2021-4-9 | 水产资源论文
地球表面积的71%左右被水覆盖，包括海洋和淡水水域，在这些水环境中，蕴藏着丰富的蛋白资源。水产蛋白质尤其是海洋生物蛋白质的品位极高，所含必需氨基酸种类丰富、营养均衡，有着陆地蛋白资源无法替代的优越性。近年来，世界水产总量一直保持在每年一亿吨左右。在如此巨大的蛋白资源中除了部分直接用于食用外，很大部分低值水产品及水产品加工过程中产生的副产物或是经过粗略的加工制成鱼粉，或是直接丢弃，产品的附加值很低。无论是鱼粉加工过程中产生的废水还是直接丢弃的低值水产品，直接排放到环境中都会造成严重的环境污染。因此，如何运用生物技术对这些低值水产品和水产加工过程中产生的副产物进行高值化利用，是目前生物技术领域急需开展的研究课题。其中，运用微生物技术和酶技术对这些低值水产蛋白资源进行酶解利用，是开发水产蛋白资源的重要途径。我国是一个水产大国，自上世纪90年代以来，我国水产品产量一直稳居世界第一。然而，目前我国在水产蛋白资源的酶解利用方面的研究并不多，而且不够深入。对富含蛋白质的低值水产品和水产加工副产物进行酶解综合利用，不仅可提高其附加值，改善水产蛋白资源的营养及功能特性，同时还可减少对环境的污染，产生良好的经济效益。
1酶解工具蛋白酶的来源及选择
1.1蛋白酶的来源
目前用于水产蛋白资源酶解利用的蛋白酶种类很多，根据其来源可分为植物，动物和微生物来源三类。来自植物的蛋白酶主要有木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶等，其中以木瓜蛋白酶在水产蛋白资源酶解中应用最为广泛。来源于动物消化道的蛋白酶包括胰蛋白酶，胃蛋白酶，胰凝乳蛋白酶等，除了上述常用的动物消化道蛋白酶之外，有些学者使用自行从动物消化道中提取的消化酶作为水产蛋白酶解的工具酶，如从鲭鱼肠道中提取的蛋白酶(mackerelintestinecrudeenzyme,MICE)[1]，从大西洋鲑鱼幽门盲囊中提取的蛋白酶[2]和从金枪鱼幽门盲囊中提取的蛋白酶[3]等。微生物发酵产生的蛋白酶在水产蛋白酶解利用中应用较多，产酶微生物有细菌，霉菌，酵母和放线菌。细菌类蛋白酶主要是枯草芽孢杆菌等芽孢杆菌产生的，一般是中性或碱性蛋白酶，如Novozymes的Neutrase，Protamex，Alcalase[4]和RohmEnzymes的Corolase7089[2]等，霉菌产生的蛋白酶有Novozymes的Flavourzyme和RohmEnzymes的CorolasePN－L等[4]。
1.2酶解工具蛋白酶的选择
不同的蛋白酶对同一底物的水解效率不同，而且不同蛋白酶酶解产生的产物的理化功能特性和化学组成存在很大的差异，因此，酶解所用的工具蛋白酶的选择对于水产蛋白资源酶解利用是非常重要的。不同的蛋白酶由于酶切作用方式及酶切位点的不同，酶解产物营养成分组成如肽段的分子量大小和游离氨基酸的组成上存在很大的差异。如胰蛋白酶的酶切作用位点比较少，只能裂解碱性氨基酸Arg或Lys羰基侧肽键[5]，因此酶解产生的片断较大。研究显示，用细菌蛋白酶(Alcalase，Neutrase，Protamex)酶解的酶解产物，分子量小于2500Da的肽段较多，而来自动物(猪，鳕鱼)胰脏的蛋白酶酶解产物中分子量较大的肽段较多，而且以氮回收率为考察指标时，细菌蛋白酶优于从动物组织中提取的蛋白酶[6]。不同的蛋白酶对酶解产物的风味的好坏也有很大的影响。酶解反应所用蛋白酶及其用量、水料比、pH值、温度和酶解时间等因素对酶解产物的风味值均有影响[7]。在蛋白资源的酶解利用中，成本最高的是所使用的外源蛋白酶，因此，从经济效益上讲，蛋白酶的选择至关重要。目前研究及生产上所用的蛋白酶种类较多，如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、Flacourzyme、Protamex、Alcalase、Neutrase等，研究表明，以蛋白质回收和获得最大水解度为目的时，以Protamex[6][8]和Alcalase[2]最为合适；若以酶解产物风味为选择指标，则使用Flacourzyme[7]为适宜。
2水产蛋白资源的酶解利用现状
人们对水产蛋白资源的酶解利用可以追溯到上世纪六十年代，几十年来，研究人员对水产蛋白资源的酶解利用的研究始终保持着浓厚的兴趣，到目前为止，已有大量的水产蛋白资源被应用于酶解利用研究。表1所列为近十几年来部分被应用于酶解利用的水产蛋白资源。从表1中可知，可用于蛋白酶解利用的水产资源十分丰富，许多鱼类、软体动物、甲壳动物和单细胞藻类以及鱼、虾、蟹、贝类等加工后的副产物都可以应用于酶解利用，其中种类丰富的鱼类及其加工过程中产生的副产物是水产蛋白酶解利用的主要对象。通过蛋白酶解的方法对加工过程中产生的副产物进行综合利用研究，可以尽可能多的回收这些渔业加工副产物中的蛋白质，以达到对其充分利用的目的。许多研究表明，水产蛋白质资其酶解产物与酶解前比较具有较高的营养价值和很好的功能特性，可以应用于饲料、食品、化工、医药等各个领域，实现对其高值化利用。
3酶解工艺、酶解过程及酶解产物特性
水产蛋白的酶解和陆地蛋白的酶解就其工艺流程和水解过程来说基本是一致的。在工艺上，所有的酶解反应都包括调节酶解条件(pH值、温度等)、酶解、酶解反应的终止、产物的分离等过程，图1为酶解反应工艺流程图[2][7][9～12]。蛋白酶解的机制非常复杂，因为底物中包含了大量的不同种类的不溶性蛋白质。一般认为，所有的酶解反应至少分为两个阶段，首先，酶分子与蛋白质颗粒连接，蛋白质中一些特殊的残基和肽键进入酶的活性中心，第二步，水解反应的发生，释放出大量可溶性的多肽和氨基酸，越处于核心、结合越紧密的蛋白质水解速度越慢。一般来说，蛋白质的酶解反应在最初的0.5～2h内保持较高的水解速度，这一时间由于酶解反应的底物和所用的蛋白酶不同而有差异，Liaset等的研究显示用Protamex对大西洋鲑鱼鱼排进行酶解以氮回收率(nitrogenrecovery%，NR%)为反应指标，酶解反应在最初的0.5h内保持较高的水解速度[8]；而在Guérard等的研究中，水解速度在最初的1.5h内保持较高的水平[10]。随着酶解反应时间的延长，酶解反应速度明显下降。蛋白质酶解反应的这一特性可以用水解曲线(如图2)表示，在反应的初期阶段，水解度随着反应时间的增长而有较大的增高，随着时间的延长，这种增长越来越小，水解速率明显下降，最后，水解速率降为0而水解度达到最高。这种蛋白酶解所呈现的典型的曲线在许多水产蛋白资源的酶解研究中被发现，如对大西洋鲑鱼[2][8]、金枪鱼[10][14]、毛鳞鱼[11]、沙丁鱼[13]等的酶解都呈现了上述规律。笔者在利用Flavourzyme对罗非鱼鱼头进行酶解的研究中也发现了上述规律，在酶解条件固定时α-氨基氮质量(α-aminonitrogen，AN)随着酶解时间的变化符合水解曲线所显示出的规律，并且α-氨基氮质量在酶解反应最初的1h内保持较大的增长。1993年，Moreno和Cuadrado通过碱性蛋白酶Alcalase(酶解条件：50℃，pH8)对鹰嘴豆蛋白(chickpeaproteins)的酶解研究，认为水解曲线所揭示的趋势产生的原因有如下三点：①可被蛋白酶裂解的肽键数目的减少；②酶活力的降低；③产物抑制作用[15]。2001年，Guérard等学者用Alcalase酶解黄鳍金枪鱼废弃物，通过在酶解反应中途加入酶解底物(即金枪鱼废弃物)，发现水解度的增加和中途加入的底物的量成正相关，因此Guérard等认为可被蛋白酶裂解的肽键数目是控制水解速率的主要因素[10]。蛋白资源在酶解过程中除了呈现出统一的酶解规律之外，不同来源的蛋白质资源的酶解产物还具有一些普遍的特性，如溶解性增加，乳化性能增强，具有一定的发泡性能，流动性增加以及具有更高的营养价值和更易吸收等等。根据水产蛋白资源的上述特性，可以将其应用于饲料、食品、化工及功能性食品等各个领域。