范海茹,李淑英,許斌,高雅鑫,張蒙冉,王鳳忠
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100193)
鮮味在我國飲食文化中占有重要地位[1]。鮮味肽是從食物中提取,或經(jīng)氨基酸合成得到的小分子肽,可增強(qiáng)食物的鮮味和醇厚味,弱化苦味強(qiáng)度[2]。國內(nèi)外鮮味調(diào)味品迭代升級,營養(yǎng)型調(diào)味品受到青睞,該類調(diào)味品含動植物蛋白水解物等,增強(qiáng)食品風(fēng)味的同時補(bǔ)充人體所需的氨基酸等營養(yǎng)成分[3]。充分挖掘利用我國的植物蛋白資源,開展鮮味肽研究已成熱點(diǎn)。
豆粕是大豆提油后得到的副產(chǎn)物,含有大豆中的全部蛋白,氨基酸組成比例較好[4]。高溫豆粕經(jīng)高溫脫溶制得,產(chǎn)量占豆粕總產(chǎn)量的95%[5],目前主要應(yīng)用于飼料行業(yè)[6],在食品領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用較少[7]。
酶解在食品工業(yè)中主要用來對蛋白質(zhì)進(jìn)行物性修飾,豆粕經(jīng)酶解可制備小肽和氨基酸[8],有效提高蛋白質(zhì)的吸收利用率和營養(yǎng)價值[9-11],但通常酶解產(chǎn)物苦味較高,限制了產(chǎn)品應(yīng)用[12]。單一蛋白酶酶解產(chǎn)生的小肽含量較低,苦味大,不適宜產(chǎn)品開發(fā)。目前較為普遍的是連續(xù)酶解技術(shù),可提高蛋白質(zhì)的水解效率,有效緩解酶解產(chǎn)物單一風(fēng)味的問題[13]。有研究表明,苦味形成與多肽C-末端的疏水性氨基酸和N-末端的堿性氨基酸有關(guān),若將此類氨基酸切除,苦味值會明顯降低[14]。因此,可以先用作用位點(diǎn)是疏水性氨基酸和堿性氨基酸的內(nèi)切酶水解,再用外切酶切除這兩類氨基酸,達(dá)到脫苦效果。
前期研究已確定了適合高溫豆粕水解的內(nèi)、外切酶和酶解工藝。本文在前期研究基礎(chǔ)上,擬結(jié)合感官風(fēng)味和理化指標(biāo),確定最適連續(xù)酶解組合工藝,探究豆粕水解肽的呈味機(jī)制,以期實(shí)現(xiàn)高溫豆粕的高值化利用。
高溫豆粕:市售;堿性蛋白酶(200000 U/g)、中性蛋白酶(50000 U/g)、木瓜蛋白酶(100000 U/g):北京索萊寶科技有限公司;風(fēng)味蛋白酶(≥500 U/g):Sigma公司;甲醛、NaOH、HCl(分析純):國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
Mettler Toledo FiveEasy Plus型pH計(jì) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;FA2004型電子天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;FW 100型高速萬能粉碎機(jī) 天津市泰斯特儀器有限公司;UDK 159型全自動凱氏定氮儀 意大利VELP公司;RH-QA型恒溫?fù)u床 常州中誠儀器制造有限公司;3K15型醫(yī)用離心機(jī) Sigma公司;G136T型滅菌鍋 Autoclave公司;L-8900型全自動氨基酸分析儀 日本日立公司;AstreeⅡ/LS16型電子舌 法國Alpha MOS公司。
1.2.1 樣品制備
用粉碎機(jī)粉碎高溫豆粕,過80目篩,備用。
1.2.2 連續(xù)酶解高溫豆粕蛋白工藝
本批次所用高溫豆粕原料的蛋白質(zhì)含量為40.41%。前期研究確定的最適內(nèi)切酶有堿性蛋白酶、中性蛋白酶和木瓜蛋白酶,外切酶是風(fēng)味蛋白酶;最佳酶解工藝見表1。參考劉媛等[15]的內(nèi)切酶和外切酶分步酶解的方式酶解豆粕。根據(jù)內(nèi)切酶種類,設(shè)計(jì)7種方案制備酶解產(chǎn)物,旨在改善水解液風(fēng)味的同時,制備營養(yǎng)價值高、富含小肽的肽粉。(1)木瓜蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶(簡寫為Pap);(2)中性蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶(簡寫為Neu);(3)堿性蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶(簡寫為Alc);(4)堿性蛋白酶+中性蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶(簡寫為Alc-n);(5)堿性蛋白酶+木瓜蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶(簡寫為Alc-p);(6)中性蛋白酶+木瓜蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶(簡寫為Neu-p);(7)堿性蛋白酶+中性蛋白酶+木瓜蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶(簡寫為Alc-n-p)。
表1 蛋白酶酶解條件Table 1 The enzymatic conditions for different proteases
1.2.3 水解度(degree of hydrolysis,DH)的測定
參考葉健明等[16]的方法,采用pH-Stat法,計(jì)算水解度,其中每克蛋白質(zhì)底物(豆粕)中具有的肽鍵毫摩爾數(shù)為8.38。
1.2.4 可溶性氮、氨基氮含量和肽氮含量的檢測
可溶性氮含量:酶解上清液與底物中含氮量的比值,上清液和底物中的含氮量均用GB 5009.5-2016方法測定。
氨基氮含量:酶解上清液中游離氨基酸所含氮量與底物中總氮量的比值,游離氨基酸含氮量采用甲醛滴定法測定[17]。
肽氮含量:酶解上清液中可溶性氮含量與氨基氮含量之間的差值。
1.2.5 電子舌分析
參考王銀誠等[18]的方法,略作修改。將不同酶解組合的酶解產(chǎn)物置于電子舌專用燒杯中,每杯樣品量為100 mL。每個樣品重復(fù)測定7次,選取后4次穩(wěn)定后的數(shù)值計(jì)算平均值作為統(tǒng)計(jì)分析的原始數(shù)據(jù)。
1.2.6 滋味稀釋分析(taste dilution analysis,TD)
參考Liu等和Seo等的方法[19-20],采用比較滋味稀釋分析,通過等比例稀釋豆粕酶解產(chǎn)物進(jìn)行滋味稀釋因子測定。
1.2.7 氨基酸含量的測定
豆粕中總氨基酸含量的測定:稱取適量樣品于水解管中,加入10 mL 6 mol/L HCl,充氮?dú)? min以排出管內(nèi)空氣,擰緊蓋子后放入110 ℃烘箱內(nèi)水解24 h,取出后冷卻至室溫,混勻過濾。定容到50 mL容量瓶內(nèi),定容混勻后取1 mL進(jìn)行氮吹,直至吹干。用0.02 mol/L HCl復(fù)溶5 mL混勻后過0.2 μm濾膜,進(jìn)液相小瓶約1 mL待用。
豆粕游離氨基酸含量的測定:樣品0.1 mL用5 mL超純水稀釋并超聲10 min,5000 r/min 離心15 min,取1 mL上清液加入1 mL 8%磺基水楊酸,在10000 r/min條件下離心15 min,取1 mL上清液氮吹至干,加入1 mL 0.02 mol/L HCl復(fù)溶,過0.22 μm濾膜,于4 ℃保存待測。
每次實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次,取平均值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示,用GraphPad軟件作圖,用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行方差分析。
本文選用前期研究確定的最適內(nèi)切酶(堿性蛋白酶、中性蛋白酶和木瓜蛋白酶)和外切酶(風(fēng)味蛋白酶),采用連續(xù)酶解組合的方式,設(shè)計(jì)7種方案,研究其對高溫豆粕蛋白的利用率。通過對比7種酶解產(chǎn)物的水解度和可溶性氮含量,可初步判斷產(chǎn)物的水解程度。水解度表示水解過程中蛋白質(zhì)肽鍵的裂解程度;酶解產(chǎn)物的可溶性氮可綜合反映不同酶解方案下豆粕蛋白的利用率,是氨基氮和肽氮含量之和。7種高溫豆粕酶解產(chǎn)物的水解度和可溶性氮含量見圖1。
圖1 豆粕蛋白酶解產(chǎn)物的水解度和可溶性氮含量Fig.1 The degree of hydrolysis and soluble nitrogen content of soybean meal protease hydrolysate
由圖1可知,水解度不一定會因內(nèi)切酶數(shù)量的增多而提高。不同酶解產(chǎn)物的水解度由高到低依次是Alc-p、Alc-n-p、Neu-p、Alc-n、Neu、Pap、Alc,其中Alc-p、Alc-n-p、Neu-p、Alc-n、Neu的酶解產(chǎn)物水解度無顯著性差異,分別為53.85%、47.55%、46.70%、41.36%和35.31%。在所有方案中,可溶性氮的含量從高到低的組合方案依次為Alc-n-p、Alc-n、Alc-p、Alc、Neu、Pap、Neu-p。水解產(chǎn)物的可溶性氮含量均高于80%,說明7種酶解方案均有廣泛的作用位點(diǎn),都能夠有效地降解豆粕蛋白中疏水性物質(zhì),滿足了生產(chǎn)需求,確保了高溫豆粕蛋白可以得到充分利用。
7種方案的酶解組合都可以將高溫豆粕蛋白較高效地酶解,在確保豆粕蛋白利用率高的同時,還要考慮所得多肽的純度。肽氮含量和肽粉純度息息相關(guān),肽粉純度與產(chǎn)品質(zhì)量直接相關(guān),決定產(chǎn)品價值,測定結(jié)果見圖2。
圖2 豆粕蛋白酶解產(chǎn)物中肽氮含量Fig.2 The peptide nitrogen content of soybean meal protease hydrolysate
所有酶解方案中,肽氮含量均在50%以上,其中Alc-p、Alc-n-p和Pap的肽氮含量高于60%,分別為66.44%、60.56%、60.31%,剩余由高到低依次是Alc-n、Alc-n-p、Neu、Alc和Neu-p酶解產(chǎn)物,說明內(nèi)外切蛋白酶連續(xù)水解技術(shù)可以有效地將豆粕蛋白轉(zhuǎn)化為多肽,有利于小肽的富集。
本文采用電子舌技術(shù)探究了不同酶解產(chǎn)物的風(fēng)味變化,并選擇雞精、味精、菌菇精、復(fù)合氨基酸和呈味核苷酸二鈉(I+G)作為鮮味標(biāo)品,探究酶解產(chǎn)物的呈味特性。PCA分析圖見圖3。
圖3 豆粕蛋白酶解產(chǎn)物的電子舌PCA分析圖Fig.3 Electronic tongue PCA analysis of soybean meal protease hydrolysate
由圖3可知,2個主成分共反映原來信息的95.30%,表明PCA降維后的數(shù)據(jù)能夠很好地反映原始數(shù)據(jù)信息。電子舌PCA圖上樣品之間的距離遠(yuǎn)近與它們之間的差異性存在一定的相關(guān)性,距離越近,差異越小[21]。不同酶解產(chǎn)物均落到第二和第三象限,并呈現(xiàn)一定的變化趨勢,即“Alc→Neu→Pap”。第二象限從上到下依次為Alc-n-p、Alc-n、Alc-p和Alc,4種酶解產(chǎn)物的共性酶分別為堿性蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶,除此之外,Alc-n-p還有中性蛋白酶和木瓜蛋白酶,Alc-n有中性蛋白酶,Alc-p有木瓜蛋白酶,Alc-n和Alc-p在位置上極為相近。第三象限從上到下依次為Neu-p、Neu和Pap,Neu-p和Neu酶解產(chǎn)物的共性酶分別為中性蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶,此外Neu-p較Neu多使用一種木瓜蛋白酶,Pap是木瓜蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶的酶解產(chǎn)物。由以上結(jié)果可以看出,電子舌可以有效區(qū)分不同蛋白酶的酶解產(chǎn)物,對酶解風(fēng)味影響較為顯著的蛋白酶組合依次為:堿性蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶>中性蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶>木瓜蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶。而且可以看出復(fù)合連續(xù)酶解使用的酶種類越多,水解產(chǎn)物的呈味特性越豐富,這可能與產(chǎn)生的末端氨基酸種類多少有關(guān)。
本文選擇的鮮味標(biāo)品中雞精、菌菇精和復(fù)合氨基酸落到了PCA圖的第一象限,而味精和“I+G”落到第三和四象限之間且與Neu-p的酶解產(chǎn)物較為相近。味精是我國家常調(diào)味料,主要成分為谷氨酸鈉;“I+G”由5'-肌苷酸二鈉(IMP)和5'-鳥苷酸二鈉(GMP)按1∶1的比例混合而成,是新一代的核苷酸類食品增鮮劑,是經(jīng)濟(jì)而且效果較好的鮮味增強(qiáng)劑,可直接加入食品中,起增鮮作用,是方便面調(diào)味包和其他調(diào)味品的主要呈味成分之一,與味精合用具有協(xié)同增鮮的作用,因此也被稱為“強(qiáng)力味精”。本文研究結(jié)果表明“Alc-n-p、Alc-n、Alc-p和Alc”共處于第二象限,在風(fēng)味上應(yīng)該更相近且可能有一定的共性特征;而“Neu-p、Neu和Pap”共處于第三象限,Neu-p的酶解產(chǎn)物在呈味特性上與味精和“I+G”極為相似。
電子舌由5根味覺傳感器組成,從第一象限到第四象限分別為“UMS(鮮)、SWS(甜)、STS(咸)、SRS(酸)、GPS(復(fù)合味1)、SPS(復(fù)合味2)和BRS(苦)”。參考圖3中B的PCA載荷圖與圖3中A疊加可知,鮮味劑復(fù)合氨基酸在風(fēng)味上可能偏鮮和甜一些,雞精偏咸一些,“Alc-n-p、Alc-n、Alc-p和Alc”的酶解產(chǎn)物可能更酸一些,“Neu-p、Neu和Pap” 的酶解產(chǎn)物可能比較復(fù)合,風(fēng)味上應(yīng)該更豐富一些。綜合電子舌分析結(jié)果,Neu-p的酶解產(chǎn)物在風(fēng)味和呈味特性上應(yīng)該更好一些,有望深入開發(fā)成鮮味肽。
為進(jìn)一步探究影響酶解產(chǎn)物呈味的因素,本文對水解液的呈味特性進(jìn)行了初步判斷,并對產(chǎn)物中多肽的氨基酸組成進(jìn)行了測定。TD值即滋味值,可以初步判斷產(chǎn)物的呈味特性,值越高,呈味特性越明顯。酶解產(chǎn)物呈味的影響因素有很多[22],一些研究者研究發(fā)現(xiàn),鮮味肽中一般會含有谷氨酸或天冬氨酸等親水性氨基酸殘基[23-24]。鮮味肽的呈鮮特性不僅與鮮味氨基酸組成有關(guān),除此之外,還與其一級結(jié)構(gòu)和氨基酸序列相關(guān),當(dāng)鮮味肽的氨基酸組成相同時,其呈味特性會因氨基酸在肽鏈上的位置不同而發(fā)生改變[25]。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本文的7種酶解產(chǎn)物就滋味強(qiáng)弱而言共分為3組:Alc-p(TD=16),Pap、Neu、Neu-p和Alc-n-p(TD=8),以及Alc和Alc-n(TD=2)。就氨基酸組成分析而言,谷氨酸和天冬氨酸呈鮮味。7種酶解方案中,多肽的鮮味氨基酸所占比例由高到低是Alc-n、Neu、Pap、Alc、Neu-p、Alc-n-p和Alc-p,占比依次為38.69%、38.59%、38.54%、38.10%、37.32%、36.75%和33.55%,其中Alc-n、Neu、Pap、Alc和Neu-p的鮮味氨基酸占比相互間無顯著差異,Alc-p酶解產(chǎn)物與其他產(chǎn)物有顯著性差異,與Alc-n產(chǎn)物呈極顯著差異。Alc-p的鮮味氨基酸占比最低,且滋味強(qiáng)度最強(qiáng),致使其與鮮味標(biāo)品的差異性較大,這可能與參與酶解的蛋白酶種類有關(guān)。Alc和Alc-n酶解產(chǎn)物中多肽的鮮味氨基酸所占比例較高,滋味強(qiáng)度最弱,說明外切酶有效地將肽段末端影響呈味的疏水性氨基酸切除,但是電子舌PCA分析中與鮮味標(biāo)品的差異性較大,可能是因?yàn)轷r味肽在結(jié)構(gòu)和氨基酸序列上的不同導(dǎo)致的。酶解產(chǎn)物就呈味特性而言大致可分為兩大組:“Alc-n-p、Alc-n、Alc-p和Alc”組的酶解產(chǎn)物風(fēng)味上可能偏酸一些,“Neu-p、Neu和Pap”組的酶解產(chǎn)物風(fēng)味上可能比較綜合,更豐富一些。特別是Neu-p,在呈味特性上更像“味精和I+G”。眾所周知,味精的主要成分是谷氨酸鈉,而“I+G”自身風(fēng)味相對較弱,但是與味精一起,添加量只要味精的2%~5%就具有協(xié)同增鮮的作用。
綜合上述結(jié)果表明,Alc-p酶解產(chǎn)物的TD值最大,即滋味最強(qiáng),但是呈味偏酸,可能不太適合做風(fēng)味肽;Neu-p酶解產(chǎn)物的TD值次之,即滋味較強(qiáng),呈味特性與“味精和I+G”更像,極具開發(fā)鮮味肽的潛力。
圖4 豆粕蛋白酶解產(chǎn)物中多肽的鮮味氨基酸占比和TD值Fig.4 The proportion of umami amino acids and TD values of peptides in soybean meal protease hydrolysate
本研究旨在改善酶解產(chǎn)物的風(fēng)味,制備大量的營養(yǎng)價值高、富含小肽的肽粉,嘗試連續(xù)酶解的方式,探討內(nèi)切酶和外切酶連續(xù)酶解對豆粕酶解產(chǎn)物的影響,綜合分析7種蛋白酶組合的酶解產(chǎn)物的水解度、可溶性氮、肽氮和氨基氮含量說明7種酶解組合均能有效水解高溫豆粕蛋白,制備純度較高的低聚肽;通過對TD值、電子舌和氨基酸組成進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)不同酶解組合制備的水解產(chǎn)物風(fēng)味差異較大,“中性蛋白酶+木瓜蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶”連續(xù)酶解組合,即Neu-p組,制備的酶解產(chǎn)物滋味較強(qiáng),呈味特性與“味精和I+G”更像,極具開發(fā)鮮味肽的潛力。
通過內(nèi)切酶對豆粕蛋白進(jìn)行水解,酶解產(chǎn)物的水解度不斷增大,相對分子質(zhì)量逐漸降低,疏水性末端暴露,游離氨基酸和肽含量逐漸升高。耿瑞蝶等表示食品的苦味通常與蛋白質(zhì)酶解所形成的能夠呈現(xiàn)苦味的短肽相關(guān)[26]。劉伯業(yè)的研究表明,內(nèi)切酶會使酶解產(chǎn)物的水解度提高,也增加了酶解產(chǎn)物中苦味肽的含量,而且在苦味感官上起到了主導(dǎo)作用,可能是由于蛋白酶的內(nèi)切位點(diǎn)不同,而引起氨基酸序列不同。本研究根據(jù)酶解產(chǎn)物呈現(xiàn)苦味的問題采用連續(xù)酶解的方式,將內(nèi)切酶酶解產(chǎn)物再次用外切酶酶解,改善了酶解產(chǎn)物的風(fēng)味,也使高溫豆粕蛋白得到了充分利用。黃金梅等研究證實(shí)采用多種酶進(jìn)行分步水解,可以實(shí)現(xiàn)豆粕蛋白的深度水解,提高了豆粕蛋白的利用率[27]。不同蛋白酶的作用位點(diǎn)不同,中性蛋白酶水解Tyr、Phe等疏水性氨基酸殘基的羧基端肽鍵,有利于風(fēng)味蛋白酶發(fā)揮外切作用,改善產(chǎn)物的口感,這也是電子舌PCA分析中中性蛋白酶參與組合的酶解產(chǎn)物與鮮味標(biāo)品差異性更小的原因。木瓜蛋白酶主要作用于Lys、Arg等堿性氨基酸殘基的羧基端肽鍵,疏水性氨基酸常處在肽鏈中間,所以木瓜蛋白酶酶解產(chǎn)物與鮮味標(biāo)品“味精和I+G”的差異性較中性蛋白酶酶解產(chǎn)物更大。堿性蛋白酶的水解位點(diǎn)是芳香族氨基酸殘基或疏水性氨基酸殘基的羧基端肽鍵,酶解后會使多肽C-末端的疏水性氨基酸增多,也極大增強(qiáng)了不良風(fēng)味的強(qiáng)度,但是在外切酶的作用下,堿性蛋白酶的這一特點(diǎn)更有利于外切酶的發(fā)揮作用,又由于堿性蛋白酶有比中性蛋白酶和木瓜蛋白酶更多的內(nèi)切位點(diǎn),所以相對于Neu和Pap的酶解產(chǎn)物,多肽中的疏水性氨基酸比例會更低,致使Alc的酶解產(chǎn)物比Pap和Neu的TD值低。經(jīng)過氨基酸含量測定后發(fā)現(xiàn),在內(nèi)切酶和外切酶連續(xù)酶解的過程中,酶解所得呈味肽中,谷氨酸和天冬氨酸占比較大時,可能會強(qiáng)化鮮味。也有研究者研究表明,除氨基酸種類外,鮮味肽的呈鮮特性還與氨基酸序列相關(guān),氨基酸組成相同的鮮味肽,會因氨基酸在肽鏈上的位置不同,而發(fā)生呈味特性的變化。Tamura M等研究表明,鮮味肽結(jié)構(gòu)中酸性基團(tuán)和堿性基團(tuán)所處位置會對鮮味產(chǎn)生影響,只有在C端是帶負(fù)電的酸性基團(tuán),N端是帶正電的堿性基團(tuán)時,呈味二肽才表現(xiàn)出呈味特性,反之,則此肽不具備該特性[28]。但是酶解液的呈味效果不僅只單一的某種滋味,而是各種滋味的綜合效果,為生產(chǎn)較好的鮮味調(diào)味品還應(yīng)考慮不同呈味肽的相互作用。
本研究以高溫豆粕為原料,嘗試先用內(nèi)切酶水解,再用外切酶切除多肽疏水性末端的方式,設(shè)計(jì)了7種蛋白酶組合對其進(jìn)行酶解。研究發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)酶解的方式可以有效提高水解度和可溶性氮含量,達(dá)到充分利用豆粕蛋白資源的目的。7種酶解產(chǎn)物的可溶性氮含量均高于80%,肽氮含量均高于50%;電子舌感官分析中,Neu-p酶解產(chǎn)物的差異性與鮮味標(biāo)品味精和I+G的差異性最小,在呈味特性上與二者極為相似;酶解產(chǎn)物就滋味強(qiáng)弱而言共分為3組:Alc-p(TD=16),Pap、Neu、Neu-p和Alc-n-p(TD=8),以及Alc和Alc-n(TD=2);并發(fā)現(xiàn)酶解產(chǎn)物在感官上帶來的差異,與水解度和多肽中鮮味氨基酸占比等有較大關(guān)系。綜合以上結(jié)果,本研究的7種蛋白酶組合中,中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶組合酶解產(chǎn)物在風(fēng)味和呈味特性上應(yīng)該更好一些,有望深入開發(fā)成鮮味肽。