热处理和转谷氨酰胺酶对凝固型酸乳品质的影响

吴 彤,姜淑娟,妥彦峰,钱 方,朱雪梅,吴晓萌,牟光庆

(大连工业大学食品学院,辽宁大连 116034)

热处理是酸乳生产加工中的重要环节,发酵前对牛乳进行热处理会使乳清蛋白和酪蛋白变性,改变其固有的蛋白形态和稳定性。热处理过程中产生的诸多香味物质还可以提高酸乳的感官特性。Li等[1]研究不同加热温度下由鲜牛乳及复原乳制成的酸乳的质地和挥发物,结果表明不同的加热过程会极大地影响酸乳的质地特性和风味,并形成一些变性的乳清蛋白和酪蛋白胶束复合物。Lee等[2]和Penna等[3]测定了经过超高温瞬时加热和高压加热的鲜牛乳形成的酸乳的物理和结构属性,发现热处理会增强酸乳的凝胶结构,使酸乳更粘稠并提高持水率。

转谷氨酰胺酶(Transglutaminase,TGase)是一种催化全称为蛋白质谷胺酰胺γ-谷氨酰胺基转移酶,是一种催化转酰基反应的酶[4]。TG酶可使乳蛋白中的谷氨酰胺残基与赖氨酸之间发生交联反应形成共价键,改善酸乳的持水性、质地特性和凝胶特性等[5]。一些研究人员认为酸乳的三维结构可以通过TG酶交联反应来稳定。Bönisch等[6]和Jaros等[7]在进行了TG酶诱导的乳制品蛋白质交联的研究中,认为TG酶处理的酸乳会显示表现出更高的持水能力,更均匀的结构,更高的粘度和优异的口感。

热处理或TG酶作用对改善酸乳的质量具有一定的积极影响,但单一的改性方式可能具有局限性。采用热处理与TG酶处理相结合的方法对凝固型酸乳品质的影响未见报道。为了探究热处理和TG酶共同作用对凝固型酸乳品质的影响,本研究对牛乳进行热处理,在添加发酵菌种发酵的同时加入TG酶改性,从而获得了复合改性的酸乳。重点评价凝固型酸乳的色度、持水性、硬度、pH及感官特性,以揭示热处理和TG酶对凝固型酸乳生产的综合作用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲜牛乳(蛋白质含量为3%) 大连三寰乳业有限公司;发酵菌种(保加利亚乳杆菌CICC 6047和嗜热链球菌CICC 6038,体积比为1∶1) 大连工业大学食品学院保藏菌株;转谷氨酰胺酶(酶活为100 U/g) 江苏一鸣生物制品有限公司;其他试剂 均为分析纯。

DK-S22型电热恒温水浴锅 上海精密实验设备有限公司;DNP-9082型电热恒温培养箱 上海精宏实验设备有限公司;SW-CJ-2FD超净工作台 苏州安泰空气技术有限公司;SC-80C自动色差仪 北京康光有限公司;TA-XTplus型质构仪 英国Stable Micro System公司;S210-K型SevenCompact pH计 梅特勒-托利多仪器有限公司;5804R型冷冻离心机 Eppendorf中国有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 热处理和TG酶复合改性酸乳的制作 根据文献[8-10]参数设置热处理条件(70 ℃ 15 min、80 ℃ 15 min、90 ℃ 15 min、95 ℃ 5 min),将鲜牛乳(100 mL)热处理后冷却至42 ℃,在无菌超净工作台中各接种2%(V/V)的第6代保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的发酵液(将-80 ℃冻存的2株菌分别于5%(V/V)的MRS培养基中活化1～3代,再于12%(V/V)的脱脂乳粉培养基中活化4～6代)于发酵瓶中,与此同时分别加入0、5、10 U的TG酶。将接种牛乳在42 ℃恒温培养至pH4.6时发酵结束。制备的酸乳放置于4 ℃后熟24 h,进行色度、持水性、硬度等品质特性的测定与感官评价。

1.2.2 酸乳色差的测定 根据Barkallah等[11]的方法对酸乳进行色差测定。先使用标准白板将色度计标准化。使用反射模式比较每个样品和标准白板之间的色差。通过从凝固型酸乳上表面进行三点取样(由三个点形成的三角形)来确定平均值,并记录总体颜色变化值(ΔE)。

1.2.3 酸乳持水率的测定 根据Feng等[12]的方法取酸乳样品10 g,于10 ℃ 4000 r/min离心10 min,倾去上清液,将离心管倒置10 min后称重。持水率(%)为离心后沉淀样品质量与离心前酸乳初始样品质量比。

1.2.4 酸乳硬度的测定 测定酸乳的硬度时对Delikanli等[13]的方法进行了改良,探头用P0.5圆柱形探头,温度为25 ℃,对100 mL发酵杯中的凝固型酸乳进行两次压缩测试。测试前速度3.00 mm/s,测试速度1.50 mm/s,测试后速度1.50 mm/s。两次压缩之间的时间为10.00 s,压缩距离为10.00 mm,触发力为5.0 g。

1.2.5 酸乳贮藏期pH的测定 在25 ℃下用pH计测量其pH,并进行温度补偿校准。酸乳样品经4 ℃后熟1、4、7、14、21 d相同时间点的pH。

1.2.6 酸乳感官评价 根据GB 19302-2010发酵乳的感官评价标准[14]对经过4 ℃后熟24 h的酸乳进行感官评价。邀请10位经过专业感官培训的感官评定员对酸乳的各项感官指标进行评定。具体指标评分标准参考表1。

表1 酸乳感官品质评分标准Table 1 Scoring standards for sensory quality of yoghurt

1.3 数据分析

每组实验至少进行三组平行试验,每组实验重复两次。采用软件IMB SPSS Statistics 19中Duncan检验,在置信区间95%的水平用ANOVA分析方法进行数据差异显著性分析,P<0.05时认为差异显著。用软件Origin 8.6绘图。

2 结果与分析

2.1 热处理和TG酶对酸乳色差的影响

色度值是一种重要的感官因素。图1显示了在不同热处理温度和TG酶浓度下凝固型酸乳样品的总体颜色变化值(ΔE)。由图所示,在70～90 ℃进行热处理的酸乳ΔE逐渐升高,但经90 ℃热处理15 min和95 ℃热处理5 min的酸乳在ΔE上未见明显变化。同时还可以看出加入了TG酶酸乳的色差呈现出显著降低的趋势(P<0.05)。在同一温度下加入10 U TG酶的酸乳ΔE比未添加TG酶时的分别降低了25.45%(70 ℃),14.68%(80 ℃),10.84%(90 ℃),8.11%(95 ℃)。这可能是因为TG酶作为一种酰基转移酶,可以通过促进谷氨酰胺和赖氨酸残基之间的异肽键形成分子内和分子间交联,并消耗了大量的赖氨酸和谷氨酰胺等褐变氨基酸[15]。TG酶可以降低酸乳的色度,使酸乳获得更佳的色泽。

2.2 热处理和TG酶对酸乳持水率的影响

持水率是评价酸乳品质的重要指标之一。图2显示了在不同热处理温度和TG酶浓度处理下酸乳样品的持水率变化情况。在本实验条件下,热处理温度由低到高的变化过程和酸乳持水率的变化趋势呈正相关。图2所示,当热处理温度由70 ℃上升到95 ℃时,在相同TG酶浓度(0～10 U)下进行改性的酸乳的持水率平均增加了14.15%。热处理过程中乳蛋白变性程度增大形成相对稳定的网络结构[16],王毅等[17]和赵丽丽[18]在原料乳的热稳定性及最佳热处理条件的研究指出,至少75%的乳清蛋白经热处理变性后会使蛋白肽链逐渐展开结合更多的水分,并减少脱水收缩作用的发生提高持水率。此外,在同一温度下添加TG酶也可以显著提高酸乳的持水率[19],酶处理使乳蛋白交联增强和稳定了酸乳中的三维网络结构,降低了乳清的分散或分离速率。应用TG酶和热处理作用对酸乳持水率的提高起协同作用。

图2 热处理和TG酶对酸乳持水率的影响Fig.2 Effects of heat treatment and TGase on the water holding capacity of yoghurt

2.3 热处理和TG酶对酸乳硬度的影响

由图3可知,热改性和TG酶处理对酸乳硬度均产生影响,热处理温度越高酸乳硬度越大,但经90 ℃热处理15 min的酸乳与95 ℃热处理5 min的酸乳硬度差别不大。与未经TG酶处理(0 U)的对照组相比,同一温度下TG酶处理后的酸乳硬度提升,且随着TG酶浓度的升高酸乳硬度显著(P<0.05)增加。添加10 U TG酶的酸乳的硬度是相同温度下未添加TG酶酸乳的1.31倍(70 ℃),1.22倍(80 ℃),1.25倍(90 ℃)和1.23倍(95 ℃)。李思宁等[20]的研究发现TG酶添加量为3 U/g蛋白时的酸乳硬度比未添加TG酶时升高了43%。Domagala等[21]的研究也发现TG酶添加量为2 U/g蛋白时酸乳的硬度平均升高了39.16%。在TG酶的作用下以酪蛋白为主要蛋白的乳蛋白质分子间发生交联,形成大的聚集体,并增强了酸乳凝胶的强度[22-23]。

图3 热处理和TG酶对酸乳硬度的影响Fig.3 Effects of thermal treatment and TGase on the hardness of yoghurt

2.4 热处理和TG酶对酸乳pH的影响

酸乳在储存期会发生后酸化,经不同温度和TG酶浓度处理的酸乳于4 ℃冰箱中储存,在1、4、7、14、21 d的相同时间点测定各个样品的pH,酸乳pH的变化趋势如图4所示。热处理温度为70 ℃,储存时间为1 d时未添加TG酶(0 U)酸乳样品的pH从4.58降低到4.39,并在后续的储存过程中继续呈明显的下降趋势。在同一温度下添加TG酶酸乳的pH显著高于对照组(0 U),且浓度越高现象越明显。

图4 酸乳储存1～21 d期间pH变化Fig.4 Change in pH of yoghurt during storage for 1 to 21 d注:a～d分别代表不同的热处理温度70、80、90、95 ℃。

酸乳在储存期发生后酸化,不仅会使pH降低导致酸味过重,还会出现乳清析出、感官质量下降等诸多问题[24-25]。图4显示由于TG酶的作用明显减缓了酸乳的后酸化作用,pH降低曲线的斜率较未加TG酶酸乳更为平缓,说明TG酶可以显著(P<0.05)影响酸乳后酸化过程。这与Ozer等[26]发现的TG酶可以通过形成蛋白质交联减少发酵菌种对所需氮源(氨基酸和低分子量肽)的可用性,从而导致更慢的后酸化过程的结论是一致的。

2.5 热处理和TG酶对酸乳感官评价的影响

表2～表5显示不同热处理温度和TG酶浓度对酸乳总体感官评价分数影响较大。随着热处理温度的升高酸乳的感官评分逐渐增大,在95 ℃加热5 min处理酸乳得分最高。评分升高的原因是牛乳在加热过程中随着温度的升高蛋白质变性程度增强,酸乳口感更稠厚,产生较多的香气成分,改善了酸乳的风味[27-28]。在同一温度下加入TG酶也可使酸乳的感官评分增大,且酸乳的口感和组织状态分数升高幅度较大,在TG酶浓度为10 U时酸乳拥有细腻绵绸的最佳口感。牛乳中的酪蛋白和乳清蛋白作为TG酶的良好底物,可以在酶的作用下在乳蛋白的分子内或分子间形成ε-(γ-谷氨酰基)赖氨酸异肽键,从而增强了酸乳的凝胶结构,使酸乳拥有更佳的品质。

表2 70 ℃热处理和TG酶共同作用酸乳的感官评价结果Table 2 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 70 ℃ heat treatment and TGase addition

表3 80 ℃热处理和TG酶共同作用酸乳的感官评价结果Table 3 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 80 ℃ heat treatment and TGase addtion

表4 90 ℃热处理和TG酶共同作用酸乳的感官评价结果Table 4 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 90 ℃ heat treatment and TGase addtion

表5 95 ℃热处理和TG酶共同作用酸乳的感官评价结果Table 5 Sensory evaluation results of yoghurt treated with 95 ℃ heat treatment and TGase addtion

3 结论

应用热处理和TG酶共同作用可以改善凝固型酸乳的品质特性。复合改性不仅可以提高酸乳的持水率,减少乳清析出现象,同时对减缓酸乳的后酸化速率具有积极作用,获得较高的感官评分,口感更佳。热处理和TG酶共同作用有望为凝固型酸乳发展提供新的思路参考。