張夢玲，張晉，熊善柏，趙思明，劉茹，*

（1.華中農業(yè)大學食品科技學院，湖北武漢430070；2.國家大宗淡水魚加工技術研發(fā)分中心，湖北武漢430070）

轉谷氨酰胺酶及其在魚糜制品加工中的應用

張夢玲1，2，張晉1，2，熊善柏1，2，趙思明1，2，劉茹1，2，*

（1.華中農業(yè)大學食品科技學院，湖北武漢430070；2.國家大宗淡水魚加工技術研發(fā)分中心，湖北武漢430070）

通過比較分析魚內源性轉谷氨酰胺酶（Fish endogenous transglutaminase，F(xiàn)TGase）和微生物來源的轉谷氨酰胺酶（Microbial transglutaminase，MTGase）的性質和作用機理的異同。在此基礎上探討影響轉谷氨酰胺酶（Transglutaminase，TGase）作用的因素（熱處理方式、酶活促進劑、酶活抑制劑）及在魚糜制品加工中的應用（改善凝膠特性、提高營養(yǎng)價值、提高持水性），并對TGase在今后的研究方向進行了展望，以期為TGase在魚糜制品加工中的開發(fā)利用提供參考。

轉谷氨酰胺酶；魚糜；凝膠；影響因素；應用

轉谷氨酰胺酶（Transglutaminase，TGase）可催化酰基轉移反應，促進蛋白質分子間或分子內的共價交聯(lián)[1]，提高蛋白質熱穩(wěn)定性[2]及膠凝性質[3]。早在20世紀50年代，就有學者從動物組織中提取分離出TGase，1989年日本味之素公司將動物性來源的TGase投放市場，1992年Ando發(fā)現(xiàn)鏈霉菌屬中的其他一些菌株也能產生TGase，并對發(fā)酵過程進行了優(yōu)化，使得該酶的產量有了大幅度提高，從而為食品工業(yè)利用此酶創(chuàng)造了條件。

魚糜凝膠性能是衡量其品質的一個重要指標，為改善其凝膠性能，常添加磷酸鹽、非肌肉蛋白、淀粉、親水膠體等。然而磷酸鹽過量攝入會降低鈣的吸收，導致人體骨骼組織中鈣的流失[4]。非肌肉蛋白中，谷朊粉會使凝膠變得硬而脆，降低凝膠彈性[5]；大豆分離蛋白易導致魚糜制品白度下降而偏黃[6]。添加淀粉的魚糜制品在常溫下較黏，冷藏后變得又硬又脆，缺乏柔韌感[7]；黃原膠雖能提高魚糜嫩度和白度，但不能改善凝膠特性；結冷膠易與高價金屬離子結合，導致魚糜顏色偏暗[8]；當pH值小于7.0，魔芋膠需要與碳酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鉀、氫氧化鉀等聯(lián)合使用，否則不能發(fā)生脫乙?；磻焕谀z的形成[9]。而TGase能改善上述添加物在魚糜制品加工中的局限，以其獨特的優(yōu)勢在魚糜制品中應用的越來越廣泛。

1 魚糜制品加工中常見TGase的種類和性質

魚內源性轉谷氨酰胺酶（Fish endogenous transglutaminase，F(xiàn)TGase）和微生物來源的轉谷氨酰胺酶（MTGase）是魚糜制品加工中常見的兩種TGase，其來源不同，性質存在很大的差異。FTGase普遍存在于魚的肝臟、肌肉、魚卵等中（見表1）。其分子量一般在66 kDa～95 kDa，活性中心均包含一個Cys-His-Asp或者Cys-His-Asn的三分子序列[10]。在酰胺轉移反應過程中，F(xiàn)TGase活性中心的半胱氨酸的硫醇與谷氨酸殘基形成硫代硫酯中間體，然后酰胺基團轉移到賴氨酸殘基上[11]。具有催化活性的半胱氨酸位于兩個色氨酸橋接形成的疏水性通道中，谷氨酸從疏水性通道的一端接近活性半胱氨酸，賴氨酸從另一端靠近催化活性半胱氨酸并形成穩(wěn)定的反應四面體，保持在疏水性通道中形成異肽交聯(lián)鍵[12]。隨著ε-（γ-Gln）-Lys異肽交聯(lián)鍵的形成，疏水性通道打開形成一個連續(xù)性的凹槽以釋放形成的產物[13]。FTGase在未被激活狀態(tài)下，“色氨酸橋”阻止反應底物進入疏水性通道，當與Ca2+綁定后，發(fā)生形變，結構顯著擴展[14-15]，打開控制底物與活性中心接觸的兩個疏水性色氨酸殘基，其活力才能被激活[16]，故FTGase需要Ca2+激活。另外，F(xiàn)TGase含量少，提純工藝復雜，生產成本高，因此很少提純后用于工業(yè)生產，主要通過調節(jié)工藝條件激活FTGase來提高魚糜的凝膠性能[17]。

MTGase為球狀單體蛋白，分子量為23kDa～45kDa，多數為40 kDa左右，約為FTGase的一半。其二級結構含22%α-螺旋和33.1%β-折疊，存在兩個糖基化位點（-Thr-Xxx-Asn-），具有高度的親水性，在蛋白質分子的邊緣有一個很深的裂縫，酶活中心的Cys殘基位于裂縫的底部。這種位置安排即使沒有Ca2+條件下，MTGase也可充分接觸溶劑，催化底物快速反應[28-29]。TGase作用的良好底物如肌漿蛋白易被Ca2+沉淀，MTGase不需要Ca2+激活的特性使其在食品加工中具有更顯著的優(yōu)勢[30]。并且MTGase屬于胞外酶，易于分離純化，還具有較高的熱穩(wěn)定性和抗凍能力，40℃處理10min后活性無顯著性變化，即使在50℃處理10min后仍有74%的殘余酶活性[29]；在-20℃下保存數月酶活僅損失10%，并且經過純化處理后穩(wěn)定性更強，其適宜的pH值為6.0～7.0[30]。與FTGase相比，MTGase底物特異性低，對Ca2+無依賴性，催化活力、親水性和熱穩(wěn)定性都較強，pH范圍廣[29]，且其來源廣、生產成本低[31]，這些性質決定了MTGase在食品工業(yè)中的廣泛應用，目前MTGase主要來源于輪枝鏈霉菌[28]。

表1 不同魚種來源的的轉谷氨酸酰胺酶的性能Table1 TGase properties from different fish species

2 TGase作用機理

TGase是一種轉酰胺酶，在催化反應中肽鏈上谷氨酰殘基的γ-酰氨基是?；w，而?；荏w可以為賴氨酸的ε-氨基、伯胺和水3類（見表2），據此可將反應歸為3類：（1）蛋白質交聯(lián)反應。當底物中存在Lys殘基時，TGase催化Gln殘基的γ-羧酰胺基與Lys殘基的ε-氨基反應，生成ε-（γ-Gln）-Lys異型肽鍵，使蛋白質發(fā)生分子內或分子間交聯(lián)反應，改善魚糜制品的凝膠強度和持水性[2]。（2）?；D移反應。當底物中不存在Lys殘基，但存在伯氨基時，TGase催化Gln殘基的γ-羧酰胺基轉移到伯氨基的R基團上，發(fā)生?；D移反應[32]。利用該反應可以使蛋白質連接一些限制性氨基酸，從而提高食物蛋白質的營養(yǎng)價值。（3）脫酰基反應。當底物中既沒有Lys殘基，也沒有伯氨基時，TGase催化Gln殘基的γ-羧酰胺基與水反應，脫去酰胺基生成谷氨酸殘基。該反應可以改變蛋白質的等電點、溶解度等[29-30]，并且因為生成谷氨酸殘基，還可起到改善魚糜制品風味的作用[33-34]。雖然3種催化反應同時進行，但以蛋白質交聯(lián)反應速率遠遠大于?；D移和脫?；磻俾蔥2]，故TGase催化反應以蛋白質交聯(lián)反應為主，這一性質有利于魚糜形成熱穩(wěn)定性不可逆凝膠。

表2 TGase催化反應及其對魚糜制品功能特性的影響Table2 Reactions catalysed by TGaseand itsm echanism sof action inm odifying the functionalpropertiesof surim iproductions

3 影響TGase作用效果因素

3.1 熱處理方式

TGase的作用效果不僅與作用溫度有關，還受底物蛋白分子的展開程度的影響。一般而言，TGase在37℃～40℃下活力高，短時間（1 h）凝膠化處理就可獲得高程度的異肽交聯(lián)[34]。與此同時，肌球蛋白對溫度比較敏感，低溫下肌球蛋白分子構象也會發(fā)生變化。因此適當延長中低溫凝膠化時間（0 h～8 h），肌球蛋白分子逐漸伸展，TGase與底物蛋白的作用位點增加，可提高TGase共價交聯(lián)的程度[35]。

3.2 TGase活性促進劑

Ca2+對FTGase具有很好的激活作用，而對MTGase影響較小。在魚糜制品加工中常添加的鈣鹽有乳酸鈣、檸檬酸鈣、硫酸鈣、酪蛋白酸鈣、CaCl2等[36]。對于阿拉斯加鱈魚來說，添加0.05%醋酸鈣或CaCl2即可獲得最佳的凝膠性能，而對于溶解度較差的乳酸鈣則需0.1%的添加量，說明鈣鹽溶解性越好對魚糜凝膠的增強效果越顯著[36]。隨后不少學者選用溶解度較好的CaCl2，研究離子態(tài)鈣對魚糜及魚蛋白凝膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)10mmol/kg～20mmol/kg的CaCl2可激活FTGase，催化MHC之間的共價交聯(lián)，但當CaCl2濃度達到50mmol/kg時會增大其空間位阻，導致MHC交聯(lián)受阻，抑制凝膠形成[37]。鈣鹽對魚糜凝膠性能的增強作用也會因魚種而異，對于阿拉斯加鱈魚來說，添加0.1%乳酸鈣其凝膠特性最佳，而對于太平洋鱈魚而言，則需添加0.2%乳酸鈣[38]。綜上分析可知，目前對于鈣鹽及其復合物對FTGase的影響主要是從離子態(tài)鈣的影響角度來分析的。魚骨等新型天然鈣源的開發(fā)，對副產物的高效利用和減少環(huán)境的污染具有重要意義。魚骨鈣大多以羥基磷灰石存在且與膠原蛋白有機結合，溶出量甚微。目前主要以酸水解法[39]、酶水解法[40]、高壓處理[41]促進魚骨中鈣的溶出。團隊前期研究發(fā)現(xiàn)對魚骨進行微?；幚硪彩谴龠M鈣釋放的手段之一[42]。當魚骨粒徑為微米級時，不僅不能改善魚糜的凝膠性能，反而阻礙魚肉蛋白網絡的形成[43]。當魚骨粒徑將至納米尺寸時，魚骨鈣可激活FTGase，進而改善魚糜的凝膠性能[44]。進一步探究發(fā)現(xiàn)，與CaCl2相比，納米魚骨中僅有少部分鈣是以離子態(tài)的形式存在，對FTGase的激活效果相對較弱，但其對魚糜凝膠性能的提高效果卻優(yōu)于CaCl2[45]，推測存在如下兩個方面的原因：（1）微?；~骨的小尺寸效應，特別是當魚骨粒度降至納米級別時，由于尺寸區(qū)域而展現(xiàn)出不同于宏觀材料的理化性質；（2）魚骨鈣賦存形態(tài)的轉化，在加熱過程中，微?；~骨可能存在著鈣的游離態(tài)與結合態(tài)之間的轉化平衡。

此外，二硫蘇糖醇（DTT）、半胱氨酸、亞硫酸鹽，可以改變蛋白質空間結構，使其更利于TGase催化交聯(lián)[46]，β-巰基乙醇也可以增加TGase酶活，然而，β-巰基乙醇有劇毒，僅用于機理研究。

3.3 TGase活性抑制劑

金屬離子中Zn2+、Cu2+、Pb2+對TGase有很強的抑制作用，而Ni2+、Co2+、Fe2+可中度抑制TGase活性[29]，這些金屬離子因不同程度地束縛了半胱氨酸的硫醇基團而降低TGase的活性[47]。N-甲基順丁烯亞胺（NEM）、NH4Cl（AC）、乙二胺四乙酸（EDTA）對TGase活性也具有抑制作用，NEM阻斷TGase活性中心Cys殘基上的活性巰基，AC能通過提高NH4+濃度直接抑制TGase催化的?；D移反應。EDTA通過兩種機制抑制TGase活性：（1）作為巰基烷化劑，能與TGase活性位置的巰基反應使之烷化，進而降低酶活，（2）通過螯合Ca2+降低FTGase活性，該機制對MTGase無影響[46]。劉海梅等[48]研究認為以上3種抑制劑對鰱魚糜凝膠形成的抑制效果依次是AC﹥NEM﹥EDTA，說明阻斷?；D移反應的進行比降低TGase活性更能有效抑制肌球蛋白重鏈（MHC）的交聯(lián)反應。對于海水魚而言，抑制效果順序相反，依次是EDTA﹥NEM﹥AC[49]，說明抑制劑對于不同來源的魚種抑制效果存在差異，從側面證明了TGase是魚糜凝膠化過程中起作用的關鍵酶。

4 TGase在魚糜制品加工中的應用

4.1 改善魚糜制品的凝膠特性

大部分魚種體內FTGase含量不高，且具有水溶性，水中漂洗可部分去除，在最終的魚糜制品中僅有44%FTGase保存下來[33]，在加工中，可通過激活或抑制FTGase來調節(jié)魚糜的凝膠性能。魚糜凝膠通常采用的兩段式加熱，其凝膠化過程主要就是為了使FTGase充分交聯(lián)而提高魚糜的凝膠性能[44]。而檸檬酸、EDTA、多聚磷酸鹽等的添加會螯合鈣離子而抑制凝膠的形成，降低魚糜的凝膠性能[50]。為進一步提高魚糜的凝膠性能，可適量添加MTGase，例如，添加MTGase后再凝膠化，可顯著提高魚糜的破斷強度、凹陷深度、凝膠強度和彈性[51]。MTGase還可用于碎魚肉的重組織化，催化肌球蛋白重鏈交聯(lián)反應，增加魚糜的凝膠強度[52]。MTGase添加量過大時，魚肉分子表面的作用位點與MTGase接觸機會多，會很快被交聯(lián)形成致密的牢固的三維結構，進而阻礙了MTGase進入蛋白質內部，導致魚糜凝膠強度的下降[47，53]。所以，在使用MTGase時，必須注意適量添加。

與此同時，酪蛋白、明膠等含有大量Lys殘基和Gln殘基的蛋白質可為魚肌球蛋白與TGase的共價交聯(lián)提供Lys-和Gln-基團。因此，魚糜制品生產加工中，常加入酪蛋白、明膠等添加劑與魚糜復合使用，促進TGase交聯(lián)程度。Na+、K+、Mg2+、Mn2+和Ba2+等離子適量使用可顯著提高魚糜的凝膠性能，其中，0.3mol/L～0.5 mol/L的NaCl促進肌原纖維蛋白溶出，提高與TGase作用的底物濃度，同樣可促進交聯(lián)[54]。

4.2 提高魚糜制品的營養(yǎng)價值

TGase通過催化蛋白質分子間或分子內的交聯(lián)反應將限制性氨基酸（如谷氨酸，賴氨酸）連接到魚糜蛋白質上，防止美拉德反應對氨基酸的破壞[47]；同時，ε-（γ-Gln）-Lys異型肽鍵可被腎臟、小腸刷狀緣細胞及血液中的γ-谷氨環(huán)化轉移酶分解為賴氨酸和谷氨酸[29，55]，可在體內正常代謝，從而提高魚糜及其制品的營養(yǎng)價值。與此同時，酪蛋白與魚糜的復配使用不僅可以促進TGase的交聯(lián)程度、提高魚糜的凝膠強度（見4.1），也可提高魚糜制品的營養(yǎng)價值。

4.3 增強魚糜制品的持水能力

持水性是評價魚糜制品品質的重要指標[56]，當MTGase添加量為0～450U/kg時，魚糜凝膠持水性隨MTGase添加量的增加而上升，添加300U/kgMTGase可使其持水性從88%提高到92%[57]，這是因為MTGase可使蛋白質分子間形成異型肽鍵及致密的交聯(lián)網絡，進而束縛包埋水分子，提高魚糜凝膠的持水性[2]。繼續(xù)增加TGase的添加量并不會提高魚糜凝膠的持水性，過量反而造成持水性下降，這是因為（1）底物濃度一定后，酶促反應達到一定程度后趨于平緩[57]，（2）蛋白質與蛋白質之間的相互作用增強，蛋白質與水之間的相互作用減弱[58]。

5 展望

隨著對TGase性能研究的深入，TGase在魚糜制品中的應用仍在不斷擴大，今后對于TGase的研究在如下幾個方面尚需進一步加強：（1）開發(fā)以魚骨為代表的天然低價優(yōu)質鈣源，探討其與化學合成鈣對FTGase激活效果及其對凝膠品質影響的異同，為副產物的高效利用提供思路。且化學合成鈣大多數具有苦味，大量添加會產生不愉快的口感，天然鈣源能否突破這一局限也是未來研究的方向。（2）FTGase易溶于水，漂洗過程中存在大量損失，因此如何減少漂洗過程中FTGase的損失，并提高FTGase的作用效果將具有重要意義。（3）風味釋放是近年來食品領域研究的熱點，研究TGase如何誘導蛋白凝膠網絡的形成，以及凝膠交聯(lián)網絡與魚糜風味釋放的聯(lián)系，將具有廣闊的前景。

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Transglutam inase and Its App lication in Processing of Surim i Product

ZHANGMeng-ling1，2，ZHANG Jin1，2，XIONGShan-bai1，2，ZHAOSi-ming1，2，LIURu1，2，*
（1.Collegeof Food Scienceand Technology，Huazhong AgriculturalUniversity，Wuhan 430070，Hubei，China；2.NationalResearch and DevelopmentBranch Center forConventional Freshwater Fish Processing，Wuhan 430070，Hubei，China）

Thispapersummarized the propertiesand actionmechanism of fish endogenousandmicrobial transglutaminase，then italso discussed its influencing factors（heating，activorsand inhibitorsof transglutaminase）and applications（modificationsofgelproperties，nutritionalvalue and waterholding capacity）.Finally，its future development tendencieswere proposed，so as to provide reference on application of transglutaminase in surimiproductprocessing.

transglutaminase（TGase）；surimi；gel；influencing factors；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.046

2016-03-14

國家自然科學基金面上項目（31471686）；現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項（CARS-46-23）

張夢玲（1991—），女（漢），碩士研究生，研究方向：水產品加工及貯藏工程。

*通信作者：劉茹，副教授，博士，研究方向：水產品加工及貯藏工程。