自溶現(xiàn)象與機理研究進(jìn)展

吳書建，劉小玲

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530000）

生物體在地球上生存直至消亡，都經(jīng)歷了物質(zhì)的合成代謝和分解代謝的兩個階段，并在兩個階段中實現(xiàn)物質(zhì)形態(tài)的轉(zhuǎn)化，以維持地球物質(zhì)平衡。自溶是發(fā)生在生物體消亡階段的一種內(nèi)在的反應(yīng)和現(xiàn)象，在無外來干預(yù)的情況下可自發(fā)發(fā)生。自溶將生物的物質(zhì)從有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機質(zhì)，從而維持了生態(tài)的平穩(wěn)。這種自然現(xiàn)象的發(fā)生引起不少科研工作者的興趣，例如海參自溶帶來的海產(chǎn)損失和效益虧損：如解決海蝦自溶后的肌纖維消失和食品品質(zhì)下降：如利用自溶解決降低廢棄物、廢水的生物排放量問題等。為更好的了解自溶現(xiàn)象及其本質(zhì)，了解影響自溶因素和實現(xiàn)自溶的有效利用和控制，本文圍繞自溶現(xiàn)象、自溶影響因素、自溶機理等方面，對眾多研究成果進(jìn)行歸納整理，以期為科研工作者圍繞自溶深入開展相關(guān)研究提供較為完整的基本信息。

1 自溶概述

“自溶”一詞源起1985年，Babayan和Bezrukov將細(xì)胞死亡，胞內(nèi)生物聚合體在水解酶作用下形成低分子量產(chǎn)物的水解反應(yīng)定義為“自溶”（Autolysis）[1]。隨著對自溶的深入研究，研究者發(fā)現(xiàn)自溶是幾乎存在所有死亡后生物體中的一種全局化、不可逆反應(yīng)。由于生物體間的差異，動物體的自溶、植物體的自溶、微生物體的自溶三者之間也存在一些差異。動物體的自溶主要為動物體死亡后，自身組織內(nèi)的酶系受到生物、物理、化學(xué)等因素刺激而被激活，從而自發(fā)的將自身的組織結(jié)構(gòu)破壞、降解引起組織細(xì)胞軟化或液化的現(xiàn)象。植物體自溶則主要為植物果實的成熟過程和采摘后，果皮與果實中發(fā)生的酶促酶解，出現(xiàn)植物體的軟化現(xiàn)象[2]。微生物的自溶主要是在脅迫環(huán)境下胞內(nèi)酶釋放，致使細(xì)胞裂解或者死亡的一種自我保護(hù)行為，并非在細(xì)胞死亡后發(fā)生[3]。生物體的自溶主要都為體內(nèi)酶系發(fā)生酶促反應(yīng)。

2 自溶機理

自溶是如何發(fā)生的？生物體自溶受何物質(zhì)調(diào)控？影響因素如何？這些問題是解開自溶之謎的關(guān)鍵所在。為此，大量研究者開展了與此相關(guān)研究，圍繞著自溶，目前普遍認(rèn)為的自溶均來源于生物體自身內(nèi)源酶系的激活和發(fā)揮作用。但不同的物種，其生物多樣性導(dǎo)致其內(nèi)源酶的復(fù)雜性，不同的生物，其內(nèi)源酶的構(gòu)成、激活方式和條件、以及外界對其刺激和干擾也不盡相同，導(dǎo)致其自溶的現(xiàn)象和效率千差萬別。以下分別針對動物、植物和微生物的自溶機理研究展開論述。

2.1 動物機體自溶機理

動物體內(nèi)存在與合成和分解相關(guān)的酶系，不同的酶分布于動物體的不同組織、器官及細(xì)胞器中，并發(fā)揮著不同的作用。動物的肝臟及消化系統(tǒng)具有多種分解相關(guān)的酶，動物機體自溶在死亡后啟動，并從內(nèi)臟開始，而后遍及動物體全身。動物體的自溶是由于體內(nèi)的蛋白質(zhì)、脂肪和糖水化合物被激活狀態(tài)下的自身組織蛋白酶、腸酶、脂肪酶和磷酸酶等水解引起。針對動物體自溶，國內(nèi)外學(xué)者主要研究對象多為家禽內(nèi)臟及水產(chǎn)品方面，涉及了家禽、大眼鯛、藍(lán)圓鰺、南美白對蝦、南極磷蝦、海參、貝類等動物，并集中于從自溶酶的角度進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)不同動物體中內(nèi)源酶類有差異，起主要作用的酶也因動物體不同而存在差異。動物體中發(fā)生自溶并非單一某種酶起作用，而是多種酶的協(xié)同作用產(chǎn)生，同時受到外界條件的影響。由于動物體中內(nèi)源酶系復(fù)雜多樣，至今對自溶研究過程中的協(xié)同作用還需進(jìn)一步進(jìn)行探究。各種原料自溶相關(guān)的內(nèi)源酶如表1所列。

表1 部分動物體引起自溶的相關(guān)內(nèi)源酶系Table 1 Enzymes related with some animal＇s autolysis

續(xù)表1 部分動物體引起自溶的相關(guān)內(nèi)源酶系Continue table 1 Enzymes related with some animal＇s autolysis

2.2 植物自溶機理

植物體的細(xì)胞大多擁有細(xì)胞壁，細(xì)胞壁可防止細(xì)胞之間相互吞沒，同時植物體中又含有多種的細(xì)胞壁降解酶，當(dāng)植物體生長環(huán)境不適宜或者植物體細(xì)胞受損時，植物體需要自發(fā)的“程序性細(xì)胞死亡”，細(xì)胞壁降解酶類便會通過破壞細(xì)胞壁中的肽聚糖和其他物質(zhì)而破壞細(xì)胞構(gòu)架，進(jìn)而使細(xì)胞解體，即植物體自溶。植物體的自溶主要表現(xiàn)為果皮褐變和果肉快速軟化、溶解流汁、腐爛，亦可稱為“果皮自溶”和“果肉自溶”[2，15-16]。植物自溶酶類主要為多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）、纖維素酶 （cellulase，Cx）、果膠甲酯酶（pectinesterase，PME）、果膠裂解酶（pectate lyase，PL）、β-半乳糖苷酶（β-galactosidase，β-Gal）、木葡聚糖轉(zhuǎn)糖酶（xyloglycase，XET）。如荔枝、龍眼采摘后由于果膠和半纖維素的溶解作用和解聚作用而變軟[17]。香蕉和木瓜因果皮褐變分解導(dǎo)致其質(zhì)構(gòu)發(fā)生變化[18]。針對植物體的自溶研究目前主要集中于水果采摘后的保鮮貯藏方面。

2.3 微生物自溶機理

大多數(shù)微生物為單細(xì)胞生物，微生物的自溶一般為其細(xì)胞受到環(huán)境的脅迫或者細(xì)胞衰老死亡而使得細(xì)胞自身溶酶體釋放水解酶到細(xì)胞質(zhì)中，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的物質(zhì)被水解留下空殼或者裂解的一種自然降解過程[3]。根據(jù)自溶酶類及其發(fā)生的部位可將其細(xì)分為外自溶型（exo-type autolysis）和內(nèi)自溶型（endo-type autolysis）[19]。根據(jù)發(fā)生方式則可分為誘導(dǎo)自溶（induced autolysis）和自然自溶（natural autolysis）[20]。如啤酒酵母在發(fā)酵過程中因為酒精等物質(zhì)積累威脅其生長，迫于環(huán)境壓力發(fā)生自溶而自我降解[19]。又如乳酸菌細(xì)胞壁具有對有害物質(zhì)的吸附作用，當(dāng)細(xì)胞壁被破壞后，自身便合成肽聚糖水解酶形成自我裂解死亡[21]。引發(fā)微生物發(fā)生自溶的主要酶類為蛋白酶、葡聚糖酶、磷酸脂酶和幾丁質(zhì)酶。目前關(guān)于微生物發(fā)生自溶的機理研究較少，還存在諸多領(lǐng)域有待研究。

3 自溶的生物化學(xué)變化

生物體自溶過程中，酶解反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)發(fā)生降解，在這個復(fù)雜的過程當(dāng)中，涉及到了多種生物化學(xué)的變化。

3.1 動物體自溶過程中變化

動物體的自溶為組織結(jié)構(gòu)被破壞降解，主要體現(xiàn)在肉質(zhì)的變化。組織結(jié)構(gòu)中大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)，在這個過程中化學(xué)物質(zhì)變化最為明顯。Sone[22]等研究死后大西洋鮭魚體，得出其體內(nèi)大部分化學(xué)成分變化由自溶引起。動物體的組織主要由蛋白質(zhì)和脂肪組成，自溶酶系以消化系統(tǒng)中的蛋白酶類為主，因此在自溶過程中，蛋白質(zhì)類物質(zhì)從高度有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的小分子，導(dǎo)致氨基態(tài)氮、三氯乙酸可溶性氮、總可溶性氮、游離氨基酸、水解度和游離脂肪酸等方面發(fā)生顯著變化。眾多研究表明，自溶過程中上述物質(zhì)均隨時間延長而增加，最后趨于平穩(wěn)，但增加的速率根據(jù)動物體間自溶效果差異而存在不同。Zheng Jie[23]等通過響應(yīng)面法試驗設(shè)計得出溫度48.3℃、pH4.43時海參內(nèi)臟自溶效果最好，是獲得寡肽的最佳條件。動物體死亡后經(jīng)歷僵直、自溶、腐敗3個過程，3個過程并無準(zhǔn)確時間界限，只有先后順序，因此，在自溶過程中也相應(yīng)伴隨著ATP分解及分解產(chǎn)物的蓄積及其他微生物引發(fā)的腐敗的代謝產(chǎn)物的變化。僵直延續(xù)至自溶過程中ATP降解途徑為：ATP→ADP→AMP→IMP/AdR→HxR→Hx，在自溶過程中伴隨著核苷酸類物質(zhì)的變化[24]。

3.2 植物體自溶過程中變化

植物體的自溶主要為其細(xì)胞壁和細(xì)胞間質(zhì)的降解，在水果中體現(xiàn)為果皮褐變、果肉軟化等現(xiàn)象，這與細(xì)胞壁和細(xì)胞間質(zhì)的變化密切相關(guān)，尤其是果膠和半纖維素的溶解作用和解聚作用[25]。植物細(xì)胞壁的骨架是半纖維素、纖維素果膠等。植物體自溶會引起果膠、纖維素、半纖維素、單糖等產(chǎn)生相應(yīng)變化。研究發(fā)現(xiàn)果實自溶即為細(xì)胞壁多糖的長鏈發(fā)生非離子鍵解聚變成短鏈或小分子，同時發(fā)生水解導(dǎo)致可溶性成分增加。果膠降解成為水溶性果膠和果膠酸，細(xì)胞壁被破壞，最終導(dǎo)致軟化；纖維素、半纖維素和單糖含量因細(xì)胞壁降解而下降。

3.3 微生物自溶過程中生物學(xué)變化

微生物自溶過程中的變化主要細(xì)菌和真菌兩類加以分析。引起細(xì)菌自溶的自溶酶類通常被稱為自溶素，主要為胞壁酸酶和肽酶。自溶素作用于細(xì)胞壁上的磷酸壁和糖醛酸磷酸壁，與其結(jié)合后間接導(dǎo)致細(xì)胞壁肽聚糖結(jié)構(gòu)被破壞。細(xì)菌自溶過程中伴隨著乙酰氨基反應(yīng)物質(zhì)和氨基酸等物質(zhì)變化。真菌自溶酶類則與細(xì)菌不同，主要為蛋白酶、核酸酶、葡聚糖酶。研究表明真菌的細(xì)胞壁成分為蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)等。降解過程前期主要作用于壁上糖原，寡聚糖含量迅速上升，后期作用于蛋白質(zhì)及核酸類物質(zhì)，引起氨基酸、核糖組分緩慢上升。

4 影響自溶的因素

自溶的發(fā)生與生物體內(nèi)的酶系密不可分，生物體的自溶幾乎均來自于其自身酶解作用。無論何種生物體，自溶主要影響因素均為酶的種類，其次為非酶因素對酶的影響進(jìn)而間接影響自溶效果，這些非酶因素中以溫度和pH值為主。然而，在這些非酶因素中，又因動物體、植物體、微生物的不同而存在著差異。

4.1 動物體

一般情況下，活體動物體體溫及其組織內(nèi)pH值恒定，其組織內(nèi)的酶受到溫度和pH值的影響較大。當(dāng)動物體死亡后，組織內(nèi)的生理反應(yīng)停止，各種化學(xué)變化發(fā)生，溫度及pH值變化大，不同動物體中的酶類不同或者同種酶因動物體物種間的差異，存在不同程度的影響。故動物體自溶主要受到的影響因素為溫度與pH值，同時，一些鹽類也能影響動物體自溶。每一動物體的自溶均有其最適的溫度與pH值，見表2。

表2 部分動物體自溶的最適溫度與pH值Table 2 Autolysis temperature and pH of some animals

通過研究數(shù)據(jù)可得大多數(shù)的動物體自溶主要pH值范圍為6～8，溫度范圍為40℃～65℃，小部分生物體自溶條件不在該范圍內(nèi)。

4.2 植物體

植物體自溶的主要表現(xiàn)為植物體果皮及果實的成熟及軟爛，除酶類和溫度及pH值等影響因素外，影響植物體自溶的因素還包括引起細(xì)胞壁降解的物質(zhì)，即呼吸代謝產(chǎn)物乙烯、植物激素、活性氧。乙烯是植物呼吸產(chǎn)物中與植物果實成熟最密切相關(guān)的物質(zhì)，目前市場上已經(jīng)廣泛使用乙烯利調(diào)控果實成熟度來影響多聚半乳糖醛酸酶（PG）、果膠甲酯酶（PME）和纖維素酶活性進(jìn)而控制果實軟化。植物自身含有多種激素，激素之間的相互協(xié)同作用和抑制作用直接影響著果實的成熟與軟化，已有研究表明脫落酸（abscisic acid，ABA）觸發(fā)啟動了躍變型果實番茄的成熟進(jìn)程。另外，可通過活性氧清除劑維持果實體內(nèi)活性氧體系平衡，減少活性氧加速果實老化與軟化。

4.3 微生物

微生物的自溶表現(xiàn)為其受生長環(huán)境脅迫或自身細(xì)胞衰老，而溫度、pH值、離子成分、滲透壓、氧氣供應(yīng)等影響其生長與繁殖，故為其自溶的非酶影響因素。研究表明虎奶菇菌絲體自溶受到溫度、pH值、滲透壓、離子、氧氣供應(yīng)影響，其較佳自溶條件分別為40℃、pH 9.0、NaCl濃度3%～4%及無氧條件[29]。有研究者發(fā)現(xiàn)將一定濃度的蔗糖溶液加入至細(xì)菌培養(yǎng)物中可促進(jìn)肽聚糖解體。

5 自溶的應(yīng)用

自溶廣泛存在于自然界的生物體中，研究表明，利用生物自溶技術(shù)，可從中獲得目的產(chǎn)物，具有低成本、易操作、無污染等優(yōu)點，將其充分利用可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科研人員對生物體自溶的不斷探索與深入研究，自溶已經(jīng)在多方面中被人們所利用。

5.1 動物體自溶應(yīng)用

動物體的消化系統(tǒng)中通常水分含量高、內(nèi)源酶系豐富，極易發(fā)生自溶現(xiàn)象。近些年來，不少國內(nèi)外科研工作者致力于研究動物體內(nèi)自溶的有效控制和利用。如今在家禽及水產(chǎn)品的加工中已有相關(guān)應(yīng)用，尤其在家禽、魚、蝦廢棄物的回收利用中應(yīng)用最為普遍，有較深的研究。

家禽及水產(chǎn)廢棄物主要為內(nèi)臟與其他副產(chǎn)物，這些廢棄物中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和內(nèi)源酶系，如蝦頭占了全蝦35%～45%，蝦仁生產(chǎn)中，產(chǎn)生的蝦頭及蝦殼廢棄物產(chǎn)量巨大，而蝦的內(nèi)臟主要在蝦頭，60%的內(nèi)源酶都存在于其中，并且蝦頭含有豐富的蛋白質(zhì)資源、甲殼素資源等[30]。因此許多研究者將動物體自溶應(yīng)用于廢棄物中有益組分的回收利用。制備生物活性物質(zhì)，如Samaranayaka[31]等通過自溶作用從太平洋無須鱈中提取得到抗氧化活性水解物：Cao[28]等通過響應(yīng)面法得出在基質(zhì)濃度23%、pH 7.85、溫度50℃下，蝦頭自溶水解物得率高。營養(yǎng)成分的提取，如Sjaifullah，Achmad[27]等將蝦頭廢棄物在pH 2的室溫情況下自溶2 d，幾丁質(zhì)提取率為 14.7%；Senphan，Theeraphol[32]等從太平洋對蝦胰腺中提取脂肪，在60℃，自溶時間從0 min增加到150 min，提取率從7.4%增長到了8.8%。蛋白質(zhì)回收，Liu[33]等對比圓花鯖加工廢棄物中蛋白質(zhì)回收時，利用自溶技術(shù)明顯優(yōu)于添加外源酶酶解法。Intarasirisawat R[6]等研究大眼鯛魚皮自溶發(fā)現(xiàn)在料液比 1∶7（g/mL）、溫度 60℃、pH 7.5、無添加 0.001 mol/L大豆胰蛋白酶抑制劑（soybean trypsin inhibitor，SBTI）情況下，降解制備明膠效率高。此外，不少的蝦油、蝦醬制備中均利用到蝦頭自溶。

5.2 植物體自溶應(yīng)用

植物體的組成結(jié)構(gòu)不同于動物體，動物體自溶可以產(chǎn)生許多具有經(jīng)濟(jì)價值的營養(yǎng)物質(zhì)，而植物體的自溶更多的是導(dǎo)致果皮及果肉的軟爛，為此，在植物體的自溶方面，研究者們更多的是將重心放在自溶的控制，即通過控制果蔬當(dāng)中自溶的發(fā)生，保證其新鮮度，延長其貯藏期限。果蔬的成熟軟化過程極其復(fù)雜，當(dāng)自溶發(fā)生后不僅明顯改變果皮色澤、影響風(fēng)味，同時還直接影響果實的品質(zhì)和商品價值。眾多科研工作者通過對植物體的組成和自溶過程的研究，如今已成功在許多方面達(dá)到了對果實成熟軟化的控制。Escamez S[34]等總結(jié)自溶在植物生長過程中對組織的作用，得出自溶與植物生長密切相關(guān)，控制自溶可調(diào)控果實成熟軟化。Smith[35]等將反義RNA技術(shù)應(yīng)用于番茄的成熟控制，成功通過抑制PGmRNA的表達(dá)推遲了果實的成熟軟化。Duan X[36]等研究表明羥基自由基會加速細(xì)胞壁多糖降解，導(dǎo)致龍眼果皮分解，通過羥基自由基清除劑降低活性氧濃度可以減緩龍眼軟化。

5.3 微生物自溶應(yīng)用

微生物自溶的利用主要表現(xiàn)在改善風(fēng)味、提高酶解效率方面。微生物具有傳代繁殖快、適應(yīng)能力強的優(yōu)點，而微生物的自溶可以產(chǎn)生改變風(fēng)味的物質(zhì)，將這兩個優(yōu)點相結(jié)合應(yīng)用于食品生產(chǎn)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。將微生物自溶應(yīng)用于食品生產(chǎn)已引起了許多科研工作者的興趣。Cebollero E[37]等利用構(gòu)建了csc1-1過表達(dá)的葡萄酒酵母進(jìn)行自溶，提升了葡萄酒風(fēng)味。Pillidge C J[38]等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)是乳酸菌自溶釋放的肽酶和脂肪酶將牛乳中蛋白質(zhì)和脂肪分解而賦予干酪獨特風(fēng)味和促進(jìn)成熟。

6 總結(jié)與展望

人們最初只是利用自溶來改善食品的風(fēng)味，甚至有些領(lǐng)域為防止自溶引起的腐敗變質(zhì)而去對其進(jìn)行抑制。隨著研究者們對自溶的機理、影響因素、過程中生化變化等深入研究，不少研究者發(fā)現(xiàn)自溶是一類可以很好利用于食品加工的反應(yīng)，它是生物體自發(fā)的自我降解，利用自溶可以很明顯的降低食品加工中的酶制劑成本。如今自溶已被廣泛的應(yīng)用于食品領(lǐng)域，不少學(xué)者分別將其利用于各自生物種類的食品加工生產(chǎn)中，并將其工藝優(yōu)化，已經(jīng)產(chǎn)生了許多可觀的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是水產(chǎn)品方面，近些年來對自溶的研究取得的巨大突破，使得自溶成為了一項重要的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，也成為了研究人員的科研熱點。Senphan[32]等研究中已經(jīng)表明在有無自溶60 min情況下從太平洋白對蝦中提取獲得的脂肪并無差異，但自溶60 min條件下提取率明顯提高。自溶在食品產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用減少了外源的添加，提高經(jīng)濟(jì)效益、降低成本的同時還增加了食品加工中的安全性。另外，若能更好的了解自溶并進(jìn)行控制，還可在水產(chǎn)保鮮方面取得重大突破。自溶在食品行業(yè)中的應(yīng)用具有廣泛的發(fā)展前景。

自溶的發(fā)生受到自身酶系、環(huán)境因素等共同作用的影響，是一個復(fù)雜的過程。研究生物體自溶時既需要考慮內(nèi)因，如內(nèi)源酶種類、生物體體內(nèi)環(huán)境因素等，又要考慮外因，如自溶外界環(huán)境的溫度、pH值等，因此，對自溶過程的研究還有待進(jìn)一步深入了解。對自溶的機理已有較多研究，然而卻未有能完全解釋清楚自溶過程的相關(guān)研究。在已有的研究成果上我們可以對自溶進(jìn)行利用，但是對自溶的更深入研究依然需要科研人員不斷探索。

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