食品工业微生物谷氨酰胺转移酶运用

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摘要：谷氨酰胺转移酶能促进蛋白质分子间的交联作用，催化蛋白质之间异肽键的形成，对蛋白质溶解度、乳化能力、发泡性能和凝胶化作用等功能产生积极影响。众多食品工业加工过程中如奶酪生产、乳制品加工、肉类加工、焙烤制品及可食性膜的生产过程等都应用了这种酶的交联特性。微生物源性的谷氨酰胺转胺酶在生物技术生产中所需成本低，目前已经应用于几乎所有的工业领域。本文总体概述了谷氨酰胺转胺酶的特点及其在食品工业中的应用。

关键词：谷氨酰胺转移酶；蛋白质；交联作用；微生物；食品工业

谷氨酰胺转移酶可以催化谷氨酰胺残基中γ-甲酰胺基团(供体)与不同化合物的ε-胺类基团(酰胺残基的受体)之间异肽键的形成并诱导蛋白质之间的交联[1]。酶的这种催化作用会导致蛋白质理化性质的显著改变，如粘度、热稳定性、弹性和韧性等。研究证明，谷氨酰胺转移酶参与到许多生理过程中：血液凝结过程、抗菌免疫反应及光合作用等[2]。科学家们已经成功地从动植物体及微生物中分离出了谷氨酰胺转移酶。微生物来源的谷氨酰胺转移酶分子量较低，是一种单肽链酶，它由331个氨基酸组成，等电点为pH8.9，分子量约为38kDa。谷氨酰胺转移酶的最适催化温度为45℃，pH5.5[3]，该酶在50℃下30min就失去50%的酶活力，碳水化合物，如麦芽糊精、蔗糖、甘露糖、海藻糖和还原型谷胱甘肽(GSH)等，可以显著提高酶的热稳定性[4]。与动物源性的谷氨酰胺转移酶相比，微生物来源的谷氨酰胺转移酶不需要钙离子的激活作用，在实际利用酶制剂的过程中，这是一个非常令人满意的特征。另外，微生物源的谷氨酰胺转移酶在很大pH范围（4.5~8.0）内可以保持酶活力，可以简化某些加工过程，进而节省能源消耗，提高经济效益。另外得益于转基因技术的出现，利用基因的异位表达可以大大提高谷氨酰胺转移酶的产量，并且它对食物中的蛋白质具有不同的反应特性，这样的特点使得该酶成为改善食品中蛋白功能的有力工具。

1谷氨酰胺转移酶的生物合成

1.1微生物谷氨酰胺转移酶

起初，谷氨酰胺转移酶大多来自豚鼠的肝脏，然而有限的来源和其相对昂贵的提取和纯化过程限制了谷氨酰胺转移酶在工业中的广泛使用。近期，有很多文章讨论了使用农业废料，以微生物合成方式作为合成谷氨酰胺转移酶的碳源来源的可能性。从已发表的文献中可知，发酵培养基可以占据微生物生产成本的近30%[5]，如果可以从廉价的原材料如高粱秸秆等获得半纤维素水解物，那么以此来培养微生物获得微生物来源的谷氨酰胺酶的合成途径将会引起人们更大的兴趣。

1.2谷氨酰胺转移酶微生物发酵

在含有高粱秸秆水解物的培养基中，经过72h的培养时间，生物合成的谷氨酰胺转移酶的活性为0.34U/mL[6]；当使用马铃薯酶解物作为培养基，另外添加酵母提取物、玉米浸出液和酪蛋白等成分培养后，酶活力可达1.12UA/mL[5]；利用S.ladakanum合成谷氨酰胺转移酶时，甘蔗糖蜜和甘油的同时存在会产生协同效应[7]；此外，当使用甘蔗糖蜜与甘油作为混合碳源时，测定的谷氨酰胺转移酶活力为0.72U/mL[8]；Ryszka[9]研究了一种利用S.mobaraense菌株生物合成谷氨酰胺转移酶的最适培养基，以aminobac、玉米浆、酵母提取物作为氮源，以葡萄糖、蔗糖、淀粉和糊精作为源碳，pH范围为6.5~7.0，培养30h后测定谷氨酰胺转移酶活性为2.0U/mL。蛋白胨、酵母提取物、酪蛋白和尿素是合成谷氨酰胺转移酶的常用氮源。另外有文献报告了使用植物原料如大豆、大米、玉米和小麦面粉、玉米浆、小麦麦麸或麦芽提取物作为氮源的可能性[10]。Zhu[11]和Tramper对培养基成分进行了优化设计，发现在含有蛋白胨的培养基中添加额外的含氮化合物，如适当的氨基酸，会显著提高S.mobaraense中谷氨酰胺转移酶的产量。然而，为了实现经济性，工业生产中需要更便宜的原料作为底物。此外，培养基的配方也是至关重要的，因为组成成分会影响产物的浓度、产率和单位体积生产效率。

1.3谷氨酰胺转移酶基因重组表达

谷氨酰胺转移酶能够改变蛋白质的理化性质，具有重要的实用价值。因此，开发能够用于食品行业的有效的谷氨酰胺转移酶合成系统是很必要的。由Itaya[12]和Kikuchi进行的调查结果表明，目前的谷氨酰胺转移酶大都是利用大肠杆菌菌株生产的。谷氨酰胺转移酶是以酶原的形式存在的，然后通过切除N-端前导肽可以直接生成具有活力的谷氨酰胺转移酶[13]。许多研究表明前导肽是在大肠杆菌中过表达谷氨酰胺转移酶的关键因素[14]，首先把酶的编码基因克隆到大肠杆菌中，然后经过培养后利用层析的方法纯化重组蛋白。利用这种重组大肠杆菌生产的谷氨酰胺转移酶的活力可达到22U/mg[15]。但是同时也应该注意与蛋白质翻译后修饰相关的问题，探究开发更便宜、更有效的生物合成系统，从而降低运输、保存、提取、纯化等有关成本。

1.4谷氨酰胺转移酶制剂

谷氨酰胺转移酶制剂可以成为解决很多与酶应用效率、食物质地等相关难题的解决途径。市场上有不同的微生物酶制剂，它们含有利用微生物合成的谷氨酰胺转移酶，这些酶可以中和由于冷冻而引起的肉类质地的变化[16]；也可以使香肠等肉类产品更快地加工成熟，并且具有良好的口感；它们可以改善肉的质地，使加热和配给过程的损失最小化。Poland公司的酶制剂可以作为发酵乳制品生产过程中的辅助剂，可以提高加工过程中蛋白质的热激能力，并改善成品的风味。利用这种酶制剂已经获得了更高稳定性的奶油、冷凝效果更好的干奶酪。在食品行业使用谷氨酰胺转移酶已成为一种自然的技术方法，并且利用酶法改变食物成分比化学方法更容易被食品行业所接受。

2谷氨酰胺转移酶的应用

含有谷氨酰胺转移酶的制剂可以用于食品中蛋白质的交联反应，因此引起了人们的研究兴趣。研究结果表明，交联后的β-酪蛋白比未交联化的酪蛋白对胃蛋白酶的消化作用抵抗性更强，利用这种特性可以开发具有更强的结构特性的食品[17]。在烘焙行业中，谷氨酰胺转移酶主要用于醇溶谷蛋白链之间的交联反应。谷氨酰胺转移酶对面团的稳定性和体积有积极影响，还可以提高利用较差面粉制作的面包的质量，提高其质地[18]。研究发现谷氨酰胺转移酶可以改善面团的流变性，可以保证烘焙后面包内适当的孔隙大小和弹性,与传统方法制作的面包糕点相比，体积增大了14%[19]。此外，还可以改善面团的吸水性和韧性，用来提高面包的风味、质地和体积[20]。谷氨酰胺转移酶也广泛用于肉类产业。谷氨酰胺转移酶可以促进肉块的强劲凝聚力，改善用猪肉、牛肉或禽肉制作的结构单一化香肠的质地，而不需要热处理或添加食盐或磷酸盐。谷氨酰胺转移酶处理过的钠酪蛋白可以取代以往的动物脂肪[21]，制作具有更低的脂肪含量、更高营养价值的肉制品。谷氨酰胺转移酶的应用为生产高质量的粗碎香肠、维也纳香肠和熏肉创造了新的技术。在乳品行业，为了防止酸奶的脱水收缩作用或使其质地更平滑、稳定性更好，常常在生产过程中使用谷氨酰胺转移酶。用谷氨酰胺转移酶改造后的酪蛋白可以作为生产面霜、冷冻甜点、冰淇淋、牛奶饮料和调料的原料[22]。同时，利用谷氨酰胺转移酶进行牛奶蛋白的聚合反应可以生产蛋白膜，改善奶制品的功能特性[23]。谷氨酰胺转移酶也用于奶酪的生产过程，并且可以提高凝乳的产率。目前常用于生产天然奶酪的酶有凝乳酶和谷氨酰胺转移酶。Cozzolino[24]等对提高奶酪产率和特性的因素进行了调查，结果表明在添加凝乳酶之前就添加谷氨酰胺转移酶可以防止牛奶凝固；而同时添加这两种酶可以明显降低奶酪的抗性和硬度，同时减少乳清中蛋白质和脂肪的含量。目前，谷氨酰胺转移酶越来越频繁地在多个行业中被用作蛋白质修饰酶。例如乳清蛋白经谷氨酰胺转移酶作用后可以用于生产蛋白质膜，这种可食用的蛋白质膜可以涂在新鲜蔬菜和水果表面上，用来延长食品的保质期和新鲜度[25]；有观点称，利用谷氨酰胺转移酶这种酶来消除大豆蛋白可能的过敏效应和抗水解性[26]；也有人建议也许在将来谷氨酰胺转移酶可以用来在醇溶谷蛋白中重建肽键，阻止T细胞对多肽链的识别作用，从而避免脂泻病的产生[27]。

3总结

谷氨酰胺转移酶可以诱导蛋白质之间的交联作用，被广泛地用于食品工业中，其廉价来源——即微生物合成方法的发现，为这种酶的实际应用提供了更多的机会。微生物来源的谷氨酰胺转移酶的广阔适用性也引起了人们对菌株筛选的兴趣，以期利用最廉价的底物获得高活力的酶制剂。为了获得更低成本的酶制剂而进行的微生物研究，也许可以促进易得的产品的开发以及其更大范围的使用。

参考文献

[1]BuettnerK,HertelTC,PietzschM.Increasedthermostabilityofmicrobialtrans-glutaminasebycombinationofseveralhotspotsevolvedbyrandomandsaturationmutagenesis[J].AminoAcids,2012,42:987–996.

[2]KashiwagiT,YokoyamaK,IshikawaK,OnoK,EjimaD,MatsuiH,SuzukiE.Crystalstructureofmicrobialtrans-glutaminasefromStreptoverticilliummobaraense[J].BiolChem,2002,277:44252–44260.

[3]Abd-RaboFHR,EI-DiebSM,Abd-EI-FattahAM,SakrSS.Naturalstatechangesofcowsandbuffaloesmilkproteinsinducedbymicrobialtrans-glutaminase[J].AmSci,2010,6:612–620.

作者：王美玲 单位：青岛科技大学