木瓜蛋白酶：一種高效水解酶的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

王遠(yuǎn)锏

摘 ? 要：木瓜蛋白酶是一種來自于番木瓜的低特異性水解酶，在食品、日用品、藥物開發(fā)等領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用，目前高效提取木瓜蛋白酶的手段為雙水相萃取法，并通過不同的手段修飾或固定化酶分子，由此提高木瓜蛋白酶的催化效率，使木瓜蛋白酶在工業(yè)化生產(chǎn)上有了更加巨大的應(yīng)用潛力。外一些醇類溶劑對酶活性有不同影響，如正丙醇、丙二醇可以提高木瓜蛋白酶活性，丙三醇、乙二醇會抑制酶活性表達(dá)。

關(guān)鍵詞：木瓜蛋白酶 ?雙水相萃取 ?固定化酶

中圖分類號：Q556.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）06（b）-0244-02

1 ?木瓜蛋白酶的來源與應(yīng)用

木瓜蛋白酶是一種來自于熱帶番木瓜蛋白水解酶，由兩個(gè)大小大致相等但構(gòu)象完全不同的亞基組成，半胱氨酸位于其活性中心，作用特異性較低，可以水解多種氨基酸羧基形成的肽鍵。本身具有較高的熱穩(wěn)定性，目前木瓜蛋白酶在食品加工、日用品制造、生物活性物質(zhì)的提取上應(yīng)用較廣。在食品加工與生產(chǎn)上，木瓜蛋白酶能降解肌原纖維和結(jié)締組織，斷裂筋腱和肌絲，提高肉制品的軟嫩度，改良口感，也可用于提取一些非蛋白類物質(zhì)，常見的包括在禽類肉制品加工[1]、三文魚魚皮油的提取[2]等;在日用品生產(chǎn)上木瓜蛋白酶可將交聯(lián)程度較大高分子蛋白降解成為交聯(lián)程度低小分子蛋白，如蠶絲絲膠的加工[3]、絲素蛋白的加工[4]等;在藥品以及具有生物活性物質(zhì)生產(chǎn)領(lǐng)域，木瓜蛋白酶可以單獨(dú)或聯(lián)合其他酶類對原料進(jìn)行降解，以便提取出大量非蛋白類及小分子蛋白物質(zhì)，主要應(yīng)用包括如對硫酸軟骨素[5]、鹿皮多糖[6]、肝素[7]的提取與加工等，這些物質(zhì)在國內(nèi)都具有很大的需求，經(jīng)濟(jì)效益可見一斑。

2 ?木瓜蛋白酶的提取工藝與作用效果的提高

傳統(tǒng)手段的木瓜蛋白酶提取手段包括烘干法、使用鹽沉淀法、超濾法等，這些手法操作簡單，但是容易在提取過程中對于酶結(jié)構(gòu)造成較大破壞，同時(shí)極易混入影響酶活性的雜質(zhì)，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，故而不適用于木瓜蛋白酶在工業(yè)生產(chǎn)上的大規(guī)模開發(fā)與應(yīng)用。目前木瓜蛋白酶提取手段中雙水相萃取法是一種成本低、產(chǎn)品純度與活性較高的提取手段，需要兩種互不相容的溶劑建立中萃取蛋白體系，通過木瓜蛋白酶在兩種溶劑中分配系數(shù)實(shí)現(xiàn)木瓜蛋白酶的提取與分離。目前較為常用的如PEG/Na2SO4雙水相系統(tǒng)[8]、響應(yīng)面優(yōu)化離子液體雙水相體系[9]。此外，不同的理化條件也會影響木瓜蛋白酶的活性與作用效果，常見的改變木瓜蛋白酶作用效果的手段包括超聲波[10]、高壓[11]、不同溶劑環(huán)境[12]等。超聲波通過兩方面影響木瓜蛋白酶的作用效果，一方面可以破壞底物的包膜、包被結(jié)構(gòu)，使內(nèi)容物釋放，提高木瓜蛋白酶與底物的接觸面積;另外對于游離的木瓜蛋白酶，超聲波可以直接提高其活性，降解產(chǎn)物分子量相較于不使用超聲波更低，水解更為徹底。超高壓也可以提高木瓜蛋白酶的活性，在超高壓條件下，木瓜蛋白酶疏水基團(tuán)暴露程度降低，從而提高活性部位與底物的接觸面積，酶的水解效率提高。另外一些醇類溶劑對酶活性有不同影響，如正丙醇、丙二醇可以提高木瓜蛋白酶活性，丙三醇、乙二醇會抑制酶活性表達(dá)。

3 ?木瓜蛋白酶的固定化

游離的木瓜蛋白酶具有較高的水解效率，但是在生產(chǎn)實(shí)踐過程中易于底物以及水解產(chǎn)物混合到一起，使對木瓜蛋白酶的回收與產(chǎn)品分離提純過程難度加大。目前將木瓜蛋白酶固定化是解決該問題的一種行之有效的手段。酶的固定化是使用不同不溶于水的固體材料固定并支持蛋白，使酶催化底物反應(yīng)時(shí)不會與底物及產(chǎn)物混合，待反應(yīng)完成之后將固體載體去除即可停止催化過程，提高酶與底物和產(chǎn)物分離能力同時(shí)提高了反應(yīng)的可控制性，是一種適于產(chǎn)業(yè)化、連續(xù)化的酶處理手段。目前對于木瓜蛋白酶固定化的手段包括包埋、吸附、交聯(lián)等，不溶于水的固體支持材料自身需形成多孔結(jié)構(gòu)，一方面孔洞可以使酶蛋白在固體材料上有較多的附著位點(diǎn)，提高單位體積材料上攜帶酶量，提高催化效率;另一方面孔與孔之間交聯(lián)的孔道可以使底物溶液進(jìn)入固體支持材料中，提高了底物與酶的接觸面積，有利于反應(yīng)進(jìn)行。目前新型的木瓜蛋白酶固定載體包括殼聚糖-埃洛石納米管微球[13]、多級孔二氧化硅等[14]。殼聚糖本身可以再酸性條件下形成水凝膠，凍干后即可形成多孔結(jié)構(gòu)，使用殼聚糖-埃洛石納米管微球?qū)⒛竟系鞍酌附宦?lián)吸附法固定，在實(shí)現(xiàn)了酶分子的固定化的同時(shí)提高了木瓜蛋白酶的耐高溫能力，相較于游離的酶，最適pH降低至6.8左右;多級孔二氧化硅內(nèi)部大孔道負(fù)責(zé)裝載酶分子，小孔道負(fù)責(zé)反應(yīng)物分子傳輸，可以提高酶固定化效率與生物催化活性，但本身存在不易成型，模板成本高，模板劑競爭作用不可控，合成過程比較復(fù)雜等問題限制應(yīng)用。

4 ?展望

木瓜蛋白酶是一種在食品、日用品、藥物生產(chǎn)開發(fā)等方面均具有廣泛應(yīng)用的生物大分子，目前需要對不同品種來源的木瓜蛋白酶活性進(jìn)行比較以得到更為經(jīng)濟(jì)高效的木瓜蛋白酶來源，其分離與提純長效活性提高的修飾手段與更加可控、穩(wěn)定、價(jià)格低廉的固定化手段也需要進(jìn)一步研究與改進(jìn)，從而提高木瓜蛋白酶的工業(yè)化應(yīng)用能力，

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