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木瓜蛋白酶的提取及应用研究进展 - 论文

2015年01月06日 11:56   化工知识

关键字:木瓜蛋白酶,;提取工艺;食品加工

木瓜蛋白酶的提取及应用研究进展

赵电波,陈 茜,张丽尧

(郑州轻工业学院 食品与生物工程学院,河南 郑州 450002)

摘 要:本文主要介绍木瓜蛋白酶的组成,重点阐述提取方法、提取工艺的研究进展,进一步介绍木瓜蛋白酶在食品工业特别是在食品加工中的应用,并对其在医药、化工及未来食品加工方面的应用前景进行展望。

关键词:木瓜蛋白酶;提取工艺;食品加工;应用

Progress of Extraction and Application of Technology of PapainZHAO Dianbo, CHEN Xi, ZHANG Liyao(College of Food and Biotechnology Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, HenanZhengzhou 450002, P. R. China)Abstract: The composition of papain was described, and its extraction methods, research of extractiontechnology had been highlighted. Applications of papain in food industry, particularly in food processing itwas further described, and its applicationsinpharmaceutical, chemical industry and the future prospects offood processing have been prospected in this article.Key words: papain;extractiontechnology; food processing; application

中图分类号:TS201.1  文献标识码:A  文章编号:1001-8123(2010)11-0019-05

木瓜蛋白酶(papain)来源于未成熟番木瓜(Carica papaya)果实的新鲜乳汁,是一种含疏基(-SH)肽链的内切酶,具有蛋白酶和酯酶的活性,有较广泛的特异性,对动植物蛋白、多肽、酯、酰胺等有较强的水解能力;同时还具有合成的功能,能把蛋白水解物合成为类蛋白质。工业用的木瓜蛋白酶一般都是未经纯化的多酶体系。现已知经木瓜乳汁干燥而得的木瓜蛋白酶至少含有四种主要酶类:木瓜蛋白酶(papain)、木瓜凝乳蛋白酶(chymopapain)、木瓜蛋白酶Ω(papaya proteinaseΩ)、木瓜凝乳蛋白酶M(chymopapain M)[1],其中木瓜凝乳蛋白酶的含量最多,占可溶性蛋白的45%。木瓜蛋白酶易溶于水和甘油,水溶液为无色或淡黄色,有时呈乳白色;几乎不溶于有机溶剂。它的最适pH值为5.7(一般3~9.5皆可),在中性或偏酸性时亦有作用;最适温度为55~60℃(一般10~85℃皆可),耐热性强,在90℃时也不会完全失活;受氧化剂抑制,还原性物质激活。

1 木瓜蛋白酶的提取工艺

1.1 过去的常规提取方法

木瓜蛋白酶最原始的提取方法是烘干法,就是在番木瓜浆液中加入保护剂,然后将浆液离心,取上清液放置于鼓风干燥箱中,在55~60℃烘干,粉碎后即得到粗酶制品。乙引等[2]用这种方法所获得的酶得率为23.1%,但此法不利于酶活的保持,其酶活力仅为0.16×105U/g,且产品的纯度较低。木瓜蛋白酶的提取也曾广泛采用单宁沉淀法,乙引等[2]

用单宁沉淀法提取了木瓜蛋白酶。先将番木瓜乳汁离心,于上清液中缓慢加入已溶解的单宁溶液,不断搅拌,使溶液中单宁达到一定浓度。静置,沉淀

单宁-酶复合物,调节pH值,沉淀后进行真空干燥,得到酶制品。结果表明,这种方法生产的酶得率较低,仅有7.3%,但酶活力较高,为3.53×105U/g。但是这种方法存在环境污染等问题。1.2 目前较为常见的提取方法

目前生产中多采用超滤、絮凝、盐析等方法提取木瓜蛋白酶。

1.2.1 超滤法提取木瓜蛋白酶

用超滤技术分离木瓜蛋白酶。先将中空

纤维超滤膜洗净,经过处理后,控制一定压力和流

量,进行超滤。木瓜蛋白酶是大分子物质,在超滤过程中被截留,而水及小分子杂质透过膜,从而达到分离和纯化的目的。实验结果表明,超滤后木瓜蛋白酶

的活力是超滤前的1.22倍,蛋白质含量为超滤前的2.8倍,说明超滤后木瓜蛋白酶的纯度有所增加。但由于木瓜蛋白酶属于大分子物质,在超滤过程中会在膜表

面聚积而产生浓差极化现象,使超滤速率逐渐下降,影响酶得率。

1.2.2 盐析法提取木瓜蛋白酶

曾用硫酸铵沉淀法分离木瓜蛋白酶。

在粗酶液中加入一定浓度的硫酸铵溶液进行盐析,然后调pH值,离心取沉淀,干燥,得酶产品。实验结果表明,用该法制备的木瓜蛋白酶纯度相对较高,酶的

比活力达到了1184U/mg,适宜作为化妆品成分。但这种方法由于用了大量的盐使酶中灰分增加,同时降低了木瓜蛋白酶的活性[5]。因此,盐析法并不是理想的木瓜蛋白酶提取方法。

1.2.3 絮凝法分离纯化木瓜蛋白酶

絮凝法是在木瓜乳胶水提取液中添加某种化合物,该化合物能与木瓜蛋白酶生成难溶性的复合物,从而使酶从溶液中沉淀析出。何继芹[6]等研究了用絮

凝技术纯化木瓜蛋白酶。实验结果表明,在适宜的条

件下进行絮凝处理,可使木瓜蛋白酶在这步的收率达

95~97%。但这种方法提取专一性不强,制得的木瓜

蛋白酶纯度不高,杂质含量较高。

1.3 木瓜蛋白酶的提取新技术

1.3.1 超声波法提取木瓜蛋白酶

超声波提取法作为一种新型的提取技术已经比较广泛地应用于天然植物有效成分的提取。超声波产生的空化效应[7],一方面赋予溶剂对细胞壁更大的渗透力,

并强化细胞内外的质量传输,另一方面破坏细胞壁,使细胞内含物更易释放,从而强化了提取过程[8]。超声波

形成的微射流效应也是提高提取率的一个重要原因。肖贵平[9]曾用超声波法提取木瓜蛋白酶。选择新鲜的番木瓜,清洗后切块破碎,称取果肉,打浆;果浆在

一定条件下进行超声波处理,离心、除杂、过滤后,上清液进行超滤浓缩,收集酶液样品。结果表明:超声功率300W,超声时间200s,果浆质量分数30%,这

时酶活力是未经超声波处理的1.71倍。采用超声波提取工艺得到的粗酶液的含量较低,含有较多杂质,经膜分离初步纯化浓缩后,还需作进

一步纯化处理,这有待于进一步深入研究,以提高酶的活性和纯度。

1.3.2 亲和膜色谱法提取木瓜蛋白酶

亲和膜色谱技术是一种20世纪80年代末发展起来的生物大分子分离纯化的新技术,把膜分离与亲和分离结合起来,使之兼具膜分离与亲和分离的特点。聂华丽等[10]以尼龙膜为基质,键合壳聚糖进行表面改性处理,以降低尼龙膜的非特异性吸附,并偶联染料配体Cibacron Blue F3GA,得到一种新型的亲和膜色

谱材料,并用其对木瓜蛋白酶进行分离。结果表明,该亲和膜具有良好的色谱性能,对木瓜蛋白酶有较高

的吸附量(235.3mg/g),使用该亲和膜对木瓜粉中的木瓜蛋白酶进行分离纯化,纯化倍数可达46.5倍。亲和膜色谱与传统的膜分离、亲和色谱相比,不

仅具有纯化倍数高、压降小,分析时间短、生物大分

子在分离过程中变性机率小,允许较快的加料速度等特点,而且比柱亲和色谱更易实现规模化纯化分离[11]。

1.3.3 双水相萃取提取木瓜蛋白酶

双水相萃取是利用物质在不相溶的两水相间分配系数的差异进行萃取的方Sarote N等[12]人用双水相法提取了木瓜蛋白酶,结果表明,用8%的聚乙二

醇和15%的硫酸铵组成的双水相体系对木瓜蛋白酶的提取效果最好,酶的比活力可达1659U/mg,收率为86.2%。

双水相萃取具有目标产物收率高、易于连续化操作、不存在有机溶剂残留、分离过程经济等优点,在木瓜蛋白酶的制备中应有一席之地,但我国目前尚

无这类报道。随着木瓜蛋白酶应用的不断开发,对木

瓜蛋白酶的纯度要求也越来越高。因此迫切需要特异性更大的制备木瓜蛋白酶的方法。开发双水相萃取技术,作为有效的高纯度木瓜蛋白酶的分离提取方法,是很有意义的。

总之,木瓜蛋白酶的提取方法通常不具有典型性,一般都是盐析、过滤、离心、浓缩、结晶、干燥等各种方法的排列组合。可以根据酶的理化性质,对

提取工艺进行优化,力求最大限度地利用资源,以及实现经济效益的最大化。

2 木瓜蛋白酶的固定化

由于木瓜蛋白酶价格昂贵且无法重复利用,促使人们研究和制备固定化木瓜蛋白酶。固定化的木瓜蛋白酶可以避免其在酸碱和有机介质中失活,实现酶的

反复利用,达到节约生产成本的目的。常用的固定化方法有吸附、载体交联和包埋法。

2.1 吸附法

利用固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面而

使酶固定化的方法称为吸附法。常用的吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、

羧基磷灰石等。方焕等[13]人用经磷酸缓冲液处理后的多孔陶瓷膜

作为固定化酶的载体,采用物理吸附法固定木瓜蛋白

酶。结果表明,当溶液酶质量浓度为1.0~2.0mg/mL、pH为7.0、固定2h时,固定化酶的活力最高可达111.1U/g,活力回收达57.9%,半衰期为54d。

2.2 载体交联法

交联法是采用双功能试剂使酶分子之间或酶分子与固相载体之间发生交联作用而制成固定化酶的方法。常用的双功能试剂有戊二醛、己二胺等。

高明侠等[14]以壳聚糖为载体、戊二醛为交联剂固定化木瓜蛋白酶,研究结果表明壳聚糖固定化木瓜蛋

白酶的最佳条件为:壳聚糖浓度2.5%,加酶量0.3g/g载体,时间6h,温度15℃,pH7.5,酶活力回收率38.98%。固定化酶重复使用五次,酶活力仍保持50%

以上

2.3 包埋法将酶或含酶菌体包埋在多孔载体中,使酶固定化

的方法称为包埋法。金锋[15]采用微孔淀粉-海藻酸钠包埋法固定化木

瓜蛋白酶,结果表明,最佳固定化木瓜蛋白酶制备条件为微孔淀粉浓度4%,海藻酸钠浓度3%,CaC12

浓度5.5%。此时固定化木瓜蛋白酶的最适pH值为5.7,最

适温度72℃,其耐热性、操作稳定性、机械强度都不同程度增加,操作成本低适合工业推广。

2.4 其他新方法

近几年来人们不断地开发新型的固定化载体和新方法,取得了较好的成果。邹泽昌等[16]以氧化硅介

孔泡沫材料为载体对木瓜蛋白酶进行了固定,结果表明,固定化木瓜蛋白酶的最适反应温度较游离酶提高

了10℃,最适pH值向碱性方向偏移0.5个单位,酶活保留65.1%。林音等[17]

对高沸醇木质素和酶解木质素进行化学改性,以增加木质素的亲水性,制得新型高

聚物高沸醇木质素酚(HBS木质素酚)和木质素氨基酚衍生物,对木瓜蛋白进行了固定化的研究,结果

表明,木瓜蛋白酶被酶解木质素氨基酚和 HBS木质素酚吸附时活性回收率达到50%以上,有望成为固定化

酶的优良载体。3 木瓜蛋白酶在食品工业中的应用现状

3.1 作为肉类嫩化剂随着人们生活水平的提高,在解决了温饱问题之

后,人们对吃肉的品质口感也逐渐有了要求。老龄畜禽肉煮熟后,口感粗糙、坚硬,而加入嫩肉粉后,肉

质就会变的松软、嫩化。嫩肉粉的主要成分之一是木瓜蛋白酶,一方面因

为木瓜蛋白酶是一种半胱氨酰基蛋白酶,能降解肌原纤维和结缔组织的蛋白酶

[18]。它将肌动球蛋白和胶原蛋白降解成小分子的多肽甚至氨基酸,令其肌丝和筋腱丝断裂,使肉类变得嫩滑爽脆,从而使肉类蛋白质

因结构简化而易于消化吸收;另一方面,由于嫩化剂比较充分的发挥作用是在肉品被蒸煮的期间,温度较高,而木瓜蛋白酶最适合温度55~60℃,热稳

定性强,在90℃时也不会完全失活,因此常用于生产嫩肉粉。雷昌贵等[19]

人以新鲜牛肉为原料,研究了木瓜蛋

白酶对牛肉肌原纤维小片化指数(MFI)及剪切力的

影响,结果表明浓度为0.007%的木瓜蛋白酶溶液对牛肉的嫩化效果最佳,主要是由于木瓜蛋白酶促进Z线

的裂解,使肌原纤维小片化指数(MFI)发生显著性增加,剪切力随着贮藏时间的延长显著降低。B.M. Naveena等[20]

人曾研究了各类植物蛋白酶

对水牛肉的嫩化作用,结果表明,利用木瓜蛋白酶处理过的水牛肉,其肌原纤维蛋白溶解度显著增加,剪切力值显著减少。

木瓜蛋白酶由于其良好的蛋白水解能力,可将其用于多方面。在海洋捕捞中低值鱼和小杂鱼占有很大

的比例,如不好好利用就会造成很大的浪费,我们可

以利用木瓜蛋白酶生产浓缩水解蛋白,而且这样得到

的蛋白优于整鱼肉或鱼蛋白浓缩物,具有水溶性好、低脂、低灰分、高蛋白等特点。木瓜蛋白酶还可以用于由于阻止食品的褐变,回收屠宰的动物骨头中残存

的碎肉等[21]。

3.2 作为啤酒品质改良剂

主要用于改良啤酒品质。木瓜蛋白酶能水解啤酒

内的蛋白质,部分水解一些已形成的复合物,产生更多的多肽或氨基酸,保证啤酒在冷冻过程中的高清澈度,同时改善啤酒口感及原有多肽和氨基酸的组成和

比例,有效地改良啤酒品质。据报道,对冷冻贮存过

程中的啤酒加入浓度为0.08mg/100mL的木瓜蛋白酶时澄清效果最佳,能提高离氨基酸含量,可使浑浊度降低68.75%,游离氨基酸苏氨酸、缬氨酸和精氨酸

分别增加了8.2倍、0.2倍和1.1倍[22]。3.3 作为饼干松化剂

在饼干、糕点中使用木瓜蛋白酶可以通过破坏巯基,降低面团筋度、提高饼干疏松度,使其成型性好,饼色油润,减少次品率、提高成品率;此外还可

减少油脂和糖的用量。适用于各种风味的高、中、低档饼干、糕点及面包的制造

[23]

3.4 用于调味品生产

啤酒酵母菌是啤酒工业的一个附产物,通过木瓜

蛋白酶分解而提取香味浓郁的酵母抽提物,经调味后可制得酵母调味酱,它作为一种优良的调味品提高了

酵母菌的价值和利用率。

3.5 用于营养保健品工业

木瓜蛋白酶用于保健食品主要有两种途径:一

种途径是辅助消化,可做成肠溶片,口服以达到消除消化紊乱的目的;另一种途径是将一些含有特殊蛋白源的动植物分解制成各种营养保健液。方富永等[24]采

用木瓜蛋白酶酶解巴非蛤贝肉,结果表明酶解液中游离氨基酸含量丰富,约为923.0mg/100ml(色氨酸未计),其中必需氨基酸占33.0%。巴非蛤贝肉经复合

蛋白酶水解,适当调配可制作营养丰富、海鲜风味浓郁、具有一定保健功能的口服液。

3.6 用于宠物食品生产

用木瓜蛋白酶对宠物食品进行处理,可以减少宠

物食品的黏稠性,改善口感,增加风味。由于木瓜蛋

白酶还具有驱虫效果,也可以用番木瓜汁来驱除哺乳

动物宿主肠道内的线虫。另外,木瓜蛋白酶还可以应用到化工、医药等领

域。如洗衣粉等洗涤剂中加入木瓜蛋白酶能快速地清

洗衣物中的血渍和汗渍。此外,木瓜蛋白酶还可以促进中药成分的有效煎出,用于辅助Rh血型的鉴定,还可用于肿瘤的辅助治疗等。

4 展望

目前,木瓜蛋白酶被广泛地应用于食品行业,如

肉类、啤酒、调味品等的生产。随着我国人民生活水平的提高,人们对食品安全和食品营养的问题越来越关注,而木瓜蛋白酶可用来生产安全、营养的食品,

如具有保健功能的口服液等,具有良好的市场前景。同时,为了满足各行各业对木瓜蛋白酶的需求,尤其是食品与医药行业,研究如何分离纯化得到成本

低、纯度高的木瓜蛋白酶就很有意义。因此,对木瓜蛋白酶的提取和分离纯化技术进行深入的研究,提取高质量的木瓜蛋白酶具有重要的实用价值。

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