凝乳酶的發(fā)展及其在奶酪生產(chǎn)中的應用

凝乳酶的發(fā)展及其在奶酪生產(chǎn)中的應用朱玉英;王存芳【摘要】隨著我國乳制品行業(yè)的快速發(fā)展,奶酪的生產(chǎn)越來越受到人們的關注.凝乳酶是在奶酪生產(chǎn)過程中起凝乳作用的關鍵性酶,勢必將成為我國未來重點開發(fā)的酶制劑之一.本文通過簡要介紹凝乳酶的種類、結構、一般特性、凝乳機理以及不同凝乳酶在奶酪生產(chǎn)中的應用,綜述了凝乳酶的研究進展,對凝乳酶的開發(fā)前景進行展望.期刊名稱】《乳業(yè)科學與技術》年(卷),期】2015(038)004【總頁數(shù)】4頁(P25-28)【關鍵詞】凝乳酶;研究進展;奶酪;生產(chǎn);應用【作者】朱玉英;王存芳【作者單位】齊魯工業(yè)大學輕工學部食品學院,山東省微生物工程重點實驗室,山東濟南250353;齊魯工業(yè)大學輕工學部食品學院,山東省微生物工程重點實驗室,山東濟南250353;山東農(nóng)業(yè)大學動物科技學院(動物醫(yī)學院),山東泰安271018【正文語種】中文【中圖分類】S826.94乳品行業(yè)在人們的生活中占據(jù)著越來越重要的位置。發(fā)酵乳制品，尤其是奶酪，以其獨特的口感、易消化、營養(yǎng)豐富、便于保藏等優(yōu)點成為了乳品行業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)，在人們的生活中變得越來越備受青睞［1］。奶酪，別名干酪、乳酪，或芝士、起司、起士，就其工藝而言，可作為發(fā)酵的牛乳；就其營養(yǎng)而言，可作為濃縮的牛乳［2］。奶酪中的鈣、磷和生物活性肽可直接影響脫礦化和再礦化，故奶酪可作為一種抗齲齒產(chǎn)品。在奶酪的生產(chǎn)過程中，凝乳酶作為一種關鍵性酶，不但在凝乳過程中起凝乳作用，同時又對奶酪的質(zhì)構和特有風味的形成具有不可估量的作用［3］。因此，隨著奶酪生產(chǎn)的增加，凝乳酶勢必將成為我國未來重點開發(fā)的酶制劑之一。凝乳酶存在于哺乳動物的胃液中，能使乳中蛋白質(zhì)凝聚成奶酪，而哺乳類以外的動物則很少存在凝乳酶。凝乳酶是一種酸性蛋白酶，最早發(fā)現(xiàn)于未斷奶的小牛胃中，在食品很多方面都有應用［4-5］，是生產(chǎn)奶酪不可缺少的制劑，其產(chǎn)值占整個酶制劑總產(chǎn)值的15.5%。隨著凝乳酶的研究及其在奶酪生產(chǎn)中的應用，其來源不斷擴大。目前，國際市場上的動物性、微生物性凝乳酶來源分別約占總產(chǎn)量70%和30%，而植物性來源不到1%［6］，其他的還有基因工程凝乳酶、蛋白質(zhì)工程凝乳酶等。動物性凝乳酶動物性凝乳酶常見的有：羔羊胃蛋白酶、小牛皺胃酶以及豬胃蛋白酶。直到20世紀末，人們一直使用小牛的皺胃進行凝乳酶的加工，但以此方式獲得的凝乳酶無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，且新生小牛的皺胃數(shù)量有限，使得目前凝乳酶的生產(chǎn)供不應求，小牛皺胃凝乳酶僅能滿足凝乳酶需求量的20%~30%［4］,且成本較高。為此，人們開發(fā)了多種皺胃酶的替代品。盡管如此，但由于動物資源不如植物和微生物豐富，各國學者紛紛將研究目標轉(zhuǎn)向植物和微生物源凝乳酶。植物性凝乳酶植物性凝乳酶相比較動物性凝乳酶來說，盡管市場上數(shù)量不及動物性凝乳酶，但其來源相當廣泛，目前研究較多的有木瓜蛋白酶、無花果蛋白酶、菠蘿蛋白酶、生姜蛋白酶［3］、合歡蛋白酶、朝鮮薊蛋白酶等。其中，張富新等［7］對植物凝乳酶凝乳特性的研究發(fā)現(xiàn)，木瓜蛋白酶、無花果蛋白酶與動物凝乳酶以及微生物凝乳酶從凝乳溫度上相比較來說，具有明顯的不同。雖然植物性凝乳酶來源廣泛，價格便宜，但是在奶酪生產(chǎn)中由于其凝乳活性低和蛋白水解活性強，且易使奶酪產(chǎn)生苦味，故未能大量應用。微生物凝乳酶目前，最有發(fā)展前途的是微生物凝乳酶，其優(yōu)勢在于，微生物繁殖速度快、產(chǎn)量大，受氣候、地域、時間的限制小，用其生產(chǎn)的凝乳酶成本較低、經(jīng)濟效益高且酶提取方便［8］。目前，主要有40余種放線菌、細菌和真菌等微生物可生產(chǎn)一定活力的凝乳酶［9］，并取得了一定的成果。李學朋等［10］在產(chǎn)凝乳酶微生物的研究概況中認為，微生物凝乳酶成為了僅次于淀粉酶的第二大商品酶。基因工程凝乳酶基因工程凝乳酶是指將凝乳酶基因連接到合適載體中并轉(zhuǎn)入宿主細胞中所表達產(chǎn)生的重組酶［11］。它是首個應用基因工程技術所得到的一種酶，此類凝乳酶與天然牛凝乳酶結構相似，并且針對K-酪蛋白特異性強［12］。1990年，美國食品和藥物管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)批準基因工程凝乳酶可以在奶酪加工中應用，這是在農(nóng)業(yè)生物技術方面第一個應用的產(chǎn)品［13］。繼此之后，基因工程凝乳酶在奶酪生產(chǎn)中的應用效果相繼報道［14］。蛋白質(zhì)工程凝乳酶蛋白質(zhì)工程凝乳酶是指利用蛋白質(zhì)工程技術使酶的一級結構發(fā)生可選擇和系統(tǒng)的變化，從而得到具有所期望的功能特性的蛋白質(zhì)凝乳酶［15］。蛋白質(zhì)工程凝乳酶與其他凝乳酶相比，不但增強了凝乳活性，改善了底物的專一性，而且其熱穩(wěn)定性和最適pH值也都有所改變。蛋白質(zhì)工程凝乳酶是一個廣大的研究領域，將來會為凝乳酶的開發(fā)和研究作出巨大的貢獻［16］。凝乳酶的結構凝乳酶(chymosin,EC)是新生哺乳動物胃黏膜中無活性的前體物凝乳酶原(pro-chy-mosin)所分泌的一種具有凝乳作用的蛋白酶。在酸性的胃液環(huán)境中，其酶原通過一些激活途徑，從N-端釋放一部分肽段，最終形成凝乳酶，并且活性不可逆。凝乳酶分子活性部位中因其有兩個天門氨酸殘基，又稱為天門氨酸蛋白酶(asparticproteinase)［17］,其相對分子質(zhì)量介于32000-49000之間，主要有A、B、C3種形式，且以B形式為主。此外，凝乳酶分子結構中存在一個深溝狀的活性部位，該部位來自于其分子結構中氨基酸組成的C、N兩個端區(qū)域［18］。凝乳酶的理化特性凝乳酶的干燥物活性穩(wěn)定，但水溶液不穩(wěn)定，幾乎不溶于乙醇、氯仿和乙醚，并且其溶解度受pH值、溫度和溶液離子強度的影響。凝乳酶凝固牛乳時的最適pH值為5.8(該pH值與其水溶液的pH值一樣)，最適溫度為37-43°C,在溫度小于15C或大于55C時均不呈現(xiàn)活性［19］。另外，凝乳酶的活性還受一些金屬離子的影響，如Fe2+促進凝乳酶活性，Cu2+對凝乳酶活性有抑制作用，Na+、Mg2+對凝乳酶活性基本無影響，Ca2+可保護酶的凝乳活性、穩(wěn)定其三級結構、提高耐熱性，使凝乳速度加快［20］。凝乳酶的凝乳機理乳中大約80%是酪蛋白，主要包括asl-酪蛋白、as2-酪蛋白、p-酪蛋白和k-酪蛋白，前3個都是疏水性蛋白質(zhì)，位于酪蛋白內(nèi)部，能被Ca2+沉淀，而K-酪蛋白位于酪蛋白表面，對Ca2+不敏感，但是它可以形成保護層而得到穩(wěn)定的酪蛋白膠束［21］。奶酪加工過程中添加凝乳酶，主要是促使乳發(fā)生凝結，為排除乳中的乳清提供條件。故凝乳酶的凝乳機理主要體現(xiàn)在：凝乳酶與酪蛋白結合，接著K-酪蛋白分子層部分水解，使a,p-酪蛋白失去膠體保護作用成為副酪蛋白，并在游離鈣存在的條件下形成“鈣橋”，使副酪蛋白的微粒發(fā)生團聚作用而產(chǎn)生凝膠體副酪蛋白鈣［22］，其包括酶性變化和非酶變化2個過程。目前，隨著中國乳品行業(yè)的發(fā)展，奶酪在人們的日常生活中越來越普遍。據(jù)相關資料報道，目前我國的奶酪年產(chǎn)量仍遠落后于發(fā)達國家，但是隨著我國綜合國力以及人民生活水平的提高，人們逐漸步入了小康水平，對奶酪的需求量預計今年年底將高達10萬t［23］。在奶酪的制作過程中，會有各種結果出現(xiàn)，從而會得到各種口感及質(zhì)地的成品，當乳成分的改變以及添加相應的新成分時，尤其是選擇不同種類的凝乳酶，這種改變尤為明顯［24］。故研究凝乳酶在奶酪生產(chǎn)中的應用，制出優(yōu)質(zhì)的奶酪，必須選擇合適的凝乳酶，并確定好其活性最大時的條件。趙秀玲［25］研究了不同凝乳酶對奶酪成熟期間蛋白質(zhì)降解的影響，結論表明，在奶酪的成熟過程中，殘留的微生物凝乳酶和小牛皺胃酶對酪蛋白降解的能力最強，羔羊皺胃酶和豬胃蛋白酶居中，無花果蛋白酶和木瓜蛋白酶最低。楊寶進［26］研究了3種不同凝乳酶對羊奶奶酪成熟期間蛋白質(zhì)降解和感官品質(zhì)的影響，認為用羔羊皺胃酶加工的奶酪，產(chǎn)品口感舒適、風味佳，蛋白質(zhì)分解適度，容易控制成熟，是首選的理想凝乳酶源。孫超等［27］研究了利用不同凝乳酶加工的羊奶奶酪成熟期的微生物變化，結果發(fā)現(xiàn)，利用不同凝乳酶加工的奶酪，在其成熟期間各種微生物變化規(guī)律以及奶酪品質(zhì)明顯不一致，并且奶酪品質(zhì)與微生物的數(shù)量和種類密切相關。張富新等［28］對不同凝乳酶在奶酪生產(chǎn)中應用效果的研究表明，小牛皺胃酶和羔羊皺胃酶是奶酪生產(chǎn)的最佳凝乳酶，其次為毛霉凝乳酶和胃蛋白酶，木瓜蛋白酶和無花果蛋白酶的應用效果較差，此外，在小牛皺胃酶和羔羊皺胃酶中添加20%木瓜蛋白酶或25%毛霉凝乳酶，可獲得較為理想的效果?？傊ㄟ^比較不同凝乳酶在奶酪生產(chǎn)中的應用效果，羔羊皺胃酶相對來說是比較好的，尤其是在羊乳奶酪加工中的應用。羊乳加工成奶酪其熱穩(wěn)定性以及凝乳特性均比較差［29］，因此對羔羊皺胃酶的活性要求比較高，其最適凝乳溫度、最適pH值以及在這樣的溫度和pH值條件下對羔羊皺胃酶的處理時間要求都十分嚴格，張富新［30-31］研究不同因素對羔羊皺胃酶凝乳活性的影響時論證了這一要求。此外，在利用羔羊皺胃酶進行干酪生產(chǎn)時，若加入適量的鈣鹽，不僅可以縮短凝乳時間，還可提高干酪的硬度和彈性［32］,且CaCI2添加量為0.02%時，凝乳酶的活力和凝塊的平均切割力均最大，此時質(zhì)構最好［33］。隨著我國生活水平的不斷提高，牙齒健康也成為了人們關注的問題，奶酪作為一種抗齲齒產(chǎn)品，其作用是不可忽視的，這在一定程度上間接強調(diào)了凝乳酶的重要性。然而，凝乳酶不但對于奶酪的生產(chǎn)至關重要，也是食品工業(yè)中最為重要的蛋白酶，故凝乳酶在未來勢必有很好的發(fā)展前景。雖然，在目前看來凝乳酶是短缺的，但是為了開發(fā)具有高凝乳活力和低蛋白水解力的凝乳酶，有關新來源凝乳酶在促進奶酪獨特風味和凝乳形成的研究課題也變得越來越重要。駱駝凝乳酶就以其獨特的凝乳特性和較低的非特異蛋白酶水解活性而具有很好的開發(fā)前景。研究發(fā)現(xiàn)，駱駝凝乳酶與牛凝乳酶有85%的同源性，但駱駝凝乳酶的凝乳活性比牛凝乳酶高70%［34］。此外，S0rensen等［35-36］研究的結果表明，駱駝凝乳酶因其具有蛋白質(zhì)水解活性較低，制備的奶酪口感好、奶香味濃，產(chǎn)量較高等優(yōu)點，已經(jīng)以一種替代品的形式被成功地銷售。同時，隨著科學技術和研究的不斷深入，除了在以前的基礎上保護奶酪生產(chǎn)之外，發(fā)酵生產(chǎn)以及開發(fā)新的凝乳酶的應用必將成為未來科學研究的新方向，也必將對今后的奶酪產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟效益［37］?！鞠嚓P文獻】［1］李太君，高媛?發(fā)酵乳制品發(fā)酵劑的研究進展［J］.中國乳業(yè)，2014(4):59-61.［2］劉利清.奶酪的營養(yǎng)價值及發(fā)展現(xi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