食用菌蛋白質的應用前景及研究熱點分析

王延圣,翟夏秋,鄭筱光,弓志青,崔文甲,賈鳳娟,王文亮,*

(1.山東省農業科學院農產品研究所,山東濟南 250100; 2.山東省農產品精深加工技術重點實驗室,山東濟南 250100; 3.農業部新食品資源加工重點實驗室,山東濟南 250100; 4.中國農村技術開發中心,北京 100045)

食用菌產業具有循環、高效、生態的特點,能夠利用農林牧業的廢料進行生產,是生態循環經濟中的重要組成部分,在促進農民增收、農業增效和國民健康等方面發揮著重要作用。近年來,我國的食用菌產業得到了突飛猛進的發展,截至2015年末,全國食用菌總產量達到3476萬噸,實現產值2516億元,占世界食用菌總產量的70%以上,是世界上最大的食用菌生產和消費國[1]。目前可行商業化栽培的食用菌已經達到近60種,其中有30多種已規?；耘?成為僅次于糧、棉、油、菜、果,在我國農業經濟中位居第6的重要經濟作物[2]。

隨著生活水平的不斷提高,人們對營養保健的消費要求越來越強烈,食用菌是一種高蛋白、高膳食纖維、低脂肪的理想食品,有著巨大的開發潛力。國內外對食用菌營養成分與功能的研究主要集中在食用菌多糖、蟲草素以及三萜類等方面,尤其是多糖類研究相對較多,低層次重復現象嚴重[3]。食用菌含有豐富的蛋白質成分,含量高達15%～25%(干重),與牛肉、豬肉等畜禽產品相當[4]。近年來,科研人員陸續鑒定和分離了多種食用菌蛋白質,具有抗真菌、抗微生物、抗病毒、抗有絲分裂、免疫調節和降壓作用等重要的生物功能活性,它們的大規模生產和工業化應用,解決了一系列微生物耐藥性、農作物產出、可再生能源等醫藥和生物科技領域的難題[5]。食用菌蛋白的功能活性和構效分析將成為未來食用菌營養保健功能研究的主要領域和突破點。本文擬從食用菌蛋白種類和特點、應用現狀及研究熱點三個方面對食用菌蛋白質進行系統介紹,以期為食用菌蛋白質資源的開發利用和產業提升提供借鑒和指導。

1 食用菌蛋白質的種類和特點

食用菌蛋白質結構復雜,種類豐富,功能多樣,對于食用菌蛋白質的分類方法并不統一。按其來源可分為香菇蛋白、平菇蛋白、雙孢菇蛋白、金針菇蛋白、杏鮑菇蛋白等;按其功能特性可分為凝集素、核糖體失活蛋白、免疫調節蛋白、漆酶、抗病毒蛋白及其它蛋白[6-8]。

同細菌、動物和植物蛋白質相比,食用菌蛋白質具有諸多特點。一是由于食用菌種類繁多,其蛋白質具有許多其它來源蛋白質所不具備的生物活性,如專一的水解活性和高效的生物降解活性等;二是許多食用菌蛋白質具有較強的熱穩定性和pH穩定性,有利于工業化規模生產;三是經過長久以來的驗證,食用菌的安全性和健康功效得到了消費者的廣泛認可,市場對食用菌蛋白質的接受程度高[9]。

2 食用菌蛋白質的應用現狀

2.1 食品加工領域

食用菌是極好的蛋白質來源,脂肪含量低,不含膽固醇,將食用菌直接添加到各種加工食品中,可以提高產品的質量特性和營養功效[10]。Stephan等[11]利用平菇蛋白質作為配料,分別制作德國式和俄羅斯式煮制香腸,通過感官評測和質構分析發現,新產品同其它植物蛋白制作的香腸相比,具有更好的風味和質地,表明平菇蛋白質是煮制香腸蛋白配料的優質替代物。在食用菌加工過程中,香菇菌柄質地堅硬不宜加工,往往會作為產品邊角料被廢棄,但由于其蛋白質含量較高,目前已經部分用作酒精發酵的替代氮源[12]。除此之外,靈芝、灰樹花菇、姬松茸等食用菌被用于豆奶和葡萄酒的發酵,產品游離氨基酸和多糖含量大幅增加,風味和營養價值顯著提高,在功能性酒精飲料開發方面具有廣闊的市場前景[13-15]。

目前食品生產中應用的各種水解酶大都來自于食用菌等高等真菌[16]。食用菌蛋白酶被用于肉品嫩化、制作凝乳和奶酪以及水解蛋白質生產氨基酸類增味劑;糖苷酶生產的甜味劑用于烘焙、釀造和果汁生產等領域;脂肪酶用于烘焙和乳品等行業中脂質改性環節;漆酶和酪氨酸酶等氧化酶可以作為化學類氧化劑和飲料穩定劑的替代品,去除引起混濁褐變的酚類物質,保持葡萄酒和果汁等產品的質量均一穩定[17-18]。研究發現,食用菌還可以用于新型天然食品著色劑的工業化生產[19]。加強對不同種類食用菌水解酶類功能活性的研究,可以為其在食品加工領域提供更多的應用。

2.2 醫藥領域的應用

食用菌蛋白質種類繁多且具備多種獨特的生物活性,在醫藥領域的應用前景巨大。金針菇免疫調節蛋白(fungal immunomodulatory protein from Flammulina velutipes,FIP-fve)是一種潛在的功能性藥物成分,具有顯著的抗炎功效[20]。研究者發現,口服FIP-fve可降低小鼠呼吸道合胞病毒(Respiratory Syncytial Virus,RSV)的復制和白細胞介素6(Interleukin 6,IL-6)的表達,減少RSV-誘導炎癥和呼吸道疾病的發病機率[21]。屋塵螨(HDM)是室內主要的過敏原之一,可引起哮喘等過敏性炎癥,占所有病例的85%,研究者發現口服FIP-fve對HDM誘導小鼠產生的急性呼吸道炎癥具有抗炎作用,因此FIP-fve可用于過敏性呼吸道疾病患者的治療[22]。Zhang等[23]通過體外實驗,研究了靈芝和平菇中的新型納米蛋白提取物對巨噬細胞和健康骨細胞的細胞毒性作用,發現納米蛋白提取物可以極大地抑制巨噬細胞的增殖,并且沒有抑制成骨細胞的正常生長,為治療各種骨科疾病奠定了基礎。

此外,研究人員從茶樹菇、杏鮑菇、葡萄色頂枝瑚菌、灰蠔蘑菇等食用菌中,分離提純出了一系列具有抗腫瘤、抗炎、抗高血壓的高效蛋白質活性組分[24-27]。食用菌蛋白質作為一類具有潛在藥用價值的多功能蛋白質,為新型藥物的開發提供了豐富的素材,在未來醫藥領域必將發揮極其重要的作用。

2.3 農業領域

食用菌蛋白質在防治植物病蟲害方面有著潛在應用。Erjavec等[28]對94種野生蘑菇的150種蛋白提取物進行了病原菌青枯菌(Ralstonia solanacearum)的抑菌活性測定,通過體外微量滴定板法鑒定出15種高抗菌活性蛋白質提取物,其中11種完全抑制細菌生長,4種部分抑制細菌生長,表明蘑菇蛋白提取物可以有效治療由青枯菌引起的植物枯萎病。食用菌中含有真菌生物素結合蛋白(biotin-binding proteins,BBPs),對線蟲、昆蟲和變形蟲有一定毒性,是真菌化學防御系統的一部分[29]。Wang 等[30]研究了14種食用菌子實體的殺蟲活性,通過分析水溶性、熱穩定性和透析性等指標,發現食用菌蛋白質,特別是凝集素和溶血素等,對昆蟲的毒性作用不受蛋白酶影響,是很好的殺蟲劑原料。

食用菌蛋白質還可以用于飼料生產,提高動物對飼料的消化率。廢棄的食用菌栽培基質中不但含有豐富的木質素和纖維素,而且蛋白質含量相對較高,將其添加到動物飼料中,能使飼料更容易消化吸收;通過向飼料中添加食用菌來源的酶,如木聚糖酶、葡聚糖酶或肌醇六磷酸酶等,也能夠顯著提高動物飼料的消化率[31-32]。

2.4 化學工業領域

食用菌蛋白質在化學工業上的應用,主要通過不同種類和功能的酶來實現的[33]。漆酶、過氧化物酶和酪氨酸酶等食用菌來源的酶,能夠用于造紙、紡織和石化等行業的廢水處理,以及作為生物修復劑,清除土壤中的除草劑、殺蟲劑、多環芳烴、鹵代和硝基芳族化合物(如多氯聯苯、三硝基甲苯)等污染物[34-35]。在大規模工業生產中,利用食用菌蛋白質制備的固定化酶,表現出極強的穩定性,能夠提高處理底物的數量,更容易與底物分離,從而大大降低生產成本[36]。

漆酶是一種含銅的多酚氧化酶,能夠氧化多種酚類和芳胺類化合物,還能夠直接作用于木質素,氧化降解酚型和非酚型的木質素結構單元,因此漆酶在紙漿生物漂白、工業廢水處理和有機染料脫色等方面有很大研究價值,被認為是造紙業中最具有發展前景的酶。但食用菌漆酶的生產成本很高,并且不適應嚴苛的工業生產條件,開發性質更穩定的酶和低廉高效的制備體系是目前食用菌酶工業化應用的熱點[37]。

2.5 生物技術領域

由于大量使用化肥和殺蟲劑、除草劑等農藥,導致有毒化學物質在土壤沉積,并嚴重污染水源和空氣,是當今世界面臨的主要環境問題之一。生物修復可以利用微生物將有毒化合物被降解為低毒化合物,見效快,成本低,因此真菌的生物修復能力正逐漸引起人們的興趣。真菌(主要是擔子菌)是生態系統物質循環中主要的分解者之一,通過分泌大量的胞外酶(如木質素過氧化物酶,錳過氧化物酶和漆酶等),可以將農藥等進行生物轉化分解,從而達到土壤修復的目的[38]。

食用菌蛋白質在生物技術領域的另一大應用是降解木材。一些擔子菌類能夠通過生物酶高效降解木質素、纖維素和半纖維素,比較常見的是采用固態發酵手段,以可降解的農林業廢棄物為原料,制備食用或飼用高等真菌的培養基,或者用于生產酶、蛋白質和藥物組分[39]。此外,食用菌蛋白質在可再生能源生產中也有著廣泛應用[40]。

2.6 紡織領域

在紡織領域,提取自食用菌的過氧化物酶和漆酶已被用于紡織品的酶促漂白及廢水的脫色凈化處理等環節。紡織企業排放的廢水中含有難以降解的合成染料,對人和動植物具有一定毒性,采用物理或化學的方法處理紡織廢水,成本高,過程復雜,而利用漆酶等生物手段處理紡織廢水正受到廣泛關注。從食用菌變綠紅菇(Russulavirescens)中分離純化出一種分子量為69 kDa的單體蛋白質漆酶,純化后作用于各種紡織染料和實驗室染色劑(如活性艷藍、溴百里酚藍、鉻黑T和孔雀石綠等),脫色效果顯著[41]。高恩麗等[42]探討了云芝漆酶對靛藍廢水的脫色凈化作用,研究了不同溫度、pH、靛藍濃度、漆酶用量等因素對漆酶脫色作用的影響,研究發現當漆酶用量為15000 IU/kg牛仔布時,牛仔布的返沾程度減少85%,水洗廢水中靛藍含量減少83.8%。

2.7 生物傳感器領域

酚類衍生物的測定在醫療保健、食品安全和污染監測等領域具有重要意義,與目前使用的檢測方法相比,基于酪氨酸酶的生物傳感器有明顯的優勢。從雙孢菇中提取的酪氨酸酶作為生物傳感器的重要組成部分,已經在環境酚類污染物檢測中得到應用[43]。

生物傳感器發展的一個關鍵方面是酶的有效固定,通過逐層組裝固定光學透明載體上的蘑菇酪氨酸酶膜,使酶與聚陽離子聚合物交替固定,所制備的生物傳感器用于光學檢測鄰苯二酚化合物L-3,4-二羥基苯丙氨酸(3,4-Dihydroxyphenyl L-Alanine),表現出良好的重復性和時間穩定性。通過吸收光譜和熒光光譜研究分析傳感特性,基于吸光度測量的生物測定給出了23 μmol/L的檢測限(limit of detection,LOD)和高達350 μmol/L的線性響應,基于熒光測量的生物測定給出3 μmol/L的LOD以及在幾十微摩爾范圍內的線性響應(確切值取決于蘑菇酪氨酸酶層數)[44]。

3 食用菌蛋白質的研究熱點

3.1 加工適應性研究

為了更好利用食用菌資源開發新型食品和醫藥產品,有必要對食用菌經過各種加工處理(低溫冷凍、熱殺菌、脫水干燥和酸堿處理等)后的功能活性變化開展研究。Chang等[45]模擬食品加工過程,評估了各種加工條件對來自雙孢菇的凝集素(Agaricus bisporus lectin,ABL)和來自木耳的免疫調節蛋白(immunomodulatory protein of Auricularia polytricha,APP)兩種食用菌蛋白質生物活性的影響,通過研究RAW264.7細胞在體外誘導TNF-α和NO的產生,發現ABL和APP對巨噬細胞的活化功能在經過高溫、冷凍、酸、堿和脫水處理后仍具有良好的穩定性,它們可以作為免疫刺激劑用于保健食品和制藥行業。Tong等[46]研究了金針菇中的FIP-fve和靈芝中的LZ8(recombinant Ling Zhi-8 protein,rLZ-8)兩種活性蛋白質在不同食用加工處理下的加工耐受性,結果表明,在經過高溫(100 ℃加熱30 min)、高壓(121 ℃高壓滅菌15 min)和冷凍(-80 ℃)處理后,這兩種蛋白質仍然可以誘導小鼠脾細胞的增殖和γ干擾素(interferon-gamma,IFN-γ)的分泌;功能活性在0.6 mol·L-1鹽酸(pH=2)處理下不降低,但在5 mol·L-1氫氧化鈉(pH=13)時顯著下降;真空脫水后,FIP-fve和LZ8保留了大部分細胞增殖活性,但IFN-γ分泌減少到初始值的一半左右。這些發現表明,這兩種食用菌蛋白具有良好的耐熱、抗凍性、耐酸性和脫水穩定性,在食品和保健品等領域具有巨大的應用前景。

此外,食用菌蛋白質在酶解過程中會獲得大量功能性多肽,這些功能性多肽具有降高血壓、降膽固醇、抗衰老、促進生長等生理功能[7]。研究不同加工條件對提取食用菌功能性多肽的影響也是當前的研究熱點之一,Zhao等[47]以菇腳蛋白為原料,在超高壓400 MPa條件下處理10 min提取生物活性肽,發現其對酒精代謝相關酶(乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶)活性存在影響。

3.2 構效關系研究

盡管已經有許多食用菌蛋白質生理功能和分子特性方面的報道,但是關于其3D分子結構及構效關系的研究依然很少。Chen等[24]研究了從茶樹菇中提取的凝集素(Agrocybe aegerita lectin,AAL)的抗腫瘤功能和三維結構之間的相互關系。該研究確定了無配體的AAL及其乳糖復合物的晶體結構,結果發現二聚化是AAL誘導腫瘤細胞凋亡活性的先決條件,并且半乳糖和葡萄糖都是構成凝集素生物活性主要的碳水化合物配體。

酪氨酸酶能夠催化酚類化合物轉化為它們的醌衍生物,醌衍生物是形成黑色素的前體,由此引發的酶促褐變是食品行業中的一個重要研究領域。Ismaya等[48]首次得到了雙孢蘑菇酪氨酸酶復合物在2.3埃分辨率下的晶體結構,酪氨酸酶復合物是一個H(2)L(2)型的四聚體,H亞基起源于ppo3基因并且具有與其他酪氨酸酶類似的折疊,L亞基則具有與凝集素類似的折疊。

3.3 規模化生產研究

從食用菌中分離蛋白質的工藝耗時長、產量低、成本高,利用基因工程理論進行重組蛋白質規?；a是一項前景廣闊的技術[49]。Hsu等[50]采用巴斯德畢赤酵母表達系統,對靈芝中的LZ-8蛋白質進行了重組表達。Yeh等[51]利用枯草芽孢桿菌和食品級乳酸乳球菌,重組表達了靈芝中的一種功能性免疫調節蛋白。為了降低生產成本,提高功能活性、產出量和純化率,篩選最佳的蛋白表達系統來生產蛋白質十分關鍵。現有的表達系統包括細菌、酵母、昆蟲、哺乳動物和植物細胞,其中利用酵母進行重組蛋白質的生產,表達量多,發酵規模大,可進行N-糖基化,但酵母特異性高甘露糖的存在往往限制了酵母的使用[52]。利用大田作物(即植物表達系統)生產重組蛋白具有便宜、安全和生產規模大的特點,被認為是目前最有應用前景的手段之一[53]。

4 展望

對于食用菌蛋白質資源的篩選,不應局限于長期食用或已經通過毒理學實驗的品種,對于非食用或有毒的品種也應有所側重,從它們中提純的蛋白質仍有可能具備有益的功效。目前食用菌蛋白質大多從子實體、菌絲體及其懸浮液中獲得,但分離提取工藝面臨著產量低、耗時長、成本高等問題。一方面應繼續發展食用菌高效生產栽培技術,以提高食用菌蛋白質的產量;另一方面應尋求技術創新或原理方法的突破,例如基因工程等手段實現食用菌蛋白質大規模生產。全基因組測序是食用菌蛋白質研究的重要手段,通過測序對編碼的蛋白質進行鑒定和分類,將極大促進其在商業領域的開發應用。

關于食用菌蛋白質功能活性的相關作用機制仍知之甚少。除了繼續探索食用菌蛋白質的構效關系外,還應加強其在生物體內生物活性的研究,特別是在研發免疫調節類新型藥物時,需要考慮凝集素和免疫調節蛋白等活性蛋白質在人體免疫系統中的作用,避免過多的排異反應,從而保證食用菌蛋白質及其特殊生物活性在醫藥研究領域的成功應用。

食用菌蛋白質以其資源豐富、功能多樣等優勢,必將在食品、醫藥、農業和生物技術等領域得到越來越廣泛的應用。