食品工業(yè)微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶運用論文
摘要：谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶能促進蛋白質(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(供體)與不同化合物的ε-胺類基團(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個氨基酸組成，等電點為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，在實際利用酶制劑的過程中，這是一個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，可以簡化某些加工過程，進而節(jié)省能源消耗，提高經(jīng)濟效益。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可以大大提高谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的產(chǎn)量，并且它對食物中的蛋白質(zhì)具有不同的反應(yīng)特性，這樣的特點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)時間，生物合成的谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的活性為0.34U/mL[6]；當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1.12UA/mL[5]；利用S.ladakanum合成谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶時，甘蔗糖蜜和甘油的同時存在會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[7]；此外，當使用甘蔗糖蜜與甘油作為混合碳源時，測定的谷氨酰胺轉(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。另外有文獻報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對培養(yǎng)基成分進行了優(yōu)化設(shè)計，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?shù)陌被�，會顯著提高S.mobaraense中谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的產(chǎn)量。然而，為了實現(xiàn)經(jīng)濟性，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，因為組成成分會影響產(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
谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶能夠改變蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)，具有重要的實用價值。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)移酶的活力可達到22U/mg[15]。但是同時也應(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)化的酪蛋白對胃蛋白酶的消化作用抵抗性更強，利用這種特性可以開發(fā)具有更強的結(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)移酶對面團的穩(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)移酶可以改善面團的流變性，可以保證烘焙后面包內(nèi)適當?shù)目紫洞笮『蛷椥?與傳統(tǒng)方法制作的面包糕點相比，體積增大了14%[19]。此外，還可以改善面團的吸水性和韌性，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)移酶可以促進肉塊的強勁凝聚力，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物脂肪[21]，制作具有更低的脂肪含量、更高營養(yǎng)價值的肉制品。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、冰淇淋、牛奶飲料和調(diào)料的原料[22]。同時，利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶進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]等對提高奶酪產(chǎn)率和特性的因素進行了調(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；而同時添加這兩種酶可以明顯降低奶酪的抗性和硬度，同時減少乳清中蛋白質(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，用來延長食品的保質(zhì)期和新鮮度[25]；有觀點稱，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細胞對多肽鏈的識別作用，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，其廉價來源——即微生物合成方法的發(fā)現(xiàn)，為這種酶的實際應(yīng)用提供了更多的機會。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菌株篩選的興趣，以期利用最廉價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行的微生物研究，也許可以促進易得的產(chǎn)品的開發(fā)以及其更大范圍的使用。
參考文獻
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