凝乳酶的发展及其在奶酪生产中的应用

凝乳酶的发展及其在奶酪生产中的应用朱玉英;王存芳【摘要】随着我国乳制品行业的快速发展,奶酪的生产越来越受到人们的关注.凝乳酶是在奶酪生产过程中起凝乳作用的关键性酶,势必将成为我国未来重点开发的酶制剂之一.本文通过简要介绍凝乳酶的种类、结构、一般特性、凝乳机理以及不同凝乳酶在奶酪生产中的应用,综述了凝乳酶的研究进展,对凝乳酶的开发前景进行展望.期刊名称】《乳业科学与技术》年(卷),期】2015(038)004【总页数】4页(P25-28)【关键词】凝乳酶;研究进展;奶酪;生产;应用【作者】朱玉英;王存芳【作者单位】齐鲁工业大学轻工学部食品学院,山东省微生物工程重点实验室,山东济南250353;齐鲁工业大学轻工学部食品学院,山东省微生物工程重点实验室,山东济南250353;山东农业大学动物科技学院(动物医学院),山东泰安271018【正文语种】中文【中图分类】S826.94乳品行业在人们的生活中占据着越来越重要的位置。发酵乳制品，尤其是奶酪，以其独特的口感、易消化、营养丰富、便于保藏等优点成为了乳品行业中的重要产业，在人们的生活中变得越来越备受青睐［1］。奶酪，别名干酪、乳酪，或芝士、起司、起士，就其工艺而言，可作为发酵的牛乳；就其营养而言，可作为浓缩的牛乳［2］。奶酪中的钙、磷和生物活性肽可直接影响脱矿化和再矿化，故奶酪可作为一种抗龋齿产品。在奶酪的生产过程中，凝乳酶作为一种关键性酶，不但在凝乳过程中起凝乳作用，同时又对奶酪的质构和特有风味的形成具有不可估量的作用［3］。因此，随着奶酪生产的增加，凝乳酶势必将成为我国未来重点开发的酶制剂之一。凝乳酶存在于哺乳动物的胃液中，能使乳中蛋白质凝聚成奶酪，而哺乳类以外的动物则很少存在凝乳酶。凝乳酶是一种酸性蛋白酶，最早发现于未断奶的小牛胃中，在食品很多方面都有应用［4-5］，是生产奶酪不可缺少的制剂，其产值占整个酶制剂总产值的15.5%。随着凝乳酶的研究及其在奶酪生产中的应用，其来源不断扩大。目前，国际市场上的动物性、微生物性凝乳酶来源分别约占总产量70%和30%，而植物性来源不到1%［6］，其他的还有基因工程凝乳酶、蛋白质工程凝乳酶等。动物性凝乳酶动物性凝乳酶常见的有：羔羊胃蛋白酶、小牛皱胃酶以及猪胃蛋白酶。直到20世纪末，人们一直使用小牛的皱胃进行凝乳酶的加工，但以此方式获得的凝乳酶无法满足工业生产的需要，且新生小牛的皱胃数量有限，使得目前凝乳酶的生产供不应求，小牛皱胃凝乳酶仅能满足凝乳酶需求量的20%~30%［4］,且成本较高。为此，人们开发了多种皱胃酶的替代品。尽管如此，但由于动物资源不如植物和微生物丰富，各国学者纷纷将研究目标转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较动物性凝乳酶来说，尽管市场上数量不及动物性凝乳酶，但其来源相当广泛，目前研究较多的有木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶、菠萝蛋白酶、生姜蛋白酶［3］、合欢蛋白酶、朝鲜蓟蛋白酶等。其中，张富新等［7］对植物凝乳酶凝乳特性的研究发现，木瓜蛋白酶、无花果蛋白酶与动物凝乳酶以及微生物凝乳酶从凝乳温度上相比较来说，具有明显的不同。虽然植物性凝乳酶来源广泛，价格便宜，但是在奶酪生产中由于其凝乳活性低和蛋白水解活性强，且易使奶酪产生苦味，故未能大量应用。微生物凝乳酶目前，最有发展前途的是微生物凝乳酶，其优势在于，微生物繁殖速度快、产量大，受气候、地域、时间的限制小，用其生产的凝乳酶成本较低、经济效益高且酶提取方便［8］。目前，主要有40余种放线菌、细菌和真菌等微生物可生产一定活力的凝乳酶［9］，并取得了一定的成果。李学朋等［10］在产凝乳酶微生物的研究概况中认为，微生物凝乳酶成为了仅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将凝乳酶基因连接到合适载体中并转入宿主细胞中所表达产生的重组酶［11］。它是首个应用基因工程技术所得到的一种酶，此类凝乳酶与天然牛凝乳酶结构相似，并且针对K-酪蛋白特异性强［12］。1990年，美国食品和药物管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)批准基因工程凝乳酶可以在奶酪加工中应用，这是在农业生物技术方面第一个应用的产品［13］。继此之后，基因工程凝乳酶在奶酪生产中的应用效果相继报道［14］。蛋白质工程凝乳酶蛋白质工程凝乳酶是指利用蛋白质工程技术使酶的一级结构发生可选择和系统的变化，从而得到具有所期望的功能特性的蛋白质凝乳酶［15］。蛋白质工程凝乳酶与其他凝乳酶相比，不但增强了凝乳活性，改善了底物的专一性，而且其热稳定性和最适pH值也都有所改变。蛋白质工程凝乳酶是一个广大的研究领域，将来会为凝乳酶的开发和研究作出巨大的贡献［16］。凝乳酶的结构凝乳酶(chymosin,EC)是新生哺乳动物胃黏膜中无活性的前体物凝乳酶原(pro-chy-mosin)所分泌的一种具有凝乳作用的蛋白酶。在酸性的胃液环境中，其酶原通过一些激活途径，从N-端释放一部分肽段，最终形成凝乳酶，并且活性不可逆。凝乳酶分子活性部位中因其有两个天门氨酸残基，又称为天门氨酸蛋白酶(asparticproteinase)［17］,其相对分子质量介于32000-49000之间，主要有A、B、C3种形式，且以B形式为主。此外，凝乳酶分子结构中存在一个深沟状的活性部位，该部位来自于其分子结构中氨基酸组成的C、N两个端区域［18］。凝乳酶的理化特性凝乳酶的干燥物活性稳定，但水溶液不稳定，几乎不溶于乙醇、氯仿和乙醚，并且其溶解度受pH值、温度和溶液离子强度的影响。凝乳酶凝固牛乳时的最适pH值为5.8(该pH值与其水溶液的pH值一样)，最适温度为37-43°C,在温度小于15C或大于55C时均不呈现活性［19］。另外，凝乳酶的活性还受一些金属离子的影响，如Fe2+促进凝乳酶活性，Cu2+对凝乳酶活性有抑制作用，Na+、Mg2+对凝乳酶活性基本无影响，Ca2+可保护酶的凝乳活性、稳定其三级结构、提高耐热性，使凝乳速度加快［20］。凝乳酶的凝乳机理乳中大约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个都是疏水性蛋白质，位于酪蛋白内部，能被Ca2+沉淀，而K-酪蛋白位于酪蛋白表面，对Ca2+不敏感，但是它可以形成保护层而得到稳定的酪蛋白胶束［21］。奶酪加工过程中添加凝乳酶，主要是促使乳发生凝结，为排除乳中的乳清提供条件。故凝乳酶的凝乳机理主要体现在：凝乳酶与酪蛋白结合，接着K-酪蛋白分子层部分水解，使a,p-酪蛋白失去胶体保护作用成为副酪蛋白，并在游离钙存在的条件下形成“钙桥”，使副酪蛋白的微粒发生团聚作用而产生凝胶体副酪蛋白钙［22］，其包括酶性变化和非酶变化2个过程。目前，随着中国乳品行业的发展，奶酪在人们的日常生活中越来越普遍。据相关资料报道，目前我国的奶酪年产量仍远落后于发达国家，但是随着我国综合国力以及人民生活水平的提高，人们逐渐步入了小康水平，对奶酪的需求量预计今年年底将高达10万t［23］。在奶酪的制作过程中，会有各种结果出现，从而会得到各种口感及质地的成品，当乳成分的改变以及添加相应的新成分时，尤其是选择不同种类的凝乳酶，这种改变尤为明显［24］。故研究凝乳酶在奶酪生产中的应用，制出优质的奶酪，必须选择合适的凝乳酶，并确定好其活性最大时的条件。赵秀玲［25］研究了不同凝乳酶对奶酪成熟期间蛋白质降解的影响，结论表明，在奶酪的成熟过程中，残留的微生物凝乳酶和小牛皱胃酶对酪蛋白降解的能力最强，羔羊皱胃酶和猪胃蛋白酶居中，无花果蛋白酶和木瓜蛋白酶最低。杨宝进［26］研究了3种不同凝乳酶对羊奶奶酪成熟期间蛋白质降解和感官品质的影响，认为用羔羊皱胃酶加工的奶酪，产品口感舒适、风味佳，蛋白质分解适度，容易控制成熟，是首选的理想凝乳酶源。孙超等［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变化，结果发现，利用不同凝乳酶加工的奶酪，在其成熟期间各种微生物变化规律以及奶酪品质明显不一致，并且奶酪品质与微生物的数量和种类密切相关。张富新等［28］对不同凝乳酶在奶酪生产中应用效果的研究表明，小牛皱胃酶和羔羊皱胃酶是奶酪生产的最佳凝乳酶，其次为毛霉凝乳酶和胃蛋白酶，木瓜蛋白酶和无花果蛋白酶的应用效果较差，此外，在小牛皱胃酶和羔羊皱胃酶中添加20%木瓜蛋白酶或25%毛霉凝乳酶，可获得较为理想的效果。总之，通过比较不同凝乳酶在奶酪生产中的应用效果，羔羊皱胃酶相对来说是比较好的，尤其是在羊乳奶酪加工中的应用。羊乳加工成奶酪其热稳定性以及凝乳特性均比较差［29］，因此对羔羊皱胃酶的活性要求比较高，其最适凝乳温度、最适pH值以及在这样的温度和pH值条件下对羔羊皱胃酶的处理时间要求都十分严格，张富新［30-31］研究不同因素对羔羊皱胃酶凝乳活性的影响时论证了这一要求。此外，在利用羔羊皱胃酶进行干酪生产时，若加入适量的钙盐，不仅可以缩短凝乳时间，还可提高干酪的硬度和弹性［32］,且CaCI2添加量为0.02%时，凝乳酶的活力和凝块的平均切割力均最大，此时质构最好［33］。随着我国生活水平的不断提高，牙齿健康也成为了人们关注的问题，奶酪作为一种抗龋齿产品，其作用是不可忽视的，这在一定程度上间接强调了凝乳酶的重要性。然而，凝乳酶不但对于奶酪的生产至关重要，也是食品工业中最为重要的蛋白酶，故凝乳酶在未来势必有很好的发展前景。虽然，在目前看来凝乳酶是短缺的，但是为了开发具有高凝乳活力和低蛋白水解力的凝乳酶，有关新来源凝乳酶在促进奶酪独特风味和凝乳形成的研究课题也变得越来越重要。骆驼凝乳酶就以其独特的凝乳特性和较低的非特异蛋白酶水解活性而具有很好的开发前景。研究发现，骆驼凝乳酶与牛凝乳酶有85%的同源性，但骆驼凝乳酶的凝乳活性比牛凝乳酶高70%［34］。此外，S0rensen等［35-36］研究的结果表明，骆驼凝乳酶因其具有蛋白质水解活性较低，制备的奶酪口感好、奶香味浓，产量较高等优点，已经以一种替代品的形式被成功地销售。同时，随着科学技术和研究的不断深入，除了在以前的基础上保护奶酪生产之外，发酵生产以及开发新的凝乳酶的应用必将成为未来科学研究的新方向，也必将对今后的奶酪产业产生不可估量的经济效益［37］。【相关文献】［1］李太君，高媛•发酵乳制品发酵剂的研究进展［J］.中国乳业，2014(4):59-61.［2］刘利清.奶酪的营养价值及发展现状［J］.农产品加工，2014(2):42-43.［3］ 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