谷氨酰胺轉胺酶的研究進展

王書平，劉俊華,2

（1.濱州學院生命科學系，山東 濱州 256603；2.山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室，山東 濱州 256603）

谷氨酰胺轉胺酶（Transglutaminase）又稱轉谷氨酰胺酶，系統名稱為蛋白質-谷氨酸-γ-谷氨酰胺基轉移酶（EC2.3.2.13，TGase）[1]，是一種催化酰基轉移反應的轉移酶，能催化蛋白質分子內或分子間的交聯、蛋白質和氨基酸之間的連接以及蛋白質分子內谷氨酰胺基的水解，從而改善蛋白質的結構和功能特性并能通過引入賴氨酸而提高蛋白質的營養價值。可以改善食品結構、溶解性、起泡性、乳化性、流變性等。其在生物醫藥、紡織、化妝品等諸多領域有著廣泛的應用前景[2]。1957年Clarke等人第一次提出TGase一詞，用來描述豚鼠肝臟的促使酞基轉移酶的活性，此后在微生物、植物、無脊椎動物、兩棲動物、魚類、鳥類中都發現了TGase。

1 谷胺酰胺轉胺酶的種類

不同來源的谷胺酰胺轉胺酶其性質也有所不同。根據來源主要分為兩大類，其性質也有所差異。

1.1 來自微生物的谷氨酰胺轉胺酶

來自微生物的谷氨酰胺轉胺酶其摩爾分子量為 23～40（×103），球狀構型，單聚鏈，331 個氨基酸構成，活性中心包括帶有自由硫巰基的Cys殘基分泌型蛋白質，親水性，但有疏水性部分分散在序列中，被安置在酶表面的親水區，其對酶活性的影響尚未發現。活性不依賴于Ca2+序列。最適pH 6.0～7.0，最適溫度 50℃。PCMB，NEM，MIA，pb，Zn，Cu 抑制酶活性，EDTA無影響，其它金屬對酶活性無明顯影響。等電點8.9，較為穩定，經過離心和過濾后的濾液在－20℃時可以貯存幾個月而酶活性平均損失才10%，重復溶解和冷卻，并不明顯增加酶活性的損失，經過純化后的酶更為穩定。

1.2 來自動物肝臟組織的谷氨酰胺轉胺酶

來自動物肝臟組織的谷氨酰胺轉胺酶：其分子量為 70～90（ ×103），分為Ⅰ、Ⅱ兩型，單聚鏈，468～479個氨基酸構成，活性中心也包括一個Cys殘基，Ⅰ型和Ⅱ型功能區非常相似，但其余部分并不全部相同。等電點4.5，其熱穩定性、pH值、溫度、對底物的要求等均不同于微生物谷氨酰胺轉胺酶，且不同肝臟或組織的谷氨酰胺轉胺酶其性質也并不完全相同，但其活性中心均依賴Ca2+。此外，植物組織中也發現此酶，對其研究目前還較少。

2 谷胺酰胺轉胺酶的作用機理

谷氨酰胺轉胺酶是一種催化酰基轉移的酶，能夠催化肽鏈中谷氨酰胺殘基的γ-羧酰胺基（酰基供體）與酰基受體之間進行酰基的轉移。如圖1，酰基受體有3種。一是當伯胺基為酰基受體時。形成蛋白質分子和小分子伯胺之間的連接，該反應可將一些限制性氨基酸（如甲硫氨酸、賴氨酸），引入蛋白質以提高其營養價值[3]。二是當多肽鏈中賴氨酸殘基的ε-氨基為酰基受體時。在蛋白質分子內和分子間形成ε-（γ-谷氨基）賴氨酸異肽鍵（G-L鍵），使蛋白質發生交聯，改善蛋白質的溶解性、起泡性、乳化性、流變性等多種性質，從而改變食品及其它產品的質地和結構，進而賦予產品特有的質構特性和粘合性能。三是無伯胺存在時，水充當酰基受體。谷氨酰胺殘基發生水解，進行脫酰胺，生成谷氨酸和氨，該反應可改變蛋白的等電點和溶解度。并且產物谷氨酸可以增強食品的風味[4]。但是TGase的脫酰胺活性，僅限于一些含有大量的谷氨酰胺并含有非常少的賴氨酸的蛋白質，如麩質等。因此對于大多數蛋白而言，必須通過化學試劑將賴氨酸殘基封閉，以抑制交聯反應的發生，進而發生脫酰胺反應。因為沒有安全和適合的封閉試劑，脫酰胺反應沒有在食品工業中應用[7]。通常，脫酰胺作用的速度要比前兩種的反應速度要慢[8]。在這3種反應中，僅有交聯反應能夠修飾蛋白的功能特性。

圖1 谷氨酰胺轉胺酶的催化反應

此外，有研究表明轉谷氨酰胺酶催化蛋白質形成聚合物的交聯程度與酶的來源和底物蛋白的構象有關[9]。Nonaka等[10]研究證明，微生物轉谷氨酰胺酶其催化活性較豚鼠肝臟轉谷氨酰胺酶高。Soeda等[5]同樣指出不同魚種類的內源轉谷氨酰胺酶對所形成的魚肉膏的品質有不同的影響。轉谷氨酰胺酶的作用有一定的限制性，并不是所有包含有Glu和Lys殘基的蛋白質分子間就可形成交聯聚合物。已報道的良好底物蛋白有酪蛋白、肌球蛋白、乳清蛋白、大豆、蛋白、小麥蛋白等。利用該酶研究不同蛋白質之間是否能形成聚合物，發現底物蛋白質的熱力學相合性影響著其交聯反應，也就是說與底物蛋白質在酶活性部位上的熱力學相合性有關，熱力學不相同則使蛋白不能在酶催化部位相互重疊，兩兩之間不能反應，例如親水蛋白和疏水蛋白相斥也就引起熱力學不相合；另外蛋白質結構構象和Lys、Glu殘基部位也影響異原聚合物的形成。

3 谷氨酰胺酶轉胺酶的生產方法

國外對谷氨酰胺轉胺酶的研究較多也較為深入，而我國則報道很少。已報道的制備方法主要有兩種。

3.1 動植物組織提取法

Folk等[6]在動植物組織中發現谷氨酰胺轉胺酶，并通過離子交換、過濾、層析等分離純化過程得到純化了230倍的谷氨酰胺轉胺酶，60年代以來，來源于動植物組織的谷氨酰胺轉胺酶的生產提取過程及其應用已被廣泛研究。商業用谷氨酰胺轉胺酶主要是從豚鼠肝臟中提取，由于豚鼠肝臟來源少，分離純化過程復雜，導致其價格昂貴（80 A軒/u），而從魚及植物組織中提取的研究仍處于初級階段。以豚鼠肝臟為原料，經分離萃取而得。其一般工藝流程為：豚鼠肝臟→均漿→離心→二次離心→過濾→季銨乙基→交聯葡聚糖離子交換→羥基磷灰石吸附→親合力層析→肝臟TG。

3.2 微生物發酵法

上個世紀80年代末，利用微生物發酵法生產谷氨酰胺轉胺酶見諸報道。1989年，Ando，Motoki等[7]報道用微生物發酵法生產谷氨酰胺轉胺酶。只要篩選到合適的產谷氨酰胺酶的微生物就可以通過傳統的發酵技術大規模的生產。微生物發酵法原料廉價，大幅度降低了生產成本，是最有希望進行大規模工業化生產的手段。故國內外學者對該法表現出很大的興趣和熱情。其工藝流程為：發酵液→離心→取上清液→超濾→取濃縮液通過CG-50離子交換樹脂→收集活性部分→再次通過CG-50離子交換樹脂→收集活性部分→稀釋（降低導熱性）→通過藍瓊脂糖柱→MTG（被活化了174倍）。

4 谷氨酰胺轉胺酶的應用前景

谷氨酰胺酶在食品、醫藥（研究癌細胞方面）、紡織（如改善羊毛制品性能）等方面都有廣闊的應用前景[8]，其中在食品行業應用最受關注。

4.1 在肉制品中的應用

肌球蛋白和肌動蛋白是肌肉的重要組成成分，是谷氨酰胺轉胺酶作用的良好底物。在肉制品加熱時，彼此間能夠形成二硫鍵，對維持肉制品的保水性和粘彈性等方面起著重要的作用。在肉制品中加入谷氨酰胺轉胺酶，經催化反應在肌肉蛋白質分子間形成的共價鍵的作用力遠遠大于二硫鍵，能使蛋白質更緊密地結合在一起，形成致密的三維網狀結構，顯著提高了產品的質構、改善了肉制品品質、增加了產品的附加價值。

4.2 在乳制品中的應用

乳制品中的酪蛋白、乳清蛋白、乳球蛋白等是谷氨酰胺轉胺酶作用的良好底物，所以谷氨酰胺轉胺酶在乳制品加工中具有很高的應用價值。牛乳酪蛋白是重要的食品蛋白質，在許多食品的加工中，加入酪蛋白可以改善產品的品質[9]。經過谷氨酰胺轉胺酶改性后的酪蛋白，在功能性質方面得到顯著增強，是優良的食品添加劑，可應用于焙烤食品、冰淇淋，也可作為脂肪的替代物，用于香腸、重組肉制品、魚制品。

4.3 在水產品中的應用

魚肉在低溫下可形成凝膠，這與其內源性谷氨酰胺轉胺酶的含量有關。新鮮的魚含有較多的谷氨酰胺轉胺酶，可以生產出高品質的魚凝膠制品，但經過冷凍貯藏后的魚，其內源性谷氨酰胺轉胺酶的含量隨新鮮程度的下降而減少，因此可以通過加入谷氨酰胺轉胺酶提高一些產品的凝膠強度，加工出品質優良的產品。

4.4 在小麥及大豆制品中的應用

經谷氨酰胺轉胺酶作用后的面團在筋力、穩定性及粘彈性方面都有較大的改善，加工面包時加入該酶，可以明顯增大面包的體積，使其質地均勻，減少切片時碎屑的產生，并有效防止面包的老化，延長保質期。谷氨酰胺轉胺酶可以減少方便面的吸油率，從而減少方便面的熱量，同時減少油炸時油的消耗量。

5 展望

谷氨酰胺轉胺酶作為一種應用廣泛的新型酶制劑，其研究開發前景十分廣闊。隨著技術的成熟與工藝的發展，酶的制備成本不斷下降。其獨特的功能特性，受到了國內外學者的廣泛關注，尤其日本、丹麥、荷蘭等國家投人了大量的人力、財力進行研究與開發[10]。日本已推出了商品化的食品級谷氨酰胺轉胺酶制劑。因此，隨著科學技術的發展和應用，研究的深入，產酶菌種的優化，生產工藝的改進，酶提取工藝的發展，谷胺酰胺轉胺酶的研究及應用也將更加廣泛而深入。

[1] Folk J E.Adv Enzymol[M].1983.54:2-56.

[2] Motoki M and Seguro K.Transglutaminase and its use for food processing[J].Trends in Food Science&Technology 1998（9）：204-210.

[3] 王 衛.轉谷氨酰胺酶及其在肉制品中的應用 [J].食品文摘,1999,（5）：10-12.

[4] Meng G T,Ma C Y.Fourier-transform infrared spectroscopicstudy of globulin from Phaseolus angularis（red bean）[J].Int J Biol Macromolecules，2001，29：287-294.

[5] Subirade M,Kelly I,Guéguen J,et al.Molecular basis of film formation from a soybean protein:comparison between the conformation of glcinin in aqueous solutionand in films[J].Int J Biol Macromolecules,1998,23：241-249.

[6] Matsumura Y,Chanyongvorakul Y,Kumazawa Y,et al.Enhanced susceptibility totransglutaminase reaction of α-lactalbumin in the molten globule state[J].Biochim Biophys Acta，1996，1293：69-76.

[7] Chr Istensen B M,Sorensen E S,Hojrup P.Localization of potential transglutaminase cross-linking sites in bovine caseins[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,1996,44（7）：1943-1947.

[8] Yash I M,Kalymi N S,Mumazawa T,et al.Contribution of transglutaminase to the setting of fish pastes at various temperature[J].Fisheries Science,1996,62（1）：94-97.

[9] Oh J H,Wang B W,Field P D,et al.Characteristics of edible films made from dairy p roteins and zein hydrolysate crosslinded with transglu-taminase[J].International Journal of Food and Technology 2004,39,287-294.

[10] Lorenzen P C,Schl I E.Pilot studies on the effect of enzymatic crosslinding in dairying [J].Kieler Milchwirtschaftliche Forschungsberichte,1997,49（3）：221-227.