蛋白質(zhì)工程在食品行業(yè)中的應(yīng)用

2012級(jí)全日制專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位研究生課程論文課程名稱(chēng)： 食品生物技術(shù)導(dǎo)論 論文題目：蛋白質(zhì)工程在食品行業(yè)中的應(yīng)用學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 領(lǐng)域名稱(chēng)： 任課教師： 成績(jī)： 農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院2013年4月22日蛋白質(zhì)工程技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用摘要：蛋白質(zhì)工程是在基因重組技術(shù)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)之上，融合了蛋白質(zhì)晶體學(xué)、蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多學(xué)科而發(fā)展起來(lái)的新興研究領(lǐng)域。作為一種人體所必需的物質(zhì)，蛋白質(zhì)的研究始終未曾間斷，通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或者對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造，以便獲的更適合人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)產(chǎn)品的技術(shù)。更直接更有效的作用于人體。本文主要介紹了一些新興的蛋白質(zhì)工程技術(shù)在食品行業(yè)的應(yīng)用狀況以及未來(lái)發(fā)展?fàn)顩r的預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程技術(shù)食品蛋白質(zhì)是構(gòu)成人體細(xì)胞的基礎(chǔ)物質(zhì)，人體中的酶類(lèi)、激素、抗體和核酸等都由蛋白質(zhì)組成，所以蛋白質(zhì)是營(yíng)養(yǎng)的第一要素1］。蛋白質(zhì)是生命的體現(xiàn)者，離開(kāi)了蛋白質(zhì)，生命將不復(fù)存在。可是，生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，有的往往不盡人意，需要進(jìn)行改造。由于蛋白質(zhì)是由許多氨基酸按一定順序連接而成的，每一種蛋白質(zhì)有自己獨(dú)特的氨基酸順序，所以改變其中關(guān)鍵的氨基酸就能改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)。而氨基酸是由三聯(lián)體密碼決定的，只要改變構(gòu)成遺傳密碼的一個(gè)或兩個(gè)堿基就能達(dá)到改造蛋白質(zhì)的目的⑵。蛋白質(zhì)工程的一個(gè)重要途徑就是根據(jù)人們的需要，對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使合成的蛋白質(zhì)變得更符合人類(lèi)的需要。1蛋白質(zhì)工程技術(shù)概論隨著20世紀(jì)70年代初期DNA基因工程的誕生，蛋白質(zhì)工程在它的沖擊下應(yīng)運(yùn)而生。1983年，美國(guó)Genex公司KUlmer在《Science》上發(fā)表以^ProteinEngineering.》為題的專(zhuān)論，第一次提出了蛋白質(zhì)工程的概念，并建立了專(zhuān)門(mén)的研究實(shí)體，制定了相應(yīng)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃，標(biāo)志著蛋白質(zhì)工程的正式誕生。蛋白質(zhì)工程的實(shí)踐依據(jù)DNA指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)，因此，人們可以根據(jù)需要對(duì)負(fù)責(zé)編碼某種蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使合成出來(lái)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變得符合人們的要求。在以后的二十多年里，蛋白質(zhì)工程有了長(zhǎng)足的發(fā)展且應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，農(nóng)業(yè)，輕工食品等各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［3］。基因工程為實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)工程已經(jīng)提供了基因克隆、表達(dá)、突變以至活性測(cè)定等關(guān)鍵技術(shù)，而蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)為蛋白質(zhì)工程的實(shí)施提供了必要的結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)工程的實(shí)施實(shí)際上是一個(gè)由理論到實(shí)踐、由實(shí)踐到理論的周而復(fù)始的研究過(guò)程，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的規(guī)律性認(rèn)識(shí)是一個(gè)螺旋式上升的過(guò)程。蛋白質(zhì)工程不但有著廣泛的應(yīng)用前景，而且在揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形成和功能表達(dá)的關(guān)系研究中也是一個(gè)不可替代的手段。2蛋白質(zhì)工程研究的主要內(nèi)容蛋白質(zhì)工程也被稱(chēng)為第二代基因工程，其內(nèi)容主要有兩個(gè)方面：根據(jù)需要合成具有特定氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)；確定蛋白質(zhì)化學(xué)組成、空間結(jié)構(gòu)與生物功能之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)從氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和生物功能，設(shè)計(jì)合成具有特定生物功能的全新的蛋白質(zhì)，并將其應(yīng)用于各種行業(yè)，這也是蛋白質(zhì)工程最根本的目標(biāo)之一［4］。2．1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)工程的主要內(nèi)容之一就是收集大量的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的信息，以便建立結(jié)構(gòu)與功能間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的理論研究奠定基礎(chǔ)［4~5］。三維空間結(jié)構(gòu)的測(cè)定是驗(yàn)證蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的假設(shè)，即證明是新結(jié)構(gòu)改變了原有生物功能的必需手段。核磁共振技術(shù)可以分析液態(tài)下的肽鏈結(jié)構(gòu)，這種方法繞過(guò)了結(jié)晶、x射線衍射成像分析等難點(diǎn)，直接分析自然狀態(tài)下的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代核磁共振技術(shù)已經(jīng)從一維發(fā)展到三維，在計(jì)算機(jī)的輔助下，可以有效地分析并直接模擬出蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)與輔基和底物結(jié)合情況及酶催化的動(dòng)態(tài)機(jī)理。從某種意義上講核磁共振可以更有效地分析蛋白質(zhì)的突變。2．2結(jié)構(gòu)、功能的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)根據(jù)對(duì)天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析建立起來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)，可以預(yù)測(cè)一定氨基酸序列肽鏈空間結(jié)構(gòu)和生物功能；反之也可以根據(jù)特定的生物功能，設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)。通過(guò)基因重組等實(shí)驗(yàn)可以直接考察分析結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系；也可以通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)、分子熱力學(xué)等，根據(jù)能量最低、同一位置不能同時(shí)存在兩個(gè)原子等基本原則分祈計(jì)算蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)和生物功能。雖然這方面的工作尚在起步階段，但可預(yù)見(jiàn)將來(lái)能建立一套完整的理論來(lái)解釋結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，用以設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。2．3蛋白質(zhì)的創(chuàng)造和改造廣義的蛋白質(zhì)工程生產(chǎn)具有優(yōu)良性能的新蛋白質(zhì)的途徑有多種，從簡(jiǎn)單的物理、化學(xué)法到復(fù)雜的基因重組等等有多種方法。物理、化學(xué)法對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行變性、復(fù)性處理，修飾蛋白質(zhì)側(cè)鏈官能團(tuán)，分割肽鏈，改變表面電荷分布促進(jìn)蛋白質(zhì)形成一定的立體構(gòu)象等。生物化學(xué)法使用蛋白酶選擇性地分割蛋白質(zhì)，利用轉(zhuǎn)糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或連接不同化學(xué)基團(tuán)，利用轉(zhuǎn)酰胺酶使蛋白質(zhì)發(fā)生膠連等等［6~7］。以上方法只能對(duì)相同或相似的基團(tuán)或化學(xué)鍵發(fā)生作用，缺乏特異性，不能針對(duì)特定的部位起作用。分子生物學(xué)方法采用基因重組技術(shù)或人工合成DNA，不但可以改造蛋白質(zhì)而且可以實(shí)現(xiàn)從頭合成全新的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是由不同氨基酸按一定順序通過(guò)肽鍵連接而成的肽鏈構(gòu)成的。氨基酸序列就是蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，它反映著蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和生物功能。而氨基酸序列是由合成蛋白質(zhì)的基因的DNA序列決定的，改變DNA序列就可以改變蛋白質(zhì)的氨基酸序列，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的可調(diào)控生物合成9］。分子生物學(xué)方法又包括隨機(jī)誘變、定位突變、盒式突變、PCR技術(shù)等。在確定基因序列或氨基酸序列與蛋白質(zhì)功能之間關(guān)系之前，宜采用隨機(jī)誘變，造成堿基對(duì)的缺失、插人或替代，這樣就可以將研究目標(biāo)限定在一定的區(qū)域內(nèi)，從而大大減少基因分析的長(zhǎng)度。一旦目標(biāo)DNA明確以后，就可以運(yùn)用定位突變等技術(shù)來(lái)進(jìn)行研究。利用定位突變?cè)跀M改造的氨基酸密碼兩側(cè)造成兩個(gè)原載體和基因上沒(méi)有內(nèi)切酶切點(diǎn)，用該內(nèi)切酶消化基因，再用合成的發(fā)生不同變化的雙鏈DNA片段替代被消化的部分。這樣一次處理就可阻得到多種突變型基因。DNA聚臺(tái)酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是應(yīng)用最廣泛的基因擴(kuò)增技術(shù)。以研究基因?yàn)槟０?，用人工合成的寡棱苷酸（含有一個(gè)或幾個(gè)非互補(bǔ)的堿基）為引物，直接進(jìn)行基因擴(kuò)增反應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生突變型基因。分離出突變型基因后，在臺(tái)適的表達(dá)系統(tǒng)中臺(tái)成突變型蛋白質(zhì)。這種方法直接、快速和高效。其他方法還有蛋白質(zhì)融合等等。3蛋白質(zhì)工程在食品行業(yè)的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，食品加工的精度越來(lái)越高，食品加工的方法越來(lái)越多，人們對(duì)食品的要求也越來(lái)越高。蛋白質(zhì)工程自問(wèn)世以來(lái)，短短十幾年的時(shí)間，已取得了引人矚目的進(jìn)展，在醫(yī)學(xué)和食品工業(yè)方面也獲得了良好的應(yīng)用前景。蛋白質(zhì)工程在食品中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在新型的工業(yè)用酶和蛋白質(zhì)類(lèi)添加劑上。3.1蛋白酶在肉類(lèi)食品中的應(yīng)用重組彈性蛋白酶在豬肉嫩化中的應(yīng)用：彈性蛋白酶是一種以分解不溶性蛋白為特征的廣譜蛋白水解酶［8］。它可以特異性酶解其他蛋白酶的酶解效果并不好的彈性蛋白，同時(shí)也能更有效地對(duì)其他蛋白質(zhì)如膠原蛋白進(jìn)行酶解嫩化，再加上其容易獲得，因此能更好的應(yīng)用在肉類(lèi)嫩化方面；例如木瓜蛋白酶在臘牛肉加工中的應(yīng)用，臘牛肉（牛干巴）是我國(guó)西南地區(qū)獨(dú)具特色的以牛肉為加工原料的腌臘肉制品，加工歷史悠久，風(fēng)味獨(dú)特，便于貯藏，深受當(dāng)?shù)馗髯迦嗣竦南矏?ài)。氨基酸不僅是肉制品風(fēng)味物質(zhì)的重要前體物質(zhì)，它本身也對(duì)肉制品的滋味有重要影響。3.2蛋白酶在低值水產(chǎn)品加工中的應(yīng)用低值水產(chǎn)品是指經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低的一類(lèi)水產(chǎn)品，主要包括以下兩種類(lèi)型，一種是小魚(yú)、毛蝦等價(jià)格較低、不便食用的漁獲物；另一種是水產(chǎn)品在進(jìn)行加工時(shí)所產(chǎn)生的下腳料，如對(duì)蝦、羅非魚(yú)加工中產(chǎn)生的蝦頭及魚(yú)排等廢棄物。這類(lèi)物質(zhì)蛋白質(zhì)含量非常高，開(kāi)發(fā)前景廣闊。蛋白酶法從低值水產(chǎn)品中提取的蛋白質(zhì)與食品原料中的蛋白質(zhì)有很大區(qū)別，除了蛋白質(zhì)外，產(chǎn)物中含有較多的肽類(lèi)及氨基酸成分。液化食用魚(yú)蛋白易溶于水，富含蛋白質(zhì)。它的溶解特性(如可溶性、可濕性、彌散性和溶解速度)優(yōu)于糖和奶粉，可用于制作魚(yú)糊、調(diào)味品、人造牛奶、人造肉類(lèi)制品和蛋白質(zhì)飲料。使用蛋白酶水解魚(yú)肉漿即可獲得食用魚(yú)蛋白，采用這種方法可避免營(yíng)養(yǎng)素的損失，避免產(chǎn)生臭味和微生物危害，提高產(chǎn)品的感官質(zhì)量。3．3植物甜味蛋白質(zhì)工程60年代以來(lái)已發(fā)現(xiàn)5種植物甜味蛋白質(zhì)，它們是魔甜靈(moneliin)、超甜定(thaumatin)、遒甜靈(curculin)、特甜定(pentadin)和檳甜靈(mabinlin)。甜蛋白的甜度高、熱量低，不像某些氨基酸甜味劑那樣．導(dǎo)致人體內(nèi)氨基酸不平衡，而且又不易被細(xì)菌所利用，所以它們不僅是甜味基礎(chǔ)理論研究中的極好實(shí)驗(yàn)材料，而且是食品工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的理想天然甜味劑。甜味蛋白的重要特性之一是在高溫或極端pH條件下部分或全部喪失其甜味，而作為甜味劑存在于食品中的甜昧蛋白卻難以避免食品加工中的高溫和酸堿性條件，因而解決這一矛盾就是甜味蛋白質(zhì)工程的重要目標(biāo)。因此，甜味蛋白的生化特性研究及其基因操作在近年來(lái)十分活躍。甜魔靈由A、B兩鏈組成，分子量較小，在工程中易于操作，因而是甜味蛋白質(zhì)工程中的首選目標(biāo)。美國(guó)加州大學(xué)的A—HKim等用甜魔靈分子中不同區(qū)域的肽段將A、B兩鏈連為一體。構(gòu)成5種工程甜魔靈。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除一種工程蛋白的甜味閾值增加了外，其余的甜度均與天然甜魔靈大體相同。尤其引人注意的是，在pH2?4,工程蛋白的熱穩(wěn)定性有了提高。如天然甜魔是在pH2時(shí)加熱到50°C再冷卻到室溫后喪失全部甜味，而工程蛋白在pH2時(shí)加熱到100C還能保持其甜味［io］。1990年，Myung等人設(shè)計(jì)合成了甜魔靈基因，并使之成功地在酵母中表達(dá)(國(guó)際專(zhuān)利W090/07580)。1995年，郭三堆等人亦設(shè)計(jì)并臺(tái)成了甜魔靈基因，并在大腸桿菌中獲得了高效表達(dá)。將甜蛋白基因轉(zhuǎn)入植物，并使之表達(dá)，以提高一些蔬菜和水果的甜味的研究亦已取得了成功，1989年，Witty等人用發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化方法獲得了轉(zhuǎn)超甜定(thattmatin)基因的馬鈴薯，并檢測(cè)到了活性甜蛋白的表達(dá)［ii］。1992年，F(xiàn)ischer等人分別應(yīng)用果實(shí)特異性表達(dá)啟動(dòng)子和植物組成型啟動(dòng)子將甜魔靈基因轉(zhuǎn)入番茄和萵苣，獲得了具有甜蛋白味的番茄和萵苣［12］。結(jié)論：蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就，它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來(lái)研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進(jìn)到嶄新的時(shí)代，為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)用開(kāi)拓了誘人的前景。蛋白質(zhì)工程開(kāi)創(chuàng)了按照人類(lèi)意愿改造、創(chuàng)造符合人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)的新時(shí)期。參考文獻(xiàn)：⑴朱志明.蛋白質(zhì)食品優(yōu)劣比較[N].大眾衛(wèi)生報(bào)，2002.5(5).張海銀，葉言山?蛋白質(zhì)工程[J]?生物學(xué)通報(bào)，1995(1)：21?22.許德新，徐爾尼，高萌榆?生物技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].食品工業(yè)科技，1999,20(4)：68?70.鐘清萍，許揚(yáng).蛋白質(zhì)工程及其在食品中的研究應(yīng)用[J]?食品工業(yè)科技，2002，22(4)：4?7.孫毅?蛋白質(zhì)工程研究進(jìn)展及前景展望[N].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006(9).李強(qiáng)，施碧紅，羅曉蕾等.蛋白質(zhì)工程的主要研究方法和進(jìn)展[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)(上半月刊)，2009,(05).李雄彪，張金忠?與糧農(nóng)相關(guān)的植物蛋白質(zhì)工程[J]?生物工程進(jìn)展，1993，114