谷氨酰胺轉移酶對食品中蛋白質改性研究進展

李 斌,付桂明,*,劉成梅,萬 茵,鄒 彬,童火艷

(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學食品學院,江西南昌 330031;3.南昌大學中德食品工程中心,江西南昌 330047)

谷氨酰胺轉移酶對食品中蛋白質改性研究進展

李 斌1,2,3,付桂明1,2,3,*,劉成梅1,2,3,萬 茵1,2,鄒 彬1,2,3,童火艷1,2,3

(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌大學食品學院,江西南昌 330031;3.南昌大學中德食品工程中心,江西南昌 330047)

谷氨酰胺轉移酶是一類可以催化酰基轉移反應的酶,能夠促進蛋白質分子間發生交聯反應,催化蛋白質之間異肽鍵的形成,并廣泛應用于食品加工過程中蛋白質的改性。本文通過查閱近年來國內外研究進展,對谷氨酰胺轉移酶的酶來源、酶學性質、酶的催化機理及其對食品蛋白質的改性、在食品中的應用進行了綜述。

谷氨酰胺轉移酶,食品,蛋白質,改性

谷氨酰胺轉移酶是一種可以催化蛋白質或者多肽的谷氨酰胺殘基的γ-甲酰胺基團與伯氨基化合物之間的酰基發生轉移反應的酶，可以提升蛋白質功能特性和營養價值，影響產品的感官，廣泛存在于哺乳動物、植物、魚類、細菌、真菌、綠藻等生物中。由于其具有很好的交聯特性，被稱為“21世紀的超級粘合劑”，在食品、紡織、醫藥等領域有著廣泛的應用。

1 谷氨酰胺轉移酶簡介

谷氨酰胺轉移酶(Transglutaminase,TGase,EC 2.3.2.13)是二十世紀五十年代首先從豚鼠肝臟中分離得到的一類催化酰基轉移反應酶,可以催化谷氨酰胺殘基中γ-甲酰胺基團(供體)與不同化合物的ε-胺類基團(酰胺殘基的受體)之間異肽鍵的形成,并誘導蛋白質之間發生交聯反應[1]。這種催化作用會導致蛋白質理化性質發生顯著改變,如溶解性、乳化性、發泡性和凝膠性等。

TGase按來源主要可分為兩類:一類來自于哺乳動物(如幾內亞豬和豚鼠)的肝臟、表皮等,其中來源于豚鼠肝臟的TGase已研究得比較透徹。另一類來自于鏈霉菌(Streptomyces)和枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)等微生物,其中研究較多的是鏈霉菌來源的TGase。盡管這兩類TGase有著相似的催化性質,但它們在氨基酸組成、酶學性質等方面存在較大差異。與動物來源的TGase相比,微生物TGase(MTG)表現出很多優勢:酶活不依賴于Ca2+[2],對溫度和pH的穩定性更高[3],可以通過微生物發酵來獲取,成本低、產量大,現已廣泛應用于食品加工中[4-5]。

2 TGase催化蛋白質改性機理

TGase可通過胺的導入、分子內和分子間的交聯、脫胺基作用三種途徑來使蛋白質的結構發生改變,從而可以使蛋白質形成高分子的聚合物或者改變其疏水性,導致蛋白質的凝膠性、乳化性、起泡性、粘度和持水能力等發生改變(如圖1)[6]。其堿基受體可以是以下三種:

圖1 谷氨酰胺轉移酶的作用機理Fig.1 The mechanism of transglutaminase

(a)酰胺基發生轉移反應

當TGase作用于蛋白質分子時,它可催化在蛋白質及肽鍵中的谷氨酰胺殘基γ-羰基(胺基供體)和伯胺(胺基受體)之間的酰胺基發生轉移反應,利用該反應可將賴氨酸引入蛋白質以改善蛋白質營養特性。

(b)共價交聯作用

TGase以蛋白質中賴氨酸殘基γ-氨基作為酰基受體,在蛋白質分子之內或分子之間形成 ε-(γ-谷氨酰胺基)賴氨酸(G-L)共價交聯。通過該反應蛋白質分子發生交聯,可以形成穩定的蛋白質網絡結構,對蛋白質凝膠的形成具有重要意義[6]。另外,由于蛋白質分子發生交聯,改變了蛋白質的表面疏水性,從而引起與蛋白質表面疏水性相關的蛋白質性質發生改變,如蛋白質的乳化性、起泡性和粘性等[7]。

(c)脫去胺基反應

當不存在伯胺時,水會成為酰基受體,谷氨酰胺殘基脫去胺基生成谷氨酸殘基。該反應改變蛋白質的等電點和溶解性[8]。

3 TGase對蛋白質改性作用與在食品加工中應用

谷氨酰胺轉移酶要作為重要的蛋白質改性酶類,其主要功能如下:谷氨酰胺轉移酶可以催化蛋白質之間發生交聯作用,從而可以改善蛋白質的溶解性、凝膠性、乳化性、起泡性、持水能力和粘度等性質,被廣泛的應用在食品工業中。

3.1 TGase對蛋白質溶解性的影響及在食品中應用

蛋白質的溶解性與蛋白質氨基酸殘基上的親水基團和疏水基團有著密切的聯系。一般來說,蛋白質分子表面疏水基團越少,蛋白質的溶解性越大。蛋白質固有的物理化學特性和外在因素(如pH、離子強度、溫度、有機溶劑等)均會影響蛋白質的溶解性,而且蛋白質溶解性的改變會引起蛋白質乳化性、起泡性和凝膠性發生相應的改變。

在低溶度蛋白質溶液中,TGase處理蛋白質可以誘發蛋白質的谷氨酰胺殘基脫去胺基以提高蛋白質的溶解性,進而改善蛋白質的乳化性和起泡性[9]。Agyare等[10]研究發現,在特定的條件下(55 ℃ 1 h或5 ℃ 18 h),用TGase處理后水解小麥蛋白的溶解性可以提高3～29倍。Ali等[11]研究發現即使在高鹽濃度下,添加TGase可以使豆科蛋白的溶解性得到明顯的改善,溶液濁度分別由0.36和0.31均下降到了0.2左右。這主要是由于大豆分離蛋白具有TGase的識別位點,經過TGase處理后,形成的聚合物的游離氨基數水平較低。而且還降低了聚合物分子表面的疏水性,從而提高了蛋白質的溶解度。

而對于溶解性較高的蛋白,經TGase處理會降低其溶解度。在pH4.0和5.0條件下,在5%的乳清分離蛋白中加入50U/g的TGase,發現經過處理的乳清分離蛋白溶解性明顯低于未經TGase處理的乳清分離蛋白。這歸因于經TGase處理后乳清分離蛋白中的β-乳球蛋白熱穩定性提高,使其更容易發生聚集。此外,TGase的交聯作用使得賴氨酸殘基的ε基胺類基團減少,顯著改變了蛋白質分子表面疏水基團和親水基團的比例,導致蛋白質在其等電點pH處易形成沉淀,溶解度降低[12]。并且在乳清蛋白和羧甲基殼聚糖制備的食品包裝膜(WPC-CMC膜)中加入10U/g的TGase,37 ℃孵育4 h后,由于TGase的交聯作用而生成了大分子聚合物,導致WPC-CMC膜的溶解度顯著降低[13]。

3.2 TGase對蛋白質凝膠性的影響及在食品中應用

凝膠性是蛋白質最重要的功能特性之一,蛋白質凝膠類型主要決定于凝膠的分子形狀,而凝膠的形成是一個動態過程,受溶液pH、離子強度、溫度等影響。通過TGase的交聯作用可以使蛋白質形成穩定、高彈性、不可逆的凝膠,即使在較低的蛋白濃度下,也可以達到同樣效果。

TGase在生物大分子形成的凝膠基質中可以發揮關鍵作用[14],尤其是以肉類蛋白為主要基質通過TGase誘導交聯形成凝膠[15-16]。將TGase加入明膠-CaCO3礦物質膜中,成膜的凝膠強度增加了17.24%[17]。對于不同種類的肉類蛋白,TGase對其交聯形成凝膠的能力存在差異,如TGase易使肌球蛋白重鏈發生交聯形成凝膠,但是很難使肌動蛋白形成凝膠[18]。對于非肉類蛋白,姜燕[19]等在可食用性PPI(花生分離蛋白)膜中加入8 U/g的TGase中后,凝膠強度得到了極大的增加,而不添加TGase的PPI膜則無法從制膜板上剝離。Tsevdou等[20]研究發現在高溫高壓條件下,將TGase加入到酸奶中可以加快牛奶中乳清蛋白和酪蛋白以及乳清蛋白與乳清蛋白的交聯速率,其所制產品的凝膠強度和持水性也得到明顯改善。凝膠強度增加是由于TGase促進蛋白間發生交聯和聚合作用。TGase添加量過高,會引起凝膠強度降低。這是因為過度的交聯會導致蛋白質所形成的網絡結構遭到破壞[21]。

3.3 TGase對蛋白質乳化性和起泡性的影響及在食品中應用

蛋白質是天然兩性物質,具有很好的乳化性,許多動物蛋白都通過乳化作用,形成水包油體系,如蛋黃醬、牛奶等。另外,蛋白質也是很好的發泡劑,在水相體系中蛋白質可以形成液膜包裹周圍的氣體,最終形成氣泡。經過TGase的作用可以改善蛋白質的乳化性和起泡性。

Agyare等[22]發現經TGase處理的水解小麥面筋蛋白乳化能力提高了四倍以上。另外,在55 ℃、pH6.5、TGase處理1 h的水解小麥面筋蛋白與未經TGase處理的小麥面筋蛋白相比,其乳化活性指數提高了15倍。對于起泡能力,TGase處理使小麥面筋蛋白的等電點由pH5.5～6.0下降到了pH4.0,且蛋白在其等電點附近時起泡能力最好[23]。說明小麥面筋蛋白在特定pH條件下可以提高其起泡能力。對于面包的起泡性,Renzetti[9]等研究發現,在玉米面粉中加入10 U/g的TGase可以提高面包的抗形變能力,而面包的抗形變能力與起泡性有著很大的關系。Hong等[24]報導TGase可通過交聯作用使豬肉肌原纖維蛋白的分子量增大,從而增加了其乳狀液的穩定性。導致乳化能力的提高可能是由于TGase的脫胺基作用,使得谷氨酰胺殘基、天冬氨酰胺殘基脫去氨基,導致蛋白質分子的負電荷增加,從而改變了蛋白質親水基團和疏水基團的比例,油水界面的表面張力降低,持水能力和乳化能力增強。

3.4 TGase對蛋白質持水性的影響及在食品中應用

持水性是蛋白質非常重要的性質之一,是指蛋白質分子通過物理方式截留并阻止自由水和結合水滲出的能力,與蛋白質的凝膠性、乳化性和起泡性也有著密切的聯系,對肉類制品的顏色、多汁性、柔嫩程度以及面包類產品的質構品質有直接影響。

Renzetti等[9]研究發現添加TGase可以減少蕎麥粉和大米粉烘烤過程中的損失,表明蕎麥粉和大米粉中所含蛋白持水性增強。在大豆分離蛋白和面筋中加入TGase可以增加形成凝膠的持水能力[25]。馬景球[26]通過正交實驗發現在調理雞肉中加入0.4%(w/w)的TGase,35 ℃保溫1.5 h后,調理雞肉的持水性能最佳。這也歸因于TGase的脫胺基作用使蛋白質親水性增強,同時TGase的交聯作用使蛋白質間發生交聯形成凝膠,這兩者均有利于蛋白質持水能力的增強。但是Han等[27]研究發現在肌原纖維蛋白中添加過量的TGase會使得蛋白質分子間過度交聯,影響了蛋白質與水之間相互作用力,破壞了蛋白質的持水能力。因此,TGase的適量添加能更好產生穩定的蛋白凝膠,更有效地將水截留于蛋白質分子所構成的基體,增強蛋白質的持水能力。

3.5 TGase對蛋白質黏度的影響及在食品中應用

在許多食品如酸奶、冰激凌中,黏度被作為最重要的指標之一。黏度與蛋白質的乳化性和凝膠性有著密切的聯系。

Hong等[28]研究發現,TGase添加有助于豬肌原纖維蛋白表觀黏度增加,并且在添加TGase的同時,添加0.3 mol/L NaCl可使豬肌原纖維蛋白表觀黏度增加更加明顯。Farnsworth[29]等在羊奶制備的酸奶中加入0.25U/g的TGase,與沒有添加TGase的酸奶相比,其粘度增加了75%。馬景球等[26]將TGase加入到調理雞肉制品中后,隨著反應溫度升高,粘度由0.45上升到了0.58。主要的原因是由于TGase促使蛋白發生交聯,使蛋白的表觀粘度增加,從而增加了產物的粘度。

4 結論與展望

隨著現代科學技術的發展,已經有越來越多的酶制劑應用在蛋白類食品的改良中,以此來提高蛋白類食品的加工性能、感官品質和營養特性,TGase無疑是其中最有潛力和發展前途的酶之一[30-31]。但是現階段也存在著TGase原產菌株產量有限、酶的溫度穩定性差[32]等缺點,所以異源表達和分子改造TGase已經成為了近年來的研究趨勢,但是生產水平距離產業化還有較大差距[33]。而隨著酶的保護劑、酶的固定化等技術的發展,將為TGase在食品行業中的應用提供巨大的幫助,并且有望解決現階段TGase在食品行業應用中存在的問題。

[1]Buettner K,Hertel T C,Pietzsch M. Increased thermostability of microbial transglutaminase by combination of several hot spots evolved by random and saturation mutagenesis[J]. Amino Acids,2012,42(2):987-996.

[2]Motoki M,Seguro K. Transglutaminase and its use for food processing[J]. Trends in Food Science & Technology,1998,9(5):204-210.

[3]Zhao L,Li X,Zhao J,et al. A novel smart injectable hydrogel prepared by microbial transglutaminase and human-like collagen:Its characterization and biocompatibility[J]. Materials Science & Engineering C,2016,68(1):317-326.

[4]Sun X D,Arntfield S D. Gelation properties of salt-extracted pea protein isolate catalyzed by microbial transglutaminase cross-linking[J]. Food Hydrocolloids,2011,25(1):25-31.

[5]Yan M,Li B,Zhao X,et al. Physicochemical properties of gelatin gels from walleye pollock(Theragra chalcogramma)skin cross-linked by gallic acid and rutin[J]. Food Hydrocolloids,2011,25(5):907-914.

[6]Gaspar A L,de Góes-Favoni S P. Action of microbial transglutaminase(MTGase)in the modification of food proteins:a review.[J]. Food Chemistry,2015,171(1):315-322.

[7]Tang C H,Yang M,Liu F,et al. Stirring greatly improves transglutaminase-induced gelation of soy protein-stabilized emulsions[J]. Lebensmittel-Wissenschaft und-Technologie,2013,51(1):120-128.

[8]Silvana Pedroso de Góes-Favoni,Fábio Rodrigo Bueno. Microbial Transglutaminase:General Characteristics and Performance in Food Processing Technology[J]. Food Biotechnology,2014,28(1):1-24.

[9]Renzetti S,Bello F D,Arendt E K. Microstructure,fundamental rheology and baking characteristics of batters and breads from different gluten-free flours treated with a microbial transglutaminase[J]. Journal of Cereal Science,2008,48(1):33-45.

[10]Agyare K K,Xiong Y L,Addo K. Influence of salt and pH on the solubility and structural characteristics of transglutaminase-treated wheat gluten hydrolysate[J]. Food Chemistry,2008,107(3):1131-1137.

[11]Ali N A,Ahmed S H,Mohamed E S A,et al. Effect of Transglutaminase Cross Linking on the Functional Properties as a Function of NaCl Concentration of Legumes Protein Isolate[J]. International Journal of Biological & Life Sciences,2011,7(1):8-12.

[12]Damodaran S,Agyare K K. Effect of microbial transglutaminase treatment on thermal stability and pH-solubility of heat-shocked whey protein isolate[J]. Food Hydrocolloids,2013,30(1):12-18.

[13]Jiang S J,Zhang X,Ma Y,et al. Characterization of whey protein-carboxymethylated chitosan composite films with and without transglutaminase treatment.[J]. Carbohydrate Polymers,2016,153(1):153-159.

[14]Grossmann L,Wefers D,Bunzel M,et al. Accessibility of transglutaminase to induce protein crosslinking in gelled food matrices-Influence of network structure[J]. LWT-Food Science and Technology,2017,75(1):271-278.

[15]Hu Y,Liu W,Yuan C,et al. Enhancement of the gelation properties of hairtail(Trichiurus haumela)muscle protein with curdlan and transglutaminase[J]. Food Chemistry,2015,176(1):115-122.

[16]Jang H S,Hong C L,Chin K B. Evaluation of red bean protein[Vigna angularis]isolate on rheological properties of pork myofibrillar protein gels induced by microbial transglutaminase[J]. International Journal of Food Science & Technology,2015,50(7):1583-1588.

[17]劉安軍,王躍猛,王穩航,等. 谷氨酰胺轉移酶對明膠-CaCO3礦物質膜成膜性的影響[J]. 現代食品科技,2014(5):18-22.

[18]Herranz B,Tovar C A,Borderias A J,et al. Effect of high-pressure and/or microbial transglutaminase on physicochemical,rheological and microstructural properties of flying fish surimi[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2013,20(4):24-33.

[19]姜燕,溫其標,唐傳核,等. 谷氨酰胺轉移酶對食物蛋白質成膜性能的影響[J]. 華南理工大學學報:自然科學版,2006,34(8):110-115.

[20]Tsevdou M S,Eleftheriou E G,Taoukis P S. Transglutaminase treatment of thermally and high pressure processed milk:Effects on the properties and storage stability of set yoghurt[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2013,17(1):144-152.

[21]Guo J,Jin Y C,Yang X Q,et al. Computed microtomography and mechanical property analysis of soy protein porous hydrogel prepared by homogenizing and microbial transglutaminase cross-linking[J]. Food Hydrocolloids,2013,31(2):220-226.

[22]Agyare K K,Addo K,Xiong Y L. Emulsifying and foaming properties of transglutaminase-treated wheat gluten hydrolysate as influenced by pH,temperature and salt[J]. Food Hydrocolloids,2009,23(1):72-81.

[23]Hammershoj M,Prins A,Qvist K B. Influence of pH on surface properties of aqueous egg albumen solutions in relation to foaming behaviour.[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,1999,79(6):859-868.

[24]Hong G P,Min S G,Chin K B. Emulsion properties of pork myofibrillar protein in combination with microbial transglutaminase and calcium alginate under various pH conditions.[J]. Meat Science,2012,90(1):185-93.

[25]Qin X S,Luo S Z,Cai J,et al. Transglutaminase-induced gelation properties of soy protein isolate and wheat gluten mixtures with high intensity ultrasonic pretreatment.[J]. Ultrasonics Sonochemistry,2016,31(1):590-597.

[26]馬景球. 谷氨酰胺轉移酶對生鮮調理雞肉保水性影響的研究[J]. 食品工程,2015(1):35-38.

[27]Han M,Zhang Y,Ying F,et al. Effect of microbial transglutaminase on NMR relaxometry and microstructure of pork myofibrillar protein gel[J]. European Food Research and Technology,2009,228(4):665-670.

[28]Hong G P,Koobok C. Effects of microbial transglutaminase and sodium alginate on cold-set gelation of porcine myofibrillar protein with various salt levels[J]. Food Hydrocolloids,2010,24(4):444-451.

[29]Farnsworth J P,Li J,Hendricks G M,et al. Effects of transglutaminase treatment on functional properties and probiotic culture survivability of goat milk yogurt[J]. Small Ruminant Research,2006,65(65):113-121.

[30]Mark D,Christian S,Sybille N,et al. Texturisation and modification of vegetable proteins for food applications using microbial transglutaminase[J]. European Food Research and Technology,2007,225(2):287-299.

[31]Min B,Green B W. Use of microbial transglutaminase and nonmeat proteins to improve functional properties of low NaCl,phosphate-free patties made from channel catfish(Ictalurus punctatus)belly flap meat[J]. Journal of Food Science,2008,73(5):218-226.

[32]王美玲. 微生物谷氨酰胺轉移酶及其在食品工業中的應用[J]. 山東食品發酵,2015(2):34-36.

[33]李鵬飛. 高效表達谷氨酰胺轉胺酶的畢赤酵母工程菌構建及其分泌能力改造[D].海口：海南大學,2013.

Research progress on modification ofprotein in food with transglutaminase

LI Bin1,2,3,FU Gui-ming1,2,3,*,LIU Cheng-mei1,2,3,WAN Yin1,2,ZOU Bin1,2,3,TONG Huo-yan1,2,3

(1.State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China; 2.Food Science and Technology College,Nanchang University,Nanchang 330031,China; 3.Sino-German Food Engineering Center,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

Transglutaminase(TGase)is an enzyme of the class of transferases widely known to modify protein functional properties in food systems. The main mechanisms of action are polymerisations,in which lead to the formation of isopeptide bond between protein-protein. This article reviews sources,characteristics,catalytic mechanism of transglutaminase,its application in protein modification and food field by summrizing the present study on transglutaminase in China and abroad.

transglutaminase;food;protein;modification

2016-10-19

李斌(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：發酵工程，E-mail:17698312959@163.com。

*通訊作者:付桂明(1972-)，男，博士，教授，研究方向：食品科學、發酵工程，E-mail:fuguiming@ncu.edu.cn。

TS201.1

A

1002-0306(2017)07-0381-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.065