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蛋白质工程在食品行业中的应用


2012 级全日制专业硕士学位研究生 课程论文
课程名称: 食品生物技术导论

论文题目: 蛋白质工程在食品行业中的应用 学生姓名: 学 号:

领域名称: 任课教师: 成 绩:

农业与食品科学学院 2013 年 4 月 22 日

蛋白质工程技术在食品行业中的应用
摘要:蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上,融合了蛋 白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。作为一 种人体所必需的物质,蛋白质的研究始终未曾间断,通过对蛋白质的分子结构或者对编码蛋白质的基因进 行改造,以便获的更适合人类需要的蛋白质产品的技术。更直接更有效的作用于人体。本文主要介绍了一 些新兴的蛋白质工程技术在食品行业的应用状况以及未来发展状况的预测。 关键词:蛋白质 蛋白质工程技术 食品

蛋白质是构成人体细胞的基础物质,人体中的酶类、激素、抗体和核酸等都由蛋白质组 成,所以蛋白质是营养的第一要素[1]。蛋白质是生命的体现者,离开了蛋白质,生命将不复 存在。可是,生物体内存在的天然蛋白质,有的往往不尽人意,需要进行改造。由于蛋白质 是由许多氨基酸按一定顺序连接而成的, 每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序, 所以改变 其中关键的氨基酸就能改变蛋白质的性质。 而氨基酸是由三联体密码决定的, 只要改变构成 遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的[2]。 蛋白质工程的一个重要途径就是 根据人们的需要, 对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计, 使合成的蛋白质变得更符合 人类的需要。

1 蛋白质工程技术概论
随着 20 世纪 70 年代初期 DNA 基因工程的诞生,蛋白质工程在它的冲击下应运而生。 1983 年,美国 Genex 公司 KUlmer 在《Science》上发表以《Protein Engineering.》为题的专 论, 第一次提出了蛋白质工程的概念, 并建立了专门的研究实体, 制定了相应研究开发计划, 标志着蛋白质工程的正式诞生。蛋白质工程的实践依据 DNA 指导合成蛋白质,因此,人们 可以根据需要对负责编码某种蛋白质的基因进行重新设计, 使合成出来的蛋白质的结构变得 符合人们的要求。在以后的二十多年里,蛋白质工程有了长足的发展且应用于医学,农业, 轻工食品等各个领域,产生了较大的经济效益和社会效益[3]。 基因工程为实现蛋白质工程已经提供了基因克隆、表达、突变以至活性测定等关键技 术, 而蛋白质分子的结构分析、 结构设计和预测为蛋白质工程的实施提供了必要的结构模型 和结构基础。 蛋白质工程的实施实际上是一个由理论到实践、 由实践到理论的周而复始的研 究过程, 对蛋白质的结构与功能关系的规律性认识是一个螺旋式上升的过程。 蛋白质工程不

但有着广泛的应用前景, 而且在揭示蛋白质结构形成和功能表达的关系研究中也是一个不可 替代的手段。

2 蛋白质工程研究的主要内容
蛋白质工程也被称为第二代基因工程,其内容主要有两个方面:根据需要合成具有特 定氨基酸序列和空间结构的蛋白质; 确定蛋白质化学组成、 空间结构与生物功能之间的关系。 在此基础之上, 实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能, 设计合成具有特定生 物功能的全新的蛋白质,并将其应用于各种行业,这也是蛋白质工程最根本的目标之一[4]。 2.1 蛋白质结构分析 蛋白质工程的主要内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息,以便建立结构与 功能间关系的数据库,为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础[4~5]。三维空间结 构的测定是验证蛋白质设计的假设, 即证明是新结构改变了原有生物功能的必需手段。 核磁 共振技术可以分析液态下的肽链结构,这种方法绕过了结晶、x 射线衍射成像分析等难点, 直接分析自然状态下的蛋白质的结构。 现代核磁共振技术已经从一维发展到三维, 在计算机 的辅助下, 可以有效地分析并直接模拟出蛋白质的空间结构、 蛋白质与辅基和底物结合情况 及酶催化的动态机理。从某种意义上讲核磁共振可以更有效地分析蛋白质的突变。 2.2 结构、功能的设计和预测 根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据,可以预测一定氨基酸 序列肽链空间结构和生物功能; 反之也可以根据特定的生物功能, 设计蛋白质的氨基酸序列 和空间结构。 通过基因重组等实验可以直接考察分析结构与功能之间的关系; 也可以通过分 子动力学、分子热力学等,根据能量最低、同一位置不能同时存在两个原子等基本原则分祈 计算蛋白质分子的立体结构和生物功能。 虽然这方面的工作尚在起步阶段, 但可预见将来能 建立一套完整的理论来解释结构与功能之间的关系,用以设计、预测蛋白质的结构和功能。 2.3 蛋白质的创造和改造 广义的蛋白质工程生产具有优良性能的新蛋白质的途径有多种, 从简单的物理、 化学法 到复杂的基因重组等等有多种方法。物理、化学法对蛋白质进行变性、复性处理,修饰蛋白 质侧链官能团,分割肽链,改变表面电荷分布促进蛋白质形成一定的立体构象等。生物化学 法使用蛋白酶选择性地分割蛋白质, 利用转糖苷酶、 酯酶、 酰酶等去除或连接不同化学基团, 利用转酰胺酶使蛋白质发生胶连等等[6~7]。以上方法只能对相同或相似的基团或化学键发生 作用,缺乏特异性,不能针对特定的部位起作用。分子生物学方法采用基因重组技术或人工

合成 DNA,不但可以改造蛋白质而且可以实现从头合成全新的蛋白质。蛋白质是由不同氨 基酸按一定顺序通过肽键连接而成的肽链构成的。 氨基酸序列就是蛋白质的一级结构, 它反 映着蛋白质的空间结构和生物功能。而氨基酸序列是由合成蛋白质的基因的 DNA 序列决定 的,改变 DNA 序列就可以改变蛋白质的氨基酸序列,实现蛋白质的可调控生物合成[9]。 分子生物学方法又包括随机诱变、定位突变、盒式突变、PCR 技术等。在确定基因序 列或氨基酸序列与蛋白质功能之间关系之前,宜采用随机诱变,造成碱基对的缺失、插人或 替代,这样就可以将研究目标限定在一定的区域内,从而大大减少基因分析的长度。一旦目 标 DNA 明确以后,就可以运用定位突变等技术来进行研究。利用定位突变在拟改造的氨基 酸密码两侧造成两个原载体和基因上没有内切酶切点, 用该内切酶消化基因, 再用合成的发 生不同变化的双链 DNA 片段替代被消化的部分。 这样一次处理就可阻得到多种突变型基因。 DNA 聚台酶链式反应是应用最广泛的基因扩增技术。以研究基因为模板,用人工合成的寡 棱苷酸(含有一个或几个非互补的碱基) 为引物,直接进行基因扩增反应,就会产生突变型 基因。分离出突变型基因后,在台适的表达系统中台成突变型蛋白质。这种方法直接、快速 和高效。其他方法还有蛋白质融合等等。

3 蛋白质工程在食品行业的应用
随着科学技术的发展,食品加工的精度越来越高,食品加工的方法越来越多, 人们对 食品的要求也越来越高。蛋白质工程自问世以来,短短十几年的时间,已取得了引人瞩目的 进展, 在医学和食品工业方面也获得了良好的应用前景。 蛋白质工程在食品中的应用主要体 现在新型的工业用酶和蛋白质类添加剂上。 3.1 蛋白酶在肉类食品中的应用 重组弹性蛋白酶在猪肉嫩化中的应用:弹性蛋白酶是一种以分解不溶性蛋白为特征的 广谱蛋白水解酶[8]。它可以特异性酶解其他蛋白酶的酶解效果并不好的弹性蛋白,同时也能 更有效地对其他蛋白质如胶原蛋白进行酶解嫩化, 再加上其容易获得, 因此能更好的应用在 肉类嫩化方面;例如木瓜蛋白酶在腊牛肉加工中的应用,腊牛肉(牛干巴)是我国西南地区独 具特色的以牛肉为加工原料的腌腊肉制品,加工历史悠久,风味独特,便于贮藏,深受当地 各族人民的喜爱。 氨基酸不仅是肉制品风味物质的重要前体物质, 它本身也对肉制品的滋味 有重要影响。 3.2 蛋白酶在低值水产品加工中的应用 低值水产品是指经济价值较低的一类水产品,主要包括以下两种类型,一种是小鱼、毛

虾等价格较低、 不便食用的渔获物; 另一种是水产品在进行加工时所产生的下脚料, 如对虾、 罗非鱼加工中产生的虾头及鱼排等废弃物。 这类物质蛋白质含量非常高, 开发前景广阔。 蛋 白酶法从低值水产品中提取的蛋白质与食品原料中的蛋白质有很大区别, 除了蛋白质外, 产 物中含有较多的肽类及氨基酸成分。液化食用鱼蛋白易溶于水,富含蛋白质。它的溶解特性 (如可溶性、可湿性、弥散性和溶解速度)优于糖和奶粉,可用于制作鱼糊、调味品、人造 牛奶、人造肉类制品和蛋白质饮料。使用蛋白酶水解鱼肉浆即可获得食用鱼蛋白,采用这种 方法可避免营养素的损失,避免产生臭味和微生物危害,提高产品的感官质量。 3.3 植物甜味蛋白质工程 60 年代以来已发现 5 种植物甜味蛋白质,它们是魔甜灵(moneliin)、超甜定(thaumatin)、 遒甜灵(curculin)、特甜定(pentadin)和槟甜灵(mabinlin)。甜蛋白的甜度高、热量低,不像某 些氨基酸甜味剂那样.导致人体内氨基酸不平衡,而且又不易被细菌所利用,所以它们不仅 是甜味基础理论研究中的极好实验材料,而且是食品工业中实际应用的理想天然甜味剂。 甜味蛋白的重要特性之一是在高温或极端 pH 条件下部分或全部丧失其甜味,而作为甜 味剂存在于食品中的甜昧蛋白却难以避免食品加工中的高温和酸碱性条件, 因而解决这一矛 盾就是甜味蛋白质工程的重要目标。 因此, 甜味蛋白的生化特性研究及其基因操作在近年来 十分活跃。 甜魔灵由 A、B 两链组成,分子量较小,在工程中易于操作,因而是甜味蛋白质工程中 的首选目标。美国加州大学的 A—H Kim 等用甜魔灵分子中不同区域的肽段将 A、B 两链连 为一体。构成 5 种工程甜魔灵。结果发现,除一种工程蛋白的甜味阈值增加了外,其余的甜 度均与天然甜魔灵大体相同。尤其引人注意的是,在 pH2~4,工程蛋白的热稳定性有了提 高。如天然甜魔是在 pH 2 时加热到 50℃再冷却到室温后丧失全部甜味,而工程蛋白在 pH2 时加热到 100℃还能保持其甜味[10]。1990 年,Myung 等人设计合成了甜魔灵基因,并使之 成功地在酵母中表达(国际专利 W090/07580)。l995 年,郭三堆等人亦设计并台成了甜魔灵 基因,并在大肠杆菌中获得了高效表达。将甜蛋白基因转入植物,并使之表达,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 等人用发根农杆菌介导的转化方 法获得了转超甜定(thattmatin)基因的马铃薯,并检测到了活性甜蛋白的表达[11]。1992 年, Fischer 等人分别应用果实特异性表达启动子和植物组成型启动子将甜魔灵基因转入番茄和 莴苣,获得了具有甜蛋白味的番茄和莴苣[12]。 结论: 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就, 它把核酸与蛋

白质结合、 蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。 蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进 到崭新的时代,为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工 程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。 参考文献:
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