转谷氨酰胺酶及其在食品工业中的研究进展

第 4卷 第 3期 2 0 0 4年 9月 中 国 食 品 学 报 Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology Vo1．4 No．3 Sep．2 0 0 4 转谷氨酰胺酶及其在食品工业中的研究进展 桑亚新 贾英民 王向红 祝彦忠 (河北农业大学食品科技学院 保定 071001) 摘 要 本文论述了转谷氨酰胺酶的来源、制备、理化性质、功能特性和作用原理，并介绍 了转谷氨酰胺酶 在 肉制品加工、乳制品加工、水产品加工、植物蛋白制品以及可食性保鲜膜等方面的应用情况。 关键词 转谷氨酰胺酶 功能特性 作用原理 食品 应用 文章编号 1009—7848(2oo4)03—0092—04 1 关于转谷氨酰胺酶 转谷氨酰胺酶 (Transglutaminase，TGase)全 称为蛋 白质一谷氨酰胺 y^一谷氨酰胺基转移酶 ，是 一 类催化蛋 白质 中赖氨酸残基上 的 s一氨基和谷 氨酰胺残基上的 y^一羟酰氨基之间结合反应的聚 合性酶【l1。转谷氨酰胺酶与食品工业上常用的淀 粉酶、蛋白酶等功能性完全不同，它是通过转谷 氨酰胺酶及其交联反应将小分子蛋白质聚合为大 分子结合物，因而近年来受到广泛关注【21。 1．1 转谷氨酰胺酶的来源及制备 转谷氨酰胺酶是 Waelsch及其合作者在 1959 年首次提出的。Waelsch等用它来描述豚鼠肝及 其它组织中需 Ca 激活的一种转氨基作用，其活 性是通过将伯胺羟胺基引入到合成基质苯甲基氧 化碳酰一L一谷氨酰胺甘氨酸中，然后测量生成氧 肟酸的量来测定『31。转谷氨酰胺酶存在于动物 、 植物和微生物中。从 1960年以来，对来自于动 物体 (主要是豚鼠肝脏)和植物体 (豌豆种子， 羽扇豆种子)的转谷氨酰胺酶的纯化方法 、性质 以及应用进行了广泛的研究 ，但均不适合于工业 化生产。 直到Folk(1980)了来自哺乳动物的转 谷氨酰胺酶的研究成果 ，指出转谷氨酰胺酶存在 于大量生物体中，只要生物体中含有 s一(^y一谷氨 酰基)一赖氨酸 ，该酶也就存在。这一理论被应用 收稿 日期 ：2003—02一l7 基金项 目：河北省重大攻关专项课题 ：酶关键技术 及其在农产品加工中应用研究 (No．03220173D) 作者简介：桑亚新 ，男 ，1972年出生，硕士 到筛选产转谷氨酰胺酶的微生物中，对转谷氨酰 胺酶的工业化生产起了极大的推动作用。1989 年 日本的味之素公司和天野制药公司开始研究用 微生物发酵法工业化生产转谷氨酰胺酶 ，并 于 1993年向市场推出了商品转谷氨酰胺酶制剂， 目前已推出TG—B、TG—K、TG—S等不同用途的 转谷氨酰胺酶 。近来欧洲市场上出现一种称为 “Activa”的转谷氨酰胺酶制剂，它是利用 strep— toverticillium sp．菌经培养发酵提取 的，并开发 出 “Activa WM”、“Avtiva EB”等系列产品[51． 分别应用于香肠、火腿等肉制品中161。 1．2 转谷氨酰胺酶的特性 转谷氨酰胺酶是一种单体蛋白质，其亲水性 和催化活力较高，热稳定性高 ，并且对 Ca 不具 依赖性 ，有利于其在食品加工中的应用。大多数 金属离子对该酶活性无影响或影响不大，但 Zn 具有很强的抑制作用。该酶活性易受五氯硝基苯 (PCNB)、N一乙基一顺丁烯二酰亚胺抑制，而乙二 醇双 (乙一氨乙基)四乙酸 (EGTA)可消除其活 性嘲。微生物来源的转谷氨酰胺酶性质见 1。 1．3 转谷氨酰胺酶的功能及其作用机理 食品工业中常用的蛋白酶和淀粉酶等酶类通 常是起一种解聚作用 ，而转谷氨酰胺酶恰恰相 反，它起一种聚合作用，因而在食品工业中具有 其独特的作用。转谷氨酰胺酶的主要功能如下： (1)它可以改变酪蛋白、肌球蛋白和 B一乳球蛋 白等蛋白的物理特性，从而提高蛋白质的功能特 性和改善其结构；(2)它可以将各种氨基酸以共 价键形式与各食品蛋白质结合，防止加工过程中 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4卷 第3期 转谷氨酰胺酶及其在食品工业中的研究进展 93 表 1 转谷氨酰胺酶的性质 Table 1 The character of transglutaminaser~ 性 质 微生物来源的 转谷氨酰胺酶 最适 pH值 pH稳 定 范围 最适 温度 37℃处理 lOmin后残余活力 分子量 等电点 Ca“浓度对活性的影响 (残余活性) 0 mmol 1 mmol 5 mmol 6~7 5～10 50℃ 74％ 38 0oO 9．0 100％ 100％ 99％ 必需氨基酸的流失或破坏，从而提高食品蛋白质 的营养价值；(3)不同蛋白质也可以通过转谷氨 酰胺酶作用结合成一大分子 ，其物理特性与同种 蛋白质分子结合体类似，可作为开发新蛋白食品 的途径，如：各种人造肉、仿蟹肉等的开发； (4)该酶还可以延长被其处理过的食品的货架期 以及减少食品中的过敏源；(5)转谷氨酰胺酶还 可以分解谷氨酰胺生成谷氨酸和氨，而谷氨酸在 食品风味上起着重要作用，因而通过添加该酶可 增加食品的风味f8J。 转谷氨酰胺酶是一种催化酰基转移反应的转 移酶，其作用机理主要有以下几种反应：(1)它 可催化在蛋白质以及肽键中谷氨酰胺残基的 y^一 羧酰氨基和伯胺之间的酰胺基转移反应 (见图 1)，利用该反应可以将赖氨酸引入蛋白质来改善 蛋白质的营养特性。(2)当蛋白质中的赖氨酸残 基的 y^一氨基作为酰基受体时，蛋白质在分子内 或分子间形成 s一(^y—glutamy1)lys共价键 (见图 2)，通过该反应蛋白质分子发生交联，使食品以 及其它制品产生质构变化，从而赋予产品特有的 质构特性和粘合特性。(3)当不存在伯胺时，水 会成为酰基的受体，谷氨酰胺残基脱去氨基 (见 图 3)，该反应可以用于改变蛋白质 的等电点及 溶解度。 2 转谷氨酰胺酶在肉制品中的应用 由于转谷氨酰胺酶可以在重组低价值肉的同 Glu—C —NH2+RNH2—}Glu—C—NHR +NH l ll ‘ ‘ l ll o o 图 1 酰基转移反应 Fig．1 Acyl migratory reachon G1u—C—NH2+RNH2— Glu—C—NHR+NH l ll ‘ ‘ l ll o o 图2 蛋白质的 Gin残基和 Lys残基之间的交联反应 Fig．2 Cross linking reaction between Gln— and Lys——of protein G1u—C—NH2+HOH— G1u—C—OH +NH l ll l ll o o 图 3 脱氨基化反应 ． Fig．3 Deaminatine reaction 时，提高肉制品的外观、风味和质构，提高产品 附加值，因此它在肉制品加工中发挥着极其重要 的作用。 2．1 改善肉制品的质构 由于转谷氨酰胺酶可以将小分子蛋白聚合为 大分子化合物，从而改善肉制品的结实度、保水 性、弹性、切片性等感官特性，因此可用于取代 常规使用的各种功能性添加剂。在保持原有工艺 不变的情况下，将不同剂量的转谷氨酰胺酶制剂 添加到火腿制品中，并测定其抗断强度和凹度。 与对照组比较发现，添加 0．2％一0．5％的转谷氨酰 胺酶制剂，即可达到明显改善产品品质的效果。 在改善切片性方面，将转谷氨酰胺酶添加到脱骨 火腿中，即使降低蛋白用量 ，产品的原始风味和 切片性仍然能够很好的保持f91。 2．2 提高原料的利用率和产品出率 Sakamoto和Soeda将碎肉、淀粉、调味品和 转谷氨酰胺酶混合、成型，制成肉丸、烧麦等， 大大提高了肉的利用率，且外观、质构、风味都 得到极大的改善。由于鸡肉本身品质的缺陷，在 以其为原料生产香肠时很难获得强 的凝胶体系 ， 所以产品的质构一般较差 。Michio Muguruma以 鸡肉为原料，通过添加转谷氨酰胺酶作对比，发 现添加转谷氨酰胺酶的鸡肉肠的抗裂强度显著提 高，同时通过电泳 s一(^y～谷氨酰)赖氨酸的 含量，从而验证了转谷氨酰胺酶的作用。此外， 维普资讯 http://www.cqvip.com 中 国 食 品 学 报 2004年第3期 通过添加转谷氨酰胺酶还可以提高肉的保水性， 使凝胶抗热能力增强，从而使产品在热处理中降 低蒸煮损失，提高产品出率。J．F．Kerry以禽胸 肉为原料 ，加人大豆蛋白和转谷氨酰胺酶制成肉 饼，并测定其蒸煮损失。利用响应曲面法分析实 验结果发现 ：随着转谷氨酰胺酶添加量的增加 ， 蒸煮损失也呈逐渐下降的趋势。 2．3 生产低盐低脂肪的保健肉制品 对不同类型的肉制品的研究表明，应用转谷 氨酰胺酶不仅可以减少食盐 、硝酸盐 、磷酸盐类 添加剂的使用，还可以在不影响产品感官质量的 前提下 ，减少或不添加外源性蛋 白及其它粘结 剂、填充剂、增味剂等品质改良剂，从而使原料 的天然本味得以保留。例如在生产低盐维也纳香 肠时，分别加入不同剂量的食盐和转谷氨酰胺酶 制剂，结果表明，即使食盐用量降到普通香肠的 25％，产品仍能获得同样的弹性，说明转谷氨酰 胺酶能大大增强凝胶效果 ，弥补低盐造成的凝胶 减弱，使产品具有与高盐同样的质构特征。用转 谷氨酰胺酶取代磷酸盐 ，同样可以取得理想的效 果。实验表明，转谷氨酰胺酶添加量不同，对磷 酸盐的取代作用不同，因此在实际生产中可通过 控制转谷氨酰胺酶的用量 ，调整产品的弹性。此 外 ，经转谷氨酰胺酶处理后的肉制品的色泽度也 随着酶的添加量呈直线上升。 对低脂食品的需求，推动了对脂肪取代物的 研究。实验发现转谷氨酰胺酶交联蛋白质可作为 脂肪的取代物。Novo公司以生产肉制品常用的 乳化剂——酪蛋白钠为原料，经转谷氨酰胺酶作 用生产的脂肪取代物应用于色拉米香肠中，可取 代 50％的脂肪，而产品原有质构、风味不变。 综上所述，通过降低食盐、磷酸盐、脂肪的 用量，提高植物蛋白与动物蛋白的稳定结合，在 保持产品原有风味质地的基础上，生产出 “低脂 肪、低盐、低糖、高蛋白”的保健肉制品。 3 转谷氨酰胺酶在乳制品中的应用 牛乳酪蛋白是重要的食品蛋白，同时也是转 谷氨酰胺酶的良好底物，因此转谷氨酰胺酶在乳 制品中也有广泛的应用。在奶酪生产中经转谷氨 酰胺酶处理后，可以提高奶酪的产量。在酸奶生 产中使用转谷氨酰胺酶，可以生产高品质的酸奶。 I~renzen指出，在加工炼乳过程 中，加入少 量的转谷氨酰胺酶 ，炼乳不出现脂肪上浮和蛋白 质颗粒沉淀的现象；而少量的该酶容易使冰淇淋 成型且不易溶化『lOl。Faergemand等利用转谷氨酰 胺酶交联牛奶蛋白生产重组脱脂乳，并用葡萄糖 酸-B-内酯酸化脱脂奶，结果发现：重组脱脂乳 具有良好的蛋白质网络结构 ，稳定好，对酸耐渗 透。Reyad等利用转谷氨酰胺酶交联乳清蛋白的 ~--?L清蛋 白和 p一乳球蛋 白，干燥后可得到优质 的乳清粉。在奶粉生产中只添加 0．02％的转谷氨 酰胺酶 ，就可 以使奶粉产品不易结快 ，溶解性 好 ，不易氧化变质『l 1。 4 转谷氨酰胺酶在水产品中的应用 鱼肉蛋白质在低温下可形成凝胶 ，是由于鱼 肉本身所含有的转谷氨酰胺酶的活力大约为 0．1～ 2．41u／g(湿重)所致。因此 当原料品质较差时 ， 可通过添加转谷氨酰胺酶提高产品凝胶强度，减 少蒸煮损失，提高产品质量。Ichihara和 Wakeme- da『l 报道了用转谷氨酰胺酶与鳕鱼肉、食盐 、 土豆粉等混合生产鱼肉饼的方法。Tani报道了 将骨胶或明胶的 pH=7的水溶液中加入转谷氨酰 胺酶，挤出成型即为凝胶 ，最后干燥制成仿鱼翅 制品。Venugopal等则用鱼 肉蛋 白经转谷氨酰胺 酶处理后生产可食性涂膜『l31。 5 转谷氨酰胺酶在植物蛋白制品中的应用 有关实验表 明 ，植 物蛋 白 (主要为 7S和 llS球蛋白)是转谷氨酰胺酶的优良底物，经过 酶处理后的球蛋白稳定性得到明显提高。转谷氨 酰胺酶可以改进低质小麦面团性质、改善面包组 织结构。在生产蛋糕时，每克面粉加 3个单位的 转谷氨酰胺酶 ，蛋糕 的外观 、口感都得到了改 善。大豆蛋白经转谷氨酰胺酶改性后，其溶解 性、对酶的稳定性、乳化性、凝胶性都得到了提 高。在大豆制品加工中 Kato将豆浆与葡萄糖酸 内酯 、转谷氨酰胺酶混合，在 50℃下保温 lh， 经 ll0℃下杀菌处理制成耐保存的麻婆豆腐，这 种豆腐在 25℃保存6个月后仍有良好的口感、质 构与风味。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4卷 第3期 转谷氨酰胺酶及其在食品工业中的研究进展 95 6 转谷氨酰胺酶在可食性保鲜膜上的应用 由于转谷氨酰胺酶在低蛋白浓度的条件下产 生的聚合体可溶于水，但在高浓度的条件下转谷 氨酰胺酶的作用有利于胶体的形成。利用此原理 可用于制造各种食品蛋白薄膜。所制得的薄膜具 有高拉力强度且不溶于水及其它溶剂的特性。如 李红等人【l4J研究了以大豆分离蛋 白为主要原料 ， 通过转谷氨酰胺酶的作用，对可食用食品保鲜膜 的成膜液组成、成膜工艺条件及膜的透水性、透 油性、水溶性的等性能进行了研究，结果表明： 利用转谷氨酰胺酶生产的大豆蛋白食用保鲜膜有 较好的水蒸气阻隔性能和隔油性，能达到食品保 鲜的要求。 参 考 1．Nielsen P M．Reaction and potential industrial applications 119～156 7 结语 转谷氨酰胺酶作为一种新型酶制剂，不仅可 以大大改善蛋白质的乳化性 、热稳定性、凝胶性 和起泡性，而且可以用于开发新的食品资源，在 食品工业中应用前景十分广泛。目前在日本、美 国和欧洲等国家已将其广泛应用于生产，而我国 的研究报道还很少。国内某大学现已将其发酵液 酶活力做到了7u／mL，这是 目前国内所报道的最 高酶活。在不久的将来，我国自行研制的食品级 转谷氨酰胺酶制剂即将问世，这将极大地促进我 国食品工业的发展。 文 献 of tranglutaminase[J】．F0od Biotechnology，1995，9(3)： 2．唐传核．微生物转谷氨酰胺酶催化大豆 l1S球蛋白聚合研究 [J1．食品科学，2002，23(3)：42~46 3．Ando H，Adachi M，Umeda K．Purification and 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