酶法改性技術及其在植物基肉制品中的應用研究進展

李同慶，張金闖*，陳瓊玲，劉浩棟，王 強*

（中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

隨著人口數量的增長，全球范圍內面臨著食物供給不足的嚴峻挑戰。預計至2050年，全球人口將達到98億，屆時膳食中肉類需求量將達到4.55億 t，預計將出現1億 t左右的缺口[1]。另一方面，采用現代加工技術，以植物蛋白為原料開發植物基肉制品，對于緩解肉類資源短缺，減輕飼養業的環境負擔，改善居民膳食結構等具有重要意義。然而，植物基肉制品產業發展面臨諸多挑戰，其中，產品口感和質地與動物肉差距較大是主要問題之一[2]。

蛋白質酶法改性具有反應條件溫和、產物安全性高、無環境污染、過程易于控制等優點，在植物蛋白精深加工領域被廣泛研究和應用，以達到改善產品風味、質地、提高消化率等目的。Liu Boye等[3]利用蛋白質谷氨酰胺酶（protein glutaminase，PG）處理小麥面筋蛋白水解物，將谷氨酰胺進行脫酰胺處理生成谷氨酸，利用鮮味掩蓋水解物的苦味。張金闖[4]利用谷氨酰胺轉氨酶（transglutaminase，TG）對花生蛋白進行改性，發現質量分數0.2% TG處理結合高水分擠壓能夠促進新的二硫鍵和氫鍵生成，使結構更加穩定，改善花生拉絲蛋白的纖維結構品質。Fan Jiaxuan等[5]研究發現，漆酶可以促進黑麥面條中二硫鍵和其他化學鍵的形成，從而促進蛋白質的交聯，形成網絡結構。Chen Lin等[6]探究擠壓預處理與水解酶處理聯合應用對大豆分離蛋白溶解性的改良作用，大豆分離蛋白經擠壓預處理、酶水解程度為8%～10%時，大豆分離蛋白的溶解度大于90%，而未經擠壓預處理的大豆分離蛋白溶解度在酶水解程度為9.6%時的溶解度最高（69.1%），這表明擠壓預處理和控制酶水解能夠提高大豆分離蛋白質的溶解度。到目前為止，酶法改性在植物基肉制品方面的應用研究較少，在酶制劑的選擇、交聯效率提升等方面還有很多值得探索的課題。

本文首先對比分析植物蛋白和動物蛋白在必需氨基酸組成、化學結構以及品質功能特性的差異；然后重點介紹TG、漆酶等交聯酶，堿性蛋白酶、中性蛋白酶等水解酶對蛋白質結構的修飾改性機理；最后概括酶法改性工藝分別在動物肉制品和植物基肉制品中的應用，并對酶法改性技術與擠壓技術聯合工藝在植物基肉制品中的應用前景進行展望。本文旨在為新型植物基肉制品產品研發和品質提升提供參考。

1 植物蛋白與動物蛋白化學結構和功能特性差異

植物蛋白是人類膳食中重要的蛋白質來源，占全世界蛋白產量的80%[7]，其具有來源廣泛、價格低廉、營養品質高等特點，在人類健康飲食結構中發揮了重要作用。植物蛋白分子結構以復雜的多聚體形式存在，如大豆蛋白可分為2S、7S、11S、15S，其中7S和11S為主要成分（質量分數約為70%），7S蛋白分子由α＇、α、β3 個亞基通過疏水相互作用締合，11S由6 個酸性亞基和6 個堿性亞基以二硫鍵連接構成[8]。植物蛋白具有一定的功能性質，如凝膠性、乳化性及發泡性等，但常常滿足不了食品工業的需求，所以需要適當加工以改善營養價值或功能性質。Zhu Zhenbo等[9]利用高強度的超聲處理核桃分離蛋白，使核桃蛋白的水溶性增加22%、乳化性增加26%及乳化穩定性增加41%，改善了核桃蛋白的功能屬性。植物蛋白的功能性質改善能夠拓寬其應用范圍及加工條件，同時賦予其新的加工功能性質，經加工改善后的植物蛋白可作為一些成本較高的食品蛋白質配料的替代品，產生更好的經濟效益。

動物肉是人類飲食的重要組成部分。動物肉中主要由肌肉組織、脂肪組織、結締組織等構成，肌肉中的纖維具有復雜的層次結構，可分為肌原纖維蛋白（肌球蛋白、肌動蛋白、原肌球蛋白、肌鈣蛋白）、肌漿蛋白和基質蛋白（膠原蛋白、彈性蛋白），1 根肌纖維（1 個肌細胞）的長度為1～40 mm，直徑為20～100 mm[10]。動物蛋白在加熱過程中疏水基團暴露，疏水作用加強，巰基氧化，進而促進了二硫鍵生成，蛋白質發生交聯作用，同時肌原纖維二級結構發生重排，芳香族氨基酸殘基暴露于分子表面，蛋白質疏水區域發生了局部改變[11]。但是加熱變性后不同動物肉質地差別較大，豬肉的肌纖維排列相對緊湊，含有較多的脂肪，結締組織較少，肉纖維相對較薄且柔軟。魚肉中約含質量分數15%～24%蛋白質，由于魚類獨特的運動方式，其肌纖維長度較短，結締組織也較少[12]，口感細致嫩滑，易消化吸收（消化率約87%～98%）[13]。

豌豆纖維化蛋白[14]與豬肌原纖維蛋白[15]微觀結構如圖1所示。對比植物蛋白與動物蛋白的結構差異可知，植物蛋白多為球狀，分子較對稱，溶解性通常較好，而肉類蛋白多為纖維狀，分子不對稱，溶解度各不相同，大部分不溶于水[16]。從蛋白質變性溫度來看，植物蛋白在較高溫度下才會變性，而動物蛋白在較低溫度下即可變性，如大豆球蛋白變性溫度在90 ℃左右[16]，而肌球蛋白在40 ℃左右開始變性，50 ℃變性顯著，肌動蛋白在66～73 ℃發生變性[17]。因此，植物蛋白通常需要更高的溫度或更長的加熱時間才能使蛋白結構伸展[18]，發生變性，從而進一步促進新結構形成、達到改善功能特性的目的。

圖1 豌豆纖維化蛋白（A）[14]與豬肌原纖維蛋白（B）[15]電子顯微鏡圖Fig.1 Electron micrographs of pea fibrous protein (A)[14] and porcine myofibrillar protein (B)[15]

從蛋白消化率來看，植物蛋白的消化率往往比動物蛋白低（表1），因為植物蛋白常與植酸、蛋白酶抑制劑、植物血凝素和鞣酸等影響蛋白質消化的抗營養因子共存[19]，降低了蛋白消化率。此外，植物蛋白的二級結構以β-折疊為主，而動物蛋白以α-螺旋為主[20]，結構上的差異也是植物蛋白消化率較低的原因。在必需氨基酸組成方面，動物蛋白的蛋白質消化率校正后的氨基酸得分（protein digestibility corrected amino acids score，PDCAAS）能夠達到或更加接近1.00，氨基酸的比例更加均衡，而植物蛋白往往缺乏一種或多種限制性氨基酸（limiting amino acid，LAA），PDCAAS低，如大多數谷物蛋白的賴氨酸含量較低，豆類蛋白的含硫氨基酸（甲硫氨酸和半胱氨酸）含量較低。可將不同種類植物蛋白混合，使其限制性氨基酸互補，能夠提高植物蛋白的營養品質，如豌豆和大米的PDCAAS指數較低，但將其組合可以將PDCAAS增加到1.00[21]，同時食品加工也可以提高蛋白質消化率和PDCAAS，如蒸煮條件下能夠提高蛋白質的消化率[16]，將大豆制成大豆分離蛋白后其PDCAAS可由0.80增加至0.98[22]。

表1 不同蛋白質的消化率、PDCAAS、LAA對比[22-23]Table 1 Comparison of digestibility, protein digestibility corrected amino acids score and LAA of different proteins[22-23]

2 酶法改性對蛋白質結構的修飾作用

酶是一種高分子質量的球狀蛋白質，具有線性氨基酸鏈和決定酶性質的特殊空間構象。酶法改性技術減少了化學試劑的使用，提高了工作效率，是一項安全、高效、綠色的新技術。蛋白質酶法改性的方法主要有共價交聯作用、水解作用、脫酰胺作用和磷酸化作用等，所涉及的酶包括TG、多酚氧化酶、水解酶、磷酸酶以及過氧化氫酶等[24-25]。

2.1 酶法交聯

酶法交聯是指蛋白質在酶的作用下，促進蛋白質分子內或分子間的交聯作用。交聯后蛋白質分子結構發生變化，分子質量提高，可有效改善蛋白質的持水性、凝膠性等功能特性。漆酶（EC1.10.3.2）是一種具有交聯能力的多酚氧化酶，其催化中心存在多個銅離子，所以也被稱作多銅氧化酶[26]。其廣泛存在于植物、真菌中，也有一些漆酶能夠從細菌和昆蟲中分離出來[27]。漆酶的肽鏈約由500～550 個氨基酸組成，漆酶分子由3 個杯狀結構域緊密結合形成漆酶的球狀結構，每個結構主要由β-折疊、α-螺旋及無規卷曲構成。漆酶的活性位點一般存在4 個銅離子，可分為3 種類型，I型和II型各1 個，III型2 個，其中I型銅離子是還原性底物的氧化位點，具有典型的藍銅譜帶，是漆酶外觀為藍色的主要原因。漆酶結構與交聯蛋白過程如圖2所示。

圖2 漆酶結構（A）及其引起的蛋白質交聯過程（B）[28]Fig.2 Laccase structure (A) and laccase-induced protein cross-linking process (B)[28]

漆酶可對4 個底物分子進行氧化，生成的自由基隨后發生偶聯反應，形成不同的共價連接產物。蛋白質中暴露的酪氨酸側鏈作為漆酶氧化的底物，由此產生的苯氧自由基會自發進行蛋白質交聯反應[27]。Cui Li等[29]采用漆酶誘導小麥醇溶蛋白，制備了表面光滑均勻、熱穩定性增強、具有良好性能的蛋白纖維，且醇溶蛋白纖維的力學性能和水合穩定性得到改善。

TG（EC2.3.2.13）廣泛存在于植物、動物及微生物當中，目前市場所用的TG大多為微生物來源，其酶學性質更加穩定，對蛋白選擇范圍更廣，交聯性能更好，在食品中的應用十分廣泛。TG通過3 種途徑對蛋白質結構進行修飾改性，分別為轉氨基反應、交聯反應、脫氨基反應，其中交聯反應機理如圖3所示，TG催化蛋白質的谷氨酰胺殘基（酰基供體）和賴氨酸殘基（酰基受體）之間的酰基轉移反應，形成ε-(γ-谷氨酰)賴氨酸肽鍵[30]。

圖3 TG結構（A）及其引起的蛋白質交聯過程（B）[30]Fig.3 Transglutaminase structure (A) and transglutaminase-induced protein cross-linking process (B)[30]

TG對蛋白質的結構修飾作用已被廣泛研究，如大豆蛋白[31]、魚肉蛋白[32-33]、乳清蛋白、酪蛋白[34]等，有研究也表明TG在誘導蛋白交聯過程中對蛋白質的溶解性、乳化性、起泡性和凝膠化等功能性質有較大的影響[35]。Chin等[36]利用TG開發低脂低鹽香腸，實驗結果表明，添加質量分數0.3%的TG可以替代10%用于生產重組肉制品的乳化肉，從而改善肉制品的結構特性和交聯性能，且不會產生不良影響。Herrero等[37]研究發現TG的引入極大地改變了肌球蛋白重鏈的結構，顯著降低了α-螺旋結構的含量，增加了β-折疊的相對含量，改善了肌球蛋白硬度、彈性、內聚力和黏附性，從而產生了具有緊湊、有序結構構象的凝膠。此外，TG還會干擾蛋白質脂肪族側鏈之間的疏水相互作用，進一步增強蛋白質的交聯性能[38]。

2.2 酶法水解

酶法水解指蛋白質在酶的作用下降解成肽類或氨基酸（圖4），是改造蛋白質組成、改善蛋白質品質的有效途徑之一。堿性蛋白酶是一種在中性到堿性（pH 7～11）范圍內具有活性的水解酶，其中心有1 個絲氨酸，屬于內切酶，水解部位為芳香族或疏水性氨基酸的羧基[39]。除了能水解肽鍵，堿性蛋白酶還能夠水解酯鍵、酰胺鍵以及具有轉酯、轉肽的功能。其水解作用機理為絲氨酸作用于肽鍵酰基，形成絲氨酸羥基、底物酰基和氨基的共價四聯中間體，中間體易分解形成酰基-酶中間產物，期間伴隨著肽鍵斷裂，水分子進入后，氧原子攻擊羰基上的碳原子，酰基-酶解離，蛋白質水解完成[40]。

圖4 蛋白質酶法水解過程Fig.4 Protease hydrolysis process

常見的植物蛋白均可利用堿性蛋白酶進行水解[41]。張婭妮等[42]利用堿性蛋白酶水解核桃蛋白，結果發現酶解產物表面疏水性降低，而其溶解性、乳化性、起泡性及泡沫穩定性提高。李泓頡等[43]利用堿性蛋白酶酶解亞麻籽蛋白，酶解產物粒徑減小，而蛋白分子更加柔韌，將其應用到冰淇淋中，結果發現加入質量分數4%的堿性蛋白酶酶解亞麻籽蛋白能夠獲得較高品質的冰淇淋。

中性蛋白酶是最早發現并廣泛應用于工業化生產的蛋白酶制劑，可用于焙烤食品工業、阿斯巴甜的合成、蛋白水解物苦味的去除、大米深加工領域以及醫藥治療等方面，最適作用pH值在6.0～7.5之間，分子質量為35～40 kDa，等電點為8～9。大多數中性蛋白酶為含鋅的金屬蛋白酶，酶活性中心的鋅離子起著催化橋梁作用，當其他金屬與鋅離子發生置換反應時，可改變蛋白酶的活性。陸曉濱等[44]在餅干生產過程中添加中性蛋白酶，結果發現中性蛋白酶能夠顯著改變小麥面團的流變學性質，降低面團彈性，能夠有效抑制餅干的自然斷裂。郭永等[45]利用中性蛋白酶處理豌豆分離蛋白，在酶添加量為5 U/g、pH 6.0、溫度65 ℃下所得豌豆分離蛋白凝膠質地更加細膩柔軟。

3 酶法改性工藝及其在動物肉制品和植物基肉制品中的應用

目前酶法改性工藝在肉制品加工中應用廣泛，可提高產品的營養價值、提高產品風味、降低材料成本并提高生產效率、改善肉制品品質等。在提高肉制品營養價值方面，利用酶制劑降解蛋白生成的肽和氨基酸更容易被人體吸收。已有研究顯示蛋白質在人體腸道內并不完全以氨基酸的形式被吸收[46]，而短鏈肽更容易且能夠更快被機體吸收利用，且短鏈肽比氨基酸的滲透壓更低，致敏性比多肽和蛋白低，能夠被人體完全吸收和利用，在普通飲食不能滿足蛋白營養需求的人群中有著廣泛應用。此外，在提高產品風味方面，酶解蛋白可產生多種呈味肽，能夠顯著改善食品滋味與風味。Zheng Zhiliang等[47]利用微波聯合蛋白酶酶解牛骨中蛋白質制備肉味香精，實驗結果表明微波聯合酶解技術改善了酶解效果，提高了水解產物的抗氧化性能與風味，對提高副產品的經濟和營養價值具有重要意義。在改善肉制品嫩度方面，酶制劑也發揮著重要的作用，常見的嫩化酶主要包括木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等，可以有效水解肉制品中結締組織蛋白和膠原纖維，在使肉制品嫩化、有利于人體消化吸收的同時能夠產生小分子肽，提升肉制品風味。在肉制品重組方面，酶改性技術可以將碎肉重組，提高其經濟效益，也可以將肉與其他功能物質重組，提高其營養價值。Ersoz等[48]在制作牛肉丸過程中加入TG，結果顯示TG處理后的肌動蛋白和肌球蛋白密度降低，形成了新的高分子質量蛋白質，TG處理促進牛肉丸網狀凝膠結構形成，提高了牛肉丸的品質。Jiao Xidong等[49]在鯰魚魚糜中添加7.5 g/kg脂肪酶，結果顯示凝膠強度明顯增加，在魚糜中加入脂肪酶后，相互作用力和二硫鍵作用顯著增強，而離子鍵和氫鍵作用減弱。程夢穎等[50]研究了對鰱魚魚糜凝膠特性的影響，在葡萄糖氧化酶添加量為5‰時，魚糜的白度、凝膠強度、彈性模量（G＇）、損耗模量（G″）及持水性都達到最大值，在1‰～5‰的添加范圍內，凝膠網絡變得更加致密，促進蛋白質分子間二硫鍵形成。

如表2所示，酶法改性技術在植物基肉制品生產中已得到應用，其可以改善產品外觀、質構品質和風味等。TG、PG及漆酶均能夠有效改善植物基肉制品的品質，P?ri等[51]利用PG與TG復配處理燕麥濃縮蛋白，同時探究了燕麥濃縮蛋白預熱處理對擠出物的影響，結果表明，加入總酶活力為5 U的TG、PG混合酶進行酶解后，預熱處理的燕麥濃縮蛋白能夠促進高水分擠出物纖維結構的形成。Sakai等[52]用漆酶處理添加了甜菜果膠和甜菜紅色素的植物基肉餅，改善了植物基肉餅的色澤，同時也發現漆酶處理后能夠改善肉餅的硬度，增強肉餅的保水性、多汁性及減少其蒸煮損失，提高產品品質。Zhang Jinchuang等[53]研究發現TG能夠促進花生蛋白高水分擠出物的層狀結構形成速率，從而促使纖維結構的形成，TG可以促進蛋白質分子鏈的展開、聚集、交聯，使蛋白質分子排列更加無序，同時，α-螺旋結構會向β-轉角和無規卷曲結構轉變。Lee等[54]用TG增強了大豆餅的硬度、彈性和咀嚼度，但降低了油脂吸收率。Kaleda等[55]將豌豆分離蛋白與燕麥濃縮蛋白原料混合后，利用高水分擠壓技術生產植物基肉制品，研究發現產品的必需氨基酸比例能夠達到聯合國糧食及農業組織/世界衛生組織氨基酸模式標準，同時，在擠壓過程中加入植酸酶減少了植酸含量，提高了植物基肉制品營養價值。然而，相比動物肉制品，酶法改性在植物基肉制品開發中研究較少、應用不足，在酶制劑的選擇、交聯效率提升等方面還有很大的提升空間。

表2 酶法改性植物基肉制品研究進展Table 2 Research progress of enzymatic modifications of plant-based meat products

4 酶法改性-擠壓聯用技術工藝及其特點

食品擠壓技術是集混合、攪拌、破碎、加熱、蒸煮、膨化及成型等過程為一體的高新食品加工技術，具有高效率、低能耗，少排放、低成本，高溫短時、營養損失小等特點[56-57]。根據螺桿數量的不同，可分為單螺桿擠壓、雙螺桿擠壓和多螺桿擠壓；根據物料水分質量分數的不同，可分為低水分（20%～40%）擠壓和高水分（40%～80%）擠壓[58]。在擠壓過程中，蛋白分子中原有的化學鍵斷裂，分子鏈伸展，分子內或分子間發生交聯、聚集、降解、氧化等反應[59]，能夠使蛋白質分子形成新的有序的網狀纖維結構[60]。在擠壓過程中高壓和高溫的環境下，植物蛋白的抗營養物質、過敏源等也會被破壞，從而可提高其消化率[16]、降低植物蛋白致敏性[61]。低水分擠壓由于模口處溫度和壓力驟降，制得的拉絲蛋白呈蓬松多孔結構，水分含量低；而高水分擠壓具有更長的冷卻模具，可同時完成調色、調味、熟化、殺菌、組織化等工序，不僅生產過程能耗低、營養損失小、無需后續加工等優點，而且產品更接近動物肉的纖維結構和質地，可作為較為理想的動物蛋白部分替代品。因此，高水分擠壓被認為是目前最具潛力的新型植物基肉制品加工技術之一[62]。Zhang Jinchuang等[63]利用高水分擠壓技術將花生蛋白制備植物基蛋白腸，結果表明，在擠壓過程中蛋白質分子結構伸展，在冷卻區發生相分離和重排，形成的氫鍵和二硫鍵促使肉狀纖維結構的形成。Zhang Xin等[64]利用高水分擠壓技術研究了不同比例的大豆濃縮蛋白和小麥蛋白對擠出物纖維結構的影響，結果發現質量比在1∶1的條件下擠出物呈現出高纖維結構，同時也證明了氫鍵和二硫鍵是纖維結構形成的原因。

酶法改性與擠壓聯用技術是在物料擠壓過程中引入外源酶，將擠壓機作為酶的反應器，以加強對生物大分子的改性作用。植物蛋白大多為球狀，溫和條件下難以直接作用基質，因此酶水解、酶交聯等效果較差。在擠壓過程中蛋白質分子由聚合狀態轉變為暴露狀態，增加了酶與底物的接觸位點數量（圖5），同時在強外力下蛋白與酶混合均勻，有利于酶與底物在多個方向充分接觸，從而能夠改善酶作用效果[65]。de Mesa-Stonestreet等[66]將酶法改性與擠壓技術相結合用于從高粱粉中提取出蛋白質，結果發現，提取出的蛋白質的濃度和消化率都高于用僅酶處理所提取的蛋白質。Zhang Jinchuang等[53]研究表明在花生蛋白中添加一定量（質量分數0.1%～0.2%）TG，有利于促進高水分擠壓花生蛋白纖維結構的形成和拉伸強度的提高，但過量（質量分數0.3%）的TG不利于蛋白纖維結構的生成。然而，如何實現酶法改性技術與高水分擠壓技術的有機結合，對蛋白質結構進行精細改良，用于新型植物基肉制品品質改良和產品創制仍需進一步探索。

圖5 酶法改性與擠壓技術聯用對蛋白質構象的改變Fig.5 Conformational changes of proteins by enzymatic modification in combination with extrusion

5 結 語

以植物蛋白為原料開發植物基肉制品部分替代動物肉，在可持續發展、低碳減排、營養需求等方面具有重要意義。然而，由于天然植物蛋白在氨基酸組成、分子間作用力、空間構象等方面與動物蛋白存在較大差異，難以直接模擬由肌動蛋白和肌球蛋白構成的肌纖維及肌束的結構，限制了其在植物基肉制品產業中的應用。酶法改性技術作為一項安全、高效、綠色的新技術主要分為酶法交聯和酶法水解兩種，已在動物肉制品中廣泛應用，可提高產品的營養價值、提高產品風味、降低材料成本并提高生產率、改善肉制品品質等，同時，酶法改性技術在植物基肉制品中也展現出了良好應用前景。將酶法改性技術與高水分擠壓技術聯用，以擠壓機作為蛋白質酶法改性的反應器，在蛋白質結構修飾和品質形成方面具有顯著優勢，對于生產出纖維結構更加豐富、質構更加擬真的植物基肉制品具有重要作用。