外源酶在肉品加工中的应用研究进展

2013-08-07 09:14:14王稳航滕安国刘安军
食品科学 2013年15期
关键词:嫩化肉品肉制品

王稳航,刘 婷,赵 可,李 茜,滕安国,刘安军

(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

酶是催化特定化学反应的蛋白质、RNA或其复合体,是生物催化剂,能通过降低反应的活化能加快反应速率,但不改变反应的平衡点。根据酶催化反应的类型,国际酶学委员会把酶分为6大类:氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类,分别用1、2、3、4、5、6来表示[1]。食品酶制剂是指动物或植物的可食或非可食部分直接提取,或由传统或通过基因修饰的微生物(包括但不限于细菌、放线菌、真菌菌种)发酵、提取制得,用于食品加工,具有特殊催化功能的生物制品。

作为肌肉组织中的一个重要组成,酶在肌肉的正常生理活动中发挥着重要作用,如糖代谢相关酶类、磷酸激酶等,而真正在畜禽屠宰后肌肉嫩化的过程扮演了重要角色的内源酶,主要为钙激活蛋白酶、组织蛋白酶、蛋白酶体等,以及最近发现具有蛋白水解作用的caspase-3、caspase-6等。关于内源酶在肉的成熟过程中的作用已经进行相关综述[2-3]。

在肉品实际加工过程中,常需要额外添加一些酶类来改善和提高肉的加工工艺和感官品质,与肉中内源酶相对应,这类酶就称为外源酶,主要包括蛋白水解酶类,如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶,以及一些动物、微生物来源的蛋白酶。另外,属于转移酶类的谷氨酰胺转胺酶由于其酰胺基转移功能而具有的蛋白交联作用而广泛进行了在肉制品的应用研究。此外,多酚氧化酶由于具有氧化还原活性,可将在蛋白质中的—SH氧化成二硫键而使蛋白分子内部与分子之间形成交联,未来可能在肉品加工也有潜在应用。酶作为一类特殊的食品添加剂,其种类和质量逐年提升,在肉品加工过程中的应用也不断增强。与普通的食品添加剂相比,酶反应表现为特别温和、绿色与环保,这对减少肉的营养和风味损失、提高肉品质量和安全性具有重要作用。为此,根据近些年来的研究报道,对以上内容作一综述,旨在强调食品用酶在肉品加工中的重要作用,拓展与提升外源酶在肉品加工中的应用技术。

1 常见肉及肉制品加工用酶

肉品加工用酶种类较多,来源分散,根据酶催化反应类型,将其基本分为3类:水解酶、转移酶和氧化还原酶,其具体名称、分类、催化活性等酶学性质以及应用列于表1。

1.1 水解酶类

水解酶是催化水解反应的一类酶的总称。水解酶是以(底物)水解酶这种格式来命名。但是,一般的名称是(底物)酶,可分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等。不同种类的水解酶在食品加工中均有广泛应用,而在肉品中应用的主要是蛋白酶。在蛋白酶的作用下,将肉类大分子蛋白质水解为易吸收的蛋白胨、多肽及各种氨基酸,从而提高了肉品嫩度、风味等[21]。蛋白酶从动、植物以及微生物中均可获取。

来源于植物的蛋白酶主要包括木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、中华猕猴桃蛋白酶、生姜蛋白酶,以及一些富含蛋白酶活性的植物提取物。植物水解蛋白酶的共同点是,活性中心都具有半胱氨酸残基,属于巯基蛋白酶,并对催化位点没有特异性,主要以内肽酶的形态起作用。能切开全蛋蛋白质分子内部肽链—CO—NH—生成分子质量较小的多肽类,从而使大分子的蛋白质水解成易吸收的小分子氨基酸和多肽。植物源蛋白酶在肉品加工的主要作用是肉质嫩化。

来源于动物的蛋白酶主要是胃蛋白酶和胰蛋白酶,以及一些鱼类或动物内脏提取的蛋白酶[22]。其中胃蛋白酶是一种消化性蛋白酶,由胃部中的胃黏膜主细胞分泌,功能是将食品的蛋白质分解为小的肽片段,对蛋白或多肽进行剪切时,具有一定的氨基酸序列特异性。它倾向于剪切氨基端或羧基端为芳香族氨基酸(如苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)或亮氨酸的肽键;而如果某一肽键氨基端数第3个氨基酸为碱性氨基酸(如赖氨酸、精氨酸和组氨酸)或者该肽键的氨基端为精氨酸时,则不能有效地对此肽键进行剪切。这种剪切特异性在pH1.3时表现得更为明显,即只倾向于剪切氨基端。而胰蛋白酶在脊椎动物中,作为消化酶而起作用。其作为胰液的成分而分泌,受肠激酶或胰蛋白酶的限制分解成为活化胰蛋白酶,是肽链内切酶,能把多肽链中赖氨酸和精氨酸残基中的羧基侧切断。它是特异性最强的蛋白酶,在决定蛋白质的氨基酸排列中,成为不可缺少的工具[1]。这类蛋白酶真正在肉品加工过程中的应用并不多见,主要是对肉及畜禽副产物进行酶解以提取某些活性肽等功能物质。

表1 用于肉及肉制品加工过程中的外源酶种类及性质Table 1 Types and properties of exogenous enzymes during meat processing

除了植物蛋白酶外,微生物来源的蛋白酶也具有较强的蛋白水解作用,如枯草芽孢杆菌中性蛋白酶、米曲霉蛋白酶等,具有代表性的是枯草杆菌中性蛋白酶。中性蛋白酶是一种能在中性范围内将大分子蛋白质迅速水解成肽类和部分游离氨基酸的胞外酶,广泛用于食品工业[23]。中性蛋白酶由于肽键的亲核进攻而造成蛋白质的水解可以嫩化。除了嫩化作用外,真菌蛋白酶可能在干发酵香肠的风味形成中也发挥着作用。

1.2 转移酶类

转移酶类能够催化化合物某些基团的转移,其中应用最为广泛的是谷氨酰胺转胺酶。谷氨酰胺转胺酶(蛋白质谷氨酰胺-谷氨酰基转移酶,简称TG),又称转谷氨酰胺酶,是催化蛋白质或多肽链中的谷氨酰胺残基里的C2酰胺基和一级氨基之间进行酰胺基转移反应的酶。蛋白质中的赖氨酸残基里的E2氨基也可以作为一级氨基与之反应,从而可以将蛋白质进行分子内或分子间的共价交联聚合。TG的最适pH值是5~8,活性最稳定的温度是40℃,超过40℃逐渐减弱。TG经研究表明存在于哺乳动物中几乎所有的组织里,在鸟类、鱼类及多种植物中也广泛分布,但这些动物性TG都是Ca2+依赖型的。但由于来源有限和提高工艺复杂等原因限制,真正工业化生产的TG是来自于微生物,如轮枝链霉菌(Streptoverticillium sp.)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)等[24]。TG已广泛应用于食品加工业,其中在肉制品中添加谷氨酰胺转胺酶可以促进蛋白质分子交联,改善肉制品品质,降低生产成本,提高产品附加值。

1.3 氧化还原酶类

氧化还原酶类作为酶类中的特殊类别,在食品工业中仍未能广泛使用,在肉品加工中更不多见,具有代表性的是多酚氧化酶。多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)是自然界中分布极广的一种金属蛋白酶,普遍存在于植物、真菌、昆虫的质体中,甚至在土壤中腐烂的植物残渣上都可以检测到PPO的活性。它是一类广泛存在的含铜金属酶类,能够通过分子氧氧化酚或多酚形成对应的醌,广义上的PPO可以分为酪氨酸酶、儿茶酚氧化酶和漆酶都属于氧化还原酶类。PPO可催化蛋白发生交联反应,从而改善蛋白质的功能特性,如热稳定性、乳化性、凝胶特性、保水性、流变学特性等[25-26]。

2 外源酶在肉品加工过程中的蛋白水解作用

2.1 外源酶对肉质嫩化的作用

肉的嫩度通常被认为是肉品质量的最重要的决定因素之一。肉的嫩度取决于肌内结缔组织的量、肌小节的长度和潜在的肌肉中蛋白水解的能力[3]。从另一方面来看,肉的嫩度是消费者在肉质品质中非常重视的一点[27]。外源性蛋白酶处理是最有效肉嫩化的方法之一。用于肉类嫩化的酶类主要有两种来源,植物中提取和微生物培养。植物中提取的酶类主要有木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、中华猕猴桃蛋白酶、无花果蛋白酶及生姜蛋白酶等已被广泛应用于嫩肉粉的制备与生产中[14,28-30]。Ha等[31]研究发现木瓜蛋白酶、生姜蛋白酶、中华猕猴桃蛋白酶和菠萝蛋白酶4种植物水解蛋白酶都能有效地水解牛肉中的肌原纤维和胶原蛋白,其中中华猕猴桃蛋白酶被发现是最有效的水解牛肉中肌原纤维蛋白的植物水解蛋白酶,而生姜蛋白酶被认为是水解胶原蛋白最有效的植物蛋白酶。Kim等[7]经过研究表明来源于生姜的半胱氨酸蛋白酶具有很强的胶原蛋白水解活性。芦笋是一种鲜美蔬菜,同时具有较高的蛋白酶活性。Ha等[32]比较了中华猕猴桃蛋白酶和芦笋蛋白酶的蛋白水解活性,并根据它们对肌原纤维和结缔组织蛋白水解活性的差异提出了如何以此开发肉嫩化剂。

一些来源于真菌的蛋白酶由于对结缔组织有较强的分解作用,嫩化效果十分显著。Sullivan等[14]应用芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌蛋白酶、米曲霉蛋白酶对牛肉进行处理,发现所有的酶处理可以增加肌原纤维和胶原蛋白的降解从而使肌肉嫩化提高感官效果。除了传统的植物和微生物水解蛋白酶,近年来有学者研究胶原蛋白酶嫩化肉质。Zhao Guoyan等[33]研究了胶原蛋白酶MPC-01在低温条件下对牛肉有显著的嫩化效果。另外,来源于Pseudomonas fl uorescens的蛋白酶提高了猪肉和大西洋斜锯牙鲨(Rhizoprionodon terraenovae)中蛋白质的乳化性能[34]。随着对微生物蛋白酶的研究深入,发现微生物产酶易于诱变育种,提高产量,易于生产、分离纯化,成本低而动植物资源有限,微生物蛋白水解酶嫩化肉制品是有研究和应用价值的。

由于受酶制剂价格因素和对天然、绿色食品的追求,人们也研究一些富含蛋白酶活性的提取物对肉质嫩化的作用,目前报道的有来源于植物的中华猕猴、Calotropis procera,以及传统发酵食品-大酱等[35-37]。理论上讲,凡是能够作为蛋白酶提取原料或具有蛋白酶活性的动、植物及微生物及其代谢产物,均可以粗提物的方式应用于肉品加工,但是由于未经过纯化,其所含其他成分对肉品的色泽、质地、安全性以及对蛋白酶活本身都会产生很大影响,其在具体应用前进行详细深入研究。无论如何,富含蛋白酶活性提取物的添加也已成为外源酶在肉品加工的新手段。

2.2 外源酶在动物源性活性多肽中的作用

生物活性肽的定义是由Biesalski等[38]提出的,被定义为对身体机能和健康有积极作用的特定蛋白质片段[39]。肉类来源的包括肌肽、鹅肌肽、谷胱甘肽和肌酸等在内的生物活性肽,已被研究者们广泛关注。此外,近年来开发的一些新型的肉源多肽,如抗高血压活性肽、阿片样活性肽、抗氧化活性肽、免疫调节活性肽、抗血栓活性肽等,成为另一类很有潜在应用的功能性成分[40-41]。在生物活性肽的生产中,外源酶应用广泛[38,42-43],以具有水解特异性较强的胃蛋白酶、胰蛋白酶等比较常见。实际生产中,不同的外源酶产生的生物活性肽是不同的[40],以此为基础可开发出功能各异、特定片段的生物活性肽。

2.3 外源酶对肉制品风味的影响

外源酶对肉制品风味的影响部分来自于其对蛋白质的水解。Diaz等[44]从3个蛋白酶天冬蛋白酶E、米曲霉蛋白酶和木瓜蛋白酶对干发酵香肠的特性进行了研究,发现添加外源性酶能够促进干发酵香肠产生芳香族化合物。Chaves-lópez等[45]应用酿酒酵母中的水解酶促使胱氨酸、谷氨酸、赖氨酸、缬氨酸等自由氨基酸的增多从而影响了意大利风干香肠的风味。He Hailun等[46]比较了来源于Pseudoaltermonas sp. SM9913菌株的适冷性蛋白酶(cold-adapted protease)和来源于Mesophilic Bacterium Bacillus sp. SM98011菌株的Mesophilic Protease对冷冻肉风味的影响,表明在冷藏条件下,适冷性蛋白酶比Mesophilic Protease更能够释放更多的呈味氨基酸,从而可作为一种传统中温蛋白酶的代替品而在提高冷冻肉风味中有潜在应用。研究表明蛋白酶能加速蛋白质的水解,提高游离氨基酸含量、风味肽及其他风味物质,有利于产品风味的形成,从而改善提高产品的品质。水解酶能在生产中增加肉制品的自由氨基酸和风味肽从而提高肉制品的特有风味,对改良传统肉制品有重要的研究意义。

3 外源酶在肉品加工过程中的蛋白交联作用

在肉制品中,提高蛋白质的交联程度可以增加肉质的保水性,改善肉的凝胶特性,提高肉制品品质。TG酶可以通过催化蛋白质分子之间发生的交联,改善蛋白质的许多重要性能以及食品质构,如用该酶生产重组肉时,它不仅可将碎肉黏结在一起,还可以将各种非肉蛋白交联到肉蛋白上,明显改善肉制品的口感、风味、组织结构和营养。Ahhmed等[47]研究了TG对鸡肉和牛肉香肠的凝胶强度的影响,结果表明通过TG的添加可以提高肉糜热诱导凝胶的强度。Carbalo等[48]研究了TG对不同种类的肉凝胶特性的影响,系列研究表明,TG处理能显著提高肉的凝胶强度,在一定的条件下还能减少蒸煮损失、增强凝胶的持水力。段茂华等[15]利用转谷氨酰胺酶的交联作用对牛肉原料进行处理。以负重值为主要检测指标,考察了酶处理对牛肉质构的影响。结果表明,与对照组相比,经酶处理后的牛肉表现出较好的质构强度,有利于产品的后续加工。Basaran等[49]研究了TG对鸡肉鳟鱼和鲑鱼的肌肉发现,TG催化促进蛋白质的交联和凝胶形成,代替盐或磷酸盐。除了利用TG促进肉蛋白质的交联研究外,很多学者对TG对肉蛋白质与非肉蛋白质的交联作用也进行了研究,Pietrasik等[50]研究了TG对乳蛋白质与肌肉蛋白质混合物的处理效果,结果表明在相同的总蛋白浓度下,TG处理可促进乳蛋白质与肌肉蛋白质的交联,增加热诱导凝胶的持水力,同时还能形成更强的凝胶。

除了TG外,多酚氧化酶和脂肪氧合酶由于可作用于蛋白质中的巯基和二硫键,可以形成酪氨酸-酪氨酸、酪氨酸-半胱氨酸或酪氨酸-赖氨酸等交联[20,25],因此,在能够提高肉品结构方面可能具有潜在应用价值。

4 外源酶在肉制品加工过程中的其他作用

外源酶在肉的抗氧化、风味(非蛋白水解作用)、抗菌防腐等方面也具有一定作用。由于蛋白酶可将蛋白质降解成许多具有抗氧化活性的多肽等小分子物质,从而可能提高伊比利亚干发酵香肠的氧化稳定性[51-52]。Pradhan等[53]发现,过氧化氢酶在肉的存放时有助于肉质产品中的抗氧化。另外,一些氧化还原酶对肉制品的风味也有影响。其中脂酶与动物风味形成有关。Fernández等[54-55]研究了添加胰脂酶对于干发酵香肠脂肪降解、微生物指标和感官质量的影响,添加胰脂酶对发酵香肠的三酰甘油尤其是二酰甘油酯的降解和游离脂肪酸的积累有明显的促进作用,肉豆蔻酸、棕榈酸和油酸的含量均有明显的增加,对于干发酵香肠的风味形成有促进作用。溶菌酶作为一种广泛存在于动、植物组织以及微生物中的蛋白质,能够水解细胞壁和外膜层中肽聚糖的糖苷键和酰胺键,破坏细胞壁网状结构,使细胞壁溶解,从而使微生物在没有细胞壁的保护下而死亡。另外,溶菌酶作为一类天然生物防腐剂,在肉制品加工中的应用研究正在不断深入与拓展,一般以与其他防腐物质配合使用,如壳聚糖、Nisin、植物精油等[56-57],在肉制品的生物防腐领域占有重要位置。

5 结 语

在肉及肉制品加工过程中,外源酶不仅可以大大改善肌肉蛋白质的嫩化程度、凝胶特性,生产高质量的肉制品,还能够用于开发新的食品资源,改善肉制品的风味,以及生产有益于健康的生物活性肽。随着新酶种类的不断挖掘和应用技术的不断革新,外源酶在肉品加工中的应用范围和程度将会不断扩大。除了广泛应用于蛋白水解和交联的植物蛋白酶、TG等,其对肉品风味、抗氧化有贡献的一些蛋白酶、脂肪酶也将会不断地得到开发。由于来源广泛和提取技术的差异,外源酶纯度、活性等技术指标存在很大差异,其使用安全性也将是肉类加工者应考虑和对待的问题。外源酶的应用将为我国肉类工业在提高产品质量、降低成本、节约原料和资源、保护环境等方面产生了巨大的社会效益和经济效益。

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