酶在乳制品生产中的作用机理及应用研究进展

黄梦瑶，范小雪，王存芳*

（齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院，山东 济南 250353）

随着生活水平的不断提高，人们对乳制品的需求越来越大，乳制品已经成为日常生活的必需品。酶是由生物活细胞产生、具有高效、专一催化功能的生物大分子，其优点主要体现在安全性、催化特异性、催化反应的温和性等方面，这些优点使得酶制剂可以改进食品加工工艺、提高食品质量、降低加工成本、增加产品附加值和市场竞争力[1]。因此，在乳制品加工保鲜和检测方面，使用酶制剂替代化学试剂得到广泛应用。

1 乳糖酶的作用机理及应用

乳糖是雌性动物乳汁中特有的双糖，由乳腺中的乳糖合成酶生成。乳糖必须经过乳糖酶分解成葡萄糖和半乳糖才能被人体消化吸收。乳糖酶全称β-D-半乳糖苷半乳糖水解酶，不仅能催化水解乳糖中的半乳糖苷键，将其水解为葡萄糖和半乳糖，还可以转移半乳糖苷，生成功能性低聚半乳糖[2]。乳糖酶在动物、植物和微生物中均有广泛分布。

1.1 乳糖酶在低乳糖乳制品中的应用

人体肠道内缺乏乳糖酶会引起乳糖消化吸收障碍，即乳糖不耐受，乳糖不耐受患者在食用乳制品后会出现腹痛、腹泻和胀气等消化不良症状。乳糖酶的水解作用可以降低乳制品中的乳糖含量，将乳制品中绝大部分乳糖水解成容易被人体吸收的葡萄糖和半乳糖。通过乳糖酶治疗乳糖不耐受是最理想的治疗方法。在生产低乳糖乳制品时，一般使用固定化乳糖酶，这是由于降低乳制品的乳糖含量一般采用不连续间歇过程，但这一过程容易导致乳糖酶活性丧失[3]。利用中性乳糖酶可以开发低乳糖或无乳糖乳制品，使乳糖不耐受人群可以放心食用乳制品，利用酸性乳糖酶生产医用乳糖酶制剂用于婴幼儿临床治疗的研究也在不断完善[4]。

1.2 乳糖酶在发酵乳制品中的应用

在发酵乳生产中，使用乳糖酶水解乳糖生成单糖，再在乳酸菌作用下生成乳酸。当乳酸聚集到一定量时，乳液就会发生凝固现象。乳糖酶水解乳糖生成的产物葡萄糖和半乳糖的发酵潜力大于乳糖，因此在发酵生产过程中使用乳糖酶可以加快反应速率，提高发酵效率。将乳糖酶应用于褐色发酵乳制品的制备，在制备过程的褐变处理后、发酵前加入乳糖酶，可以缩短发酵时间[5]。乳糖水解还可以提高酸乳黏度，形成独特的乳香风味，同时相对延长酸乳保质期。当水解程度较大时，发酵乳甜度也会随之增加，因此在发酵乳生产中使用乳糖酶可以减少糖的用量。在干酪加工生产中使用乳糖酶不仅可以缩短乳凝固时间，而且由于乳糖经水解等作用形成乳酸较快，使得凝乳破碎或细屑较少，提高了干酪回收率[6]。

1.3 乳糖酶在冰淇淋中的应用

冻结乳中一部分钙盐会与呈溶解状态的乳糖结合，因此当乳糖结晶时，钙盐就会作用于乳蛋白质，使蛋白质发生沉淀；而且由于乳糖水合物的生成，蛋白质发生脱水作用，破坏其胶粒稳定性；在生产冰淇淋时加入乳糖酶不仅可以避免上述问题，而且可以增加冰淇淋甜度，减少糖用量，降低冰点，提高冰淇淋在低温下的抗融化性，抑制乳糖冰晶形成，增加乳蛋白稳定性[7]。王贵芳[8]研究表明，使用水解后的脱盐乳清粉替代部分或全部牛乳固形物时，不仅可以节约成本，还能减少砂砾和返砂现象，而且不影响产品的膨胀率、融化性及风味，大大降低冰淇淋硬度。

1.4 乳糖酶在低聚半乳糖生产中的应用

以牛乳中的乳糖为原料，在乳糖酶的水解作用下生成葡萄糖和半乳糖，水解后的半乳糖苷通过乳糖酶的转半乳糖苷作用转移至乳糖分子，从而生成低聚半乳糖。低聚半乳糖不仅具有糖类的共有属性和良好的口感，是一种新型功能性食品添加剂，而且具有降血压、增强肝功能、防止便秘或腹泻等功能，在开发高血脂、糖尿病、肥胖病人无热量食品的研究中应用较多[9]。低聚半乳糖是一种益生元，具有较强的耐酸性和耐热性，可以被肠道内的双歧杆菌和乳酸杆菌利用，改善肠道菌群，增强免疫系统[10]。

2 谷氨酰胺转移酶的作用机理及应用

20世纪50年代，从豚鼠肝脏中分离得到一类可以催化酰基发生转移的酶，命名为谷氨酰胺转移酶，它可以催化不同化合物的ε-胺类基团（酰胺残基受体）与谷氨酰胺残基中γ-甲酰胺基团（供体）之间异肽键的形成，并诱导蛋白质间发生交联反应[11]。这种催化作用会改变蛋白质的溶解性、乳化性、发泡性和凝胶性等功能性质，对牛乳中蛋白质聚合发挥了重要作用[12]。谷氨酰胺转移酶主要来源于动物肝脏和微生物。动物源性谷氨酰胺转移酶的活性依赖于Ca2+，而微生物来源谷氨酰胺转移酶不需要Ca2+激活，可以直接通过微生物发酵获得，并且对温度和pH值有较高稳定性，生产成本较低[13]。

2.1 谷氨酰胺转移酶在酸乳中的应用

酸乳的凝胶体系在搅拌、贮藏和运输过程中容易遭到破坏，导致酸乳组织状态发生变化，乳清析出、黏度降低等，降低酸乳品质。在酸乳生产过程中，酪蛋白在酸或凝乳酶作用下通过一些较弱的非共价键形成凝胶，结构稳定性较差[14]。若在酸乳生产过程中加入谷氨酰胺转移酶，就会使乳蛋白分子内或分子间形成共价键，从而使凝胶体系更加稳定，网络结构得到改善，凝胶强度也得到相应提高，黏度增大，并且可以防止乳清析出，改善酸乳品质[15]。在低脂酸乳生产中，可以先将牛乳经谷氨酰胺转移酶处理制成脱脂乳粉，这种脱脂乳粉形成的凝胶强度较大，持水性较好，生产的低脂酸乳稳定性较好，乳清析出较少，质地与采用正常牛乳生产的酸乳类似[16]。

2.2 谷氨酰胺转移酶在干酪中的应用

谷氨酰胺转移酶可以结合谷氨酸和赖氨酸残基，形成较小的蛋白颗粒胶束和致密的网络结构，将水分子牢牢锁住，从而提高干酪出品率，而且可以使干酪有更高的凝胶强度、坚实度和内聚性，改善干酪的质构特性[17]。将谷氨酰胺转移酶用于干酪加工中，还可以使乳清蛋白和酪蛋白、乳清蛋白交联在一起，减少蛋白质流失，提高干酪质量和得率，增加经济效益[18]。张新伟等[19]对谷氨酰胺转移酶提高奶油干酪得率进行研究，结果表明：添加0.004～0.400 g/100 mL谷氨酰胺转移酶干酪的水分、脂肪含量等指标符合干酪生产的国家标椎，产率有一定程度提高，生产时间短，感官评分提高；不同的添加方式（发酵剂和谷氨酰胺转移酶同时加入、先加入发酵剂再加入谷氨酰胺转移酶、先加入谷氨酰胺转移酶再加入发酵剂）会导致奶油干酪的硬度和黏度不同，同时加入5 g/100 mL发酵剂（R-704）和0.04 g/100 mL谷氨酰胺转移酶后，再加入凝乳酶，所得产品的水分含量、脂肪含量和pH值符合标椎，生产时间相对较短，产率和感官评分也相对较高。

2.3 谷氨酰胺转移酶在乳粉中的应用

乳粉在加工、贮藏和销售过程中容易受到热的影响发生结块现象，使乳粉中的蛋白质发生变性，降低乳粉功能特性[20]。乳粉结块主要由乳粉的玻璃化转变温度决定；在加工和贮藏过程中，乳粉局部受热会使其中的某些成分呈现熔融玻璃态[15]。酪蛋白是乳粉中的主要成分，其经谷氨酰胺转移酶催化后，分子之间形成共价键，增大了蛋白质分子键能，形成致密的网络结构，从而提高了玻璃化转变温度[20]。因此，在乳粉干制前用谷氨酰胺转移酶处理牛乳会防止乳粉生产过程中的结块硬化现象。另外，利用谷氨酰胺转移酶处理的脱脂乳粉作为蛋白强化剂生产脱脂乳酪，可以显著提高其凝胶硬度和保水能力[21]。

3 凝乳酶特性及其在乳制品中的应用

凝乳酶通常是指能诱导牛乳形成凝乳的功能性酶制剂，主要有动物性凝乳酶、植物性凝乳酶、微生物凝乳酶、基因工程凝乳酶和蛋白质凝乳酶5 种（表1）。

表1 5 种凝乳酶简介Table 1 Sources and performance of 5 rennets

3.1 凝乳酶在发酵乳中的应用

普通发酵乳在加工贮藏过程中是由微弱的非共价键维持的凝胶体系，发酵乳中酪蛋白胶束的网状结构容易被破坏，导致其水合作用降低，因此形成的结构十分不稳定，贮藏期间易坍塌变形，外观发生变化，而且使得发酵乳口感和风味变差；将凝乳酶用于发酵乳生产中可以破坏原料乳中的酪蛋白胶束，然后在钙离子存在条件下使酪蛋白胶粒之间形成化学键，从而使原料乳凝固[25]。凝乳酶的使用可以改善发酵乳的功能特性、组织状态、凝胶强度等，还可以提高发酵乳的物理稳定性，对凝固型发酵乳的贮藏和运输十分有利[26]。薛梅等[26]对添加凝乳酶和氯化钙的发酵乳特性进行研究，发现添加凝乳酶的发酵乳多肽分子质量小于同一贮藏时间的空白组发酵乳，说明添加凝乳酶发酵乳的蛋白质水解能力较强，而且其网状结构更加连续、致密、均匀、坚固，表明加入凝乳酶的发酵乳贮藏期间品质更好，物理稳定性较高。

3.2 凝乳酶在干酪中的应用

干酪是通过凝乳、分离乳清等加工工艺将乳、脱脂乳、奶油或酪乳、部分脱脂乳或以这些原料的混合物制得的新鲜或发酵成熟乳制品。凝乳酶是干酪生产加工中必不可少的关键酶，对凝乳过程及干酪组织结构均具有非常重要的作用，能够提高干酪风味和营养价值。孙洁等[27]筛选3 株凝乳酶高产乳酸菌用于新鲜干酪的制作，结果表明，以植物乳杆菌RC5作为发酵剂，在接种量5%、38 ℃发酵14.5 h、4 ℃后熟60 min工艺条件下进行发酵，干酪凝乳效果好、色泽均匀、奶香浓郁、口感细腻，为乳酸菌产凝乳酶替代凝乳酶粉的研究和应用提供了参考。马江等[28]对3 种不同凝乳酶制备干酪素的理化性质与功能进行研究，结果表明，木瓜蛋白酶干酪素亮度值（L*）较低，红度值（a*）和黄度值（b*）较高，米黑毛霉凝乳酶干酪素a*和b*较低，L*较高，色泽品质较好，3 种凝乳酶干酪素的营养成分含量与功能性质没有显著差异。

4 乳过氧化物酶在乳制品中的应用

乳过氧化物酶是乳中天然存在的一种酶类，是首个被发现的分泌型过氧化物酶，乳过氧化物酶是乳中含量最丰富的酶之一；乳过氧化物酶、过氧化氢及硫氰酸盐组成乳过氧化物酶体系，该体系是一种天然的抗菌活性体系，单独的乳过氧化物酶没有抗菌效果，只有当三者同时存在时才可以产生作用，该体系的抗菌机理主要是以乳过氧化物酶为催化剂，催化过氧化氢氧化硫氰酸根离子生成次硫氰酸根离子，次硫氰酸根离子是具有抗菌活性的物质[29]。

基于乳过氧化物酶体系的抗菌活性，将其主要应用于乳制品保鲜。乳过氧化物酶体系可以抑制致病菌和腐败菌生长，在乳制品中使用可以达到保鲜效果好、保鲜时间长、不影响乳制品质量和对人体无害的效果[30]。另外，乳过氧化物酶体系还可以抑制发酵菌株的活性，延长凝乳时间、降低乳酸产量，在酸乳贮藏、运输和销售过程中延缓酸乳酸度的增加，保持酸乳风味，延长酸乳保质期[31]。

乳过氧化物酶具有较高的热稳定性，其残留活力可以用于检测乳制品的巴氏杀菌效果。牛乳经78 ℃热处理15 s就可以使乳过氧化物酶完全失活[32]。在牛乳正常巴氏杀菌（63 ℃、30 min或72 ℃、15 s）过程中乳过氧化物酶可以保持其活性，但是80 ℃热处理2.5 s其活性就会被破坏[33]。72 ℃热处理15 s条件下可以提高乳过氧化物酶活性，有助于延长巴氏杀菌乳低温贮藏条件下的保质期[34]。Kussendrager等[35]研究表明，乳过氧化物酶在酸性条件下（pH 5.3）热稳定性较差，可能是由于分子中的钙离子被释放出来，钙离子含量对其热稳定性影响较大。

5 酶联免疫分析法在乳制品中的应用

酶制剂检测法是测定采用一般化学方法难以检测的食品成分含量或测定食品中某些特殊酶的活性或含量，如测定食品中残留有机农药的含量、微生物污染或了解食品的制备、保存情况等[36]。20世纪70年代，荷兰和瑞典学者提出酶联免疫分析法，用于检测食品安全性，该方法检测流程简单，定量检测效果较为理想[37]。酶联免疫分析法作为一种标记免疫学技术，其操作方法相对简单，因此在食品安全及食品卫生检测中得到广泛运用[38]。酶联免疫分析法在乳制品检测中具有很大优势，应用前景广阔。酶联免疫分析法在乳制品中的部分应用如表2所示。

表2 酶联免疫分析法在乳制品中的部分应用Table 2 Selected applications of enzyme-linked immunoassay to dairy products

6 结 语

酶技术出现后，酶制剂在乳品行业得到快速发展与应用，在乳制品加工、保鲜和检测等领域得以有效利用，继而加快乳品行业的发展。在乳制品生产过程中可直接应用各种酶制剂，既能提升乳制品的安全性，还可以延长其保质期，在乳制品检测方面可以达到更加高效、便捷的效果。同时，随着酶技术的持续革新优化，酶制剂的使用可显著降低乳制品生产成本，将产品安全及质量提升至新高度。在生物技术日渐成熟的背景下，酶制剂在乳制品加工保鲜与检测中的应用有助于促进我国乳品行业的健康发展，确保乳品加工生产的安全性。