米黑毛霉酶凝干酪素生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化研究

李學(xué)朋,關(guān)明玲,趙保堂,楊　敏,文鵬程,張忠明,張衛(wèi)兵,*,師希雄,*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.甘肅省功能乳品工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

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米黑毛霉酶凝干酪素生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化研究

李學(xué)朋1,2,關(guān)明玲1,2,趙保堂1,楊敏1,2,文鵬程1,2,張忠明1,張衛(wèi)兵1,2,*,師希雄1,*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070;2.甘肅省功能乳品工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

以新鮮牛乳為原料,采用米黑毛霉凝乳酶為凝乳劑,先通過單因素實(shí)驗(yàn)研究凝乳酶添加量、CaCl2添加量、凝乳pH、凝乳溫度對(duì)酶凝干酪素得率的影響,然后通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化了米黑毛霉酶凝干酪素生產(chǎn)工藝參數(shù)。優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)為:凝乳酶添加量0.49%、CaCl2添加量0.37 mg/mL、凝乳pH6.08、凝乳溫度35 ℃,在此條件下酶凝干酪素的得率可達(dá)3.39%。研究結(jié)果可為米黑毛霉凝乳酶在干酪素生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

米黑毛霉,酶凝干酪素,工藝優(yōu)化

酪蛋白是牛乳中一大類含磷蛋白的總稱,含量約為總蛋白的80%[1]。在脫脂牛乳中加入凝乳酶,則可將酪蛋白分離沉淀出來,通過這種方法獲得的酪蛋白產(chǎn)品為凝乳酶干酪素[2]。凝乳酶干酪素是一種蛋白含量較高的干酪素,具有良好的融化性、拉伸性、凝膠性并且有較強(qiáng)的染色附著力和抗擠壓力,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、機(jī)械制造、皮革、紡織、塑料等行業(yè)[3-9]。凝乳酶干酪素生產(chǎn)中起關(guān)鍵作用的凝乳酶主要包括動(dòng)物凝乳酶、植物凝乳酶和微生物凝乳酶等[10-11]。小牛皺胃酶是最為常用的動(dòng)物凝乳酶,用其生產(chǎn)干酪素得率較高、品質(zhì)較好,但來源有限、成本較高,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展通過宰殺犢牛來獲得凝乳酶,已無法滿足工業(yè)化發(fā)展的需求[12]。植物凝乳酶雖然在成本上有一定優(yōu)勢(shì),但因蛋白水解活力高,在乳制品加工中常出現(xiàn)苦澀感。同時(shí)要受到時(shí)間、生長(zhǎng)周期等諸多條件限制，因此發(fā)展有一定的局限性。微生物凝乳酶具有來源廣泛、提取方便、經(jīng)濟(jì)效益高等的特點(diǎn),是小牛皺胃酶較有潛力的替代品[13-14]。

米黑毛霉是微生物中產(chǎn)凝乳酶活力較高的真菌,目前關(guān)于其產(chǎn)酶條件、酶學(xué)性質(zhì)的研究較多,但有關(guān)米黑毛霉凝乳酶在干酪素生產(chǎn)中應(yīng)用的報(bào)道尚未見到。本實(shí)驗(yàn)以新鮮牛乳為原料,首先采用單因素實(shí)驗(yàn)研究凝乳酶添加量、CaCl2添加量、凝乳pH、凝乳溫度對(duì)凝乳效果的影響,并通過響應(yīng)面法優(yōu)化凝乳工藝及參數(shù),探討工藝參數(shù)對(duì)干酪素得率的影響,為工業(yè)化生產(chǎn)微生物凝乳酶干酪素生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

新鮮牛乳甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)奶牛場(chǎng);米黑毛霉凝乳酶采用本實(shí)驗(yàn)室米黑毛霉發(fā)酵制備[15],凝乳酶活力為2700 SU/mL;脫脂奶粉內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司。

氯化鈣、鹽酸等試劑均為分析純。

AL204 電子天平梅特勒-托利多儀器上海有限公司;HWS26 型電熱恒溫水浴鍋上海一恒科技有限公司;TDD5M 低速離心機(jī)長(zhǎng)沙平凡儀器儀表有限公司;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1干酪素生產(chǎn)工藝流程參照甘伯中[16]等人的方法并改進(jìn)。

新鮮牛乳→脫脂→巴氏殺菌→添加CaCl2、凝乳酶凝乳→切割→加熱收縮→排乳清→洗滌→干燥→粉碎→成品

操作要點(diǎn):

(1)脫脂:將原料乳加熱至38～40 ℃進(jìn)行離心脫脂(4000 r/min,15 min)除去脂肪以及雜質(zhì);

(2)巴氏殺菌:63～65 ℃,30 min;

(3)凝乳:根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中不同凝乳酶添加量添加凝乳酶,適當(dāng)攪拌后凝乳;

(4)切割:待完成凝乳后,用刀將凝塊切為方塊。

(5)加熱、排乳清:緩慢升溫至60 ℃并不斷攪拌,控制加熱時(shí)間為30 min,之后除去乳清;

(6)洗滌:加入與脫脂乳等體積的50 ℃水清洗凝乳粒,反復(fù)操作3次;

(7)干燥:鼓風(fēng)干燥箱中45 ℃烘干5 h;

(8)粉碎:利用粉碎機(jī)將干燥后的干酪素粉碎。

1.2.2凝乳酶活力測(cè)定采用Arima法[17]。

1.2.3干酪素得率的測(cè)定參照劉佳[18]等人的方法。

得率(%)=酶凝干酪素質(zhì)量/原料乳質(zhì)量×100

1.2.4單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.4.1凝乳酶添加量對(duì)干酪素得率的影響取200 mL巴氏殺菌后的脫脂乳,調(diào)整 pH為 6,加入CaCl2的量為0.3 mg/mL,添加凝乳酶的量(v/v)分別設(shè)定為0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%,調(diào)節(jié)凝乳溫度為40 ℃,適當(dāng)攪拌后,保溫 30 min,凝乳后洗滌、干燥,稱重并計(jì)算得率。

1.2.4.2CaCl2添加量對(duì)干酪素得率的影響取200 mL巴氏殺菌后的脫脂乳,調(diào)整 pH為 6.0,同時(shí)分別加入0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL的CaCl2,添加1%的凝乳酶,調(diào)節(jié)凝乳溫度為 40 ℃,適當(dāng)攪拌后,保溫 30 min,凝乳后洗滌、干燥,稱重并計(jì)算得率。

1.2.4.3凝乳pH對(duì)干酪素得率的影響取200 mL巴氏殺菌后的脫脂乳,將pH分別調(diào)整為 5.8、6.0、6.2、6.4、6.6,加入CaCl2的量為0.3 mg/mL,添加1%的凝乳酶,調(diào)節(jié)凝乳溫度為 40 ℃,適當(dāng)攪拌后,保溫 30 min,凝乳后洗滌、干燥,稱重并計(jì)算得率。

1.2.4.4凝乳溫度對(duì)干酪素得率的影響取200 mL巴氏殺菌后的脫脂乳,調(diào)整pH為6.0,并加入CaCl2的量為0.3 mg/mL,添加1%的凝乳酶,調(diào)節(jié)凝乳溫度分別為 25、30、35、40、45 ℃,適當(dāng)攪拌后,保溫 30 min,凝乳后洗滌、干燥,稱重并計(jì)算得率。

1.2.5響應(yīng)面設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析利用Design-Expert 7.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。以單因素實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化米黑毛霉凝乳酶干酪素生產(chǎn)工藝參數(shù)。選取影響凝乳特性的4個(gè)因素為:凝乳酶添加量(A)、CaCl2添加量(B)、凝乳pH(C)、凝乳溫度(D)。每一個(gè)因素水平分別以-1、0、1編碼,以得率為響應(yīng)值。實(shí)驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)見表1,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表1　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表Table 1　Factors and levels of Box-Behnken design

1.2.6數(shù)據(jù)分析利用Design-Expert 7.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1凝乳酶添加量對(duì)干酪素得率的影響不同米黑毛霉凝乳酶的添加量對(duì)干酪素得率的影響如圖1。由圖1可以看出,酶添加量對(duì)干酪素的得率影響較大。在凝乳酶添加量為0.25%時(shí),干酪素的得率較低為2.92%;當(dāng)凝乳酶的添加量為0.5%時(shí),干酪素的得率達(dá)到最大(3.15%);此后干酪素得率顯著下降,當(dāng)酶添加量為1.25%時(shí),干酪素的得率下降至2.57%。這是因?yàn)槟樾Ч麑?duì)干酪素的得率有直接作用,酶濃度較低時(shí)凝乳較慢,形成的凝乳較軟、易碎,水洗時(shí)損失較大,而酶濃度過高時(shí)凝乳速度加快,但是形成的凝塊彈性差、易碎,水洗時(shí)損失也較大,因而使干酪素的得率降低[18]。因此,米黑毛霉凝乳酶的添加量選擇0.5%。

圖1　酶添加量對(duì)干酪素得率的影響Fig.1　Effect of chymosin addition amount on product yield

2.1.2CaCl2添加量對(duì)干酪素得率的影響鈣離子主要影響酪蛋白酶凝過程的非酶反應(yīng)階段,它會(huì)在副酪蛋白分子間形成“鈣橋”,使副酪蛋白的微粒發(fā)生團(tuán)聚作用而產(chǎn)生凝膠體。鈣離子濃度較低時(shí),鈣橋形成不完全,從而影響凝乳效果[18]。由圖2可知,當(dāng)添加氯化鈣為0.1 mg/mL時(shí),干酪素的得率為2.6%;隨著氯化鈣添加量的增加,干酪素得率迅速增加,當(dāng)添加氯化鈣0.3～0.4 mg/mL時(shí),干酪素得率變化不大,此后干酪素得率緩慢下降。綜上所述,選擇添加氯化鈣范圍為0.3～0.4 mg/mL。

圖2　氯化鈣添加量對(duì)干酪素得率的影響Fig.2　Effect of CaCl2 addition amount on product yield

2.1.3凝乳pH對(duì)干酪素得率的影響凝乳pH會(huì)影響酶和底物的解離狀態(tài)和電荷平衡,適宜的pH可以減弱它們之間的排斥作用,改善凝乳效果,從而提高干酪素的得率。過高的pH會(huì)影響酶的結(jié)構(gòu),甚至使酶變性而失活,從而影響凝乳效果并使干酪素得率下降[19]。凝乳pH對(duì)干酪素得率的影響如圖3所示。當(dāng)pH為5.8時(shí),得率較低,為2.49%;此后隨著凝乳pH的升高,干酪素得率呈上升趨勢(shì),當(dāng)凝乳pH升至6.2時(shí),得率最大為3.09%;當(dāng)pH繼續(xù)增加,干酪素得率迅速下降。因此選擇 pH6.2為最適凝乳條件,在此條件下形成的凝塊細(xì)膩、硬度適宜、彈性好、不易碎,乳清中損失的蛋白質(zhì)少。

圖3　凝乳pH對(duì)干酪素得率的影響Fig.3　Effect of curd pH on product yield

2.1.4凝乳溫度對(duì)干酪素得率的影響凝乳溫度對(duì)干酪素得率有一定的影響,溫度較低時(shí)酶促反應(yīng)較慢,凝乳不完全,另外形成的凝乳較軟易碎,在后期洗滌過程中會(huì)有一定損失導(dǎo)致得率下降。溫度過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致酶失活,從而失去凝乳效果[20]。凝乳溫度對(duì)干酪素得率的影響如圖4所示。由圖4可以看出,當(dāng)凝乳溫度低于35 ℃時(shí),干酪素的得率隨著溫度升高逐漸增大;當(dāng)溫度升高至35 ℃時(shí),干酪素得率達(dá)到最大(3.06%);此后隨著溫度的升高,干酪素得率逐漸減小,45 ℃時(shí)迅速降低為2.79%,說明此時(shí)酶活損失較多,影響了凝乳效果。因此,凝乳溫度選擇35 ℃。

圖4　凝乳溫度對(duì)干酪素得率的影響Fig.4　Effect of curd temperature on product yield

2.2響應(yīng)面分析

根據(jù) Box-Behnken 設(shè)計(jì),響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了29組實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如表2所示。利用Design Expert 7.0 軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得到回歸方程如下:

R=-17.17+6.54A-0.80B+5.83C+0.16D-0.01AB+0.85AC-0.002AD+0.21BC-0.0005BD+0.0025CD-11.89A2-0.063B2-0.59C2-0.0025D2

表3　回歸方程的方差分析結(jié)果Table 3　Regression equation of the results of variance analysis

由表3可以看出,模型中A、AC、BC、A2、B2、D2為顯著因素,說明酶添加量、氯化鈣添加量、pH、凝乳溫度對(duì)干酪素得率都有一定影響,且它們之間的關(guān)系不是線性關(guān)系。通過分析回歸系數(shù)可知影響干酪素得率的各因素的主次順序?yàn)?酶添加量>pH>凝乳溫度>氯化鈣添加量。同時(shí)由表3可以看出酶添加量和pH、氯化鈣添加量和pH之間的交互作用較顯著,而其它幾個(gè)因素間的交互作用不顯著。

2.3最優(yōu)工藝條件的確定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

采用 Design-Expert 軟件預(yù)測(cè)得到干酪素得率的最大估計(jì)值為 3.44%,此時(shí)A、B、C、D四個(gè)因素對(duì)應(yīng)的水平為:凝乳酶添加量為0.49%、CaCl2添加量為0.37 mg/mL、凝乳pH6.08、凝乳溫度34.48 ℃。

為檢驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性,采用上述優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為了在實(shí)際中操作方便,將凝乳溫度修正為35 ℃,其它條件不變,進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)得出的平均得率為3.39%,與預(yù)測(cè)值差異不顯著,說明優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是可靠的。

實(shí)驗(yàn)得到的干酪素產(chǎn)品如圖5所示,干燥前色澤為白色,凝塊質(zhì)地適中,有彈性(圖5a);干燥后的凝乳顆粒表面色澤為淺黃色,內(nèi)為白色(圖5b);顆粒粉碎后干酪素產(chǎn)品為均一的白色粉末(圖5c)。

圖5　米黑毛霉凝乳酶干酪素產(chǎn)品Fig.5　Rennet casein with milk-clotting enzyme from Mucor miehei注:a.干燥前干酪素產(chǎn)品;b.干燥后干酪素產(chǎn)品; c.干燥粉碎后干酪素產(chǎn)品。

3　結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn),Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)米黑毛霉凝乳酶干酪素生產(chǎn)中凝乳工藝進(jìn)行了優(yōu)化,得出4個(gè)因素對(duì)干酪素得率影響大小依次為:凝乳酶添加量>凝乳pH>凝乳溫度>氯化鈣添加量。通過優(yōu)化后得到的最佳凝乳工藝參數(shù)為:凝乳酶添加量為0.49%、CaCl2添加量為0.37 mg/mL、凝乳pH6.08、凝乳溫度35 ℃。在此條件下,酶凝干酪素的理論得率為3.44%,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的得率為3.39%,兩者差異不顯著。實(shí)驗(yàn)得到的干酪素產(chǎn)品為白色粉末。

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Research of the optimization in parameters of casein production with milk-clotting enzyme fromMucormiehei

LI Xue-peng1,2,GUAN Ming-ling1,2,ZHAO Bao-tang1,YANG Min1,2,WEN Peng-cheng1,2,ZHANG Zhong-ming1,ZHANG Wei-bing1,2,*,SHI Xi-xong1,*

(1.College of Food Science and Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2. Gansu Provincial Functional Dairy Engineering Laboratory,Lanzhou 730070,China;3. College of Science,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Fresh milk was selected as the raw material andMucormieheichymosin was used as the coagulant to prepare rennet casein. First,the effects of addition volume of enzyme and CaCl2,pH and temperature on the yield of rennet casein were studied using the single factor experiment. Subsequently,the technological parameters of casein production with milk-clotting enzyme fromMucormieheiwere further optimized by Box-Behnken design. The results showed the optimum technological parameters were chymosin addition amount of 0.49%,CaCl2addition amount of 0.37 mg/mL,pH6.08 and curd temperature of 35 ℃. Under the optimal conditions,the maximum yield of rennet casein was 3.39%. The study could provide reference basis for the full utilization ofMucormieheichymosin in the production of rennet casein.

Mucormiehei;rennet casein;process optimization

2015-07-13

李學(xué)朋(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：乳品加工，E-mail:1101266997@qq.com。

張衛(wèi)兵(1974-)，男，博士，副教授，研究方向：食品微生物，E-mail:zhangwb@gsau.edu.cn。

師希雄(1977-)，男，博士，副教授，研究方向：食品加工，E-mail:shixx@gsau.edu.cn。

甘肅省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目(GNCX-2014-31)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560442)；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA100903)。

TS201.1

B

1002-0306(2016)03-0191-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.032