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谷氨酰胺转胺酶的功能特性及其 在面粉制品加工中的应用 马 微 1 ,张兰威 1 ,钱 程 1 ,谢海燕 2 (1. 东北农业大学 食品学院,黑龙江 哈尔滨 150030;2.北京经济管理学校,北京 100036) 摘要:谷氨酰胺转胺酶是一种催化酰基转移反应的转移酶,它可使蛋白分子间和分子内产生共 价交联反应,是一种良好的面筋改良剂。主要论述了谷氨酰胺转胺酶的功能特性、 作用机理、 改良 面筋的流变学特性以及它在面粉制品加工中的应用。 关键词:谷氨酰胺转胺酶;功能特性;面粉制品;面筋 中图分类号:TS202.3 文献标识码:A 文章编号:1007 - 7561(2004)03 - 12 - 03 The functional properties of transglutaminase and its application in flour product processing MA Wei 1 ,ZHANGLan2wei 1 ,QIAN Cheng 1 ,XIE Hai2yan 2 (1. Food College ,North2east Agricultural University ,Harbin 150030 ; 2.Beijing Economic Management School ,Beijing 100036) Abstract:Transglutaminase is a kind of transfering enzyme that catalyzes the acyl2transfer reaction. Covalent cross2linkings are formed between various protein molecules or inside protein molecules by transglutaminase. It is a good gluten modifier. This paper mainly discusses functional properties and action mechanism of which rheological properties of gluten modified by which and its application in flour product processing. Key words:transglutaminase ;functional properties;flour product ;gluten 近年来,酶技术广泛发展起来,酶制剂来自生 物,是一种纯天然绿色食品添加剂。将酶作为品质 改良剂可以在一定程度上替代和弥补传统品质改良 剂的不足,同时由于酶制剂在加工过程中,绝大多数 由于高温作用而变性失活,成为可被人体吸收的营 养蛋白,符合食品工业的发展方向。谷氨酰胺转胺 酶(Transglutaminase EC.2. 3. 2. 13全称R - glutaminyl - peptide : amine - glutamyl - transferase ,简 称 TGase)又称转谷氨酰胺酶,是一种催化酰基转移反 应的转移酶,是一种新型的食品添加剂。主要作用 是:在蛋白质之间架桥生成 - ( -谷氨酰基)赖氨 酸异肽键,形成分子内和分子间的网状结构,赋予蛋 白食品更好的功能特性。面粉中的麦胶蛋白和麦谷 蛋白都是谷氨酰胺转胺酶的良好底物,它能使面粉 蛋白改性,使团粒结构变成网状结构,改善面粉的口 感,提高制成品的弹性、 粘性、 乳化性、 起泡性和持水 能力等。因而,谷氨酰胺转胺酶在面粉制品的加工 中具有广泛的应用前景。在日本,味之素公司已将 谷氨酰胺转胺酶应用于面粉制品的加工中。 1 谷氨酰胺转胺酶(TGase)的功能特性 收稿日期:2003 - 12 - 19 作者简介:马微(1978 - ) ,女,河北抚宁人,硕士. 1.1 TGase的来源 TGase广泛的存在于各种生物体内,动物体内 的TGase主要来自于肝脏、 毛囊、 表皮和红细胞等, 它的分子量为54kd350kd ,最适pH值为69 ,依 来源而不同,都需要Ca 2 + 激活。而微生物来源的 TGase主要来自于放线菌、 酵母、 霉菌等。1989年, 味之素公司的Ando等人从5000多株轮枝链霉菌中 筛选到一株名为Streptoverticillium S - 8112能够以发 酵法生产谷氨酰胺转胺酶,它的分子量为38kd ,最 适pH值为67 ,不需要Ca 2 + 激活,其酶活达 2.5UmolminmL ;1996年,Bech等人研究发现在酶 母和霉菌的培养液中存在着TGase。尽管人们对微 生物来源的TGase研究的比较晚,但是由于其种类 多、 分离提取简单、 应用的广泛性且不需要Ca 2 + 激 活等优点,使得微生物来源的TGase广泛的发展起 来。 1.2 TGase的催化机理 谷氨酰胺转胺酶能催化蛋白质分子内的交联, 分子间的交联,蛋白质和氨基酸之间的连接以及蛋 白质分子内谷氨酰胺酰胺基的水解。它利用肽链上 的谷氨酰胺残基的-甲酰胺基做为酰基供体,而 酰基受体可以是: (1)多肽链中赖氨酸残基的-氨基,形成蛋白 质分子内和分子间的 - ( -谷氨酰基)赖氨酸异 粮油食品粮油食品科技 第12卷2004年 第3期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 肽键,使蛋白质分子发生交联,改善其发泡性,溶解 性,乳化性,持水能力等,同时,通过保护赖氨酸,可 以防止发生美拉德反应。反应式见图1。 图1 横向结合反应 (2)伯胺基,形成蛋白质分子和小分子伯胺之间 的连接,从而可将一些限制性氨基酸引入蛋白质中, 以提高其营养价值。反应式见图2。 图2 酰基传递反应 (3)当不存在伯胺时,水会成为酰基受体,结果是 谷氨酰胺残基脱去氨基生成谷氨酸残基。该反应可用 于改变蛋白质的等电点及溶解度。反应式见图3。 图3 脱氨基板应 2 TGase改良面筋的流变学特性 面团的性质与面筋的粘弹性有关。面筋蛋白包 括单体的麦胶蛋白和麦谷蛋白亚单位,后者之间通 过二硫键彼此联结,形成大分子量的聚合物。面筋 蛋白通过疏水键和氢键形成面筋网络,其粘弹性与 麦谷蛋白聚合物的种类和大小有关。氧化剂和还原 剂能够改变麦醇溶蛋白的2SH2和2S2S2基团的氧化还 原状态,从而影响面团或面筋的机械性质。这种影 响可能是因为麦谷蛋白亚单位的聚合状态在诱导下 发生改变。但是尚不清楚这些变化的机理,而且这 些氧化还原剂对面团和面筋粘弹性的作用也有待于 进一步研究。过去的几十年里,人们一直用溴化钾 和抗坏血酸作为面团改良剂,而且人们一直在研究 其作用机理。Dong和Hoseney在1995年研究发现, 溴化钾能够使面团的储能模量G 得到少许提高。 1995年Berland和Launay又报道了抗坏血酸在面粉 的氧化过程中起中介作用,提高面团的储能模量G 和损耗模量G”,但是G” G 的值不变。 Larre等人在2000年报道了TGase能够交联面 筋蛋白,生成大分子量的聚合物,这些聚合物的形成 能够产生较强的面筋网络,并提高其物理化学性质 以及流变学性质。该酶能够在分子间或分子内形成 - ( -谷氨酰基)赖氨酸异肽键,能够使蛋白质发 生聚合。即使在赖氨酸含量较低的面筋中,这种酶 也能够诱导产生大分子量的聚合物。面筋蛋白因分 子间或分子内的 - ( -谷氨酰基)赖氨酸异肽键 共价交联,使三维网络结构变得更加紧密,粘弹性的 稳定值升高,并能够加快与储能模量G 和损耗模量 G” 有关的转换频率 (f 0)谷氨酰胺转胺酶还可以催化 谷氨酰胺残基脱氨基,使之成为谷氨酸残基。如果 面团中发生了此反应,那么面筋蛋白的亲水性上升, 使其有更好的持水性。同时,由于TGase共价交联 作用,使面筋蛋白的平均相对分子质量上升,从而导 致面团的储能模量上升。因此,TGase可以改善面 团形成过程中的流变学特性,提高面团的稳定时间 和断裂时间,降低公差指数和弱化值,使面粉的评价 值上升,使面团的抗拉阻力,粉力和储能模量大大提 高。 3 TGase在面粉制品加工中的应用 小麦是我国三大主要粮食作物之一,全国年总 产量在1亿吨以上。而我国的小麦品质尽管在最近 几年有所提高,但与国际优质小麦(加麦、 美麦和澳 麦)相比仍有很大差距。因此,完全使用国产小麦加 工出高质量的面粉有较大的困难。同时,面粉品质 的好坏直接影响面制品的质量。多数面粉属于面筋 含量较低,弹性和延展性较差的类型,不能满足烘焙 食品和面制品加工生产的需要。所以,急需找到一 种较好的改良剂来对其进行修饰,延长面粉的保质 期,改善面粉的加工性能,提高面粉的营养价值。 TGase作为食品添加剂,在国外已经研究了十几年, 进行了大量的实验并逐渐应用于生产面粉制品中。 利用其共价交联的催化特性在面粉制品的加工中具 有重大的意义。 3.1 TGase在面条中的应用 在面条的生产中,添加TGase后,通过调整酶的 用量和反应时间就可以控制面条的质构,使口感明 显提高。因为面团的面筋网络结构经共价交联而加 强,面团中的淀粉就可以更好的被包裹在此网络结 构中,在烹煮后释放进入沸水中的固形物也就减少 了,同时面条的表面粘性下降,烹煮时就不易结成大 块,面汤的浑浊度也就降低了;并且TGase形成的共 价交联结构是耐热的,所以在热汤中面条可较长时 间维持弹性结构,提高了面条口感。在面条的加工 中,一般会加碱水改善其质构、 赋予面条弹性、 使其 具有良好的风味、 香气、 色泽等。但是碱水的添加使 得部分的赖氨酸变为赖丙氨酸,降低了其营养价值, 同时还加重了肾脏的负担,对人体健康不利。通过 添加TGase可以减少碱水的使用量甚至不使用,面 条仍可维持较好的质构和口感。 在日本面条和意大利通心面的加工中已经得到了 广泛的应用。下面就介绍一下味之素公司生产乌冬面 的工艺流程。在面粉中添加0.2 %1.0 %的TG ase ,同 时加入38 %45 %的水混合均匀,然后进行压延,发酵 时间有两种:一种是长时发酵:5,812h;一种是短时 发酵:20,15min2h ,TG ase的作用效果稳定,短时发 酵与长时发酵的效果相近,最后切出制成品。 3.2 TGase在焙烤加工中的应用 近年来,国内外不断报道了TGase在焙烤食品 加工中的应用,特别是在面包的加工中广泛应用起 来。TGase在面包加工中有如下优点: (1) TG ase对面团性质的影响:添加了TG ase 的面 团与对照样品相比,在发酵初期其膨胀较大,面团的硬 度下降,同时面团产生弹性,从而改变其可塑性。 (2) TGase对面团发酵的影响:在面团松弛试验 中发现TGase可以显著增加面团的应力松驰时间, 和溴酸钾、L -抗坏血酸处理的面团相比,随着反应 时间的延长或TGase用量的加大,应力松驰时间明 显增大,面团的要求更低且不需要很高的搅拌强度。 (3) TGase对加水量的影响:TGase的添加可以 减少劳动量和增加面团的水分吸收,并提高面包出 品率。在面包中水分含量增加6 %意味着会降低成 粮油食品科技 第12卷2004年 第3期粮油食品 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 本,也降低了添加酶的成本。因为TGase的添加将 蛋白质内的麦谷蛋白残基水解成谷氨酸(Alexandre 等,1993) ,增加其亲水性。 (4) TGase对面包瓤硬度的影响:TGase还可以 大大增加面包块的捏碎强度,减少切片碎屑,同时有 利于在面包上涂抹黄油。 (5) TGase对消耗功要求的影响:面团的最佳消 耗功是指为使面团达到最大硬度所需用于搅拌的能 量。添加了TGase能够降低消耗功,消耗功的降低 能够直接降低面包的生产成本。 在焙烤工艺中,TGase还可以代替乳化剂和氧 化剂来改善面团的稳定性,提高焙烤产品的质量,使 面包的颜色较白,内部结构均一,增大面包的体积。 作为乳化剂,TGase可以改善面团的手感、 稳定性和 烘焙产品的品质,产生更均匀一致的面包瓤结构和 增长面包体积;也可以作为化学氧化剂的替代物,如 取代溴酸钾、 偶氮甲酰胺和其他化学成分,用以增加 面团筋力和用于化学发面,TGase与抗坏血酸混合 使用效果更佳。 随着对烘焙工艺及产品质量和新鲜度要求的不 断提高,新的烘焙技术应运而生。即采用深度冷冻 或延迟发酵,是指储存一段时间后再进行焙烤。但 是,这种工艺的面团焙烤后,面包的质量变差,口感 降低。添加了TGase后,通过其共价交联作用,保证 冰晶中面筋网络更大的耐冻耐融性,使网络结构的 强度增大,改善面包的质构。 TG ase不仅用于面包的生产中,而且还可用于饼干 和蛋糕的加工中。1990年Ashikawa在日本的特许公告 中报道:生产蛋糕时,每克面粉加入3单位TG ase ,蛋糕 的外观、 内在结构和口感都得到了明显的提高。 3.3 TGase在虫蚀小麦面粉改良中的作用 在中东、 东欧和北非的许多国家里,由Euryg2 aster类和Aelia类昆虫在收割前造成的小麦虫蚀现 象时有发生。这些害虫侵蚀麦粒,导致大量的谷物 中含有较多的蛋白酶,破坏了面团的面筋结构。用 虫蚀面粉制成的面团弹性少,粘度大,而且生产出的 面包质量很差,因而无法用于生产焙烤食品。Sivri 等人在1998年报道了谷螨蛋白酶能够严重影响大 分子量的麦谷蛋白聚合物的含量,特别是对HMW2 GS( 大分子量麦谷蛋白残基)的影响很大。Larre等 人2000年报道了HMW2GS是最易受TGase影响的 面筋蛋白,在其中添加了TGase后,能够修复被谷螨 蛋白酶弱化了的面筋结构。2001年K oksel研究了 利用TGase来减轻虫害。实验证明,无论是否添加 了 SPI( 大豆分离蛋白) ,TGase对被谷螨蛋白酶水解 的面团样品都具有修复作用,从而可利用虫蚀小麦 得到高质量的面粉制品。 3.4 TGase改良麦谷蛋白的功能性质 早在1995年Zhu和Rinzema就报道了TGase对 小麦谷蛋白的回收利用。小麦谷蛋白是生产淀粉的 副产品,具有不溶性。传统做法中用蛋白酶或酸水 解来增加溶解性,但如此消化后,由于其暴露的疏水 肽段增多,使之味道发苦,而且仍有大量的不溶物不 能被消化吸收。而应用TGase处理后,由于其共价 交联作用,产生的大分子聚合物掩盖了疏水基团,利 用TGase催化蛋白质中谷氨酰胺残基进行脱酰胺, 使蛋白质中的交联键得到保护(Ohtsuka等,2001) , 增加了分子的静电斥力,故既提高了溶解性,又消除 了苦味现象。 3.5 TGase能够提高面粉制品的营养价值 面筋蛋白中含有大量谷氨酰胺残基和少量赖氨 酸,因赖氨酸的含量少,并且在加工过程中又容易损 失,赖氨酸又是人体必须的氨基酸,所以必须向面筋 蛋白中引入赖氨酸。Iwami和Yasumoto (1986)成功 的利用谷氨酰胺转胺酶,通过交联的方法将赖氨酸 导入面筋中,提高其营养价值。用L -赖氨酸处理 麦谷蛋白,赖氨酸的含量比处理前增加了5. 1倍。 由此可见,这是一种向氨基酸组成不理想的蛋白质 中引入限制性氨基酸,提高其营养价值的有效手段。 3.6 TGase能够降低面粉的致敏性 人们由于长时间食用致敏性食物而引起的IgE 介导的超敏感反应,即食物过敏。尽管对小麦中的 致敏性蛋白及其抗原决定簇结构不甚了解,但是已 经有人用酶法来生产低致敏性的小麦面粉了。Wa2 tanabe(1994)报道了转谷氨酰胺酶处理小麦粉,降低 了其致敏性。Michiko等人用肌动蛋白酶、 胶原酶和 TGase来处理面粉,获得了低致敏性的小麦粉。经 TGase和胶原酶处理的小麦面粉仍保持大部分的面 团特性,适合加工成对谷物过敏者的健康食品,具有 重大的意义。 参考文献: 1Dong W. ,Hoseney. 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