閆 爽,高獻(xiàn)禮,陸 健,*
(1.江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214122;2.江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫2141222;3.江南大學(xué)生物工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122)
隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快,傳統(tǒng)的飲食方式已經(jīng)發(fā)生了很大的改變。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]顯示,2011年1~9月份,我國(guó)方便食品銷售額超過(guò)1800億元人民幣,同比增長(zhǎng)48.13%,方便食品已經(jīng)成為我國(guó)居民飲食的重要組成部分。但我國(guó)方便食品的發(fā)展仍然具有較大的潛力,而咸味香精是方便食品行業(yè)發(fā)展的靈魂,因此咸味香精行業(yè)的發(fā)展具有光明的前景。我國(guó)咸味香精生產(chǎn)始于20世紀(jì)80年代,經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展已經(jīng)形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè),年銷售額超過(guò)100億元人民幣,與咸味香精相關(guān)的食品工業(yè)和餐飲業(yè)的銷售額在10000億元以上[2-3]。其中牛肉風(fēng)味的咸味香精是咸味香精家族中銷售量最大的品種,而牛肉呈味料是牛肉風(fēng)味咸味香精的主要載體和呈味成分,是生產(chǎn)牛肉風(fēng)味咸味香精的關(guān)鍵。目前,牛肉呈味料主要經(jīng)原料(牛肉)蒸煮、絞肉、外加酶制劑酶解(蛋白酶)、美拉德反應(yīng)、添加輔料(麥芽糊精等)、干燥(噴霧干燥或微波干燥等)、風(fēng)味后修飾(添加液體牛肉香精等)等工藝制備而成[4-6]。此工藝具有生產(chǎn)工藝易控制、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn);但也存在生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品香氣不足(需經(jīng)后續(xù)添加液體牛肉香精,進(jìn)一步增加生產(chǎn)成本)等缺點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)室在對(duì)現(xiàn)有酶解工藝和所用原料及酶制劑分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代發(fā)酵工藝和微生物代謝控制原理,提出以雙菌種協(xié)同發(fā)酵法生產(chǎn)牛肉呈味料的新工藝。米曲霉具有生長(zhǎng)快、酶系豐富、不產(chǎn)毒素等優(yōu)點(diǎn),能分泌多種水解酶系,如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纖維素酶等,但由于米曲霉所分泌的具有外切酶活性的酸性蛋白酶較少,而黑曲霉分泌的胞外蛋白酶以酸性蛋白酶為主[7-8]。此工藝以實(shí)驗(yàn)室篩選保藏的米曲霉和黑曲霉為發(fā)酵菌種,以牛肉為主要原料,利用米曲霉(以堿性、中性蛋白酶為主)和黑曲霉(以酸性蛋白酶)所產(chǎn)酶系互補(bǔ)的特點(diǎn)對(duì)原料進(jìn)行適度降解,并采用美拉德反應(yīng)等工藝制備牛肉呈味料,具有安全性高(大量減少液體牛肉香精的使用量)、產(chǎn)品天然、成本低等特點(diǎn)。因此,具有潛在的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。本文以目前生產(chǎn)實(shí)踐中普遍使用的酶解工藝制備的牛肉呈味料為對(duì)照,對(duì)比研究了協(xié)同發(fā)酵法所生產(chǎn)牛肉呈味料的主要理化指標(biāo)和感官評(píng)價(jià)。為我國(guó)咸味香精行業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供方法參考,為此工藝的推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)積累。
米曲霉、黑曲霉 本實(shí)驗(yàn)室篩選保存;復(fù)合蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶 諾維信公司;木瓜蛋白酶 龐博生物工程有限公司;牛肉、麩皮、豆粕、面粉 購(gòu)自無(wú)錫當(dāng)?shù)厥袌?chǎng);其他試劑 均為分析純;定性濾紙 杭州沃華濾紙有限公司。
G154DWS型自動(dòng)高壓蒸汽滅菌器 致微(廈門(mén))儀器有限公司;Blue pard恒溫恒濕培養(yǎng)箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;WFZ UV-2100型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司;恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;KjeItec2300型自動(dòng)凱氏定氮儀 瑞典FOSS分析儀器有限公司;FE20 pH計(jì) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;H1850R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;垂直電泳儀 美國(guó)bio-rad公司;Agilent 1100型氨基酸專用高效液相色譜儀 美國(guó)安捷倫公司。
1.2.1 蛋白酶活力的測(cè)定 成曲和商品蛋白酶的活力測(cè)定參照中華人民共和國(guó)商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)蛋白酶活力測(cè)定法[10],測(cè)定波長(zhǎng)為680nm。酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線為:y=99.494x-0.9005,R2=0.9994,吸光常數(shù)K=99.06。
表1 發(fā)酵及酶解法制備牛肉呈味料的工藝條件Table 1 Technical conditions of preparing beef flavor potentiators by fermentation and enzymatic hydrolysis
1.2.2 發(fā)酵及酶解法制備牛肉呈味料的工藝條件本研究以三種酶解法制備的牛肉呈味料為對(duì)照,對(duì)比研究協(xié)同發(fā)酵法制備的牛肉呈味料各理化指標(biāo)和感官評(píng)價(jià)結(jié)果。酶解條件參照目前工業(yè)生產(chǎn)中所普遍使用的工藝,具體使用的酶制劑種類、酶活、添加量、酶解溫度和時(shí)間見(jiàn)表1,其中:SF指協(xié)同發(fā)酵法;PTF指復(fù)合蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶分步酶解(復(fù)合蛋白酶∶風(fēng)味蛋白酶=2∶1);PPF指木瓜蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶分步酶解(木瓜蛋白酶酶解∶風(fēng)味蛋白酶=2∶1);PT指復(fù)合蛋白酶酶解;PTF和PPF中,風(fēng)味蛋白酶為酶解開(kāi)始2h后再添加。
1.2.3 協(xié)同發(fā)酵法制備牛肉呈味料 牛肉絞碎后,與麩皮和豆粕(各占牛肉量的15%和5%)混合拌勻,121℃滅菌20min。待滅過(guò)菌的原料冷卻后,將其搗碎。接種過(guò)程如下:先將米曲霉和黑曲霉種曲(接種比例為3∶1,接種量為0.6%,種曲制備方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9])與面粉(占牛肉量的30%)充分混勻,再將面粉與滅菌后的原料混合拌勻,于30℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)過(guò)程中注意翻曲,防止物料層溫度過(guò)高(<35℃)。成曲制備結(jié)束后,測(cè)定其蛋白酶活力,然后將成曲粉碎,按照1∶3的料水比加入水并用攪拌器攪拌均勻后,于45℃條件下進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵,發(fā)酵結(jié)束后置于90℃水浴中加熱15min,冷卻后5000r/min離心20min,樣品在4℃下保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.4 酶解法制備牛肉呈味料 牛肉與輔料混合并滅菌,冷卻后搗碎,添加一定量的水,使其所含原輔料比例及含水量與1.2.3樣品一致,加入蛋白酶在50℃條件下進(jìn)行酶解反應(yīng),所用蛋白酶種類和添加量見(jiàn)表1。酶解結(jié)束后置于90℃水浴中加熱15min,冷卻后5000r/min離心20min,樣品在4℃下保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.5 發(fā)酵和酶解產(chǎn)物的總氮、氨基酸態(tài)氮含量的測(cè)定 取1.2.3和1.2.4中的上清液,測(cè)其總氮和氨基酸態(tài)氮的含量??偟臏y(cè)定采用凱氏定氮法;氨基酸態(tài)氮含量的測(cè)定采用甲醛滴定法。
1.2.6 發(fā)酵和酶解產(chǎn)物水解度和蛋白質(zhì)回收率的測(cè)定 水解度(DH)、蛋白質(zhì)回收率(PR)的測(cè)定方法分別參考文獻(xiàn)[11-12]。
1.2.7 發(fā)酵和酶解產(chǎn)物中肽基氮含量的測(cè)定[13]準(zhǔn)確吸取1.2.3和1.2.4中的上清液1mL,用15%的三氯乙酸溶液定容至25mL,混勻并靜置5min,用雙層定性濾紙過(guò)濾,去除初濾液,取濾液10mL用凱氏定氮法測(cè)總氮(酸溶性氮),肽基氮含量=酸溶性氮-氨基酸態(tài)氮。
1.2.8 發(fā)酵和酶解產(chǎn)物的SDS-PAGE分析 將1.2.3和1.2.4中的上清液經(jīng)10000r/min,4℃離心10min,取上清,用于電泳實(shí)驗(yàn)。具體電泳方法參考文獻(xiàn)[14],樣品在濃縮膠中的電壓為60V,進(jìn)入分離膠后,將電壓調(diào)至80V,當(dāng)染料前沿距凝膠下緣1cm左右時(shí),停止電泳。將凝膠從玻璃板中剝離出,浸泡于固定液中固定30min,然后換染色液染色2h后,用蒸餾水沖洗數(shù)次,再用脫色液脫色至條帶清晰。
1.2.9 發(fā)酵和酶解產(chǎn)物中游離氨基酸的測(cè)定 將1.3.2和1.3.3中的上清液用三氯乙酸(濃度5%)靜置沉淀1h后用雙層定性濾紙過(guò)濾,濾液經(jīng)10000r/min離心10min,取上清液,利用高效液相色譜法測(cè)定游離氨基酸的含量。采用HYPERSIL OSD色譜柱(250mm×4.6mm,5μm),柱溫40℃,紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)338nm,洗脫流速1.0mL/min。
1.2.10 感官品評(píng) 由8人組成感官評(píng)定小組(20~30歲,5男,3女),對(duì)樣品間香氣和滋味的差別進(jìn)行定量描述分析。其中香氣的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:醬香、肉香、腥味、酸味、胺味,滋味的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括:鮮、甜、酸、咸、苦、醇厚,評(píng)分值從0分(無(wú)察覺(jué))到9分(最強(qiáng))。
圖1 發(fā)酵及酶解產(chǎn)物的水解度和蛋白質(zhì)回收率Fig.1 Degree of hydrolysis and protein recovery of fermentation and enzymolytic products
發(fā)酵及酶解產(chǎn)物水解度和蛋白質(zhì)回收率的測(cè)定結(jié)果如圖1所示。水解度是表示蛋白質(zhì)中肽鍵裂解程度的指標(biāo)。從圖1中可知,SF和PTF、PPF、PT所得水解度分別為51.39%、22.67%、25.58%、12.29%,蛋白質(zhì)回收率為70.99%、48.80%、43.54%、48.95%;SF法比最優(yōu)酶解法的水解度和蛋白質(zhì)回收率分別高126.69%和45.47%。Su等[15]利用提取自米曲霉的粗蛋白酶粉與商品蛋白酶分別水解豆粕蛋白,水解產(chǎn)物的水解度分別為43.4%和低于20%,蛋白質(zhì)回收率分別為80.6%和59.4%,與本研究結(jié)果相符。以上結(jié)果表明,采用協(xié)同發(fā)酵法的水解度和蛋白質(zhì)回收率高于酶解法,協(xié)同發(fā)酵法有利于得到更多的蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物,提高原料利用率。這可能是因?yàn)槊浊购秃谇乖谥魄^(guò)程中,除了可以分泌大量的蛋白酶之外,還可以分泌纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶、果膠酶等,降解原料中的纖維素和半纖維、淀粉等成分,從而降低底物的粘度,更有利于蛋白酶直接作用于原料中的蛋白質(zhì)[16]。
圖2 發(fā)酵及酶解產(chǎn)物中總氮、氨基酸肽氮和肽基氮的變化Fig.2 Contents of total nitrogen,amino nitrogen and peptide-nitrogen of fermentation and enzymolytic products
發(fā)酵及酶解產(chǎn)物中可溶性總氮、氨基酸態(tài)氮、肽基氮的含量如圖2所示。從圖2中可以看出,SF法的總氮含量略高于其他方法;SF法和三種酶解法產(chǎn)物的氨基酸態(tài)氮含量分別達(dá)到0.68、0.27、0.31、0.16g/100mL,SF產(chǎn)物的氨基酸態(tài)氮含量高于酶解產(chǎn)物,這說(shuō)明霉菌所分泌蛋白酶的作用位點(diǎn)較為廣泛,促使產(chǎn)物中氨基酸態(tài)氮含量更高,從而使SF法具有較高的水解度。從圖2中還可以看出,SF產(chǎn)物中肽基氮的含量低于酶解法,這是由于發(fā)酵法的水解度較高,使得小肽被水解成了氨基酸,同時(shí),發(fā)酵法在制曲過(guò)程中,原料中本身存在的肽及蛋白質(zhì)也會(huì)在一定程度上被降解成氨基酸。
圖3 發(fā)酵及酶解前后樣品的SDS-PAGE圖譜Fig.3 SDS-PAGE electrophoresis of the samples
圖3為發(fā)酵及酶解前后樣品的SDS-PAGE圖譜。從圖3中可以看出,發(fā)酵法和酶解法均可以將原料中的大分子蛋白質(zhì)分解為小分子蛋白。對(duì)電泳圖譜進(jìn)行積分光密度掃描,得出發(fā)酵后樣品中分子量小于25ku的條帶的相對(duì)百分含量為88.9%,而酶解產(chǎn)物中分子量小于20ku的條帶的相對(duì)百分含量最高為72.54%。結(jié)合肽基氮的測(cè)定結(jié)果,雖然發(fā)酵產(chǎn)物中肽基氮的含量低于酶解產(chǎn)物,但其中小分子量肽的比例高于酶解產(chǎn)物。
SF產(chǎn)物和三種酶解產(chǎn)物的游離氨基酸組成見(jiàn)表2。SF產(chǎn)物的總游離氨基酸含量為1221.48mg/100mL,顯著高于酶解產(chǎn)物,該結(jié)果與氨基酸態(tài)氮的測(cè)定結(jié)果相一致。SF產(chǎn)物中天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸在游離氨基酸中所占比例明顯高于三種酶解產(chǎn)物,丙氨酸、賴氨酸、精氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸在游離氨基酸中所占比例明顯低于酶解法,其原因可能是不同蛋白酶對(duì)底物選擇性及其酶切位點(diǎn)具有一定的差異。
分析不同滋味的氨基酸在游離氨基酸中所占的比例,可以發(fā)現(xiàn),在SF產(chǎn)物中鮮味氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸)的比例為22.46%、甜味氨基酸的比例為37.13%,明顯高于酶解產(chǎn)物,同時(shí)SF產(chǎn)物中苦味氨基酸的比例則低于酶解產(chǎn)物。由于在制曲過(guò)程中米曲霉會(huì)分泌谷氨酰胺酶,因此,SF產(chǎn)物中鮮味氨基酸比例較高。與文獻(xiàn)[19]中利用米曲霉和酵母菌發(fā)酵制備的牛肉香精前體物相比,本研究中發(fā)酵法制備的牛肉呈味料中鮮味氨基酸在總游離氨基酸中的比例高于前者,但絕對(duì)含量則低于前者,其原因是由于料水比的不同,使得產(chǎn)物中氨基酸的濃度有所差異。
表2 發(fā)酵及酶解產(chǎn)物的游離氨基酸組成Table 2 Free amino acid composition of products by fermentation and enzymatic hydrolysis
圖4 發(fā)酵法及酶解法產(chǎn)物的感官品評(píng)結(jié)果Fig.4 The sensory evaluation of products by fermentation and enzymatic hydrolysis
SF法和三種酶解法制備牛肉呈味料的感官品評(píng)結(jié)果如圖4所示。對(duì)氣味的感官品評(píng)結(jié)果進(jìn)行方差分析,SF產(chǎn)物的醬香和肉香顯著優(yōu)于酶解產(chǎn)物(p<0.05),其平均得分分別比酶解法提高了73%和67%,這可能是由于發(fā)酵法在制曲過(guò)程中由霉菌形成豐富的酶系為風(fēng)味物質(zhì)的形成奠定了基礎(chǔ)。另外,SF產(chǎn)物的腥味平均得分比酶解產(chǎn)物降低了35%。
滋味的感官品評(píng)結(jié)果表明,發(fā)酵產(chǎn)物的鮮味顯著高于酶解法(p<0.05),其平均得分比酶解法提高了46%,可能是因?yàn)椋l(fā)酵產(chǎn)物中鮮味氨基酸的含量和比例高于酶解產(chǎn)物。PPF酶解產(chǎn)物的苦味顯著高于其他樣品(p<0.05),其次分別是SF、PT、PPF產(chǎn)物。吳建中[20]研究了蛋白水解物的苦味與水解度之間的關(guān)系,由于蛋白質(zhì)的水解,原來(lái)包裹在分子內(nèi)部的疏水性氨酸殘基暴露出來(lái),使其產(chǎn)生苦味,因此蛋白水解物的苦味隨著水解度的增加而增強(qiáng),而本研究中SF產(chǎn)物的水解度遠(yuǎn)大于PPF,但其苦味卻低于后者,這是因?yàn)樵谥魄^(guò)程中,黑曲霉分泌的酸性蛋白酶為外切蛋白酶的活性,外切蛋白酶可以選擇性的釋放出肽鏈末端的氨基酸殘基以減輕水解產(chǎn)物的苦味[20-21]。
以牛肉為主要原料,利用米曲霉和黑曲霉協(xié)同發(fā)酵制備牛肉呈味料,同時(shí)分別采用復(fù)合蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶分步酶解、木瓜蛋白酶+風(fēng)味蛋白酶分步酶解、復(fù)合蛋白酶單酶酶解三種工藝對(duì)牛肉進(jìn)行酶法水解制備牛肉呈味料。將發(fā)酵法與酶解法制備的樣品進(jìn)行比較,可以得出以下結(jié)論:與目前工業(yè)生產(chǎn)中所普遍使用的酶解工藝相比,發(fā)酵法的水解度和蛋白質(zhì)回收率分別比最優(yōu)酶解法高出126.69%和45.47%;總氮和氨基酸態(tài)的含量也高于酶解法;對(duì)制備的樣品進(jìn)行氨基酸組成分析,發(fā)酵產(chǎn)物中鮮味氨基酸含量高于酶解產(chǎn)物;而感官品評(píng)的結(jié)果也表明,發(fā)酵產(chǎn)物具有更好的醬香、肉香和鮮味,其感官品評(píng)的平均得分分別比酶解法提高了73%、67%和46%。
同時(shí),由于發(fā)酵法省去了大量商品酶的使用,可以降低部分生產(chǎn)成本:以1000kg原料生產(chǎn)牛肉呈味料,酶解法所使用商品蛋白酶及液體香精的成本為3500~4000元,而發(fā)酵法所需種曲的成本僅為幾十元。綜上,協(xié)同發(fā)酵法制備牛肉呈味料在產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)成本上比酶解法更具優(yōu)勢(shì)。
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