大宗低值蛋白资源精深加工及高值化利用

赵谋明， 任娇艳

(华南理工大学 轻工与食品学院, 广东 广州 510641)

近年来，我国食品工业面临着来自资源和环境的双重压力，对现有蛋白质资源，特别是对我国大宗低值蛋白资源的精深加工，是解决长期以来严重制约我国食品工业发展问题的必要途径. 目前，低值蛋白资源的高值化利用已成为我国“国家战略必争、产业发展必需、技术竞争必备、社会需求巨大”的重大研究方向，并且对提高我国食品工业核心竞争力具有重要的战略意义.

从人均摄入蛋白量来看，我国人均摄入量为70 g/(天·人)，世界人均摄入量为75 g/(天·人)，发达国家人均摄入量为80 g/(天·人)，我国年蛋白质缺口为240万吨. 值得重视的是，我国尚有大量低值蛋白资源未被充分利用. 据不完全统计，2009年我国未开发利用的低值蛋白资源包括花生粕600万吨、谷朊粉50万吨、低值鱼虾贝及其加工副产物达800万吨、畜禽骨架1 880万吨，而这些蛋白的总和相当于5亿人1年的蛋白质摄入总量，因此，蛋白质的深加工具有重要理论价值和社会经济效益. 目前，我国对这些低值蛋白资源的利用主要以粗加工为主，仅有少量深加工，大多产品附加值低，资源利用率低.

我国食品工业2005～2010年发展规划明确指出，我国食品工业产业结构不够合理，农副产品精深加工比例较低等问题制约其可持续发展. 发展农副产品的精深加工，提高产品技术含量和附加值是解决制约食品工业可持续发展问题的关键. 如何应用现代食品高新技术实现低值蛋白资源的高值化利用是食品工业亟待解决的问题之一，并且对提高资源附加值，发展循环经济具有典型示范意义.

1 酶法改性是大宗蛋白精深加工和高值化利用的核心共性关键技术

低值蛋白资源的精深加工涉及原料特性、加工技术、相关技术装备的改造等诸多方面，但生物技术特别是特色酶制剂制备与控制酶解技术是其中最主要的核心技术. 蛋白质通过控制酶解技术可获得一系列高附加值产品，如通过酶法改性显著提高原蛋白的功能特性，通过定向可控酶解将蛋白降解为功能性肽，通过深度酶解将蛋白降解为富含游离氨基酸和呈味肽的调味基料. 功能性蛋白、功能性肽和呈味基料可广泛应用于食品加工中.

1.1 蛋白改性技术研究现状与进展

蛋白质的改性方法包括物理改性、化学改性和酶法改性三类. 化学改性具有反应简单、应用广泛和效果显著的特点，但化学改性尚存在诸如反应副产物多，营养价值在反应过程中会受到影响等缺点；物理方法改性效果不显著，目前很多改性技术难以实现产业化；酶法改性是目前食物蛋白改性的研究重点,酶促反应速度快、条件温和、专一性强，蛋白质酶法改性是提高蛋白质各种功能特性和增加其应用范围的一种有效方法. 近几年，蛋白质酶法改性的研究主要集中于对蛋白质的控制酶解方面. 蛋白质经酶解后得到的酶解产物除了保留甚至提高其生物价外，功能特性明显优于原料蛋白质. 日本、欧美在这方面居于垄断地位，已经开发出替代肉类蛋白的高性能植物改性蛋白. 然而由于蛋白质结构的复杂性和多样性使得蛋白质酶解研究进展缓慢. 酶解产物的易变性、多样性、复杂性，酶解速度慢，水解不彻底，水解液味苦等问题仍然存在.

影响蛋白质酶解的因素很多，酶的选择及用量、温度、pH值、离子强度、固液比、搅拌速度及水解时间等是影响蛋白质水解的关键因素. 这方面国内外已进行了较深入的研究,但大部分研究除了原料不同以及借助更先进的分析检测手段之外，仍然局限于酶的筛选、水解工艺优化等外因的不断重复，而对于影响蛋白质酶解的内在因素的研究却很少. 酶法改性尤其是酶解改性的关键技术是蛋白的水解，目前存在的最大问题是酶解过程及产物难以控制、水解度低，同时存在原料蛋白利用率低及产品质量不稳定等问题.

蛋白质分子致密的立体结构有碍于蛋白酶与底物的结合，特别是高度变性的植物蛋白质酶解时效率低，难以达到预期效果. 酶解前经过适当的预处理可以提高酶解速度，目前主要是通过热处理、添加乙醇及还原剂等，通过变性使蛋白质成为松散的结构，原来包埋于内部的作用位点被暴露. 由于蛋白质结构相互差异很大，因此变性的效果也随蛋白质的不同而变化，这些变性只适合于球蛋白. 研究发现，利用高压处理使乳蛋白适当变性，可以提高蛋白的水解程度；利用挤压预处理可显著改变小麦面筋蛋白的酶解特性，使小麦面筋蛋白酶解产物的水解度提高77%～122%；大豆分离蛋白(SPI)经加热和超声波处理后水解度比未处理前提高7%～8%；适度热变性(85 ℃热处理1 h)的玉米蛋白经Protamex酶解后所得产物的水解度也有提高.

对于酶解改性蛋白而言，由于蛋白分子量分布和结构不同，导致功能特性有明显的差异，实现蛋白质的定向酶解，从而得到理想的功能性蛋白质是酶解工业亟待解决而又难以彻底解决的重要技术问题. 基于蛋白质结构决定功能特性这一原理，从20世纪90年代开始，许多课题组对这一问题进行了探讨，这些方法包括蛋白质侧链的乙酰化、脱氨基化、磷酸化和糖基化等，以改变蛋白质侧链基团的性质和空间位阻，试图打算在蛋白酶解之前使某些基团暴露或者被屏蔽，使酶解按特定方向进行，这些方法尽管可以取得一定的成效，但目前尚未见令人满意的效果.

1.2 功能性多肽制备分离纯化技术研究现状与进展

近年来，各国对功能性肽的研究日趋升温，其相关产品的研究与开发也备受重视. 目前，生物活性肽的制备技术主要有蛋白可控酶解法、定向合成法(主要包括化学合成、酶法合成、DNA重组技术等)以及从微生物、动植物生物体内直接提取分离纯化法等. 合成法受设备投资大、产品成本高等条件限制，当前其技术成熟度仅限于小分子寡肽的合成；直接提取法只适合于细菌、真菌、动植物中存在的一些天然功能性肽，但因天然生物资源中这些肽的含量极微，其提取分离纯化成本高，目前虽有一些天然功能性肽商品化，但难以大规模推广；酶解法制备的活性肽产品安全性高，生产条件温和，因此酶法水解是获得食品级生物活性肽的常用方法. 酶法制备生物活性肽常用的蛋白酶包括胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、嗜热菌蛋白酶、木瓜蛋白酶、碱性及中性蛋白酶、风味蛋白酶等. 多种蛋白酶复配使用有可能获得比单一蛋白酶更好的酶解效果，例如碱性蛋白酶Alcalse、胰凝乳蛋白酶、胰酶、胃蛋白酶及一些细菌和真菌来源的蛋白酶等复配使用能增加蛋白质利用率，并在一定程度上提高水解度. 当前功能性肽的产业化仍然集中在美国、日本、荷兰、丹麦等国(见表1)，且产品原料以乳蛋白为主，如日本森永乳社于2007年首次推出添加低反应原肽的婴儿奶粉，随后蛋清肽(与蛋壳钙在营养上有协同增效效果)也被广泛用于婴幼儿及老年人的营养辅助食品；韩国制药公司将玉米蛋白来源的肽开发成醒酒饮料；日本制造的抗菌肽主要用于健康食品，畅销欧美市场.

我国在生物活性肽的研究开发上，研究力量及投入相对较少，限制了活性肽药食两用功能的发挥，市场上国产的活性肽药品和食品寥寥无几. 随着近几年对生物活性肽的研究逐步开展和深入，尽管肽类产品的大规模生产仍然遭遇技术难题，但需求的上升使这个难题同时也成为利润的源泉，厂家和商家们也意识到其中的市场契机. 目前，国内有几家企业已实现生物活性肽的产业化生产和销售，如武汉天天好生物制品有限公司生产有胶原肽、玉米肽及鱼精蛋白肽等18种肽产品；山东银香伟业集团的“有机肽乳”产品中添加了从胎牛胸腺、脾脏、脑组织以及牛胎盘组织中提取的具有提高免疫力功效的肽物质；广州市轻工研究所可产业化生产纯度为85%～92%的酪蛋白磷酸肽(CPP)；哈高科公司也用酶解方法从大豆蛋白中制备出抗氧化大豆低聚肽产品. 我们课题组经过多年研究，在生物活性肽的研究方面已取得一些成果(见表2). 国产化生物活性肽在研究和开发上仍有很大的空间和潜力，而面向应用的肽类产品有着十分广阔的市场前景.

表1 商业化含生物活性肽的功能性食品或食品基料Tab.1 Commercial functional food or food base containing bioactive peptide

表2 食品生物技术研究室在生物活性肽研究方面的成果Tab.2 Achievement in bioactive peptide research of the food biotechnology laboratory

1.3 呈味基料制备技术方面的现状及发展趋势

利用蛋白质酶解技术提升蛋白质产品的美味很早就被人们采用，诸多传统特色食品如日本豆酱、东南亚鱼露、中国酱油和腐乳等都是酶解技术应用的典例. 20世纪70年代初，酶解改性蛋白(尤其是植物蛋白酶解)研究开始受到学者关注，起初曾因酶解产物味苦等原因，严重阻碍了酶解技术在食品领域的推广，也由此引起人们对酶解产物风味的重视，如何抑制或消除苦味成为酶解技术应用中最为棘手的问题. 到20世纪80年代，日本率先攻克了水解产物脱苦和蛋白酶菌种选育难关. 随后，廉价、易得的植物蛋白引起人们的研究兴趣，源于大豆蛋白、玉米蛋白、花生蛋白、菜籽蛋白、葵花籽蛋白等酶解产物的功能性肽被广泛研究，但以往研究的注意力大多集中在生物活性肽的生理功能(如神经激素递质调节、免疫调节等)研究，却忽视了对肽的呈味功能研究. 近半个世纪以来，呈味肽研究方面的报道为数甚少，且几乎以10年为时间跨度，如1969年，Kirimura等发现二肽Val-Glu及Gly-Leu能显著提高食品的感观品评值；1978年，Yamasaki等从牛肉酶解液中纯化到一个具有增强肉香味的八肽；1988年，Nishimura等从鱼蛋白水解产物中提取到6个呈鲜味的二肽，而日本味之素株氏会社也发现谷胱甘肽具有增强和维持香辣调味料及蔬菜风味的功能. 到2002年，雀巢公司研究发现小麦面筋蛋白中含有许多具有强化呈味(鲜味、咸味、酸味)功能的小肽，但该公司此后未再公布相关呈味肽方面的研究进展，推测可能是技术保密原因. 到目前为止，国内尚未有呈味肽方面的公开专利，足以反映在此方向上尚有很大的研究空间.

国内在应用微生物发酵制备传统调味品如酱油、鱼露等方面工艺成熟，而应用生物技术(主要是酶技术)深加工农副产品起步晚，基础和应用研究薄弱. 目前各种动植物原料的生物技术应用主要集中在采用各种特异性酶探索作用效果、蛋白质水解产物加工功能特性研究方面，对各种呈味肽的分离纯化以及功效研究尚处于初步阶段，市场上国产的呈味肽产品寥寥无几. 其原因一方面由于食品风味学发展的不成熟，另一方面由于肽分离制备技术的复杂，其相关研究很少见报道. 我们在前期研究过程中发现，同一种蛋白质资源在不同酶作用水解至相同水解度，其呈味特性，特别是鲜甜味存在显著差异；同一种蛋白经同一种酶水解至不同水解度，鲜甜味同样存在差异，而且并不是水解度越高(即游离氨基酸含量越高)，鲜甜味就越好，因此说明小分子肽在蛋白酶解液中对呈味起到了非常重要的作用；进一步研究发现，分离富集珍珠贝的酶解液中分子量小于5 000 Da的肽(含量>50%)应用到成品中调味，万分之一的用量，即可显著增强成品天然鲜甜味感，掩盖味精的不适感. 目前国内多种调味品如酱油、蚝油、酵母抽提物、动植物抽提物或酶解产物中呈味肽的存在以及其对产品最终风味的贡献已获得了人们的普遍认可，而其种类、相互之间以及与其他风味剂、辅助物质风味作用机理仍处于未知状态.

我们课题组经多年的研究，对以下技术进行了攻关，具体包括：1)提出了改变蛋白质的空间结构来控制酶切位点和酶解产物的分子量分布的酶解新技术；2)建立了多种对低值蛋白质进行预处理提高其酶解敏感性的新方法；3)接种耐热性乳杆菌解决了酶解液防腐和祛腥的技术难题，并利用连续美拉德反应实现酶解液风味的系列化；4)通过特异性毛霉蛋白酶与商业酶制剂的协同水解，显著提高了酶解产物中亲水性小分子肽的含量；5)针对动物性蛋白资源的特点，激活蛋白酶酶原，结合外源性蛋白酶的协同增效作用，解决了酶解产业化过程中酶制剂成本高的技术难题.

2 展 望

利用我国大宗低值蛋白的资源优势及科研院所的技术优势，开发系列高品质的功能性蛋白、功能性肽和呈味基料，应用于相关食品产业中，可显著提高大宗低值蛋白资源的高值利用. 未来几年内，重点研究的方向包括：1)新型复合改性技术. 建立系列物理预处理与酶解改性相结合的新型复合改性技术. 2)能特异性水解高度变性植物蛋白的高性能蛋白酶制备技术. 3)以富集呈味肽为目标的深度控制酶解技术. 4)酶-膜分离耦合技术. 5)动物蛋白资源高效祛除异味的共性关键技术. 6)酶法聚集交联制备新型动植物复合蛋白关键技术. 7)“生物发酵-酶解”制备活性肽关键技术. 8)建立可供规模化制备生物活性肽的分离纯化技术. 9)生物活性肽的活性保护及稳态化关键技术. 上述相关技术在食品行业中的应用将显著提高大宗低值蛋白资源利用的附加值，提升我国食品行业产品档次和质量，同时可极大地促进我国食品行业的技术进步，延伸农产品的产业链，对发展我国循环经济具有重要意义.