida de actividad enzimática alcanza el equilibrio de desnaturalización térmica, y esta temperatura es la temperatura óptima de acción de la enzima. Cada enzima tiene una temperatura estable a la cual la enzima es estable, y la enzima es estable en un cierto tiempo, pH y concentración de enzima, con muy poca o ninguna disminución en la actividad, y esta temperatura es la temperatura estable de la enzima. Por encima de la temperatura estable de acción, la enzima se inactivará bruscamente. Esta sensibilidad térmica de la enzima se puede expresar mediante la temperatura crítica de falla Tc, que se refiere a la temperatura a la cual la enzima pierde la mitad de su vigor en 1 hora. Por lo tanto, generalmente solo en el rango de temperatura efectiva de la enzima se puede llevar a cabo una acción catalítica efectiva, la temperatura aumenta cada 10 ℃ y la velocidad de reacción de la enzima aumenta de 1 a 2 veces. El efecto de la temperatura sobre la acción de la enzima también está relacionado con el tiempo de su calentamiento: se prolonga el tiempo de reacción y se reduce la temperatura óptima de la enzima. Además, la concentración del sustrato de la reacción enzimática, el tipo de tampón, el activador y la pureza de la enzima y otros factores también harán que la temperatura de la enzima y los cambios de temperatura de estabilización sean óptimos.
En tercer lugar, el efecto de la concentración de enzima y la concentración de sustrato
La concentración de sustrato es el principal factor que determina la velocidad de la reacción catalizada por enzimas, bajo ciertas condiciones de temperatura, pH y concentración de enzima. Cuando la concentración de sustrato es muy baja, la velocidad de reacción catalítica de la enzima se acelera rápidamente con el aumento de la concentración de sustrato, y ambas son proporcionales. A medida que aumenta la concentración de sustrato, la velocidad de reacción se ralentiza y ya no aumenta proporcionalmente. La relación entre la concentración de sustrato y la velocidad de la reacción catalizada por enzimas generalmente se puede expresar mediante la ecuación de Mie. A veces, la concentración de sustrato es muy alta, pero también debido a la inhibición del sustrato causada por la disminución de la velocidad de reacción enzimática. Cuando la concentración de sustrato excede en gran medida la concentración de enzima, la velocidad de reacción catalizada por enzima es generalmente proporcional a la concentración de enzima. Además, si la concentración de enzima es demasiado baja, la enzima a veces falla, impidiendo que la reacción continúe.En las reacciones catalizadas por enzimas que se llevan a cabo en el procesamiento de alimentos, la cantidad de enzima es generalmente mucho menor que la cantidad de sustrato, pero también hay que considerar el costo de los factores enzimáticos.
Cuarto, la influencia de los inhibidores
Muchas sustancias pueden debilitar, inhibir o incluso destruir la función de la enzima; estas sustancias se denominan inhibidores de enzimas. Como iones de metales pesados (Fe3+, Cu2+, Hg+, Pb+, etc.), monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, cationes orgánicos, etilendiamina y ácido tetraacético. En la producción real, comprender y evitar el impacto de los inhibidores en la catálisis enzimática.
Quinto, el efecto del activador
Muchas sustancias tienen la función de proteger y aumentar la actividad enzimática, o de promover una proteína enzimática inactiva a una enzima activa; estas sustancias se denominan colectivamente activadores de enzimas. Los activadores se pueden dividir en tres categorías: la primera categoría son los iones inorgánicos, como Na +, K +, Ca2 +, Mg2 +, Cu2 +, Co2 +, Zn2 + y otros cationes, así como Cl -, NO3 -, PO43 -, SO42 – y otros aniones. La segunda categoría son las sustancias orgánicas con moléculas pequeñas, principalmente vitaminas del grupo B y sus derivados. La tercera categoría son las sustancias macromoleculares con propiedades proteicas. El efecto del activador sobre la velocidad de la reacción catalizada por enzimas es similar al de la concentración de sustrato, pero rara vez se utiliza en la producción práctica.
Sexto, la influencia del entorno de preservación
Las preparaciones enzimáticas en el ambiente de baja temperatura están inactivas, para hacer que la enzima se conserve a largo plazo sin perder actividad, en 10 ℃ preservación de la pérdida de actividad enzimática del 5-10%/6 meses, preservación a temperatura ambiente de la pérdida de actividad enzimática del 10-15%/6 meses. Entonces la clave está en el ambiente seco y la baja temperatura. El calor y la luz pueden inactivar fácilmente la enzima, por lo que la preparación de enzima debe almacenarse en un lugar cerrado a baja temperatura y evitando la luz. Además, cuanto mayor sea el contenido de humedad de la preparación enzimática, más fácil será inactivarla, por lo que la preparación enzimática en polvo general es fácil de almacenar y transportar. Además, algunos iones metálicos también pueden provocar la inactivación de las enzimas o inhibir la vitalidad de las enzimas; se debe evitar la elección de iones metálicos en el recipiente para guardar la preparación de enzimas.
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Aplicación de diversos preparados enzimáticos en alimentos
I. Celulasa
Descripción general de la celulasa
Celulasa es un término general para un grupo de enzimas que pueden hidrolizar la celulosa en glucosa.La fuente de celulasa es muy amplia, además de los hongos, una variedad de protozoos, lombrices intestinales, moluscos, lombrices de tierra, crustáceos, insectos, algas, hongos, bacterias y actinomicetos pueden producir celulasa.
Aplicación de celulasa
01 Aplicación en la producción de cerveza
En el proceso de producción de cerveza, después del uso de celulasa, el almidón y la celulosa se pueden convertir en azúcar, y luego, mediante la descomposición de la levadura, todo se convierte en alcohol, la tasa de alcohol se puede aumentar entre un 3% y un 5%, y la tasa de utilización de almidón y celulosa puede llegar hasta el 90%.
Al usar celulasa para hidrolizar los posos de cerveza, la solución enzimática y el residuo se pueden usar de manera efectiva por separado, lo que puede mejorar en gran medida los beneficios económicos y ambientales de los posos de cerveza.
02 Aplicación de la elaboración de salsa de soja
La salsa de soja es un producto de hidrólisis de proteasa de soja. La elaboración de salsa de soja utiliza principalmente enzimas como la proteasa y la amilasa para hidrolizar enzimáticamente las materias primas. Si se vuelve a utilizar la celulasa, puede hacer que la membrana celular de la soja y otras materias primas se expanda, ablande y destruya, de modo que las proteínas y los carbohidratos encerrados en las células puedan liberarse, lo que puede acortar el tiempo de elaboración, aumentar el rendimiento, mejorar la calidad del producto y aumentar el contenido de aminoácidos reductores del producto.
03Aplicación del procesamiento de frutas y verduras
En el proceso de procesamiento de frutas y verduras, para suavizar y expandir el tejido vegetal, generalmente se utiliza calentamiento y vaporización, tratamiento con ácidos y álcalis y otros métodos, que provocarán la pérdida del sabor y las vitaminas de las frutas y verduras. El procesamiento de frutas y verduras con celulasa puede evitar las deficiencias anteriores y, al mismo tiempo, puede suavizar e hinchar el tejido vegetal, mejorando así su digestibilidad y su sabor.
04 Aplicación del procesamiento de té
El proceso de producción tradicional del té instantáneo consiste en utilizar agua hirviendo para remojar el té y extraer los ingredientes activos de las células del té, como aminoácidos, azúcar, cafeína, saponinas, polifenoles del té, componentes y pigmentos del aroma del té, etc., y luego liofilizarlo a baja temperatura. Si se utiliza celulasa para tratar adecuadamente las hojas de té primero, no solo se puede reducir la temperatura de producción de la enzima de inmovilización, acortar el tiempo de extracción, mejorar el sabor del té instantáneo, sino también mejorar el rendimiento.
05 aplicaciones de procesamiento de cultivos oleaginosos
La celulasa también juega un papel muy importante en el procesamiento de cultivos de semillas oleaginosas.Tradicionalmente, el método de prensado o método de solvente orgánico se ha utilizado para producir productos derivados del petróleo, que tiene una mala calidad del producto, bajo rendimiento, largo tiempo de operación y, al mismo tiempo, inevitables residuos de solvente orgánico.
El uso de tratamiento enzimático en lugar del método con disolventes orgánicos, por un lado, puede mejorar el rendimiento y la calidad del aceite; por otro lado, el control de las condiciones de reacción enzimática, de modo que la producción y el procesamiento en condiciones más suaves puedan evitar el impacto de condiciones violentas en la calidad del producto. Por lo tanto, el uso de tecnología enzimática en el campo del procesamiento de productos agrícolas no sólo puede mejorar el rendimiento del producto principal, sino también reducir la generación de subproductos y reducir el costo de eliminación de residuos.
Lipasa
Descripción general de la lipasa
La lipasa es un tipo de triacilglicerol acil hidrolasa, que puede catalizar la descomposición de triglicéridos en diglicéridos, monoglicéridos, glicerol y ácidos grasos, y es un tipo especial de hidrolasa con enlace éster. La lipasa toma un aminoácido como unidad constituyente básica, solo hay una cadena polipeptídica y la actividad catalítica está determinada únicamente por la estructura de la proteína. Las lipasas se encuentran en animales, plantas y microorganismos.
Como tipo de catalizador biológico, la lipasa tiene las ventajas comunes de alta eficiencia, alta selectividad y condiciones de reacción suaves de los catalizadores generales, y es un catalizador ecológico, que es de gran importancia para el desarrollo científico de la bioquímica, los alimentos y otros campos de la vida y la producción.
Aplicación de lipasa en el procesamiento de alimentos con fideos
El sabor de los productos de fideos está relacionado principalmente con las proteínas, el almidón y la grasa de la harina de trigo, especialmente a través de la orientación de las proteínas y la formación de una estructura de malla para producir elasticidad y aumentar la viscoelasticidad de los fideos. En el procesamiento de fideos, amasar y presionar en muchas direcciones a lo largo de la dirección de calandrado a mano o calandrar durante un largo período de tiempo a lo largo de una sola dirección por medios mecánicos aumentará la elasticidad de los fideos y mejorará la calidad de los fideos, pero el uso de los 2 métodos anteriores requiere relativamente tiempo.
En la producción de pasta, se puede agregar agua con lipasa disuelta directamente a la harina y luego dejarla a temperatura ambiente durante un período de tiempo para el calandrado. En comparación con la adición de proteínas y polisacáridos y otros mejoradores de la harina, la adición de lipasa mejorará enormemente la calidad del producto, específicamente en los siguientes aspectos: aumentar y mantener la elasticidad, mejorar el rendimiento, mejorar la corteza.
Aplicación de lipasa en la industria de aceites y grasas01Hidrólisis enzimática de grasas y aceites
La reacción de generación de ácido graso y glicerol mediante la combinación de aceite y agua bajo la acción de un catalizador se denomina reacción de hidrólisis de grasas, que se utiliza ampliamente en la industria de los ácidos grasos y el jabón. La reacción tradicional de hidrólisis de aceites y grasas utiliza ácidos inorgánicos, álcalis y óxidos metálicos y otros productos químicos como catalizadores, lo que requiere alta temperatura, media y alta presión, mucho tiempo y equipos resistentes a la corrosión, y su costo es alto, el consumo de energía es alto, la seguridad de la operación es deficiente y el color del ácido graso del producto es oscuro o se produce termopolimerización. Por otro lado, la hidrólisis enzimática utilizando enzimas biológicas como catalizadores puede superar con precisión las desventajas anteriores y puede ser selectiva, por lo que favorece la reducción de reacciones secundarias y la mejora de la calidad y el rendimiento de los ácidos grasos del producto objetivo.
02Transesterificación enzimática
La reacción en la que un éster se mezcla con otro ácido graso o alcohol o éster y se acompaña de intercambio de acilo para producir un nuevo éster se llama reacción de intercambio de éster. Entre ellos, las reacciones de intercambio éster-ácido y éster-éster pueden cambiar la composición de ácidos grasos y glicéridos de grasas y aceites, cambiando así las propiedades de las grasas y aceites, lo cual es un medio importante comúnmente utilizado por la industria de grasas y aceites para la modificación de grasas y aceites.
El proceso tradicional de intercambio de ésteres adopta el método químico, y los catalizadores comúnmente utilizados son sodio metálico o hidróxido de sodio, ácido inorgánico, etc. Aunque puede mejorar la propiedad migratoria de los grupos subacilo de los triglicéridos, dará como resultado la aleatoriedad del intercambio y la distribución de los grupos acilo en el sistema de reacción, lo que conducirá al aumento de los subproductos. Si se utiliza una lipasa no específica para catalizar la transesterificación de triglicéridos, se obtienen resultados similares al método químico de transesterificación.
Sin embargo, si se utiliza lipasa 1,3-direccional como catalizador, la migración y el intercambio de grupos acilo se limitan a las posiciones 1 y 3, de modo que se pueden producir productos objetivo específicos que no se pueden obtener mediante transesterificación química, que es precisamente el atractivo único del método de transesterificación enzimática.
Pectinasa
Descripción general de la pectinasa
Pectinasa es un término general para una variedad de enzimas que pueden descomponer las sustancias pectínicas. Poondla et al. Señaló que la pectinasa tiene el efecto de degradar la pectina de la pared celular, que se usa ampliamente en el procesamiento de frutas y la industria alimentaria.
Pectinasa en la industria alimentaria
01Clarificación de zumoLa mayoría de los jugos de frutas utilizados a base de bebidas, excepto los jugos de cítricos, generalmente se clarifican durante el procesamiento para evitar turbidez y sedimentación en el producto final.
La esencia de la clarificación de pectinasa consta de dos partes: hidrólisis enzimática de pectina y floculación electrostática no enzimática. Cuando la pectina en el jugo bajo la acción de la pectinasa se hidroliza parcialmente, la original estaba envuelta en parte de las partículas de proteína cargadas positivamente quedan expuestas y otras partículas cargadas negativamente chocan, lo que conduce a la aparición de floculación, floculación en el proceso de sedimentación, adsorción, enredo de otras partículas suspendidas en el jugo, mediante centrifugación, se puede eliminar la filtración, para lograr el propósito de clarificación.
02 Mejora el rendimiento de zumo de frutas y verduras
Las paredes celulares generales de frutas y verduras contienen una gran cantidad de pectina, celulosa, almidón, proteínas y otras sustancias. Después de triturar la pulpa es muy viscosa, lo que resulta en que el prensado del jugo sea muy difícil y el rendimiento del jugo sea bajo, y la tecnología enzimática puede superar las deficiencias anteriores. La pectinasa se usa generalmente para acelerar la extracción de jugo y sabor y para eliminar la pectina. La pectinasa no solo puede catalizar la despolimerización de la pectina, reducir eficazmente la viscosidad, mejorar el rendimiento del prensado, aumentar el rendimiento del jugo y el contenido de sólidos solubles, sino también aumentar los componentes aromáticos en el jugo, reducir la producción de heces y también favorecer los procedimientos de procesamiento posteriores.
03Mejorar la calidad del vino
El uso de pectinasa en la industria vitivinícola puede aumentar la extracción de pigmentos naturales, mejorar el color y el sabor del vino, aumentar el aroma del vino y producir vino espumoso, que tiene un papel importante en la mejora de la calidad del vino.
IV. Proteasa
Descripción general de la proteasa
La proteasa es una importante preparación enzimática industrial que puede catalizar la hidrólisis de proteínas y polipéptidos, y se encuentra ampliamente en frutas, tallos y hojas de plantas, órganos animales y microorganismos.
En el procesamiento de alimentos, existen tres fuentes diferentes de enzimas que catalizan la degradación de las proteínas de los alimentos: proteasas endógenas, proteasas secretadas por microorganismos y preparaciones de proteasas añadidas artificialmente. Algunas de las aplicaciones más importantes de las proteasas en el procesamiento de alimentos incluyen reacciones de hidrólisis de proteínas, reacciones de transproteinación y reacciones de entrecruzamiento.
Aplicaciones en la industria cárnicaEn el procesamiento de carne, la carne de animales viejos se vuelve áspera y dura después de hervir, y el sabor de los productos producidos es muy pobre; el uso de proteasas puede hacer que esta carne se ablande.
En el proceso de ablandamiento, la proteasa ingresa al intermuscular con la solución, descompone la proteína en el tejido conectivo intermuscular y las fibras de colágeno, destruye su estructura molecular y hace que la calidad de la carne se vuelva suave, sabrosa, jugosa y fácil de masticar.
Al mismo tiempo, la proteasa también puede actuar sobre las fibras musculares, escindiendo parte de la combinación de proteínas de los miocitos, de modo que la carne de aminoácidos solubles en agua y calcio, fósforo, zinc, cobre y hierro solubles en agua aumentan considerablemente, de modo que el sabor y la frescura de la carne mejoran de manera efectiva. La carne tratada con enzimas aún puede mantener una frescura de primera clase y normalizar el pH y los índices sensoriales.
Aplicación en harina
La proteasa es un tipo de proteasa neutra, su pH óptimo es de 5,5 a 7,5 y su temperatura óptima es de aproximadamente 65 ℃. La proteasa puede hidrolizar la proteína del gluten, cortar el enlace peptídico de la molécula de proteína, debilitar el gluten, suavizar la masa, mejorar la viscoelasticidad, extensibilidad, fluidez y otras propiedades de la masa, para mejorar sus propiedades mecánicas y la calidad de horneado, que se utiliza principalmente en galletas y harina especial para pan.
03Perspectivas de aplicación futura de diversas preparaciones enzimáticas
Las enzimas se han utilizado ampliamente en la industria alimentaria. Cabe esperar que con el rápido desarrollo de la propia biotecnología, especialmente la aplicación de la tecnología de ingeniería genética, aumente considerablemente la variedad de preparaciones enzimáticas que pueden utilizarse en los alimentos.
Por un lado, las necesidades de las personas en cuanto a variedad y calidad de los alimentos continúan mejorando, la aplicación de enzimas logrará grandes avances, y el uso de enzimas para producir alimentos funcionales con efectos para la salud será un área importante de investigación.
Por otro lado, las expectativas de la gente sobre la seguridad alimentaria también son cada vez mayores, lo que genera nuevas oportunidades para la aplicación de la tecnología enzimática en las pruebas de alimentos y se espera que se produzcan nuevos desarrollos en el futuro.
En la actualidad, las preparaciones enzimáticas de alta actividad utilizadas en el campo del procesamiento de alimentos son generalmente económicas y su promoción se ha visto limitada hasta cierto punto. Por lo tanto, cómo producir preparaciones enzimáticas de alta actividad y bajo precio será una dirección para futuras investigaciones; y el uso a largo plazo o el reciclaje de preparaciones enzimáticas representadas por enzimas inmovilizadas también es una dirección para reducir el costo de las preparaciones enzimáticas.
Cómo suelen evaluar los compradores las enzimas y los ingredientes de procesamiento de alimentos
En proyectos de procesamiento de alimentos y enzimas, el marco de decisión más útil suele ser el ajuste de la aplicación más la estabilidad del proceso: qué ingrediente funciona bajo las condiciones de pH, temperatura, tiempo y sustrato previstas sin crear un problema de cumplimiento o calidad posterior.
- Defina primero el objetivo de procesamiento: Las aplicaciones de sabor, hidrólisis, textura, fermentación, limpieza y bioprocesos a menudo necesitan perfiles de actividad muy diferentes.
- Compruebe la ventana operativa real: El pH, la temperatura, el tiempo de residencia y el tipo de sustrato a menudo importan más que la afirmación principal del producto.
- Revisar la consistencia y el impacto posterior:La dosificación de , la influencia sensorial, la filtración y el comportamiento de la vida útil pueden afectar el valor comercial final.
- Use validación piloto: las pequeñas pruebas de producción generalmente revelan las diferencias más útiles en actividad, eficiencia y ajuste del proceso.
Referencias de productos recomendados
- CHLUMIAF 094: Un antiespumante equilibrado de referencia para revestimientos a base de agua y muchas pantallas generales de control de espuma.
- CHLUMIAF 3037: Una opción antiespumante de proceso más fuerte cuando la espuma persistente sobrevive condiciones más duras.
- CHLUMIWE 3280: Una fuerte referencia de agente humectante para tintas, recubrimientos y humectación de sustratos difíciles.
- CHLUMIWE 3071: Útil cuando se necesita soporte humectante de organosilicona en una pantalla de aplicación amplia.
Preguntas frecuentes para compradores y formuladores
¿Por qué una enzima de alta actividad no es automáticamente la mejor opción comercial?
Porque la mejor enzima es la que funciona de manera confiable en las condiciones reales del proceso y brinda el resultado final deseado sin crear nuevos problemas.
¿Deben seleccionarse los ingredientes alimentarios y biotecnológicos únicamente a partir de hojas de datos?
Por lo general, es más seguro combinar la revisión de especificaciones con una prueba piloto o de aplicación porque los sustratos reales y las ventanas de proceso pueden cambiar mucho el resultado.
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| Glucoamilasa compuesta | 9032-08-0 |
| Pullulanasa | 9075-68-7 |
| Xilanasa | 37278-89-0 |
| Celulasa | 9012-54-8 |
| Naringinasa | 9068-31-9 |
| β-amilasa | 9000-91-3 |
| Glucosa oxidasa | 9001-37-0 |
| alfa-amilasa | 9000-90-2 |
| Pectinasa | 9032-75-1 |
| Peroxidasa | 9003-99-0 |
| Lipasa | 9001-62-1 |
| Catalase | 9001-05-2 |
| TANNASE | 9025-71-2 |
| Elastase | 39445-21-1 |
| Urease | 9002-13-5 |
| DEXTRANASE | 9025-70-1 |
| L-Láctica deshidrogenasa | 9001-60-9 |
| Malato de deshidrogenasa | 9001-64-3 |
| Colesterol oxidasa | 9028-76-6 |