大宗低值蛋白資源精深加工及高值化利用

趙謀明， 任嬌艷

(華南理工大學(xué) 輕工與食品學(xué)院, 廣東 廣州 510641)

近年來，我國食品工業(yè)面臨著來自資源和環(huán)境的雙重壓力，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)資源，特別是對我國大宗低值蛋白資源的精深加工，是解決長期以來嚴(yán)重制約我國食品工業(yè)發(fā)展問題的必要途徑. 目前，低值蛋白資源的高值化利用已成為我國“國家戰(zhàn)略必爭、產(chǎn)業(yè)發(fā)展必需、技術(shù)競爭必備、社會需求巨大”的重大研究方向，并且對提高我國食品工業(yè)核心競爭力具有重要的戰(zhàn)略意義.

從人均攝入蛋白量來看，我國人均攝入量為70 g/(天·人)，世界人均攝入量為75 g/(天·人)，發(fā)達(dá)國家人均攝入量為80 g/(天·人)，我國年蛋白質(zhì)缺口為240萬噸. 值得重視的是，我國尚有大量低值蛋白資源未被充分利用. 據(jù)不完全統(tǒng)計，2009年我國未開發(fā)利用的低值蛋白資源包括花生粕600萬噸、谷朊粉50萬噸、低值魚蝦貝及其加工副產(chǎn)物達(dá)800萬噸、畜禽骨架1 880萬噸，而這些蛋白的總和相當(dāng)于5億人1年的蛋白質(zhì)攝入總量，因此，蛋白質(zhì)的深加工具有重要理論價值和社會經(jīng)濟(jì)效益. 目前，我國對這些低值蛋白資源的利用主要以粗加工為主，僅有少量深加工，大多產(chǎn)品附加值低，資源利用率低.

我國食品工業(yè)2005～2010年發(fā)展規(guī)劃明確指出，我國食品工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不夠合理，農(nóng)副產(chǎn)品精深加工比例較低等問題制約其可持續(xù)發(fā)展. 發(fā)展農(nóng)副產(chǎn)品的精深加工，提高產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值是解決制約食品工業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的關(guān)鍵. 如何應(yīng)用現(xiàn)代食品高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)低值蛋白資源的高值化利用是食品工業(yè)亟待解決的問題之一，并且對提高資源附加值，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有典型示范意義.

1 酶法改性是大宗蛋白精深加工和高值化利用的核心共性關(guān)鍵技術(shù)

低值蛋白資源的精深加工涉及原料特性、加工技術(shù)、相關(guān)技術(shù)裝備的改造等諸多方面，但生物技術(shù)特別是特色酶制劑制備與控制酶解技術(shù)是其中最主要的核心技術(shù). 蛋白質(zhì)通過控制酶解技術(shù)可獲得一系列高附加值產(chǎn)品，如通過酶法改性顯著提高原蛋白的功能特性，通過定向可控酶解將蛋白降解為功能性肽，通過深度酶解將蛋白降解為富含游離氨基酸和呈味肽的調(diào)味基料. 功能性蛋白、功能性肽和呈味基料可廣泛應(yīng)用于食品加工中.

1.1 蛋白改性技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

蛋白質(zhì)的改性方法包括物理改性、化學(xué)改性和酶法改性三類. 化學(xué)改性具有反應(yīng)簡單、應(yīng)用廣泛和效果顯著的特點(diǎn)，但化學(xué)改性尚存在諸如反應(yīng)副產(chǎn)物多，營養(yǎng)價值在反應(yīng)過程中會受到影響等缺點(diǎn)；物理方法改性效果不顯著，目前很多改性技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；酶法改性是目前食物蛋白改性的研究重點(diǎn),酶促反應(yīng)速度快、條件溫和、專一性強(qiáng)，蛋白質(zhì)酶法改性是提高蛋白質(zhì)各種功能特性和增加其應(yīng)用范圍的一種有效方法. 近幾年，蛋白質(zhì)酶法改性的研究主要集中于對蛋白質(zhì)的控制酶解方面. 蛋白質(zhì)經(jīng)酶解后得到的酶解產(chǎn)物除了保留甚至提高其生物價外，功能特性明顯優(yōu)于原料蛋白質(zhì). 日本、歐美在這方面居于壟斷地位，已經(jīng)開發(fā)出替代肉類蛋白的高性能植物改性蛋白. 然而由于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性使得蛋白質(zhì)酶解研究進(jìn)展緩慢. 酶解產(chǎn)物的易變性、多樣性、復(fù)雜性，酶解速度慢，水解不徹底，水解液味苦等問題仍然存在.

影響蛋白質(zhì)酶解的因素很多，酶的選擇及用量、溫度、pH值、離子強(qiáng)度、固液比、攪拌速度及水解時間等是影響蛋白質(zhì)水解的關(guān)鍵因素. 這方面國內(nèi)外已進(jìn)行了較深入的研究,但大部分研究除了原料不同以及借助更先進(jìn)的分析檢測手段之外，仍然局限于酶的篩選、水解工藝優(yōu)化等外因的不斷重復(fù)，而對于影響蛋白質(zhì)酶解的內(nèi)在因素的研究卻很少. 酶法改性尤其是酶解改性的關(guān)鍵技術(shù)是蛋白的水解，目前存在的最大問題是酶解過程及產(chǎn)物難以控制、水解度低，同時存在原料蛋白利用率低及產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題.

蛋白質(zhì)分子致密的立體結(jié)構(gòu)有礙于蛋白酶與底物的結(jié)合，特別是高度變性的植物蛋白質(zhì)酶解時效率低，難以達(dá)到預(yù)期效果. 酶解前經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以提高酶解速度，目前主要是通過熱處理、添加乙醇及還原劑等，通過變性使蛋白質(zhì)成為松散的結(jié)構(gòu)，原來包埋于內(nèi)部的作用位點(diǎn)被暴露. 由于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相互差異很大，因此變性的效果也隨蛋白質(zhì)的不同而變化，這些變性只適合于球蛋白. 研究發(fā)現(xiàn)，利用高壓處理使乳蛋白適當(dāng)變性，可以提高蛋白的水解程度；利用擠壓預(yù)處理可顯著改變小麥面筋蛋白的酶解特性，使小麥面筋蛋白酶解產(chǎn)物的水解度提高77%～122%；大豆分離蛋白(SPI)經(jīng)加熱和超聲波處理后水解度比未處理前提高7%～8%；適度熱變性(85 ℃熱處理1 h)的玉米蛋白經(jīng)Protamex酶解后所得產(chǎn)物的水解度也有提高.

對于酶解改性蛋白而言，由于蛋白分子量分布和結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致功能特性有明顯的差異，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的定向酶解，從而得到理想的功能性蛋白質(zhì)是酶解工業(yè)亟待解決而又難以徹底解決的重要技術(shù)問題. 基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)決定功能特性這一原理，從20世紀(jì)90年代開始，許多課題組對這一問題進(jìn)行了探討，這些方法包括蛋白質(zhì)側(cè)鏈的乙?；?、脫氨基化、磷酸化和糖基化等，以改變蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)的性質(zhì)和空間位阻，試圖打算在蛋白酶解之前使某些基團(tuán)暴露或者被屏蔽，使酶解按特定方向進(jìn)行，這些方法盡管可以取得一定的成效，但目前尚未見令人滿意的效果.

1.2 功能性多肽制備分離純化技術(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

近年來，各國對功能性肽的研究日趨升溫，其相關(guān)產(chǎn)品的研究與開發(fā)也備受重視. 目前，生物活性肽的制備技術(shù)主要有蛋白可控酶解法、定向合成法(主要包括化學(xué)合成、酶法合成、DNA重組技術(shù)等)以及從微生物、動植物生物體內(nèi)直接提取分離純化法等. 合成法受設(shè)備投資大、產(chǎn)品成本高等條件限制，當(dāng)前其技術(shù)成熟度僅限于小分子寡肽的合成；直接提取法只適合于細(xì)菌、真菌、動植物中存在的一些天然功能性肽，但因天然生物資源中這些肽的含量極微，其提取分離純化成本高，目前雖有一些天然功能性肽商品化，但難以大規(guī)模推廣；酶解法制備的活性肽產(chǎn)品安全性高，生產(chǎn)條件溫和，因此酶法水解是獲得食品級生物活性肽的常用方法. 酶法制備生物活性肽常用的蛋白酶包括胰蛋白酶、枯草桿菌蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、嗜熱菌蛋白酶、木瓜蛋白酶、堿性及中性蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶等. 多種蛋白酶復(fù)配使用有可能獲得比單一蛋白酶更好的酶解效果，例如堿性蛋白酶Alcalse、胰凝乳蛋白酶、胰酶、胃蛋白酶及一些細(xì)菌和真菌來源的蛋白酶等復(fù)配使用能增加蛋白質(zhì)利用率，并在一定程度上提高水解度. 當(dāng)前功能性肽的產(chǎn)業(yè)化仍然集中在美國、日本、荷蘭、丹麥等國(見表1)，且產(chǎn)品原料以乳蛋白為主，如日本森永乳社于2007年首次推出添加低反應(yīng)原肽的嬰兒奶粉，隨后蛋清肽(與蛋殼鈣在營養(yǎng)上有協(xié)同增效效果)也被廣泛用于嬰幼兒及老年人的營養(yǎng)輔助食品；韓國制藥公司將玉米蛋白來源的肽開發(fā)成醒酒飲料；日本制造的抗菌肽主要用于健康食品，暢銷歐美市場.

我國在生物活性肽的研究開發(fā)上，研究力量及投入相對較少，限制了活性肽藥食兩用功能的發(fā)揮，市場上國產(chǎn)的活性肽藥品和食品寥寥無幾. 隨著近幾年對生物活性肽的研究逐步開展和深入，盡管肽類產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)仍然遭遇技術(shù)難題，但需求的上升使這個難題同時也成為利潤的源泉，廠家和商家們也意識到其中的市場契機(jī). 目前，國內(nèi)有幾家企業(yè)已實(shí)現(xiàn)生物活性肽的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和銷售，如武漢天天好生物制品有限公司生產(chǎn)有膠原肽、玉米肽及魚精蛋白肽等18種肽產(chǎn)品；山東銀香偉業(yè)集團(tuán)的“有機(jī)肽乳”產(chǎn)品中添加了從胎牛胸腺、脾臟、腦組織以及牛胎盤組織中提取的具有提高免疫力功效的肽物質(zhì)；廣州市輕工研究所可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)純度為85%～92%的酪蛋白磷酸肽(CPP)；哈高科公司也用酶解方法從大豆蛋白中制備出抗氧化大豆低聚肽產(chǎn)品. 我們課題組經(jīng)過多年研究，在生物活性肽的研究方面已取得一些成果(見表2). 國產(chǎn)化生物活性肽在研究和開發(fā)上仍有很大的空間和潛力，而面向應(yīng)用的肽類產(chǎn)品有著十分廣闊的市場前景.

表1 商業(yè)化含生物活性肽的功能性食品或食品基料Tab.1 Commercial functional food or food base containing bioactive peptide

表2 食品生物技術(shù)研究室在生物活性肽研究方面的成果Tab.2 Achievement in bioactive peptide research of the food biotechnology laboratory

1.3 呈味基料制備技術(shù)方面的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

利用蛋白質(zhì)酶解技術(shù)提升蛋白質(zhì)產(chǎn)品的美味很早就被人們采用，諸多傳統(tǒng)特色食品如日本豆醬、東南亞魚露、中國醬油和腐乳等都是酶解技術(shù)應(yīng)用的典例. 20世紀(jì)70年代初，酶解改性蛋白(尤其是植物蛋白酶解)研究開始受到學(xué)者關(guān)注，起初曾因酶解產(chǎn)物味苦等原因，嚴(yán)重阻礙了酶解技術(shù)在食品領(lǐng)域的推廣，也由此引起人們對酶解產(chǎn)物風(fēng)味的重視，如何抑制或消除苦味成為酶解技術(shù)應(yīng)用中最為棘手的問題. 到20世紀(jì)80年代，日本率先攻克了水解產(chǎn)物脫苦和蛋白酶菌種選育難關(guān). 隨后，廉價、易得的植物蛋白引起人們的研究興趣，源于大豆蛋白、玉米蛋白、花生蛋白、菜籽蛋白、葵花籽蛋白等酶解產(chǎn)物的功能性肽被廣泛研究，但以往研究的注意力大多集中在生物活性肽的生理功能(如神經(jīng)激素遞質(zhì)調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)等)研究，卻忽視了對肽的呈味功能研究. 近半個世紀(jì)以來，呈味肽研究方面的報道為數(shù)甚少，且?guī)缀跻?0年為時間跨度，如1969年，Kirimura等發(fā)現(xiàn)二肽Val-Glu及Gly-Leu能顯著提高食品的感觀品評值；1978年，Yamasaki等從牛肉酶解液中純化到一個具有增強(qiáng)肉香味的八肽；1988年，Nishimura等從魚蛋白水解產(chǎn)物中提取到6個呈鮮味的二肽，而日本味之素株氏會社也發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽具有增強(qiáng)和維持香辣調(diào)味料及蔬菜風(fēng)味的功能. 到2002年，雀巢公司研究發(fā)現(xiàn)小麥面筋蛋白中含有許多具有強(qiáng)化呈味(鮮味、咸味、酸味)功能的小肽，但該公司此后未再公布相關(guān)呈味肽方面的研究進(jìn)展，推測可能是技術(shù)保密原因. 到目前為止，國內(nèi)尚未有呈味肽方面的公開專利，足以反映在此方向上尚有很大的研究空間.

國內(nèi)在應(yīng)用微生物發(fā)酵制備傳統(tǒng)調(diào)味品如醬油、魚露等方面工藝成熟，而應(yīng)用生物技術(shù)(主要是酶技術(shù))深加工農(nóng)副產(chǎn)品起步晚，基礎(chǔ)和應(yīng)用研究薄弱. 目前各種動植物原料的生物技術(shù)應(yīng)用主要集中在采用各種特異性酶探索作用效果、蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物加工功能特性研究方面，對各種呈味肽的分離純化以及功效研究尚處于初步階段，市場上國產(chǎn)的呈味肽產(chǎn)品寥寥無幾. 其原因一方面由于食品風(fēng)味學(xué)發(fā)展的不成熟，另一方面由于肽分離制備技術(shù)的復(fù)雜，其相關(guān)研究很少見報道. 我們在前期研究過程中發(fā)現(xiàn)，同一種蛋白質(zhì)資源在不同酶作用水解至相同水解度，其呈味特性，特別是鮮甜味存在顯著差異；同一種蛋白經(jīng)同一種酶水解至不同水解度，鮮甜味同樣存在差異，而且并不是水解度越高(即游離氨基酸含量越高)，鮮甜味就越好，因此說明小分子肽在蛋白酶解液中對呈味起到了非常重要的作用；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，分離富集珍珠貝的酶解液中分子量小于5 000 Da的肽(含量>50%)應(yīng)用到成品中調(diào)味，萬分之一的用量，即可顯著增強(qiáng)成品天然鮮甜味感，掩蓋味精的不適感. 目前國內(nèi)多種調(diào)味品如醬油、蠔油、酵母抽提物、動植物抽提物或酶解產(chǎn)物中呈味肽的存在以及其對產(chǎn)品最終風(fēng)味的貢獻(xiàn)已獲得了人們的普遍認(rèn)可，而其種類、相互之間以及與其他風(fēng)味劑、輔助物質(zhì)風(fēng)味作用機(jī)理仍處于未知狀態(tài).

我們課題組經(jīng)多年的研究，對以下技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)，具體包括：1)提出了改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)來控制酶切位點(diǎn)和酶解產(chǎn)物的分子量分布的酶解新技術(shù)；2)建立了多種對低值蛋白質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理提高其酶解敏感性的新方法；3)接種耐熱性乳桿菌解決了酶解液防腐和祛腥的技術(shù)難題，并利用連續(xù)美拉德反應(yīng)實(shí)現(xiàn)酶解液風(fēng)味的系列化；4)通過特異性毛霉蛋白酶與商業(yè)酶制劑的協(xié)同水解，顯著提高了酶解產(chǎn)物中親水性小分子肽的含量；5)針對動物性蛋白資源的特點(diǎn)，激活蛋白酶酶原，結(jié)合外源性蛋白酶的協(xié)同增效作用，解決了酶解產(chǎn)業(yè)化過程中酶制劑成本高的技術(shù)難題.

2 展 望

利用我國大宗低值蛋白的資源優(yōu)勢及科研院所的技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)系列高品質(zhì)的功能性蛋白、功能性肽和呈味基料，應(yīng)用于相關(guān)食品產(chǎn)業(yè)中，可顯著提高大宗低值蛋白資源的高值利用. 未來幾年內(nèi)，重點(diǎn)研究的方向包括：1)新型復(fù)合改性技術(shù). 建立系列物理預(yù)處理與酶解改性相結(jié)合的新型復(fù)合改性技術(shù). 2)能特異性水解高度變性植物蛋白的高性能蛋白酶制備技術(shù). 3)以富集呈味肽為目標(biāo)的深度控制酶解技術(shù). 4)酶-膜分離耦合技術(shù). 5)動物蛋白資源高效祛除異味的共性關(guān)鍵技術(shù). 6)酶法聚集交聯(lián)制備新型動植物復(fù)合蛋白關(guān)鍵技術(shù). 7)“生物發(fā)酵-酶解”制備活性肽關(guān)鍵技術(shù). 8)建立可供規(guī)?；苽渖锘钚噪牡姆蛛x純化技術(shù). 9)生物活性肽的活性保護(hù)及穩(wěn)態(tài)化關(guān)鍵技術(shù). 上述相關(guān)技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用將顯著提高大宗低值蛋白資源利用的附加值，提升我國食品行業(yè)產(chǎn)品檔次和質(zhì)量，同時可極大地促進(jìn)我國食品行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，延伸農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈，對發(fā)展我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義.