谷氨酰胺转胺酶的研究进展

王书平，刘俊华,2

（1.滨州学院生命科学系，山东 滨州 256603；2.山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，山东 滨州 256603）

谷氨酰胺转胺酶（Transglutaminase）又称转谷氨酰胺酶，系统名称为蛋白质-谷氨酸-γ-谷氨酰胺基转移酶（EC2.3.2.13，TGase）[1]，是一种催化酰基转移反应的转移酶，能催化蛋白质分子内或分子间的交联、蛋白质和氨基酸之间的连接以及蛋白质分子内谷氨酰胺基的水解，从而改善蛋白质的结构和功能特性并能通过引入赖氨酸而提高蛋白质的营养价值。可以改善食品结构、溶解性、起泡性、乳化性、流变性等。其在生物医药、纺织、化妆品等诸多领域有着广泛的应用前景[2]。1957年Clarke等人第一次提出TGase一词，用来描述豚鼠肝脏的促使酞基转移酶的活性，此后在微生物、植物、无脊椎动物、两栖动物、鱼类、鸟类中都发现了TGase。

1 谷胺酰胺转胺酶的种类

不同来源的谷胺酰胺转胺酶其性质也有所不同。根据来源主要分为两大类，其性质也有所差异。

1.1 来自微生物的谷氨酰胺转胺酶

来自微生物的谷氨酰胺转胺酶其摩尔分子量为 23～40（×103），球状构型，单聚链，331 个氨基酸构成，活性中心包括带有自由硫巯基的Cys残基分泌型蛋白质，亲水性，但有疏水性部分分散在序列中，被安置在酶表面的亲水区，其对酶活性的影响尚未发现。活性不依赖于Ca2+序列。最适pH 6.0～7.0，最适温度 50℃。PCMB，NEM，MIA，pb，Zn，Cu 抑制酶活性，EDTA无影响，其它金属对酶活性无明显影响。等电点8.9，较为稳定，经过离心和过滤后的滤液在－20℃时可以贮存几个月而酶活性平均损失才10%，重复溶解和冷却，并不明显增加酶活性的损失，经过纯化后的酶更为稳定。

1.2 来自动物肝脏组织的谷氨酰胺转胺酶

来自动物肝脏组织的谷氨酰胺转胺酶：其分子量为 70～90（ ×103），分为Ⅰ、Ⅱ两型，单聚链，468～479个氨基酸构成，活性中心也包括一个Cys残基，Ⅰ型和Ⅱ型功能区非常相似，但其余部分并不全部相同。等电点4.5，其热稳定性、pH值、温度、对底物的要求等均不同于微生物谷氨酰胺转胺酶，且不同肝脏或组织的谷氨酰胺转胺酶其性质也并不完全相同，但其活性中心均依赖Ca2+。此外，植物组织中也发现此酶，对其研究目前还较少。

2 谷胺酰胺转胺酶的作用机理

谷氨酰胺转胺酶是一种催化酰基转移的酶，能够催化肽链中谷氨酰胺残基的γ-羧酰胺基（酰基供体）与酰基受体之间进行酰基的转移。如图1，酰基受体有3种。一是当伯胺基为酰基受体时。形成蛋白质分子和小分子伯胺之间的连接，该反应可将一些限制性氨基酸（如甲硫氨酸、赖氨酸），引入蛋白质以提高其营养价值[3]。二是当多肽链中赖氨酸残基的ε-氨基为酰基受体时。在蛋白质分子内和分子间形成ε-（γ-谷氨基）赖氨酸异肽键（G-L键），使蛋白质发生交联，改善蛋白质的溶解性、起泡性、乳化性、流变性等多种性质，从而改变食品及其它产品的质地和结构，进而赋予产品特有的质构特性和粘合性能。三是无伯胺存在时，水充当酰基受体。谷氨酰胺残基发生水解，进行脱酰胺，生成谷氨酸和氨，该反应可改变蛋白的等电点和溶解度。并且产物谷氨酸可以增强食品的风味[4]。但是TGase的脱酰胺活性，仅限于一些含有大量的谷氨酰胺并含有非常少的赖氨酸的蛋白质，如麸质等。因此对于大多数蛋白而言，必须通过化学试剂将赖氨酸残基封闭，以抑制交联反应的发生，进而发生脱酰胺反应。因为没有安全和适合的封闭试剂，脱酰胺反应没有在食品工业中应用[7]。通常，脱酰胺作用的速度要比前两种的反应速度要慢[8]。在这3种反应中，仅有交联反应能够修饰蛋白的功能特性。

图1 谷氨酰胺转胺酶的催化反应

此外，有研究表明转谷氨酰胺酶催化蛋白质形成聚合物的交联程度与酶的来源和底物蛋白的构象有关[9]。Nonaka等[10]研究证明，微生物转谷氨酰胺酶其催化活性较豚鼠肝脏转谷氨酰胺酶高。Soeda等[5]同样指出不同鱼种类的内源转谷氨酰胺酶对所形成的鱼肉膏的品质有不同的影响。转谷氨酰胺酶的作用有一定的限制性，并不是所有包含有Glu和Lys残基的蛋白质分子间就可形成交联聚合物。已报道的良好底物蛋白有酪蛋白、肌球蛋白、乳清蛋白、大豆、蛋白、小麦蛋白等。利用该酶研究不同蛋白质之间是否能形成聚合物，发现底物蛋白质的热力学相合性影响着其交联反应，也就是说与底物蛋白质在酶活性部位上的热力学相合性有关，热力学不相同则使蛋白不能在酶催化部位相互重叠，两两之间不能反应，例如亲水蛋白和疏水蛋白相斥也就引起热力学不相合；另外蛋白质结构构象和Lys、Glu残基部位也影响异原聚合物的形成。

3 谷氨酰胺酶转胺酶的生产方法

国外对谷氨酰胺转胺酶的研究较多也较为深入，而我国则报道很少。已报道的制备方法主要有两种。

3.1 动植物组织提取法

Folk等[6]在动植物组织中发现谷氨酰胺转胺酶，并通过离子交换、过滤、层析等分离纯化过程得到纯化了230倍的谷氨酰胺转胺酶，60年代以来，来源于动植物组织的谷氨酰胺转胺酶的生产提取过程及其应用已被广泛研究。商业用谷氨酰胺转胺酶主要是从豚鼠肝脏中提取，由于豚鼠肝脏来源少，分离纯化过程复杂，导致其价格昂贵（80 A軒/u），而从鱼及植物组织中提取的研究仍处于初级阶段。以豚鼠肝脏为原料，经分离萃取而得。其一般工艺流程为：豚鼠肝脏→均浆→离心→二次离心→过滤→季铵乙基→交联葡聚糖离子交换→羟基磷灰石吸附→亲合力层析→肝脏TG。

3.2 微生物发酵法

上个世纪80年代末，利用微生物发酵法生产谷氨酰胺转胺酶见诸报道。1989年，Ando，Motoki等[7]报道用微生物发酵法生产谷氨酰胺转胺酶。只要筛选到合适的产谷氨酰胺酶的微生物就可以通过传统的发酵技术大规模的生产。微生物发酵法原料廉价，大幅度降低了生产成本，是最有希望进行大规模工业化生产的手段。故国内外学者对该法表现出很大的兴趣和热情。其工艺流程为：发酵液→离心→取上清液→超滤→取浓缩液通过CG-50离子交换树脂→收集活性部分→再次通过CG-50离子交换树脂→收集活性部分→稀释（降低导热性）→通过蓝琼脂糖柱→MTG（被活化了174倍）。

4 谷氨酰胺转胺酶的应用前景

谷氨酰胺酶在食品、医药（研究癌细胞方面）、纺织（如改善羊毛制品性能）等方面都有广阔的应用前景[8]，其中在食品行业应用最受关注。

4.1 在肉制品中的应用

肌球蛋白和肌动蛋白是肌肉的重要组成成分，是谷氨酰胺转胺酶作用的良好底物。在肉制品加热时，彼此间能够形成二硫键，对维持肉制品的保水性和粘弹性等方面起着重要的作用。在肉制品中加入谷氨酰胺转胺酶，经催化反应在肌肉蛋白质分子间形成的共价键的作用力远远大于二硫键，能使蛋白质更紧密地结合在一起，形成致密的三维网状结构，显著提高了产品的质构、改善了肉制品品质、增加了产品的附加价值。

4.2 在乳制品中的应用

乳制品中的酪蛋白、乳清蛋白、乳球蛋白等是谷氨酰胺转胺酶作用的良好底物，所以谷氨酰胺转胺酶在乳制品加工中具有很高的应用价值。牛乳酪蛋白是重要的食品蛋白质，在许多食品的加工中，加入酪蛋白可以改善产品的品质[9]。经过谷氨酰胺转胺酶改性后的酪蛋白，在功能性质方面得到显著增强，是优良的食品添加剂，可应用于焙烤食品、冰淇淋，也可作为脂肪的替代物，用于香肠、重组肉制品、鱼制品。

4.3 在水产品中的应用

鱼肉在低温下可形成凝胶，这与其内源性谷氨酰胺转胺酶的含量有关。新鲜的鱼含有较多的谷氨酰胺转胺酶，可以生产出高品质的鱼凝胶制品，但经过冷冻贮藏后的鱼，其内源性谷氨酰胺转胺酶的含量随新鲜程度的下降而减少，因此可以通过加入谷氨酰胺转胺酶提高一些产品的凝胶强度，加工出品质优良的产品。

4.4 在小麦及大豆制品中的应用

经谷氨酰胺转胺酶作用后的面团在筋力、稳定性及粘弹性方面都有较大的改善，加工面包时加入该酶，可以明显增大面包的体积，使其质地均匀，减少切片时碎屑的产生，并有效防止面包的老化，延长保质期。谷氨酰胺转胺酶可以减少方便面的吸油率，从而减少方便面的热量，同时减少油炸时油的消耗量。

5 展望

谷氨酰胺转胺酶作为一种应用广泛的新型酶制剂，其研究开发前景十分广阔。随着技术的成熟与工艺的发展，酶的制备成本不断下降。其独特的功能特性，受到了国内外学者的广泛关注，尤其日本、丹麦、荷兰等国家投人了大量的人力、财力进行研究与开发[10]。日本已推出了商品化的食品级谷氨酰胺转胺酶制剂。因此，随着科学技术的发展和应用，研究的深入，产酶菌种的优化，生产工艺的改进，酶提取工艺的发展，谷胺酰胺转胺酶的研究及应用也将更加广泛而深入。

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