菠萝蛋白酶在食品工业中的应用

    汪师帅

    摘要：菠萝蛋白酶在食品中应用广泛，如在在肉品的嫩化，啤酒、酸豆乳、明胶、鱼露等生产。基于国内现状，对菠萝蛋白酶的产业开发作出进一步的展望。

    关键词：菠萝蛋白酶；性质；应用

    菠萝蛋白酶属于巯基蛋白酶，是从菠萝植株中提取的一类蛋白水解酶的总称。根据分离提取部位的不同，分为果菠萝蛋白酶和茎菠萝蛋白酶两种。1891年，Chittenden等首先用硫酸铵沉淀法从菠萝果实中分离出了果菠萝蛋白酶。因其水解蛋白具有较高的生物活性，且随着提取纯化技术不断进步，逐步实现了商品化的生产，并在食品加工业得到了广泛的应用。

    1菠萝蛋白酶的结构与性质

    菠萝蛋白酶是由多种不同分子量和分子结构的酶所组成的酶系，其中至少包含了5种蛋白水解酶。除此之外，有的还含有酸性磷酸酶、过氧化物酶、淀粉酶、纤维素酶、其它糖苷酶及非蛋白物质[21]。

    菠萝蛋白酶是一种糖蛋白，分子结构中含有一个寡糖分子，由木糖、岩藻糖、甘露糖和N—乙酰葡萄糖胺组成。Yasuda等研究表明，菠萝蛋白酶分子结构中糖蛋白不是催化的必需基团，而是所含肽链中的巯基。陈清西等研究认为：羧基和羟基与酶活性无关，而氨基、巯基、色氨酸残基和组氨酸残基是酶催化活性的必需基团[15]。

    菠萝蛋白酶的分子量为30000—33000，等电点为9.55，酶液的最大吸收波长为280nm。因其由多种酶分子构成，故在催化底物上具有多样性。它能分解蛋白质、肽、脂和酰胺，其水解蛋白的活性较木瓜蛋白酶高10倍以上。

    2在食品工业中的应用

    2.1在肉质嫩化中的应用

    肌肉嫩度主要是由肌肉蛋白质分子间的作用力决定的。这种作用力主要包括肌蛋白的溶胀性、解离度和吸水能力。外源酶使肉品成熟嫩化的主要原因是肌原纤维蛋白和与其相关蛋白的降解，包括肌原纤维间接连接蛋白和内连接蛋白，肌原纤维连接到肌膜的蛋白，连接肌细胞到肌膜的蛋白，这些蛋白都维持了肌原纤维的完整性。菠萝蛋白酶可直接与肌纤维蛋白作用，水解肌纤维蛋白和结缔组织，使蛋白降解成为小分子的多肽甚至氨基酸，令肌肉肌丝和筋腰丝断裂，使肉类变得嫩滑，并简化蛋白质结构使人体食用后易于消化吸收。

    黄业传等[8]为了进一步提高牛肉嫩化效果，分别进行不同的菠萝汁添加量、处理时间、温度和pH值对牛肉的嫩化效果实验，研究上述条件对牛肉剪切力的影响。确定最佳工艺为：菠萝汁浓度6%、时间60min、温度50℃、pH7，在此条件下，牛肉的剪切力可降低50%左右，且不会对产品的色泽造成不良影响。

    黄效海[6]发现CaCl2、菠萝蛋白酶和复合磷酸盐对提高牦牛肉的嫩度是有效的，其最佳浓度依次分别为3.0%、0.01%和0.4%，嫩化时间为15min，嫩化温度为7℃。

    汪学荣等人[18]发现菠萝蛋白酶，CaCl2，抗坏血酸钠的添加可以使牛肉干得到嫩化，其最佳配比为菠萝蛋白酶1.5%，CaCl23.0%，抗坏血酸钠0.69g/kg。同时干燥温度和时间，以及保温剂对牛肉干的嫩化效果有一定影响，较适的干燥条件为干燥温度70℃，干燥时间6.5h，较适的甘油添加量为3%。

    蛋白质纤维结构的打开是改善牛肉嫩度的关键，以传统的嫩化手段处理牛肉，随着分子结构力的变小，肌肉的失水率增大，系水力变小，水活度增大，加工性能变差。段茂华等人[4]发现通过转谷氨酰胺酶的交联作用对牛肉原料进行二次处理，则弥补了这些缺陷，可以使肌肉组织的保水性增强、质构强度增大、嫩度维持较好水平，这对于改善产品的适口性、成型性有一定的指导作用。以负重值、剪切力、系水力为主要检测指标，确定最佳的工艺条件为：菠萝蛋白酶0.4%，转谷氨酰胺酶6ug，时间1h，温度50℃，pH7.5。

    2.2在啤酒生产中的应用

    蛋白酶能分解麦芽中高分子蛋白质为中低分子的蛋白质、氨基酸与肽，为酵母提供营养成份，并对啤酒泡沫的形成、持泡性、啤酒的香气和风味以及啤酒的非生物稳定性有十分重要的作用。当辅料添加超过30%时，麦汁中的α—氨基酸明显不足，不能使酵母正常生长发育，从而降低发酵能力，使双乙酞含量升高，導致啤酒发酵周期延长。向麦汁中添加适量的中性蛋白酶，可以解决这些问题。啤酒的冷浑浊是由聚合的多酚物质与蛋白质缓慢结合导致的，这种现象主要形成于发酵后期阶段。蛋白酶除了用于分解高分子蛋白质外，也可用来防止啤酒的冷浑浊。添加蛋白酶可以分解蛋白质或改变其电性，使之不与多酚物质结合，有效地防止了冷浑浊，从而提高了啤酒的非生物稳定性[9]。

    2.3在啤酒废酵母多肽中的应用

    啤酒废酵母多肽是利用啤酒废酵母中所含的丰富蛋白质，经过自溶、酶解精制以后得到的一类多肽。这些小分子肽不仅能提供人体生长、发育所需的营养物质与能量，而且还具有防病治病、调节人体生理机能的功能。它是以啤酒废酵母为原料，经菠萝蛋白酶酶解、分离、纯化、干燥等工序制得啤酒废酵母活性肽。吴鑫颖等[19]通过单因素及响应面试验分析确定了菠萝蛋白酶对废酵母的最佳酶解条件：酶解温度40.61℃，pH6.58，酶用量2.62%（w/w）。

    2.4在大豆浓缩蛋白工艺上的应用

    大豆浓缩蛋白是用高质量的豆粕除去水溶性或醇溶性非蛋白部分后，所制得的含有70%左右蛋白质的大豆蛋白产品。它具有高凝胶性、乳化性或高分散性，大大提高了综合利用率，降低了生产成本，广泛应用在肉加工食品、烘焙食品、冰激凌、糖果和饮料的生产中。

    马宇翔等[16]用菠萝蛋白酶对醇法大豆浓缩蛋白进行酶法改性，提高醇法大豆浓缩蛋白的溶解性，确定酶解的最佳条件为pH6.5，反应温度48℃，底物浓度6%，加酶量607U/g。该法条件温和，效率高，不破坏氨基酸结构，产生有害物质的可能性小，安全性高。另外水解产物是小分子肽和氨基酸，易为人体消化吸收，也更适于食品加工领域的应用。

    白志明等[1]利用日本产的菠萝蛋白酶水解大豆蛋白的最佳工艺条件为：底物浓度9%、酶解温度50℃、搅拌速度50rpm、酶水解时间6h。

    2.5在酸豆乳生产上的应用

    顾仁勇等[5]利用菠萝汁中所含蛋白水解酶将豆乳中的蛋白质部分水解为功能性多肽，再添加乳酸菌发酵剂制成酸豆乳。酶解条件优选采用L9（34）正交实验法，以蛋白质水解度为评价指标，确定最佳酶解条件为：菠萝汁用量15%，pH7.0，温度45℃，时间70min。

    2.6在水解明胶生产上的应用

    明胶是由动物的皮和骨提炼出来的一种胶原蛋白。水解明胶是明胶的深加工产品，其化学组成与明胶基本相同，都是由18种以上的氨基酸组成。水解明胶是胶原蛋白经酶（酸或碱）水解的产物，添加在食品中，起增稠和乳化作用，并增加食品中容易消化吸收的含量，具有食疗作用，促进体内粘膜愈合，提高血相，对全血减少性出血也有显著疗效。黄雅钦[7]等利用酶组合技术，将菠萝蛋白酶与ASl.398中性蛋白酶共同水解胶原蛋白，得到了分子量小、分布窄的水解明胶。张立萍[22]以明胶为原料采用菠萝蛋白酶酶法生产水解明胶，并确定最佳工艺条件为：胶液质量含量15%，加酶量为干胶量的0.5%一1%（酶的活力为20万—40万），溶液的pH值为4.0—4.5，酶解温度为40℃一45℃，酶解时间1.5h—2h。

    2.7在干酪生产上的应用

    Mozzarella干酪是一种起源于意大利南部地区、采用揉捏拉伸的特殊工艺加工的高档奶酪制品。蛋白酶是制造干酪过程中起凝乳作用的关键性酶，同时蛋白酶对干酪的质构形成及干酪特有风味的形成具有重要作用，是干酪生产中应控制的主要技术指标之一。在Mozzarella干酪的加工中，通常添加小牛皱胃酶来裂解酪蛋白的肽键，促进凝乳，影响干酪的质地和风味。近年来，由于世界干酪产量逐年增加，而小牛宰杀有限，因此小牛皱胃酶资源越来越短缺，菠萝蛋白酶成为凝乳酶的替代品。根据凝乳时间、凝胶的硬度和粘度选出菠萝蛋白酶作为大豆干酪生产用酶，采用四因素四水平的正交试验，根据凝胶的硬度和粘度确定了菠萝蛋白酶的添加量为0.01%、氯化钙添加量为0.01%、保温时间为30min、保温温度为60℃[14]。

    2.8在鱼露生产上的应用

    鱼露是一种传统的调味品，味道鲜美。它是鱼蛋白的自溶品，含有18种以上的氨基酸，其中7种是人体所必需的氨基酸，还有有机酸、醇、酯以及人体新陈代谢所必需的微量元素，与其他调味品相比具有很好的营养价值。工业上常采用55℃先使菠萝蛋白酶在低盐条件下水解，然后补足盐量的自溶发酵方法，制得的鱼露口感纯正，保证了应有的营养价值[12]。

    2.9在罗非鱼鱼皮胶原蛋白酶解液制备中的应用

    以罗非鱼（Oreochromisniloticus）鱼皮为原料，降解鱼皮胶原蛋白，制备具有降血压作用的活性肽。陈胜军[3]等通过正交试验确定了菠萝蛋白酶和Alcalase2.4L蛋白酶单独水解鱼皮胶原蛋白的最适酶解条件。菠萝蛋白酶和Alcalase2.4L蛋白酶的最适酶解温度、pH、酶/底物、时间、底物浓度分别为45℃、pH4.5、4000U/g、4h、6%和55℃、pH7.5、6000U/g、2h、4%。在单酶水解的基础上进行复合酶水解实验。结果表明先采用菠萝蛋白酶水解，再用Alcalase2.4L蛋白酶水解，效果更佳。这为罗非鱼加工废弃物的高值化综合利用提供理论指导与实验基础。

    结语：就目前情况来看，菠萝蛋白酶在食品各行业中的应用越来越受到重视。但菠萝蛋白酶的生产还未能满足巨大的需求。因此，我們对菠萝蛋白酶的分离纯化技术需进行深入研究，提取高质量的菠萝蛋白酶具有重大的实用价值。为了生产中获取具有最大酶活力的产品，最大限度的达到酶活、实现产量与成本的平衡，可以同时使用几种提取方法，并寻取几种方法的最优组合。

    参考文献

    [1]白志明，林杨等 酶水解法制取大豆发泡剂的研究 中国油脂1989（5） 26-31

    [2]陈胜军，李来好等 罗非鱼鱼皮胶原蛋白降血压酶解液的制备与活性研究 食品科学 2005，26（8）229-233

    [3]段茂华，张丹等 嫩化和TG酶交联作用改善牛肉制品质够得初步研究 肉类研究 2008（3）36-40

    [4]顾仁勇，刘春成等 菠萝汁酶解大豆多肽发酵酸豆乳的研制食品与发酵工业 2005，31（12）117-119

    [5]黄效海 牦牛肉在加工过程中嫩化技术的研究 Heilongjiang animal science and veterinary medicine 2006（5）88-89

    [6]黄雅钦，夏冬梅等 用酶组合技术制备水解明胶的研究 明胶科学与技术 2000，20（4）172-178

    [7]黄业传，李洪军 菠萝汁对牛肉的嫩化效果研究 食品科学2009，30（10）65-68

    [8]李乃成，贺艳丽等 菠萝蛋白酶 食品与药品 2007，9（1）26-28

    [9]李艳芹，刘俊荣等 天然植物蛋白酶对鱼蛋白自溶效果的影响 水产科学 2007，26（6） 340-342

    [10]刘小玲，林莹等 酶制剂对Mozzarella水牛奶酪品质影响食品与机械 2009，25（1）21-24

    [11]马超，宋烨等 菠萝蛋白酶的研究及应用进展 食品科技2008，33（8）17-20

    [12]马翔宇，杨国龙等 菠萝蛋白酶水解醇法大豆浓缩蛋白的研究 河南工业大学学报 2006，27（5） 43-46

    [13]明建，廖洪波等 肉类嫩化酶的研究进展 肉类工业 2004（5）30-32

    [14]汪荣学，邓尚贵等 嫩化型牛肉干的研制 肉类工业 2006（6）23-25

    [15]吴鑫颖，邱树毅等 啤酒废酵母酶法制备生物活性肽的工艺研究 酿酒科技 2008（2）110-113

    [16]信力行，陈国斌 酶制剂——克服啤酒酿造中瓶颈制约的有效工具 广州食品工业科技 1996，12（3）7-11

    [17]杨莜静 菠萝蛋白酶的研究与应用 安徽农学通报 2009，15（9）40-42

    [18]张立萍 酶法生产水解明胶工艺研究 化学时刊 1996，10（10）16-18

    [19]章佩芬，陈敏华等 菠萝蛋白酶应用的性质研究 广州食品工业科技 2002，18（2）16-17

    [20]周强，张富新 嫩化酶及其在肉类加工中的应用进展 2007（1）40-42