转谷氨酰胺酶改性可食用膜的研究进展

吴进菊，于博，豁银强，汤尚文

（湖北文理学院化学工程与食品科学学院，湖北襄阳441053）

塑料由于价格便宜，并且具有良好的功能性（如良好的柔韧性、抗拉强度、隔绝氧气和芳香化合物的特性、热稳定性以及水蒸气转移速率低等），被广泛用作包装材料。但是，随着人们环保意识的增强，环境与包装已成为世界关注的焦点问题，塑料包装带来的白色污染问题越来越受重视。许多学者都致力于可生物降解膜的研制，以取代不可降解的塑料包装。其中，可食用膜由于能被生物降解和再生、无毒、可有效地延长食品贮藏期等优点而引起人们的广泛关注。虽然目前可食用包装还无法完全取代塑料包装，但是可广泛用于食品的内包装和涂膜保鲜，因此受到学者的广泛重视，具有非常广阔的应用前景。

在可食用膜的制备中，常采用物理法、化学法和酶法交联蛋白质，改善膜的网络结构，从而提高蛋白膜的特性。化学法由于安全性低、特异性差等缺点受到很大的限制，而酶法具有特异性较高、所需条件温和、不会产生有毒物质等特点备受关注。目前，酶法改性制备可食用膜研究最多、最深入的是转谷氨酰胺酶。转谷氨酰胺酶的交联作用可有效改善可食用蛋白膜的抗拉强度、断裂伸长率、阻水性、阻油性、透氧系数等。1987年，Motoki首次采用转谷氨酰胺酶制备αs1-酪蛋白膜，从此拉开了转谷氨酰胺酶改性可食用膜研究的序幕。随后，许多学者将转谷氨酰胺酶用于改性大豆蛋白可食用膜、乳清蛋白可食用膜、明胶可食用膜和复合膜等，取得了较大的研究成果。

1 转谷氨酰胺酶交联蛋白的机理

转谷氨酰胺酶（Transglutaminase，TG，E.C.2.3.2.13），可催化转酰胺基反应，从而导致蛋白质（或多肽）之间发生共价交联形成共价化合物的聚合。TG最早是在1959年由Waelsh等从豚鼠肝脏中提取出来的，随后，人们在其他动物组织和植物组织中也发现了TG，但是由于含量较低，并且提取工艺复杂，严重制约了其在食品工业中的应用。直到1989年日本学者Ando成功地从土壤中分离出产转谷氨酰胺酶的微生物后，转谷氨酰胺酶的来源得到充分保障，并且随着微生物来源的TG的开发，TG已广泛应用于焙烤制品、肉制品、乳制品、植物蛋白制品中。

转谷氨酰胺酶交联蛋白的机理如下[1]：

（1）TG可催化在蛋白质及肽键中的谷氨酰胺残基γ－羰基和伯胺之间的酰胺基转移反应（见图1），利用该反应可将氨基酸、多肽、蛋白质与同种或异种蛋白质发生共价交联作用。

（2）TG可催化谷氨酰胺残基γ－羰基和赖氨酸残基的ε－氨基之间的酰基转移反应时，使蛋白质在分子内或分子间形成ε－（γ－谷氨酰胺基）赖氨酸共价键（见图2），从而导致蛋白质分子内或分子间的交联。

图1 酰胺基转移反应Fig.1 Amide group transfer reaction

图2 谷氨酰胺残基和赖氨酸残基的交联反应Fig.2 Cross linking of glutamine residues and lysine residues

2 转谷氨酰胺酶改性对可食用膜特性的影响

目前，TG已广泛用于各种蛋白的交联中，如乳蛋白、小麦醇溶蛋白、大豆蛋白、胶原蛋白、花生蛋白、卵白蛋白等[2－5]，从而大大地改善了蛋白质的功能特性。据此，许多学者将TG应用于可食用膜的制备，利用TG对蛋白质的交联作用，改善可食用膜的特性，取得了较好的效果。

2.1 TG改性对大豆蛋白可食用膜的影响

由于大豆蛋白价格较低、成膜性好、口感好并具有较高的营养价值，因此成为制作蛋白可食用膜的主要材料，受到学者的广泛重视。TG能催化大豆蛋白发生交联作用，因而能大大地改善大豆蛋白可食用膜的特性。

Tang等采用甘油和山梨醇为增塑剂制作大豆分离蛋白（SPI）可食用膜，研究发现当TG添加量为4 U/g SPI时，膜的抗拉强度和表面疏水性分别提高了10%～20%和17%～56%，水分含量、断裂伸长率和透明度显著降低，但是透湿性和总可溶性物质没有明显改变。扫描电镜结果显示，与对照膜相比，经TG改性的SPI膜表面更粗糙，但是膜的断裂面更均匀、紧密[6]。Jiang等研究了加工参数对TG改性SPI膜的性能影响，结果表明采用低浓度TG、碱性pH范围的成膜液和较低的空气干燥温度时，可能有利于改善SPI膜的特性，特别是机械性能和疏水性[7]。另外，在相对湿度相同的情况下，TG改性SPI膜比对照膜的水分含量更低，但耐热特性基本不变[8]。利用TG生产的大豆蛋白食用保鲜膜有较好的水蒸汽阻隔性能和隔油性，能达到食品保鲜的要求，可用于多种食品的保鲜，由于其透油率很低，特别适用于含油较多的食品，如面包、蛋糕、方便面和调料等[9]。

此外，姜燕等研究了增塑剂对大豆分离蛋白成膜特性的影响，研究结果表明，增塑剂的种类（甘油、山梨醇或甘油山梨醇的等量混合物）对大豆分离蛋白膜的性能有明显影响。无论是否添加TG，以山梨醇为增塑剂的膜都具有最高的抗拉强度、表面疏水性和总可溶性物量，最低的断裂伸长率、水分含量和透光率。经TG处理后，SPI膜的抗拉强度和表面疏水性显著增加，同时改性膜的断裂伸长率、水分含量、总可溶性物量及透光率明显降低[10]。

2.2 TG改性对乳清蛋白可食用膜的影响

乳清蛋白是干酪生产的副产物，具有较高的营养价值，且成膜性较好，已广泛用于可食用蛋白膜的制备。TG可催化乳清蛋白发生交联反应，因此可用于乳清蛋白的改性制备可食用膜，大大改善膜的性能。但是乳清蛋白不是TG的良好作用底物，因此在制备膜的过程中可将乳清蛋白加热变性和加入还原剂，提高乳清蛋白的交联度。

韩翠萍等初步研究了利用TG制备乳清浓缩蛋白膜的成膜条件，结果表明，膜的最佳干燥温度为室温20℃，乳清浓缩蛋白浓度为12%，甘油浓度为4%，TG添加量为20 U/g，成膜较为理想[11]。卢蓉蓉等采用TG改性乳清蛋白制备可食用膜，膜的透湿系数和透氧系数分别降低了47%和44%，变性温度升高，表面疏水性增大。研究进一步发现经TG交联后形成了新的二硫键，有助于增加分子的有序性，使分子排列更为紧密，膜的超微结构更加细致、光滑，这些分子结构的改变进一步改善了可食用膜的通透性能[12]。

2.3 TG改性对明胶可食用膜的影响

近年来，随着TG改性食物蛋白可食用膜研究的进一步开展，明胶可食用膜的研究也越来越多，并取得了较大的研究成果。

姜燕等研究发现TG改性的明胶可食用膜抗拉强度提高了25.6%，断裂伸长率提高了16.3%，表面疏水性显著提高，总可溶性物和水分含量显著降低，而透光率变化不大[13]。丁克毅等研究发现，在一定范围内，增加TG的用量有利于提高明胶薄膜的抗张强度和韧性，同时降低其水溶性和吸水性，其最佳的工艺条件如下：明胶浓度10%，丙三醇浓度3%，TG加入量16 μ/g，成膜液铺开后35℃下静置反应24 h使其成膜，最后在95℃下放置10 min使酶失去活性[14]。随后，该作者在此研究的基础上，通过在成型工艺中进一步采用室温干燥和湿态二次定向处理的方法，获得了抗张强度达18.3 MPa，韧度达8.4 J/cm2的可食性明胶薄膜。虽然经过进一步的工艺改进，但与合成的食品包装薄膜相比，机械性能仍然存在一定的差距。研究发现，在配料中添加质量分数2%的聚乙烯醇（PVA）并采用相同的成型工艺，所制备明胶薄膜的抗张强度达到23.5 MPa，韧度达到10.8 J/cm2，这种高机械性能的明胶薄膜完全可以替代合成包装材料。生物降解性实验表明，在被质量分数0.5%的Alcalase碱性蛋白酶作用4 h后，不含PVA的可食性明胶薄膜的降解率可达99.2%，含PVA明胶薄膜的降解率也达到了97%[15]。

2.4 TG改性对复合可食用膜的影响

复合可食用膜是由蛋白质、多糖和脂肪中的两种或两种以上物质经过一定的处理而形成的膜。由于复合膜各成分性质不同，因而在功能上可以互补，膜的性能更好，因此，复合可食用膜已成为又一个研究热点。

Chambi和Grosso采用酪蛋白和明胶制备可食用膜，研究发现，当酪蛋白和明胶加入量的比值为75∶25时，转谷氨酰胺酶作用能显著地提高膜的抗拉强度、阻水性和断裂伸长率[16]。Pierro等在制作壳聚糖-卵白蛋白复合膜时发现，采用TG改性的复合膜厚度为（76.38±9）μm，对照膜为（92±8.6）μm。改性后复合膜的抗拉强度由24 MPa提高到35 MPa，溶胀率降低，并且阻水性稍有提高[17]。另外，康旭等也采用TG制作壳聚糖-卵清蛋白复合膜，研究发现采用5%卵清蛋白溶液和1%壳聚糖的混合溶液加入2%甘油，加入TG酶0.08%，于40℃保温30 min，冷却后铺膜，制得的膜机械性最好[18]。同样地，当加入TG交联后，果胶-大豆粉复合膜的抗张强度显著提高，而弹性下降，扫描电镜显示改性后复合膜的表面更光滑、更均匀[19]。姜燕等研究了果胶、卡拉胶、魔芋胶及黄原胶4种多糖对TG改性SPI膜性能的影响，结果显示，随着多糖浓度的增加，复合膜的抗拉强度和表面疏水性明显增加，而断裂伸长率和透光率明显下降，但是四种多糖对膜的每一特性的影响作用大不相同，在实际应用中，可以根据不同的需要加以选择。多糖能抑制TG诱导的聚沉反应，使TG催化的交联反应始终发生在一个均相的体系中，因而取得比较好的效果[20]。

3 展望

可食用膜具有安全无毒、可生物降解等特性，可广泛用于食品的贮藏保鲜和包装，有效延长食品的贮藏期，作为包装材料替代塑料包装，具有环保特性，将成为包装行业未来发展的重要方向。由于采用天然蛋白质制备的可食用膜在某些特性上存在一定的不足，如阻水性差、环境湿度较大时阻氧性差等，因此严重制约了蛋白质可食用膜在食品工业中的应用。

TG可催化多种蛋白质形成分子内或分子间交联，如大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、胶原蛋白、小麦醇溶蛋白、花生蛋白、卵白蛋白等。因此，近年来，许多学者将TG用于改性可食用蛋白膜和复合膜，改善膜的特性。随着微生物来源的TG的不断发展，TG已形成商业化生产，从而进一步推动了TG改性可食用膜的研究。改性后的可食用膜抗拉强度、阻水性和断裂伸长率等特性显著改善，具有非常广阔的应用前景。

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