姜汁凝乳的研究進展

鮑文娜,陳 怡,潘海峰,劉士旺

(1.浙江科技學院 生物與化學工程學院,杭州 310023;2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學與生物加工技術(shù)重點實驗室,杭州 310023;3.博順科技(浙江)有限公司,浙江 湖州 313002)

姜汁加入適溫的牛奶中靜置,可得姜汁凝乳,俗稱姜撞奶。它是一種廣東、福建等地盛行的傳統(tǒng)甜品,其口味醇厚、風味獨特[1],具有暖胃、驅(qū)寒、抗菌、促進血液循環(huán)、增強免疫力等作用[2],兼具牛奶和生姜的營養(yǎng)價值,頗受消費者喜愛。姜汁中有凝乳成分,可作為天然凝乳劑。人們對姜汁凝乳成分及其機理的研究日益深入,但凝乳機理尚存爭議,故本綜述在剖析生姜主要組分及活性功能的基礎上,結(jié)合對姜汁凝乳制備工藝中影響因素的分析,探討其凝乳成分并總結(jié)其凝乳機理。

1 生姜組分及活性功能的研究

生姜原產(chǎn)于太平洋群島,是草本植物姜的根莖,姜屬于姜科薯芋類[3]36,品種多樣,在中國河南、山東、廣東等地也有種植。雖然中國生姜產(chǎn)量很高,但對其綜合利用程度很低[4]。它的根莖肥厚、扁平,有辛辣味,既可作為調(diào)味品,也可作為中藥,還能作為天然食品添加劑,具有化痰止咳、消炎抗菌、抗腫瘤、降血糖、改善血液循環(huán)等功效[5]。生姜的主要成分包括淀粉、脂類、蛋白質(zhì)和無機化合物,其風味特征是由其單萜和倍半萜化合物決定的[6]。它含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖、維生素及胡蘿卜素和鈣、鐵、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[7],還含有大量可溶性膳食纖維。研究發(fā)現(xiàn),每100 g生姜(可食部分)中,含蛋白質(zhì)1.4 g、糖8.8 g、脂肪0.7 g、鈣20 mg、鐵7.0 mg、維生素B1 0.01 mg、維生素C 4 mg、胡蘿卜素0.18 g、磷45 mg及尼克酸0.4 mg等[3]37。

生姜主要功能活性成分包括生姜蛋白酶、姜醇、姜酚、姜烯、黃酮等物質(zhì),此外,還含有抗菌成分,新鮮姜汁對大腸桿菌、啤酒酵母、青霉有較明顯的抑菌效果[8]。由于生姜中含有酚類、β-二酮基類、姜辣素、二苯基庚烷等物質(zhì),因此具有抗氧化作用[9],它們能夠抑制體內(nèi)過氧化脂質(zhì)的生成并清除自由基[10],姜辣素類物質(zhì)的抗氧化活性大于維生素E,用有機溶劑提取生姜得到的提取物極性越大,抗氧化活性則越大。生姜對不同癌細胞均有抑制作用,其抗癌作用主要是通過調(diào)節(jié)多種信號分子來實現(xiàn)的[11]。姜烯可以刺激胃黏膜合成內(nèi)源性胃蛋白酶原并釋放,內(nèi)源性胃蛋白酶原具有保護細胞的作用,從而保護胃黏膜,起到健胃止吐的作用。姜烯酚和姜醇具有消炎鎮(zhèn)痛、驅(qū)寒活血的作用,可減輕牙痛、緩解偏頭痛,生姜泡酒能緩解關節(jié)炎的疼痛。此外,生姜具有驅(qū)寒活血的功效,還能降低血液中膽固醇的含量,從而降低血脂、促進血液循環(huán)。

2 姜汁凝乳的制備工藝及影響因素研究

姜汁凝乳的工藝路線是:牛奶制備→調(diào)節(jié)pH→殺菌→與姜汁(紗布過濾)沖漿混合→混勻后靜置→觀察。在制備過程中要注意選擇無傷痕、無異味、能儲存一段時間的老姜。

目前,姜汁凝乳的市場普及率不高且相關研究也較少,對其工藝研究主要集中在復合物添加比例和凝乳機理等方面。鐘紅梅等[12]通過單因素及正交試驗來測定姜汁凝乳的質(zhì)構(gòu)指標、感官指標、持水力等,發(fā)現(xiàn)牛奶溫度、姜汁添加量、pH、氯化鈣添加量都會影響姜汁凝乳的口感和品質(zhì)。王文亮等[13]發(fā)現(xiàn)除了姜汁添加量和凝乳溫度、氯化鈣添加量之外,檸檬酸添加量也會影響姜汁凝乳的效果。張衛(wèi)佳等[14]研究了姜汁添加量、沖漿溫度、酸度及殺菌條件等因素對姜汁凝乳效果的影響,發(fā)現(xiàn)姜汁添加量和溫度是影響姜汁凝乳效果的主要外部因素。而張佳程等[15]認為影響姜汁凝乳效果的主要外部因素是溫度和pH,干酪素和氯化鈣是凝乳促進物。綜上,影響姜汁凝乳效果的主要因素有姜汁添加量、溫度、pH、氯化鈣等。

從理論上分析,姜汁添加量越大,則生姜蛋白酶含量越高,牛奶中κ-酪蛋白被分解得越多,疏水性通道也隨之增多,那么進入的凝乳促進物離子如Ca2+也增加,αs1-酪蛋白的活性部位變多,因此姜汁添加量的增加可使酪蛋白凝聚成完整的凝塊,凝乳的效果更好。但姜汁添加量若過高會造成辣味過重,影響姜汁凝乳的口感及品質(zhì),因此要選擇適宜的姜汁添加量。溫度可影響生姜蛋白酶的活性,蛋白酶具有較高的最適溫度(60 ℃)。除此之外,溫度還與分子運動有關,隨著溫度的升高,分子運動加劇,增加了膠束間的碰撞,從而增加結(jié)合部位,進而增大凝塊強度[16]。當pH值小于5.0時,牛奶發(fā)生酸凝乳,其凝乳狀態(tài)與姜汁凝乳不同;當pH值大于6.0時,凝乳效果隨pH值增大而變差,因此最佳pH值為5.0～6.0[15]58。溫度和pH可影響生姜蛋白酶活性,為取得較好的凝乳效果,要選擇合適的溫度和pH范圍。Ca2+可進入酪蛋白膠束的疏水通道促進凝乳,因此添加了CaCl2的牛奶凝乳時間縮短且效果好。

3 姜汁凝乳機理的研究

3.1 生姜凝乳成分

人們對姜汁凝乳成分及其機理的研究日益深入,但也有所爭議。唐琳等[17]發(fā)現(xiàn)姜汁水浸提液和水蒸氣蒸餾液具有顯著的凝乳功能,這與其中含有蛋白酶、姜醇等物質(zhì)有關。張平平等[18]分別利用揮發(fā)油及生姜蛋白酶粗提物進行凝乳試驗,其結(jié)果是前者無法使奶凝固,而后者可行。曾劍超等[19]分別利用生姜蛋白酶粗提液、姜精油和姜油樹脂進行凝乳試驗,發(fā)現(xiàn)只有生姜蛋白酶提取物有凝乳效果,后兩物均無法凝乳?，F(xiàn)有研究表明,姜汁中的生姜蛋白酶是主要的凝乳因子[20],且姜醇、姜烯酚、副姜油酮等物質(zhì)對凝乳起輔助作用[21]。生姜蛋白酶具有較高的凝乳活性和蛋白酶活性,從凝乳活性、蛋白酶活性和對κ-酪蛋白的特異性等方面來看,生姜蛋白酶是一種很有發(fā)展前景的類凝乳酶蛋白酶,它作為凝乳酶在乳品工業(yè)中具有替代和催化的潛在用途,可用于奶酪和乳制品的生產(chǎn)。

3.2 生姜蛋白酶

生姜根莖中含有蛋白酶GP-Ⅰ和GP-Ⅱ,現(xiàn)已確定GP-Ⅱ的完整氨基酸序列和GP-Ⅰ約98%的氨基酸序列[22]。生姜蛋白酶是半胱氨酸蛋白酶,與木瓜蛋白酶、無花果蛋白酶、菠蘿蛋白酶、獼猴桃蛋白酶同屬于木瓜蛋白酶超家族,其中獼猴桃蛋白酶和生姜蛋白酶所產(chǎn)生的凝乳紋理特性與小牛皺胃凝乳酶相似[23]。這些肽酶被合成為帶有信號肽和N(氨基)端前肽區(qū)的酶原或非活性前體,并通過蛋白水解裂解激活,然后從酶中分離出N端片段或pro(酶原)區(qū)域[22]。生姜蛋白酶中半胱氨酸殘基上的巰基是其能凝固牛乳的活性部位,使用生姜作為凝乳酶,既利用了中國產(chǎn)量大但利用率低的生姜資源,又能降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。除此之外,生姜蛋白酶還能水解肉類、酒類中的蛋白質(zhì)從而達到嫩化肉類、澄清酒類的效果[24]。

生姜蛋白酶提取方法主要有超濾法和有機溶劑沉淀法。超濾技術(shù)利用超濾膜能去除酶促褐變反應產(chǎn)生的酚類物質(zhì),防止酶促褐變[25],超濾法操作簡單、效率高、安全、成本低,用它得到的生姜蛋白酶活性高,適合工業(yè)化生產(chǎn)。用有機溶劑提取生姜蛋白酶常用的沉淀劑為丙酮、硫酸銨、單寧等,這種方法提取純度高,但成本高、效率低。因此可采取超濾法與有機溶劑相結(jié)合來達到提取生姜蛋白酶的目的[26],提取得到的生姜蛋白酶濃縮液利用弱陰離子交換樹脂對生姜蛋白酶進行純化[27]。

生姜蛋白酶能水解αs1-、β-、κ-酪蛋白,αs1-酪蛋白對生姜蛋白酶最敏感,κ-酪蛋白具有比αs1-和β-酪蛋白更高的水解特異性,且隨著溫度的升高,生姜蛋白酶對κ-酪蛋白的特異性也升高。Cu2+、Fe2+能抑制生姜蛋白酶的活性,而Ca2+、乙二胺四乙酸和二硫蘇糖醇能激活生姜蛋白酶[28]。目前對生姜蛋白酶的研究及利用較少,在人們越來越追求天然、綠色的食品添加劑的背景下,生姜蛋白酶作為食品添加劑可成為產(chǎn)品的優(yōu)勢,利用生姜中蛋白酶的凝乳作用,結(jié)合生姜與牛乳二者的優(yōu)勢,制備功能性酸奶和干酪具有現(xiàn)實意義。

3.3 生姜凝乳的分子機理

牛乳蛋白中80%是酪蛋白,它主要由αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白組成。αs1-酪蛋白的疏水性較強,帶有較多的絲氨酸磷酸化殘基位點,能與Ca2+結(jié)合,是鈣敏感性蛋白質(zhì)。αs2-酪蛋白在所有酪蛋白中親水性最強,其結(jié)構(gòu)中帶有3簇負電荷的磷酸絲氨酸和谷氨酸殘基。β-酪蛋白是所有酪蛋白中疏水性最強的,其N端含有負電荷磷酸化絲氨酸簇,能與Ca2+結(jié)合,C(羧基)端非常疏水,占整個鏈長的3/4。κ-酪蛋白的親水性較強,只有一個磷酸絲氨酸殘基,沒有蘇氨酸糖苷化殘基,對Ca2+不敏感,凝乳酶可水解Phe105-Met106殘基之間的肽鍵,產(chǎn)生副κ-酪蛋白(κ-CN)[29]。

牛乳中95%以上的酪蛋白以懸浮膠體的形式存在,膠束呈球形,其直徑約為40～300 nm。關于酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)模型較多,有套核模型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型、亞單元模型、Holt模型、雙結(jié)合模型等[30],現(xiàn)公認的酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)模型是,酪蛋白膠束中心主要由疏水性較強的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白組成,能結(jié)合Ca2+,它們通過疏水區(qū)域相互作用形成疏水核心,膠粒外層主要是由親水的κ-酪蛋白組成,形成親水區(qū)域,阻擋住了中央疏水性核心,進而防止乳漿中Ca2+與膠粒中心的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白的結(jié)合,從而使得酪蛋白膠束以相對穩(wěn)定的膠體懸浮液形式存在。從以上分析中可以看出,κ-酪蛋白是酪蛋白膠束得以穩(wěn)定的原因,若將κ-酪蛋白降解,可解除外層的親水保護,暴露膠束中心的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白,使之與Ca2+結(jié)合,最終導致凝乳[31]。

姜汁中含有生姜蛋白酶,目前對姜汁凝乳機理的研究主要集中在生姜蛋白酶方面。生姜蛋白酶與凝乳酶的作用機理類似,只是酶的性質(zhì)和作用位點不同。凝乳酶水解κ-酪蛋白在Phe105-Met106之間的肽鍵,釋放親水C端的酪蛋白巨肽,使酪蛋白膠束不再穩(wěn)定,從而導致牛奶凝結(jié)[29]。生姜蛋白酶的水解性質(zhì)受底物特性、溫度等因素影響[32]。當水解底物為κ-酪蛋白單體且溫度高于60 ℃時,Ala90-Glu91和His102-Leu103是生姜蛋白酶的首選靶鍵,其次為Thr121-Ile122,它們分別產(chǎn)生κ-CN(f1-90)、κ-CN(f1-102)和κ-CN(f1-121)的N末端疏水性肽段。但若水解底物為κ-酪蛋白單體且溫度較低時,水解特異性降低,除產(chǎn)生上述3種肽段外,還會產(chǎn)生分子量高于κ-CN(f1-121)的產(chǎn)物。當水解底物為脫脂乳體系時,生姜蛋白酶幾乎不能水解αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白和β-酪蛋白,而是主要作用于κ-酪蛋白的Thr121-Ile122肽鍵,產(chǎn)生N末端的副κ-酪蛋白κ-CN(f1-121)和C末端的酪蛋白巨肽,使酪蛋白失去穩(wěn)定性而凝結(jié)成凝膠[33],酪蛋白顆粒越小,形成的凝膠強度則越大[34]。

綜上所述,姜汁凝乳的分子機理是:生姜蛋白酶可水解酪蛋白膠束親水外層κ-酪蛋白的Thr121-Ile122肽鍵,產(chǎn)生N末端的副κ-酪蛋白κ-CN(f1-121)和C末端的酪蛋白巨肽,降低酪蛋白膠束之間靜電斥力和空間位阻作用,破壞了酪蛋白膠粒的穩(wěn)定性,使得膠束疏水中心的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白暴露。生姜蛋白酶水解形成的酪蛋白巨肽是可溶的,可直接釋放到乳清中。當大多數(shù)κ-酪蛋白被降解時,副κ-酪蛋白κ-CN(f1-121)、αs1-酪蛋白和β-酪蛋白在牛乳中Ca2+的作用下,彼此之間形成“鈣橋”,酪蛋白相互凝聚,最終產(chǎn)生凝膠。

4 展 望

現(xiàn)有研究表明,生姜具有消炎抗菌、改善血液循環(huán)等功能,對人體健康有益,生姜蛋白酶作為生姜中的主要凝乳成分,除了凝乳作用之外,還具有嫩滑肉類、澄清酒類的作用,具有廣泛的應用前景。同時,姜汁凝乳制備工藝、凝乳因子成分及其凝乳作用方式也已明確,但目前對姜汁凝乳機理的研究停留于酶凝乳階段。姜汁凝乳是在酸化與生姜蛋白酶共同作用下誘導形成的,即酸酶共促凝乳,它涉及酸化和酶解兩個因素及其相互作用,但目前對酸酶共促凝乳的機理尚未明確,研究難度較大。因此研究姜汁凝乳的風味特征、流變學和結(jié)構(gòu)學性質(zhì),并通過數(shù)學模型表征它們之間的相互作用,可進一步明確姜汁的酸酶共促凝乳機理,加快生姜蛋白酶在乳品工業(yè)中的應用,以替代價格較昂貴的小牛皺胃凝乳酶,有效提高中國生姜的利用率。此外,生姜蛋白酶易失活,在明晰其凝乳機理的基礎上,如果能提高它的穩(wěn)定性,則可進一步降低成本,擴大它的應用領域,提高生姜的利用價值。

5 結(jié) 語

姜汁凝乳具有暖胃、驅(qū)寒、促進血液循環(huán)、增強免疫力和抗菌等作用,姜汁凝乳機理的研究為干酪生產(chǎn)中凝乳酶的開發(fā)提供了新思路。現(xiàn)有研究表明生姜中的主要凝乳因子是生姜蛋白酶,同時姜醇、姜烯酚、副姜油酮等物質(zhì)也有一定的凝乳作用。對姜汁凝乳的風味物質(zhì)、流變學、結(jié)構(gòu)學性質(zhì)及其相互作用的研究可進一步明確姜汁凝乳機理,這也許是未來研究的熱點與方向。