響應(yīng)面法優(yōu)化紫貽貝鮮味肽酶法制備工藝

張 維，胡馨月，趙 行，劉 冰，周 振，李若敏，盤賽昆,2,3,4,

（1.江蘇海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇連云港 222005；2.江蘇省海洋生物技術(shù)重點建設(shè)實驗室，江蘇連云港 222005；3.江蘇省海洋生物資源與環(huán)境重點實驗，江蘇連云港 222005；4.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇連云港 222005）

紫貽貝（Mytilus edulis），別名青口螺[1]，屬貽貝科，因貝殼呈紫黑色而得名[2]，是我國常見的養(yǎng)殖貝類之一。貽貝含有碳水化合物、脂肪、維生素、氨基酸和微量元素等各種營養(yǎng)成分，是一種集營養(yǎng)、保健、防病于一體的海產(chǎn)品。紫貽貝的水解物具有抗腫瘤、降血壓、降血脂、提高免疫力等作用[3-4]，具有很高的食療與藥用功效[5]。江蘇省連云港海州灣海域現(xiàn)有貽貝養(yǎng)殖面積近30 萬畝，產(chǎn)量達15 萬噸。目前貽貝大多以鮮銷為主，少數(shù)加工成干制品和方便食品，附加值低，很容易造成水產(chǎn)蛋白資源的浪費[6]。

鮮味肽是對風(fēng)味特別是鮮味貢獻最大的成分之一，其作為一種新型鮮味劑，具有顯著的鮮味呈現(xiàn)[7-8]，其加工性能良好，并且具有一定的功能性，是鮮味物質(zhì)研究開發(fā)的重點對象。紫貽貝肉蛋白含量高，鮮味突出，是進行鮮味肽研究的理想原料，因此對紫貽貝鮮味肽的制備研究、利用水產(chǎn)蛋白資源和提高調(diào)味品檔次具有深遠的意義。

酶解法是當(dāng)前鮮味肽制備的主要方法，酶解條件溫和，副產(chǎn)物少，選擇適當(dāng)?shù)牡鞍酌杆鈩又参锏鞍字苽浠钚噪某蔀檠芯繜狳c[9-10]。如肖如武[11]采用復(fù)合酶水解藍蛤肉得到的酶解液甜鮮味突出，腥味和苦味較弱，且鮮味肽富集的分子量區(qū)域比例高。趙靜[12]通過蛋白酶水解辣椒粕，制備出具有鮮味突出的鮮味肽。近年來動植物蛋白肽研究在國內(nèi)外有較深的研究，但對紫貽貝酶法制備鮮味肽的研究較少。

本文以江蘇省連云港市海州灣海域的紫貽貝為原料，以水解度和感官評分為評價指標(biāo)，通過單因素實驗、Plackett-Burman 試驗及Box-Behnken 中心組合試驗對復(fù)合蛋白酶水解紫貽貝蛋白制備鮮味肽工藝進行篩選和優(yōu)化，旨在為紫貽貝提取鮮味肽制備高檔水產(chǎn)調(diào)味料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮紫貽貝（Mytilus edulis）江蘇連云港贛榆海頭鎮(zhèn)水產(chǎn)品市場，洗凈去殼去足絲于-20 ℃凍藏、備用；復(fù)合蛋白酶（1×105U/g pro）來源于菠蘿、無花果、木瓜等植物中，主要由內(nèi)切酶、外切酶和風(fēng)味蛋白酶組成，河南圣斯德實業(yè)有限公司；風(fēng)味蛋白酶（2.2×104U/g pro）、胰蛋白酶（1.6×104U/g pro）、木瓜蛋白酶（3.7×104U/g pro）、中性蛋白酶（2.6×104U/g pro）河南圣斯德實業(yè)有限公司；其它試劑 國產(chǎn)分析純試劑。

UDK 凱氏定氮儀 北京盈盛恒泰科技有限公司；HH-4 數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市科杰儀器廠；S20pH 計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；DDL-5M 離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 酶解工藝流程 紫貽貝→采肉→高溫蒸煮（115 ℃，20 min）→勻漿→酶解→滅酶（100 ℃，10 min）→離心（4000 r/min，20 min）→取上清液

操作要點：紫貽貝采肉，經(jīng)高溫蒸煮（115 ℃20 min），冷卻后用組織搗碎機均漿，取90 g 按勻漿按1:3（V/V）的比例液加去離子水混勻，用0.1 mol/L鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 到預(yù)定值，加入一定量蛋白酶，在適宜的溫度下酶解一定時間。滅酶（沸水浴10 min），取出冷卻，離心（4000 r/min，20 min）取上清液備用。

1.2.2 酶解蛋白酶的篩選 按表1 酶解條件分別酶解0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5 和6 h，根據(jù)水解度和感官評分從供試的復(fù)合蛋白酶、風(fēng)味蛋白酶、胰蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶篩選出酶解紫貽貝的蛋白制備鮮味肽的適宜蛋白酶。

表1 供試蛋白酶的酶解條件Table 1 Hydrolysis conditions of protease

1.2.3 單因素實驗 設(shè)定pH7、料液比1:3 g/mL、加酶量1000 U/g pro、溫度50 ℃，酶解時間分別為1、2、3、4、5 h；設(shè)定酶解時間3 h、料液比1:3 g/mL、加酶量1000 U/g pro、溫度50 ℃，pH 分別為4、5、6、7、8；設(shè)定酶解時間3 h、pH6、加酶量1000 U/g pro、溫度50 ℃、料液比分別為1:1、1:2、1:3、1:4 和1:5 g/mL；設(shè)定酶解時間3 h、pH6、料液比1:2 g/mL、溫度50 ℃，加酶量分別為500、1000、1500、2000、2500 U/g pro；設(shè)定酶解時間3 h、pH6、料液比1:2 g/mL、加酶量1000 U/g pro，溫度分別為40、45、50、55、60 ℃；研究以上各因素對水解度及感官評分的影響來確定酶解的最佳工藝參數(shù)。

1.2.4 Plackett-Burman 試驗 Plackett-Burnan 設(shè)計是一種有效的兩水平試驗設(shè)工藝技術(shù)設(shè)計方法[13]，從考察因素中快速篩選出最為重要的影響因素[14]，為進一步研究奠定良好基礎(chǔ)。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，通過Plackett-Burman 試驗對影響紫貽貝酶解工藝的5 個因素進行篩選，確定顯著性影響因子，對五個因素分別選取1，-1 兩水平，因素和水平見表2。

表2 Plackett-Burman 試驗設(shè)計因素及水平Table 2 Plackett-Burman test design factors and levels

1.2.5 Box-Behnken 中心組合試驗 在單因素及Plackett-Burman 試驗的基礎(chǔ)上，選擇酶解時間（A）、pH（B）、加酶量（C）、溫度（D）為因素，以水解度和感官評分為響應(yīng)值，因素水平設(shè)計見表3。

1.2.6 水解度測定 采用甲醛滴定法[15-16]測定氨基酸態(tài)氮，按式（1）計算水解度。

其中總氮采用凱氏定氮法參照GB5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》的方法測定，按式（2）計算總氮量。

式（2）中：X-樣品中氨基氮的含量（g/100 mL）；V1-測定用樣品加入甲醛稀釋后消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)液的體積（mL）；V2-試劑空白試驗加入甲醛后消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)的體積（mL）；V3-樣品稀釋液取用量（mL）；C-氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)液的濃度（mol/L）；14-氮的摩爾質(zhì)量（g/mol）；

1.2.7 膜過濾分級 參照范思華[17]的方法并做出適當(dāng)修改。水解物用截留分子質(zhì)量為10、3 kDa 的三級膜分離過濾系統(tǒng)分為3 個組分，分別命名為ZYB-1（3 kDa 透過液），ZYB-2（3 kDa 截留液），ZYB-3（10 kDa截留液）。

1.2.8 肽含量的測定 參照李學(xué)鵬[18]等的方法并做出適當(dāng)修改。分別取2 mL 經(jīng)三級膜分離系統(tǒng)的三個不同的組分液，加入等體積質(zhì)量分數(shù)為10%三氯乙酸溶液，靜置10 min，離心（4500 r/min、15 min、4 ℃），采用雙縮脲法，在540 nm 波長處測定吸光度。以谷胱甘肽為標(biāo)準(zhǔn)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.0388x+0.0176，R2=0.9983，計算肽含量。

1.2.9 感官評定方法 參考文獻[19-20]采用綜合評分法進行感官鑒評，并稍作修改。選取8 人（4 男4 女，年齡在20～30 歲之間）食品相關(guān)專業(yè)人員作為感官評定員，感官評定員在評定之前經(jīng)過味道鑒評培訓(xùn)，在標(biāo)準(zhǔn)的感官鑒評室采用CSAS 感官評定系統(tǒng)進行感官評定，樣品由系統(tǒng)隨機編號。鑒評員從鮮味、甜味、苦味、咸味和酸味5 種味道進行打分評定，評分標(biāo)準(zhǔn)參照表4。

表4 味道標(biāo)準(zhǔn)參照表Table 4 Reference table of taste standards

評定步驟：評定員從低濃度至高濃度逐一品評某一滋味標(biāo)準(zhǔn)液并記錄滋味強度，標(biāo)準(zhǔn)液在口中停留15～20 s 之后吐掉，蒸餾水漱口，取5 mL 酶解液放于口中，在口中停留15～20 s，之后吐掉，根據(jù)酶解液與各標(biāo)準(zhǔn)液滋味強度的相近性進行打分，然后采用加權(quán)法計算感官評分，權(quán)重系數(shù)表參考表5。

表5 感官評定綜合評分權(quán)重系數(shù)表Table 5 Weight coefficient table of sensory evaluation comprehensive score

對各個指標(biāo)做出評分后，再參考綜合評分值計算公式得出酶解液綜合風(fēng)味值，具體為：

式（3）中，n 為對某試樣進行感官品評的人數(shù)；Ai為第i 位評判人對試樣的鮮味評分；Bj為第j 位評判人對試樣甜味的打分；Ck為第k 位評判人對試樣咸味的評分；Dt為第t 位評判人對試樣酸味的打分；Er第r 位評判人對試樣苦味的打分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白酶的篩選結(jié)果

由圖1A 所示，5 種蛋白酶的水解度均隨著時間的延長而上升，在2 h 之前水解度速度上升較快，3 h后水解度上升緩慢，這可能是由于以下原因：蛋白酶活性隨著酶解的進行而降低；一定濃度酶解產(chǎn)物的積累抑制了酶解的進行；中間產(chǎn)物已達到平衡。在上述因素的綜合作用下，水解強度降低。由此得出：5 種蛋白酶的水解能力排序為：復(fù)合蛋白酶＞中性蛋白酶＞木瓜蛋白酶＞風(fēng)味蛋白酶＞胰蛋白酶，復(fù)合蛋白酶水解能力最強。由圖1B 所示復(fù)合蛋白酶感官評分整體也比其他四種蛋白酶酶解物的感官評分要突出。因此，選擇復(fù)合蛋白酶作為紫貽貝肉酶解的水解酶。

圖1 蛋白酶的篩選Fig.1 Screening of protease

2.2 單因素實驗結(jié)果

2.2.1 酶解時間對紫貽貝水解度及感官評分的影響

圖2 所示，酶解初期，隨著酶解時間的增加，水解度增長迅速，在酶解為3 h 趨于穩(wěn)定，酶解產(chǎn)物酸、甜、苦、咸、鮮不同指標(biāo)大部分都有所增加，感官綜合評分先增后降。方差分析表明，在考察范圍內(nèi)（1～5 h），時間的變化對水解效果產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05）。經(jīng)綜合分析，酶解時間范圍選擇2～4 h 進行下一步試驗。

圖2 酶解時間對水解度和感官評價的影響Fig.2 Effect of enzymolysis time on degree of hydrolysis and sensory evaluation

2.2.2 pH 對紫貽貝水解度及感官評分的影響 圖3所示，水解度和感官評分隨著pH 的提高而增大，pH 為6 時，水解度最高，pH 為7 時，感官評分最高。隨著pH 的進一步提高，水解度和感官評分呈現(xiàn)下降趨勢。方差分析結(jié)果顯示pH 在供試范圍為（pH4～8）的變化對水解效果有顯著影響（P＜0.05）。經(jīng)綜合分析，酶解pH 區(qū)間選擇5～7 進行下一步試驗。

圖3 pH 對水解度和感官評價的影響Fig.3 Effect of pH on degree of hydrolysis and sensory evaluation

2.2.3 料液比對紫貽貝水解度及感官評分的影響圖4 所示，隨著料液比的增大，水解度整體呈現(xiàn)下降趨勢。方差分析表明，料液比在1:1～1:5 g/mL 范圍內(nèi)對水解效果產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），在料液比1:2 g/mL 時，水解度最高，在料液比1:1 g/mL 時，感官評分最高。綜合分析，料液比范圍選擇1:1～1:3 g/mL進行下一步試驗。

圖4 料液比對水解度和感官評價的影響Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on degree of hydrolysis and sensory evaluation

2.2.4 加酶量對紫貽貝水解度及感官評價的影響 圖5所示，隨著酶用量的增加，水解度呈現(xiàn)上升趨勢，感官評分呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。方差分析表明，在考察范圍內(nèi)（500～2500 U/g pro）加酶量的變化對水解效果產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05）。考慮到水解效果及成本，加酶量范圍選擇為500～1500 U/g pro 進行下一步試驗。

圖5 加酶量對水解度和感官評價的影響Fig.5 Effect of enzyme dosage on degree of hydrolysis and sensory evaluation

2.2.5 溫度對紫貽貝水解度及感官評價的影響 圖6所示，隨著酶解溫度的增加，水解度和感官評分先上升后下降。達到50 ℃左右時，水解度達到最大值，鮮味值最高，感官評分最高。方差分析表明，在考察范圍內(nèi)（40～60 ℃）溫度的變化對水解效果產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05）。經(jīng)綜合分析，酶解溫度區(qū)間選擇為45～55 ℃進行下一步試驗。

圖6 溫度對水解度和感官評價的影響Fig.6 Effect of temperature on degree of hydrolysis and sensory evaluation

2.3 Plackett-Burman 試驗

根據(jù)Minitab 16.0 導(dǎo)出的試驗序號表，按照試驗序號以及相關(guān)試驗條件進行試驗，結(jié)果見表6。

表6 Plackett-Burman 試驗設(shè)計及結(jié)果Table 6 Plackett Burman test design and results

對得到的數(shù)據(jù)進一步分析，得到因素顯著性圖（見圖7）、帕累托圖（Pareto，見圖8）。

如圖7 所示，方形點表示顯著性因素，圓形點表示不顯著性因素。考察的5 個因素中有4 個對結(jié)果的影響是顯著的。由圖8 顯示，對于結(jié)果影響強弱性為：pH＞加酶量＞溫度＞時間。據(jù)此篩選出pH、加酶量、溫度、時間4 個對結(jié)果影響較大的因素進行優(yōu)化。

圖7 水解度和感官評分因素顯著性圖Fig.7 Significance map of hydrolysis degree and sensory score factors

圖8 水解度和感官評分帕累托圖Fig.8 Pareto Diagram of degree of hydrolysis and sensory score

2.4 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.4.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計結(jié)果 在篩選單因素的基礎(chǔ)上，響應(yīng)面優(yōu)化試驗以感官評分為主要指標(biāo)，水解度為次要指標(biāo)進行試驗，試驗方案及結(jié)果見表7。

表7 響應(yīng)面設(shè)計方案與結(jié)果Table 7 Design scheme and results of response surface

經(jīng)軟件分析，得到水解度與各因素變量的多元二次回歸方程模型為：

Y=45.08+0.15A+2.49B+1.53C+1.22D-2.42AB+0.70AC+1.13AD-2.54BC+3.96BD-4.65A2-4.45B2-3.66C2-2.89D2，Y 的回歸模型系數(shù)R2為0.9471，說明水解度的實際值與預(yù)測值擬合較好。從表8 水解度方差分析表中可知，該模型P值小于0.001，具有極顯著性。失擬項P值0.0939＞0.05，表明失擬項不顯著，模型擬合程度好，本試驗?zāi)軌蜉^好地揭露各因素對水解度結(jié)果的之間的關(guān)系。由回歸模型進行顯著性檢驗可知，一次項中B（pH）和C（加酶量）對水解度有極顯著的影響（P＜0.01），D（溫度）有顯著影響（P＜0.05），A（酶解時間）無顯著影響；交互項AB、BC 和BD 影響極顯著（P＜0.01），其他均不顯著。根據(jù)F值大小可知，影響紫貽貝酶解效果因素主次順序為pH＞加酶量＞溫度＞酶解時間。

表8 水解度回歸與方差分析結(jié)果Table 8 Regression and analysis of variance results of hydrolysis degree

經(jīng)軟件分析，得到感官評價與各因素變量的多元二次回歸方程模型為Y1=5.59+0.04A+0.37B+0.2C+0.25D-0.29AB+0.1AC+0.1AD-0.23BC+0.25BD+0.08CD-0.43A2-0.53B2-0.27C2-0.36D2，Y1的回歸模型系數(shù)R2為0.8726，說明感官評價的實際值與預(yù)測值擬合較好。從表9 水解度方差分析表中可知，該模型P值小于0.001，具有極顯著性。失擬項P值0.1606＞0.05，表明失擬項不顯著，模型擬合程度好，本試驗?zāi)軌蜉^好地說明各因素對感官評價結(jié)果的之間的關(guān)系。由回歸模型進行顯著性檢驗可知，一次項中B（pH）對感官評價有極顯著的影響（P＜0.01），C（加酶量）和D（溫度）有顯著影響（P＜0.05），A（酶解時間）無顯著影響；交互項BD 影響顯著，其他均不顯著。由F值大小可知，影響紫貽貝酶解感官評價因素主次順序為pH＞溫度＞加酶量＞酶解時間。

表9 感官評價回歸與方差分析結(jié)果Table 9 Results of sensory evaluation regression and ANOVA

2.4.2 響應(yīng)面分析 圖9～圖10 是根據(jù)回歸方程繪制出的各因素交互作用的響應(yīng)面，反映了各因素在制備的過程中對響應(yīng)值的影響，其投影為等高線圖。該組圖直觀反映了時間、pH、加酶量、溫度分別對水解度和感官評價的影響，而等高線的形狀則表示了兩因素之間的影響強弱，圓表示兩因素交互作用弱，橢圓則較強[21]。由圖9 可知交互項AB、BC 和BD 響應(yīng)曲面陡峭，等高線呈密集橢圓形[22]，說明兩因素之間交互作用較強，影響顯著。由圖10 可知交互項BD 交互作用較強，影響顯著。

圖9 各因素交互作用對水解度影響的響應(yīng)面圖Fig.9 Response surface diagram of the effect of interaction of various factors on hydrolysis degree

圖10 各因素交互作用對感官評價影響的響應(yīng)面圖Fig.10 Response surface graph of the effect of interaction of various factors on sensory evaluation

2.4.3 最佳工藝與驗證 經(jīng)軟件分析確定紫貽貝酶解的最佳工藝為：酶解時間為3.57 h、pH 為6.34、加酶量為1120 U/g pro、酶解溫度為53.64 ℃，料液比為1:2 g/mL，在此條件下水解度為44.37%，感官評分為5.65。

結(jié)合實際生產(chǎn)需要，最佳工藝調(diào)整為時間3.6 h、pH6.3、加酶量1120 U/g pro，溫度54 ℃，料液比為1:2 g/mL，在此條件下做三次平行驗證試驗，測得水解度為44.52%±0.66%，感官評分為5.62±0.12，采用SPSS 進行T檢驗表明實際值與預(yù)測值無顯著性差異（P水=0.253，P感=0.702），模型可靠。

2.5 超濾后各組分的肽含量和感官評價

組分ZYB-1、ZYB-2 和組分ZYB-3 的肽含量分別為2.74、8.77、9.54 mg/mL，由圖11 可知ZYB-1的鮮味最強，高于組分ZYB-2 和組分ZYB-3，酸味和苦味輕微，甜味突出，ZYB-1、ZYB-2 和ZYB-3 的感官評分分別為6.11、4.85 和3.41，ZYB-1 的綜合風(fēng)味明顯優(yōu)于其他兩個組分。劉源等[23]、趙陽等[24]、Smith 等[25]的研究結(jié)果表明，鮮味肽分子質(zhì)量約為0.15～3 kDa，本文的研究結(jié)果也證實了相對分子量小于3 kDa 透過液中富集了大量的鮮味肽。

圖11 超濾所得組分的感官評價雷達圖Fig.11 Radar chart of sensory evaluation of components obtained by ultrafiltration

3 結(jié)論

紫貽貝經(jīng)復(fù)合蛋白酶水解后可產(chǎn)生具有鮮味的肽類，證明采用酶水解技術(shù)制備鮮味肽的技術(shù)路線是可行的。鮮味肽主要集中在相對分子質(zhì)量小于3 kDa的組分中，通過膜過濾技術(shù)能夠有效提高鮮味肽的含量。采用響應(yīng)面法優(yōu)化水解工藝，得到最佳工藝參數(shù)為：酶解時間3.6 h、pH6.3、加酶量1120 U/g pro，酶解溫度54 ℃，料液比為1:2 g/mL，在此條件下水解度達44.52%±0.66%，感官綜合評分為5.62±0.12。采用高壓蒸煮處理能夠顯著提高蛋白質(zhì)的水解度，對提高蛋白質(zhì)的回收率具有重要的意義。采用響應(yīng)面分析法構(gòu)建的水解模型具有很高的可靠性，對于實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。目前，分子質(zhì)量3 kDa透過液制備鮮味肽的研究比較多，而想要充分綜合利用水產(chǎn)資源制備水產(chǎn)調(diào)味料，超濾分離出的其他組分也需進一步的產(chǎn)品開發(fā)，仍待學(xué)者更加深入的研究。