轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的特性及其聚合大豆蛋白的研究

胡小中 李里特

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院1，北京 100083)

(國家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037)

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的特性及其聚合大豆蛋白的研究

胡小中1，2李里特1

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院1，北京 100083)

(國家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037)

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶作為一種生物催化劑，可以催化蛋白質(zhì)賴氨酸上ε－氨基和谷氨酰胺上γ－羥酰胺基之間的交聯(lián)反應(yīng)，在蛋白質(zhì)分子間或分子內(nèi)形成ε－(γ－谷氨酰胺基)賴氨酸(G－L)鍵。此催化過程具有反應(yīng)條件溫和、底物選擇性好的特點，交聯(lián)聚合后蛋白的功能特性，如凝膠性、熱穩(wěn)定性和保水性等會得到明顯改善，因此，其廣泛應(yīng)用于動植物蛋白的改性中。本文介紹了不同來源轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的特性和其在不同食品體系中的作用，并對轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的研究進(jìn)行了綜述。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶 食品體系 大豆蛋白 聚合

1 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的作用機(jī)理和特性

1.1 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的作用機(jī)理

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(Transglutaminase，簡稱TG，EC2.3.2.13;全稱為蛋白質(zhì)－谷氨酰胺γ－谷氨酰胺基轉(zhuǎn)移酶)是一種催化轉(zhuǎn)?；磻?yīng)的酶，它以肽鍵中谷氨酰胺殘基的γ－羧酰胺基為酰基供體，以伯胺基、蛋白質(zhì)肽鏈中賴氨酸殘基的ε－氨基或水分子作為酰基受體，通過以下3種途徑使蛋白質(zhì)的功能特性發(fā)生改變:(1)通過轉(zhuǎn)?；磻?yīng)，將限制性氨基酸引入蛋白質(zhì)以提高其營養(yǎng)價值;(2)通過交聯(lián)反應(yīng)，在蛋白質(zhì)分子間或分子內(nèi)形成ε－(γ－谷氨酰胺基)賴氨酸(G－L)鍵，使蛋白質(zhì)分子發(fā)生交聯(lián)聚合，從而改善蛋白質(zhì)的功能特性，如凝膠性、保水性和熱穩(wěn)定性等;(3)通過脫胺反應(yīng)，生成谷氨酸殘基，使蛋白質(zhì)的等電點或溶解度發(fā)生改變(見圖1)。在食品體系中，以轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化蛋白聚合應(yīng)用最為廣泛。

圖1 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化蛋白的作用機(jī)理

1.2 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的理化性質(zhì)

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶這一名稱首先由Clarke等［1］于1957年提出，用來描述豚鼠肝臟的轉(zhuǎn)酰胺化活性。除哺乳動物外，在微生物、植物、脊椎動物、兩棲動物魚類和鳥類中也都發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶。轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶廣泛存在于動物、植物和微生物中［2－4］，不同來源的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，其理化性質(zhì)存在較大的差異，表1列出了部分不同來源轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的理化性質(zhì)［5－6］。

表1 不同來源轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的理化性質(zhì)

1.3 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化蛋白質(zhì)聚合的底物選擇性

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化蛋白質(zhì)交聯(lián)聚合在分子內(nèi)或分子間形成ε－(γ－谷氨酰胺基)賴氨酸(G－L)鍵，蛋白交聯(lián)聚合的程度越高，G－L鍵越多。蛋白質(zhì)的交聯(lián)程度與酶的來源和蛋白質(zhì)種類密切相關(guān)，De Jong等［7］研究發(fā)現(xiàn)，微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化蛋白交聯(lián)聚合的程度明顯高于哺乳類動物的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，可以催化許多蛋白發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，具有較好的底物選擇性;同一種酶催化不同的蛋白，其交聯(lián)反應(yīng)也存在差異，部分轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化不同蛋白聚合的底物選擇性見表2。

表2 部分轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化蛋白聚合的底物選擇性［8］

2 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶在不同食品體系中的應(yīng)用

與豚鼠肝臟轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(GTG)相比，微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(MTG)具有蛋白選擇范圍廣、交聯(lián)聚合程度高和非鈣離子依賴性等優(yōu)點。1993年日本的Ajinomoto公司向市場推出了商品微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶［9］，標(biāo)志著微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)及在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化相同或不同蛋白質(zhì)的分子內(nèi)或分子間的?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，引起相同或不同蛋白質(zhì)的共價交聯(lián)聚合。因此，在食品體系中加入轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，可以:(1)使食品中的蛋白質(zhì)分子(相同或不同)共價交聯(lián)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型以及蛋白的理化性質(zhì)和功能特性發(fā)生改變，從而擴(kuò)大蛋白的應(yīng)用范圍，提高蛋白的市場價值;(2)提高食品的彈性和持水能力，使食品不易脫水收縮，延長食品的貨架期;(3)在合適的蛋白濃度下，蛋白溶液不需要經(jīng)過加熱處理，直接形成冷致凝膠;(4)形成的凝膠具有較高的熱穩(wěn)定性，不易被加熱破壞。目前，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶已廣泛應(yīng)用到肉制品、水產(chǎn)品、乳制品、植物蛋白食品、焙烤食品、固定化酶及可食性包裝膜中(表3)。

表3 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶在不同食品體系中的應(yīng)用

3 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白交聯(lián)聚合的研究

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的研究開始于20世紀(jì)80 年代，Ikura 等［10－11］首次研究發(fā)現(xiàn)，用豚鼠肝臟轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白，可以使大豆蛋白發(fā)生交聯(lián)聚合。

3.1 改善凝膠性

20世紀(jì)90年代以來，科研人員對轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶聚合大豆蛋白及其流變學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究，這些研究為轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶在大豆蛋白改性中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，同時為大豆蛋白在改善食品的質(zhì)地方面提供一條可行的技術(shù)途徑。Chanyongvorakul等［12］報道了微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶聚合大豆11S球蛋白自成凝膠的最小濃度，大豆11S球蛋白比其他豆類蛋白具有較好的凝膠性能。他們通過流變學(xué)分析發(fā)現(xiàn)微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶聚合大豆11S球蛋白形成的凝膠比熱致凝膠具有較好的硬度和彈性，同時對這兩種凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了分析。Nonaka等［13］報道了在大豆分離蛋白溶液中加入3%的食鹽后，其形成凝膠的強(qiáng)度會下降，但加入一定量的微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶后，其凝膠強(qiáng)度可恢復(fù)到原來的水平;并且，通過微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶處理還可以彌補(bǔ)因大豆分離蛋白濃度的降低而引起的凝膠強(qiáng)度下降。Taso等［14］也對低鹽糜肉制品加工中MTG和大豆蛋白的作用進(jìn)行了研究。唐傳核等［15］報道了大豆蛋白經(jīng)微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化后，其熱致凝膠的強(qiáng)度隨催化時間(0～4 h)的延長而增強(qiáng)，且呈直線相關(guān)性;Tang等［16］研究證實微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化不同的大豆蛋白(11S、7S和它們的混合物)聚合形成的凝膠特性也各不相同。

3.2 提高熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性作為大豆蛋白的功能特性之一，在大豆蛋白飲料食品中起著較為重要的作用。蛋白飲料受熱后，一般會出現(xiàn)蛋白乳濁體系中油水分離和蛋白沉淀等影響其質(zhì)量的現(xiàn)象，這與蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性不高存在直接的關(guān)系。然而，大豆蛋白通過化學(xué)改性的方法一般較難提高其熱穩(wěn)定性，但轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的特點之一是可以提高其熱穩(wěn)定性。盡管如此，有關(guān)這方面的研究報道不是很多，Ramírez－ Suárez 等［17］報道了大豆分離蛋白和肌纖維蛋白的混合物經(jīng)過MTG催化聚合后，大豆分離蛋白中的7S和11S的熱變性溫度可以分別提高1～2℃和2～3℃。Tang等［18］研究了大豆分離蛋白經(jīng)過MTG催化聚合6 h后，其中7S和11S的變性溫度分別提高了3～5℃和5.7℃。

3.3 改善乳化和泡沫穩(wěn)定性

Motoki等［19］研究了大豆11S和7S球蛋白經(jīng)河豚鼠肝臟轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(在鈣離子作用下)催化聚合后其功能特性的變化，結(jié)果顯示它們的溶解性和乳化性下降明顯，但水化能力得到增強(qiáng)。Walsh等［20］報道了大豆分離蛋白經(jīng)微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化聚合后，其溶解性在pH 6.5～8的范圍內(nèi)變化較小。唐傳核等［15］報道了酸沉大豆分離蛋白經(jīng)微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化聚合后，其溶解性、乳化性有所下降，起泡能力變化不大，而泡沫穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性有所提高。

3.4 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的影響因素

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的交聯(lián)程度不僅與反應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，如溫度、時間、pH和酶量等因數(shù)有關(guān)［21］，而且和底物蛋白的分子構(gòu)象密切相關(guān)。天然大豆蛋白分子是密實的球狀結(jié)構(gòu)，大部分疏水基團(tuán)分布在分子的內(nèi)部，致使轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的活性中心與蛋白分子中的谷氨酰胺和賴氨酸殘基接觸的機(jī)會降低，大大影響了轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的交聯(lián)程度［22］。因此，對大豆蛋白分子進(jìn)行適當(dāng)變性，其分子構(gòu)象會發(fā)生改變，使之更適合于作為轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的催化底物，從而可以提高蛋白的聚合交聯(lián)程度。Kang等［23］證實在微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化前，對大豆蛋白進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜崽幚?，使蛋白分子部分展開，其內(nèi)部的疏水基團(tuán)充分外露，這樣可以大大提高大豆蛋白的聚合交聯(lián)程度。Zhang等［24］研究了在河豚鼠肝臟轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶和微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶聚合大豆11S球蛋白過程中，鈣離子和巰基還原劑二硫蘇糖醇對大豆蛋白共價交聯(lián)作用的影響，他們認(rèn)為二硫蘇糖醇不對大豆蛋白的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但可加速轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對大豆11S球蛋白的聚合，并推測可能是二硫蘇糖醇活化了轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶分子中起重要作用的半胱氨酸(Cys)基團(tuán)所致。Larré等［22］報道了豌豆11S球蛋白通過檸康酸化(citraconylation)后，蛋白底物構(gòu)象發(fā)生改變，蛋白分子發(fā)生解離和展開，11S球蛋白的聚合速率得到了提高。

4 應(yīng)用前景

大豆蛋白是目前世界上公認(rèn)的理想食用蛋白資源，大豆蛋白食品以其顯著的營養(yǎng)和保健功能越來越被廣大消費者所接受。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上大豆蛋白食品達(dá)1.2萬種以上，其中美國就有2 500種之多。在大豆蛋白的改性研究方面，美國、日本等發(fā)達(dá)國家居于世界領(lǐng)先地位，僅美國ADM公司就可以生產(chǎn)5個系列100多種具有不同功能特性的大豆分離蛋白產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于肉制品、乳制品、飲料制品、焙烤制品和保健食品等領(lǐng)域。而我國大豆分離蛋白產(chǎn)品品種單一，功能特性不突出，導(dǎo)致部分功能性大豆分離蛋白仍需進(jìn)口。轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶作為一種生物催化劑，應(yīng)用于大豆蛋白的改性中，可以改善大豆蛋白(SPI、11S和7S)的功能特性，對開發(fā)不同功能特性的大豆分離蛋白產(chǎn)品，擴(kuò)大大豆分離蛋白在不同食品體系的應(yīng)用都具有積極作用。因此，這一技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，加強(qiáng)微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究，其意義是不言而喻的。

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Study on Characteristics of Transglutaminase and its Polymerization of Soy Proteins

Hu Xiaozhong1，2Li Lite1
(College of Food Science ＆ Nutritional Engineering，China Agricultural University1，Beijing 100083)
(The Academy of Science of State Administration of Grain2，Beijing 100037)

As a biocatalyst，transglutaminase can catalyze cross － linking reaction between γ － carboxyamide groups of peptide － bound glutamine residues and the ε － amino group of lysine residues in proteins，then forming the covalent bonds of ε －(γ －glutamyl)－lysine in proteins.The cross－linking reaction had advantages of mild reactive conditions and substrate specialties，and markedly improved functional properties of various proteins，such as gel strength，water－ holding capacity and thermal stability.Thus，transglutaminase has been widely used in the modification of various food proteins.In the paper，characteristics of transglutaminase from different sources and its applications in different food systems were introduced，and the studies on its catalysis in soy proteins，were summarized as well.

transglutaminase，food systems，soy protein，polymerization

TS201.1

A

1003－0174(2011)09－0119－04

2010－10－13

胡小中，男，1968年出生，博士，高工，油脂與植物蛋白工程

李里特，男，1948年出生，教授，博士生導(dǎo)師，食品科學(xué)與工程