背景及概述[1][2]
蛋白酶又稱肽酶。一類能水解蛋白質(zhì)和肽類中肽鍵的酶的總稱。蛋白酶是催化蛋白質(zhì)水解的一類酶，是酶學(xué)研究中較早也是最深入的一種酶。到本世紀(jì)初，已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的微生物蛋白酶估計(jì)超過 900 種，生物體的生理活動(dòng)和疾病的發(fā)生，如食物之消化吸收、血液之凝固、溶血作用、炎癥、血壓調(diào)節(jié)、細(xì)胞分化自溶，機(jī)體衰老、癌癥轉(zhuǎn)移、生理活性肽的活化等，莫不與蛋白酶有關(guān)。蛋白酶與人類密切相關(guān)，涉及到生活的各個(gè)方面。在全球酶制劑市場(chǎng)中蛋白酶的銷售傷額達(dá)到 60%
?？蛇x作大規(guī)模生產(chǎn)蛋白酶的菌種種類很多，例如：①產(chǎn)堿性蛋白酶的如地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)、短小 芽孢桿菌(B.pumilus)、嗜堿芽孢桿菌(B.alcalophilus)、灰色鏈霉菌(Streptomyces griseus)和弗氏鏈霉菌(S.fradiae)等；②產(chǎn)中性蛋白酶的如枯草芽孢桿菌 (B.subtilis)和棲土曲霉(Aspergillus terricola)等；③產(chǎn)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，可分為巰基蛋白酶、金屬蛋白酶、絲氨酸蛋白酶，以及只能水解某一種或某兩種氨基酸之間肽鍵的蛋白酶。蛋白酶應(yīng)用廣泛，已滲入到食品、釀造和發(fā)酵、紡織、醫(yī)藥、皮革、日用化學(xué)、飼料以及水產(chǎn)加工等部門。如在啤酒生產(chǎn)上，早就利用植物蛋白酶防止啤酒混濁，提高啤酒非生物穩(wěn)定性。也可利用植物蛋白酶或微生物中性蛋白酶與α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、異淀粉酶、β-葡聚糖酶一起配合使用，用于啤酒外加酶法糖化。
分類[3]
蛋白酶分為外肽酶和內(nèi)肽酶兩大類，外肽酶只對(duì)底物的 C 端或 N 端的肽鍵有作用，內(nèi)肽酶只能水解大分子蛋白內(nèi)部的肽鍵，是真正的蛋白酶。曾經(jīng)有過多種分類蛋白酶的方法，但都不夠完善，有的以活性中心來(lái)分，或者以作用方式來(lái)分，也有的以最適 pH 來(lái)分，學(xué)術(shù)上都以活性中心來(lái)分。按活性中心可將蛋白酶分為四類：(1) 絲氨酸蛋白酶，(2) 天門冬氨酸蛋白酶，(3)半胱氨酸蛋白酶，(4) 金屬蛋白酶。
應(yīng)用[3][4][[5][6]
蛋白酶用途十分廣泛。食品工業(yè)(醬油釀造、制乳酪、 制面包、點(diǎn)心、通心粉、肉類加工、釀酒、制蛋白 水解物、脫腥、氨基酸調(diào)料、凝乳、嫩肉粉等)；日 用化學(xué)工業(yè)(洗滌劑添加劑、牙膏、化妝品等)；皮革工業(yè)(脫毛、軟皮)；制明膠；制膠原纖維；制藥； 處理廢感光膠片；飼料工業(yè)、石油工業(yè)(脫蠟)等。
1. 皮革工業(yè)
皮革工業(yè)的脫毛和軟化已大量利用蛋白酶，既節(jié)省時(shí)間，又改善勞動(dòng)衛(wèi)生條件。
2. 醫(yī)藥
臨床上可作藥用，如用胃蛋白酶治療消化不良，用酸 性蛋白酶治療支氣管炎，用彈性蛋白酶治療脈管炎以及用胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶對(duì)外科化 膿性創(chuàng)口的凈化以及胸腔或腹腔間漿膜粘連的治療。
3. 食品
完好的面粉中蛋白酶活力很低，制作面包時(shí)添加蛋白酶會(huì)使面團(tuán)中多肽和氨基酸含量增加，氨基酸 是形成香味物質(zhì)的中間產(chǎn)物，多肽則是潛在的滋味增強(qiáng)劑、氧化劑、甜味劑 或苦味劑。
蛋白酶種類不同，產(chǎn)生的羰基化合物也不同、若蛋白酶中不含 產(chǎn)生異味的脂酶，適量添加有利于改善面包的香氣。蛋白酶還可降低面粉 中的面筋強(qiáng)度，達(dá)到弱化面筋的目的。作用于面粉中的蛋白質(zhì)，切斷蛋白質(zhì)的部分肽鍵，分解成多肽和氨基酸，達(dá)到破壞面筋的網(wǎng)絡(luò)組織；分解的氨基酸有利于在烘烤時(shí)發(fā)生美拉德反應(yīng)，改善烘焙制品的風(fēng)味。
在面包的生產(chǎn)中，蛋白酶用來(lái)添 加到面粉中以縮短面團(tuán)攪拌時(shí)間和改善面團(tuán)的黏稠性。但蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)作用是不可逆的，添加時(shí)切不可過量。主要適用于柔軟、易加工、延伸性強(qiáng)的面團(tuán)，因?yàn)榈鞍酌改芊纸獾鞍踪|(zhì)，使面團(tuán)攪拌的機(jī)械耐力減小。一般在面包加工中很少用，一旦添加不當(dāng)，面團(tuán)過變軟化，就會(huì)影響到面團(tuán)的發(fā)酵耐力，使面團(tuán)持氣性下降，面包體積過小或易塌陷等不良現(xiàn)象。
因此，必須嚴(yán)格 控制其使用量。在面團(tuán)中，蛋白酶作用的條件是pH5.5～7.5，溫度高達(dá)70℃。在實(shí)際中，當(dāng)面團(tuán)溫度為 80℃時(shí)，蛋白酶迅速失活。該產(chǎn)品的活力為：蛋白酶5.0BG(50u/g)。用量為0.1～2g/100kg面粉，其具體用量取決于烘焙食品的類型及所需面筋的強(qiáng)度。
4. 蛋白酶用于洗滌劑
全世界洗滌劑的年產(chǎn)量已達(dá) 1 . 3 億噸，在歐洲加酶洗衣粉的比例達(dá)到 80 %左右，美國(guó) 45 %的洗滌劑加酶，日本加酶的洗衣粉比例也達(dá) 60 %以上，全世界堿性蛋白酶的銷售額約占世界酶制劑市場(chǎng)的25 %。
適用作洗滌用的堿性蛋白酶應(yīng)符合二個(gè)條件：( 1)專一性要廣，以便對(duì)食物、血液、汗液等分泌物污漬能有效分解 ；( 2)在洗滌劑各種助劑如螯合劑、氧化劑等共存下穩(wěn)定。堿性蛋白酶的一個(gè)重要參數(shù)是等電點(diǎn)( PI)，適用于洗滌劑的堿性蛋白酶其PI 應(yīng)與洗滌液 pH 保持一致，Novozy mes 的堿性蛋白酶如 Esperase 和 Savinase T 的 PI 高達(dá) 11，故在高pH 下很穩(wěn)定。
芽孢桿菌堿性蛋白酶的最適溫度為 60 ℃，歐洲人洗衣通常先用 40~60 ℃熱水浸泡，堿性蛋白酶可充分發(fā)揮作用，故加酶洗衣粉消費(fèi)最多，而亞洲特別是發(fā)展中國(guó)家都用冷水洗衣。從節(jié)約能源和減少溫室氣體排放量考慮有必要開發(fā)低最適溫度的低溫蛋白酶。
5. 蛋白酶在裘皮工業(yè)上的應(yīng)用
裘皮自古以來(lái)是米硝法制成的，周期長(zhǎng)，耗糧多，且皮板有異臭，不可水洗，雖然經(jīng)過改良，用醛鞣、鉻鞣制皮，因膠原中蛋白質(zhì)未去除，鞣制后皮板僵硬，響板裂面多。
1962 年德國(guó)報(bào)導(dǎo)用木瓜酶消化皮纖維間隙蛋白質(zhì)結(jié)合化學(xué)鞣制可改善毛皮質(zhì)量。1972 年又報(bào)導(dǎo)無(wú)在 pH 2～ 10 都可用蛋白酶軟化，為防止操作時(shí)脫毛起見，建議使用酸性蛋白酶在 pH 3 . 5~5 進(jìn)行軟化。1969年上海市工業(yè)微生物所在新疆建設(shè)兵團(tuán)皮革廠、新疆科學(xué)院化學(xué)研究所建議下，開展了蛋白酶軟化毛皮的試驗(yàn)，與上海大場(chǎng)皮張廠合作，采用 3942 蛋白酶或酸性蛋白酶處理，結(jié)合醛鞣或鉻鞣制成的裘皮，具有輕軟薄暖，手感豐滿的優(yōu)點(diǎn)，出皮率提高 5 %～10 %，抗張強(qiáng)度提高 30 %，裘皮可水洗而不返生。此后在二輕部、外貿(mào)部、合作總社組成的聯(lián)合小組推廣下，乃在全國(guó)普及推廣。
6. 蛋白酶用于明膠工業(yè)
明膠工業(yè)傳統(tǒng)上是用動(dòng)物皮、骨為原料，先用石灰水長(zhǎng)時(shí)間( 1~3 個(gè)月) 的浸泡，使之脫脂和去除蛋白，然后再在高溫( 70~90 ℃) 煮熬，使膠原轉(zhuǎn)化成明膠，這種工藝周期長(zhǎng)，出膠率低，污水量多，利用蛋白酶消化膠原之外的雜蛋白，然后將膠原洗凈后直接加熱抽膠，可節(jié)省工藝時(shí)間并提高明膠質(zhì)量，減少污水，惟此法酶處理的控制及抽膠前的滅酶至關(guān)重要，不易掌握。
7. 蛋白酶用于絲綢脫膠
生絲因含絲膠須加以脫除才能具有柔軟的手感和特有的絲鳴現(xiàn)象。絲綢的脫膠歷來(lái)是用堿皂法煮煉的，但此法易損傷絲質(zhì)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，利用中性蛋白酶脫膠，可使成品手感柔軟光滑，光澤鮮艷。
制備[3]
能生產(chǎn)蛋白酶的微生物很多，但所用菌種必須符合 FAO/WHO 食品添加劑專家委員會(huì) JECFA( JointFAO/WHO Expert Committee on Food Additives) 的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，在美國(guó)酶制劑生產(chǎn)菌種須符合 GRAS 要求。微生物的產(chǎn)酶能力通過各種遺傳育種手段已得到大幅度提高，雀巢公司報(bào)導(dǎo)，利用基因工程技術(shù)將米曲霉
肽酶和蛋白酶活性提高了兩倍以上。
基因工程改良菌種是當(dāng)前最熱衷的課題，工業(yè)用酶的 80 %已是用基因改良菌種生產(chǎn)的，但作為食品添加劑用的酶在歐盟、日本還是遭拒絕的，許多工廠還都標(biāo)榜自己的酶是用非 GMO 生產(chǎn)的，食品工業(yè)用的產(chǎn)酶菌種人們還是希望是采用誘變育種手段獲得，目前國(guó)際市場(chǎng)上蛋白酶品種雖多，但其所用生產(chǎn)菌種都限于傳統(tǒng)上食品加工用的微生物和確認(rèn)無(wú)害的菌株。
例如 ：堿性蛋白酶生產(chǎn)菌：液化淀粉芽孢桿菌(B .amyloliquefaciens )、地衣芽孢 桿菌 (B . licheniformis )、黃曲霉(A . f lavus )、米曲霉(A . oryzae)、棲土曲霉(A . terricola )，冠狀耳霉(Conidioluscoronutus )，醬油曲霉。中性蛋白酶生產(chǎn)菌：枯草芽孢桿菌(B . sultilis)、熱介蛋白芽孢桿菌(B . thermoprotyolyticus )、厭色鏈霉菌( S t . griseus )、蜂蜜曲霉(A . melleus，弱堿性)。酸性蛋白酶生產(chǎn)菌：黑曲霉(A . niger )、齋滕曲霉(A . saitoi )、栗疫霉(Endothia )、米赫毛霉(M . mehei )、絲立毛霉(M . pusillus )、根霉(Rhzopus ssp ) 等等。
主要參考資料
[1] 中國(guó)酒事大典
[2] 微生物學(xué)詞典
[3] 胡學(xué)智, & 王俊. (2008). 蛋白酶生產(chǎn)和應(yīng)用的進(jìn)展. 工業(yè)微生物, 38(4), 49-61.
[4]中華烘焙食品大辭典·原輔料及食品添加劑分冊(cè)
[5]科學(xué)技術(shù)社會(huì)辭典·生物
[6]實(shí)用精細(xì)化工辭典