谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶及其在食品工業(yè)上的應(yīng)用研究進(jìn)展

楊 聰，郭麗瓊, ，萬(wàn) 華，鄒 苑，鄭倩望，林俊芳,

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東廣州510640；

2.廣東省微生態(tài)制劑工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510642；

3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣東廣州510640）

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（全稱為蛋白質(zhì)-谷胺酰胺γ-谷氨酰胺基轉(zhuǎn)移酶）又稱轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物中，最早在20世紀(jì)50年代從豚鼠肝臟中分離出來(lái), 早期的研究主要集中在動(dòng)物組織中的TGase, 自從1989年Ando等從輪枝鏈霉菌中分離到TGase之后, 該酶在工業(yè)中的應(yīng)用才日益廣泛。TGase主要催化蛋白質(zhì)中谷氨酰胺殘基的γ-羥胺基團(tuán)與伯胺化合物（?；荏w）之間發(fā)生?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，使蛋白質(zhì)發(fā)生共價(jià)交聯(lián)，通過(guò)胺的導(dǎo)入、交聯(lián)及脫胺三種途徑改性蛋白質(zhì)[1]。TGase介導(dǎo)的分子交聯(lián)能夠改善蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性、持水力等特性，有助于形成強(qiáng)有力的凝膠，改善蛋白制品的品質(zhì)[2]。目前該酶已被廣泛應(yīng)用于肉制品、乳制品等傳統(tǒng)蛋白制品的質(zhì)構(gòu)改良，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其催化本質(zhì)的深入研究，該酶在微膠囊、可食性薄膜、乳液凝膠等領(lǐng)域也發(fā)揮作用。本文主要闡述TGase的功能特性、作用機(jī)理及在食品工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展，分析當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為該酶的工業(yè)化應(yīng)用提供有效參考。

1 TGase的來(lái)源

TGase普遍存在于生物中，從來(lái)源上劃分，主要分為三大類：動(dòng)物組織中提取的酶（如動(dòng)物肝臟）、植物組織中提取的酶和由微生物發(fā)酵提取的酶。雖然這3種TGase的催化性質(zhì)及催化機(jī)理相似，但它們?cè)诎被峤M成、酶學(xué)性質(zhì)等方面卻存在著較大的差異，在結(jié)構(gòu)和功能上的差異，使得它們?cè)谑称饭I(yè)上應(yīng)用的也不同。

動(dòng)物來(lái)源的TGase廣泛分布于各種動(dòng)物尤其是哺乳動(dòng)物的組織和器官中，動(dòng)物TGase含有一個(gè)由半胱氨酸殘基、組氨酸殘基和天冬氨酸殘基組成的具有催化作用的三聯(lián)體，催化作用需要Ca2+激活，通過(guò)連接到半胱氨酸的中間體完成，對(duì)底物特異性強(qiáng)。分子量為75～80 kDa因肽鏈上有17個(gè)半胱氨酸殘基，在50 ℃時(shí)酶即有較大損耗，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性差，不適宜較高溫度的工業(yè)化生產(chǎn)[3]。

植物組織中的TGase普遍存在于植物器官和細(xì)胞器中，主要催化多胺與不同蛋白質(zhì)靶標(biāo)（如細(xì)胞骨架）的綴合，參與葉綠體中光合復(fù)合體的穩(wěn)定、衰老以及植物細(xì)胞的衰亡。從動(dòng)物來(lái)源分離的TGase需要在有Ca2+存在的條件下才能發(fā)揮作用，植物來(lái)源的TGase對(duì)Ca2+的依賴性因物種而異，但同樣分離純化工藝復(fù)雜，得率低，較難進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。所以來(lái)源于動(dòng)植物的TGase的應(yīng)用發(fā)展十分受限，不能大規(guī)模應(yīng)用到食品工業(yè)生產(chǎn)中。

微生物來(lái)源的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（Microbial Transglutaminase，MTGase）屬于胞外酶，可由發(fā)酵微生物直接分泌到培養(yǎng)基中，分離純化較容易，并且微生物發(fā)酵原料廉價(jià)、產(chǎn)酶周期短，可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，催化活性不依賴Ca2+，底物特異性低，所以備受青睞。大量的微生物（如放線菌、芽孢桿菌、大腸桿菌和鏈霉菌等）都可用于MTGase的生物合成。目前微生物發(fā)酵產(chǎn)MTGase大多是應(yīng)用補(bǔ)料分批浸沒(méi)式和固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器技術(shù)生產(chǎn)的[4]。發(fā)酵產(chǎn)MTGase時(shí)，用甘油、葡萄糖、果糖和馬鈴薯淀粉做碳源，酵母膏、蛋白胨、多蛋白胨、尿素和酪蛋白做氮源可以使MTGase產(chǎn)量達(dá)到最高值；添加鹽離子如鈣（例如CaCl2）、磷（例如KH2PO4、K2HPO4）和鎂（例如MgSO4.7H2O、MgCl2.7H2O） 會(huì)提高M(jìn)TGase產(chǎn)量[5]。有研究表明，接種量密度為8%～10%、溫度為30 °C、通氣量為2.0%、培養(yǎng)時(shí)間2～5 d是制備微生物MTGase的最佳條件[4]。而采用超濾、離子交換層析和凝膠過(guò)濾相結(jié)合的策略，可以顯著提高M(jìn)TGase生產(chǎn)的下游分離工序的效率，而且獲得的酶具有優(yōu)良的酶質(zhì)量特性和較好的酶學(xué)特性[6]。

TGase的分離純化同大多數(shù)酶的下游處理相同，先通過(guò)乙醇沉淀、超濾、硫酸銨分級(jí)鹽析等手段進(jìn)行初提，再用凝膠層析（羧甲基纖維素或葡聚糖凝膠）、離子交換層析、疏水層析等方法進(jìn)行精提。但微生物的發(fā)酵液成分比較復(fù)雜，所適用的初提取方法也不同，對(duì)于應(yīng)用于食品工業(yè)的MTGase而言，過(guò)度純化會(huì)增加成本，延長(zhǎng)周期。雙水相系統(tǒng)（aqueous two phase system, ATPS）是一種經(jīng)濟(jì)快捷且對(duì)酶分子的天然結(jié)構(gòu)和生物功能都沒(méi)有負(fù)面影響的有效手段。利用ATPS既可以把目標(biāo)蛋白萃取到一相中，也可以在該相中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)蛋白的濃縮[7]。雖然MTGase的初提取階段采用ATPS技術(shù)便捷可行，但其系統(tǒng)參數(shù)并不是通用的，即對(duì)產(chǎn)生MTGase的不同菌株發(fā)酵液的純化需構(gòu)建適用于該菌株的ATPS。建議根據(jù)MTGase的最終用途不同，選擇不同的分離純化方法對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行處理，建立適度工藝，節(jié)約成本，縮短周期。

2 TGase的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與作用機(jī)理

TGase的分子量約為38000 Da，單聚鏈，由331個(gè)氨基酸組成，等電點(diǎn)約為8.9，最適pH為6.0～7.0，pH穩(wěn)定范圍在5.0～8.0，最適溫度范圍45～55 ℃[8]。MTGase三維結(jié)構(gòu)如圖1[9]所示，是一個(gè)α+β折疊類酶，二級(jí)結(jié)構(gòu)是被11個(gè)α-螺旋包圍的8個(gè)β-鏈組成球狀構(gòu)型，活性中心是帶有自由硫巰基的Cys殘基，親水性[10]。大多數(shù)金屬離子對(duì)該酶活性無(wú)影響或影響不大，Zn2+對(duì)其有較強(qiáng)的抑制作用。

圖1 TGase的三維結(jié)構(gòu) [9]Fig.1 TGase的三維結(jié)構(gòu) [9]

TGase主要通過(guò)胺摻入和交聯(lián)的方式來(lái)修飾蛋白質(zhì)，TGase催化多肽結(jié)合的谷氨酰胺殘基“?；w”的羧酰胺基團(tuán)與不同化合物的伯胺“受體”之間的?；D(zhuǎn)移反應(yīng)（如圖2a）。在蛋白質(zhì)系統(tǒng)中，賴氨酸的γ—氨基作為?；荏w反應(yīng)，形成ε-（γ-谷氨?；?- Lys異肽的分子內(nèi)和分子間交聯(lián)（如圖2b）。在沒(méi)有賴氨酸殘基或游離蛋白質(zhì)反應(yīng)體系的情況下，水作為?；氖荏w反應(yīng)，谷氨酰胺殘基的羧酰胺基團(tuán)被去酰胺化，形成谷氨酸和氨殘基（如圖2c），從而改變蛋白質(zhì)的電荷和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性[11]。TGase催化的交聯(lián)可以改善蛋白基食品的物理性質(zhì)，這種改性不會(huì)降低蛋白的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值反而會(huì)提升食品的質(zhì)構(gòu)和口感，任何含有谷氨酰胺和賴氨酸殘基的蛋白質(zhì)，無(wú)論是天然的還是人工合成的，都可能構(gòu)成TGase的底物，這實(shí)現(xiàn)了將相對(duì)便宜的原材料或副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為有價(jià)值商品的可能性。

在三維結(jié)構(gòu)上，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶被分為前序列（綠色）和成熟酶（灰色）區(qū)域，前序列可以避免胞漿細(xì)胞的有害交聯(lián)，對(duì)于細(xì)胞內(nèi)的酶折疊和抑制酶的激活是至關(guān)重要的。使用蛋白酶可以去除前序列，從而使成熟酶的活性位點(diǎn)暴露以啟動(dòng)反應(yīng)[12]?；钚晕稽c(diǎn)是位于晶體結(jié)構(gòu)底部裂隙的單個(gè)半胱氨酸（C64），與天冬氨酸（D255）和組氨酸（H274）形成催化三聯(lián)體[7]。如圖3所示[12]，MTGase的活性位點(diǎn)裂解位置廣泛且容納了α-螺旋前序列，這一屬性解釋了?；w的廣泛底物特性，這一特性使得活性位點(diǎn)可具有額外的靈活性，以適應(yīng)不太特異的底物[13]。Tatsuk等對(duì)MTGase空間結(jié)構(gòu)的研究實(shí)驗(yàn)表明，MTGase的活性中心C64殘基Sγ原子與Phe254殘基的O原子之間僅有范德華力，C64殘基可充分暴露在溶劑中。從空間結(jié)構(gòu)上看，裂縫右側(cè)的環(huán)（Asn239-Asn253）結(jié)構(gòu)靈活，減少了底物與酶之間的空間位阻?；钚灾行腃64殘基附近有帶負(fù)電荷的Glu249、Glu300和Asp304，可以促進(jìn)帶正電荷的?；荏w的靠近[9,14-15]。正是由于MTG在結(jié)構(gòu)上存在這些特點(diǎn)才使得MTG可不依賴Ca2+，底物特異性低，催化速度快等催化特性，使得MTGase能夠與?；w大家族進(jìn)行反應(yīng)，從而可以在不同食品分支領(lǐng)域中的不同應(yīng)用。

3 TGase的應(yīng)用

1998年TGase被美國(guó)食品和藥物管理局批準(zhǔn)為“公認(rèn)安全（GRAS）”的食品酶制劑，被命名為“No.GRN000095”。由于TGase具有非常特殊的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)交聯(lián)能力，目前作為一種新型的食品添加劑，在世界范圍的食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用。TGase可由微生物發(fā)酵生產(chǎn)制備，簡(jiǎn)單易得方便廉價(jià)的生物來(lái)源為該酶的廣泛應(yīng)用提供了便利條件。

3.1 TGase在肉制品加工上的應(yīng)用

近年來(lái)消費(fèi)者的健康意識(shí)增強(qiáng)，更傾向于富含各種非肉類成分的低鹽/低脂肪的肉類產(chǎn)品，食品酶制劑用于肉類加工能顯著改善低肉產(chǎn)品的質(zhì)地，如TGase催化的?；D(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生的共價(jià)交聯(lián)可以增強(qiáng)肉制品的質(zhì)地、凝膠強(qiáng)度、彈性和保水性，而無(wú)不良影響，如高粘度和過(guò)度的肉黏性[16]。

肉制品中的肌球蛋白是TGase的良好底物，在肉制品中添加適量的TGase，其催化形成的G-L（Glu-Lys）鍵相互作用會(huì)增強(qiáng)肌源纖維分離蛋白分子間的聯(lián)結(jié)，強(qiáng)化肉制品的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使形成的凝膠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，進(jìn)而能包容大量水分[16]。

圖2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的作用機(jī)理[11]Fig.2 General reaction of TGs[11]

圖3 MTGase的3D結(jié)構(gòu)[12]Fig.3 Structureof MTGase with Zymogen[12]

TGase對(duì)肉制品品質(zhì)的優(yōu)化體現(xiàn)在：（a）可以改善經(jīng)機(jī)械處理的肉制品的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，通過(guò)交聯(lián)作用增強(qiáng)凝膠性，減輕斷裂程度，從而提升產(chǎn)品品質(zhì)。（b）提高持水力，由于TGase催化形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的包容水分的能力，可以防止肉制品加工過(guò)程中失水皺縮，可提升產(chǎn)品嫩度。Ahhmed等發(fā)現(xiàn)在細(xì)碎香腸中添加0.2%的TGase可以提高香腸的硬度和彈性，這表明在生面糊粉碎過(guò)程中出現(xiàn)了肉類蛋白連接，使烹飪后的蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更細(xì)膩[16]。對(duì)雞胸肉餅的實(shí)驗(yàn)也表明添加TGase產(chǎn)生的蛋白交聯(lián)可提高肉凝膠的持水性[17]。（c）可提高原料利用率，添加TGase到重組肉中，發(fā)現(xiàn)TGase引入的交聯(lián)改變了肌球蛋白的結(jié)構(gòu)，使肉制品中β-折疊含量增加，α-螺旋減少，這有助于形成高分子量聚合物，形成強(qiáng)凝膠使產(chǎn)品的剛性、彈性、內(nèi)聚性、粘附性等得到顯著改善，使得重組肉制品加工后結(jié)構(gòu)依然緊密完整不會(huì)散開(kāi)[16]。（d）可降低添加劑使用量，有關(guān)研究表明，降低肉制品中鹽/磷的含量會(huì)改變其感官特性、多汁性、質(zhì)地和貨架期[18]。研究人員在降低鹽/磷含量的同時(shí)添加TGase的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樘砑恿薚Gase所以降低鹽和磷的含量并不會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)，也不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的感官特性造成不良影響[19]。TGase在肉制品中可起到磷酸鹽類添加劑在增加腸餡內(nèi)聚力、增加保水性等方面的作用，同時(shí)TGase可作為良好的乳化劑，用于開(kāi)發(fā)低脂保健型肉制品。

現(xiàn)如今，TGase已被證明可催化蛋白質(zhì)與肉類產(chǎn)品肽分子之間的交聯(lián)反應(yīng)，具有改善肉制品的功能特性和產(chǎn)品品質(zhì)的能力，且成功應(yīng)用于肉類系統(tǒng)，更在重組肉制品和增值肉類產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用。接下來(lái)可繼續(xù)探索TGase在更多肉類產(chǎn)品中合理使用的可行方法，并且在商業(yè)化肉類加工中對(duì)TGase的使用進(jìn)行傾斜，使其可以在工業(yè)生產(chǎn)中低成本商業(yè)化規(guī)模使用。

3.2 TGase在乳制品中的應(yīng)用

乳品中所含的酪蛋白、乳球蛋白等是TGase的良好底物，這是因?yàn)槔业鞍椎统潭鹊娜?jí)結(jié)構(gòu)、隨機(jī)的螺旋排列及二硫鍵缺失，使得TGase易于酪蛋白結(jié)合。TGase能在不改變酪蛋白功能特性的情況下改善酪蛋白的情況下改善酪蛋白流變性能，同時(shí)催化酪蛋白形成膠束結(jié)構(gòu)。

在乳制品中添加TGase，對(duì)乳制品品質(zhì)的優(yōu)化主要表現(xiàn)在：（a）增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度，提高酸奶質(zhì)量。Gharibzahedi等用葡萄糖-δ-內(nèi)酯酸化酪蛋白或預(yù)先在50 ℃下用MTGase處理酪蛋白溶液1 h再酸化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)MTGase作用后形成了強(qiáng)大的凝膠結(jié)構(gòu)[20]，穩(wěn)定的蛋白質(zhì)-MTGase復(fù)合物基質(zhì)的形成促進(jìn)了額外乳清在酸奶網(wǎng)絡(luò)中的包埋，降低了乳清在酸奶中的擴(kuò)散率，穩(wěn)定了酸奶的三維網(wǎng)絡(luò)[21]，從而提升了酸奶品質(zhì)，使口感更細(xì)膩。（b）可改善乳蛋白的乳化特性。Silva利用MTGase處理乳蛋白，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)使蛋白的粘彈性增大，蛋白質(zhì)膜結(jié)構(gòu)也變得更穩(wěn)定，乳化的穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)，乳化是形成蛋白質(zhì)膜使水油兩相在膜兩側(cè)均衡分布的過(guò)程，交聯(lián)使分子間發(fā)生聚合，形成的聚合物不發(fā)生聚集，從而便提高乳化性[22]。（c）提高乳蛋白熱穩(wěn)定性。TGase催化交聯(lián)形成的共價(jià)鍵具高耐熱性，高網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度，經(jīng)TGase作用后的乳蛋白的耐熱性也有所增強(qiáng)[20]。（d）保護(hù)益生菌，改善酸奶品質(zhì)。有研究發(fā)現(xiàn)在酸奶中添加TGase之后酶與乳蛋白的交聯(lián)反應(yīng)穩(wěn)定了酸奶的三維結(jié)構(gòu)。除了保護(hù)發(fā)酵液和酸奶中的益生菌細(xì)胞外，還可提高發(fā)酵中微生物的生長(zhǎng)速率，提高益生菌的活力，且一定程度上可以保護(hù)益生菌[23]。研究結(jié)果證實(shí)了用TGase對(duì)牛奶進(jìn)行酶解處理可以充分改善酸奶成品的感官特性。

TGase在酸奶制作過(guò)程中與酪蛋白顆粒交聯(lián)可提供均勻性，減少相分離穩(wěn)定乳液，催化乳蛋白的交聯(lián)反應(yīng)，使不同脂肪含量的酸奶的品質(zhì)屬性顯著改善。TGase在乳酪生產(chǎn)中應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)回收部分脂肪和蛋白質(zhì)改善奶酪的質(zhì)構(gòu)特性，提高產(chǎn)量，但這也會(huì)使得奶酪易熔性和延展性變差。但近期Topcu A 等添加TGase對(duì)加工喀什干酪的研究中將乳化鹽與TGase復(fù)合添加到干酪中，使干酪的水分含量增加了1.68%～2.00%，發(fā)現(xiàn)干酪融化曲線與對(duì)照奶酪的相似，其延展性和易熔性也不會(huì)因MTGase的加入而變差[24]。所以將乳化鹽與TGase復(fù)合添加到產(chǎn)品中或可以解決TGase交聯(lián)帶來(lái)的奶酪易熔性和延展性變差的問(wèn)題。

MTGase催化乳品中的蛋白交聯(lián)極大地改善了奶制品的品質(zhì)，提高了酸奶的蛋白網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度、持水性、粘度、質(zhì)地以及發(fā)酵劑和益生菌的活力。但交聯(lián)產(chǎn)生的對(duì)乳品化學(xué)性質(zhì)的影響（如蛋白水解有機(jī)酸、揮發(fā)性化合物等）和酸奶的感官特性變化尚不明確需進(jìn)一步研究。

此外，有文獻(xiàn)表明，TGase還可能會(huì)影響蛋白質(zhì)和基于蛋白質(zhì)的產(chǎn)品的消化率和免疫反應(yīng)性，TGase聚合可以降低一些被稱為嚴(yán)重牛奶過(guò)敏原的蛋白質(zhì)的免疫反應(yīng)性。有研究在測(cè)定TGase聚合對(duì)馬奶蛋白和牛奶蛋白免疫反應(yīng)性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，TGase在體外消化后改變了牛奶的IgE和IgG反應(yīng)性[25]?？赡苁且蛭改c道中發(fā)生的酶反應(yīng)引起食物成分的水解，暴露出影響免疫系統(tǒng)的抗原聚集的物質(zhì)所致。而TGase的轉(zhuǎn)酰胺作用可以使小麥醇溶蛋白可以完全抑制乳糜瀉患者腸道T細(xì)胞分泌醇溶蛋白特異性干擾素γ，使腹腔患者的小腸中誘導(dǎo)更平衡的免疫反應(yīng)，MTGase處理醇溶蛋白表現(xiàn)出的突出的生物學(xué)特性可用于誘導(dǎo)高危個(gè)體對(duì)天然醇溶蛋白的耐受[26]。

3.3 TGase在微膠囊領(lǐng)域的應(yīng)用

食品微膠囊化是一種保護(hù)對(duì)外界因素和加工條件敏感的食品和食品成分的技術(shù)，可降低外部有害因素對(duì)核心材料的影響。在食品行業(yè)中，蛋白質(zhì)和多糖因具有高遞送率和高吸收率因而是最常用的微膠囊壁材[27]。但微膠囊化過(guò)程的蛋白質(zhì)凝聚體由于聚合層之間離子相互作用導(dǎo)致其力學(xué)性能相對(duì)較差。而TGase因其可以修飾強(qiáng)化蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并能改善其控釋性能，在微膠囊領(lǐng)域良好應(yīng)用[28]。

采用TGase為交聯(lián)劑，通過(guò)復(fù)凝聚法制備黑胡椒精油膠囊，發(fā)現(xiàn)使用交聯(lián)劑對(duì)黑胡椒精油膠囊具有良好的核保護(hù)作用，可用于運(yùn)輸活性成分萜烯，或用于其他生物活性成分的系統(tǒng)遞送[29]。近年來(lái)，微膠囊化是功能食品中穩(wěn)定益生菌細(xì)胞的有用工具，在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[30]。國(guó)際乳業(yè)聯(lián)合會(huì)建議益生菌產(chǎn)品中的益生菌需是活的，并且在保質(zhì)期之前至少要達(dá)到106CFU/g的水平，才能產(chǎn)生生理功效[31]。而益生菌須經(jīng)過(guò)胃部時(shí)不被胃酸降解，安全到達(dá)小腸，才能在宿主體內(nèi)定居和增殖，發(fā)揮預(yù)防和調(diào)節(jié)胃腸道疾病的作用[32]。微膠囊化是提高益生菌在儲(chǔ)存和消化過(guò)程中存活率的最有效方法，微膠囊不僅可以保護(hù)益生菌免受外界不利環(huán)境的影響，而且可以實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)位置受控釋放[33]。其保護(hù)效果因壁材和包埋技術(shù)的不同而不同。有研究采用TGase誘導(dǎo)乳化技術(shù)，將分離的保加利亞乳桿菌和副干酪乳桿菌與乳清分離蛋白共包裹，發(fā)現(xiàn)TGase提高了乳清分離蛋白的Tm值，為益生菌在熱條件下提供保護(hù)，在微膠囊中包埋的益生菌細(xì)胞在模擬胃液和高溫條件下的存活率也顯著提高[34]。

微膠囊用于封裝天然活性成分（如精油、維生素）、生物活性成分、益生菌以及可以加入酸奶中的天然抗氧化色素等[35]，已在食品、醫(yī)藥及化妝品等行業(yè)初步應(yīng)用，但保護(hù)效果尚需提高。未來(lái)繼續(xù)開(kāi)發(fā)生物相容性高，降解性好的天然高分子材料，探究TGase對(duì)微膠囊壁材結(jié)構(gòu)的改善作用，使TGase在微膠囊領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

3.4 TGase在乳液凝膠方面的應(yīng)用

在食品工業(yè)中，乳化凝膠能創(chuàng)造新的產(chǎn)品或改善現(xiàn)有產(chǎn)品（如奶酪、果醬和酸奶）的質(zhì)地和感官，是一種可食用軟固體材料。乳液凝膠的制備有熱定形或冷定形凝膠方法兩種方法。熱定型方法的高溫會(huì)引起熱敏感成分（如蛋白質(zhì)、還原糖）的降解，冷定形可通過(guò)添加交聯(lián)劑的方法交聯(lián)未折疊的蛋白質(zhì)形成蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)[36-37]。最終乳液凝膠強(qiáng)度取決于溶液條件和使用的交聯(lián)劑類型[38]。

TGase形成的共價(jià)鍵的鍵強(qiáng)度大約是氫鍵和疏水相互作用的20倍[39]。TGase催化交聯(lián)反應(yīng)，需有足夠的谷氨酰胺和賴氨酸殘基為底物。酪蛋白雖是TGase的良好底物，但大多為球形蛋白質(zhì)，如乳清蛋白球狀結(jié)構(gòu)緊密，有效催化位點(diǎn)暴露不多，并不是很好的底物[38]。熱變性可以使蛋白質(zhì)變性和折疊，暴露Gln和Lys殘基，將熱變性與TGase相結(jié)合，便可從各種動(dòng)植物蛋白（如乳清蛋白、大豆蛋白和豌豆蛋白）中制備機(jī)械性能得到改善的改性凝膠[40]。目前已有研究證明添加TGase可以顯著改善熱變性蛋清蛋白凝膠和乳液凝膠的力學(xué)和流變性，將預(yù)加熱和TGase共同作用，得到的大豆分離蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)更緊密，力學(xué)性能和保水性能更好[41]。TGase的交聯(lián)作用可以促進(jìn)低濃度甚至不能成膠的蛋白質(zhì)形成凝膠，其催化的共價(jià)鍵是乳液凝膠網(wǎng)絡(luò)中的主要作用[42]。

已有研究人員通過(guò)交聯(lián)劑的物理化學(xué)鍵和Ca2+產(chǎn)生的靜電鹽橋，使蛋白質(zhì)分子上的陰離子基團(tuán)之間形成物理鍵，制造了乳清蛋白水凝膠珠，用于益生菌的封裝[43]。而在制備水包油乳狀液時(shí)，用TGase和Ca2+復(fù)合交聯(lián)的乳膠凝膠的功能特性比單獨(dú)使用鈣的性能更好，可以促進(jìn)蛋白聚集，改善乳膠的保水性、凍融穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)等功能特性[38]。研究人員測(cè)定了將TG應(yīng)用于穩(wěn)定乳液后的體外消化率，發(fā)現(xiàn)TG交聯(lián)后的鷹嘴豆乳液的消化率降低，這有助于創(chuàng)造提供受控能量攝入的新型植物性食品[33]。

以TG為交聯(lián)劑，可通過(guò)形成G-L鍵在空間結(jié)構(gòu)上提高相同蛋白質(zhì)濃度下的凝膠硬度，有助于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但維系蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定所需的共價(jià)鍵數(shù)目具有一定飽和性，過(guò)度的GL交聯(lián)反而不利于凝膠的空間網(wǎng)絡(luò)[44]。所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需適度添加。

3.5 TGase在食品包裝及膜領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著人們的環(huán)保意識(shí)和對(duì)食品質(zhì)量要求的不斷提高，可食性薄膜逐漸為人們所需，天然生物高分子材料，如蛋白質(zhì)、多糖和脂類，由于其可生物降解性被認(rèn)為是制備生物高分子材料最有前途的原料來(lái)源。已有用食品工業(yè)廢料，如柑橘皮、木薯副產(chǎn)品、蘋果渣以及乳清等作為可生物降解來(lái)源來(lái)生產(chǎn)用于食品包裝的替代材料[45]。

TGase被廣泛用于改善基于生物聚合物的薄膜的機(jī)械和阻隔性能，如明膠、蛋清蛋白、乳清蛋白及其與果膠、殼聚糖的組合。如明膠經(jīng)TGase交聯(lián)，使牛皮明膠薄膜具有了更高的交聯(lián)效率和機(jī)械強(qiáng)度[46]。使用TGase交聯(lián)蛋清蛋白膜可以改善其抗拉強(qiáng)度和水蒸氣滲透性，最后得到的蛋清蛋白膜更加均勻、光滑，具有更好的耐水性和熱穩(wěn)定性，而且TGase交聯(lián)還優(yōu)化了復(fù)合蛋白膜的空間構(gòu)象和結(jié)晶度[47]。膠原蛋白在體內(nèi)是TGase細(xì)胞外基質(zhì)中的重要底物，在體外，使用組織或微生物TGase治療I型膠原可以加速膠原的自組裝。近期有研究人員對(duì)經(jīng)TGase處理前后用膠原纖維懸浮液制備的薄膜性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)TGase交聯(lián)降低了薄膜的厚度，薄膜的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性顯著的提高了，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖冃詼囟群蚑Gase交聯(lián)的平衡，膠原蛋白優(yōu)良的成膜性能可以為可生物降解和可食用的包裝應(yīng)用提供工程膠原材料的優(yōu)良方案[48]。

從農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品中獲得的生物聚合物也可以作為潛在替代品。來(lái)自大豆、芝麻和苦豌豆的蛋白質(zhì)也已被證明是生物可降解/可食用薄膜的潛在來(lái)源[49]。經(jīng)酶處理的大豆分離蛋白成膜液和對(duì)成膜的影響的實(shí)驗(yàn)證明，TGase酶法處理是控制蛋白基生物聚合物膜物理性能的有效途徑[50]。有以榨油副產(chǎn)物黑茴香種子的脫脂餅粕為原料，TGase為加工助劑，制備可食用蛋白膜時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)酶處理后得到了形態(tài)均勻，機(jī)械性能良好、具阻隔性及抗菌活性的膜，且該膜良好的性能可在食品包裝材料和地膜方面進(jìn)行應(yīng)用[45]。以上研究證實(shí)了將榨油廢料作為蛋白質(zhì)的可再生資源進(jìn)行有效利用的可行性，也證明了TGase在制備可食用生物降解膜時(shí)的優(yōu)勢(shì)。

動(dòng)物產(chǎn)品加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品，這些副產(chǎn)品是蛋白質(zhì)的良好來(lái)源，利用副產(chǎn)品生產(chǎn)生物膜可以使動(dòng)物產(chǎn)品充分利用。利用魚(yú)肌原纖維蛋白（Fish myofibrillar protein, FMP)成膜，探究MTG對(duì)FMP膜物理、力學(xué)和阻隔性能的影響，發(fā)現(xiàn)MTGase能有效地誘導(dǎo)FMP分子的蛋白質(zhì)交聯(lián)，MTGase的加入使蛋白質(zhì)間的相互作用變得緊密，包括拉伸強(qiáng)度顯著增加，水蒸氣滲透率、膜溶解性、溶脹度均降低。由于蛋白質(zhì)交聯(lián)，F(xiàn)MP膜的阻水性能、紫外吸收和熱穩(wěn)定性都得到了明顯的改善[51]。

隨著生物降解膜原材料的不斷開(kāi)發(fā)，制備工藝的不斷優(yōu)化，可食性薄膜將會(huì)更廣泛的應(yīng)用到食品工業(yè)中，TGase也將會(huì)在食品膜領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

4 展望

本文綜述了TGase近年來(lái)在食品工業(yè)各領(lǐng)域的研究進(jìn)展，從蛋白質(zhì)資源的高級(jí)利用來(lái)看，TGase的交聯(lián)為開(kāi)發(fā)功能性和感官性更好的食品/飲料及智能包裝納米復(fù)合材料提供了有利條件。但目前TGase在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用仍較少，原因可能是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的加工條件，會(huì)對(duì)TGase的完整性造成影響，TGase狹窄的最佳使用條件也會(huì)限制其在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。接下來(lái)可通過(guò)分子手段（基因編輯或蛋白質(zhì)修飾）對(duì)傳統(tǒng)TGase進(jìn)行改造，提高催化性質(zhì)，延長(zhǎng)酶的穩(wěn)定性，使改造后的酶在工業(yè)加工的極端條件下仍能發(fā)揮較好的催化活性；從來(lái)源角度，加強(qiáng)對(duì)TGase高產(chǎn)菌株的篩選，尋找高產(chǎn)且酶性質(zhì)優(yōu)良的菌株，降低工業(yè)化用酶的成本；從蛋白分子角度，對(duì)MTGase的合成方式、酶作用方式進(jìn)行深入探究，尤其是其活性位點(diǎn)與底物結(jié)合的位點(diǎn)及方式，以提高在工業(yè)生產(chǎn)中的得率及加工應(yīng)用中的精準(zhǔn)性；從蛋白修飾角度，通過(guò)TGase的催化進(jìn)行糖基化修飾是未來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)糖基化研究的主要方向，目前糖基化所選的糖多為氨基葡萄糖類，可進(jìn)一步研究不同種類的具有伯胺特性的糖類與蛋白質(zhì)之間的糖基化反應(yīng)，完善基于轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶途徑的蛋白質(zhì)糖基化技術(shù)；從人體健康來(lái)看，TGase催化產(chǎn)生的交聯(lián)蛋白質(zhì)及改性蛋白質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的消化吸收過(guò)程及消化率尚不清晰，可進(jìn)行進(jìn)一步的研究探討；從膜應(yīng)用角度，TGase對(duì)蛋白膜阻濕性能、機(jī)械性能的改善尚不夠理想, 可通過(guò)蛋白膜和其他材料（如聚乙烯醇）復(fù)合, 優(yōu)化復(fù)合膜的性能, 滿足不同需要；隨著研究的深入及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展TGase將在食品行業(yè)及各行各業(yè)發(fā)揮更大的作用。