吳進菊，于博，豁銀強，湯尚文

（湖北文理學院化學工程與食品科學學院，湖北襄陽441053）

塑料由于價格便宜，并且具有良好的功能性（如良好的柔韌性、抗拉強度、隔絕氧氣和芳香化合物的特性、熱穩(wěn)定性以及水蒸氣轉移速率低等），被廣泛用作包裝材料。但是，隨著人們環(huán)保意識的增強，環(huán)境與包裝已成為世界關注的焦點問題，塑料包裝帶來的白色污染問題越來越受重視。許多學者都致力于可生物降解膜的研制，以取代不可降解的塑料包裝。其中，可食用膜由于能被生物降解和再生、無毒、可有效地延長食品貯藏期等優(yōu)點而引起人們的廣泛關注。雖然目前可食用包裝還無法完全取代塑料包裝，但是可廣泛用于食品的內包裝和涂膜保鮮，因此受到學者的廣泛重視，具有非常廣闊的應用前景。

在可食用膜的制備中，常采用物理法、化學法和酶法交聯蛋白質，改善膜的網絡結構，從而提高蛋白膜的特性?；瘜W法由于安全性低、特異性差等缺點受到很大的限制，而酶法具有特異性較高、所需條件溫和、不會產生有毒物質等特點備受關注。目前，酶法改性制備可食用膜研究最多、最深入的是轉谷氨酰胺酶。轉谷氨酰胺酶的交聯作用可有效改善可食用蛋白膜的抗拉強度、斷裂伸長率、阻水性、阻油性、透氧系數等。1987年，Motoki首次采用轉谷氨酰胺酶制備αs1-酪蛋白膜，從此拉開了轉谷氨酰胺酶改性可食用膜研究的序幕。隨后，許多學者將轉谷氨酰胺酶用于改性大豆蛋白可食用膜、乳清蛋白可食用膜、明膠可食用膜和復合膜等，取得了較大的研究成果。

1 轉谷氨酰胺酶交聯蛋白的機理

轉谷氨酰胺酶（Transglutaminase，TG，E.C.2.3.2.13），可催化轉酰胺基反應，從而導致蛋白質（或多肽）之間發(fā)生共價交聯形成共價化合物的聚合。TG最早是在1959年由Waelsh等從豚鼠肝臟中提取出來的，隨后，人們在其他動物組織和植物組織中也發(fā)現了TG，但是由于含量較低，并且提取工藝復雜，嚴重制約了其在食品工業(yè)中的應用。直到1989年日本學者Ando成功地從土壤中分離出產轉谷氨酰胺酶的微生物后，轉谷氨酰胺酶的來源得到充分保障，并且隨著微生物來源的TG的開發(fā)，TG已廣泛應用于焙烤制品、肉制品、乳制品、植物蛋白制品中。

轉谷氨酰胺酶交聯蛋白的機理如下[1]：

（1）TG可催化在蛋白質及肽鍵中的谷氨酰胺殘基γ－羰基和伯胺之間的酰胺基轉移反應（見圖1），利用該反應可將氨基酸、多肽、蛋白質與同種或異種蛋白質發(fā)生共價交聯作用。

（2）TG可催化谷氨酰胺殘基γ－羰基和賴氨酸殘基的ε－氨基之間的酰基轉移反應時，使蛋白質在分子內或分子間形成ε－（γ－谷氨酰胺基）賴氨酸共價鍵（見圖2），從而導致蛋白質分子內或分子間的交聯。

圖1 酰胺基轉移反應Fig.1 Amide group transfer reaction

圖2 谷氨酰胺殘基和賴氨酸殘基的交聯反應Fig.2 Cross linking of glutamine residues and lysine residues

2 轉谷氨酰胺酶改性對可食用膜特性的影響

目前，TG已廣泛用于各種蛋白的交聯中，如乳蛋白、小麥醇溶蛋白、大豆蛋白、膠原蛋白、花生蛋白、卵白蛋白等[2－5]，從而大大地改善了蛋白質的功能特性。據此，許多學者將TG應用于可食用膜的制備，利用TG對蛋白質的交聯作用，改善可食用膜的特性，取得了較好的效果。

2.1 TG改性對大豆蛋白可食用膜的影響

由于大豆蛋白價格較低、成膜性好、口感好并具有較高的營養(yǎng)價值，因此成為制作蛋白可食用膜的主要材料，受到學者的廣泛重視。TG能催化大豆蛋白發(fā)生交聯作用，因而能大大地改善大豆蛋白可食用膜的特性。

Tang等采用甘油和山梨醇為增塑劑制作大豆分離蛋白（SPI）可食用膜，研究發(fā)現當TG添加量為4 U/g SPI時，膜的抗拉強度和表面疏水性分別提高了10%～20%和17%～56%，水分含量、斷裂伸長率和透明度顯著降低，但是透濕性和總可溶性物質沒有明顯改變。掃描電鏡結果顯示，與對照膜相比，經TG改性的SPI膜表面更粗糙，但是膜的斷裂面更均勻、緊密[6]。Jiang等研究了加工參數對TG改性SPI膜的性能影響，結果表明采用低濃度TG、堿性pH范圍的成膜液和較低的空氣干燥溫度時，可能有利于改善SPI膜的特性，特別是機械性能和疏水性[7]。另外，在相對濕度相同的情況下，TG改性SPI膜比對照膜的水分含量更低，但耐熱特性基本不變[8]。利用TG生產的大豆蛋白食用保鮮膜有較好的水蒸汽阻隔性能和隔油性，能達到食品保鮮的要求，可用于多種食品的保鮮，由于其透油率很低，特別適用于含油較多的食品，如面包、蛋糕、方便面和調料等[9]。

此外，姜燕等研究了增塑劑對大豆分離蛋白成膜特性的影響，研究結果表明，增塑劑的種類（甘油、山梨醇或甘油山梨醇的等量混合物）對大豆分離蛋白膜的性能有明顯影響。無論是否添加TG，以山梨醇為增塑劑的膜都具有最高的抗拉強度、表面疏水性和總可溶性物量，最低的斷裂伸長率、水分含量和透光率。經TG處理后，SPI膜的抗拉強度和表面疏水性顯著增加，同時改性膜的斷裂伸長率、水分含量、總可溶性物量及透光率明顯降低[10]。

2.2 TG改性對乳清蛋白可食用膜的影響

乳清蛋白是干酪生產的副產物，具有較高的營養(yǎng)價值，且成膜性較好，已廣泛用于可食用蛋白膜的制備。TG可催化乳清蛋白發(fā)生交聯反應，因此可用于乳清蛋白的改性制備可食用膜，大大改善膜的性能。但是乳清蛋白不是TG的良好作用底物，因此在制備膜的過程中可將乳清蛋白加熱變性和加入還原劑，提高乳清蛋白的交聯度。

韓翠萍等初步研究了利用TG制備乳清濃縮蛋白膜的成膜條件，結果表明，膜的最佳干燥溫度為室溫20℃，乳清濃縮蛋白濃度為12%，甘油濃度為4%，TG添加量為20 U/g，成膜較為理想[11]。盧蓉蓉等采用TG改性乳清蛋白制備可食用膜，膜的透濕系數和透氧系數分別降低了47%和44%，變性溫度升高，表面疏水性增大。研究進一步發(fā)現經TG交聯后形成了新的二硫鍵，有助于增加分子的有序性，使分子排列更為緊密，膜的超微結構更加細致、光滑，這些分子結構的改變進一步改善了可食用膜的通透性能[12]。

2.3 TG改性對明膠可食用膜的影響

近年來，隨著TG改性食物蛋白可食用膜研究的進一步開展，明膠可食用膜的研究也越來越多，并取得了較大的研究成果。

姜燕等研究發(fā)現TG改性的明膠可食用膜抗拉強度提高了25.6%，斷裂伸長率提高了16.3%，表面疏水性顯著提高，總可溶性物和水分含量顯著降低，而透光率變化不大[13]。丁克毅等研究發(fā)現，在一定范圍內，增加TG的用量有利于提高明膠薄膜的抗張強度和韌性，同時降低其水溶性和吸水性，其最佳的工藝條件如下：明膠濃度10%，丙三醇濃度3%，TG加入量16 μ/g，成膜液鋪開后35℃下靜置反應24 h使其成膜，最后在95℃下放置10 min使酶失去活性[14]。隨后，該作者在此研究的基礎上，通過在成型工藝中進一步采用室溫干燥和濕態(tài)二次定向處理的方法，獲得了抗張強度達18.3 MPa，韌度達8.4 J/cm2的可食性明膠薄膜。雖然經過進一步的工藝改進，但與合成的食品包裝薄膜相比，機械性能仍然存在一定的差距。研究發(fā)現，在配料中添加質量分數2%的聚乙烯醇（PVA）并采用相同的成型工藝，所制備明膠薄膜的抗張強度達到23.5 MPa，韌度達到10.8 J/cm2，這種高機械性能的明膠薄膜完全可以替代合成包裝材料。生物降解性實驗表明，在被質量分數0.5%的Alcalase堿性蛋白酶作用4 h后，不含PVA的可食性明膠薄膜的降解率可達99.2%，含PVA明膠薄膜的降解率也達到了97%[15]。

2.4 TG改性對復合可食用膜的影響

復合可食用膜是由蛋白質、多糖和脂肪中的兩種或兩種以上物質經過一定的處理而形成的膜。由于復合膜各成分性質不同，因而在功能上可以互補，膜的性能更好，因此，復合可食用膜已成為又一個研究熱點。

Chambi和Grosso采用酪蛋白和明膠制備可食用膜，研究發(fā)現，當酪蛋白和明膠加入量的比值為75∶25時，轉谷氨酰胺酶作用能顯著地提高膜的抗拉強度、阻水性和斷裂伸長率[16]。Pierro等在制作殼聚糖-卵白蛋白復合膜時發(fā)現，采用TG改性的復合膜厚度為（76.38±9）μm，對照膜為（92±8.6）μm。改性后復合膜的抗拉強度由24 MPa提高到35 MPa，溶脹率降低，并且阻水性稍有提高[17]。另外，康旭等也采用TG制作殼聚糖-卵清蛋白復合膜，研究發(fā)現采用5%卵清蛋白溶液和1%殼聚糖的混合溶液加入2%甘油，加入TG酶0.08%，于40℃保溫30 min，冷卻后鋪膜，制得的膜機械性最好[18]。同樣地，當加入TG交聯后，果膠-大豆粉復合膜的抗張強度顯著提高，而彈性下降，掃描電鏡顯示改性后復合膜的表面更光滑、更均勻[19]。姜燕等研究了果膠、卡拉膠、魔芋膠及黃原膠4種多糖對TG改性SPI膜性能的影響，結果顯示，隨著多糖濃度的增加，復合膜的抗拉強度和表面疏水性明顯增加，而斷裂伸長率和透光率明顯下降，但是四種多糖對膜的每一特性的影響作用大不相同，在實際應用中，可以根據不同的需要加以選擇。多糖能抑制TG誘導的聚沉反應，使TG催化的交聯反應始終發(fā)生在一個均相的體系中，因而取得比較好的效果[20]。

3 展望

可食用膜具有安全無毒、可生物降解等特性，可廣泛用于食品的貯藏保鮮和包裝，有效延長食品的貯藏期，作為包裝材料替代塑料包裝，具有環(huán)保特性，將成為包裝行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。由于采用天然蛋白質制備的可食用膜在某些特性上存在一定的不足，如阻水性差、環(huán)境濕度較大時阻氧性差等，因此嚴重制約了蛋白質可食用膜在食品工業(yè)中的應用。

TG可催化多種蛋白質形成分子內或分子間交聯，如大豆蛋白、乳清蛋白、酪蛋白、膠原蛋白、小麥醇溶蛋白、花生蛋白、卵白蛋白等。因此，近年來，許多學者將TG用于改性可食用蛋白膜和復合膜，改善膜的特性。隨著微生物來源的TG的不斷發(fā)展，TG已形成商業(yè)化生產，從而進一步推動了TG改性可食用膜的研究。改性后的可食用膜抗拉強度、阻水性和斷裂伸長率等特性顯著改善，具有非常廣闊的應用前景。

[1] 張紅.蛋白質交聯研究概況[J].糧食與油脂,2004(12):16-19

[2] Jiang S J,Zhao X H.Transglutaminase-induced cross-linking and glucosamine conjugation in soybean protein isolates and its impacts on some functional properties of the products[J].European food research and technology,2010,231(5):679-689

[3] Anuradha S,Prakash V.Altering functional attributes of proteins through cross linking by transglutaminase：A case study with whey andseedproteins[J].Foodresearchinternational,2009,42（9）：1259-1265

[4] Marzec E,Pietrucha K.The effect of different methods of crosslinking of collagen on its dielectric properties[J].Biophysical chemistry,2008,132(2/3):89-96

[5] Anema S G,Lauber S,Lee S K,et al.Rheological properties of acid gels prepared from pressure-and transglutaminase-treated skim milk[J].Food hydrocoll,2005,19(5):879-887

[6] Tang C H,Jiang Y,Wen Q B,et al.Effect of transglutaminase treatment on the properties of cast films of soy protein isolates[J].J Biotechnol,2005,120(3):296-307

[7] Jiang Y,Tang C H,Wen Q B,et al.Effect of processing parameters on the properties of transglutaminase-treated soy protein isolate films[J].Innov Food Sci Emerg,2007,8(2):218-225

[8] 姜燕,溫其標,唐傳核.大豆分離蛋白膜的DSC分析[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2008,34(1):28-30

[9]李紅.利用谷氨酰胺轉胺酶生產大豆蛋白食用保鮮膜的研究[J].食品科學,2001,22(1):73-75

[10]姜燕,溫其標,唐傳核,等.增塑劑對大豆蛋白可食用膜特性的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2005,31(11):112-116

[11]韓翠萍,霍貴成,滿娜.利用谷氨酰胺轉胺酶生產乳清濃縮蛋白膜的初步研究[J].食品工業(yè),2007(6):36-37

[12]盧蓉蓉,任舉,王新保.乳清蛋白可食用膜的酶法改性及機理研究[J].食品工業(yè)科技,2008,29(10):199-202

[13]姜燕,唐傳核,溫其標,等.谷氨酰胺轉移酶處理對大豆分離蛋白、酪蛋白酸鈉和明膠可食膜特性的影響[J].化工進展,2006,25(3):324-328

[14]丁克毅,劉軍,BROWN E M,等.轉谷氨酰胺酶（mTG）改性明膠可食性薄膜的制備[J].食品與生物技術學報,2006,25(4):1-4

[15]丁克毅.轉谷氨酰胺酶改性明膠高強度薄膜的制備[J].食品與生物技術學報,2007,26(1):25-28

[16]Chambi H,Grosso C.Edible films produced with gelatin and casein cross-linked with transglutaminase[J].Food Res Int,2006,39(4):458-466

[17]Pierro P D,Chico B,Villalonga R,et al.Transglutaminase-catalyzed preparation of chitosan-ovalbumin films[J].Enzyme Microb Technol,2007,40(3):437-441

[18]康旭,劉柳,鄧川,等.卵清蛋白-殼聚糖共混成膜工藝的研究[J].食品科技,2011,36(2):58-60

[19]Mariniello L,Dipierro P,Esposito C,et al.Preparation and mechanical properties of edible pectin-soy flour films obtained in the absence or presence of transglutaminase[J].J Biotechnol,2003,102(2):191-198

[20]姜燕,溫其標,唐傳核,等.多糖對酶法改性大豆蛋白膜性能的影響[J].食品科學,2009,30(9):141-143