轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性可食用膜的研究進展

吳進菊，于博，豁銀強，湯尚文

（湖北文理學院化學工程與食品科學學院，湖北襄陽441053）

塑料由于價格便宜，并且具有良好的功能性（如良好的柔韌性、抗拉強度、隔絕氧氣和芳香化合物的特性、熱穩(wěn)定性以及水蒸氣轉(zhuǎn)移速率低等），被廣泛用作包裝材料。但是，隨著人們環(huán)保意識的增強，環(huán)境與包裝已成為世界關注的焦點問題，塑料包裝帶來的白色污染問題越來越受重視。許多學者都致力于可生物降解膜的研制，以取代不可降解的塑料包裝。其中，可食用膜由于能被生物降解和再生、無毒、可有效地延長食品貯藏期等優(yōu)點而引起人們的廣泛關注。雖然目前可食用包裝還無法完全取代塑料包裝，但是可廣泛用于食品的內(nèi)包裝和涂膜保鮮，因此受到學者的廣泛重視，具有非常廣闊的應用前景。

在可食用膜的制備中，常采用物理法、化學法和酶法交聯(lián)蛋白質(zhì)，改善膜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而提高蛋白膜的特性。化學法由于安全性低、特異性差等缺點受到很大的限制，而酶法具有特異性較高、所需條件溫和、不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)等特點備受關注。目前，酶法改性制備可食用膜研究最多、最深入的是轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶。轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的交聯(lián)作用可有效改善可食用蛋白膜的抗拉強度、斷裂伸長率、阻水性、阻油性、透氧系數(shù)等。1987年，Motoki首次采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶制備αs1-酪蛋白膜，從此拉開了轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性可食用膜研究的序幕。隨后，許多學者將轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶用于改性大豆蛋白可食用膜、乳清蛋白可食用膜、明膠可食用膜和復合膜等，取得了較大的研究成果。

1 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)蛋白的機理

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（Transglutaminase，TG，E.C.2.3.2.13），可催化轉(zhuǎn)酰胺基反應，從而導致蛋白質(zhì)（或多肽）之間發(fā)生共價交聯(lián)形成共價化合物的聚合。TG最早是在1959年由Waelsh等從豚鼠肝臟中提取出來的，隨后，人們在其他動物組織和植物組織中也發(fā)現(xiàn)了TG，但是由于含量較低，并且提取工藝復雜，嚴重制約了其在食品工業(yè)中的應用。直到1989年日本學者Ando成功地從土壤中分離出產(chǎn)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的微生物后，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的來源得到充分保障，并且隨著微生物來源的TG的開發(fā)，TG已廣泛應用于焙烤制品、肉制品、乳制品、植物蛋白制品中。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶交聯(lián)蛋白的機理如下[1]：

（1）TG可催化在蛋白質(zhì)及肽鍵中的谷氨酰胺殘基γ－羰基和伯胺之間的酰胺基轉(zhuǎn)移反應（見圖1），利用該反應可將氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)與同種或異種蛋白質(zhì)發(fā)生共價交聯(lián)作用。

（2）TG可催化谷氨酰胺殘基γ－羰基和賴氨酸殘基的ε－氨基之間的?；D(zhuǎn)移反應時，使蛋白質(zhì)在分子內(nèi)或分子間形成ε－（γ－谷氨酰胺基）賴氨酸共價鍵（見圖2），從而導致蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)。

圖1 酰胺基轉(zhuǎn)移反應Fig.1 Amide group transfer reaction

圖2 谷氨酰胺殘基和賴氨酸殘基的交聯(lián)反應Fig.2 Cross linking of glutamine residues and lysine residues

2 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶改性對可食用膜特性的影響

目前，TG已廣泛用于各種蛋白的交聯(lián)中，如乳蛋白、小麥醇溶蛋白、大豆蛋白、膠原蛋白、花生蛋白、卵白蛋白等[2－5]，從而大大地改善了蛋白質(zhì)的功能特性。據(jù)此，許多學者將TG應用于可食用膜的制備，利用TG對蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用，改善可食用膜的特性，取得了較好的效果。

2.1 TG改性對大豆蛋白可食用膜的影響

由于大豆蛋白價格較低、成膜性好、口感好并具有較高的營養(yǎng)價值，因此成為制作蛋白可食用膜的主要材料，受到學者的廣泛重視。TG能催化大豆蛋白發(fā)生交聯(lián)作用，因而能大大地改善大豆蛋白可食用膜的特性。

Tang等采用甘油和山梨醇為增塑劑制作大豆分離蛋白（SPI）可食用膜，研究發(fā)現(xiàn)當TG添加量為4 U/g SPI時，膜的抗拉強度和表面疏水性分別提高了10%～20%和17%～56%，水分含量、斷裂伸長率和透明度顯著降低，但是透濕性和總可溶性物質(zhì)沒有明顯改變。掃描電鏡結(jié)果顯示，與對照膜相比，經(jīng)TG改性的SPI膜表面更粗糙，但是膜的斷裂面更均勻、緊密[6]。Jiang等研究了加工參數(shù)對TG改性SPI膜的性能影響，結(jié)果表明采用低濃度TG、堿性pH范圍的成膜液和較低的空氣干燥溫度時，可能有利于改善SPI膜的特性，特別是機械性能和疏水性[7]。另外，在相對濕度相同的情況下，TG改性SPI膜比對照膜的水分含量更低，但耐熱特性基本不變[8]。利用TG生產(chǎn)的大豆蛋白食用保鮮膜有較好的水蒸汽阻隔性能和隔油性，能達到食品保鮮的要求，可用于多種食品的保鮮，由于其透油率很低，特別適用于含油較多的食品，如面包、蛋糕、方便面和調(diào)料等[9]。

此外，姜燕等研究了增塑劑對大豆分離蛋白成膜特性的影響，研究結(jié)果表明，增塑劑的種類（甘油、山梨醇或甘油山梨醇的等量混合物）對大豆分離蛋白膜的性能有明顯影響。無論是否添加TG，以山梨醇為增塑劑的膜都具有最高的抗拉強度、表面疏水性和總可溶性物量，最低的斷裂伸長率、水分含量和透光率。經(jīng)TG處理后，SPI膜的抗拉強度和表面疏水性顯著增加，同時改性膜的斷裂伸長率、水分含量、總可溶性物量及透光率明顯降低[10]。

2.2 TG改性對乳清蛋白可食用膜的影響

乳清蛋白是干酪生產(chǎn)的副產(chǎn)物，具有較高的營養(yǎng)價值，且成膜性較好，已廣泛用于可食用蛋白膜的制備。TG可催化乳清蛋白發(fā)生交聯(lián)反應，因此可用于乳清蛋白的改性制備可食用膜，大大改善膜的性能。但是乳清蛋白不是TG的良好作用底物，因此在制備膜的過程中可將乳清蛋白加熱變性和加入還原劑，提高乳清蛋白的交聯(lián)度。

韓翠萍等初步研究了利用TG制備乳清濃縮蛋白膜的成膜條件，結(jié)果表明，膜的最佳干燥溫度為室溫20℃，乳清濃縮蛋白濃度為12%，甘油濃度為4%，TG添加量為20 U/g，成膜較為理想[11]。盧蓉蓉等采用TG改性乳清蛋白制備可食用膜，膜的透濕系數(shù)和透氧系數(shù)分別降低了47%和44%，變性溫度升高，表面疏水性增大。研究進一步發(fā)現(xiàn)經(jīng)TG交聯(lián)后形成了新的二硫鍵，有助于增加分子的有序性，使分子排列更為緊密，膜的超微結(jié)構(gòu)更加細致、光滑，這些分子結(jié)構(gòu)的改變進一步改善了可食用膜的通透性能[12]。

2.3 TG改性對明膠可食用膜的影響

近年來，隨著TG改性食物蛋白可食用膜研究的進一步開展，明膠可食用膜的研究也越來越多，并取得了較大的研究成果。

姜燕等研究發(fā)現(xiàn)TG改性的明膠可食用膜抗拉強度提高了25.6%，斷裂伸長率提高了16.3%，表面疏水性顯著提高，總可溶性物和水分含量顯著降低，而透光率變化不大[13]。丁克毅等研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，增加TG的用量有利于提高明膠薄膜的抗張強度和韌性，同時降低其水溶性和吸水性，其最佳的工藝條件如下：明膠濃度10%，丙三醇濃度3%，TG加入量16 μ/g，成膜液鋪開后35℃下靜置反應24 h使其成膜，最后在95℃下放置10 min使酶失去活性[14]。隨后，該作者在此研究的基礎上，通過在成型工藝中進一步采用室溫干燥和濕態(tài)二次定向處理的方法，獲得了抗張強度達18.3 MPa，韌度達8.4 J/cm2的可食性明膠薄膜。雖然經(jīng)過進一步的工藝改進，但與合成的食品包裝薄膜相比，機械性能仍然存在一定的差距。研究發(fā)現(xiàn)，在配料中添加質(zhì)量分數(shù)2%的聚乙烯醇（PVA）并采用相同的成型工藝，所制備明膠薄膜的抗張強度達到23.5 MPa，韌度達到10.8 J/cm2，這種高機械性能的明膠薄膜完全可以替代合成包裝材料。生物降解性實驗表明，在被質(zhì)量分數(shù)0.5%的Alcalase堿性蛋白酶作用4 h后，不含PVA的可食性明膠薄膜的降解率可達99.2%，含PVA明膠薄膜的降解率也達到了97%[15]。

2.4 TG改性對復合可食用膜的影響

復合可食用膜是由蛋白質(zhì)、多糖和脂肪中的兩種或兩種以上物質(zhì)經(jīng)過一定的處理而形成的膜。由于復合膜各成分性質(zhì)不同，因而在功能上可以互補，膜的性能更好，因此，復合可食用膜已成為又一個研究熱點。

Chambi和Grosso采用酪蛋白和明膠制備可食用膜，研究發(fā)現(xiàn)，當酪蛋白和明膠加入量的比值為75∶25時，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶作用能顯著地提高膜的抗拉強度、阻水性和斷裂伸長率[16]。Pierro等在制作殼聚糖-卵白蛋白復合膜時發(fā)現(xiàn)，采用TG改性的復合膜厚度為（76.38±9）μm，對照膜為（92±8.6）μm。改性后復合膜的抗拉強度由24 MPa提高到35 MPa，溶脹率降低，并且阻水性稍有提高[17]。另外，康旭等也采用TG制作殼聚糖-卵清蛋白復合膜，研究發(fā)現(xiàn)采用5%卵清蛋白溶液和1%殼聚糖的混合溶液加入2%甘油，加入TG酶0.08%，于40℃保溫30 min，冷卻后鋪膜，制得的膜機械性最好[18]。同樣地，當加入TG交聯(lián)后，果膠-大豆粉復合膜的抗張強度顯著提高，而彈性下降，掃描電鏡顯示改性后復合膜的表面更光滑、更均勻[19]。姜燕等研究了果膠、卡拉膠、魔芋膠及黃原膠4種多糖對TG改性SPI膜性能的影響，結(jié)果顯示，隨著多糖濃度的增加，復合膜的抗拉強度和表面疏水性明顯增加，而斷裂伸長率和透光率明顯下降，但是四種多糖對膜的每一特性的影響作用大不相同，在實際應用中，可以根據(jù)不同的需要加以選擇。多糖能抑制TG誘導的聚沉反應，使TG催化的交聯(lián)反應始終發(fā)生在一個均相的體系中，因而取得比較好的效果[20]。

3 展望

可食用膜具有安全無毒、可生物降解等特性，可廣泛用于食品的貯藏保鮮和包裝，有效延長食品的貯藏期，作為包裝材料替代塑料包裝，具有環(huán)保特性，將成為包裝行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。由于采用天然蛋白質(zhì)制備的可食用膜在某些特性上存在一定的不足，如阻水性差、環(huán)境濕度較大時阻氧性差等，因此嚴重制約了蛋白質(zhì)可食用膜在食品工業(yè)中的應用。

TG可催化多種蛋白質(zhì)形成分子內(nèi)或分子間交聯(lián)，如大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、膠原蛋白、小麥醇溶蛋白、花生蛋白、卵白蛋白等。因此，近年來，許多學者將TG用于改性可食用蛋白膜和復合膜，改善膜的特性。隨著微生物來源的TG的不斷發(fā)展，TG已形成商業(yè)化生產(chǎn)，從而進一步推動了TG改性可食用膜的研究。改性后的可食用膜抗拉強度、阻水性和斷裂伸長率等特性顯著改善，具有非常廣闊的應用前景。

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