蛋白酶在食品工業中的應用研究進展

程曉芳，袁丹丹，張余慧，王琤

（江西科技師范大學生命科學學院，江西南昌330013）

隨著生活條件的改善，食品的風味、口感和營養等有了更高的要求標準，食品加工產業也正向著更安全和更高質量的方向發展。酶制劑具有高效催化的特點，是傳統食品加工中化學用劑的良好替代品。其中應用最廣泛的是蛋白酶制劑，其銷售量高占世界酶制劑銷售量的60%[1]。在食品行業中蛋白酶可用于嫩化肉類、澄清啤酒以及改善面包品質等，本文簡要闡述了蛋白酶在食品生產中的應用情況，以期為蛋白酶在食品行業的應用提供理論依據和參考。

1　蛋白酶的概況

水解蛋白質肽鏈的一類酶叫蛋白酶，它能將蛋白質水解為多肽和氨基酸，廣泛存在于動物內臟、植物莖葉、果實和微生物中[2]。此類酶在酶學研究中出現的比較早，20世紀初，蛋白酶商品的生產就已經出現，1911年美國第一次將木瓜蛋白酶用于澄清啤酒，20世紀30年代首次將微生物蛋白酶投入食品產業中[3]。蛋白酶有多種分類方式，按其水解多肽的方式可以分為外肽酶和內肽酶。按蛋白酶的最適pH值可將蛋白酶分為酸性蛋白酶、中性蛋白酶和堿性蛋白酶，酸性蛋白酶的最適pH值為2.5～4.5，最適作用溫度為40℃～50℃，中性蛋白酶的最適pH值為6.5～7.5，最適作用溫度為45℃～55℃，堿性蛋白酶的最適pH值為9.0～11.0，最適作用溫度為45℃～55℃[4]。而學術上一般是使用1960年提出的按蛋白酶的活性中心功能基團對蛋白酶進行分類，也是如今比較流行的方法，將蛋白酶分為絲氨酸蛋白酶、金屬蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶[5]。蛋白酶作為酶制劑的一種，具有反應安全，對作用底物專一以及高效等優點，因此可廣泛的應用到食品行業中。

2　蛋白酶在食品中的作用機理

2.1　改變蛋白質的功能特性

品的感官品質主要由食品蛋白質的功能性質所決定，而這些獨特的功能又和蛋白質分子的大小、形狀以及表面的化學性質密切相關。帶電氨基酸殘基越多的蛋白質，其與水結合的能力越強，即水合性越大，有利于減少食品水分的散失；平均疏水性越好、分子柔性越大的蛋白質的起泡能力及泡沫穩定性越好，有利于蛋糕、冰淇淋的制作；二硫鍵的斷裂、疏水區域的暴露則有助于蛋白質分子與風味物質的結合，改善食品的口感。用于食品加工的蛋白酶主要有胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶和微生物蛋白酶，食品蛋白質經蛋白酶酶解發生分子間、分子內交聯和產生特殊的化學基團，改變蛋白質的各級結構，使蛋白質的化學性質發生變化，從而影響其溶解性、水合性和乳化性等功能特性，有利于生產出更高標準的各類食品。

2.2　提高蛋白質的利用率

蛋白質是人體所需的必須營養素，構成人體各個組織的主要成分，蛋白質攝入量不足會引起貧血、衰老以及組織器官損傷等各種病癥，嚴重危機人體健康，因此，提高機體對蛋白質的消化利用率就顯得尤為重要。食品中含有各種蛋白，在食品中添加蛋白酶是提高蛋白質利用率的主要途徑之一，從食品加工初期到食品的儲存運輸過程中，催化蛋白質水解的蛋白酶主要有原料自身所含的蛋白酶、微生物分泌的蛋白酶以及人工添加的外源蛋白酶制劑，這些蛋白酶不僅可以促進蛋白質分解成小分子肽、氨基酸，提高人體對蛋白質的消化吸收，還可以用于生產制作高蛋白的新型食品，解決幼兒、老齡人以及特殊人群對蛋白質需求量的問題，有利于提高食品中蛋白質的消化利用率[6]。

2.3　清除沉淀物質、延長保質期

許多食品需要在較低溫度下貯存，以達到抑制酶活、延長保質期的目的，但是大部分液態飲品在儲存過程中容易產生大量沉淀，沉淀的主要成分就是蛋白質，有些還包括多酚類化合物或大分子糖類。膠體溶液類的液態飲品在生產、儲存和運輸的過程中，體系中分子間氫鍵、離子鍵、范德華力等各種相互作用力發生變化，以及外界溫度、動力的影響，使得原本就不穩定的蛋白質分子體系發生膠體聚沉，產生大量的大分子沉淀，影響食品的品質風味以及后續的銷售，而蛋白酶可有效分解蛋白質，改善飲品中由蛋白質引起的沉淀的現象，保持液體食品的各種感官品質并延遲飲品的貨架期。

3　蛋白酶在食品工業中的應用研究

3.1　蛋白酶在肉類食品中的作用

肉類中肌纖維蛋白和膠原蛋白的含量是影響肉類嫩度的主要原因[7]。動物在屠宰后，蛋白酶作用于肌肉各組織經過一系列復雜的化學反應降解其中的肌纖維蛋白和膠原蛋白，從而增加肉類所具有的嫩度，將肌肉轉變為可食性肉[8]，但在此期間酶的活力也在發生著變化，僅靠內源蛋白酶的酶解作用是遠遠不夠的，周丹等[9]研究發現木瓜蛋白酶可有效的提高河蚌肉中可溶性蛋白的含量，同時降低其硬度和咀嚼性，增加蚌肉的嫩度及彈性，改善蚌肉的色澤，使其具有更好的食用口感和感官品質。蔣小鋒等[10]研究發現經菠蘿蛋白酶處理的馬肉更加柔軟細嫩、汁多并且富有彈性，具有很高的感官價值。另外，蛋白酶還可提高肉類食品中的各營養指標，有利于肉類食品深加工產業的發展[11]。楊二剛等[12]研究發現，經中性蛋白酶和木瓜蛋白酶處理的雞肉，其蛋白水解液的水解程度高達54%，雞肉的各方面營養指標、嫩度及持水率都顯著提高，有利于雞肉產品的深加工。蛋白酶還可改善肉類食品的風味，羅珺等[13]研究發現適量的胰蛋白酶可促進肉類中蛋白質的水解，增加其中氨基酸小分子肽等風味物質，對改善肉類食品的風味具有重要意義。

3.2　蛋白酶在烘烤食品中的作用

烘烤食品主要是指面包、蛋糕和餅干等由面粉為主要原料，經過一系列復雜的工藝方法通過烘焙所制得的方便食品[14]。而面粉中含有淀粉酶、蛋白酶以及戊聚糖酶等多種酶，其中蛋白酶的主要作用是降低面粉的筋度、提高面筋的可塑性、增大面團體積、改善面團韌性、縮短面團成形時間等[15]，但是面粉中的蛋白酶含量有限，為了制作出更營養、美味及高品質的烘烤食品仍需外源蛋白酶制劑的添加。張依潔等[16]利用木瓜蛋白酶和風味蛋白酶研制出具有高氨基酸含量和獨特風味的雞骨泥風味餅干。陸曉濱等[17]研究發現在餅干中添加中性蛋白酶可改善餅干在生產加工時出現的斷裂現象，減少產品的損失。研究還發現烘烤食品所具有的風味其實是由烘烤時氨基酸和還原糖發生美拉德反應所產生的，因此通過添加外源蛋白酶可有效的幫助蛋白質分解成氨基酸，促進美拉德反應的進行，增加烘烤食品的風味[18]。另外在制作蛋糕時加入蛋白酶可以保證其具有良好的乳化性和持泡性，從而改進風味，常用的有細菌蛋白酶，其來源于枯草桿菌和地衣芽孢桿菌。

3.3　蛋白酶在飲品中的作用

啤酒和茶飲料等液態飲品中含有大量的蛋白質，儲存過程中其蛋白質發生膠體聚沉從而產生沉淀物質，嚴重影響飲品的口感及后續銷售，然而蛋白酶制劑可有效的解決以上情況。蛋白酶作用于蛋白質將其分解成小分子肽和氨基酸，不僅緩解了飲品中出現的沉淀現象，還增加了其所含有的風味物質。鄭寶東等[19]研究發現經蛋白酶處理后的茶汁，其氨基態的氮的含量增加了13%～39%，茶湯的鮮味感和風味都得到了有效的改善。韓華等[20]通過在啤酒生產中添加中性蛋白酶去除了其中的不穩定物質，減少了大分子蛋白質的含量，提高了啤酒在儲存過程中的穩定性。研究表明蛋白酶也可促進糖化發酵，去除果酒、葡萄酒的雜味，對消除果酒、葡萄酒、黃酒的渾濁也有顯著效果。另外，蛋白酶在研發新型飲品中也有巨大貢獻，譚斌等[21]利用中性蛋白酶研制出高營養、易消化、風味獨特的橙汁花生肽飲料，在一定程度上可改善特殊人群對蛋白質的需求量。

3.4　蛋白酶在干酪制品中的作用

干酪是最為主要的乳制品之一，含有豐富的蛋白和鈣，其需求量也日益增加，而蛋白酶可以有效的加速干酪的生產和成熟[22]。研究表明由芽孢桿菌產生的金屬蛋白酶可以水解牛奶中的κ-酪蛋白，從而使凝乳步驟在奶酪生產中快速的完成，配合其它的蛋白酶可使牛奶中的寡肽水解，加快奶酪的成熟同時產生特異風味物質[23]。如今已研發出來源廣泛的生姜蛋白酶和PPe等可以代替乳酪生產初期所使用的小牛胃凝乳酶，烏血巖等[24]利用生姜蛋白酶制得出品質更好、口感更佳、更具保健功能的干酪，龐志花等[25]研究發現PPe制得的干酪與小牛胃凝乳酶制得的干酪無顯著差別，同時PPe還優于市場上所銷售的豬胃蛋白酶和微生物凝乳酶，在解決凝乳酶量的缺乏具有重要意義。另外，蛋白酶的添加使制得的干酪凝塊質地更加細膩，風味更濃郁。徐輝艷[26]研究表明在制作干酪時添加木瓜蛋白酶可降低其硬度、咀嚼性和內聚性，減少揮發性風味物質的產生，得到高品質的干酪。

3.5　蛋白酶在調味品中的作用

食品的口味和鮮味在很大程度上是由調味品所決定的，而調味品的制得離不開蛋白酶的催化發酵作用，醬油是人們生活中主要的調味品之一，其在釀造的過程中會產生大量的米曲霉，而米曲霉分泌蛋白酶作用于原料大豆中的蛋白質，使其分解成小分子肽和氨基酸等具有風味性的物質，從而使醬油具有了改善食品味道的功效。隨后又通過添加外源蛋白酶增強醬油發酵時酶系的作用，以提升醬油的風味品質。池慧芳[27]研究發現在制作醬油時添加外源蛋白酶可有助于米曲霉的生長，增加細菌數量，且外源蛋白酶用量為0.06%時得到的醬油產量最高，大大縮短了醬油發酵的時間，更改善了醬油的各方面感官品質。另外醬油中的含氮大分子和糊精會在醬油生產和儲存過程中產生大量沉淀，造成了巨大的損失同時嚴重影響到后續的銷售，趙聰聰等[28]通過正交試驗研究發現中性蛋白酶可以很好的改善此類情況，同時確定了醬油的最佳工藝條件。除了醬油，還有許多其他的調味料都是通過蛋白酶制備得來，劉光明等[29]將海蟹下腳料經蛋白酶酶解作用后制得低過敏原性、氨基酸含量豐富、鮮味濃郁的海蟹調味料，陳娜等[30]利用木瓜蛋白酶作用蝦下腳料得到了蝦味濃郁、良好色澤并且可作為功能食品添加成分的調味料。

4　蛋白酶在應用時的注意事項

4.1　酶類的選擇

在加工食品時并不是任何一種蛋白酶的添加都能得到預期所要的效果，要選用合適的蛋白酶。許多蛋白酶都有凝固豆乳的功能，但欒廣忠等[31]研究發現Alcalase的凝乳作用最強，所制得的豆乳具有相當高的應用價值，孟祥晨等[32]研究發現堿性蛋白酶水解雞蛋蛋清蛋白質的效果優于中性蛋白酶。唐福元等[33]研究表明無花果蛋白酶對豬肉的嫩化效果優于木瓜蛋白酶，復合酶又比單一酶嫩化效果好。

4.2　酶量的添加

使用蛋白酶時，其用量的多少十分重要，用量太少可能作用效果不明顯，使最終食品口感風味仍有所欠缺，用量過多可能會造成浪費甚至作用過度的現象。解蕊等[34]研究發現木瓜蛋白酶量為4 000 U/g時水解雞骨所制得的調味料風味最好，趙文凈等[35]研究表明木瓜蛋白酶用量為3%時，其茶多酚浸出量最高，茶香更濃郁。

4.3　其他條件

外界條件也是影響蛋白酶的作用效果的重要因素。唐福元等[33]研究發現超聲可促進無花果蛋白酶嫩化豬肉，且功率為240 W，超聲時間5 min、溫度50℃、pH7.5、嫩化時間60 min等條件下嫩化效果最佳。左繼紅等[36]研究發現微波輻射可加快蛋白酶的酶解時間，且功率480 W，處理時間1 h，溫度55℃條件下效果最好。蔣小鋒等[10]采用正交試驗得出菠蘿蛋白酶嫩化馬肉的最佳條件是酶量12 U/g，溫度60℃，時間1.5 h，pH7.0或者酶量為16 U/g，溫度 60℃，時間2 h，pH7.0。

5　結語

蛋白酶作為一種安全、清潔、高效的酶制劑，已經廣泛的應用于各個領域，尤其是食品行業，在食品風味、口感、儲存等方面都有巨大貢獻，但仍有許多理論問題尚沒有得到解決，加強蛋白酶理論知識的了解和探索，開發更適合食品行業的新型蛋白酶，降低成本，提高經濟效益成為今后食品行業蛋白酶研究的首要任務，相信隨著科技的發展進步，蛋白酶將會為食品加工產業作出更巨大的貢獻。

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