食品工業(yè)微生物谷氨酰胺轉移酶運用
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摘要：谷氨酰胺轉移酶能促進蛋白質分子間的交聯作用，催化蛋白質之間異肽鍵的形成，對蛋白質溶解度、乳化能力、發(fā)泡性能和凝膠化作用等功能產生積極影響。眾多食品工業(yè)加工過程中如奶酪生產、乳制品加工、肉類加工、焙烤制品及可食性膜的生產過程等都應用了這種酶的交聯特性。微生物源性的谷氨酰胺轉胺酶在生物技術生產中所需成本低，目前已經應用于幾乎所有的工業(yè)領域。本文總體概述了谷氨酰胺轉胺酶的特點及其在食品工業(yè)中的應用。
關鍵詞：谷氨酰胺轉移酶；蛋白質；交聯作用；微生物；食品工業(yè)
谷氨酰胺轉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蛋白質之間的交聯[1]。酶的這種催化作用會導致蛋白質理化性質的顯著改變，如粘度、熱穩(wěn)定性、彈性和韌性等。研究證明，谷氨酰胺轉移酶參與到許多生理過程中：血液凝結過程、抗菌免疫反應及光合作用等[2]。科學家們已經成功地從動植物體及微生物中分離出了谷氨酰胺轉移酶。微生物來源的谷氨酰胺轉移酶分子量較低，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移酶相比，微生物來源的谷氨酰胺轉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移酶在很大pH范圍（4.5~8.0）內可以保持酶活力，可以簡化某些加工過程，進而節(jié)省能源消耗，提高經濟效益。另外得益于轉基因技術的出現，利用基因的異位表達可以大大提高谷氨酰胺轉移酶的產量，并且它對食物中的蛋白質具有不同的反應特性，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谷氨酰胺轉移酶的生物合成
1.1微生物谷氨酰胺轉移酶
起初，谷氨酰胺轉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業(yè)廢料，以微生物合成方式作為合成谷氨酰胺轉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)基可以占據微生物生產成本的近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，經過72h的培養(yǎng)時間，生物合成的谷氨酰胺轉移酶的活性為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合成谷氨酰胺轉移酶時，甘蔗糖蜜和甘油的同時存在會產生協同效應[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)化設計，發(fā)現在含有蛋白胨的培養(yǎng)基中添加額外的含氮化合物，如適當的氨基酸，會顯著提高S.mobaraense中谷氨酰胺轉移酶的產量。然而，為了實現經濟性，工業(yè)生產中需要更便宜的原料作為底物。此外，培養(yǎng)基的配方也是至關重要的，因為組成成分會影響產物的濃度、產率和單位體積生產效率。
1.3谷氨酰胺轉移酶基因重組表達
谷氨酰胺轉移酶能夠改變蛋白質的理化性質，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移酶合成系統(tǒng)是很必要的。由Itaya[12]和Kikuchi進行的調查結果表明，目前的谷氨酰胺轉移酶大都是利用大腸桿菌菌株生產的。谷氨酰胺轉移酶是以酶原的形式存在的，然后通過切除N-端前導肽可以直接生成具有活力的谷氨酰胺轉移酶[13]。許多研究表明前導肽是在大腸桿菌中過表達谷氨酰胺轉移酶的關鍵因素[14]，首先把酶的編碼基因克隆到大腸桿菌中，然后經過培養(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的谷氨酰胺轉移酶的活力可達到22U/mg[15]。但是同時也應該注意與蛋白質翻譯后修飾相關的問題，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、純化等有關成本。
1.4谷氨酰胺轉移酶制劑
谷氨酰胺轉移酶制劑可以成為解決很多與酶應用效率、食物質地等相關難題的解決途徑。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移酶，這些酶可以中和由于冷凍而引起的肉類質地的變化[16]；也可以使香腸等肉類產品更快地加工成熟，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)酵乳制品生產過程中的輔助劑，可以提高加工過程中蛋白質的熱激能力，并改善成品的風味。利用這種酶制劑已經獲得了更高穩(wěn)定性的奶油、冷凝效果更好的干奶酪。在食品行業(yè)使用谷氨酰胺轉移酶已成為一種自然的技術方法，并且利用酶法改變食物成分比化學方法更容易被食品行業(yè)所接受。
2谷氨酰胺轉移酶的應用
含有谷氨酰胺轉移酶的制劑可以用于食品中蛋白質的交聯反應，因此引起了人們的研究興趣。研究結果表明，交聯后的β-酪蛋白比未交聯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)具有更強的結構特性的食品[17]。在烘焙行業(yè)中，谷氨酰胺轉移酶主要用于醇溶谷蛋白鏈之間的交聯反應。谷氨酰胺轉移酶對面團的穩(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量，提高其質地[18]。研究發(fā)現谷氨酰胺轉移酶可以改善面團的流變性，可以保證烘焙后面包內適當的孔隙大小和彈性,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，用來提高面包的風味、質地和體積[20]。谷氨酰胺轉移酶也廣泛用于肉類產業(yè)。谷氨酰胺轉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構單一化香腸的質地，而不需要熱處理或添加食鹽或磷酸鹽。谷氨酰胺轉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。谷氨酰胺轉移酶的應用為生產高質量的粗碎香腸、維也納香腸和熏肉創(chuàng)造了新的技術。在乳品行業(yè)，為了防止酸奶的脫水收縮作用或使其質地更平滑、穩(wěn)定性更好，常常在生產過程中使用谷氨酰胺轉移酶。用谷氨酰胺轉移酶改造后的酪蛋白可以作為生產面霜、冷凍甜點、冰淇淋、牛奶飲料和調料的原料[22]。同時，利用谷氨酰胺轉移酶進行牛奶蛋白的聚合反應可以生產蛋白膜，改善奶制品的功能特性[23]。谷氨酰胺轉移酶也用于奶酪的生產過程，并且可以提高凝乳的產率。目前常用于生產天然奶酪的酶有凝乳酶和谷氨酰胺轉移酶。Cozzolino[24]等對提高奶酪產率和特性的因素進行了調查，結果表明在添加凝乳酶之前就添加谷氨酰胺轉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和脂肪的含量。目前，谷氨酰胺轉移酶越來越頻繁地在多個行業(yè)中被用作蛋白質修飾酶。例如乳清蛋白經谷氨酰胺轉移酶作用后可以用于生產蛋白質膜，這種可食用的蛋白質膜可以涂在新鮮蔬菜和水果表面上，用來延長食品的保質期和新鮮度[25]；有觀點稱，利用谷氨酰胺轉移酶這種酶來消除大豆蛋白可能的過敏效應和抗水解性[26]；也有人建議也許在將來谷氨酰胺轉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生[27]。
3總結
谷氨酰胺轉移酶可以誘導蛋白質之間的交聯作用，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，為這種酶的實際應用提供了更多的機會。微生物來源的谷氨酰胺轉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品的開發(fā)以及其更大范圍的使用。
參考文獻
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[2]KashiwagiT,YokoyamaK,IshikawaK,OnoK,EjimaD,MatsuiH,SuzukiE.Crystalstructureofmicrobialtrans-glutaminasefromStreptoverticilliummobaraense[J].BiolChem,2002,277:44252–44260.
[3]Abd-RaboFHR,EI-DiebSM,Abd-EI-FattahAM,SakrSS.Naturalstatechangesofcowsandbuffaloesmilkproteinsinducedbymicrobialtrans-glutaminase[J].AmSci,2010,6:612–620.
作者：王美玲 單位：青島科技大學
