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酶解技术在食品和制药工业中的应用

文章出处:作者:人气:-发表时间:2014-07-07 10:55:00【

  蛋白质是机体内最重要的一类生物大分子,是人体必不可少的主要营养来源,同时也被作为某些药物的来源或组分,广泛用于疾病的治疗。

  众所周知,食物中的蛋白质不能被人体直接吸收,必须在体内先降解成多肽及氨基酸;如果在体外采用人工方法对食物蛋白进行同效降解,就会大大减轻消化器官的负担,亦可达到降低能耗、营养快速补充等目的。在药用方面,除某些生物制品(如疫苗、免疫球蛋白等)外,蛋白质极少直接作为药物使用,常常需要转化为小肽及氨基酸等活性成分。以上都涉及到一个生物转化过程——蛋白质的酶促水解反应。蛋白质酶促水解反应(简称酶水解或酶解),是指应用生物蛋白酶对生物组织的蛋白质进行分解,使大分子蛋白质变成小分子活性多肽及氨基酸,以利于吸收和使用。酶解技术是蛋白质工程、酶工程和生物工程相结合的产物,近年来被广泛应用于医药、食品、饲料等领域。今天,广州市味研生物工程科技有限公司总经理邱燕翔给我们介绍了味研酶解反应的生产理念。

一、酶解的理论研究

  酶解反应是一类极其重要的生物转化过程,该类反应具有高度的产物多样性与动力学复杂性的双重特点,其理论研究相对滞后。20世纪初,Michaelis等提出了酶促动力学的“米氏方程”原理,至今一直作为描述酶促反应的经典模型。米氏方程在本质上是一种2D动力学方程,即通过建立单一的反应物浓度或产物浓度随时间的定量变化关系构建速率方程。对于复杂的酶解体系而言,简单的M-M方程难以模拟反应过程的全貌,其动态特性将对应于空间上的一个3D曲面。近期国内有报道,选取全酪蛋白-胰蛋白酶的模式水解体系作为研究对象,根据完整的HPSEC实验谱图,经分子模拟多肽结构,获得了大量产物多肽信息,为蛋白质酶解过程提供了最新理论依据。

二、生物酶的种类与选择

  酶解所采用的生物蛋白酶大都是肽酶类,在生物界分布极广,主要分动物蛋白酶和植物蛋白酶两种。动物蛋白酶通常以无活性的酶原状态存在,在生理活动需要时再活化,活化过程往往借助其它蛋白水解酶或本身的作用,切除一部分肽键而完成。如胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶等。植物蛋白酶在细胞可溶性蛋白中占很大比例,纯度相当高。如木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶等。酶解反应具有高度的专一性。如胰蛋白酶只专一水解赖氨酸、精氨酸羧基形成的肽键,糜蛋白酶专一水解芳香族或带有较大非极性侧链氨基酸的羧基形成的肽键,胃蛋白酶水解芳香族或其他疏水性氨基酸形成的肽键。

  在实际应用中,由于蛋白质自身结构的复杂性及产物组成多样性等特点,一般选择多种生物酶联合作用的酶解方式,如胰酶-胃酶联合、胰酶-木瓜酶联合等。胰蛋白酶具有高度的断裂位点专一性,经常被作为酶解反应的首选。

三、酶解技术在食品工业中的应用

  随着人们对美食及健康的追求,生物工程技术在食品工业中的应用日益广泛和深入。以酶解工程、发酵工程等为核心的生物工程技术,不仅为人类提供了许多特殊风味食品,而且对食品加工工艺的改进和食品新资源的发掘产生巨大作用。蛋白质是人体必不可少的主要营养来源,蛋白质酶解技术在食品工业中的应用可谓相当广泛。早期对生物蛋白的水解曾使用酸、碱等化学物作为促酶,但由于其自身的安全性、产物的功效性、营养成分损失、副反应多、水解产物感官性能差等问题,近年来逐渐被生物蛋白酶所取代。

  在调味食品领域,采用酶解法生产天然肉类风味调味料——动物水解蛋白,其反应条件温和、高效、易于控制,在降低工艺难度和能耗的同时,使风味得到进一步提高。以酶解型天然鲍鱼抽提物制作的新型调味品——鲍鱼汁,其美味成分丰富,风味纯正、口感突出,具有较好的应用前景。

  大量试验及应用表明,很多活性肽具有食品感官功能及抗氧化、表面活性剂等特殊营养作用,是广泛使用的食品添加剂,拥有巨大的市场潜力。目前生产活性肽可采用多种方法,酶解法是其中的一种。大豆多肽是大豆蛋白的酶解产物,其营养功能优于前者,是大豆蛋白的最佳营养方式。20世纪80年代,对大豆蛋白的酶解工艺研究取得较大进展,以大豆多肽为原料的功能食品在国外不断被开发出来。国内于90年代起开始同类研究,目前仍处于初期发展阶段。

  近年来,多肽类功能食品受到越来越多的重视,如肝肽、大豆多肽、牡蛎活性肽等。传统理论认为,人体对蛋白质的吸收主要是以氨基酸形式。最新研究发现,蛋白质经消化道酶促水解后,主要以小分子多肽的形式吸收,且比游离氨基酸更易于被机体吸收和利用;并且,某些小肽不仅能提供人体生长发育所必需的营养物质,而且具有某些氨基酸所不具备的重要生理机能,如降低胆固醇、促进矿物质吸收、降血压、强化机体免疫、促进新陈代谢等。随着保健食品行业的迅猛发展,必将开发出更多的肽类功能食品,以满足人们日益增长的保健需求。

四、酶解技术在制药工业中的应用

  经研究发现,许多活性小肽在机体内是以大分子形式合成,而后经降解和分泌行使其功能。某些天然蛋白质分子量很大,但其活性部位却很小,往往一段连续的小肽就能体现其活性。蛋白质酶解反应是改善蛋白源底物理化和功能特性的一种重要手段,其酶解产物活性多肽是治疗诸多疾病(如高血压、糖尿病、癌症、艾滋病、SARS等)的特效或潜在药物,在制药领域已经获得广泛的应用开发。

  传统制药工艺中,使用酶解技术的以生化类药品为主。利用酶解方法,使原料蛋白质类前体降解,然后分离其中的活性片段。如脑蛋白水解物、肝水解肽、水解蛋白等,其水解产物中含有多种活性小肽、游离氨基酸等组分,临床疗效确切。随着科学技术的不断发展,酶解工艺结合目前新的分离和检测技术,特别是以亲和色谱为基础的各种方法和仪器,可以从一组混合物中快速有效地发现、分离这些活性小肽,为新药开发提供了一个全新的途径。

  近年来,对于海洋生物的研究不断深入,人类开始向海洋索取功能蛋白和特殊活性物质,用作研制药物和开发功能食品。利用水产蛋白开发酶解降血压肽(如蛋白酶水解沙丁鱼),与普通化学合成降压药具有独特优势,加之其明显的降压效果,近年来倍受国际研究界瞩目。海参蛋白经酶解后可产生多种氨基酸与功能小肽,具有极高的药用价值。

五、结束语

  在多肽领域,酶解技术拥有几十年的研究历史,是一项应用较早的传统生物技术。因其方法简便,多年来一直被广泛利用。随着分析手段的不断完善,近期关于酶解机理的研究取得了突破进展,必将提升该项技术在诸多产业的发展空间。二十一世纪,生命科学迅速发展,酶解技术作为一项传统与现代相结合的技术手段,具有广阔的应用前景与市场潜力。