蛋白酶的应用

背景及概述^[1][2]

蛋白酶又称肽酶。一类能水解蛋白质和肽类中肽键的酶的总称。蛋白酶是催化蛋白质水解的一类酶，是酶学研究中较早也是最深入的一种酶。到本世纪初，已经报导的微生物蛋白酶估计超过 900 种，生物体的生理活动和疾病的发生，如食物之消化吸收、血液之凝固、溶血作用、炎症、血压调节、细胞分化自溶，机体衰老、癌症转移、生理活性肽的活化等，莫不与蛋白酶有关。蛋白酶与人类密切相关，涉及到生活的各个方面。在全球酶制剂市场中蛋白酶的销售伤额达到 60%

。可选作大规模生产蛋白酶的菌种种类很多，例如：①产碱性蛋白酶的如地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、短小 芽孢杆菌(B.pumilus)、嗜碱芽孢杆菌(B.alcalophilus)、灰色链霉菌(Streptomyces griseus)和弗氏链霉菌(S.fradiae)等；②产中性蛋白酶的如枯草芽孢杆菌 (B.subtilis)和栖土曲霉(Aspergillus terricola)等；③产酸性蛋白酶的如黑曲霉 (A.niger)和宇佐美曲霉(A.usamii)等。

按其起作用的活性中心和必需基因不同，可分为巯基蛋白酶、金属蛋白酶、丝氨酸蛋白酶，以及只能水解某一种或某两种氨基酸之间肽键的蛋白酶。蛋白酶应用广泛，已渗入到食品、酿造和发酵、纺织、医药、皮革、日用化学、饲料以及水产加工等部门。如在啤酒生产上，早就利用植物蛋白酶防止啤酒混浊，提高啤酒非生物稳定性。也可利用植物蛋白酶或微生物中性蛋白酶与α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、异淀粉酶、β-葡聚糖酶一起配合使用，用于啤酒外加酶法糖化。

分类^[3]

蛋白酶分为外肽酶和内肽酶两大类，外肽酶只对底物的 C 端或 N 端的肽键有作用，内肽酶只能水解大分子蛋白内部的肽键，是真正的蛋白酶。曾经有过多种分类蛋白酶的方法，但都不够完善，有的以活性中心来分，或者以作用方式来分，也有的以最适 pH 来分，学术上都以活性中心来分。按活性中心可将蛋白酶分为四类：(1) 丝氨酸蛋白酶，(2) 天门冬氨酸蛋白酶，(3)半胱氨酸蛋白酶，(4) 金属蛋白酶。

应用^{[3][4][[5][6]}

蛋白酶用途十分广泛。食品工业(酱油酿造、制乳酪、 制面包、点心、通心粉、肉类加工、酿酒、制蛋白 水解物、脱腥、氨基酸调料、凝乳、嫩肉粉等)；日 用化学工业(洗涤剂添加剂、牙膏、化妆品等)；皮革工业(脱毛、软皮)；制明胶；制胶原纤维；制药； 处理废感光胶片；饲料工业、石油工业(脱蜡)等。

1. 皮革工业

皮革工业的脱毛和软化已大量利用蛋白酶，既节省时间，又改善劳动卫生条件。

2. 医药

临床上可作药用，如用胃蛋白酶治疗消化不良，用酸 性蛋白酶治疗支气管炎，用弹性蛋白酶治疗脉管炎以及用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶对外科化 脓性创口的净化以及胸腔或腹腔间浆膜粘连的治疗。

3. 食品

完好的面粉中蛋白酶活力很低，制作面包时添加蛋白酶会使面团中多肽和氨基酸含量增加，氨基酸 是形成香味物质的中间产物，多肽则是潜在的滋味增强剂、氧化剂、甜味剂 或苦味剂。

蛋白酶种类不同，产生的羰基化合物也不同、若蛋白酶中不含 产生异味的脂酶，适量添加有利于改善面包的香气。蛋白酶还可降低面粉 中的面筋强度，达到弱化面筋的目的。作用于面粉中的蛋白质，切断蛋白质的部分肽键，分解成多肽和氨基酸，达到破坏面筋的网络组织；分解的氨基酸有利于在烘烤时发生美拉德反应，改善烘焙制品的风味。

在面包的生产中，蛋白酶用来添 加到面粉中以缩短面团搅拌时间和改善面团的黏稠性。但蛋白酶对蛋白质作用是不可逆的，添加时切不可过量。主要适用于柔软、易加工、延伸性强的面团，因为蛋白酶能分解蛋白质，使面团搅拌的机械耐力减小。一般在面包加工中很少用，一旦添加不当，面团过变软化，就会影响到面团的发酵耐力，使面团持气性下降，面包体积过小或易塌陷等不良现象。

因此，必须严格 控制其使用量。在面团中，蛋白酶作用的条件是pH5.5～7.5，温度高达70℃。在实际中，当面团温度为 80℃时，蛋白酶迅速失活。该产品的活力为：蛋白酶5.0BG(50u/g)。用量为0.1～2g/100kg面粉，其具体用量取决于烘焙食品的类型及所需面筋的强度。

4. 蛋白酶用于洗涤剂

全世界洗涤剂的年产量已达 1 . 3 亿吨，在欧洲加酶洗衣粉的比例达到 80 %左右，美国 45 %的洗涤剂加酶，日本加酶的洗衣粉比例也达 60 %以上，全世界碱性蛋白酶的销售额约占世界酶制剂市场的25 %。

适用作洗涤用的碱性蛋白酶应符合二个条件：( 1)专一性要广，以便对食物、血液、汗液等分泌物污渍能有效分解 ；( 2)在洗涤剂各种助剂如螯合剂、氧化剂等共存下稳定。碱性蛋白酶的一个重要参数是等电点( PI)，适用于洗涤剂的碱性蛋白酶其PI 应与洗涤液 pH 保持一致，Novozy mes 的碱性蛋白酶如 Esperase 和 Savinase T 的 PI 高达 11，故在高pH 下很稳定。

芽孢杆菌碱性蛋白酶的最适温度为 60 ℃，欧洲人洗衣通常先用 40~60 ℃热水浸泡，碱性蛋白酶可充分发挥作用，故加酶洗衣粉消费最多，而亚洲特别是发展中国家都用冷水洗衣。从节约能源和减少温室气体排放量考虑有必要开发低最适温度的低温蛋白酶。

5. 蛋白酶在裘皮工业上的应用

裘皮自古以来是米硝法制成的，周期长，耗粮多，且皮板有异臭，不可水洗，虽然经过改良，用醛鞣、铬鞣制皮，因胶原中蛋白质未去除，鞣制后皮板僵硬，响板裂面多。

1962 年德国报导用木瓜酶消化皮纤维间隙蛋白质结合化学鞣制可改善毛皮质量。1972 年又报导无在 pH 2～ 10 都可用蛋白酶软化，为防止操作时脱毛起见，建议使用酸性蛋白酶在 pH 3 . 5~5 进行软化。1969年上海市工业微生物所在新疆建设兵团皮革厂、新疆科学院化学研究所建议下，开展了蛋白酶软化毛皮的试验，与上海大场皮张厂合作，采用 3942 蛋白酶或酸性蛋白酶处理，结合醛鞣或铬鞣制成的裘皮，具有轻软薄暖，手感丰满的优点，出皮率提高 5 %～10 %，抗张强度提高 30 %，裘皮可水洗而不返生。此后在二轻部、外贸部、合作总社组成的联合小组推广下，乃在全国普及推广。

6. 蛋白酶用于明胶工业

明胶工业传统上是用动物皮、骨为原料，先用石灰水长时间( 1~3 个月) 的浸泡，使之脱脂和去除蛋白，然后再在高温( 70~90 ℃) 煮熬，使胶原转化成明胶，这种工艺周期长，出胶率低，污水量多，利用蛋白酶消化胶原之外的杂蛋白，然后将胶原洗净后直接加热抽胶，可节省工艺时间并提高明胶质量，减少污水，惟此法酶处理的控制及抽胶前的灭酶至关重要，不易掌握。

7. 蛋白酶用于丝绸脱胶

生丝因含丝胶须加以脱除才能具有柔软的手感和特有的丝鸣现象。丝绸的脱胶历来是用碱皂法煮炼的，但此法易损伤丝质而影响产品质量，利用中性蛋白酶脱胶，可使成品手感柔软光滑，光泽鲜艳。

制备^[3]

能生产蛋白酶的微生物很多，但所用菌种必须符合 FAO/WHO 食品添加剂专家委员会 JECFA( JointFAO/WHO Expert Committee on Food Additives) 的评估标准，在美国酶制剂生产菌种须符合 GRAS 要求。微生物的产酶能力通过各种遗传育种手段已得到大幅度提高，雀巢公司报导，利用基因工程技术将米曲霉
肽酶和蛋白酶活性提高了两倍以上。

基因工程改良菌种是当前最热衷的课题，工业用酶的 80 %已是用基因改良菌种生产的，但作为食品添加剂用的酶在欧盟、日本还是遭拒绝的，许多工厂还都标榜自己的酶是用非 GMO 生产的，食品工业用的产酶菌种人们还是希望是采用诱变育种手段获得，目前国际市场上蛋白酶品种虽多，但其所用生产菌种都限于传统上食品加工用的微生物和确认无害的菌株。

例如 ：碱性蛋白酶生产菌：液化淀粉芽孢杆菌(B .amyloliquefaciens )、地衣芽孢 杆菌 (B . licheniformis )、黄曲霉(A . f lavus )、米曲霉(A . oryzae)、栖土曲霉(A . terricola )，冠状耳霉(Conidioluscoronutus )，酱油曲霉。中性蛋白酶生产菌：枯草芽孢杆菌(B . sultilis)、热介蛋白芽孢杆菌(B . thermoprotyolyticus )、厌色链霉菌( S t . griseus )、蜂蜜曲霉(A . melleus，弱碱性)。酸性蛋白酶生产菌：黑曲霉(A . niger )、斋滕曲霉(A . saitoi )、栗疫霉(Endothia )、米赫毛霉(M . mehei )、丝立毛霉(M . pusillus )、根霉(Rhzopus ssp ) 等等。

主要参考资料

[1] 中国酒事大典

[2] 微生物学词典

[3] 胡学智, & 王俊. (2008). 蛋白酶生产和应用的进展. 工业微生物, 38(4), 49-61.

[4]中华烘焙食品大辞典·原辅料及食品添加剂分册

[5]科学技术社会辞典·生物

[6]实用精细化工辞典