熱處理和轉谷氨酰胺酶對凝固型酸乳品質的影響

吳 彤,姜淑娟,妥彥峰,錢 方,朱雪梅,吳曉萌,牟光慶

(大連工業大學食品學院,遼寧大連 116034)

熱處理是酸乳生產加工中的重要環節,發酵前對牛乳進行熱處理會使乳清蛋白和酪蛋白變性,改變其固有的蛋白形態和穩定性。熱處理過程中產生的諸多香味物質還可以提高酸乳的感官特性。Li等[1]研究不同加熱溫度下由鮮牛乳及復原乳制成的酸乳的質地和揮發物,結果表明不同的加熱過程會極大地影響酸乳的質地特性和風味,并形成一些變性的乳清蛋白和酪蛋白膠束復合物。Lee等[2]和Penna等[3]測定了經過超高溫瞬時加熱和高壓加熱的鮮牛乳形成的酸乳的物理和結構屬性,發現熱處理會增強酸乳的凝膠結構,使酸乳更粘稠并提高持水率。

轉谷氨酰胺酶(Transglutaminase,TGase)是一種催化全稱為蛋白質谷胺酰胺γ-谷氨酰胺基轉移酶,是一種催化轉酰基反應的酶[4]。TG酶可使乳蛋白中的谷氨酰胺殘基與賴氨酸之間發生交聯反應形成共價鍵,改善酸乳的持水性、質地特性和凝膠特性等[5]。一些研究人員認為酸乳的三維結構可以通過TG酶交聯反應來穩定。B?nisch等[6]和Jaros等[7]在進行了TG酶誘導的乳制品蛋白質交聯的研究中,認為TG酶處理的酸乳會顯示表現出更高的持水能力,更均勻的結構,更高的粘度和優異的口感。

熱處理或TG酶作用對改善酸乳的質量具有一定的積極影響,但單一的改性方式可能具有局限性。采用熱處理與TG酶處理相結合的方法對凝固型酸乳品質的影響未見報道。為了探究熱處理和TG酶共同作用對凝固型酸乳品質的影響,本研究對牛乳進行熱處理,在添加發酵菌種發酵的同時加入TG酶改性,從而獲得了復合改性的酸乳。重點評價凝固型酸乳的色度、持水性、硬度、pH及感官特性,以揭示熱處理和TG酶對凝固型酸乳生產的綜合作用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮牛乳(蛋白質含量為3%) 大連三寰乳業有限公司;發酵菌種(保加利亞乳桿菌CICC 6047和嗜熱鏈球菌CICC 6038,體積比為1∶1) 大連工業大學食品學院保藏菌株;轉谷氨酰胺酶(酶活為100 U/g) 江蘇一鳴生物制品有限公司;其他試劑 均為分析純。

DK-S22型電熱恒溫水浴鍋 上海精密實驗設備有限公司;DNP-9082型電熱恒溫培養箱 上海精宏實驗設備有限公司;SW-CJ-2FD超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司;SC-80C自動色差儀 北京康光有限公司;TA-XTplus型質構儀 英國Stable Micro System公司;S210-K型SevenCompact pH計 梅特勒-托利多儀器有限公司;5804R型冷凍離心機 Eppendorf中國有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 熱處理和TG酶復合改性酸乳的制作 根據文獻[8-10]參數設置熱處理條件(70 ℃ 15 min、80 ℃ 15 min、90 ℃ 15 min、95 ℃ 5 min),將鮮牛乳(100 mL)熱處理后冷卻至42 ℃,在無菌超凈工作臺中各接種2%(V/V)的第6代保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的發酵液(將-80 ℃凍存的2株菌分別于5%(V/V)的MRS培養基中活化1～3代,再于12%(V/V)的脫脂乳粉培養基中活化4～6代)于發酵瓶中,與此同時分別加入0、5、10 U的TG酶。將接種牛乳在42 ℃恒溫培養至pH4.6時發酵結束。制備的酸乳放置于4 ℃后熟24 h,進行色度、持水性、硬度等品質特性的測定與感官評價。

1.2.2 酸乳色差的測定 根據Barkallah等[11]的方法對酸乳進行色差測定。先使用標準白板將色度計標準化。使用反射模式比較每個樣品和標準白板之間的色差。通過從凝固型酸乳上表面進行三點取樣(由三個點形成的三角形)來確定平均值,并記錄總體顏色變化值(ΔE)。

1.2.3 酸乳持水率的測定 根據Feng等[12]的方法取酸乳樣品10 g,于10 ℃ 4000 r/min離心10 min,傾去上清液,將離心管倒置10 min后稱重。持水率(%)為離心后沉淀樣品質量與離心前酸乳初始樣品質量比。

1.2.4 酸乳硬度的測定 測定酸乳的硬度時對Delikanli等[13]的方法進行了改良,探頭用P0.5圓柱形探頭,溫度為25 ℃,對100 mL發酵杯中的凝固型酸乳進行兩次壓縮測試。測試前速度3.00 mm/s,測試速度1.50 mm/s,測試后速度1.50 mm/s。兩次壓縮之間的時間為10.00 s,壓縮距離為10.00 mm,觸發力為5.0 g。

1.2.5 酸乳貯藏期pH的測定 在25 ℃下用pH計測量其pH,并進行溫度補償校準。酸乳樣品經4 ℃后熟1、4、7、14、21 d相同時間點的pH。

1.2.6 酸乳感官評價 根據GB 19302-2010發酵乳的感官評價標準[14]對經過4 ℃后熟24 h的酸乳進行感官評價。邀請10位經過專業感官培訓的感官評定員對酸乳的各項感官指標進行評定。具體指標評分標準參考表1。

表1 酸乳感官品質評分標準Table 1 Scoring standards for sensory quality of yoghurt

1.3 數據分析

每組實驗至少進行三組平行試驗,每組實驗重復兩次。采用軟件IMB SPSS Statistics 19中Duncan檢驗,在置信區間95%的水平用ANOVA分析方法進行數據差異顯著性分析,P<0.05時認為差異顯著。用軟件Origin 8.6繪圖。

2 結果與分析

2.1 熱處理和TG酶對酸乳色差的影響

色度值是一種重要的感官因素。圖1顯示了在不同熱處理溫度和TG酶濃度下凝固型酸乳樣品的總體顏色變化值(ΔE)。由圖所示,在70～90 ℃進行熱處理的酸乳ΔE逐漸升高,但經90 ℃熱處理15 min和95 ℃熱處理5 min的酸乳在ΔE上未見明顯變化。同時還可以看出加入了TG酶酸乳的色差呈現出顯著降低的趨勢(P<0.05)。在同一溫度下加入10 U TG酶的酸乳ΔE比未添加TG酶時的分別降低了25.45%(70 ℃),14.68%(80 ℃),10.84%(90 ℃),8.11%(95 ℃)。這可能是因為TG酶作為一種酰基轉移酶,可以通過促進谷氨酰胺和賴氨酸殘基之間的異肽鍵形成分子內和分子間交聯,并消耗了大量的賴氨酸和谷氨酰胺等褐變氨基酸[15]。TG酶可以降低酸乳的色度,使酸乳獲得更佳的色澤。

2.2 熱處理和TG酶對酸乳持水率的影響

持水率是評價酸乳品質的重要指標之一。圖2顯示了在不同熱處理溫度和TG酶濃度處理下酸乳樣品的持水率變化情況。在本實驗條件下,熱處理溫度由低到高的變化過程和酸乳持水率的變化趨勢呈正相關。圖2所示,當熱處理溫度由70 ℃上升到95 ℃時,在相同TG酶濃度(0～10 U)下進行改性的酸乳的持水率平均增加了14.15%。熱處理過程中乳蛋白變性程度增大形成相對穩定的網絡結構[16],王毅等[17]和趙麗麗[18]在原料乳的熱穩定性及最佳熱處理條件的研究指出,至少75%的乳清蛋白經熱處理變性后會使蛋白肽鏈逐漸展開結合更多的水分,并減少脫水收縮作用的發生提高持水率。此外,在同一溫度下添加TG酶也可以顯著提高酸乳的持水率[19],酶處理使乳蛋白交聯增強和穩定了酸乳中的三維網絡結構,降低了乳清的分散或分離速率。應用TG酶和熱處理作用對酸乳持水率的提高起協同作用。

圖2 熱處理和TG酶對酸乳持水率的影響Fig.2 Effects of heat treatment and TGase on the water holding capacity of yoghurt

2.3 熱處理和TG酶對酸乳硬度的影響

由圖3可知,熱改性和TG酶處理對酸乳硬度均產生影響,熱處理溫度越高酸乳硬度越大,但經90 ℃熱處理15 min的酸乳與95 ℃熱處理5 min的酸乳硬度差別不大。與未經TG酶處理(0 U)的對照組相比,同一溫度下TG酶處理后的酸乳硬度提升,且隨著TG酶濃度的升高酸乳硬度顯著(P<0.05)增加。添加10 U TG酶的酸乳的硬度是相同溫度下未添加TG酶酸乳的1.31倍(70 ℃),1.22倍(80 ℃),1.25倍(90 ℃)和1.23倍(95 ℃)。李思寧等[20]的研究發現TG酶添加量為3 U/g蛋白時的酸乳硬度比未添加TG酶時升高了43%。Domagala等[21]的研究也發現TG酶添加量為2 U/g蛋白時酸乳的硬度平均升高了39.16%。在TG酶的作用下以酪蛋白為主要蛋白的乳蛋白質分子間發生交聯,形成大的聚集體,并增強了酸乳凝膠的強度[22-23]。

圖3 熱處理和TG酶對酸乳硬度的影響Fig.3 Effects of thermal treatment and TGase on the hardness of yoghurt

2.4 熱處理和TG酶對酸乳pH的影響

酸乳在儲存期會發生后酸化,經不同溫度和TG酶濃度處理的酸乳于4 ℃冰箱中儲存,在1、4、7、14、21 d的相同時間點測定各個樣品的pH,酸乳pH的變化趨勢如圖4所示。熱處理溫度為70 ℃,儲存時間為1 d時未添加TG酶(0 U)酸乳樣品的pH從4.58降低到4.39,并在后續的儲存過程中繼續呈明顯的下降趨勢。在同一溫度下添加TG酶酸乳的pH顯著高于對照組(0 U),且濃度越高現象越明顯。

圖4 酸乳儲存1～21 d期間pH變化Fig.4 Change in pH of yoghurt during storage for 1 to 21 d注:a～d分別代表不同的熱處理溫度70、80、90、95 ℃。

酸乳在儲存期發生后酸化,不僅會使pH降低導致酸味過重,還會出現乳清析出、感官質量下降等諸多問題[24-25]。圖4顯示由于TG酶的作用明顯減緩了酸乳的后酸化作用,pH降低曲線的斜率較未加TG酶酸乳更為平緩,說明TG酶可以顯著(P<0.05)影響酸乳后酸化過程。這與Ozer等[26]發現的TG酶可以通過形成蛋白質交聯減少發酵菌種對所需氮源(氨基酸和低分子量肽)的可用性,從而導致更慢的后酸化過程的結論是一致的。

2.5 熱處理和TG酶對酸乳感官評價的影響

表2～表5顯示不同熱處理溫度和TG酶濃度對酸乳總體感官評價分數影響較大。隨著熱處理溫度的升高酸乳的感官評分逐漸增大,在95 ℃加熱5 min處理酸乳得分最高。評分升高的原因是牛乳在加熱過程中隨著溫度的升高蛋白質變性程度增強,酸乳口感更稠厚,產生較多的香氣成分,改善了酸乳的風味[27-28]。在同一溫度下加入TG酶也可使酸乳的感官評分增大,且酸乳的口感和組織狀態分數升高幅度較大,在TG酶濃度為10 U時酸乳擁有細膩綿綢的最佳口感。牛乳中的酪蛋白和乳清蛋白作為TG酶的良好底物,可以在酶的作用下在乳蛋白的分子內或分子間形成ε-(γ-谷氨酰基)賴氨酸異肽鍵,從而增強了酸乳的凝膠結構,使酸乳擁有更佳的品質。

表2 70 ℃熱處理和TG酶共同作用酸乳的感官評價結果Table 2 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 70 ℃ heat treatment and TGase addition

表3 80 ℃熱處理和TG酶共同作用酸乳的感官評價結果Table 3 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 80 ℃ heat treatment and TGase addtion

表4 90 ℃熱處理和TG酶共同作用酸乳的感官評價結果Table 4 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 90 ℃ heat treatment and TGase addtion

表5 95 ℃熱處理和TG酶共同作用酸乳的感官評價結果Table 5 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 95 ℃ heat treatment and TGase addtion

3 結論

應用熱處理和TG酶共同作用可以改善凝固型酸乳的品質特性。復合改性不僅可以提高酸乳的持水率,減少乳清析出現象,同時對減緩酸乳的后酸化速率具有積極作用,獲得較高的感官評分,口感更佳。熱處理和TG酶共同作用有望為凝固型酸乳發展提供新的思路參考。