木瓜蛋白酶：一种高效水解酶的应用与研究现状

王远锏

摘   要：木瓜蛋白酶是一种来自于番木瓜的低特异性水解酶，在食品、日用品、药物开发等领域均有着广泛应用，目前高效提取木瓜蛋白酶的手段为双水相萃取法，并通过不同的手段修饰或固定化酶分子，由此提高木瓜蛋白酶的催化效率，使木瓜蛋白酶在工业化生产上有了更加巨大的应用潜力。外一些醇类溶剂对酶活性有不同影响，如正丙醇、丙二醇可以提高木瓜蛋白酶活性，丙三醇、乙二醇会抑制酶活性表达。

关键词：木瓜蛋白酶  双水相萃取  固定化酶

中图分类号：Q556.9                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（b）-0244-02

1  木瓜蛋白酶的来源与应用

木瓜蛋白酶是一种来自于热带番木瓜蛋白水解酶，由两个大小大致相等但构象完全不同的亚基组成，半胱氨酸位于其活性中心，作用特异性较低，可以水解多种氨基酸羧基形成的肽键。本身具有较高的热稳定性，目前木瓜蛋白酶在食品加工、日用品制造、生物活性物质的提取上应用较广。在食品加工与生产上，木瓜蛋白酶能降解肌原纤维和结缔组织，断裂筋腱和肌丝，提高肉制品的软嫩度，改良口感，也可用于提取一些非蛋白类物质，常见的包括在禽类肉制品加工[1]、三文鱼鱼皮油的提取[2]等;在日用品生产上木瓜蛋白酶可将交联程度较大高分子蛋白降解成为交联程度低小分子蛋白，如蚕丝丝胶的加工[3]、丝素蛋白的加工[4]等;在药品以及具有生物活性物质生产领域，木瓜蛋白酶可以单独或联合其他酶类对原料进行降解，以便提取出大量非蛋白类及小分子蛋白物质，主要应用包括如对硫酸软骨素[5]、鹿皮多糖[6]、肝素[7]的提取与加工等，这些物质在国内都具有很大的需求，经济效益可见一斑。

2  木瓜蛋白酶的提取工艺与作用效果的提高

传统手段的木瓜蛋白酶提取手段包括烘干法、使用盐沉淀法、超滤法等，这些手法操作简单，但是容易在提取过程中对于酶结构造成较大破坏，同时极易混入影响酶活性的杂质，进而影响产品质量，故而不适用于木瓜蛋白酶在工业生产上的大规模开发与应用。目前木瓜蛋白酶提取手段中双水相萃取法是一种成本低、产品纯度与活性较高的提取手段，需要两种互不相容的溶剂建立中萃取蛋白体系，通过木瓜蛋白酶在两种溶剂中分配系数实现木瓜蛋白酶的提取与分离。目前较为常用的如PEG/Na2SO4双水相系统[8]、响应面优化离子液体双水相体系[9]。此外，不同的理化条件也会影响木瓜蛋白酶的活性与作用效果，常见的改变木瓜蛋白酶作用效果的手段包括超声波[10]、高压[11]、不同溶剂环境[12]等。超声波通过两方面影响木瓜蛋白酶的作用效果，一方面可以破坏底物的包膜、包被结构，使内容物释放，提高木瓜蛋白酶与底物的接触面积;另外对于游离的木瓜蛋白酶，超声波可以直接提高其活性，降解产物分子量相较于不使用超声波更低，水解更为彻底。超高压也可以提高木瓜蛋白酶的活性，在超高压条件下，木瓜蛋白酶疏水基团暴露程度降低，从而提高活性部位与底物的接触面积，酶的水解效率提高。另外一些醇类溶剂对酶活性有不同影响，如正丙醇、丙二醇可以提高木瓜蛋白酶活性，丙三醇、乙二醇会抑制酶活性表达。

3  木瓜蛋白酶的固定化

游离的木瓜蛋白酶具有较高的水解效率，但是在生产实践过程中易于底物以及水解产物混合到一起，使对木瓜蛋白酶的回收与产品分离提纯过程难度加大。目前将木瓜蛋白酶固定化是解决该问题的一种行之有效的手段。酶的固定化是使用不同不溶于水的固体材料固定并支持蛋白，使酶催化底物反應时不会与底物及产物混合，待反应完成之后将固体载体去除即可停止催化过程，提高酶与底物和产物分离能力同时提高了反应的可控制性，是一种适于产业化、连续化的酶处理手段。目前对于木瓜蛋白酶固定化的手段包括包埋、吸附、交联等，不溶于水的固体支持材料自身需形成多孔结构，一方面孔洞可以使酶蛋白在固体材料上有较多的附着位点，提高单位体积材料上携带酶量，提高催化效率;另一方面孔与孔之间交联的孔道可以使底物溶液进入固体支持材料中，提高了底物与酶的接触面积，有利于反应进行。目前新型的木瓜蛋白酶固定载体包括壳聚糖-埃洛石纳米管微球[13]、多级孔二氧化硅等[14]。壳聚糖本身可以再酸性条件下形成水凝胶，冻干后即可形成多孔结构，使用壳聚糖-埃洛石纳米管微球将木瓜蛋白酶交联吸附法固定，在实现了酶分子的固定化的同时提高了木瓜蛋白酶的耐高温能力，相较于游离的酶，最适pH降低至6.8左右;多级孔二氧化硅内部大孔道负责装载酶分子，小孔道负责反应物分子传输，可以提高酶固定化效率与生物催化活性，但本身存在不易成型，模板成本高，模板剂竞争作用不可控，合成过程比较复杂等问题限制应用。

4  展望

木瓜蛋白酶是一种在食品、日用品、药物生产开发等方面均具有广泛应用的生物大分子，目前需要对不同品种来源的木瓜蛋白酶活性进行比较以得到更为经济高效的木瓜蛋白酶来源，其分离与提纯长效活性提高的修饰手段与更加可控、稳定、价格低廉的固定化手段也需要进一步研究与改进，从而提高木瓜蛋白酶的工业化应用能力，

参考文献

[1] 余静，陈林，王卫，等.禽肉制品加工技术研究进展[J].成都大学学报：自然科学版，2018，37（3）：278-281.

[2] 李平，曹璐蕾，毛相朝.木瓜蛋白酶提取三文鱼鱼皮油的工艺研究[J].中国渔业质量与标准，2018，8（6）：18-25.

[3] Wuchao Wang，Yi Pan，Kang Gong，Qi Zhou，Tonghua Zhang，Qing Li. A comparative study of ultrasonic degumming of silk sericin using citric acid， sodium carbonate and papain[J]. Coloration Technology，2019，135（3）.

[4] 代君君，范涛，章玉萍，等.木瓜蛋白酶对丝素蛋白的降解作用研究[J].北方蚕业，2015，36（3）：11-13，17.

[5] 邹德生，谷昊.醋酸杆菌辅助酶解法提取动物软骨中硫酸软骨素的研究[J].现代食品，2018（20）：63-66.

[6] 孙琳，刘俊渤，时晓萌，等.鹿皮多糖的提取及其保湿性能研究[J].吉林农业大学报，2018（6）：1-5.

[7] 张秋会，徐俊涛，李苗云，等.木瓜蛋白酶水解猪肠黏膜制备肝素水解条件的优化[J].河南农业大学学报，2018，52（6）：967-972.

[8] 王伟涛.木瓜蛋白酶的双水相萃取研究[D].海南大学，2014.

[9] 曾颖，朱新儒，余垒，等.响应面法优化离子液体双水相萃取木瓜蛋白酶[J].食品研究与开发，2018，39（20）：29-34.

[10]张杰，丁琳，白鸽，等.超声对木瓜蛋白酶酶解产物分子量分布的影响[J].食品工业科技，2017，38（14）：116-120.

[11]刘平，胡志和，吴子健，等.超高压对木瓜蛋白酶构象及酶活力的影响[J].食品科学，2015，36（23）：23-27.