自溶现象与机理研究进展

吴书建，刘小玲

（广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530000）

生物体在地球上生存直至消亡，都经历了物质的合成代谢和分解代谢的两个阶段，并在两个阶段中实现物质形态的转化，以维持地球物质平衡。自溶是发生在生物体消亡阶段的一种内在的反应和现象，在无外来干预的情况下可自发发生。自溶将生物的物质从有机质转化为无机质，从而维持了生态的平稳。这种自然现象的发生引起不少科研工作者的兴趣，例如海参自溶带来的海产损失和效益亏损：如解决海虾自溶后的肌纤维消失和食品品质下降：如利用自溶解决降低废弃物、废水的生物排放量问题等。为更好的了解自溶现象及其本质，了解影响自溶因素和实现自溶的有效利用和控制，本文围绕自溶现象、自溶影响因素、自溶机理等方面，对众多研究成果进行归纳整理，以期为科研工作者围绕自溶深入开展相关研究提供较为完整的基本信息。

1 自溶概述

“自溶”一词源起1985年，Babayan和Bezrukov将细胞死亡，胞内生物聚合体在水解酶作用下形成低分子量产物的水解反应定义为“自溶”（Autolysis）[1]。随着对自溶的深入研究，研究者发现自溶是几乎存在所有死亡后生物体中的一种全局化、不可逆反应。由于生物体间的差异，动物体的自溶、植物体的自溶、微生物体的自溶三者之间也存在一些差异。动物体的自溶主要为动物体死亡后，自身组织内的酶系受到生物、物理、化学等因素刺激而被激活，从而自发的将自身的组织结构破坏、降解引起组织细胞软化或液化的现象。植物体自溶则主要为植物果实的成熟过程和采摘后，果皮与果实中发生的酶促酶解，出现植物体的软化现象[2]。微生物的自溶主要是在胁迫环境下胞内酶释放，致使细胞裂解或者死亡的一种自我保护行为，并非在细胞死亡后发生[3]。生物体的自溶主要都为体内酶系发生酶促反应。

2 自溶机理

自溶是如何发生的？生物体自溶受何物质调控？影响因素如何？这些问题是解开自溶之谜的关键所在。为此，大量研究者开展了与此相关研究，围绕着自溶，目前普遍认为的自溶均来源于生物体自身内源酶系的激活和发挥作用。但不同的物种，其生物多样性导致其内源酶的复杂性，不同的生物，其内源酶的构成、激活方式和条件、以及外界对其刺激和干扰也不尽相同，导致其自溶的现象和效率千差万别。以下分别针对动物、植物和微生物的自溶机理研究展开论述。

2.1 动物机体自溶机理

动物体内存在与合成和分解相关的酶系，不同的酶分布于动物体的不同组织、器官及细胞器中，并发挥着不同的作用。动物的肝脏及消化系统具有多种分解相关的酶，动物机体自溶在死亡后启动，并从内脏开始，而后遍及动物体全身。动物体的自溶是由于体内的蛋白质、脂肪和糖水化合物被激活状态下的自身组织蛋白酶、肠酶、脂肪酶和磷酸酶等水解引起。针对动物体自溶，国内外学者主要研究对象多为家禽内脏及水产品方面，涉及了家禽、大眼鲷、蓝圆鰺、南美白对虾、南极磷虾、海参、贝类等动物，并集中于从自溶酶的角度进行研究。研究发现不同动物体中内源酶类有差异，起主要作用的酶也因动物体不同而存在差异。动物体中发生自溶并非单一某种酶起作用，而是多种酶的协同作用产生，同时受到外界条件的影响。由于动物体中内源酶系复杂多样，至今对自溶研究过程中的协同作用还需进一步进行探究。各种原料自溶相关的内源酶如表1所列。

表1 部分动物体引起自溶的相关内源酶系Table 1 Enzymes related with some animal＇s autolysis

续表1 部分动物体引起自溶的相关内源酶系Continue table 1 Enzymes related with some animal＇s autolysis

2.2 植物自溶机理

植物体的细胞大多拥有细胞壁，细胞壁可防止细胞之间相互吞没，同时植物体中又含有多种的细胞壁降解酶，当植物体生长环境不适宜或者植物体细胞受损时，植物体需要自发的“程序性细胞死亡”，细胞壁降解酶类便会通过破坏细胞壁中的肽聚糖和其他物质而破坏细胞构架，进而使细胞解体，即植物体自溶。植物体的自溶主要表现为果皮褐变和果肉快速软化、溶解流汁、腐烂，亦可称为“果皮自溶”和“果肉自溶”[2，15-16]。植物自溶酶类主要为多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）、纤维素酶 （cellulase，Cx）、果胶甲酯酶（pectinesterase，PME）、果胶裂解酶（pectate lyase，PL）、β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，β-Gal）、木葡聚糖转糖酶（xyloglycase，XET）。如荔枝、龙眼采摘后由于果胶和半纤维素的溶解作用和解聚作用而变软[17]。香蕉和木瓜因果皮褐变分解导致其质构发生变化[18]。针对植物体的自溶研究目前主要集中于水果采摘后的保鲜贮藏方面。

2.3 微生物自溶机理

大多数微生物为单细胞生物，微生物的自溶一般为其细胞受到环境的胁迫或者细胞衰老死亡而使得细胞自身溶酶体释放水解酶到细胞质中，导致细胞质内的物质被水解留下空壳或者裂解的一种自然降解过程[3]。根据自溶酶类及其发生的部位可将其细分为外自溶型（exo-type autolysis）和内自溶型（endo-type autolysis）[19]。根据发生方式则可分为诱导自溶（induced autolysis）和自然自溶（natural autolysis）[20]。如啤酒酵母在发酵过程中因为酒精等物质积累威胁其生长，迫于环境压力发生自溶而自我降解[19]。又如乳酸菌细胞壁具有对有害物质的吸附作用，当细胞壁被破坏后，自身便合成肽聚糖水解酶形成自我裂解死亡[21]。引发微生物发生自溶的主要酶类为蛋白酶、葡聚糖酶、磷酸脂酶和几丁质酶。目前关于微生物发生自溶的机理研究较少，还存在诸多领域有待研究。

3 自溶的生物化学变化

生物体自溶过程中，酶解反应的发生导致组织结构发生降解，在这个复杂的过程当中，涉及到了多种生物化学的变化。

3.1 动物体自溶过程中变化

动物体的自溶为组织结构被破坏降解，主要体现在肉质的变化。组织结构中大分子物质分解为小分子物质，在这个过程中化学物质变化最为明显。Sone[22]等研究死后大西洋鲑鱼体，得出其体内大部分化学成分变化由自溶引起。动物体的组织主要由蛋白质和脂肪组成，自溶酶系以消化系统中的蛋白酶类为主，因此在自溶过程中，蛋白质类物质从高度有序结构转变为无序的小分子，导致氨基态氮、三氯乙酸可溶性氮、总可溶性氮、游离氨基酸、水解度和游离脂肪酸等方面发生显著变化。众多研究表明，自溶过程中上述物质均随时间延长而增加，最后趋于平稳，但增加的速率根据动物体间自溶效果差异而存在不同。Zheng Jie[23]等通过响应面法试验设计得出温度48.3℃、pH4.43时海参内脏自溶效果最好，是获得寡肽的最佳条件。动物体死亡后经历僵直、自溶、腐败3个过程，3个过程并无准确时间界限，只有先后顺序，因此，在自溶过程中也相应伴随着ATP分解及分解产物的蓄积及其他微生物引发的腐败的代谢产物的变化。僵直延续至自溶过程中ATP降解途径为：ATP→ADP→AMP→IMP/AdR→HxR→Hx，在自溶过程中伴随着核苷酸类物质的变化[24]。

3.2 植物体自溶过程中变化

植物体的自溶主要为其细胞壁和细胞间质的降解，在水果中体现为果皮褐变、果肉软化等现象，这与细胞壁和细胞间质的变化密切相关，尤其是果胶和半纤维素的溶解作用和解聚作用[25]。植物细胞壁的骨架是半纤维素、纤维素果胶等。植物体自溶会引起果胶、纤维素、半纤维素、单糖等产生相应变化。研究发现果实自溶即为细胞壁多糖的长链发生非离子键解聚变成短链或小分子，同时发生水解导致可溶性成分增加。果胶降解成为水溶性果胶和果胶酸，细胞壁被破坏，最终导致软化；纤维素、半纤维素和单糖含量因细胞壁降解而下降。

3.3 微生物自溶过程中生物学变化

微生物自溶过程中的变化主要细菌和真菌两类加以分析。引起细菌自溶的自溶酶类通常被称为自溶素，主要为胞壁酸酶和肽酶。自溶素作用于细胞壁上的磷酸壁和糖醛酸磷酸壁，与其结合后间接导致细胞壁肽聚糖结构被破坏。细菌自溶过程中伴随着乙酰氨基反应物质和氨基酸等物质变化。真菌自溶酶类则与细菌不同，主要为蛋白酶、核酸酶、葡聚糖酶。研究表明真菌的细胞壁成分为蛋白质、多糖、脂质等。降解过程前期主要作用于壁上糖原，寡聚糖含量迅速上升，后期作用于蛋白质及核酸类物质，引起氨基酸、核糖组分缓慢上升。

4 影响自溶的因素

自溶的发生与生物体内的酶系密不可分，生物体的自溶几乎均来自于其自身酶解作用。无论何种生物体，自溶主要影响因素均为酶的种类，其次为非酶因素对酶的影响进而间接影响自溶效果，这些非酶因素中以温度和pH值为主。然而，在这些非酶因素中，又因动物体、植物体、微生物的不同而存在着差异。

4.1 动物体

一般情况下，活体动物体体温及其组织内pH值恒定，其组织内的酶受到温度和pH值的影响较大。当动物体死亡后，组织内的生理反应停止，各种化学变化发生，温度及pH值变化大，不同动物体中的酶类不同或者同种酶因动物体物种间的差异，存在不同程度的影响。故动物体自溶主要受到的影响因素为温度与pH值，同时，一些盐类也能影响动物体自溶。每一动物体的自溶均有其最适的温度与pH值，见表2。

表2 部分动物体自溶的最适温度与pH值Table 2 Autolysis temperature and pH of some animals

通过研究数据可得大多数的动物体自溶主要pH值范围为6～8，温度范围为40℃～65℃，小部分生物体自溶条件不在该范围内。

4.2 植物体

植物体自溶的主要表现为植物体果皮及果实的成熟及软烂，除酶类和温度及pH值等影响因素外，影响植物体自溶的因素还包括引起细胞壁降解的物质，即呼吸代谢产物乙烯、植物激素、活性氧。乙烯是植物呼吸产物中与植物果实成熟最密切相关的物质，目前市场上已经广泛使用乙烯利调控果实成熟度来影响多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶甲酯酶（PME）和纤维素酶活性进而控制果实软化。植物自身含有多种激素，激素之间的相互协同作用和抑制作用直接影响着果实的成熟与软化，已有研究表明脱落酸（abscisic acid，ABA）触发启动了跃变型果实番茄的成熟进程。另外，可通过活性氧清除剂维持果实体内活性氧体系平衡，减少活性氧加速果实老化与软化。

4.3 微生物

微生物的自溶表现为其受生长环境胁迫或自身细胞衰老，而温度、pH值、离子成分、渗透压、氧气供应等影响其生长与繁殖，故为其自溶的非酶影响因素。研究表明虎奶菇菌丝体自溶受到温度、pH值、渗透压、离子、氧气供应影响，其较佳自溶条件分别为40℃、pH 9.0、NaCl浓度3%～4%及无氧条件[29]。有研究者发现将一定浓度的蔗糖溶液加入至细菌培养物中可促进肽聚糖解体。

5 自溶的应用

自溶广泛存在于自然界的生物体中，研究表明，利用生物自溶技术，可从中获得目的产物，具有低成本、易操作、无污染等优点，将其充分利用可产生可观的经济效益。随着科学技术的进步，科研人员对生物体自溶的不断探索与深入研究，自溶已经在多方面中被人们所利用。

5.1 动物体自溶应用

动物体的消化系统中通常水分含量高、内源酶系丰富，极易发生自溶现象。近些年来，不少国内外科研工作者致力于研究动物体内自溶的有效控制和利用。如今在家禽及水产品的加工中已有相关应用，尤其在家禽、鱼、虾废弃物的回收利用中应用最为普遍，有较深的研究。

家禽及水产废弃物主要为内脏与其他副产物，这些废弃物中含有丰富的营养物质和内源酶系，如虾头占了全虾35%～45%，虾仁生产中，产生的虾头及虾壳废弃物产量巨大，而虾的内脏主要在虾头，60%的内源酶都存在于其中，并且虾头含有丰富的蛋白质资源、甲壳素资源等[30]。因此许多研究者将动物体自溶应用于废弃物中有益组分的回收利用。制备生物活性物质，如Samaranayaka[31]等通过自溶作用从太平洋无须鳕中提取得到抗氧化活性水解物：Cao[28]等通过响应面法得出在基质浓度23%、pH 7.85、温度50℃下，虾头自溶水解物得率高。营养成分的提取，如Sjaifullah，Achmad[27]等将虾头废弃物在pH 2的室温情况下自溶2 d，几丁质提取率为 14.7%；Senphan，Theeraphol[32]等从太平洋对虾胰腺中提取脂肪，在60℃，自溶时间从0 min增加到150 min，提取率从7.4%增长到了8.8%。蛋白质回收，Liu[33]等对比圆花鲭加工废弃物中蛋白质回收时，利用自溶技术明显优于添加外源酶酶解法。Intarasirisawat R[6]等研究大眼鲷鱼皮自溶发现在料液比 1∶7（g/mL）、温度 60℃、pH 7.5、无添加 0.001 mol/L大豆胰蛋白酶抑制剂（soybean trypsin inhibitor，SBTI）情况下，降解制备明胶效率高。此外，不少的虾油、虾酱制备中均利用到虾头自溶。

5.2 植物体自溶应用

植物体的组成结构不同于动物体，动物体自溶可以产生许多具有经济价值的营养物质，而植物体的自溶更多的是导致果皮及果肉的软烂，为此，在植物体的自溶方面，研究者们更多的是将重心放在自溶的控制，即通过控制果蔬当中自溶的发生，保证其新鲜度，延长其贮藏期限。果蔬的成熟软化过程极其复杂，当自溶发生后不仅明显改变果皮色泽、影响风味，同时还直接影响果实的品质和商品价值。众多科研工作者通过对植物体的组成和自溶过程的研究，如今已成功在许多方面达到了对果实成熟软化的控制。Escamez S[34]等总结自溶在植物生长过程中对组织的作用，得出自溶与植物生长密切相关，控制自溶可调控果实成熟软化。Smith[35]等将反义RNA技术应用于番茄的成熟控制，成功通过抑制PGmRNA的表达推迟了果实的成熟软化。Duan X[36]等研究表明羟基自由基会加速细胞壁多糖降解，导致龙眼果皮分解，通过羟基自由基清除剂降低活性氧浓度可以减缓龙眼软化。

5.3 微生物自溶应用

微生物自溶的利用主要表现在改善风味、提高酶解效率方面。微生物具有传代繁殖快、适应能力强的优点，而微生物的自溶可以产生改变风味的物质，将这两个优点相结合应用于食品生产具有显著的经济效益。将微生物自溶应用于食品生产已引起了许多科研工作者的兴趣。Cebollero E[37]等利用构建了csc1-1过表达的葡萄酒酵母进行自溶，提升了葡萄酒风味。Pillidge C J[38]等进一步研究发现是乳酸菌自溶释放的肽酶和脂肪酶将牛乳中蛋白质和脂肪分解而赋予干酪独特风味和促进成熟。

6 总结与展望

人们最初只是利用自溶来改善食品的风味，甚至有些领域为防止自溶引起的腐败变质而去对其进行抑制。随着研究者们对自溶的机理、影响因素、过程中生化变化等深入研究，不少研究者发现自溶是一类可以很好利用于食品加工的反应，它是生物体自发的自我降解，利用自溶可以很明显的降低食品加工中的酶制剂成本。如今自溶已被广泛的应用于食品领域，不少学者分别将其利用于各自生物种类的食品加工生产中，并将其工艺优化，已经产生了许多可观的经济效益。尤其是水产品方面，近些年来对自溶的研究取得的巨大突破，使得自溶成为了一项重要的产品开发技术，也成为了研究人员的科研热点。Senphan[32]等研究中已经表明在有无自溶60 min情况下从太平洋白对虾中提取获得的脂肪并无差异，但自溶60 min条件下提取率明显提高。自溶在食品产业的应用减少了外源的添加，提高经济效益、降低成本的同时还增加了食品加工中的安全性。另外，若能更好的了解自溶并进行控制，还可在水产保鲜方面取得重大突破。自溶在食品行业中的应用具有广泛的发展前景。

自溶的发生受到自身酶系、环境因素等共同作用的影响，是一个复杂的过程。研究生物体自溶时既需要考虑内因，如内源酶种类、生物体体内环境因素等，又要考虑外因，如自溶外界环境的温度、pH值等，因此，对自溶过程的研究还有待进一步深入了解。对自溶的机理已有较多研究，然而却未有能完全解释清楚自溶过程的相关研究。在已有的研究成果上我们可以对自溶进行利用，但是对自溶的更深入研究依然需要科研人员不断探索。

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