趙謀明， 任嬌艷

(華南理工大學 輕工與食品學院, 廣東 廣州 510641)

近年來，我國食品工業(yè)面臨著來自資源和環(huán)境的雙重壓力，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)資源，特別是對我國大宗低值蛋白資源的精深加工，是解決長期以來嚴重制約我國食品工業(yè)發(fā)展問題的必要途徑. 目前，低值蛋白資源的高值化利用已成為我國“國家戰(zhàn)略必爭、產(chǎn)業(yè)發(fā)展必需、技術競爭必備、社會需求巨大”的重大研究方向，并且對提高我國食品工業(yè)核心競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義.

從人均攝入蛋白量來看，我國人均攝入量為70 g/(天·人)，世界人均攝入量為75 g/(天·人)，發(fā)達國家人均攝入量為80 g/(天·人)，我國年蛋白質(zhì)缺口為240萬噸. 值得重視的是，我國尚有大量低值蛋白資源未被充分利用. 據(jù)不完全統(tǒng)計，2009年我國未開發(fā)利用的低值蛋白資源包括花生粕600萬噸、谷朊粉50萬噸、低值魚蝦貝及其加工副產(chǎn)物達800萬噸、畜禽骨架1 880萬噸，而這些蛋白的總和相當于5億人1年的蛋白質(zhì)攝入總量，因此，蛋白質(zhì)的深加工具有重要理論價值和社會經(jīng)濟效益. 目前，我國對這些低值蛋白資源的利用主要以粗加工為主，僅有少量深加工，大多產(chǎn)品附加值低，資源利用率低.

我國食品工業(yè)2005～2010年發(fā)展規(guī)劃明確指出，我國食品工業(yè)產(chǎn)業(yè)結構不夠合理，農(nóng)副產(chǎn)品精深加工比例較低等問題制約其可持續(xù)發(fā)展. 發(fā)展農(nóng)副產(chǎn)品的精深加工，提高產(chǎn)品技術含量和附加值是解決制約食品工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的關鍵. 如何應用現(xiàn)代食品高新技術實現(xiàn)低值蛋白資源的高值化利用是食品工業(yè)亟待解決的問題之一，并且對提高資源附加值，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟具有典型示范意義.

1 酶法改性是大宗蛋白精深加工和高值化利用的核心共性關鍵技術

低值蛋白資源的精深加工涉及原料特性、加工技術、相關技術裝備的改造等諸多方面，但生物技術特別是特色酶制劑制備與控制酶解技術是其中最主要的核心技術. 蛋白質(zhì)通過控制酶解技術可獲得一系列高附加值產(chǎn)品，如通過酶法改性顯著提高原蛋白的功能特性，通過定向可控酶解將蛋白降解為功能性肽，通過深度酶解將蛋白降解為富含游離氨基酸和呈味肽的調(diào)味基料. 功能性蛋白、功能性肽和呈味基料可廣泛應用于食品加工中.

1.1 蛋白改性技術研究現(xiàn)狀與進展

蛋白質(zhì)的改性方法包括物理改性、化學改性和酶法改性三類. 化學改性具有反應簡單、應用廣泛和效果顯著的特點，但化學改性尚存在諸如反應副產(chǎn)物多，營養(yǎng)價值在反應過程中會受到影響等缺點；物理方法改性效果不顯著，目前很多改性技術難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；酶法改性是目前食物蛋白改性的研究重點,酶促反應速度快、條件溫和、專一性強，蛋白質(zhì)酶法改性是提高蛋白質(zhì)各種功能特性和增加其應用范圍的一種有效方法. 近幾年，蛋白質(zhì)酶法改性的研究主要集中于對蛋白質(zhì)的控制酶解方面. 蛋白質(zhì)經(jīng)酶解后得到的酶解產(chǎn)物除了保留甚至提高其生物價外，功能特性明顯優(yōu)于原料蛋白質(zhì). 日本、歐美在這方面居于壟斷地位，已經(jīng)開發(fā)出替代肉類蛋白的高性能植物改性蛋白. 然而由于蛋白質(zhì)結構的復雜性和多樣性使得蛋白質(zhì)酶解研究進展緩慢. 酶解產(chǎn)物的易變性、多樣性、復雜性，酶解速度慢，水解不徹底，水解液味苦等問題仍然存在.

影響蛋白質(zhì)酶解的因素很多，酶的選擇及用量、溫度、pH值、離子強度、固液比、攪拌速度及水解時間等是影響蛋白質(zhì)水解的關鍵因素. 這方面國內(nèi)外已進行了較深入的研究,但大部分研究除了原料不同以及借助更先進的分析檢測手段之外，仍然局限于酶的篩選、水解工藝優(yōu)化等外因的不斷重復，而對于影響蛋白質(zhì)酶解的內(nèi)在因素的研究卻很少. 酶法改性尤其是酶解改性的關鍵技術是蛋白的水解，目前存在的最大問題是酶解過程及產(chǎn)物難以控制、水解度低，同時存在原料蛋白利用率低及產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題.

蛋白質(zhì)分子致密的立體結構有礙于蛋白酶與底物的結合，特別是高度變性的植物蛋白質(zhì)酶解時效率低，難以達到預期效果. 酶解前經(jīng)過適當?shù)念A處理可以提高酶解速度，目前主要是通過熱處理、添加乙醇及還原劑等，通過變性使蛋白質(zhì)成為松散的結構，原來包埋于內(nèi)部的作用位點被暴露. 由于蛋白質(zhì)結構相互差異很大，因此變性的效果也隨蛋白質(zhì)的不同而變化，這些變性只適合于球蛋白. 研究發(fā)現(xiàn)，利用高壓處理使乳蛋白適當變性，可以提高蛋白的水解程度；利用擠壓預處理可顯著改變小麥面筋蛋白的酶解特性，使小麥面筋蛋白酶解產(chǎn)物的水解度提高77%～122%；大豆分離蛋白(SPI)經(jīng)加熱和超聲波處理后水解度比未處理前提高7%～8%；適度熱變性(85 ℃熱處理1 h)的玉米蛋白經(jīng)Protamex酶解后所得產(chǎn)物的水解度也有提高.

對于酶解改性蛋白而言，由于蛋白分子量分布和結構不同，導致功能特性有明顯的差異，實現(xiàn)蛋白質(zhì)的定向酶解，從而得到理想的功能性蛋白質(zhì)是酶解工業(yè)亟待解決而又難以徹底解決的重要技術問題. 基于蛋白質(zhì)結構決定功能特性這一原理，從20世紀90年代開始，許多課題組對這一問題進行了探討，這些方法包括蛋白質(zhì)側(cè)鏈的乙?；?、脫氨基化、磷酸化和糖基化等，以改變蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團的性質(zhì)和空間位阻，試圖打算在蛋白酶解之前使某些基團暴露或者被屏蔽，使酶解按特定方向進行，這些方法盡管可以取得一定的成效，但目前尚未見令人滿意的效果.

1.2 功能性多肽制備分離純化技術研究現(xiàn)狀與進展

近年來，各國對功能性肽的研究日趨升溫，其相關產(chǎn)品的研究與開發(fā)也備受重視. 目前，生物活性肽的制備技術主要有蛋白可控酶解法、定向合成法(主要包括化學合成、酶法合成、DNA重組技術等)以及從微生物、動植物生物體內(nèi)直接提取分離純化法等. 合成法受設備投資大、產(chǎn)品成本高等條件限制，當前其技術成熟度僅限于小分子寡肽的合成；直接提取法只適合于細菌、真菌、動植物中存在的一些天然功能性肽，但因天然生物資源中這些肽的含量極微，其提取分離純化成本高，目前雖有一些天然功能性肽商品化，但難以大規(guī)模推廣；酶解法制備的活性肽產(chǎn)品安全性高，生產(chǎn)條件溫和，因此酶法水解是獲得食品級生物活性肽的常用方法. 酶法制備生物活性肽常用的蛋白酶包括胰蛋白酶、枯草桿菌蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、嗜熱菌蛋白酶、木瓜蛋白酶、堿性及中性蛋白酶、風味蛋白酶等. 多種蛋白酶復配使用有可能獲得比單一蛋白酶更好的酶解效果，例如堿性蛋白酶Alcalse、胰凝乳蛋白酶、胰酶、胃蛋白酶及一些細菌和真菌來源的蛋白酶等復配使用能增加蛋白質(zhì)利用率，并在一定程度上提高水解度. 當前功能性肽的產(chǎn)業(yè)化仍然集中在美國、日本、荷蘭、丹麥等國(見表1)，且產(chǎn)品原料以乳蛋白為主，如日本森永乳社于2007年首次推出添加低反應原肽的嬰兒奶粉，隨后蛋清肽(與蛋殼鈣在營養(yǎng)上有協(xié)同增效效果)也被廣泛用于嬰幼兒及老年人的營養(yǎng)輔助食品；韓國制藥公司將玉米蛋白來源的肽開發(fā)成醒酒飲料；日本制造的抗菌肽主要用于健康食品，暢銷歐美市場.

我國在生物活性肽的研究開發(fā)上，研究力量及投入相對較少，限制了活性肽藥食兩用功能的發(fā)揮，市場上國產(chǎn)的活性肽藥品和食品寥寥無幾. 隨著近幾年對生物活性肽的研究逐步開展和深入，盡管肽類產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)仍然遭遇技術難題，但需求的上升使這個難題同時也成為利潤的源泉，廠家和商家們也意識到其中的市場契機. 目前，國內(nèi)有幾家企業(yè)已實現(xiàn)生物活性肽的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和銷售，如武漢天天好生物制品有限公司生產(chǎn)有膠原肽、玉米肽及魚精蛋白肽等18種肽產(chǎn)品；山東銀香偉業(yè)集團的“有機肽乳”產(chǎn)品中添加了從胎牛胸腺、脾臟、腦組織以及牛胎盤組織中提取的具有提高免疫力功效的肽物質(zhì)；廣州市輕工研究所可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)純度為85%～92%的酪蛋白磷酸肽(CPP)；哈高科公司也用酶解方法從大豆蛋白中制備出抗氧化大豆低聚肽產(chǎn)品. 我們課題組經(jīng)過多年研究，在生物活性肽的研究方面已取得一些成果(見表2). 國產(chǎn)化生物活性肽在研究和開發(fā)上仍有很大的空間和潛力，而面向應用的肽類產(chǎn)品有著十分廣闊的市場前景.

表1 商業(yè)化含生物活性肽的功能性食品或食品基料Tab.1 Commercial functional food or food base containing bioactive peptide

表2 食品生物技術研究室在生物活性肽研究方面的成果Tab.2 Achievement in bioactive peptide research of the food biotechnology laboratory

1.3 呈味基料制備技術方面的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

利用蛋白質(zhì)酶解技術提升蛋白質(zhì)產(chǎn)品的美味很早就被人們采用，諸多傳統(tǒng)特色食品如日本豆醬、東南亞魚露、中國醬油和腐乳等都是酶解技術應用的典例. 20世紀70年代初，酶解改性蛋白(尤其是植物蛋白酶解)研究開始受到學者關注，起初曾因酶解產(chǎn)物味苦等原因，嚴重阻礙了酶解技術在食品領域的推廣，也由此引起人們對酶解產(chǎn)物風味的重視，如何抑制或消除苦味成為酶解技術應用中最為棘手的問題. 到20世紀80年代，日本率先攻克了水解產(chǎn)物脫苦和蛋白酶菌種選育難關. 隨后，廉價、易得的植物蛋白引起人們的研究興趣，源于大豆蛋白、玉米蛋白、花生蛋白、菜籽蛋白、葵花籽蛋白等酶解產(chǎn)物的功能性肽被廣泛研究，但以往研究的注意力大多集中在生物活性肽的生理功能(如神經(jīng)激素遞質(zhì)調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)等)研究，卻忽視了對肽的呈味功能研究. 近半個世紀以來，呈味肽研究方面的報道為數(shù)甚少，且?guī)缀跻?0年為時間跨度，如1969年，Kirimura等發(fā)現(xiàn)二肽Val-Glu及Gly-Leu能顯著提高食品的感觀品評值；1978年，Yamasaki等從牛肉酶解液中純化到一個具有增強肉香味的八肽；1988年，Nishimura等從魚蛋白水解產(chǎn)物中提取到6個呈鮮味的二肽，而日本味之素株氏會社也發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽具有增強和維持香辣調(diào)味料及蔬菜風味的功能. 到2002年，雀巢公司研究發(fā)現(xiàn)小麥面筋蛋白中含有許多具有強化呈味(鮮味、咸味、酸味)功能的小肽，但該公司此后未再公布相關呈味肽方面的研究進展，推測可能是技術保密原因. 到目前為止，國內(nèi)尚未有呈味肽方面的公開專利，足以反映在此方向上尚有很大的研究空間.

國內(nèi)在應用微生物發(fā)酵制備傳統(tǒng)調(diào)味品如醬油、魚露等方面工藝成熟，而應用生物技術(主要是酶技術)深加工農(nóng)副產(chǎn)品起步晚，基礎和應用研究薄弱. 目前各種動植物原料的生物技術應用主要集中在采用各種特異性酶探索作用效果、蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物加工功能特性研究方面，對各種呈味肽的分離純化以及功效研究尚處于初步階段，市場上國產(chǎn)的呈味肽產(chǎn)品寥寥無幾. 其原因一方面由于食品風味學發(fā)展的不成熟，另一方面由于肽分離制備技術的復雜，其相關研究很少見報道. 我們在前期研究過程中發(fā)現(xiàn)，同一種蛋白質(zhì)資源在不同酶作用水解至相同水解度，其呈味特性，特別是鮮甜味存在顯著差異；同一種蛋白經(jīng)同一種酶水解至不同水解度，鮮甜味同樣存在差異，而且并不是水解度越高(即游離氨基酸含量越高)，鮮甜味就越好，因此說明小分子肽在蛋白酶解液中對呈味起到了非常重要的作用；進一步研究發(fā)現(xiàn)，分離富集珍珠貝的酶解液中分子量小于5 000 Da的肽(含量>50%)應用到成品中調(diào)味，萬分之一的用量，即可顯著增強成品天然鮮甜味感，掩蓋味精的不適感. 目前國內(nèi)多種調(diào)味品如醬油、蠔油、酵母抽提物、動植物抽提物或酶解產(chǎn)物中呈味肽的存在以及其對產(chǎn)品最終風味的貢獻已獲得了人們的普遍認可，而其種類、相互之間以及與其他風味劑、輔助物質(zhì)風味作用機理仍處于未知狀態(tài).

我們課題組經(jīng)多年的研究，對以下技術進行了攻關，具體包括：1)提出了改變蛋白質(zhì)的空間結構來控制酶切位點和酶解產(chǎn)物的分子量分布的酶解新技術；2)建立了多種對低值蛋白質(zhì)進行預處理提高其酶解敏感性的新方法；3)接種耐熱性乳桿菌解決了酶解液防腐和祛腥的技術難題，并利用連續(xù)美拉德反應實現(xiàn)酶解液風味的系列化；4)通過特異性毛霉蛋白酶與商業(yè)酶制劑的協(xié)同水解，顯著提高了酶解產(chǎn)物中親水性小分子肽的含量；5)針對動物性蛋白資源的特點，激活蛋白酶酶原，結合外源性蛋白酶的協(xié)同增效作用，解決了酶解產(chǎn)業(yè)化過程中酶制劑成本高的技術難題.

2 展 望

利用我國大宗低值蛋白的資源優(yōu)勢及科研院所的技術優(yōu)勢，開發(fā)系列高品質(zhì)的功能性蛋白、功能性肽和呈味基料，應用于相關食品產(chǎn)業(yè)中，可顯著提高大宗低值蛋白資源的高值利用. 未來幾年內(nèi)，重點研究的方向包括：1)新型復合改性技術. 建立系列物理預處理與酶解改性相結合的新型復合改性技術. 2)能特異性水解高度變性植物蛋白的高性能蛋白酶制備技術. 3)以富集呈味肽為目標的深度控制酶解技術. 4)酶-膜分離耦合技術. 5)動物蛋白資源高效祛除異味的共性關鍵技術. 6)酶法聚集交聯(lián)制備新型動植物復合蛋白關鍵技術. 7)“生物發(fā)酵-酶解”制備活性肽關鍵技術. 8)建立可供規(guī)?；苽渖锘钚噪牡姆蛛x純化技術. 9)生物活性肽的活性保護及穩(wěn)態(tài)化關鍵技術. 上述相關技術在食品行業(yè)中的應用將顯著提高大宗低值蛋白資源利用的附加值，提升我國食品行業(yè)產(chǎn)品檔次和質(zhì)量，同時可極大地促進我國食品行業(yè)的技術進步，延伸農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈，對發(fā)展我國循環(huán)經(jīng)濟具有重要意義.