酶在干酪生产中的应用-《食品酶学导论》篇章总结

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：根据统计，全世界干酪年产量达1200万t以上，而且每年以约4%的速度递增。改革开放以来，随着国民经济的发展，我国干酪生产也有较大的发展，目前年产量在1000t以上。这种苦味肽是切达干酪中主要的呈苦味物质。除了pH和盐浓度外，干酪成熟的温度和水分含量也决定了血纤维蛋白溶酶在干酪中的实际作用。血纤维蛋白溶酶在干酪成熟过程中的直接作用是

牛乳中约含3%酪蛋白，酪蛋白经凝乳酶催化作用，变成不溶性的副酪蛋白钙，使牛乳凝结，再将凝块进行加工、成型和成熟而制成的一种乳制品即干酪。干酪营养丰富，其中含有丰富的蛋白质、脂肪和钙、磷、硫等盐类和多种维生素。干酪是一种重要的发酵乳制品，在欧美享有盛誉。根据统计，全世界干酪年产量达1200万t以上，而且每年以约4%的速度递增。改革开放以来，随着国民经济的发展，我国干酪生产也有较大的发展，目前年产量在1000t以上。随着人民生活水平的提高和饮食结构的变化，对干酪的需求量也逐年增加。

干酪品种可根据它们的含水量和复杂的微生物菌群分为软质和硬质两大类。软质干酪的典型代表是卡门培尔干酪。硬质干酪包括半硬质和硬质干酪。半硬质干酪的含水量在45%左右，如意大利的古冈佐拉干酪和英国的斯提耳顿干酪。硬质干酪的含水量约40%或少些，如切达干酪、丹麦的青纹干酪、罗圭福特干酪、瑞士的埃曼塔尔干酪和格鲁耶尔干酪等。

凝乳酶是制造干酪过程中起凝乳作用的关键性酶，它的传统来源是从小牛皱胃液中提取。随着干酪工业的发展，据统计，全世界每年不得不屠杀5000万头小牛。为缓和小牛凝乳酶供应的紧张状态，20世纪60年代末，Somkuti和Aunstrup分别从微小毛霉和米黑毛霉发现凝乳酶以来，在微生物中寻找合适的凝乳酶成了一个新课题。据报道，有近40余种微生物可生产凝乳酶，其中以米黑毛霉产生的凝乳酶为主，这类酶的使用量约占全部凝结剂的20%。目前，全世界微生物凝乳酶的用量已超过总用量的1/3，其干酪产量也占全世界一半以上。近来的一些结果显示，用Bacillus cereus产生的凝乳酶可制造出脱苦的切达干酪，由微小毛霉产生的凝乳酶适用于一些干酪的生产。有人用米黑毛霉凝乳酶生产的干酪与小牛凝乳酶生产的干酪相比，发现前者酸化作用快，总时间缩短，得率相同，综合评分较高。以上说明，随着对微生物凝乳酶的进一步深入研究，必将为凝乳酶代用品的应用创造一个新局面，微生物凝乳酶越来越有取代小牛凝乳酶的趋势。此外，采用基因工程技术把小牛胃中凝乳酶基因转移到宿主微生物中表达也有很大进展。

干酪制造可分为三个阶段：即牛乳的凝结、沥干乳清和干酪成熟（图11-17）。

图11-17 干酪制造工艺流程示意图

牛乳的凝结采用由凝乳酶的作用、利用乳酸发酵作用以及在掺入凝乳酶之前进行部分乳酸发酵处理等。这些不同的凝结方式造成了酪蛋白凝胶在结构、硬度和粘附性上有很大差异。从干酪凝块中沥干乳清可采用酸化、切割、搅拌、加热或压榨处理，这些不同的处理工艺导致鲜凝块乳在湿度、酸度和盐分含量上也有较大差异。干酪的成熟过程涉及到酶的种类和用量以及是否有霉菌或细菌参与等。干酪的感官特性取决于干酪成熟过程中菌群的生长。为了提高干酪得率以及干酪的营养价值，现在又发展了超滤浓缩干酪的制造工艺（图11-18）。牛乳经超滤浓缩后固形物含量达到40%，其中蛋白质和脂肪含量接近18%，经超滤后其组成已接近了干酪凝块的组成，这些超滤浓缩乳在模具中被凝乳酶作用而凝结。这个工艺与传统工艺相比，其优点在于超滤截留了乳中的蛋白质，尤其是乳清蛋白，而使蛋白质得率明显提高，并且乳清蛋白中含有比酪蛋白中更高的必需氨基酸如含硫氨基酸和赖氨酸，从而提高了干酪的营养价值。

图11-18 干酪生产工艺流程示意图

新鲜干酪凝块向成熟干酪转化的过程主要取决于酪蛋白的水解。此外，脂肪分解也起一定的作用。为了改善干酪风味和质地，凝块蛋白质（主要为酪蛋白）以协调的方式降解成小肽和氨基酸。因此，与干酪生产有关的酶包括凝乳酶、奶牛的天然蛋白酶以及由发酵剂菌种产生的水解酶（图11-19）。

图11-19 参与干酪蛋白水解和风味形成的酶及其作用

（一）凝乳酶

牛凝乳酶属于天冬氨酰蛋白酶，在低pH范围内，酶活力最高。凝乳酶的主要功能是使牛乳凝结。这个作用是凝乳酶可以迅速而特异地把κ-酪蛋白（κ-CN）裂解成副κ-酪蛋白和巨糖肽（图11-20）。当糖肽从酪蛋白胶粒中释放出来后，胶粒之间的排斥力下降，原来呈胶体分散状态的酪蛋白胶粒变得不稳定，在适当温度和Ca^{2 +}存在下，胶粒内部的α_s1-酪蛋白（α_s1-CN）和β-酪蛋白（β-CN）失去胶体保护作用与Ca^{2 +}接触，通过钙桥而形成凝块。在牛乳凝结过程中，有一部分凝乳酶在凝块中残存下来，这部分残存的凝乳酶通过对凝块蛋白质的缓慢水解作用而促成了干酪初期的成熟。

图11-20 凝乳酶类的作用示意图(www.chuimin.cn)

牛凝乳酶是干酪制造最关键性的酶，其主要的特性是可以特异地裂解κ-CN序列上的Phe₁₀₅～Met₁₀₆的肽键，而对凝块蛋白质的水解速度很慢，这种作用方式避免了蛋白质不协调的降解而造成干酪风味和质地的缺陷。其他凝乳酶如胰蛋白酶、微生物蛋白酶同样作用于κ-CN序列上的Phe₁₀₅和Met₁₀₆之间的肽键。然而，这些凝乳酶的作用底物较广，这可能会改变干酪的成熟特性，从而使干酪失去特性或产生异味。

牛凝乳酶对α_s1-CN和β-CN的水解作用也得到广泛的研究。对于 α_s1-CN，牛凝乳酶作用的最敏感的肽键是Phe₂₃-Phe₂₄，对于β-CN，则为肽键Leut₁₉₂-Tyr₁₉₃。牛凝乳酶作用于β-CN多肽链高疏水性的C端形成了一种极苦的苦味肽β-CNf_193-209。这种苦味肽是切达干酪中主要的呈苦味物质。然而，对于 α_s1-CN，即使存在5%NaCl，牛凝乳酶仍然可以对它起作用。因此，干酪中α_s1-CN被小牛凝乳酶水解的速度远大于β-CN，而α_s2-CN和副κ-CN则很难被牛凝乳酶作用。

（二）牛乳中的天然蛋白酶

目前，牛乳中天然蛋白酶已被确认属于血纤维蛋白溶酶，一种丝氨酸蛋白酶。在牛乳自然pH下，该酶及其酶原主要与酪蛋白胶粒结合，另外有少部分与脂肪球膜结合。酶原的激活剂同样结合在酪蛋白胶粒上。因此，它与血纤维蛋白溶酶及酶原一起可在干酪凝块中残存下来。降低牛乳的pH或在牛乳中加1mol NaCl可导致此酶从酪蛋白胶粒中脱离出来。除了pH和盐浓度外，干酪成熟的温度和水分含量也决定了血纤维蛋白溶酶在干酪中的实际作用。

血纤维蛋白溶酶在干酪成熟过程中的直接作用是通过对β-CN的降解而形成γ-酪蛋白（γ-CN），这种现象可以在卡门培尔干酪成熟过程中发现。此酶优先水解β-CN序列上C末端的赖氨酸和精氨酸残基上的肽键，而对κ-CN不起作用。从κ-CN稳定酪蛋白胶粒，使它免受Ca^{2 +}作用而沉淀这一现象来看，κ-CN对血纤维蛋白溶酶的抵制作用对保护乳中其他蛋白质是非常有益的。对于瑞士型干酪的制造，由于使用了较高的处理温度（＞50℃），大大地破坏了残存凝乳酶的活力。因此，对于这些干酪的成熟，热稳定性高的血纤维蛋白溶酶的作用显得更为重要。

除了血纤维蛋白溶酶外，乳中存在的其他天然蛋白酶也参与了干酪的成熟。Kamino-gawa和Yamauchi首次分离获得另一种牛乳中的天然蛋白酶，这种酶也参与了 α_s1-CN的降解。该酶具有小牛凝乳酶的活力，对热相当稳定，它在pH4.0附近显示了其最高的活力。与牛凝乳酶类似，该酶参与了α_s1-CN序列上Phe₂₃-Phe₂₄肽键的降解。因此，在干酪中，α_s1-I的形成是牛凝乳酶和乳中的天然酶共同作用的结果。

至于其他乳中的天然蛋白酶，如凝血酶，在干酪成熟中的作用还没有完全弄清楚，因此，牛乳中其他天然蛋白酶对干酪的成熟、苦味的形成和积累还有待于进一步研究。

（三）发酵剂产生的蛋白酶和肽酶

发酵剂菌种的酶系统包括胞内蛋白酶、胞外蛋白酶以及肽链内切酶和肽链端解酶。这些酶在菌体细胞内相对固定的位置上可被认为是“固定化酶”。在干酪的成熟过程中，由于介质的渗透压和细胞结构的稳定性，这些酶的“固定化”状态将维持相当长的时间。它们在细胞内的确定位置和对底物作用的专一性，可使干酪成熟过程中酪蛋白以一种有序的、可以被控制的、协调的方式被降解，形成合适的产物，为干酪风味的形成打好基础。因此，添加发酵剂比添加外源酶可以更有效地加速干酪的成熟。

干酪的质地主要取决于pH以及结构完整的酪蛋白与副干酪蛋白含量的比例。干酪成熟的第1～2周，由于一部分α_s1-CN被凝乳酶作用生成α_s1-I，从而削弱了酪蛋白凝胶的结构，此时干酪质地形成速度很快，这是干酪成熟的第一阶段。过了这个时期，干酪质地的形成减慢，其中蛋白质的水解起决定作用。

酶在干酪生产中的应用-《食品酶学导论》篇章总结

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