王書平，劉俊華,2

（1.濱州學院生命科學系，山東 濱州 256603；2.山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，山東 濱州 256603）

谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶（Transglutaminase）又稱轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，系統(tǒng)名稱為蛋白質(zhì)-谷氨酸-γ-谷氨酰胺基轉(zhuǎn)移酶（EC2.3.2.13，TGase）[1]，是一種催化?；D(zhuǎn)移反應(yīng)的轉(zhuǎn)移酶，能催化蛋白質(zhì)分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)、蛋白質(zhì)和氨基酸之間的連接以及蛋白質(zhì)分子內(nèi)谷氨酰胺基的水解，從而改善蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能特性并能通過引入賴氨酸而提高蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值?？梢愿纳剖称方Y(jié)構(gòu)、溶解性、起泡性、乳化性、流變性等。其在生物醫(yī)藥、紡織、化妝品等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。1957年Clarke等人第一次提出TGase一詞，用來描述豚鼠肝臟的促使酞基轉(zhuǎn)移酶的活性，此后在微生物、植物、無脊椎動物、兩棲動物、魚類、鳥類中都發(fā)現(xiàn)了TGase。

1 谷胺酰胺轉(zhuǎn)胺酶的種類

不同來源的谷胺酰胺轉(zhuǎn)胺酶其性質(zhì)也有所不同。根據(jù)來源主要分為兩大類，其性質(zhì)也有所差異。

1.1 來自微生物的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶

來自微生物的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶其摩爾分子量為 23～40（×103），球狀構(gòu)型，單聚鏈，331 個氨基酸構(gòu)成，活性中心包括帶有自由硫巰基的Cys殘基分泌型蛋白質(zhì)，親水性，但有疏水性部分分散在序列中，被安置在酶表面的親水區(qū)，其對酶活性的影響尚未發(fā)現(xiàn)。活性不依賴于Ca2+序列。最適pH 6.0～7.0，最適溫度 50℃。PCMB，NEM，MIA，pb，Zn，Cu 抑制酶活性，EDTA無影響，其它金屬對酶活性無明顯影響。等電點8.9，較為穩(wěn)定，經(jīng)過離心和過濾后的濾液在－20℃時可以貯存幾個月而酶活性平均損失才10%，重復溶解和冷卻，并不明顯增加酶活性的損失，經(jīng)過純化后的酶更為穩(wěn)定。

1.2 來自動物肝臟組織的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶

來自動物肝臟組織的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶：其分子量為 70～90（ ×103），分為Ⅰ、Ⅱ兩型，單聚鏈，468～479個氨基酸構(gòu)成，活性中心也包括一個Cys殘基，Ⅰ型和Ⅱ型功能區(qū)非常相似，但其余部分并不全部相同。等電點4.5，其熱穩(wěn)定性、pH值、溫度、對底物的要求等均不同于微生物谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶，且不同肝臟或組織的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶其性質(zhì)也并不完全相同，但其活性中心均依賴Ca2+。此外，植物組織中也發(fā)現(xiàn)此酶，對其研究目前還較少。

2 谷胺酰胺轉(zhuǎn)胺酶的作用機理

谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶是一種催化酰基轉(zhuǎn)移的酶，能夠催化肽鏈中谷氨酰胺殘基的γ-羧酰胺基（酰基供體）與?；荏w之間進行酰基的轉(zhuǎn)移。如圖1，?；荏w有3種。一是當伯胺基為?；荏w時。形成蛋白質(zhì)分子和小分子伯胺之間的連接，該反應(yīng)可將一些限制性氨基酸（如甲硫氨酸、賴氨酸），引入蛋白質(zhì)以提高其營養(yǎng)價值[3]。二是當多肽鏈中賴氨酸殘基的ε-氨基為酰基受體時。在蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間形成ε-（γ-谷氨基）賴氨酸異肽鍵（G-L鍵），使蛋白質(zhì)發(fā)生交聯(lián)，改善蛋白質(zhì)的溶解性、起泡性、乳化性、流變性等多種性質(zhì)，從而改變食品及其它產(chǎn)品的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，進而賦予產(chǎn)品特有的質(zhì)構(gòu)特性和粘合性能。三是無伯胺存在時，水充當?；荏w。谷氨酰胺殘基發(fā)生水解，進行脫酰胺，生成谷氨酸和氨，該反應(yīng)可改變蛋白的等電點和溶解度。并且產(chǎn)物谷氨酸可以增強食品的風味[4]。但是TGase的脫酰胺活性，僅限于一些含有大量的谷氨酰胺并含有非常少的賴氨酸的蛋白質(zhì)，如麩質(zhì)等。因此對于大多數(shù)蛋白而言，必須通過化學試劑將賴氨酸殘基封閉，以抑制交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生，進而發(fā)生脫酰胺反應(yīng)。因為沒有安全和適合的封閉試劑，脫酰胺反應(yīng)沒有在食品工業(yè)中應(yīng)用[7]。通常，脫酰胺作用的速度要比前兩種的反應(yīng)速度要慢[8]。在這3種反應(yīng)中，僅有交聯(lián)反應(yīng)能夠修飾蛋白的功能特性。

圖1 谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的催化反應(yīng)

此外，有研究表明轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化蛋白質(zhì)形成聚合物的交聯(lián)程度與酶的來源和底物蛋白的構(gòu)象有關(guān)[9]。Nonaka等[10]研究證明，微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶其催化活性較豚鼠肝臟轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶高。Soeda等[5]同樣指出不同魚種類的內(nèi)源轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶對所形成的魚肉膏的品質(zhì)有不同的影響。轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的作用有一定的限制性，并不是所有包含有Glu和Lys殘基的蛋白質(zhì)分子間就可形成交聯(lián)聚合物。已報道的良好底物蛋白有酪蛋白、肌球蛋白、乳清蛋白、大豆、蛋白、小麥蛋白等。利用該酶研究不同蛋白質(zhì)之間是否能形成聚合物，發(fā)現(xiàn)底物蛋白質(zhì)的熱力學相合性影響著其交聯(lián)反應(yīng)，也就是說與底物蛋白質(zhì)在酶活性部位上的熱力學相合性有關(guān)，熱力學不相同則使蛋白不能在酶催化部位相互重疊，兩兩之間不能反應(yīng)，例如親水蛋白和疏水蛋白相斥也就引起熱力學不相合；另外蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)象和Lys、Glu殘基部位也影響異原聚合物的形成。

3 谷氨酰胺酶轉(zhuǎn)胺酶的生產(chǎn)方法

國外對谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的研究較多也較為深入，而我國則報道很少。已報道的制備方法主要有兩種。

3.1 動植物組織提取法

Folk等[6]在動植物組織中發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶，并通過離子交換、過濾、層析等分離純化過程得到純化了230倍的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶，60年代以來，來源于動植物組織的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的生產(chǎn)提取過程及其應(yīng)用已被廣泛研究。商業(yè)用谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶主要是從豚鼠肝臟中提取，由于豚鼠肝臟來源少，分離純化過程復雜，導致其價格昂貴（80 A軒/u），而從魚及植物組織中提取的研究仍處于初級階段。以豚鼠肝臟為原料，經(jīng)分離萃取而得。其一般工藝流程為：豚鼠肝臟→均漿→離心→二次離心→過濾→季銨乙基→交聯(lián)葡聚糖離子交換→羥基磷灰石吸附→親合力層析→肝臟TG。

3.2 微生物發(fā)酵法

上個世紀80年代末，利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶見諸報道。1989年，Ando，Motoki等[7]報道用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶。只要篩選到合適的產(chǎn)谷氨酰胺酶的微生物就可以通過傳統(tǒng)的發(fā)酵技術(shù)大規(guī)模的生產(chǎn)。微生物發(fā)酵法原料廉價，大幅度降低了生產(chǎn)成本，是最有希望進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的手段。故國內(nèi)外學者對該法表現(xiàn)出很大的興趣和熱情。其工藝流程為：發(fā)酵液→離心→取上清液→超濾→取濃縮液通過CG-50離子交換樹脂→收集活性部分→再次通過CG-50離子交換樹脂→收集活性部分→稀釋（降低導熱性）→通過藍瓊脂糖柱→MTG（被活化了174倍）。

4 谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的應(yīng)用前景

谷氨酰胺酶在食品、醫(yī)藥（研究癌細胞方面）、紡織（如改善羊毛制品性能）等方面都有廣闊的應(yīng)用前景[8]，其中在食品行業(yè)應(yīng)用最受關(guān)注。

4.1 在肉制品中的應(yīng)用

肌球蛋白和肌動蛋白是肌肉的重要組成成分，是谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶作用的良好底物。在肉制品加熱時，彼此間能夠形成二硫鍵，對維持肉制品的保水性和粘彈性等方面起著重要的作用。在肉制品中加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶，經(jīng)催化反應(yīng)在肌肉蛋白質(zhì)分子間形成的共價鍵的作用力遠遠大于二硫鍵，能使蛋白質(zhì)更緊密地結(jié)合在一起，形成致密的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯著提高了產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)、改善了肉制品品質(zhì)、增加了產(chǎn)品的附加價值。

4.2 在乳制品中的應(yīng)用

乳制品中的酪蛋白、乳清蛋白、乳球蛋白等是谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶作用的良好底物，所以谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶在乳制品加工中具有很高的應(yīng)用價值。牛乳酪蛋白是重要的食品蛋白質(zhì)，在許多食品的加工中，加入酪蛋白可以改善產(chǎn)品的品質(zhì)[9]。經(jīng)過谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶改性后的酪蛋白，在功能性質(zhì)方面得到顯著增強，是優(yōu)良的食品添加劑，可應(yīng)用于焙烤食品、冰淇淋，也可作為脂肪的替代物，用于香腸、重組肉制品、魚制品。

4.3 在水產(chǎn)品中的應(yīng)用

魚肉在低溫下可形成凝膠，這與其內(nèi)源性谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的含量有關(guān)。新鮮的魚含有較多的谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶，可以生產(chǎn)出高品質(zhì)的魚凝膠制品，但經(jīng)過冷凍貯藏后的魚，其內(nèi)源性谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶的含量隨新鮮程度的下降而減少，因此可以通過加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶提高一些產(chǎn)品的凝膠強度，加工出品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品。

4.4 在小麥及大豆制品中的應(yīng)用

經(jīng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶作用后的面團在筋力、穩(wěn)定性及粘彈性方面都有較大的改善，加工面包時加入該酶，可以明顯增大面包的體積，使其質(zhì)地均勻，減少切片時碎屑的產(chǎn)生，并有效防止面包的老化，延長保質(zhì)期。谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶可以減少方便面的吸油率，從而減少方便面的熱量，同時減少油炸時油的消耗量。

5 展望

谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶作為一種應(yīng)用廣泛的新型酶制劑，其研究開發(fā)前景十分廣闊。隨著技術(shù)的成熟與工藝的發(fā)展，酶的制備成本不斷下降。其獨特的功能特性，受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，尤其日本、丹麥、荷蘭等國家投人了大量的人力、財力進行研究與開發(fā)[10]。日本已推出了商品化的食品級谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶制劑。因此，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，研究的深入，產(chǎn)酶菌種的優(yōu)化，生產(chǎn)工藝的改進，酶提取工藝的發(fā)展，谷胺酰胺轉(zhuǎn)胺酶的研究及應(yīng)用也將更加廣泛而深入。

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