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Enzymatic hydrolysis technology application in food and pharmaceutical industry

Source:Network editor:Author:Popularity:-Published:2014-07-07 10:55:00【Large middle Small

  蛋白質是機體內最重要的一類生物大分子,是人體必不可少的主要營養來源,同時也被作為某些藥物的來源或組分,廣泛用于疾病的治療。

  眾所周知,食物中的蛋白質不能被人體直接吸收,必須在體內先降解成多肽及氨基酸;如果在體外采用人工方法對食物蛋白進行同效降解,就會大大減輕消化器官的負擔,亦可達到降低能耗、營養快速補充等目的。在藥用方面,除某些生物制品(如疫苗、免疫球蛋白等)外,蛋白質極少直接作為藥物使用,常常需要轉化為小肽及氨基酸等活性成分。以上都涉及到一個生物轉化過程——蛋白質的酶促水解反應。蛋白質酶促水解反應(簡稱酶水解或酶解),是指應用生物蛋白酶對生物組織的蛋白質進行分解,使大分子蛋白質變成小分子活性多肽及氨基酸,以利于吸收和使用。酶解技術是蛋白質工程、酶工程和生物工程相結合的產物,近年來被廣泛應用于醫藥、食品、飼料等領域。今天,廣州市味研生物工程科技有限公司總經理邱燕翔給我們介紹了味研酶解反應的生產理念。

一、酶解的理論研究

  酶解反應是一類極其重要的生物轉化過程,該類反應具有高度的產物多樣性與動力學復雜性的雙重特點,其理論研究相對滯后。20世紀初,Michaelis等提出了酶促動力學的“米氏方程”原理,至今一直作為描述酶促反應的經典模型。米氏方程在本質上是一種2D動力學方程,即通過建立單一的反應物濃度或產物濃度隨時間的定量變化關系構建速率方程。對于復雜的酶解體系而言,簡單的M-M方程難以模擬反應過程的全貌,其動態特性將對應于空間上的一個3D曲面。近期國內有報道,選取全酪蛋白-胰蛋白酶的模式水解體系作為研究對象,根據完整的HPSEC實驗譜圖,經分子模擬多肽結構,獲得了大量產物多肽信息,為蛋白質酶解過程提供了最新理論依據。

二、生物酶的種類與選擇

  酶解所采用的生物蛋白酶大都是肽酶類,在生物界分布極廣,主要分動物蛋白酶和植物蛋白酶兩種。動物蛋白酶通常以無活性的酶原狀態存在,在生理活動需要時再活化,活化過程往往借助其它蛋白水解酶或本身的作用,切除一部分肽鍵而完成。如胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶等。植物蛋白酶在細胞可溶性蛋白中占很大比例,純度相當高。如木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、無花果蛋白酶等。酶解反應具有高度的專一性。如胰蛋白酶只專一水解賴氨酸、精氨酸羧基形成的肽鍵,糜蛋白酶專一水解芳香族或帶有較大非極性側鏈氨基酸的羧基形成的肽鍵,胃蛋白酶水解芳香族或其他疏水性氨基酸形成的肽鍵。

  在實際應用中,由于蛋白質自身結構的復雜性及產物組成多樣性等特點,一般選擇多種生物酶聯合作用的酶解方式,如胰酶-胃酶聯合、胰酶-木瓜酶聯合等。胰蛋白酶具有高度的斷裂位點專一性,經常被作為酶解反應的首選。

三、酶解技術在食品工業中的應用

  隨著人們對美食及健康的追求,生物工程技術在食品工業中的應用日益廣泛和深入。以酶解工程、發酵工程等為核心的生物工程技術,不僅為人類提供了許多特殊風味食品,而且對食品加工工藝的改進和食品新資源的發掘產生巨大作用。蛋白質是人體必不可少的主要營養來源,蛋白質酶解技術在食品工業中的應用可謂相當廣泛。早期對生物蛋白的水解曾使用酸、堿等化學物作為促酶,但由于其自身的安全性、產物的功效性、營養成分損失、副反應多、水解產物感官性能差等問題,近年來逐漸被生物蛋白酶所取代。

  在調味食品領域,采用酶解法生產天然肉類風味調味料——動物水解蛋白,其反應條件溫和、高效、易于控制,在降低工藝難度和能耗的同時,使風味得到進一步提高。以酶解型天然鮑魚抽提物制作的新型調味品——鮑魚汁,其美味成分豐富,風味純正、口感突出,具有較好的應用前景。

  大量試驗及應用表明,很多活性肽具有食品感官功能及抗氧化、表面活性劑等特殊營養作用,是廣泛使用的食品添加劑,擁有巨大的市場潛力。目前生產活性肽可采用多種方法,酶解法是其中的一種。大豆多肽是大豆蛋白的酶解產物,其營養功能優于前者,是大豆蛋白的最佳營養方式。20世紀80年代,對大豆蛋白的酶解工藝研究取得較大進展,以大豆多肽為原料的功能食品在國外不斷被開發出來。國內于90年代起開始同類研究,目前仍處于初期發展階段。

  近年來,多肽類功能食品受到越來越多的重視,如肝肽、大豆多肽、牡蠣活性肽等。傳統理論認為,人體對蛋白質的吸收主要是以氨基酸形式。最新研究發現,蛋白質經消化道酶促水解后,主要以小分子多肽的形式吸收,且比游離氨基酸更易于被機體吸收和利用;并且,某些小肽不僅能提供人體生長發育所必需的營養物質,而且具有某些氨基酸所不具備的重要生理機能,如降低膽固醇、促進礦物質吸收、降血壓、強化機體免疫、促進新陳代謝等。隨著保健食品行業的迅猛發展,必將開發出更多的肽類功能食品,以滿足人們日益增長的保健需求。

四、酶解技術在制藥工業中的應用

  經研究發現,許多活性小肽在機體內是以大分子形式合成,而后經降解和分泌行使其功能。某些天然蛋白質分子量很大,但其活性部位卻很小,往往一段連續的小肽就能體現其活性。蛋白質酶解反應是改善蛋白源底物理化和功能特性的一種重要手段,其酶解產物活性多肽是治療諸多疾病(如高血壓、糖尿病、癌癥、艾滋病、SARS等)的特效或潛在藥物,在制藥領域已經獲得廣泛的應用開發。

  傳統制藥工藝中,使用酶解技術的以生化類藥品為主。利用酶解方法,使原料蛋白質類前體降解,然后分離其中的活性片段。如腦蛋白水解物、肝水解肽、水解蛋白等,其水解產物中含有多種活性小肽、游離氨基酸等組分,臨床療效確切。隨著科學技術的不斷發展,酶解工藝結合目前新的分離和檢測技術,特別是以親和色譜為基礎的各種方法和儀器,可以從一組混合物中快速有效地發現、分離這些活性小肽,為新藥開發提供了一個全新的途徑。

  近年來,對于海洋生物的研究不斷深入,人類開始向海洋索取功能蛋白和特殊活性物質,用作研制藥物和開發功能食品。利用水產蛋白開發酶解降血壓肽(如蛋白酶水解沙丁魚),與普通化學合成降壓藥具有獨特優勢,加之其明顯的降壓效果,近年來倍受國際研究界矚目。海參蛋白經酶解后可產生多種氨基酸與功能小肽,具有極高的藥用價值。

五、結束語

  在多肽領域,酶解技術擁有幾十年的研究歷史,是一項應用較早的傳統生物技術。因其方法簡便,多年來一直被廣泛利用。隨著分析手段的不斷完善,近期關于酶解機理的研究取得了突破進展,必將提升該項技術在諸多產業的發展空間。二十一世紀,生命科學迅速發展,酶解技術作為一項傳統與現代相結合的技術手段,具有廣闊的應用前景與市場潛力。

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