脂肪氧合酶特性对食品品质的影响

脂肪氧合酶特性及其对食品品质的影响

摘要：脂肪氧化酶广泛存在于植物和微生物中，由于其良好的功能性质可作为绿色添加剂用于改善食品品质。本文介绍了脂肪氧合酶的结构特性和催化特性，还有其在面粉改良、延缓果实衰老和改善食品风味方面的应用

关键词：LOX 结构特性 催化特性 面粉改良 延缓果实衰老 食品风味

脂肪氧合酶(lipoxygenase, LOX, EC1, 13. 11. 12)又称脂肪氧化酶，属于氧化还原酶, 是一类含非血红素铁的蛋白质，能专一催化具有顺，顺-1，4-二烯结构的多不饱和脂肪酸，通过分子内加氧，形成具有共轭双键的氢过氧化衍生物[1]，可导致果蔬加工制品产生不良的风味，也可以使油脂和含油食品在贮藏和加工过程中色、香、味发生劣变等。但脂肪氧和酶作为绿色食品添加剂可改善小麦粉品质。LOX 广泛存在于自然界中，在动物、植物、藻类、面包酵母、真菌和氛细菌中均有发现，并豆科植物中含量最高，其中在动物体内其底物主要是花生四稀酸，在植物中它的底物主要是亚油酸和亚麻酸。1932年，Andre等发现大豆中的豆腥味主要由LOX 引起[2]，1947年Theorell等首次从大豆中提取了脂肪氧合酶结晶[3]。而在1972年Chan[4]在国际会议上宣布每摩尔大豆脂肪氧合酶(LOX-1)含有1mol铁后,有关脂肪氧合酶的研究开始增多。大豆中蛋白含量为40%左右成熟的种子中，脂肪氧合酶占总蛋白含量的 1~2%。大豆中的脂肪氧合酶活性高于其它植物中提取的脂肪氧合酶，从大豆中提取脂肪氧合酶的效率较高。

1. LOX结构特性

大豆LOX 是一种单一的多肽链蛋白质，其相对分子质量94 000~97 000，等电点范围从 pH5.70 到 pH6.20，每个酶分子均含有一个铁原子。研究表明，大豆LOX有四种

同工酶，即 LOX-1，-2，-3a 和-3b[5]。

目前已研究出三种脂肪氧合酶的晶体结构，包括一种鼠网织红细胞中的脂肪氧合酶和两种大豆脂肪氧合酶同工酶。脂肪氧合酶的结构非常大，它有839个氨基酸残基（大豆Lox-1），其中氨基末端区由146个氨基酸残基组成，竣基末端区由693个氨基酸残基组成，铁原子位于簇基末端区的中心[6]。

脂肪氧合酶分子中含有金属原子-非血红素铁,运用物理方法研究该金属原子的性质和环境,发现其处于一种八面体配位环境中[7]。在一定的条件下,例如在有脂肪酸过氧化物的存在下,铁原子从高自旋的Fe2+静态转变为具有催化活性的高自旋的Fe3+态。通过确定大豆脂肪氧合酶(Lox-1，Lox-2)的初级结构,可以观察到一个富含组氨酸残基的区域[8]。进一步的研究表明，His499，His504，His690(Lox-1)对键合铁原子很重要。铁原子中心活性位点包括5个内源配体和1个外源配体[9]。对大豆Lox-1，Lox-3来说,内源配位体由三个His残基(His499，His504，His690)，一个Ile839残基末端碳原子上的竣基,以及一个配位距离较一般配位键稍长的Asn694残基上的δ-氧原子组成。以His,Ala,Ser代替Asn,仍可以与Fe键合,但以Ala、Ser代替Lox-3中的将会导致Lox-3失活。Fe的氧化或催化位上结构的变化会导致Asn694-Oδ1从与Fe的配位加强。第6个配位点也许是被水分子配体占据,此位点是催化机制的关键。当Fe2+-Lox被激发为Fe3+-Lox后,其催化中心的水配体离子化,形成一个羟基配体,该键长较短,仅为1.88Å,而其余5个配体的平均键长为2.11Å。在Lox表面存在两个空腔,分别通至内部催化位。空腔Ⅰ是非常疏水的,是O2渗透进入酶内部的路径;空腔Ⅱ则是脂肪酸进入的路径[10]。

2. LOX催化特性

对脂肪氧合酶的催化过程，目前己有许多种理论，现被广泛接受的是自由基理论，该

理论主要包括三个过程：首先，氨原子从底物上离开，同时铁离子被还原，转移的氨被与LOX活性部位铁离子相连的姪基组分接受；然后，分子氧与底物自由基发生反应，形成过氧化自由基，在此过程中可能伴随O2转变成O2-.自由基；最后，过氧化自由基被LOX的铁离子还原，生成氨过氧化合物，而LOX的铁转变为Fe3+，重新变为活性态[11]。而在早期的研究中, Tappel等认为, LOX所催化氧化的亚油酸不同于亚油酸自动氧化过程[12]。首先是亚油酸氧合LOX形成复合体; 再在酶的表面形成一个双游离基活化体, 即一个氢离子和一个电子从亚油酸上转移至氧分子上; 双游离基在酶分子表面结合形成亚油酸过氧化氢; 此过氧化氢物与酶分离并脱落下来。近年来, 大豆 LOX中质子电子的转移反应证实了LOX反应过程中的氢转移理论[13], 认为催化的氢原子从底物亚油酸转移到铁离子上; 质子和电子同时在供体和受体之间转移; 从而产生有效的氢隧道效应。因此, 从以上几种理论都可以看出LOX催化中心与铁离子有着密切的关系[14]。

脂肪氧合酶对于它作用的底物也具有特异性的要求。含有顺,顺-1,4-戊二烯的直链脂肪酸、脂肪酸酯和醇都有可能作为脂肪氧合酶的底物。最普通的底物是亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸。在不饱和脂肪酸中,顺,顺-1,4-戊二烯的位置对脂肪氧合酶的作用有显著的影响

[15]。如果采用从-CH3末端起编号的

ω-编号系统,那么ω-6具有双键是必要的,而顺,顺-1,4-

戊二烯单位的亚基在ω-8位的脂肪酸异构体是脂肪氧合酶的最佳底物。顺,顺-1,4-戊二烯的亚基单位在ω-10或ω-11位的脂肪酸异构体不能作为脂肪氧合酶的底物[16]。在ω-3位增加一个顺,顺双键并不影响脂肪氧合酶对底物的作用,例如亚麻酸是脂肪氧合酶的良好底物。在脂肪酸的ω-10位和羧基之间增加双键仍然可以作为脂肪氧合酶的底物,如花生四烯酸和8,11,14-二十碳三烯酸都是脂肪氧合酶的底物[17]。

3. LOX对食品品质的影响

脂肪氧合酶在食品加工中具有重要的应用价值，尤其脂肪氧合酶同时具有强筋和漂白

双重作用，在面粉品质改良中起着重要的作用，具有千分巨大的市场需求和应用前景。

3.1 LOX在面粉品质改良中的应用

随着食品工业的飞速发展和人民生活水平的日益提高,人们对于食品安全的问题越来越关注。传统改良面粉品质的化学添加剂已经被证明具有致癌作用。天然酶制剂是理想的化学添加剂的绿色替代品。

Prigge,S.T 研究指出面粉增白的实质是用添加氧化剂的办法使面粉中的类胡萝卜素氧化，使类胡萝卜素的共辆双键断裂成共辆较少的无色化合物[18]。脂肪氧化酶漂白面粉中的β－胡萝卜素的过程首先是脂肪氧合酶内部高度旋转的铁原子六聚体（LOX-Fe(Ⅲ)）上的配合基羟基(-OH)吸附亚油酸（LOOH）C11上的氨原子H.，并在结合位点失去H+后生成具有共扼双键的氨过氧化亚油酸基(LOX-Fe(Ⅱ-L.))，然后过氧化氨基与β－胡萝卜素的多烯烃链结合，β－胡萝卜素的丙烯基俘获电子生成无任何颜色的β-carotene[19]。另一方面，在面粉中加入脂肪氧合酶后，该酶可以催化分子氧对含有戊二稀1,4双键的不饱和脂肪酸发挥作用，生成的氨过氧化物具有氧化作用，能够将巯基氧化为二硫键，催化蛋白分子之间的交联，使面筋筋力加强。同时，面团的形成时间、稳定时间、吸水率、评价值都有所提高，制得的面团在发酵过程中有较强的CO2气体保持能力，制得的慢头比容较大、内部结构细腻、弹性好，品质明显提高。其次，脂肪氧合酶催化面粉中不饱和脂肪酸产生的氨过氧化物，能够在面制品焙烤过程中进一步分解成具有特殊香气的挥发性小分子，从而改善面制品的香气，增强风味[20]。

小麦粉自身虽存在内源的脂肪氧合酶，但由于其含量很低不能满足小麦粉漂白和强筋的需要，在工业生产中通常采用添加具有脂肪氧合酶活性的大豆粉来获得理想的改良效果

[21]。面粉中加入大豆粉后，其中脂肪氧合酶的量增多，脂肪氧合酶氧化不饱和脂肪酸产生

的中间产物进入面筋蛋白的疏水区，使-SH被氧化，蛋白构象发生变化，带电基团转向蛋白质表面，蛋白质胶体中的疏水结合转变为亲水结合，使水分可能进入蛋白质结构释放出结合脂肪。游离脂肪的释放伴随蛋白质的氧化，改善了面团的流动性，使得面团质地变软。

3.2 LOX在延缓果实衰老水果的应用

脂肪氧合酶在果实成熟、衰老进程中具有重要作用，主要通过参与乙烯的合成和催化膜脂过氧化反应两方面进行参与。乙烯是果实成熟进程的重要植物激素，LOX催化生成的超氧自由基和氢过氧化物均可能参与了乙烯的生物合成[22]。研究表明，LOX活性增加先于自由基产生和乙烯生物合成，LOX 反应底物 LA 处理可增强其活性，加速果实乙烯跃变; 同时，乙烯参与了果实成熟进程中 LOX 酶活性和基因表达的，乙烯处理可增加果实中 LOX 活性，加速果实成熟，低温处理则抑制 LOX 活性，延缓果实成熟衰老。LOX 活性变化与果实采后硬度下降呈显著相关关系，通过调节 LOX 可以有效控制果实的软化进程[23]。

植物组织膜脂过氧化作用的启动需要 LOX，从而产生脂肪酸过氧化氢物及游离基，刺激受侵细胞膜的崩溃，引起过敏反应，最终导致细胞的死亡，组织的衰老[24]。使用细胞素或抗氧化剂可以降低 LOX 的活性，延缓衰老的开始。据报道大豆叶片受到持续的机械刺激，不仅 LOX 活性升高，而且能检测到 LOX 基因的表达[25]。LOX 基因表达还受干旱条件的诱导，Bell 和 Mullet[26]报道大豆根浸在0.6mol·L-1的甘露醇中4h后，下胚轴LOX-A 和 LOX-B 的 mRNA 迅速增加。Thompson 等[27]指出，与脂肪过氧化相关的衰老过程的启动并不需要高水平的 LOX 活性，因为衰老过程一旦开始，将会自动进行。LOX 启动脂质过氧化反应的时间和程度与其酶活性相比，酶作用底物的有效性显得更为重要，LOX 只在脂质过氧化启动时需要，一旦脂质过氧化反应启动后 LOX 便会自我活化，而衰

老过程膜磷脂的逐步降解则是 LOX 底物游离脂肪酸的主要来源[28]。

3.3 LOX在改善食品风味中的应用

研究表明，新鲜水果、蔬菜的主要风味物质为醛类，植物体内的醛类主要是通过脂肪氧合酶/氢过氧化物裂解酶( LOX/HPL) 途径生成。多不饱和脂肪酸( PUFA) 在脂肪氧合酶的作用下与O2结合，形成脂肪酸氢过氧化物，脂肪酸氢过氧化物又作为氢过氧化物裂解酶( Hydroperoxide lyase，HPL) 的底物被裂解。随着 LOX 和 HPL 的特异性不同，将分别产生 C6、C9 或C10 醛。例如，未成熟桃果实 2 种主要“青香型”香气成分反式-2-己烯醛和正式-3-己烯醇是 LOX/HPL 途径的主要产物; 成熟桃果实中的内脂类香气成分也认为是 LOX/HPL 途 径 的 主 要 产 物。此 外Kangsadan 等[34]从海藻中提取 LOX，并以花生四烯酸为原料，生成了12-花生四烯酸氢过氧化物，同时产生了少量的15-花生四烯酸氢过氧化物，在裂解酶的存在下前者裂解成3-（Z）-己烯醛，后者裂解成己醛。

与传统的提取方法相比，酶法制备可以使其产量大幅提高[29]。例如，通过大豆 LOX 和重组苜蓿 HPL共同作用，可将植物油转化为己醛和 2( E)-或3( Z)己烯醛，并且产量分别为 50%和 26%，没有其他副产物[30]。据报道，这2 种酶在反应 145min 时，己醛可以达到最高浓度2g·L-1。最近，有用大豆LOX 和西瓜的HPL 基因被克隆并在酵母中进行过表达。这个重组的细胞，作为一个细胞工厂，将 ALA 转化为2( E)-己烯醛和3( Z)-己烯醛

[31]。

4. 展望

脂肪氧合酶对食品的风味、色泽及果实的成熟、衰老起着重要的调节作用，其作用机理，代谢途径已有了深入研究，但仍有很多未明。利用现代分子生物学技术手段，从分子

水平深入揭示 LOX 对植物不同器官、组织及细胞衰老的作用机制，进而采用多种方法由多条代谢途径组成的植物衰老系统，设计出更好的衰老的方法，培育出耐贮藏，感官性状好的农产品，对于果蔬和谷物的贮藏加工具有重要的价值。

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