外源酶在肉品加工中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王穩(wěn)航，劉 婷，趙 可，李 茜，滕安國(guó)，劉安軍

(天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津 300457)

酶是催化特定化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)、RNA或其復(fù)合體，是生物催化劑，能通過(guò)降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)速率，但不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。根據(jù)酶催化反應(yīng)的類型，國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)把酶分為6大類：氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、裂合酶類、異構(gòu)酶類和連接酶類，分別用1、2、3、4、5、6來(lái)表示[1]。食品酶制劑是指動(dòng)物或植物的可食或非可食部分直接提取，或由傳統(tǒng)或通過(guò)基因修飾的微生物(包括但不限于細(xì)菌、放線菌、真菌菌種)發(fā)酵、提取制得，用于食品加工，具有特殊催化功能的生物制品。

作為肌肉組織中的一個(gè)重要組成，酶在肌肉的正常生理活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用，如糖代謝相關(guān)酶類、磷酸激酶等，而真正在畜禽屠宰后肌肉嫩化的過(guò)程扮演了重要角色的內(nèi)源酶，主要為鈣激活蛋白酶、組織蛋白酶、蛋白酶體等，以及最近發(fā)現(xiàn)具有蛋白水解作用的caspase-3、caspase-6等。關(guān)于內(nèi)源酶在肉的成熟過(guò)程中的作用已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)綜述[2-3]。

在肉品實(shí)際加工過(guò)程中，常需要額外添加一些酶類來(lái)改善和提高肉的加工工藝和感官品質(zhì)，與肉中內(nèi)源酶相對(duì)應(yīng)，這類酶就稱為外源酶，主要包括蛋白水解酶類，如木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、無(wú)花果蛋白酶，以及一些動(dòng)物、微生物來(lái)源的蛋白酶。另外，屬于轉(zhuǎn)移酶類的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶由于其酰胺基轉(zhuǎn)移功能而具有的蛋白交聯(lián)作用而廣泛進(jìn)行了在肉制品的應(yīng)用研究。此外，多酚氧化酶由于具有氧化還原活性，可將在蛋白質(zhì)中的—SH氧化成二硫鍵而使蛋白分子內(nèi)部與分子之間形成交聯(lián)，未來(lái)可能在肉品加工也有潛在應(yīng)用。酶作為一類特殊的食品添加劑，其種類和質(zhì)量逐年提升，在肉品加工過(guò)程中的應(yīng)用也不斷增強(qiáng)。與普通的食品添加劑相比，酶反應(yīng)表現(xiàn)為特別溫和、綠色與環(huán)保，這對(duì)減少肉的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味損失、提高肉品質(zhì)量和安全性具有重要作用。為此，根據(jù)近些年來(lái)的研究報(bào)道，對(duì)以上內(nèi)容作一綜述，旨在強(qiáng)調(diào)食品用酶在肉品加工中的重要作用，拓展與提升外源酶在肉品加工中的應(yīng)用技術(shù)。

1 常見(jiàn)肉及肉制品加工用酶

肉品加工用酶種類較多，來(lái)源分散，根據(jù)酶催化反應(yīng)類型，將其基本分為3類：水解酶、轉(zhuǎn)移酶和氧化還原酶，其具體名稱、分類、催化活性等酶學(xué)性質(zhì)以及應(yīng)用列于表1。

1.1 水解酶類

水解酶是催化水解反應(yīng)的一類酶的總稱。水解酶是以(底物)水解酶這種格式來(lái)命名。但是，一般的名稱是(底物)酶，可分為淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。不同種類的水解酶在食品加工中均有廣泛應(yīng)用，而在肉品中應(yīng)用的主要是蛋白酶。在蛋白酶的作用下，將肉類大分子蛋白質(zhì)水解為易吸收的蛋白胨、多肽及各種氨基酸，從而提高了肉品嫩度、風(fēng)味等[21]。蛋白酶從動(dòng)、植物以及微生物中均可獲取。

來(lái)源于植物的蛋白酶主要包括木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、無(wú)花果蛋白酶、中華獼猴桃蛋白酶、生姜蛋白酶，以及一些富含蛋白酶活性的植物提取物。植物水解蛋白酶的共同點(diǎn)是，活性中心都具有半胱氨酸殘基，屬于巰基蛋白酶，并對(duì)催化位點(diǎn)沒(méi)有特異性，主要以內(nèi)肽酶的形態(tài)起作用。能切開(kāi)全蛋蛋白質(zhì)分子內(nèi)部肽鏈—CO—NH—生成分子質(zhì)量較小的多肽類，從而使大分子的蛋白質(zhì)水解成易吸收的小分子氨基酸和多肽。植物源蛋白酶在肉品加工的主要作用是肉質(zhì)嫩化。

來(lái)源于動(dòng)物的蛋白酶主要是胃蛋白酶和胰蛋白酶，以及一些魚類或動(dòng)物內(nèi)臟提取的蛋白酶[22]。其中胃蛋白酶是一種消化性蛋白酶，由胃部中的胃黏膜主細(xì)胞分泌，功能是將食品的蛋白質(zhì)分解為小的肽片段，對(duì)蛋白或多肽進(jìn)行剪切時(shí)，具有一定的氨基酸序列特異性。它傾向于剪切氨基端或羧基端為芳香族氨基酸(如苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)或亮氨酸的肽鍵；而如果某一肽鍵氨基端數(shù)第3個(gè)氨基酸為堿性氨基酸(如賴氨酸、精氨酸和組氨酸)或者該肽鍵的氨基端為精氨酸時(shí)，則不能有效地對(duì)此肽鍵進(jìn)行剪切。這種剪切特異性在pH1.3時(shí)表現(xiàn)得更為明顯，即只傾向于剪切氨基端。而胰蛋白酶在脊椎動(dòng)物中，作為消化酶而起作用。其作為胰液的成分而分泌，受腸激酶或胰蛋白酶的限制分解成為活化胰蛋白酶，是肽鏈內(nèi)切酶，能把多肽鏈中賴氨酸和精氨酸殘基中的羧基側(cè)切斷。它是特異性最強(qiáng)的蛋白酶，在決定蛋白質(zhì)的氨基酸排列中，成為不可缺少的工具[1]。這類蛋白酶真正在肉品加工過(guò)程中的應(yīng)用并不多見(jiàn)，主要是對(duì)肉及畜禽副產(chǎn)物進(jìn)行酶解以提取某些活性肽等功能物質(zhì)。

表1 用于肉及肉制品加工過(guò)程中的外源酶種類及性質(zhì)Table 1 Types and properties of exogenous enzymes during meat processing

除了植物蛋白酶外，微生物來(lái)源的蛋白酶也具有較強(qiáng)的蛋白水解作用，如枯草芽孢桿菌中性蛋白酶、米曲霉蛋白酶等，具有代表性的是枯草桿菌中性蛋白酶。中性蛋白酶是一種能在中性范圍內(nèi)將大分子蛋白質(zhì)迅速水解成肽類和部分游離氨基酸的胞外酶，廣泛用于食品工業(yè)[23]。中性蛋白酶由于肽鍵的親核進(jìn)攻而造成蛋白質(zhì)的水解可以嫩化。除了嫩化作用外，真菌蛋白酶可能在干發(fā)酵香腸的風(fēng)味形成中也發(fā)揮著作用。

1.2 轉(zhuǎn)移酶類

轉(zhuǎn)移酶類能夠催化化合物某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移，其中應(yīng)用最為廣泛的是谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶。谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶(蛋白質(zhì)谷氨酰胺-谷氨?；D(zhuǎn)移酶，簡(jiǎn)稱TG)，又稱轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，是催化蛋白質(zhì)或多肽鏈中的谷氨酰胺殘基里的C2酰胺基和一級(jí)氨基之間進(jìn)行酰胺基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的酶。蛋白質(zhì)中的賴氨酸殘基里的E2氨基也可以作為一級(jí)氨基與之反應(yīng)，從而可以將蛋白質(zhì)進(jìn)行分子內(nèi)或分子間的共價(jià)交聯(lián)聚合。TG的最適pH值是5～8，活性最穩(wěn)定的溫度是40℃，超過(guò)40℃逐漸減弱。TG經(jīng)研究表明存在于哺乳動(dòng)物中幾乎所有的組織里，在鳥(niǎo)類、魚類及多種植物中也廣泛分布，但這些動(dòng)物性TG都是Ca2+依賴型的。但由于來(lái)源有限和提高工藝復(fù)雜等原因限制，真正工業(yè)化生產(chǎn)的TG是來(lái)自于微生物，如輪枝鏈霉菌(Streptoverticillium sp.)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)等[24]。TG已廣泛應(yīng)用于食品加工業(yè)，其中在肉制品中添加谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶可以促進(jìn)蛋白質(zhì)分子交聯(lián)，改善肉制品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品附加值。

1.3 氧化還原酶類

氧化還原酶類作為酶類中的特殊類別，在食品工業(yè)中仍未能廣泛使用，在肉品加工中更不多見(jiàn)，具有代表性的是多酚氧化酶。多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)是自然界中分布極廣的一種金屬蛋白酶，普遍存在于植物、真菌、昆蟲(chóng)的質(zhì)體中，甚至在土壤中腐爛的植物殘?jiān)隙伎梢詸z測(cè)到PPO的活性。它是一類廣泛存在的含銅金屬酶類，能夠通過(guò)分子氧氧化酚或多酚形成對(duì)應(yīng)的醌，廣義上的PPO可以分為酪氨酸酶、兒茶酚氧化酶和漆酶都屬于氧化還原酶類。PPO可催化蛋白發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而改善蛋白質(zhì)的功能特性，如熱穩(wěn)定性、乳化性、凝膠特性、保水性、流變學(xué)特性等[25-26]。

2 外源酶在肉品加工過(guò)程中的蛋白水解作用

2.1 外源酶對(duì)肉質(zhì)嫩化的作用

肉的嫩度通常被認(rèn)為是肉品質(zhì)量的最重要的決定因素之一。肉的嫩度取決于肌內(nèi)結(jié)締組織的量、肌小節(jié)的長(zhǎng)度和潛在的肌肉中蛋白水解的能力[3]。從另一方面來(lái)看，肉的嫩度是消費(fèi)者在肉質(zhì)品質(zhì)中非常重視的一點(diǎn)[27]。外源性蛋白酶處理是最有效肉嫩化的方法之一。用于肉類嫩化的酶類主要有兩種來(lái)源，植物中提取和微生物培養(yǎng)。植物中提取的酶類主要有木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、中華獼猴桃蛋白酶、無(wú)花果蛋白酶及生姜蛋白酶等已被廣泛應(yīng)用于嫩肉粉的制備與生產(chǎn)中[14,28-30]。Ha等[31]研究發(fā)現(xiàn)木瓜蛋白酶、生姜蛋白酶、中華獼猴桃蛋白酶和菠蘿蛋白酶4種植物水解蛋白酶都能有效地水解牛肉中的肌原纖維和膠原蛋白，其中中華獼猴桃蛋白酶被發(fā)現(xiàn)是最有效的水解牛肉中肌原纖維蛋白的植物水解蛋白酶，而生姜蛋白酶被認(rèn)為是水解膠原蛋白最有效的植物蛋白酶。Kim等[7]經(jīng)過(guò)研究表明來(lái)源于生姜的半胱氨酸蛋白酶具有很強(qiáng)的膠原蛋白水解活性。蘆筍是一種鮮美蔬菜，同時(shí)具有較高的蛋白酶活性。Ha等[32]比較了中華獼猴桃蛋白酶和蘆筍蛋白酶的蛋白水解活性，并根據(jù)它們對(duì)肌原纖維和結(jié)締組織蛋白水解活性的差異提出了如何以此開(kāi)發(fā)肉嫩化劑。

一些來(lái)源于真菌的蛋白酶由于對(duì)結(jié)締組織有較強(qiáng)的分解作用，嫩化效果十分顯著。Sullivan等[14]應(yīng)用芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌蛋白酶、米曲霉蛋白酶對(duì)牛肉進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)所有的酶處理可以增加肌原纖維和膠原蛋白的降解從而使肌肉嫩化提高感官效果。除了傳統(tǒng)的植物和微生物水解蛋白酶，近年來(lái)有學(xué)者研究膠原蛋白酶嫩化肉質(zhì)。Zhao Guoyan等[33]研究了膠原蛋白酶MPC-01在低溫條件下對(duì)牛肉有顯著的嫩化效果。另外，來(lái)源于Pseudomonas fl uorescens的蛋白酶提高了豬肉和大西洋斜鋸牙鯊(Rhizoprionodon terraenovae)中蛋白質(zhì)的乳化性能[34]。隨著對(duì)微生物蛋白酶的研究深入，發(fā)現(xiàn)微生物產(chǎn)酶易于誘變育種，提高產(chǎn)量，易于生產(chǎn)、分離純化，成本低而動(dòng)植物資源有限，微生物蛋白水解酶嫩化肉制品是有研究和應(yīng)用價(jià)值的。

由于受酶制劑價(jià)格因素和對(duì)天然、綠色食品的追求，人們也研究一些富含蛋白酶活性的提取物對(duì)肉質(zhì)嫩化的作用，目前報(bào)道的有來(lái)源于植物的中華獼猴、Calotropis procera，以及傳統(tǒng)發(fā)酵食品-大醬等[35-37]。理論上講，凡是能夠作為蛋白酶提取原料或具有蛋白酶活性的動(dòng)、植物及微生物及其代謝產(chǎn)物，均可以粗提物的方式應(yīng)用于肉品加工，但是由于未經(jīng)過(guò)純化，其所含其他成分對(duì)肉品的色澤、質(zhì)地、安全性以及對(duì)蛋白酶活本身都會(huì)產(chǎn)生很大影響，其在具體應(yīng)用前進(jìn)行詳細(xì)深入研究。無(wú)論如何，富含蛋白酶活性提取物的添加也已成為外源酶在肉品加工的新手段。

2.2 外源酶在動(dòng)物源性活性多肽中的作用

生物活性肽的定義是由Biesalski等[38]提出的，被定義為對(duì)身體機(jī)能和健康有積極作用的特定蛋白質(zhì)片段[39]。肉類來(lái)源的包括肌肽、鵝肌肽、谷胱甘肽和肌酸等在內(nèi)的生物活性肽，已被研究者們廣泛關(guān)注。此外，近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一些新型的肉源多肽，如抗高血壓活性肽、阿片樣活性肽、抗氧化活性肽、免疫調(diào)節(jié)活性肽、抗血栓活性肽等，成為另一類很有潛在應(yīng)用的功能性成分[40-41]。在生物活性肽的生產(chǎn)中，外源酶應(yīng)用廣泛[38,42-43]，以具有水解特異性較強(qiáng)的胃蛋白酶、胰蛋白酶等比較常見(jiàn)。實(shí)際生產(chǎn)中，不同的外源酶產(chǎn)生的生物活性肽是不同的[40]，以此為基礎(chǔ)可開(kāi)發(fā)出功能各異、特定片段的生物活性肽。

2.3 外源酶對(duì)肉制品風(fēng)味的影響

外源酶對(duì)肉制品風(fēng)味的影響部分來(lái)自于其對(duì)蛋白質(zhì)的水解。Diaz等[44]從3個(gè)蛋白酶天冬蛋白酶E、米曲霉蛋白酶和木瓜蛋白酶對(duì)干發(fā)酵香腸的特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)添加外源性酶能夠促進(jìn)干發(fā)酵香腸產(chǎn)生芳香族化合物。Chaves-lópez等[45]應(yīng)用釀酒酵母中的水解酶促使胱氨酸、谷氨酸、賴氨酸、纈氨酸等自由氨基酸的增多從而影響了意大利風(fēng)干香腸的風(fēng)味。He Hailun等[46]比較了來(lái)源于Pseudoaltermonas sp. SM9913菌株的適冷性蛋白酶(cold-adapted protease)和來(lái)源于Mesophilic Bacterium Bacillus sp. SM98011菌株的Mesophilic Protease對(duì)冷凍肉風(fēng)味的影響，表明在冷藏條件下，適冷性蛋白酶比Mesophilic Protease更能夠釋放更多的呈味氨基酸，從而可作為一種傳統(tǒng)中溫蛋白酶的代替品而在提高冷凍肉風(fēng)味中有潛在應(yīng)用。研究表明蛋白酶能加速蛋白質(zhì)的水解，提高游離氨基酸含量、風(fēng)味肽及其他風(fēng)味物質(zhì)，有利于產(chǎn)品風(fēng)味的形成，從而改善提高產(chǎn)品的品質(zhì)。水解酶能在生產(chǎn)中增加肉制品的自由氨基酸和風(fēng)味肽從而提高肉制品的特有風(fēng)味，對(duì)改良傳統(tǒng)肉制品有重要的研究意義。

3 外源酶在肉品加工過(guò)程中的蛋白交聯(lián)作用

在肉制品中，提高蛋白質(zhì)的交聯(lián)程度可以增加肉質(zhì)的保水性，改善肉的凝膠特性，提高肉制品品質(zhì)。TG酶可以通過(guò)催化蛋白質(zhì)分子之間發(fā)生的交聯(lián)，改善蛋白質(zhì)的許多重要性能以及食品質(zhì)構(gòu)，如用該酶生產(chǎn)重組肉時(shí)，它不僅可將碎肉黏結(jié)在一起，還可以將各種非肉蛋白交聯(lián)到肉蛋白上，明顯改善肉制品的口感、風(fēng)味、組織結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)。Ahhmed等[47]研究了TG對(duì)雞肉和牛肉香腸的凝膠強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明通過(guò)TG的添加可以提高肉糜熱誘導(dǎo)凝膠的強(qiáng)度。Carbalo等[48]研究了TG對(duì)不同種類的肉凝膠特性的影響，系列研究表明，TG處理能顯著提高肉的凝膠強(qiáng)度，在一定的條件下還能減少蒸煮損失、增強(qiáng)凝膠的持水力。段茂華等[15]利用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的交聯(lián)作用對(duì)牛肉原料進(jìn)行處理。以負(fù)重值為主要檢測(cè)指標(biāo)，考察了酶處理對(duì)牛肉質(zhì)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，經(jīng)酶處理后的牛肉表現(xiàn)出較好的質(zhì)構(gòu)強(qiáng)度，有利于產(chǎn)品的后續(xù)加工。Basaran等[49]研究了TG對(duì)雞肉鱒魚和鮭魚的肌肉發(fā)現(xiàn)，TG催化促進(jìn)蛋白質(zhì)的交聯(lián)和凝膠形成，代替鹽或磷酸鹽。除了利用TG促進(jìn)肉蛋白質(zhì)的交聯(lián)研究外，很多學(xué)者對(duì)TG對(duì)肉蛋白質(zhì)與非肉蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用也進(jìn)行了研究，Pietrasik等[50]研究了TG對(duì)乳蛋白質(zhì)與肌肉蛋白質(zhì)混合物的處理效果，結(jié)果表明在相同的總蛋白濃度下，TG處理可促進(jìn)乳蛋白質(zhì)與肌肉蛋白質(zhì)的交聯(lián)，增加熱誘導(dǎo)凝膠的持水力，同時(shí)還能形成更強(qiáng)的凝膠。

除了TG外，多酚氧化酶和脂肪氧合酶由于可作用于蛋白質(zhì)中的巰基和二硫鍵，可以形成酪氨酸-酪氨酸、酪氨酸-半胱氨酸或酪氨酸-賴氨酸等交聯(lián)[20,25]，因此，在能夠提高肉品結(jié)構(gòu)方面可能具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

4 外源酶在肉制品加工過(guò)程中的其他作用

外源酶在肉的抗氧化、風(fēng)味(非蛋白水解作用)、抗菌防腐等方面也具有一定作用。由于蛋白酶可將蛋白質(zhì)降解成許多具有抗氧化活性的多肽等小分子物質(zhì)，從而可能提高伊比利亞干發(fā)酵香腸的氧化穩(wěn)定性[51-52]。Pradhan等[53]發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化氫酶在肉的存放時(shí)有助于肉質(zhì)產(chǎn)品中的抗氧化。另外，一些氧化還原酶對(duì)肉制品的風(fēng)味也有影響。其中脂酶與動(dòng)物風(fēng)味形成有關(guān)。Fernández等[54-55]研究了添加胰脂酶對(duì)于干發(fā)酵香腸脂肪降解、微生物指標(biāo)和感官質(zhì)量的影響，添加胰脂酶對(duì)發(fā)酵香腸的三酰甘油尤其是二酰甘油酯的降解和游離脂肪酸的積累有明顯的促進(jìn)作用，肉豆蔻酸、棕櫚酸和油酸的含量均有明顯的增加，對(duì)于干發(fā)酵香腸的風(fēng)味形成有促進(jìn)作用。溶菌酶作為一種廣泛存在于動(dòng)、植物組織以及微生物中的蛋白質(zhì)，能夠水解細(xì)胞壁和外膜層中肽聚糖的糖苷鍵和酰胺鍵，破壞細(xì)胞壁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞壁溶解，從而使微生物在沒(méi)有細(xì)胞壁的保護(hù)下而死亡。另外，溶菌酶作為一類天然生物防腐劑，在肉制品加工中的應(yīng)用研究正在不斷深入與拓展，一般以與其他防腐物質(zhì)配合使用，如殼聚糖、Nisin、植物精油等[56-57]，在肉制品的生物防腐領(lǐng)域占有重要位置。

5 結(jié) 語(yǔ)

在肉及肉制品加工過(guò)程中，外源酶不僅可以大大改善肌肉蛋白質(zhì)的嫩化程度、凝膠特性，生產(chǎn)高質(zhì)量的肉制品，還能夠用于開(kāi)發(fā)新的食品資源，改善肉制品的風(fēng)味，以及生產(chǎn)有益于健康的生物活性肽。隨著新酶種類的不斷挖掘和應(yīng)用技術(shù)的不斷革新，外源酶在肉品加工中的應(yīng)用范圍和程度將會(huì)不斷擴(kuò)大。除了廣泛應(yīng)用于蛋白水解和交聯(lián)的植物蛋白酶、TG等，其對(duì)肉品風(fēng)味、抗氧化有貢獻(xiàn)的一些蛋白酶、脂肪酶也將會(huì)不斷地得到開(kāi)發(fā)。由于來(lái)源廣泛和提取技術(shù)的差異，外源酶純度、活性等技術(shù)指標(biāo)存在很大差異，其使用安全性也將是肉類加工者應(yīng)考慮和對(duì)待的問(wèn)題。外源酶的應(yīng)用將為我國(guó)肉類工業(yè)在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、節(jié)約原料和資源、保護(hù)環(huán)境等方面產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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