自溶現象與機理研究進展

吳書建，劉小玲

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530000）

生物體在地球上生存直至消亡，都經歷了物質的合成代謝和分解代謝的兩個階段，并在兩個階段中實現物質形態的轉化，以維持地球物質平衡。自溶是發生在生物體消亡階段的一種內在的反應和現象，在無外來干預的情況下可自發發生。自溶將生物的物質從有機質轉化為無機質，從而維持了生態的平穩。這種自然現象的發生引起不少科研工作者的興趣，例如海參自溶帶來的海產損失和效益虧損：如解決海蝦自溶后的肌纖維消失和食品品質下降：如利用自溶解決降低廢棄物、廢水的生物排放量問題等。為更好的了解自溶現象及其本質，了解影響自溶因素和實現自溶的有效利用和控制，本文圍繞自溶現象、自溶影響因素、自溶機理等方面，對眾多研究成果進行歸納整理，以期為科研工作者圍繞自溶深入開展相關研究提供較為完整的基本信息。

1 自溶概述

“自溶”一詞源起1985年，Babayan和Bezrukov將細胞死亡，胞內生物聚合體在水解酶作用下形成低分子量產物的水解反應定義為“自溶”（Autolysis）[1]。隨著對自溶的深入研究，研究者發現自溶是幾乎存在所有死亡后生物體中的一種全局化、不可逆反應。由于生物體間的差異，動物體的自溶、植物體的自溶、微生物體的自溶三者之間也存在一些差異。動物體的自溶主要為動物體死亡后，自身組織內的酶系受到生物、物理、化學等因素刺激而被激活，從而自發的將自身的組織結構破壞、降解引起組織細胞軟化或液化的現象。植物體自溶則主要為植物果實的成熟過程和采摘后，果皮與果實中發生的酶促酶解，出現植物體的軟化現象[2]。微生物的自溶主要是在脅迫環境下胞內酶釋放，致使細胞裂解或者死亡的一種自我保護行為，并非在細胞死亡后發生[3]。生物體的自溶主要都為體內酶系發生酶促反應。

2 自溶機理

自溶是如何發生的？生物體自溶受何物質調控？影響因素如何？這些問題是解開自溶之謎的關鍵所在。為此，大量研究者開展了與此相關研究，圍繞著自溶，目前普遍認為的自溶均來源于生物體自身內源酶系的激活和發揮作用。但不同的物種，其生物多樣性導致其內源酶的復雜性，不同的生物，其內源酶的構成、激活方式和條件、以及外界對其刺激和干擾也不盡相同，導致其自溶的現象和效率千差萬別。以下分別針對動物、植物和微生物的自溶機理研究展開論述。

2.1 動物機體自溶機理

動物體內存在與合成和分解相關的酶系，不同的酶分布于動物體的不同組織、器官及細胞器中，并發揮著不同的作用。動物的肝臟及消化系統具有多種分解相關的酶，動物機體自溶在死亡后啟動，并從內臟開始，而后遍及動物體全身。動物體的自溶是由于體內的蛋白質、脂肪和糖水化合物被激活狀態下的自身組織蛋白酶、腸酶、脂肪酶和磷酸酶等水解引起。針對動物體自溶，國內外學者主要研究對象多為家禽內臟及水產品方面，涉及了家禽、大眼鯛、藍圓鰺、南美白對蝦、南極磷蝦、海參、貝類等動物，并集中于從自溶酶的角度進行研究。研究發現不同動物體中內源酶類有差異，起主要作用的酶也因動物體不同而存在差異。動物體中發生自溶并非單一某種酶起作用，而是多種酶的協同作用產生，同時受到外界條件的影響。由于動物體中內源酶系復雜多樣，至今對自溶研究過程中的協同作用還需進一步進行探究。各種原料自溶相關的內源酶如表1所列。

表1 部分動物體引起自溶的相關內源酶系Table 1 Enzymes related with some animal＇s autolysis

續表1 部分動物體引起自溶的相關內源酶系Continue table 1 Enzymes related with some animal＇s autolysis

2.2 植物自溶機理

植物體的細胞大多擁有細胞壁，細胞壁可防止細胞之間相互吞沒，同時植物體中又含有多種的細胞壁降解酶，當植物體生長環境不適宜或者植物體細胞受損時，植物體需要自發的“程序性細胞死亡”，細胞壁降解酶類便會通過破壞細胞壁中的肽聚糖和其他物質而破壞細胞構架，進而使細胞解體，即植物體自溶。植物體的自溶主要表現為果皮褐變和果肉快速軟化、溶解流汁、腐爛，亦可稱為“果皮自溶”和“果肉自溶”[2，15-16]。植物自溶酶類主要為多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）、纖維素酶 （cellulase，Cx）、果膠甲酯酶（pectinesterase，PME）、果膠裂解酶（pectate lyase，PL）、β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，β-Gal）、木葡聚糖轉糖酶（xyloglycase，XET）。如荔枝、龍眼采摘后由于果膠和半纖維素的溶解作用和解聚作用而變軟[17]。香蕉和木瓜因果皮褐變分解導致其質構發生變化[18]。針對植物體的自溶研究目前主要集中于水果采摘后的保鮮貯藏方面。

2.3 微生物自溶機理

大多數微生物為單細胞生物，微生物的自溶一般為其細胞受到環境的脅迫或者細胞衰老死亡而使得細胞自身溶酶體釋放水解酶到細胞質中，導致細胞質內的物質被水解留下空殼或者裂解的一種自然降解過程[3]。根據自溶酶類及其發生的部位可將其細分為外自溶型（exo-type autolysis）和內自溶型（endo-type autolysis）[19]。根據發生方式則可分為誘導自溶（induced autolysis）和自然自溶（natural autolysis）[20]。如啤酒酵母在發酵過程中因為酒精等物質積累威脅其生長，迫于環境壓力發生自溶而自我降解[19]。又如乳酸菌細胞壁具有對有害物質的吸附作用，當細胞壁被破壞后，自身便合成肽聚糖水解酶形成自我裂解死亡[21]。引發微生物發生自溶的主要酶類為蛋白酶、葡聚糖酶、磷酸脂酶和幾丁質酶。目前關于微生物發生自溶的機理研究較少，還存在諸多領域有待研究。

3 自溶的生物化學變化

生物體自溶過程中，酶解反應的發生導致組織結構發生降解，在這個復雜的過程當中，涉及到了多種生物化學的變化。

3.1 動物體自溶過程中變化

動物體的自溶為組織結構被破壞降解，主要體現在肉質的變化。組織結構中大分子物質分解為小分子物質，在這個過程中化學物質變化最為明顯。Sone[22]等研究死后大西洋鮭魚體，得出其體內大部分化學成分變化由自溶引起。動物體的組織主要由蛋白質和脂肪組成，自溶酶系以消化系統中的蛋白酶類為主，因此在自溶過程中，蛋白質類物質從高度有序結構轉變為無序的小分子，導致氨基態氮、三氯乙酸可溶性氮、總可溶性氮、游離氨基酸、水解度和游離脂肪酸等方面發生顯著變化。眾多研究表明，自溶過程中上述物質均隨時間延長而增加，最后趨于平穩，但增加的速率根據動物體間自溶效果差異而存在不同。Zheng Jie[23]等通過響應面法試驗設計得出溫度48.3℃、pH4.43時海參內臟自溶效果最好，是獲得寡肽的最佳條件。動物體死亡后經歷僵直、自溶、腐敗3個過程，3個過程并無準確時間界限，只有先后順序，因此，在自溶過程中也相應伴隨著ATP分解及分解產物的蓄積及其他微生物引發的腐敗的代謝產物的變化。僵直延續至自溶過程中ATP降解途徑為：ATP→ADP→AMP→IMP/AdR→HxR→Hx，在自溶過程中伴隨著核苷酸類物質的變化[24]。

3.2 植物體自溶過程中變化

植物體的自溶主要為其細胞壁和細胞間質的降解，在水果中體現為果皮褐變、果肉軟化等現象，這與細胞壁和細胞間質的變化密切相關，尤其是果膠和半纖維素的溶解作用和解聚作用[25]。植物細胞壁的骨架是半纖維素、纖維素果膠等。植物體自溶會引起果膠、纖維素、半纖維素、單糖等產生相應變化。研究發現果實自溶即為細胞壁多糖的長鏈發生非離子鍵解聚變成短鏈或小分子，同時發生水解導致可溶性成分增加。果膠降解成為水溶性果膠和果膠酸，細胞壁被破壞，最終導致軟化；纖維素、半纖維素和單糖含量因細胞壁降解而下降。

3.3 微生物自溶過程中生物學變化

微生物自溶過程中的變化主要細菌和真菌兩類加以分析。引起細菌自溶的自溶酶類通常被稱為自溶素，主要為胞壁酸酶和肽酶。自溶素作用于細胞壁上的磷酸壁和糖醛酸磷酸壁，與其結合后間接導致細胞壁肽聚糖結構被破壞。細菌自溶過程中伴隨著乙酰氨基反應物質和氨基酸等物質變化。真菌自溶酶類則與細菌不同，主要為蛋白酶、核酸酶、葡聚糖酶。研究表明真菌的細胞壁成分為蛋白質、多糖、脂質等。降解過程前期主要作用于壁上糖原，寡聚糖含量迅速上升，后期作用于蛋白質及核酸類物質，引起氨基酸、核糖組分緩慢上升。

4 影響自溶的因素

自溶的發生與生物體內的酶系密不可分，生物體的自溶幾乎均來自于其自身酶解作用。無論何種生物體，自溶主要影響因素均為酶的種類，其次為非酶因素對酶的影響進而間接影響自溶效果，這些非酶因素中以溫度和pH值為主。然而，在這些非酶因素中，又因動物體、植物體、微生物的不同而存在著差異。

4.1 動物體

一般情況下，活體動物體體溫及其組織內pH值恒定，其組織內的酶受到溫度和pH值的影響較大。當動物體死亡后，組織內的生理反應停止，各種化學變化發生，溫度及pH值變化大，不同動物體中的酶類不同或者同種酶因動物體物種間的差異，存在不同程度的影響。故動物體自溶主要受到的影響因素為溫度與pH值，同時，一些鹽類也能影響動物體自溶。每一動物體的自溶均有其最適的溫度與pH值，見表2。

表2 部分動物體自溶的最適溫度與pH值Table 2 Autolysis temperature and pH of some animals

通過研究數據可得大多數的動物體自溶主要pH值范圍為6～8，溫度范圍為40℃～65℃，小部分生物體自溶條件不在該范圍內。

4.2 植物體

植物體自溶的主要表現為植物體果皮及果實的成熟及軟爛，除酶類和溫度及pH值等影響因素外，影響植物體自溶的因素還包括引起細胞壁降解的物質，即呼吸代謝產物乙烯、植物激素、活性氧。乙烯是植物呼吸產物中與植物果實成熟最密切相關的物質，目前市場上已經廣泛使用乙烯利調控果實成熟度來影響多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果膠甲酯酶（PME）和纖維素酶活性進而控制果實軟化。植物自身含有多種激素，激素之間的相互協同作用和抑制作用直接影響著果實的成熟與軟化，已有研究表明脫落酸（abscisic acid，ABA）觸發啟動了躍變型果實番茄的成熟進程。另外，可通過活性氧清除劑維持果實體內活性氧體系平衡，減少活性氧加速果實老化與軟化。

4.3 微生物

微生物的自溶表現為其受生長環境脅迫或自身細胞衰老，而溫度、pH值、離子成分、滲透壓、氧氣供應等影響其生長與繁殖，故為其自溶的非酶影響因素。研究表明虎奶菇菌絲體自溶受到溫度、pH值、滲透壓、離子、氧氣供應影響，其較佳自溶條件分別為40℃、pH 9.0、NaCl濃度3%～4%及無氧條件[29]。有研究者發現將一定濃度的蔗糖溶液加入至細菌培養物中可促進肽聚糖解體。

5 自溶的應用

自溶廣泛存在于自然界的生物體中，研究表明，利用生物自溶技術，可從中獲得目的產物，具有低成本、易操作、無污染等優點，將其充分利用可產生可觀的經濟效益。隨著科學技術的進步，科研人員對生物體自溶的不斷探索與深入研究，自溶已經在多方面中被人們所利用。

5.1 動物體自溶應用

動物體的消化系統中通常水分含量高、內源酶系豐富，極易發生自溶現象。近些年來，不少國內外科研工作者致力于研究動物體內自溶的有效控制和利用。如今在家禽及水產品的加工中已有相關應用，尤其在家禽、魚、蝦廢棄物的回收利用中應用最為普遍，有較深的研究。

家禽及水產廢棄物主要為內臟與其他副產物，這些廢棄物中含有豐富的營養物質和內源酶系，如蝦頭占了全蝦35%～45%，蝦仁生產中，產生的蝦頭及蝦殼廢棄物產量巨大，而蝦的內臟主要在蝦頭，60%的內源酶都存在于其中，并且蝦頭含有豐富的蛋白質資源、甲殼素資源等[30]。因此許多研究者將動物體自溶應用于廢棄物中有益組分的回收利用。制備生物活性物質，如Samaranayaka[31]等通過自溶作用從太平洋無須鱈中提取得到抗氧化活性水解物：Cao[28]等通過響應面法得出在基質濃度23%、pH 7.85、溫度50℃下，蝦頭自溶水解物得率高。營養成分的提取，如Sjaifullah，Achmad[27]等將蝦頭廢棄物在pH 2的室溫情況下自溶2 d，幾丁質提取率為 14.7%；Senphan，Theeraphol[32]等從太平洋對蝦胰腺中提取脂肪，在60℃，自溶時間從0 min增加到150 min，提取率從7.4%增長到了8.8%。蛋白質回收，Liu[33]等對比圓花鯖加工廢棄物中蛋白質回收時，利用自溶技術明顯優于添加外源酶酶解法。Intarasirisawat R[6]等研究大眼鯛魚皮自溶發現在料液比 1∶7（g/mL）、溫度 60℃、pH 7.5、無添加 0.001 mol/L大豆胰蛋白酶抑制劑（soybean trypsin inhibitor，SBTI）情況下，降解制備明膠效率高。此外，不少的蝦油、蝦醬制備中均利用到蝦頭自溶。

5.2 植物體自溶應用

植物體的組成結構不同于動物體，動物體自溶可以產生許多具有經濟價值的營養物質，而植物體的自溶更多的是導致果皮及果肉的軟爛，為此，在植物體的自溶方面，研究者們更多的是將重心放在自溶的控制，即通過控制果蔬當中自溶的發生，保證其新鮮度，延長其貯藏期限。果蔬的成熟軟化過程極其復雜，當自溶發生后不僅明顯改變果皮色澤、影響風味，同時還直接影響果實的品質和商品價值。眾多科研工作者通過對植物體的組成和自溶過程的研究，如今已成功在許多方面達到了對果實成熟軟化的控制。Escamez S[34]等總結自溶在植物生長過程中對組織的作用，得出自溶與植物生長密切相關，控制自溶可調控果實成熟軟化。Smith[35]等將反義RNA技術應用于番茄的成熟控制，成功通過抑制PGmRNA的表達推遲了果實的成熟軟化。Duan X[36]等研究表明羥基自由基會加速細胞壁多糖降解，導致龍眼果皮分解，通過羥基自由基清除劑降低活性氧濃度可以減緩龍眼軟化。

5.3 微生物自溶應用

微生物自溶的利用主要表現在改善風味、提高酶解效率方面。微生物具有傳代繁殖快、適應能力強的優點，而微生物的自溶可以產生改變風味的物質，將這兩個優點相結合應用于食品生產具有顯著的經濟效益。將微生物自溶應用于食品生產已引起了許多科研工作者的興趣。Cebollero E[37]等利用構建了csc1-1過表達的葡萄酒酵母進行自溶，提升了葡萄酒風味。Pillidge C J[38]等進一步研究發現是乳酸菌自溶釋放的肽酶和脂肪酶將牛乳中蛋白質和脂肪分解而賦予干酪獨特風味和促進成熟。

6 總結與展望

人們最初只是利用自溶來改善食品的風味，甚至有些領域為防止自溶引起的腐敗變質而去對其進行抑制。隨著研究者們對自溶的機理、影響因素、過程中生化變化等深入研究，不少研究者發現自溶是一類可以很好利用于食品加工的反應，它是生物體自發的自我降解，利用自溶可以很明顯的降低食品加工中的酶制劑成本。如今自溶已被廣泛的應用于食品領域，不少學者分別將其利用于各自生物種類的食品加工生產中，并將其工藝優化，已經產生了許多可觀的經濟效益。尤其是水產品方面，近些年來對自溶的研究取得的巨大突破，使得自溶成為了一項重要的產品開發技術，也成為了研究人員的科研熱點。Senphan[32]等研究中已經表明在有無自溶60 min情況下從太平洋白對蝦中提取獲得的脂肪并無差異，但自溶60 min條件下提取率明顯提高。自溶在食品產業的應用減少了外源的添加，提高經濟效益、降低成本的同時還增加了食品加工中的安全性。另外，若能更好的了解自溶并進行控制，還可在水產保鮮方面取得重大突破。自溶在食品行業中的應用具有廣泛的發展前景。

自溶的發生受到自身酶系、環境因素等共同作用的影響，是一個復雜的過程。研究生物體自溶時既需要考慮內因，如內源酶種類、生物體體內環境因素等，又要考慮外因，如自溶外界環境的溫度、pH值等，因此，對自溶過程的研究還有待進一步深入了解。對自溶的機理已有較多研究，然而卻未有能完全解釋清楚自溶過程的相關研究。在已有的研究成果上我們可以對自溶進行利用，但是對自溶的更深入研究依然需要科研人員不斷探索。

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