酶在乳制品生產(chǎn)中的作用機(jī)理及應(yīng)用研究進(jìn)展

黃夢瑤，范小雪，王存芳*

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353）

隨著生活水平的不斷提高，人們對乳制品的需求越來越大，乳制品已經(jīng)成為日常生活的必需品。酶是由生物活細(xì)胞產(chǎn)生、具有高效、專一催化功能的生物大分子，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在安全性、催化特異性、催化反應(yīng)的溫和性等方面，這些優(yōu)點(diǎn)使得酶制劑可以改進(jìn)食品加工工藝、提高食品質(zhì)量、降低加工成本、增加產(chǎn)品附加值和市場競爭力[1]。因此，在乳制品加工保鮮和檢測方面，使用酶制劑替代化學(xué)試劑得到廣泛應(yīng)用。

1 乳糖酶的作用機(jī)理及應(yīng)用

乳糖是雌性動物乳汁中特有的雙糖，由乳腺中的乳糖合成酶生成。乳糖必須經(jīng)過乳糖酶分解成葡萄糖和半乳糖才能被人體消化吸收。乳糖酶全稱β-D-半乳糖苷半乳糖水解酶，不僅能催化水解乳糖中的半乳糖苷鍵，將其水解為葡萄糖和半乳糖，還可以轉(zhuǎn)移半乳糖苷，生成功能性低聚半乳糖[2]。乳糖酶在動物、植物和微生物中均有廣泛分布。

1.1 乳糖酶在低乳糖乳制品中的應(yīng)用

人體腸道內(nèi)缺乏乳糖酶會引起乳糖消化吸收障礙，即乳糖不耐受，乳糖不耐受患者在食用乳制品后會出現(xiàn)腹痛、腹瀉和脹氣等消化不良癥狀。乳糖酶的水解作用可以降低乳制品中的乳糖含量，將乳制品中絕大部分乳糖水解成容易被人體吸收的葡萄糖和半乳糖。通過乳糖酶治療乳糖不耐受是最理想的治療方法。在生產(chǎn)低乳糖乳制品時，一般使用固定化乳糖酶，這是由于降低乳制品的乳糖含量一般采用不連續(xù)間歇過程，但這一過程容易導(dǎo)致乳糖酶活性喪失[3]。利用中性乳糖酶可以開發(fā)低乳糖或無乳糖乳制品，使乳糖不耐受人群可以放心食用乳制品，利用酸性乳糖酶生產(chǎn)醫(yī)用乳糖酶制劑用于嬰幼兒臨床治療的研究也在不斷完善[4]。

1.2 乳糖酶在發(fā)酵乳制品中的應(yīng)用

在發(fā)酵乳生產(chǎn)中，使用乳糖酶水解乳糖生成單糖，再在乳酸菌作用下生成乳酸。當(dāng)乳酸聚集到一定量時，乳液就會發(fā)生凝固現(xiàn)象。乳糖酶水解乳糖生成的產(chǎn)物葡萄糖和半乳糖的發(fā)酵潛力大于乳糖，因此在發(fā)酵生產(chǎn)過程中使用乳糖酶可以加快反應(yīng)速率，提高發(fā)酵效率。將乳糖酶應(yīng)用于褐色發(fā)酵乳制品的制備，在制備過程的褐變處理后、發(fā)酵前加入乳糖酶，可以縮短發(fā)酵時間[5]。乳糖水解還可以提高酸乳黏度，形成獨(dú)特的乳香風(fēng)味，同時相對延長酸乳保質(zhì)期。當(dāng)水解程度較大時，發(fā)酵乳甜度也會隨之增加，因此在發(fā)酵乳生產(chǎn)中使用乳糖酶可以減少糖的用量。在干酪加工生產(chǎn)中使用乳糖酶不僅可以縮短乳凝固時間，而且由于乳糖經(jīng)水解等作用形成乳酸較快，使得凝乳破碎或細(xì)屑較少，提高了干酪回收率[6]。

1.3 乳糖酶在冰淇淋中的應(yīng)用

凍結(jié)乳中一部分鈣鹽會與呈溶解狀態(tài)的乳糖結(jié)合，因此當(dāng)乳糖結(jié)晶時，鈣鹽就會作用于乳蛋白質(zhì)，使蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀；而且由于乳糖水合物的生成，蛋白質(zhì)發(fā)生脫水作用，破壞其膠粒穩(wěn)定性；在生產(chǎn)冰淇淋時加入乳糖酶不僅可以避免上述問題，而且可以增加冰淇淋甜度，減少糖用量，降低冰點(diǎn)，提高冰淇淋在低溫下的抗融化性，抑制乳糖冰晶形成，增加乳蛋白穩(wěn)定性[7]。王貴芳[8]研究表明，使用水解后的脫鹽乳清粉替代部分或全部牛乳固形物時，不僅可以節(jié)約成本，還能減少砂礫和返砂現(xiàn)象，而且不影響產(chǎn)品的膨脹率、融化性及風(fēng)味，大大降低冰淇淋硬度。

1.4 乳糖酶在低聚半乳糖生產(chǎn)中的應(yīng)用

以牛乳中的乳糖為原料，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過乳糖酶的轉(zhuǎn)半乳糖苷作用轉(zhuǎn)移至乳糖分子，從而生成低聚半乳糖。低聚半乳糖不僅具有糖類的共有屬性和良好的口感，是一種新型功能性食品添加劑，而且具有降血壓、增強(qiáng)肝功能、防止便秘或腹瀉等功能，在開發(fā)高血脂、糖尿病、肥胖病人無熱量食品的研究中應(yīng)用較多[9]。低聚半乳糖是一種益生元，具有較強(qiáng)的耐酸性和耐熱性，可以被腸道內(nèi)的雙歧桿菌和乳酸桿菌利用，改善腸道菌群，增強(qiáng)免疫系統(tǒng)[10]。

2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的作用機(jī)理及應(yīng)用

20世紀(jì)50年代，從豚鼠肝臟中分離得到一類可以催化酰基發(fā)生轉(zhuǎn)移的酶，命名為谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶，它可以催化不同化合物的ε-胺類基團(tuán)（酰胺殘基受體）與谷氨酰胺殘基中γ-甲酰胺基團(tuán)（供體）之間異肽鍵的形成，并誘導(dǎo)蛋白質(zhì)間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)[11]。這種催化作用會改變蛋白質(zhì)的溶解性、乳化性、發(fā)泡性和凝膠性等功能性質(zhì)，對牛乳中蛋白質(zhì)聚合發(fā)揮了重要作用[12]。谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶主要來源于動物肝臟和微生物。動物源性谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的活性依賴于Ca2+，而微生物來源谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶不需要Ca2+激活，可以直接通過微生物發(fā)酵獲得，并且對溫度和pH值有較高穩(wěn)定性，生產(chǎn)成本較低[13]。

2.1 谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶在酸乳中的應(yīng)用

酸乳的凝膠體系在攪拌、貯藏和運(yùn)輸過程中容易遭到破壞，導(dǎo)致酸乳組織狀態(tài)發(fā)生變化，乳清析出、黏度降低等，降低酸乳品質(zhì)。在酸乳生產(chǎn)過程中，酪蛋白在酸或凝乳酶作用下通過一些較弱的非共價鍵形成凝膠，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差[14]。若在酸乳生產(chǎn)過程中加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶，就會使乳蛋白分子內(nèi)或分子間形成共價鍵，從而使凝膠體系更加穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到改善，凝膠強(qiáng)度也得到相應(yīng)提高，黏度增大，并且可以防止乳清析出，改善酸乳品質(zhì)[15]。在低脂酸乳生產(chǎn)中，可以先將牛乳經(jīng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶處理制成脫脂乳粉，這種脫脂乳粉形成的凝膠強(qiáng)度較大，持水性較好，生產(chǎn)的低脂酸乳穩(wěn)定性較好，乳清析出較少，質(zhì)地與采用正常牛乳生產(chǎn)的酸乳類似[16]。

2.2 谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶在干酪中的應(yīng)用

谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶可以結(jié)合谷氨酸和賴氨酸殘基，形成較小的蛋白顆粒膠束和致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將水分子牢牢鎖住，從而提高干酪出品率，而且可以使干酪有更高的凝膠強(qiáng)度、堅(jiān)實(shí)度和內(nèi)聚性，改善干酪的質(zhì)構(gòu)特性[17]。將谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶用于干酪加工中，還可以使乳清蛋白和酪蛋白、乳清蛋白交聯(lián)在一起，減少蛋白質(zhì)流失，提高干酪質(zhì)量和得率，增加經(jīng)濟(jì)效益[18]。張新偉等[19]對谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶提高奶油干酪得率進(jìn)行研究，結(jié)果表明：添加0.004～0.400 g/100 mL谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶干酪的水分、脂肪含量等指標(biāo)符合干酪生產(chǎn)的國家標(biāo)椎，產(chǎn)率有一定程度提高，生產(chǎn)時間短，感官評分提高；不同的添加方式（發(fā)酵劑和谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶同時加入、先加入發(fā)酵劑再加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶、先加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶再加入發(fā)酵劑）會導(dǎo)致奶油干酪的硬度和黏度不同，同時加入5 g/100 mL發(fā)酵劑（R-704）和0.04 g/100 mL谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶后，再加入凝乳酶，所得產(chǎn)品的水分含量、脂肪含量和pH值符合標(biāo)椎，生產(chǎn)時間相對較短，產(chǎn)率和感官評分也相對較高。

2.3 谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶在乳粉中的應(yīng)用

乳粉在加工、貯藏和銷售過程中容易受到熱的影響發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，使乳粉中的蛋白質(zhì)發(fā)生變性，降低乳粉功能特性[20]。乳粉結(jié)塊主要由乳粉的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度決定；在加工和貯藏過程中，乳粉局部受熱會使其中的某些成分呈現(xiàn)熔融玻璃態(tài)[15]。酪蛋白是乳粉中的主要成分，其經(jīng)谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶催化后，分子之間形成共價鍵，增大了蛋白質(zhì)分子鍵能，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[20]。因此，在乳粉干制前用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶處理牛乳會防止乳粉生產(chǎn)過程中的結(jié)塊硬化現(xiàn)象。另外，利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶處理的脫脂乳粉作為蛋白強(qiáng)化劑生產(chǎn)脫脂乳酪，可以顯著提高其凝膠硬度和保水能力[21]。

3 凝乳酶特性及其在乳制品中的應(yīng)用

凝乳酶通常是指能誘導(dǎo)牛乳形成凝乳的功能性酶制劑，主要有動物性凝乳酶、植物性凝乳酶、微生物凝乳酶、基因工程凝乳酶和蛋白質(zhì)凝乳酶5 種（表1）。

表1 5 種凝乳酶簡介Table 1 Sources and performance of 5 rennets

3.1 凝乳酶在發(fā)酵乳中的應(yīng)用

普通發(fā)酵乳在加工貯藏過程中是由微弱的非共價鍵維持的凝膠體系，發(fā)酵乳中酪蛋白膠束的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)容易被破壞，導(dǎo)致其水合作用降低，因此形成的結(jié)構(gòu)十分不穩(wěn)定，貯藏期間易坍塌變形，外觀發(fā)生變化，而且使得發(fā)酵乳口感和風(fēng)味變差；將凝乳酶用于發(fā)酵乳生產(chǎn)中可以破壞原料乳中的酪蛋白膠束，然后在鈣離子存在條件下使酪蛋白膠粒之間形成化學(xué)鍵，從而使原料乳凝固[25]。凝乳酶的使用可以改善發(fā)酵乳的功能特性、組織狀態(tài)、凝膠強(qiáng)度等，還可以提高發(fā)酵乳的物理穩(wěn)定性，對凝固型發(fā)酵乳的貯藏和運(yùn)輸十分有利[26]。薛梅等[26]對添加凝乳酶和氯化鈣的發(fā)酵乳特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)添加凝乳酶的發(fā)酵乳多肽分子質(zhì)量小于同一貯藏時間的空白組發(fā)酵乳，說明添加凝乳酶發(fā)酵乳的蛋白質(zhì)水解能力較強(qiáng)，而且其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加連續(xù)、致密、均勻、堅(jiān)固，表明加入凝乳酶的發(fā)酵乳貯藏期間品質(zhì)更好，物理穩(wěn)定性較高。

3.2 凝乳酶在干酪中的應(yīng)用

干酪是通過凝乳、分離乳清等加工工藝將乳、脫脂乳、奶油或酪乳、部分脫脂乳或以這些原料的混合物制得的新鮮或發(fā)酵成熟乳制品。凝乳酶是干酪生產(chǎn)加工中必不可少的關(guān)鍵酶，對凝乳過程及干酪組織結(jié)構(gòu)均具有非常重要的作用，能夠提高干酪風(fēng)味和營養(yǎng)價值。孫潔等[27]篩選3 株凝乳酶高產(chǎn)乳酸菌用于新鮮干酪的制作，結(jié)果表明，以植物乳桿菌RC5作為發(fā)酵劑，在接種量5%、38 ℃發(fā)酵14.5 h、4 ℃后熟60 min工藝條件下進(jìn)行發(fā)酵，干酪凝乳效果好、色澤均勻、奶香濃郁、口感細(xì)膩，為乳酸菌產(chǎn)凝乳酶替代凝乳酶粉的研究和應(yīng)用提供了參考。馬江等[28]對3 種不同凝乳酶制備干酪素的理化性質(zhì)與功能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，木瓜蛋白酶干酪素亮度值（L*）較低，紅度值（a*）和黃度值（b*）較高，米黑毛霉凝乳酶干酪素a*和b*較低，L*較高，色澤品質(zhì)較好，3 種凝乳酶干酪素的營養(yǎng)成分含量與功能性質(zhì)沒有顯著差異。

4 乳過氧化物酶在乳制品中的應(yīng)用

乳過氧化物酶是乳中天然存在的一種酶類，是首個被發(fā)現(xiàn)的分泌型過氧化物酶，乳過氧化物酶是乳中含量最豐富的酶之一；乳過氧化物酶、過氧化氫及硫氰酸鹽組成乳過氧化物酶體系，該體系是一種天然的抗菌活性體系，單獨(dú)的乳過氧化物酶沒有抗菌效果，只有當(dāng)三者同時存在時才可以產(chǎn)生作用，該體系的抗菌機(jī)理主要是以乳過氧化物酶為催化劑，催化過氧化氫氧化硫氰酸根離子生成次硫氰酸根離子，次硫氰酸根離子是具有抗菌活性的物質(zhì)[29]。

基于乳過氧化物酶體系的抗菌活性，將其主要應(yīng)用于乳制品保鮮。乳過氧化物酶體系可以抑制致病菌和腐敗菌生長，在乳制品中使用可以達(dá)到保鮮效果好、保鮮時間長、不影響乳制品質(zhì)量和對人體無害的效果[30]。另外，乳過氧化物酶體系還可以抑制發(fā)酵菌株的活性，延長凝乳時間、降低乳酸產(chǎn)量，在酸乳貯藏、運(yùn)輸和銷售過程中延緩酸乳酸度的增加，保持酸乳風(fēng)味，延長酸乳保質(zhì)期[31]。

乳過氧化物酶具有較高的熱穩(wěn)定性，其殘留活力可以用于檢測乳制品的巴氏殺菌效果。牛乳經(jīng)78 ℃熱處理15 s就可以使乳過氧化物酶完全失活[32]。在牛乳正常巴氏殺菌（63 ℃、30 min或72 ℃、15 s）過程中乳過氧化物酶可以保持其活性，但是80 ℃熱處理2.5 s其活性就會被破壞[33]。72 ℃熱處理15 s條件下可以提高乳過氧化物酶活性，有助于延長巴氏殺菌乳低溫貯藏條件下的保質(zhì)期[34]。Kussendrager等[35]研究表明，乳過氧化物酶在酸性條件下（pH 5.3）熱穩(wěn)定性較差，可能是由于分子中的鈣離子被釋放出來，鈣離子含量對其熱穩(wěn)定性影響較大。

5 酶聯(lián)免疫分析法在乳制品中的應(yīng)用

酶制劑檢測法是測定采用一般化學(xué)方法難以檢測的食品成分含量或測定食品中某些特殊酶的活性或含量，如測定食品中殘留有機(jī)農(nóng)藥的含量、微生物污染或了解食品的制備、保存情況等[36]。20世紀(jì)70年代，荷蘭和瑞典學(xué)者提出酶聯(lián)免疫分析法，用于檢測食品安全性，該方法檢測流程簡單，定量檢測效果較為理想[37]。酶聯(lián)免疫分析法作為一種標(biāo)記免疫學(xué)技術(shù)，其操作方法相對簡單，因此在食品安全及食品衛(wèi)生檢測中得到廣泛運(yùn)用[38]。酶聯(lián)免疫分析法在乳制品檢測中具有很大優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。酶聯(lián)免疫分析法在乳制品中的部分應(yīng)用如表2所示。

表2 酶聯(lián)免疫分析法在乳制品中的部分應(yīng)用Table 2 Selected applications of enzyme-linked immunoassay to dairy products

6 結(jié) 語

酶技術(shù)出現(xiàn)后，酶制劑在乳品行業(yè)得到快速發(fā)展與應(yīng)用，在乳制品加工、保鮮和檢測等領(lǐng)域得以有效利用，繼而加快乳品行業(yè)的發(fā)展。在乳制品生產(chǎn)過程中可直接應(yīng)用各種酶制劑，既能提升乳制品的安全性，還可以延長其保質(zhì)期，在乳制品檢測方面可以達(dá)到更加高效、便捷的效果。同時，隨著酶技術(shù)的持續(xù)革新優(yōu)化，酶制劑的使用可顯著降低乳制品生產(chǎn)成本，將產(chǎn)品安全及質(zhì)量提升至新高度。在生物技術(shù)日漸成熟的背景下，酶制劑在乳制品加工保鮮與檢測中的應(yīng)用有助于促進(jìn)我國乳品行業(yè)的健康發(fā)展，確保乳品加工生產(chǎn)的安全性。