食品工業(yè)微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶運(yùn)用

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摘要：谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶能促進(jìn)蛋白質(zhì)分子間的交聯(lián)作用，催化蛋白質(zhì)之間異肽鍵的形成，對(duì)蛋白質(zhì)溶解度、乳化能力、發(fā)泡性能和凝膠化作用等功能產(chǎn)生積極影響。眾多食品工業(yè)加工過程中如奶酪生產(chǎn)、乳制品加工、肉類加工、焙烤制品及可食性膜的生產(chǎn)過程等都應(yīng)用了這種酶的交聯(lián)特性。微生物源性的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶在生物技術(shù)生產(chǎn)中所需成本低，目前已經(jīng)應(yīng)用于幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。本文總體概述了谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的特點(diǎn)及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶；蛋白質(zhì)；交聯(lián)作用；微生物；食品工業(yè)

谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以催化谷氨酰胺殘基中γ-甲酰胺基團(tuán)(供體)與不同化合物的ε-胺類基團(tuán)(酰胺殘基的受體)之間異肽鍵的形成并誘導(dǎo)蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)[1]。酶的這種催化作用會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)理化性質(zhì)的顯著改變，如粘度、熱穩(wěn)定性、彈性和韌性等。研究證明，谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶參與到許多生理過程中：血液凝結(jié)過程、抗菌免疫反應(yīng)及光合作用等[2]?？茖W(xué)家們已經(jīng)成功地從動(dòng)植物體及微生物中分離出了谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶。微生物來源的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶分子量較低，是一種單肽鏈酶，它由331個(gè)氨基酸組成，等電點(diǎn)為pH8.9，分子量約為38kDa。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的最適催化溫度為45℃，pH5.5[3]，該酶在50℃下30min就失去50%的酶活力，碳水化合物，如麥芽糊精、蔗糖、甘露糖、海藻糖和還原型谷胱甘肽(GSH)等，可以顯著提高酶的熱穩(wěn)定性[4]。與動(dòng)物源性的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶相比，微生物來源的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶不需要鈣離子的激活作用，在實(shí)際利用酶制劑的過程中，這是一個(gè)非常令人滿意的特征。另外，微生物源的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶在很大pH范圍（4.5~8.0）內(nèi)可以保持酶活力，可以簡(jiǎn)化某些加工過程，進(jìn)而節(jié)省能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。另外得益于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的出現(xiàn)，利用基因的異位表達(dá)可以大大提高谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的產(chǎn)量，并且它對(duì)食物中的蛋白質(zhì)具有不同的反應(yīng)特性，這樣的特點(diǎn)使得該酶成為改善食品中蛋白功能的有力工具。

1谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的生物合成

1.1微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶

起初，谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶大多來自豚鼠的肝臟，然而有限的來源和其相對(duì)昂貴的提取和純化過程限制了谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶在工業(yè)中的廣泛使用。近期，有很多文章討論了使用農(nóng)業(yè)廢料，以微生物合成方式作為合成谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的碳源來源的可能性。從已發(fā)表的文獻(xiàn)中可知，發(fā)酵培養(yǎng)基可以占據(jù)微生物生產(chǎn)成本的近30%[5]，如果可以從廉價(jià)的原材料如高粱秸稈等獲得半纖維素水解物，那么以此來培養(yǎng)微生物獲得微生物來源的谷氨酰胺酶的合成途徑將會(huì)引起人們更大的興趣。

1.2谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶微生物發(fā)酵

在含有高粱秸稈水解物的培養(yǎng)基中，經(jīng)過72h的培養(yǎng)時(shí)間，生物合成的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的活性為0.34U/mL[6]；當(dāng)使用馬鈴薯酶解物作為培養(yǎng)基，另外添加酵母提取物、玉米浸出液和酪蛋白等成分培養(yǎng)后，酶活力可達(dá)1.12UA/mL[5]；利用S.ladakanum合成谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶時(shí)，甘蔗糖蜜和甘油的同時(shí)存在會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[7]；此外，當(dāng)使用甘蔗糖蜜與甘油作為混合碳源時(shí)，測(cè)定的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶活力為0.72U/mL[8]；Ryszka[9]研究了一種利用S.mobaraense菌株生物合成谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的最適培養(yǎng)基，以aminobac、玉米漿、酵母提取物作為氮源，以葡萄糖、蔗糖、淀粉和糊精作為源碳，pH范圍為6.5~7.0，培養(yǎng)30h后測(cè)定谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶活性為2.0U/mL。蛋白胨、酵母提取物、酪蛋白和尿素是合成谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的常用氮源。另外有文獻(xiàn)報(bào)告了使用植物原料如大豆、大米、玉米和小麥面粉、玉米漿、小麥麥麩或麥芽提取物作為氮源的可能性[10]。Zhu[11]和Tramper對(duì)培養(yǎng)基成分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在含有蛋白胨的培養(yǎng)基中添加額外的含氮化合物，如適當(dāng)?shù)陌被?，?huì)顯著提高S.mobaraense中谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的產(chǎn)量。然而，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，工業(yè)生產(chǎn)中需要更便宜的原料作為底物。此外，培養(yǎng)基的配方也是至關(guān)重要的，因?yàn)榻M成成分會(huì)影響產(chǎn)物的濃度、產(chǎn)率和單位體積生產(chǎn)效率。

1.3谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶基因重組表達(dá)

谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶能夠改變蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。因此，開發(fā)能夠用于食品行業(yè)的有效的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶合成系統(tǒng)是很必要的。由Itaya[12]和Kikuchi進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果表明，目前的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶大都是利用大腸桿菌菌株生產(chǎn)的。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶是以酶原的形式存在的，然后通過切除N-端前導(dǎo)肽可以直接生成具有活力的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶[13]。許多研究表明前導(dǎo)肽是在大腸桿菌中過表達(dá)谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的關(guān)鍵因素[14]，首先把酶的編碼基因克隆到大腸桿菌中，然后經(jīng)過培養(yǎng)后利用層析的方法純化重組蛋白。利用這種重組大腸桿菌生產(chǎn)的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的活力可達(dá)到22U/mg[15]。但是同時(shí)也應(yīng)該注意與蛋白質(zhì)翻譯后修飾相關(guān)的問題，探究開發(fā)更便宜、更有效的生物合成系統(tǒng)，從而降低運(yùn)輸、保存、提取、純化等有關(guān)成本。

1.4谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶制劑

谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶制劑可以成為解決很多與酶應(yīng)用效率、食物質(zhì)地等相關(guān)難題的解決途徑。市場(chǎng)上有不同的微生物酶制劑，它們含有利用微生物合成的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶，這些酶可以中和由于冷凍而引起的肉類質(zhì)地的變化[16]；也可以使香腸等肉類產(chǎn)品更快地加工成熟，并且具有良好的口感；它們可以改善肉的質(zhì)地，使加熱和配給過程的損失最小化。Poland公司的酶制劑可以作為發(fā)酵乳制品生產(chǎn)過程中的輔助劑，可以提高加工過程中蛋白質(zhì)的熱激能力，并改善成品的風(fēng)味。利用這種酶制劑已經(jīng)獲得了更高穩(wěn)定性的奶油、冷凝效果更好的干奶酪。在食品行業(yè)使用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶已成為一種自然的技術(shù)方法，并且利用酶法改變食物成分比化學(xué)方法更容易被食品行業(yè)所接受。

2谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的應(yīng)用

含有谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的制劑可以用于食品中蛋白質(zhì)的交聯(lián)反應(yīng)，因此引起了人們的研究興趣。研究結(jié)果表明，交聯(lián)后的β-酪蛋白比未交聯(lián)化的酪蛋白對(duì)胃蛋白酶的消化作用抵抗性更強(qiáng)，利用這種特性可以開發(fā)具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)特性的食品[17]。在烘焙行業(yè)中，谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶主要用于醇溶谷蛋白鏈之間的交聯(lián)反應(yīng)。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶對(duì)面團(tuán)的穩(wěn)定性和體積有積極影響，還可以提高利用較差面粉制作的面包的質(zhì)量，提高其質(zhì)地[18]。研究發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以改善面團(tuán)的流變性，可以保證烘焙后面包內(nèi)適當(dāng)?shù)目紫洞笮『蛷椥?與傳統(tǒng)方法制作的面包糕點(diǎn)相比，體積增大了14%[19]。此外，還可以改善面團(tuán)的吸水性和韌性，用來提高面包的風(fēng)味、質(zhì)地和體積[20]。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶也廣泛用于肉類產(chǎn)業(yè)。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以促進(jìn)肉塊的強(qiáng)勁凝聚力，改善用豬肉、牛肉或禽肉制作的結(jié)構(gòu)單一化香腸的質(zhì)地，而不需要熱處理或添加食鹽或磷酸鹽。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶處理過的鈉酪蛋白可以取代以往的動(dòng)物脂肪[21]，制作具有更低的脂肪含量、更高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的肉制品。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的應(yīng)用為生產(chǎn)高質(zhì)量的粗碎香腸、維也納香腸和熏肉創(chuàng)造了新的技術(shù)。在乳品行業(yè)，為了防止酸奶的脫水收縮作用或使其質(zhì)地更平滑、穩(wěn)定性更好，常常在生產(chǎn)過程中使用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶。用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶改造后的酪蛋白可以作為生產(chǎn)面霜、冷凍甜點(diǎn)、冰淇淋、牛奶飲料和調(diào)料的原料[22]。同時(shí)，利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行牛奶蛋白的聚合反應(yīng)可以生產(chǎn)蛋白膜，改善奶制品的功能特性[23]。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶也用于奶酪的生產(chǎn)過程，并且可以提高凝乳的產(chǎn)率。目前常用于生產(chǎn)天然奶酪的酶有凝乳酶和谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶。Cozzolino[24]等對(duì)提高奶酪產(chǎn)率和特性的因素進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明在添加凝乳酶之前就添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以防止牛奶凝固；而同時(shí)添加這兩種酶可以明顯降低奶酪的抗性和硬度，同時(shí)減少乳清中蛋白質(zhì)和脂肪的含量。目前，谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶越來越頻繁地在多個(gè)行業(yè)中被用作蛋白質(zhì)修飾酶。例如乳清蛋白經(jīng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶作用后可以用于生產(chǎn)蛋白質(zhì)膜，這種可食用的蛋白質(zhì)膜可以涂在新鮮蔬菜和水果表面上，用來延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期和新鮮度[25]；有觀點(diǎn)稱，利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶這種酶來消除大豆蛋白可能的過敏效應(yīng)和抗水解性[26]；也有人建議也許在將來谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以用來在醇溶谷蛋白中重建肽鍵，阻止T細(xì)胞對(duì)多肽鏈的識(shí)別作用，從而避免脂瀉病的產(chǎn)生[27]。

3總結(jié)

谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以誘導(dǎo)蛋白質(zhì)之間的交聯(lián)作用，被廣泛地用于食品工業(yè)中，其廉價(jià)來源——即微生物合成方法的發(fā)現(xiàn)，為這種酶的實(shí)際應(yīng)用提供了更多的機(jī)會(huì)。微生物來源的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的廣闊適用性也引起了人們對(duì)菌株篩選的興趣，以期利用最廉價(jià)的底物獲得高活力的酶制劑。為了獲得更低成本的酶制劑而進(jìn)行的微生物研究，也許可以促進(jìn)易得的產(chǎn)品的開發(fā)以及其更大范圍的使用。

參考文獻(xiàn)

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作者：王美玲 單位：青島科技大學(xué)