李明奇，賀稚非,2，李洪軍,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715) 2(西南大學(xué) 重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(Transglutaminase,EC2.3.2.13，簡稱TGase或TG)，又名轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，可以通過催化?；D(zhuǎn)移反應(yīng)使蛋白質(zhì)分子中谷氨酰胺殘基和伯胺類物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)[1]，因其安全無毒且催化得到的蛋白質(zhì)產(chǎn)物可以被人體消化吸收，所以在食品行業(yè)中被廣泛用來修飾蛋白質(zhì)[2]，可以使蛋白質(zhì)發(fā)生分子間或分子內(nèi)交聯(lián)或使蛋白質(zhì)發(fā)生脫酰胺以及糖基化，從而改善食品的理化和功能性質(zhì)。該酶來源較廣，在動植物和微生物中均有發(fā)現(xiàn)，相比于動植物來源，微生物源谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(microbialtransglutaminase,MTGase)產(chǎn)量較高、價格適中，最關(guān)鍵的是具有較優(yōu)的酶學(xué)特性，如反應(yīng)最適pH范圍廣、耐熱性強、催化活性不依賴Ca2+、受酶抑制劑和金屬離子的影響小、底物特異性低等優(yōu)點[3]而備受關(guān)注。

目前，國內(nèi)對MTGase的應(yīng)用研究較多，但是缺乏對該酶活性位點和作用機理的系統(tǒng)性總結(jié)。該文以此為出發(fā)點，通過查閱近年的文獻資料，概述了MTGase催化蛋白質(zhì)交聯(lián)、脫酰胺和糖基化的作用機理，介紹了其在食品工業(yè)中的最新應(yīng)用，以期對該酶的后續(xù)研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 微生物源谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶

1.1 MTGase的性質(zhì)

1989年ANDO等[3]從5 000株來自土壤環(huán)境的微生物群落中篩選出一株鏈輪絲菌StreptoverticilliumS-8112可以產(chǎn)MTGase，該酶分子量為37 863，等電點為 8.9，最適pH值為5～7，最適反應(yīng)溫度為50℃，除了Zn2+、pb2+和Cu2+會抑制其活性外，不受其他金屬離子的干擾，在酶抑制劑方面，乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)和苯甲基磺酰氟(phenylmethylsulfonyl fluoride, PMSF)對其活性無影響，氯汞苯甲酸酯(parachloro-mercuri-benzoate, PCMB)、N-乙基順丁烯二酰亞胺(N-ethylmaleimide, NEM)和碘乙酸(monoiodoacetate, MIA)會抑制其部分活性，但與來源于豚鼠肝臟的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(GTGase)相比，MTGase受到的抑制作用較小。隨后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了茂源鏈霉菌(Streptoverticilliummobaraense)[4]，放線菌(Actinomadurasp.T2)[5]，環(huán)狀芽孢桿菌(BacilluscirculansBL32)[6]，吸水鏈霉菌(Streptomyceshygroscopicus)[7]，枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)[8]，多頭絨泡菌(Physarumpolycephahum)[9]等均為產(chǎn)酶菌株。需要注意的是，鏈霉菌最初分泌的是谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶酶原，酶原的N-末端結(jié)構(gòu)是α-螺旋，該結(jié)構(gòu)占據(jù)了活性位點導(dǎo)致底物無法接觸到活性中心，所以酶原不具備催化能力，只有當(dāng)N-末端的螺旋結(jié)構(gòu)被內(nèi)源性金屬蛋白酶和三肽氨基肽酶裂解解離后才活化成為具有催化活性的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶[10]，如表1[3-9,11]所示的不同微生物來源和動物來源的MTGase的性質(zhì)對比。

表1 不同來源MTGase的性質(zhì)Table 1 Properties of MTGase from different sources

1.2 MTGase結(jié)構(gòu)

MTGase的一級結(jié)構(gòu)是由331個氨基酸殘基組成的一條多肽鏈，其氨基酸序列與GTGase的序列完全不同，表明兩者沒有序列同源性。二級結(jié)構(gòu)顯示MTGase屬于α+β折疊類酶，有11個α螺旋和8個β-折疊，多分布于多肽的N-末端與C-末端。該酶的晶體結(jié)構(gòu)是一個單一緊湊的結(jié)構(gòu)域，折疊成板狀，分子邊緣有裂縫，活性位點位于由兩個螺旋形成的16?的裂縫底部。MTGase的催化活性位點是由3個氨基酸組成的三聯(lián)體結(jié)構(gòu)，即Cys64-His274-Asp255，當(dāng)利用突變手段將Asp255換成Ala，則酶的活性會大幅度下降，證明Asp255殘基在酶催化過程中發(fā)揮重要作用，推測Asp255的主要作用是使活性位點的半胱氨酸硫醇去質(zhì)子化，這也是大部分半胱氨酸蛋白酶催化反應(yīng)的第一步。而同樣利用突變技術(shù)測試His274則發(fā)現(xiàn)酶活只下降了50%，說明在MTGase中His274對催化效力影響較少，推測其主要作用是利用自身的親核性與Asp255形成氫鍵以維護酶活性中心的穩(wěn)定性。除此之外在活性中心表面還有很多的酸性氨基酸和芳香族氨基酸如Trp和Tyr，這些氨基酸影響了酶對底物的特異性結(jié)合。由于活性中心呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其可伸縮性減少了酶與底物之間的位阻，大大提高反應(yīng)速率，降低了與底物特異性結(jié)合[12-13]。在對比動物來源和微生物來源的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，動物性谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的活性位點被Cys殘基上的Sγ原子和Try殘基上的Oη原子組成的氫鍵覆蓋，只有當(dāng)?shù)孜镏写嬖贑a2+，才能使酶的構(gòu)象發(fā)生變化，Try殘基從催化位點被釋放，暴露活性位點以進行催化反應(yīng)，而MTGase的Cys64充分暴露在溶劑中，所以不需要Ca2+，且反應(yīng)迅速[14]。

1.3 MTGase的催化機理

MTGase可以催化酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其中酰基供體是肽鏈上谷氨酰胺殘基的γ-甲酰胺基，受體分為兩類：氨基底物和水。氨基底物是指帶有伯胺的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、多聚物、小分子物質(zhì)、核酸和功能性碳水化合物等；當(dāng)?shù)孜镏袥]有胺基時，水分子作為底物[15]，下面根據(jù)受體來源介紹在食品中經(jīng)常發(fā)生的3種反應(yīng)：蛋白質(zhì)交聯(lián)、脫酰胺和糖基化反應(yīng)。

(1)當(dāng)?shù)孜锸请逆溬嚢彼釟埢系摩?氨基時，則肽鏈或蛋白質(zhì)之間通過形成ε-(γ-谷氨基)賴氨酸異肽鍵(G-L鍵)實現(xiàn)分子間或分子內(nèi)交聯(lián)，形成穩(wěn)定的蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些高分子蛋白質(zhì)多胺進一步綴合產(chǎn)生大分子聚合物(106～107g/mol)，會改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)[16]，引入限制性氨基酸，在食品中應(yīng)用廣泛。目前關(guān)于兩個大分子蛋白怎樣對抗空間位阻，從而靠近MTGase酶的活性位點形成交聯(lián)鍵的機制尚不明確，但是實驗表明只有具有相同熱力學(xué)相容性的兩種蛋白才更容易發(fā)生交聯(lián)，即極性不同的蛋白不易交聯(lián)，可能是因為熱力學(xué)相容性不同的蛋白質(zhì)無法同時到達酶的活性中心而影響催化反應(yīng)的進行[17]。關(guān)于反應(yīng)具體步驟有一種假設(shè)，分為下列四步：①MTGase的活性中心Cys64的硫醇與酰基供體，即谷氨酰胺殘基側(cè)鏈發(fā)生親核加成反應(yīng)，供體側(cè)鏈上的碳氧雙鍵打開，與Cys64相連。②活性中心的Asp255將其質(zhì)子轉(zhuǎn)移到①中形成的含氧陰離子中間體上從而釋放胺。③酰基受體，如賴氨酸側(cè)鏈的ε-氨基接近活性中心，帶負(fù)電荷的Asp255攻擊酰基受體上的質(zhì)子。④最后賴氨酸殘基側(cè)鏈和谷氨酰胺殘基側(cè)鏈上的含氧陰離子中間體形成交聯(lián)產(chǎn)物，并與酶脫離[14]。該反應(yīng)是3種反應(yīng)中優(yōu)先進行的，它會一直持續(xù)進行直到底物中沒有更多的谷氨酰胺和賴氨酸[18]。

(2)當(dāng)?shù)孜镏袥]有氨基時，水成為?；荏w。MTGase水解谷氨酰胺殘基的γ-甲酰胺基，發(fā)生脫酰胺反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為谷氨酸，該反應(yīng)會改變蛋白質(zhì)的等電點和溶解度。目前有一種假說將在食品中添加的MTGase所引起的脫酰胺作用與脂瀉病發(fā)病率升高聯(lián)系在一起，雖然沒有更進一步的證據(jù)，但也應(yīng)該引起重視[19]。實際上相比于哺乳動物體內(nèi)的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶來說，MTGase的脫酰胺作用較慢，原因可能是MTGase的活性中心上的Asp255所帶的負(fù)電荷無法吸引中性基團水分子，而脫酰胺作用中的限速步驟恰好是水分子與活性中心的親核反應(yīng)，也可能是兩種酶活性中心的His的位置相反，在脫酰胺時起了不同的作用，還可能是不同的酶分子量導(dǎo)致了脫酰胺反應(yīng)活性的差異，但對此沒有明確的結(jié)論[20]。所以對于MTGase來說，催化蛋白質(zhì)交聯(lián)是最快的反應(yīng)。

(3)當(dāng)反應(yīng)(1)中的賴氨酸殘基被其他基團替代，則可將該基團與蛋白質(zhì)通過共價鍵交聯(lián)在一起，當(dāng)所連接的基團是糖時，則發(fā)生蛋白質(zhì)的糖基化反應(yīng)，該反應(yīng)的性質(zhì)與(1)相似，即含有伯胺基的糖類作為?；荏w，通過MTGase的催化作用與蛋白質(zhì)結(jié)合，該反應(yīng)的前景在于取代美拉德反應(yīng)實現(xiàn)蛋白質(zhì)糖基化[21]。下圖為3種機理反應(yīng)式。

2 微生物源轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶在食品應(yīng)用中的最新進展

MTGase通過催化交聯(lián)，脫酰胺以及糖基化反應(yīng)來改變蛋白質(zhì)的諸多營養(yǎng)與功能性質(zhì)，如凝膠性、乳化性、起泡性、粘度、持水力等，提高產(chǎn)品的口感與質(zhì)量。事實上機理和底物的不同對蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響各異，下面分別介紹MTGase 3種催化反應(yīng)對蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響。

2.1 蛋白質(zhì)交聯(lián)的應(yīng)用

2.1.1 交聯(lián)反應(yīng)改善蛋白質(zhì)凝膠性

凝膠是介于固態(tài)和液態(tài)之間的中間狀態(tài)，由大分子物質(zhì)通過共價鍵或非共價鍵交聯(lián)形成高度有序的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以截留水和一些小分子物質(zhì)，這一性質(zhì)對于肉制品、奶制品和一些豆制品極為重要，可以有效改善產(chǎn)品的性質(zhì)。

在肉制品中，MTGase可以通過交聯(lián)作用使其中的肌球蛋白重鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，減少α-螺旋結(jié)構(gòu)，從而提高β-折疊的百分比，有助于形成高分子量聚合物，所形成的強凝膠結(jié)構(gòu)改善了產(chǎn)品的質(zhì)地特性，如剛性、彈性、內(nèi)聚力和粘附性，使肉的口感得到改善，近年來利用MTGase改善水豬肉(pale soft exudative meat, PSE)品質(zhì)的研究逐漸增多[22]。MTGase的催化作用與反應(yīng)pH和肌球蛋白等電點有密切聯(lián)系。HONG等[23]發(fā)現(xiàn)在低于豬肌原纖維蛋白等電點(pI=5.0)時，以脫酰胺作用為主，高于5.0時才以交聯(lián)作用為主。MTGase對于不同來源的肉制品蛋白的影響是顯著不同的，效果依賴于肌肉和肌纖維種類，所含氨基酸的種類，含量及是否存在酶抑制劑等因素，但是在所有肉制品中，MTGase只對肌球蛋白有影響，對于肌動蛋白的作用效果并不顯著[24]。

在奶制品中MTGase對于κ-酪蛋白的作用是最顯著的。因為其位于酪蛋白膠束表面，更容易接近酶的活性中心，而乳清蛋白則不易被交聯(lián)，因為二硫鍵使其球形結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，只能通過添加還原劑或預(yù)熱使其結(jié)構(gòu)展開，暴露更多的谷氨酰胺和賴氨酸殘基，才能有顯著交聯(lián)作用[25]。MTGase主要用于酸奶和奶酪的制作工藝中，可有效提高酸奶凝膠效率和強度，增強其持水力[26]，在奶酪中添加可有效保水，增加產(chǎn)量，改變質(zhì)構(gòu)和流變學(xué)性質(zhì)，提高口感，尤其在低脂奶酪中廣泛應(yīng)用[27]。

在豆制品中，MTGase對7Sβ-伴大豆球蛋白的交聯(lián)作用比11S球蛋白亞基更好，因為β-伴大豆球蛋白中含有更多的谷氨酰胺和賴氨酸，這些都是MTGase的良好底物，從而有助于形成持久且不可逆的凝膠[28]，大豆分離蛋白在MTGase的作用下可以作為輔料添加到重組肉制品和發(fā)酵乳飲料中，通過交聯(lián)提高重組肉制品的強度、硬度、粘聚性、咀嚼性和彈性。

2.1.2 交聯(lián)反應(yīng)改善蛋白質(zhì)乳化性

部分食品體系是呈乳濁液的，比如牛奶、醬湯這些屬于水包油體系，即油相分散到水相中，還有泡沫型食品，如冰淇淋和蛋糕，即空氣分散到水相中，在這兩種體系中，蛋白質(zhì)都是必不可少的表面活性劑。

MTGase提高乳化穩(wěn)定性的原理與基質(zhì)有關(guān)系，如在面筋蛋白[29]和豬肉肌原纖維蛋白中[30]，是交聯(lián)作用產(chǎn)生的高分子肽聚集到油滴表面產(chǎn)生靜電排斥，阻止油滴靠近，從而阻止聚集、絮凝和油水兩相分離，提高乳液的穩(wěn)定性，除此之外，也提高的食品的質(zhì)地，增加咀嚼性和彈性。而用MTGase處理酪蛋白時發(fā)現(xiàn)雖然交聯(lián)作用會導(dǎo)致溶解度的降低，但是可能由于蛋白構(gòu)象變化和負(fù)電荷的增加，提高蛋白兩親性質(zhì)的平衡，有助于在油水兩相形成更富有彈性的蛋白膜，從而增加了乳化穩(wěn)定性[31]。在沒有面筋蛋白的烘焙產(chǎn)品中，MTGase引起的交聯(lián)增加了面團的假塑性和堅硬度，共價鍵的增多也增加了彈性，從而改善產(chǎn)品的咀嚼性[32]。不過除了基底不同外，反應(yīng)的pH和所加鹽濃度也影響反應(yīng)效果。

2.1.4 交聯(lián)反應(yīng)改善流體黏度

流體的黏度是由其內(nèi)部分子間的摩擦阻力和壓差阻力所引起的一種抗流動的性質(zhì)。溶液中的蛋白質(zhì)是影響?zhàn)ざ鹊闹匾镔|(zhì)之一，蛋白質(zhì)的分子形狀、大小，與溶劑之間的相互作用，水合后其分子構(gòu)象變化的靈活度以及流體力學(xué)體積的大小均影響流體黏度。濃度越高、分子密度和體積越大、它們之間的相互作用力越強、空間越小，所引起的水流動性越低，因此形成更高的流體黏度。在冰淇淋和酸奶中，黏度是很重要的性質(zhì)之一，直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和口感。

在冰淇淋中，MTGase處理組與空白組相比，其粘度顯著提高，原因是酪蛋白發(fā)生交聯(lián)形成高分子物質(zhì)，提高持水力，減少流動性[33]，而且隨著碳水化合物(如菊粉中的纖維)和其他蛋白質(zhì)(大豆分離蛋白，乳清蛋白)進一步參與交聯(lián)反應(yīng)，黏度會越來越大。這一性質(zhì)對制作低脂肪冰淇淋尤為重要。也許是由于聚合度增加，MTGase處理后的冰淇淋假塑性也有所提高[34]。

在含大量干酪乳清的酸奶中，MTGase通過交聯(lián)提高凝膠強度，隨著MTGase的增加，聚合物的分子質(zhì)量進一步增加，所形成的蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效減少水的流動性，從而使最終產(chǎn)品的粘度顯著增加[35]。在MTGase處理時，以β-酪蛋白為底物的酸奶，其粘度上升的速度比以α-酪蛋白作底物的酸奶要快，因為β-酪蛋白的結(jié)構(gòu)松散無序，比α-酪蛋白更容易與酶接觸[36]。

2.2 蛋白質(zhì)脫酰胺的應(yīng)用

MTGase的脫酰胺作用雖然比交聯(lián)作用慢很多，但是也對食品中蛋白質(zhì)的溶解性、乳化性和起泡性有所影響。

蛋白質(zhì)的溶解性取決于分子表面親水基團和疏水基團的數(shù)量，親水基團越多，溶解性越高。當(dāng)然溶液的外在環(huán)境也會影響蛋白質(zhì)溶解性，如離子強度、有機溶劑、pH和溫度等，溶解性又會影響其他性質(zhì)，如乳化性、起泡性、凝膠性等。MTGase可以提高蛋白質(zhì)的溶解性，主要機理是脫酰胺作用。如在富含谷氨酰胺和天冬酰胺的蛋白質(zhì)如大豆蛋白和小麥蛋白中，MTGase可以將其轉(zhuǎn)化為谷氨酸和天冬氨酸，降低其等電點，從而提高偏酸性食品中蛋白質(zhì)的溶解性[37]。還有研究發(fā)現(xiàn)在不同pH條件下用MTGase處理豬肉肌原纖維蛋白，肌球蛋白在低于其等電點(pI=5)的條件下溶解度增加，在pH為3的時候溶解性顯著提高，其原因是由脫酰胺作用產(chǎn)生的谷氨酸，而且γ-羧基的解離常數(shù)在pH=3(Glu-COOH)時比pH>4時(Glu-COO-)大，解離的谷氨酸可以中和質(zhì)子化的氨基(如Lys-NH3+→Lys-NH2+)，減少蛋白質(zhì)(離子)與水(偶極子)的相互作用[23]。利用MTGase處理豌豆和大豆分離蛋白時，發(fā)現(xiàn)脫酰胺作用可以降低蛋白表面疏水性，增加蛋白鏈之間的靜電斥力作用。盡管MTGase會引起蛋白聚合物的形成，但是脫酰胺作用同時增加了蛋白質(zhì)凈負(fù)電荷，促進蛋白質(zhì)聚合物的解離，提高溶解性[38]。

在起泡性方面，以面筋蛋白和大豆分離蛋白為底物時，MTGase的脫酰胺作用通過降低pH，增加極性基團，當(dāng)空氣受到擊打或搖晃作用時，蛋白質(zhì)迅速在水面上展開進而快速吸附在空氣-水界面，從而減少表面張力，增加蛋白質(zhì)之間的相互作用，提高起泡性和泡沫穩(wěn)定性[37]。而在乳化性方面，其機理在前文提到，即以大豆分離蛋白作底物，MTGase將其中的谷氨酰胺和天冬酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸和天冬氨酸，增加負(fù)電荷量，提高蛋白質(zhì)的兩親性，使其在油水界面形成穩(wěn)定的液滴，降低表面張力，提高與水結(jié)合的能力，從而提高乳化性。

2.3 蛋白質(zhì)糖基化的應(yīng)用

蛋白質(zhì)糖基化修飾是將糖鏈連接到蛋白質(zhì)分子上，可以改變蛋白質(zhì)的諸多功能性質(zhì)。常用的方法是美拉德反應(yīng)，但是該方法存在反應(yīng)時間長、溫度高、條件難以控制、產(chǎn)物易褐變、營養(yǎng)流失、形成有毒的終期糖基化產(chǎn)物(AGEs)等問題[39]，限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

酶法可以避免上述問題，根據(jù)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的反應(yīng)機理，可以將氨基葡萄糖交聯(lián)到肽鏈上谷氨酰胺殘基的γ-甲酰胺基上，完成糖基化。

例如表2[40-48]所示MTGase催化糖基化反應(yīng)在食品中的應(yīng)用。

通過轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶使蛋白質(zhì)糖基化，一方面可以改善蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)；另一方面也產(chǎn)生了新的糖蛋白產(chǎn)物，這些物質(zhì)具有抗氧化和抗菌的功效，可以作為添加劑添加到其他食品中[49]，或作為保健食品的新來源。但是過度的糖基化也會降低蛋白質(zhì)的消化率，所以對于某些特定反應(yīng)會提前脫去蛋白的部分谷氨酰胺殘基，防止過度糖基化[50]。

表2 糖基化反應(yīng)在食品中的應(yīng)用Table 2 Application of galactosylated modification in the food system

3 展望

微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶不僅在食品領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，在醫(yī)藥和保健品行業(yè)的市場需求也與日俱增。在食品領(lǐng)域，作者推測MTGase未來的發(fā)展方向如下：

(1)催化過程的控制有待加強。要進一步探究反應(yīng)機理，反應(yīng)底物和反應(yīng)條件的特異性，避免交聯(lián)不足、過度交聯(lián)以及產(chǎn)生不均一的產(chǎn)物。

(2)國內(nèi)市場對MTGase的應(yīng)用不夠廣泛。應(yīng)加大對產(chǎn)MTGase菌株的篩選工作，同時利用誘變技術(shù)和工程基因提高MTGase酶活，以降低MTGase的生產(chǎn)成本。

(3)加大對MTGase結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究。探究其活性位點氨基酸對酶活性的影響，以及與底物結(jié)合的作用方式以提高MTGase在食品加工中的精準(zhǔn)性。

(4)可以研究與其他技術(shù)相結(jié)合以提高MTGase的活性和應(yīng)用范圍。如利用超高壓、超聲波、微波、紫外線等技術(shù)處理MTGase,并且優(yōu)化處理參數(shù)。