郭佳婧,李宗軍*,王遠(yuǎn)亮
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410128)
非發(fā)酵豆制品中微生物耐熱機(jī)理探討
郭佳婧,李宗軍*,王遠(yuǎn)亮
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,食品科學(xué)與生物技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410128)
非發(fā)酵性豆制品殺菌不徹底是影響產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要因素之一,本文從微生物自身耐熱機(jī)制和非發(fā)酵豆制品中蛋白質(zhì)對(duì)微生物耐熱性的影響兩方面,初步探討非發(fā)酵豆制品殺菌時(shí)影響微生物耐熱性的因素。
非發(fā)酵豆制品;耐熱微生物;耐熱機(jī)制
我國(guó)在公元前就已開始種植大豆,大豆富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、必需脂肪酸和礦物質(zhì)等多種營(yíng)養(yǎng)素[1]。常食豆制品可降低體內(nèi)膽固醇、血脂等,在體內(nèi)起到保護(hù)心血管,預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病的作用[2]。豆制品種類多樣,非發(fā)酵性豆制品是目前市場(chǎng)主流豆制品之一,作為傳統(tǒng)豆制品的一種,不但營(yíng)養(yǎng)豐富,而且口味多樣,適于多人群食用[3]。由于非發(fā)酵豆制品蛋白質(zhì)含量高以及微生物的特殊耐熱機(jī)制,使得巴氏殺菌不能達(dá)到理想的殺菌效果,貨架期較短。
王敏等[4]發(fā)現(xiàn)引起非發(fā)酵豆制品的腐敗菌為短小芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌。汪立平等[5]研究腐敗豆?jié){中的腐敗菌為地衣芽孢桿菌、短小芽孢桿菌和短芽孢桿菌。芽孢的熱抵抗力非常強(qiáng),尤其在干燥條件下更具有超強(qiáng)的耐熱力,會(huì)明顯影響殺菌效果。通過(guò)研究非發(fā)酵豆制品中微生物自身耐熱機(jī)制以及其中營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)微生物的保護(hù)作用,尋找適宜的殺菌工藝,達(dá)到延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期,保證食用安全的目的,同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)資源的浪費(fèi)。
耐熱微生物是最高生長(zhǎng)溫度在45~50℃之間,低于30℃也能生長(zhǎng)的一類嗜熱菌[6]。而嗜熱菌俗稱高溫菌或嗜熱微生物,指最低生長(zhǎng)溫度45℃左右,最適生長(zhǎng)溫度在50~60℃之間,最高生長(zhǎng)溫度在70℃或70℃以上的一群微生物[7]。獨(dú)特的耐熱機(jī)制是耐熱微生物能夠在高溫環(huán)境中生長(zhǎng)并繁殖的必要條件,這些特殊的耐熱機(jī)制主要包括芽孢、細(xì)胞膜的組成成分、嗜熱酶、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)以及遺傳物質(zhì)[8]。
1.1 芽孢
菌體含有芽孢是其耐熱的主要原因之一。芽孢是細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的一種休眠構(gòu)造,形成于產(chǎn)芽孢菌生長(zhǎng)發(fā)育后期,為圓形或橢圓形,具有含水量很低的厚壁,可逆性強(qiáng)[9]。由于沒有新陳代謝,芽孢可經(jīng)受多種環(huán)境傷害,耐熱、耐干燥和耐紫外線等一切物理化學(xué)因素[10]。
芽孢特有的生命構(gòu)造和由此產(chǎn)生的完善的熱脅迫應(yīng)激調(diào)控機(jī)能使得其擁有極強(qiáng)的耐熱性[11]。芽孢的耐熱機(jī)制尚無(wú)統(tǒng)一說(shuō)法,最具代表性的是滲透調(diào)節(jié)皮層膨脹學(xué)說(shuō)。該學(xué)說(shuō)認(rèn)為,芽孢外層所包裹的疏水性角蛋白即芽孢衣,很難使多價(jià)的陽(yáng)離子和水透過(guò),同時(shí)離子強(qiáng)度很高的皮層可產(chǎn)生很高的滲透壓奪取核心水分,結(jié)果就是芽孢核心部分失水而皮層部分吸水膨脹,最終導(dǎo)致芽孢對(duì)熱的抗性增加[12]。
1.2 細(xì)胞膜組分
耐熱微生物的細(xì)胞膜由雙層具有高度飽和的脂肪酸構(gòu)成,這些結(jié)構(gòu)特殊的復(fù)合類脂主要是甘油脂肪酰二酯,可形成強(qiáng)大的疏水鍵[13]。復(fù)合類脂隨環(huán)境溫度升高總量增加,并且增加的是熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好的直鏈飽和脂肪酸,沒有不穩(wěn)定的不飽和脂肪酸。耐熱微生物的細(xì)胞膜含有異型脂肪酸、穩(wěn)定型脂肪酸和環(huán)烷型脂肪酸,通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)磷脂組分來(lái)維持高熔點(diǎn)的液晶態(tài)結(jié)構(gòu),使其耐受高溫[14]。
1.3 嗜熱酶
在高溫(60~120℃)下具有最佳活性,80℃以上環(huán)境中能發(fā)揮功能的酶稱為嗜熱酶。對(duì)其耐熱性發(fā)揮重要作用的是酶的一級(jí)結(jié)構(gòu),其中關(guān)鍵區(qū)域的個(gè)別氨基酸改變就會(huì)引起高級(jí)結(jié)構(gòu)的改變,增加酶蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氫鍵、離子鍵或疏水鍵,從而提高其熱穩(wěn)定性[15]。與常溫菌的同源氨基酸相比,耐熱微生物氨基酸的組成和順序具有更高的穩(wěn)定性。盧柏松等[16]研究認(rèn)為耐熱微生物蛋白質(zhì)中的Leu、Pro和Arg的含量明顯高于常溫菌,這些氨基酸通過(guò)促進(jìn)蛋白質(zhì)的折疊,增加疏水作用及離子間相互作用來(lái)提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性。
1.4 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)空腔個(gè)數(shù)和體積、緊密度、疏水性及溫度因子是三維結(jié)構(gòu)中影響其耐熱性的主要因素。丁彥蕊等[17]研究發(fā)現(xiàn)高溫細(xì)菌類蛋白質(zhì)的空腔個(gè)數(shù)和體積小于常溫細(xì)菌類蛋白質(zhì),認(rèn)為空腔個(gè)數(shù)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性和緊密性有顯著影響,空腔體積影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。
溫度因子體現(xiàn)了蛋白質(zhì)在晶體中的構(gòu)象狀態(tài),溫度因子越高,相應(yīng)部位的構(gòu)象就越不穩(wěn)定[18]。Parthasarathy等[19]發(fā)現(xiàn)耐熱蛋白質(zhì)Ser和Thr的溫度因子比常溫蛋白質(zhì)的值小(柔性小),在高溫度因子區(qū),耐熱蛋白質(zhì)中Glu和Lys的比例比常溫蛋白質(zhì)大,認(rèn)為溫度因子的差異可說(shuō)明耐熱蛋白質(zhì)和常溫蛋白質(zhì)在動(dòng)力學(xué)方面的差異,并驗(yàn)證氨基酸取代可改變蛋白質(zhì)耐熱性的理論。
1.5 遺傳物質(zhì)
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由氫鍵及相鄰堿基間的堆集力決定,堿基對(duì)G-C間含有3個(gè)雙鍵,G-C配對(duì)越多,解鏈所需溫度就越高[20]。耐熱微生物G-C堿基對(duì)含量為53.2%(常溫菌為44.9%),同時(shí)耐熱微生物DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中核苷酸排列更有序,堿基堆集力更強(qiáng),從而增加其對(duì)高溫的耐受力[21]。
tRNA在蛋白質(zhì)合成中起運(yùn)載作用。耐熱微生物tRNA具有很好的熱穩(wěn)定性,并且周轉(zhuǎn)速度快于常溫菌,有利于保護(hù)熱不穩(wěn)定的代謝產(chǎn)物,使其可迅速合成[22]。
2.1 蛋白質(zhì)對(duì)微生物的保護(hù)作用
食品中蛋白質(zhì)對(duì)微生物細(xì)胞具有緩沖保護(hù)作用,岳青等[23]研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)可提高微生物的熱抵抗力,尤其是明膠、血清等能增加芽孢的耐熱性。陳健凱等[24]使用牛奶蛋白做包埋劑包埋乳酸菌,可使乳酸菌保持更高的存活率,具有更加穩(wěn)定的生物活性,耐酸耐高溫。Dave等[25]研究發(fā)現(xiàn)牛乳中添加半胱氨酸可顯著提高雙歧桿菌的存活率,乳清蛋白可促進(jìn)其存活。劉成梅等[26]研究認(rèn)為豆奶中蛋白質(zhì)可降低瞬時(shí)高壓協(xié)同加熱對(duì)嗜熱芽孢桿菌的殺滅效果,認(rèn)為在一定濃度范圍內(nèi),蛋白質(zhì)基質(zhì)濃度越高,對(duì)菌體的保護(hù)作用越強(qiáng)。Metric等[27]使用雞肉做培養(yǎng)基培養(yǎng)沙門氏菌,后將培養(yǎng)過(guò)的沙門氏菌暴露于高溫高壓環(huán)境中90min仍不能滅活,蛋白質(zhì)對(duì)微生物的保護(hù)作用可認(rèn)為蛋白質(zhì)生物大分子有機(jī)物可緩沖高溫高壓對(duì)微生物的傷害,同時(shí)蛋白質(zhì)作為微生物的培養(yǎng)基成分,能夠加速微生物的繁殖與自我復(fù)制[28]。
2.2 鹽橋與微生物耐熱性的關(guān)系
鹽橋,又稱離子鍵,是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中靜電作用的一種,在蛋白質(zhì)折疊、穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能方面有重要作用。豆腐形成過(guò)程中需在豆?jié){中加入氯化鈣溶液,鈣離子可屏蔽蛋白質(zhì)分子間的靜電力,同時(shí)可在帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)分子間形成鹽橋[29]。Remondteeo等[30]認(rèn)為鹽濃度與凝膠微觀結(jié)構(gòu)存在緊密關(guān)系,低鹽濃度范圍可誘導(dǎo)凝膠形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著CaCl2濃度的增加,誘導(dǎo)生成的凝膠脆性、硬度都相應(yīng)增加[31],凝膠脆性、硬度的增加可增強(qiáng)其對(duì)菌體的保護(hù)作用[32]。
當(dāng)帶相反電荷的兩個(gè)原子之間的距離小于4A時(shí)可形成鹽橋。當(dāng)3個(gè)以上帶電殘基側(cè)鏈基團(tuán)聚集到一起時(shí)形成鹽橋網(wǎng)絡(luò)或離子對(duì)網(wǎng)絡(luò)。丁彥蕊等[33]研究發(fā)現(xiàn)鹽橋數(shù)量和鹽橋網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和分布與微生物耐熱性有直接關(guān)系。提高總鹽橋含量和鹽橋網(wǎng)絡(luò)的比例可顯著提高微生物耐熱性,即鹽橋總含量和鹽橋網(wǎng)絡(luò)在總鹽橋中的比例與微生物耐熱性呈正相關(guān)。
2.3 膠體與微生物耐熱性的關(guān)系
膠體類物質(zhì)存在于豆腐中,由于膠體的存在使得豆?jié){凝結(jié)形成豆腐,并賦予豆腐致密有序的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。膠體類物質(zhì)在滅菌過(guò)程中對(duì)于微生物起到抵抗熱力致死的作用,能夠提高微生物的耐熱性,主要是由于膠體物質(zhì)可將菌體細(xì)胞嚴(yán)密包裹,起到包埋和保護(hù)菌體細(xì)胞的作用。
張強(qiáng)等[34]使用海藻酸鈉膠體包埋嗜熱鏈球菌,發(fā)現(xiàn)4%海藻酸鈉凝膠包埋乳酸菌可有效提高菌體的熱穩(wěn)定性和耐久存特性。張久龍等[35]通過(guò)鹽誘導(dǎo)乳清蛋白冷凝膠保護(hù)乳酸桿菌,發(fā)現(xiàn)菌體的耐熱性隨凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密性增加而提高。朱俊晨等[36]研究膠類物質(zhì)對(duì)青春雙歧桿菌穩(wěn)定性的影響,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膠類物質(zhì)能夠增加菌體的穩(wěn)定性、耐熱耐酸性、貯存期延長(zhǎng),說(shuō)明膠體物質(zhì)對(duì)菌體細(xì)胞有包埋及保護(hù)作用。
3.1 非發(fā)酵豆制品中微生物主要有芽孢桿菌,是耐熱性很強(qiáng)的微生物;此外,非發(fā)酵豆制品中食品基質(zhì)對(duì)微生物的保護(hù)也是導(dǎo)致微生物耐熱性的主要因素。
3.2 對(duì)非發(fā)酵豆制品采用高溫高壓殺菌是食品安全性的重要保證,但會(huì)使產(chǎn)品感官發(fā)生不良改變,影響消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的可接受程度。
3.3 了解非發(fā)酵豆制品殺菌過(guò)程中微生物的耐熱機(jī)制,對(duì)完善非發(fā)酵豆制品殺菌工藝,延長(zhǎng)食品貨架期,提高食品食用安全性等方面都有重要意義。
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Progress in the Research on Thermo-resistant Mechanisms of Microorganisms in Non-fermented Soybean Products
GUO Jia-jing,LI Zong-jun*,WANG Yuan-liang
(Hunan Province Key Laboratory of Food Science and Biotechnology, College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
The incomplete sterilization of non-fermented soybean products is an important factor for affecting the quality and safety of foods. In this paper, thermo-resistant mechanisms of microorganisms and the effect of non-fermented soybean product on the thermostability of microorganisms are discussed. Meanwhile, factors affecting the thermostability of microorganisms in non-fermented soybean products during sterilization process are explored.
non-fermented soybean products;thermo-resistant microorganism;thermo-resistant mechanism
TS201.3
A
1002-6630(2011)07-0332-03
2010-07-30
長(zhǎng)沙市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(K1001081-21)
郭佳婧(1986—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。E-mail:guojiajing1986@yahoo.com.cn
*通信作者:李宗軍(1967—),男,教授,博士,研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。E-mail:lizongjun@yahoo.com.cn