转谷氨酰胺酶的特性及其聚合大豆蛋白的研究

胡小中 李里特

(中国农业大学食品科学与营养工程学院1，北京 100083)

(国家粮食局科学研究院2，北京 100037)

转谷氨酰胺酶的特性及其聚合大豆蛋白的研究

胡小中1，2李里特1

(中国农业大学食品科学与营养工程学院1，北京 100083)

(国家粮食局科学研究院2，北京 100037)

转谷氨酰胺酶作为一种生物催化剂，可以催化蛋白质赖氨酸上ε－氨基和谷氨酰胺上γ－羟酰胺基之间的交联反应，在蛋白质分子间或分子内形成ε－(γ－谷氨酰胺基)赖氨酸(G－L)键。此催化过程具有反应条件温和、底物选择性好的特点，交联聚合后蛋白的功能特性，如凝胶性、热稳定性和保水性等会得到明显改善，因此，其广泛应用于动植物蛋白的改性中。本文介绍了不同来源转谷氨酰胺酶的特性和其在不同食品体系中的作用，并对转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的研究进行了综述。

转谷氨酰胺酶 食品体系 大豆蛋白 聚合

1 转谷氨酰胺酶的作用机理和特性

1.1 转谷氨酰胺酶的作用机理

转谷氨酰胺酶(Transglutaminase，简称TG，EC2.3.2.13;全称为蛋白质－谷氨酰胺γ－谷氨酰胺基转移酶)是一种催化转酰基反应的酶，它以肽键中谷氨酰胺残基的γ－羧酰胺基为酰基供体，以伯胺基、蛋白质肽链中赖氨酸残基的ε－氨基或水分子作为酰基受体，通过以下3种途径使蛋白质的功能特性发生改变:(1)通过转酰基反应，将限制性氨基酸引入蛋白质以提高其营养价值;(2)通过交联反应，在蛋白质分子间或分子内形成ε－(γ－谷氨酰胺基)赖氨酸(G－L)键，使蛋白质分子发生交联聚合，从而改善蛋白质的功能特性，如凝胶性、保水性和热稳定性等;(3)通过脱胺反应，生成谷氨酸残基，使蛋白质的等电点或溶解度发生改变(见图1)。在食品体系中，以转谷氨酰胺酶催化蛋白聚合应用最为广泛。

图1 转谷氨酰胺酶催化蛋白的作用机理

1.2 转谷氨酰胺酶的理化性质

转谷氨酰胺酶这一名称首先由Clarke等［1］于1957年提出，用来描述豚鼠肝脏的转酰胺化活性。除哺乳动物外，在微生物、植物、脊椎动物、两栖动物鱼类和鸟类中也都发现了转谷氨酰胺酶。转谷氨酰胺酶广泛存在于动物、植物和微生物中［2－4］，不同来源的转谷氨酰胺酶，其理化性质存在较大的差异，表1列出了部分不同来源转谷氨酰胺酶的理化性质［5－6］。

表1 不同来源转谷氨酰胺酶的理化性质

1.3 转谷氨酰胺酶催化蛋白质聚合的底物选择性

转谷氨酰胺酶催化蛋白质交联聚合在分子内或分子间形成ε－(γ－谷氨酰胺基)赖氨酸(G－L)键，蛋白交联聚合的程度越高，G－L键越多。蛋白质的交联程度与酶的来源和蛋白质种类密切相关，De Jong等［7］研究发现，微生物转谷氨酰胺酶催化蛋白交联聚合的程度明显高于哺乳类动物的转谷氨酰胺酶，可以催化许多蛋白发生交联反应，具有较好的底物选择性;同一种酶催化不同的蛋白，其交联反应也存在差异，部分转谷氨酰胺酶催化不同蛋白聚合的底物选择性见表2。

表2 部分转谷氨酰胺酶催化蛋白聚合的底物选择性［8］

2 转谷氨酰胺酶在不同食品体系中的应用

与豚鼠肝脏转谷氨酰胺酶(GTG)相比，微生物转谷氨酰胺酶(MTG)具有蛋白选择范围广、交联聚合程度高和非钙离子依赖性等优点。1993年日本的Ajinomoto公司向市场推出了商品微生物转谷氨酰胺酶［9］，标志着微生物转谷氨酰胺酶大规模工业化生产及在食品工业中的广泛应用成为现实。

转谷氨酰胺酶催化相同或不同蛋白质的分子内或分子间的酰基转移反应，引起相同或不同蛋白质的共价交联聚合。因此，在食品体系中加入转谷氨酰胺酶，可以:(1)使食品中的蛋白质分子(相同或不同)共价交联，导致蛋白质分子的结构、构型以及蛋白的理化性质和功能特性发生改变，从而扩大蛋白的应用范围，提高蛋白的市场价值;(2)提高食品的弹性和持水能力，使食品不易脱水收缩，延长食品的货架期;(3)在合适的蛋白浓度下，蛋白溶液不需要经过加热处理，直接形成冷致凝胶;(4)形成的凝胶具有较高的热稳定性，不易被加热破坏。目前，转谷氨酰胺酶已广泛应用到肉制品、水产品、乳制品、植物蛋白食品、焙烤食品、固定化酶及可食性包装膜中(表3)。

表3 转谷氨酰胺酶在不同食品体系中的应用

3 转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白交联聚合的研究

转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的研究开始于20世纪80 年代，Ikura 等［10－11］首次研究发现，用豚鼠肝脏转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白，可以使大豆蛋白发生交联聚合。

3.1 改善凝胶性

20世纪90年代以来，科研人员对转谷氨酰胺酶聚合大豆蛋白及其流变学性质进行了深入的研究，这些研究为转谷氨酰胺酶在大豆蛋白改性中的应用提供了理论依据，同时为大豆蛋白在改善食品的质地方面提供一条可行的技术途径。Chanyongvorakul等［12］报道了微生物转谷氨酰胺酶聚合大豆11S球蛋白自成凝胶的最小浓度，大豆11S球蛋白比其他豆类蛋白具有较好的凝胶性能。他们通过流变学分析发现微生物转谷氨酰胺酶聚合大豆11S球蛋白形成的凝胶比热致凝胶具有较好的硬度和弹性，同时对这两种凝胶网络结构的形成机理进行了分析。Nonaka等［13］报道了在大豆分离蛋白溶液中加入3%的食盐后，其形成凝胶的强度会下降，但加入一定量的微生物转谷氨酰胺酶后，其凝胶强度可恢复到原来的水平;并且，通过微生物转谷氨酰胺酶处理还可以弥补因大豆分离蛋白浓度的降低而引起的凝胶强度下降。Taso等［14］也对低盐糜肉制品加工中MTG和大豆蛋白的作用进行了研究。唐传核等［15］报道了大豆蛋白经微生物转谷氨酰胺酶催化后，其热致凝胶的强度随催化时间(0～4 h)的延长而增强，且呈直线相关性;Tang等［16］研究证实微生物转谷氨酰胺酶催化不同的大豆蛋白(11S、7S和它们的混合物)聚合形成的凝胶特性也各不相同。

3.2 提高热稳定性

热稳定性作为大豆蛋白的功能特性之一，在大豆蛋白饮料食品中起着较为重要的作用。蛋白饮料受热后，一般会出现蛋白乳浊体系中油水分离和蛋白沉淀等影响其质量的现象，这与蛋白质热稳定性不高存在直接的关系。然而，大豆蛋白通过化学改性的方法一般较难提高其热稳定性，但转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的特点之一是可以提高其热稳定性。尽管如此，有关这方面的研究报道不是很多，Ramírez－ Suárez 等［17］报道了大豆分离蛋白和肌纤维蛋白的混合物经过MTG催化聚合后，大豆分离蛋白中的7S和11S的热变性温度可以分别提高1～2℃和2～3℃。Tang等［18］研究了大豆分离蛋白经过MTG催化聚合6 h后，其中7S和11S的变性温度分别提高了3～5℃和5.7℃。

3.3 改善乳化和泡沫稳定性

Motoki等［19］研究了大豆11S和7S球蛋白经河豚鼠肝脏转谷氨酰胺酶(在钙离子作用下)催化聚合后其功能特性的变化，结果显示它们的溶解性和乳化性下降明显，但水化能力得到增强。Walsh等［20］报道了大豆分离蛋白经微生物转谷氨酰胺酶催化聚合后，其溶解性在pH 6.5～8的范围内变化较小。唐传核等［15］报道了酸沉大豆分离蛋白经微生物转谷氨酰胺酶催化聚合后，其溶解性、乳化性有所下降，起泡能力变化不大，而泡沫稳定性和乳化稳定性有所提高。

3.4 转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的影响因素

转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的交联程度不仅与反应的技术参数，如温度、时间、pH和酶量等因数有关［21］，而且和底物蛋白的分子构象密切相关。天然大豆蛋白分子是密实的球状结构，大部分疏水基团分布在分子的内部，致使转谷氨酰胺酶的活性中心与蛋白分子中的谷氨酰胺和赖氨酸残基接触的机会降低，大大影响了转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的交联程度［22］。因此，对大豆蛋白分子进行适当变性，其分子构象会发生改变，使之更适合于作为转谷氨酰胺酶的催化底物，从而可以提高蛋白的聚合交联程度。Kang等［23］证实在微生物转谷氨酰胺酶催化前，对大豆蛋白进行适当的加热处理，使蛋白分子部分展开，其内部的疏水基团充分外露，这样可以大大提高大豆蛋白的聚合交联程度。Zhang等［24］研究了在河豚鼠肝脏转谷氨酰胺酶和微生物转谷氨酰胺酶聚合大豆11S球蛋白过程中，钙离子和巯基还原剂二硫苏糖醇对大豆蛋白共价交联作用的影响，他们认为二硫苏糖醇不对大豆蛋白的分子结构产生影响，但可加速转谷氨酰胺酶对大豆11S球蛋白的聚合，并推测可能是二硫苏糖醇活化了转谷氨酰胺酶分子中起重要作用的半胱氨酸(Cys)基团所致。Larré等［22］报道了豌豆11S球蛋白通过柠康酸化(citraconylation)后，蛋白底物构象发生改变，蛋白分子发生解离和展开，11S球蛋白的聚合速率得到了提高。

4 应用前景

大豆蛋白是目前世界上公认的理想食用蛋白资源，大豆蛋白食品以其显著的营养和保健功能越来越被广大消费者所接受。据不完全统计，世界上大豆蛋白食品达1.2万种以上，其中美国就有2 500种之多。在大豆蛋白的改性研究方面，美国、日本等发达国家居于世界领先地位，仅美国ADM公司就可以生产5个系列100多种具有不同功能特性的大豆分离蛋白产品，广泛应用于肉制品、乳制品、饮料制品、焙烤制品和保健食品等领域。而我国大豆分离蛋白产品品种单一，功能特性不突出，导致部分功能性大豆分离蛋白仍需进口。转谷氨酰胺酶作为一种生物催化剂，应用于大豆蛋白的改性中，可以改善大豆蛋白(SPI、11S和7S)的功能特性，对开发不同功能特性的大豆分离蛋白产品，扩大大豆分离蛋白在不同食品体系的应用都具有积极作用。因此，这一技术具有较好的应用前景，加强微生物转谷氨酰胺酶催化大豆蛋白聚合的基础和应用性研究，其意义是不言而喻的。

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Study on Characteristics of Transglutaminase and its Polymerization of Soy Proteins

Hu Xiaozhong1，2Li Lite1
(College of Food Science ＆ Nutritional Engineering，China Agricultural University1，Beijing 100083)
(The Academy of Science of State Administration of Grain2，Beijing 100037)

As a biocatalyst，transglutaminase can catalyze cross － linking reaction between γ － carboxyamide groups of peptide － bound glutamine residues and the ε － amino group of lysine residues in proteins，then forming the covalent bonds of ε －(γ －glutamyl)－lysine in proteins.The cross－linking reaction had advantages of mild reactive conditions and substrate specialties，and markedly improved functional properties of various proteins，such as gel strength，water－ holding capacity and thermal stability.Thus，transglutaminase has been widely used in the modification of various food proteins.In the paper，characteristics of transglutaminase from different sources and its applications in different food systems were introduced，and the studies on its catalysis in soy proteins，were summarized as well.

transglutaminase，food systems，soy protein，polymerization

TS201.1

A

1003－0174(2011)09－0119－04

2010－10－13

胡小中，男，1968年出生，博士，高工，油脂与植物蛋白工程

李里特，男，1948年出生，教授，博士生导师，食品科学与工程