李思寧,唐善虎,毛濛蘭,胡 洋
(西南民族大學生命科學與技術學院,四川成都 610041)
酸奶是以鮮牛奶為主要原料,經乳酸菌發酵而形成的一種風味獨特、營養豐富的功能性乳制品[1]。在實際的生產、運輸、儲藏過程中,凝固型酸奶普遍存在因凝膠脆弱導致組織狀態破壞及乳清析出等問題,嚴重影響了酸奶的品質[2],這些缺陷可以通過添加穩定增稠劑或者蛋白質交聯改性來解決。
目前,牛奶蛋白的交聯改性研究主要集中于谷氨酰胺轉氨酶(TG酶)的應用。TG酶是一種催化蛋白質中賴氨酸上的ε-氨基和谷氨酸上γ-羥酰胺基之間的結合反應,通過轉谷氨酞胺作用形成共價化合物的聚合酶[3]。Schorsch等[4-5]研究表明,在發酵階段,牛奶中的酪蛋白膠束會受TG酶的影響而減少分散。蘇海龍[6]研究了TG酶在凝固型酸奶中的應用,發現加入TG酶可以使凝固型酸奶的乳清析出率降低,持水力提高,表觀黏度增加,感官品質提高。呂佳平等[7]進行了TG酶提高酸奶品質的工藝研究,并優化了酶的應用工藝及技術參數,結果表明酶的處理方式為反應后不滅酶,酶的適宜添加量為0.15 g/L。綜上所述,TG酶可改善酸奶品質。
漆酶(Laccase)是一種多酚氧化酶,含4個Cu2+,聚合蛋白質或肽類物質,也可在酚酸存在的條件下使乳清蛋白發生交聯聚合[8]。Mokoonlall[9]研究了漆酶對酸奶和奶酪蛋白質的氧化作用,發現漆酶可加快酸奶凝乳,使酸奶的孔隙增多,而黏度和保質期不受影響。Wang[10]認為漆酶劑量是影響其在牛奶中氧化作用的重要因素,低劑量條件下漆酶可使蛋白發生有效交聯,轉化為更高分子量的蛋白質聚合物,蛋白質流變學特性增強,但高劑量漆酶會使蛋白質發生降解,破壞牛奶品質。關于漆酶交聯對乳蛋白游離氨基酸變化率、酸奶感官、質構、乳蛋白質變化及微觀結構品質變化的影響尚未見報道。
阿魏酸(Ferulic Acid,FA)是植物界普遍存在的一種酚酸,主要使用麥麩、玉米麩皮等作為原材料來提取[11-12]。阿魏酸在食品中的應用非常廣泛,日本已批準其作為抗氧化劑用于食品防腐保鮮。阿魏酸也可作為食品交聯劑,結合蛋白質[13-14]。在制備可食性蛋白膜時,阿魏酸能增加膜的機械強度,并降低膜對水蒸氣和氧氣的透性[15]。阿魏酸也可通過減少蛋白質中游離氨基含量,避免蛋白質中游離氨基引起交聯而增加乳品在加熱過程中的熱穩定性[16]。然而,阿魏酸與漆酶結合用于酸奶蛋白質交聯對酸奶的品質影響也未見報道。
本文通過在雙歧桿菌益生菌酸奶制備過程中添加TG酶和漆酶,對比兩種酶在酸奶中蛋白質交聯的作用及對益生菌酸奶質構及組織結構變化的影響,并通過添加阿魏酸改善漆酶酸奶的品質,旨在為解決凝固型酸奶的品質缺陷提供理論依據。
鮮牛奶(蛋白質含量2.84 g/100 g) 四川新華西乳業有限公司;蔗糖 太古糖業;混合發酵劑(保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌) 北京川秀科技有限公司;雙歧桿菌 中國工業微生物菌種保藏管理中心;谷氨酰胺轉氨酶(活力≥100 U/g) 湖北遠成藥業有限公司;漆酶(活力≥100 U/g) 德國Ruibio公司;阿魏酸、戊二醛(電鏡專用) 上海Aladdin公司;電泳用蛋白Marker 天根生化科技有限公司;緩沖液(5×) 上海碧云天生物技術有限公司;L-亮氨酸、鄰苯二甲醛(OPA)、甲醇、三氯乙酸(TCA)、四硼酸鈉、β-巰基乙醇、冰乙酸、無水乙醇、溴酚藍、叔丁醇 均為分析純,成都市科龍化工試劑廠;考馬斯亮藍R-250、丙烯酰胺(Acr)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)、甘氨酸、過硫酸銨(APS) 均為電泳級,美國Sigma公司。
TA.XT.plus質構儀 英國Stable Micro Systems公司;NS1001L型高壓均質機 意大利Niro Soavi公司;BROOKFIELD DV-Ⅲ Ultra流變儀 美國Brookfield公司;JSM-7500F場發射掃描電子顯微鏡(SEM) 日本電子株式會社;DHP-9052電熱恒溫培養箱 上海齊欣科學儀器有限公司;HH-6數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;UV-2102 PCS型紫外分光光度計 龍尼克儀器有限公司;Mini 電泳槽 美國Bio-Rad公司;DYY-12型電泳儀 北京市六一儀器廠;Versa Doc 1000凝膠成像系統 美國Bio-Rad公司;ALPHA 1-4 LSC型凍干機 德國Christ公司。
1.2.1 益生菌酸奶制備流程及操作要點 益生菌酸奶制備工藝流程:

雙歧桿菌活化:取100 mL鮮牛奶,加入1%的雙歧桿菌,37 ℃恒溫培養至凝乳。取10 g凝乳,另加100 mL鮮牛奶,攪拌均勻,37 ℃恒溫培養,凝固后放入4 ℃冰箱保存,備用。
在新鮮牛奶中加入6%蔗糖,攪拌均勻。將調配好的奶預熱到60 ℃,采用20 MPa壓力均質2次。按照實驗設計加入不同的酶,交聯溫度50 ℃,交聯時間1 h,加熱至90 ℃保持15 min進行滅酶和殺菌,并快速冷卻至45 ℃左右;接種1‰保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合發酵劑及5%活化后的雙歧桿菌,在42 ℃培養箱中發酵培養至發酵終點(30°傾角傾斜發酵而料液無流動)后,取出放在4 ℃后熟36 h。
1.2.2 實驗設計
1.2.2.1 TG酶對益生菌酸奶品質的影響 TG酶使用量選擇0、0.6、1.2、1.8、2.4、3.0 U/g。通過游離氨基變化率、感官、質構、表觀黏度對后熟后的酸奶進行分析,確定TG酶的最佳添加量。
1.2.2.2 漆酶對益生菌酸奶品質的影響 漆酶使用量選擇0、0.15、0.3、0.6、0.9、1.2 U/g。通過游離氨基變化率、感官、質構、表觀黏度對后熟后的酸奶進行分析,確定漆酶的最佳添加量。
1.2.2.3 阿魏酸對漆酶交聯益生菌酸奶品質的影響 在牛奶中加入1.8 U/g漆酶的同時,分別加入0、1.5、3、4.5、6、7.5 mmol/L的阿魏酸。通過游離氨基變化率、感官、質構、表觀黏度對后熟后的酸奶進行分析,確定阿魏酸的最佳添加量。
根據以上3個實驗確定的TG酶、漆酶、阿魏酸+漆酶的最佳使用量,制備不同酶交聯益生菌酸奶,然后對TG酶交聯酸奶、漆酶交聯酸奶及阿魏酸+漆酶交聯酸奶和對照組(不添加酶及阿魏酸)酸奶進行電泳分析和電鏡掃描,評價酸奶的蛋白交聯情況及組織質構。
1.2.3 測定指標
1.2.3.1 游離氨基變化率 參考Church[17]的方法測定游離氨基變化率。主要包括亮氨酸標準曲線的建立和蛋白質中游離氨基含量的測定兩個步驟,具體為:a. 將亮氨酸配制成濃度為0、180、270、360、450、540、630、720 μg/mL的標準溶液,準確移取300 μL標準溶液與6 mL的鄰苯二甲醛試劑混合后搖勻,2 min后在340 nm下測定吸光度。以亮氨酸濃度為橫坐標,反應后的吸光度值為縱坐標繪制標準曲線;b. 采用鄰苯二甲醛法測定蛋白質中游離氨基含量,并計算游離氨基變化率。將40 mg的鄰苯二甲醛溶于1 mL甲醇中,分別加入100 mmol/L的四硼酸鈉25 mL、10% 十二烷基磺酸鈉 2.5 mL、β-巰基乙醇100 μL,加水定容至50 mL,配制鄰苯二甲醛試劑。取10 mL待測的酸奶樣品在4000 r/min離心20 min。取后熟后的酸奶樣品2.5 mL,分別加入5 mL質量分數為12%的三氯乙酸、0.5 mL蒸餾水,在2000 r/min離心15 min。取清液300 μL,加入6 mL鄰苯二甲醛試劑,室溫下反應2 min,340 nm下測定其吸光度值。根據亮氨酸標準曲線計算出酸奶中游離氨基的濃度;游離氨基變化率使用下面公式計算。
式中,M1:交聯前蛋白質中游離氨基的含量,μg/mL;M2:交聯后蛋白質中游離氨基含量,μg/mL。
1.2.3.2 感官評價 酸奶后熟完成后,隨機編號,邀請經過培訓的10位食品專業人員,男女各一半,從產品的色澤、組織狀態、滋味以及氣味這四個方面進行感官評定,逐項記分。評分標準[18]見表1。

表1 酸奶感官評定標準Table 1 Score card for fermented milk sample
1.2.3.3 質構 質構測定參考李春紅[19]的方法:A/BE活塞探頭,探頭壓盤直徑:35 mm。其測定參數為:探頭運行測前速率:1.0 mm/s;測試速率:1.0 mm/s;測后速率:10.0 mm/s;穿透測試距離:30 mm;觸發器類型(感應力):Auto-10.0 g。
1.2.3.4 表觀黏度 用RVDV-III Ultra型旋轉黏度計測定酸奶的黏度值,轉子為RV5,設定轉速2.5 r/min,扭矩10%~100%,測定時間30 s。
1.2.3.5 SDS-PAGE 參考Laemmli[20]的方法并略作修改。將待測酸奶稀釋至蛋白質濃度為5 mg/mL,取50 μL溶液于1.0 mL離心管中與樣品上樣緩沖液按1∶1混合均勻,沸水浴中煮5~10 min,12000 r/min離心10 min,除去不溶性顆粒,上清液用于電泳分析。用微型進樣器上樣,每孔進樣量為10 μL;樣品在80 V電壓進行濃縮,待溴酚藍前沿進入分離膠后加壓至120 V,待溴酚藍距離下緣 0.5~1.0 cm 時結束電泳。然后對電泳膠進行染色和脫色,用考馬斯亮藍R-250染色液對膠染色0.5~1 h,更換成脫色液,3 h后更換一次脫色液,脫色24 h,直至條帶清晰、背景色完全褪去為止;最后用蒸餾水清洗和用7%冰乙酸保存。SDS-PAGE分離膠和濃縮膠成分見表2。

表2 SDS-PAGE分離膠和濃縮膠成分Table 2 Composition of separating and stacking gel of SDS-PAGE
1.2.3.6 微觀結構 參考馬力[21]的方法測定。用藥匙挑取酸奶中心的凝塊若干,放在2.5%的戊二醛溶液中,于4 ℃固定10 h。用0.9%的生理鹽水清洗樣品3次,每次10 min,然后用液氮迅速處理樣品后,用錘子輕輕錘擊,使之自然斷裂。采用30%、50%、70%、90%和100%乙醇分別對樣品脫水10 min,再用叔丁醇置換乙醇10 min;將置換后的樣品在-80 ℃預冷,24 h后迅速轉移到凍干機中進行冷凍干燥10 h(溫度-55 ℃,壓力<0.1 MPa)。采用離子濺射儀鍍鉑金膜,觀察微觀結構并記錄。
以游離氨濃度為橫坐標,以340 nm處的吸光值為縱坐標做標準曲線,吸光值Y與游離氨濃度X的線性方程:Y=0.0018X+0.0171,R2=0.9972,線性關系良好,可以用于樣品中游離氨基(亮氨酸)的測定。通過游離氨基變化率公式計算,得到TG酶、漆酶交聯酸奶游離氨基變化率見表3,阿魏酸+漆酶交聯酸奶游離氨基變化率見圖1。
由表3可知,經TG酶交聯后,酸奶的游離氨基變化率呈顯著上升的趨勢(p<0.05),當TG酶用量為1.8 U/g時,酸奶的游離氨基變化率達到67.42%,之后再增加TG酶用量,游離氨基變化率無顯著變化(p>0.05);經漆酶交聯后,酸奶的游離氨基變化率呈先上升后下降的趨勢,當漆酶用量為0.3 U/g時,酸奶中的的游離氨基最高,且顯著高于其他用量所得游離氨基變化率(p<0.05)。

表3 不同酶交聯酸奶游離氨基變化率Table 3 The rate of change of free amino groups of different enzymes crosslinked yogurt
由圖1可知,在確定漆酶最佳使用量后,隨著阿魏酸添加量的增加,酸奶的游離氨基變化率先增大后減小,當阿魏酸添加量為4.5 mmol/L,顯著提高了漆酶交聯酸奶的交聯程度(p<0.05)。

圖1 阿魏酸+漆酶交聯酸奶游離氨基變化率Fig.1 The rate of change of free amino groups of yoghurt treated with ferulic acid and laccase注:不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05), 相同小寫字母表示差異不顯著(p>0.05);圖3~圖4同。
酶與蛋白質相互作用,增強了蛋白質網絡的穩定性。無論是哪種交聯方式,交聯程度越高,形成的酶-蛋白質復合物結構越強,改善了酸奶的性能[22]。TG酶交聯是共價交聯,形成的凝膠主要是三維的類固體網絡結構,當增加TG酶的量,酶與底物作用交聯程度增加,繼續增加酶的用量,酶與底物作用達到飽和,交聯反應難以進行[23]。目前,關于TG酶與牛奶蛋白質的作用機理的研究已有很多報道。漆酶交聯是直接氧化交聯蛋白質酪氨酸殘基上的苯環,形成二硫-銅的結合物。國外學者[24-25]對漆酶催化乳蛋白進行了研究,發現漆酶能促使乳蛋白發生分子間的交聯反應。Wang[10]報道高劑量的漆酶會使蛋白質發生降解,這可能是導致漆酶交聯酸奶隨漆酶使用量增加而交聯程度顯著下降的原因。漆酶與牛奶蛋白質的作用機理較復雜,具體是如何影響牛奶蛋白質的交聯情況有待進一步研究。
TG酶、漆酶交聯酸奶感官評價見表4,阿魏酸+漆酶交聯酸奶感官評價見圖2。
過量的TG酶會使酸奶產生苦味,過量的漆酶則造成酸奶凝乳偏軟,且酶使用量過多,成本高。由表4可知,經TG酶交聯后,隨TG酶用量的增加,酸奶的感官得分先增大后減小,添加量為1.2、1.8、2.4和3.0 U/g酸奶的感官評分差異不顯著(p>0.05);經漆酶交聯后,隨漆酶用量的增加,酸奶的感官得分先增大后減小,且添加量為0.3 U/g時的感官評分顯著高于其他水平(p<0.05)。

表4 不同酶交聯酸奶感官評價Table 4 The sensory value of different enzymes crosslinked yogurt
由圖2可知,添加阿魏酸后,能夠顯著改善酸奶的感官(p<0.05),但是過量添加阿魏酸會顯著降低漆酶交聯酸奶的感官(p<0.05),主要表現在阿魏酸添加量為6 mmol/L和7.5 mmol/L時,酸奶的質地變軟、凝乳性能變差。當阿魏酸添加量為4.5 mmol/L時,酸奶的感官品質最好。

圖2 阿魏酸+漆酶交聯酸奶感官評價Fig.2 The sensory value of yoghurt treated with ferulic acid and laccase
TG酶和漆酶交聯酸奶的質構特性見表5和表6,阿魏酸+漆酶交聯酸奶質構變化見表7。

表5 TG酶交聯酸奶質構Table 5 Hardness,gumminess,adhesiveness and cohesiveness of TGase cross-linking yogurt

表6 漆酶交聯酸奶質構Table 6 Hardness,gumminess,adhesiveness and cohesiveness of laccase cross-linking yogurt

表7 阿魏酸+漆酶交聯酸奶質構Table 7 Hardness,gumminess,adhesiveness and cohesiveness of ferulic acid and laccase cross-linking yogurt
由表5可知,隨TG酶添加量的增加,內聚性增加不顯著(p>0.05);TG酶添加量≤1.8 U/g,TG酶交聯酸奶的硬度、膠黏性及粘聚性顯著上升(p<0.05);TG酶添加量>1.8 U/g,酸奶的硬度、膠黏性及粘聚性不同程度降低。
由表6可知,隨漆酶使用量的增加,漆酶交聯酸奶的硬度、膠黏性、粘聚性和內聚性均先增大后減小,且漆酶使用量為0.3 U/g時,硬度、膠黏性和內聚性顯著高于其他水平;粘聚性略高于其他水平。綜上所述,TG酶和漆酶均能提高酸奶的硬度、膠黏性和粘聚性。
由表7看出,添加阿魏酸后,隨阿魏酸添加量的增加,漆酶交聯酸奶的硬度、膠黏性、內聚性及粘聚性均先上升后下降,綜合各指標結果,選擇阿魏酸添加量為4.5 mmol/L。
TG酶、漆酶交聯酸奶表觀黏度見表8,阿魏酸+漆酶交聯酸奶表觀黏度見圖3。
由表8可知,經TG酶和漆酶交聯后,酸奶的表觀黏度均先增大后減小。在酶的催化下,酸奶的表觀黏度增大是由于酶使蛋白質交聯成很大的聚合物,使蛋白質的分子量增加,從而增加酸奶的黏度[22];但過度交聯又使蛋白質的空間結構過于緊密,抑制其均勻發展,從而降低了黏度[26]。

表8 不同酶交聯酸奶表觀黏度Table 8 The apparent viscosity of different enzymes crosslinked yogurt
由圖3看出,在確定漆酶最佳使用量后,隨著阿魏酸添加量的增加,酸奶的表觀黏度呈先上升后下降的趨勢,當阿魏酸添加量為4.5 mmol/L,酸奶表觀黏度最大。阿魏酸的存在使得乳蛋白質交聯程度增加,大分子蛋白質增多,黏度增大[27]。

圖3 阿魏酸+漆酶交聯酸奶表觀黏度Fig.3 The apparent viscosity of yoghurt treated with ferulic acid and laccase
綜合上述游離氨基變化率、感官、質構及表觀黏度等指標,選擇酶交聯酸奶的TG酶和漆酶最佳用量分別為1.8 U/g和0.3 U/g,漆酶交聯酸奶中,阿魏酸的最佳添加量為4.5 mmol/L。
TG酶、漆酶交聯益生菌酸奶SDS-PAGE圖譜見圖4。乳中的蛋白質主要由酪蛋白、乳清蛋白、乳脂肪球膜蛋白等組成,含量為2.8%~3.7%。酪蛋白包括α-酪蛋白(α-CN)、β-酪蛋白(β-CN)、κ-酪蛋白(κ-CN)和γ-酪蛋白(γ-CN),其中γ-CN是乳中蛋白酶分解β-CN產生的,實際上乳中酪蛋白只有前3種類型;酪蛋白分子量在20~40 kDa,主要集中在31 kDa范圍。乳清蛋白包括α-乳白蛋白(α-la)、β-乳球蛋白(β-lg)、血清白蛋白及乳鐵蛋白等,各組分理論分子量分別為14、18、66和76 kDa[28]。由圖4可以看出,所有酸奶樣品的β-lg條帶都消失了,這一現象可能是由于雙歧桿菌對蛋白質降解導致的,具體原因有待進一步研究。與對照(泳道3)及漆酶酸奶(泳道5和6)相比,經TG酶交聯后,酸奶(泳道4)不存在κ-CN和β-CN條帶,而是聚集成了新的蛋白質,分子量在55~68 kDa,與常忠義[29]研究結論一致,同時也論證了酪蛋白是TG酶的良好底物[30];與只添加阿魏酸(泳道1)相比,經漆酶交聯后,漆酶酸奶(泳道5)及阿魏酸+漆酶酸奶(泳道6)的蛋白質條帶基本沒有發生變化。但與對照(泳道3)和TG酶酸奶(泳道4)相比,漆酶酸奶(泳道5)及阿魏酸+漆酶酸奶(泳道6)分子量在14 kDa的蛋白條帶明顯變寬,表明在漆酶、阿魏酸作用下,牛乳中一些比α-la更小分子量的蛋白質聚集成了新的蛋白質,新蛋白質的分子量在14 kDa附近,這也進一步說明漆酶、阿魏酸作用的是小分子乳蛋白。

圖4 不同酶交聯益生菌酸奶SDS-PAGE圖譜Fig.4 SDS-PAGE pattern of different enzymes crosslinked yogurt注:1:阿魏酸;2:蛋白marker;3:對照;4:TG酶(1.8 U/g); 5:漆酶(0.3 U/g);6:阿魏酸+漆酶(4.5 mmol/L)。
對不同酶交聯益生菌酸奶的微觀結構進行觀察,樣品對應的掃描電鏡圖片見圖5,所有樣品的放大倍數均為8000倍。

圖5 不同酶交聯益生菌酸奶掃描電鏡圖(8000×)Fig.5 SEM photographs of different enzymes crosslinked yogurt(8000×)注:A:對照;B:TG酶酸奶(1.8 U/g);C:漆酶酸奶(0.3 U/g);D:阿魏酸+漆酶酸奶(4.5 mmol/L)。
由圖5可知,所有酸奶的內部都形成了三維立體網絡結構,所有的網絡結構都是由球形酪蛋白膠束堆砌而成,而由球形酪蛋白膠束形成的三維網絡結構比較脆弱,是造成酸奶硬度較低的一個原因[31-32]。有文獻報道,在酸性乳體系中,體系中粒子間的靜電斥力越強烈,越有利于鏈狀結構的形成,因為粒子間斥力越強烈,體系內部粒子分散得越均勻,粒子越容易有規律地排列在一起而形成鏈狀結構;而鏈狀分支越多,則越有利于膠粒間的交聯作用,這對于形成穩定強有力的網絡結構是很有利的[33-34]。
在對照酸奶樣品(A)中,膠粒間空隙較多且較大,空隙的大小分布在0~7 μm,形成的網絡結構較疏松;經TG酶、漆酶交聯的酸奶,三維網絡結構變得致密,膠粒間的空隙變小,結構也變得平滑。相對于漆酶交聯酸奶(C),TG酶交聯酸奶(B)的膠粒更大、分布更加均勻,網絡結構更加致密。在漆酶交聯酸奶中添加了阿魏酸后,酸奶(D)的蛋白膠束更加均勻,空隙的數量也減少。有研究表明,酸奶的微觀結構在很大程度上反映了其持水力、質構以及流變學性質等[35]。酸奶的掃描電鏡圖進一步論證了TG酶和漆酶對酸奶的交聯程度、質構及表觀黏度都有改善作用。
通過對比TG酶、漆酶與牛奶蛋白交聯對雙歧桿菌益生菌酸奶游離氨基變化率、感官、質構特性及表觀黏度的影響,得到:TG酶和漆酶均能夠明顯提高酸奶的游離氨基含量,改善酸奶的感官、質構等特性。當TG酶、漆酶用量分別為1.8和0.3 U/g時,這兩種酶制備的益生菌酸奶的游離氨基含量、感官、質構及表觀黏度最好。添加阿魏酸明顯提高了漆酶交聯酸奶的交聯程度,阿魏酸的最適添加量為4.5 mmol/L。
在確定了TG酶、漆酶、阿魏酸的最適用量后,通過對酸奶進行電泳分析和電鏡掃描,得到:所有雙歧桿菌酸奶樣品均缺少β-lg條帶;與對照及漆酶酸奶相比,TG酶交聯酸奶κ-CN和β-CN條帶消失,聚集成了新的蛋白質;相較于對照及TG酶酸奶,漆酶交聯酸奶及阿魏酸+漆酶酸奶分子量在14 kDa的蛋白條帶明顯變寬。經TG酶和漆酶交聯的酸奶,三維網絡結構變得致密,膠粒間的空隙變小,結構也變得平滑,但TG酶交聯酸奶的膠粒分布更加均勻,網絡結構更加致密;阿魏酸能夠提高漆酶交聯酸奶的蛋白膠束聚集程度。
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