鮑文娜,陳 怡,潘海峰,劉士旺

(1.浙江科技學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江省農(nóng)產(chǎn)品化學(xué)與生物加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310023;3.博順科技(浙江)有限公司,浙江 湖州 313002)

姜汁加入適溫的牛奶中靜置,可得姜汁凝乳,俗稱(chēng)姜撞奶。它是一種廣東、福建等地盛行的傳統(tǒng)甜品,其口味醇厚、風(fēng)味獨(dú)特[1],具有暖胃、驅(qū)寒、抗菌、促進(jìn)血液循環(huán)、增強(qiáng)免疫力等作用[2],兼具牛奶和生姜的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,頗受消費(fèi)者喜愛(ài)。姜汁中有凝乳成分,可作為天然凝乳劑。人們對(duì)姜汁凝乳成分及其機(jī)理的研究日益深入,但凝乳機(jī)理尚存爭(zhēng)議,故本綜述在剖析生姜主要組分及活性功能的基礎(chǔ)上,結(jié)合對(duì)姜汁凝乳制備工藝中影響因素的分析,探討其凝乳成分并總結(jié)其凝乳機(jī)理。

1 生姜組分及活性功能的研究

生姜原產(chǎn)于太平洋群島,是草本植物姜的根莖,姜屬于姜科薯芋類(lèi)[3]36,品種多樣,在中國(guó)河南、山東、廣東等地也有種植。雖然中國(guó)生姜產(chǎn)量很高,但對(duì)其綜合利用程度很低[4]。它的根莖肥厚、扁平,有辛辣味,既可作為調(diào)味品,也可作為中藥,還能作為天然食品添加劑,具有化痰止咳、消炎抗菌、抗腫瘤、降血糖、改善血液循環(huán)等功效[5]。生姜的主要成分包括淀粉、脂類(lèi)、蛋白質(zhì)和無(wú)機(jī)化合物,其風(fēng)味特征是由其單萜和倍半萜化合物決定的[6]。它含有豐富的蛋白質(zhì)、多糖、維生素及胡蘿卜素和鈣、鐵、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[7],還含有大量可溶性膳食纖維。研究發(fā)現(xiàn),每100 g生姜(可食部分)中,含蛋白質(zhì)1.4 g、糖8.8 g、脂肪0.7 g、鈣20 mg、鐵7.0 mg、維生素B1 0.01 mg、維生素C 4 mg、胡蘿卜素0.18 g、磷45 mg及尼克酸0.4 mg等[3]37。

生姜主要功能活性成分包括生姜蛋白酶、姜醇、姜酚、姜烯、黃酮等物質(zhì),此外,還含有抗菌成分,新鮮姜汁對(duì)大腸桿菌、啤酒酵母、青霉有較明顯的抑菌效果[8]。由于生姜中含有酚類(lèi)、β-二酮基類(lèi)、姜辣素、二苯基庚烷等物質(zhì),因此具有抗氧化作用[9],它們能夠抑制體內(nèi)過(guò)氧化脂質(zhì)的生成并清除自由基[10],姜辣素類(lèi)物質(zhì)的抗氧化活性大于維生素E,用有機(jī)溶劑提取生姜得到的提取物極性越大,抗氧化活性則越大。生姜對(duì)不同癌細(xì)胞均有抑制作用,其抗癌作用主要是通過(guò)調(diào)節(jié)多種信號(hào)分子來(lái)實(shí)現(xiàn)的[11]。姜烯可以刺激胃黏膜合成內(nèi)源性胃蛋白酶原并釋放,內(nèi)源性胃蛋白酶原具有保護(hù)細(xì)胞的作用,從而保護(hù)胃黏膜,起到健胃止吐的作用。姜烯酚和姜醇具有消炎鎮(zhèn)痛、驅(qū)寒活血的作用,可減輕牙痛、緩解偏頭痛,生姜泡酒能緩解關(guān)節(jié)炎的疼痛。此外,生姜具有驅(qū)寒活血的功效,還能降低血液中膽固醇的含量,從而降低血脂、促進(jìn)血液循環(huán)。

2 姜汁凝乳的制備工藝及影響因素研究

姜汁凝乳的工藝路線是:牛奶制備→調(diào)節(jié)pH→殺菌→與姜汁(紗布過(guò)濾)沖漿混合→混勻后靜置→觀察。在制備過(guò)程中要注意選擇無(wú)傷痕、無(wú)異味、能儲(chǔ)存一段時(shí)間的老姜。

目前,姜汁凝乳的市場(chǎng)普及率不高且相關(guān)研究也較少,對(duì)其工藝研究主要集中在復(fù)合物添加比例和凝乳機(jī)理等方面。鐘紅梅等[12]通過(guò)單因素及正交試驗(yàn)來(lái)測(cè)定姜汁凝乳的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)、感官指標(biāo)、持水力等,發(fā)現(xiàn)牛奶溫度、姜汁添加量、pH、氯化鈣添加量都會(huì)影響姜汁凝乳的口感和品質(zhì)。王文亮等[13]發(fā)現(xiàn)除了姜汁添加量和凝乳溫度、氯化鈣添加量之外,檸檬酸添加量也會(huì)影響姜汁凝乳的效果。張衛(wèi)佳等[14]研究了姜汁添加量、沖漿溫度、酸度及殺菌條件等因素對(duì)姜汁凝乳效果的影響,發(fā)現(xiàn)姜汁添加量和溫度是影響姜汁凝乳效果的主要外部因素。而張佳程等[15]認(rèn)為影響姜汁凝乳效果的主要外部因素是溫度和pH,干酪素和氯化鈣是凝乳促進(jìn)物。綜上,影響姜汁凝乳效果的主要因素有姜汁添加量、溫度、pH、氯化鈣等。

從理論上分析,姜汁添加量越大,則生姜蛋白酶含量越高,牛奶中κ-酪蛋白被分解得越多,疏水性通道也隨之增多,那么進(jìn)入的凝乳促進(jìn)物離子如Ca2+也增加,αs1-酪蛋白的活性部位變多,因此姜汁添加量的增加可使酪蛋白凝聚成完整的凝塊,凝乳的效果更好。但姜汁添加量若過(guò)高會(huì)造成辣味過(guò)重,影響姜汁凝乳的口感及品質(zhì),因此要選擇適宜的姜汁添加量。溫度可影響生姜蛋白酶的活性,蛋白酶具有較高的最適溫度(60 ℃)。除此之外,溫度還與分子運(yùn)動(dòng)有關(guān),隨著溫度的升高,分子運(yùn)動(dòng)加劇,增加了膠束間的碰撞,從而增加結(jié)合部位,進(jìn)而增大凝塊強(qiáng)度[16]。當(dāng)pH值小于5.0時(shí),牛奶發(fā)生酸凝乳,其凝乳狀態(tài)與姜汁凝乳不同;當(dāng)pH值大于6.0時(shí),凝乳效果隨pH值增大而變差,因此最佳pH值為5.0～6.0[15]58。溫度和pH可影響生姜蛋白酶活性,為取得較好的凝乳效果,要選擇合適的溫度和pH范圍。Ca2+可進(jìn)入酪蛋白膠束的疏水通道促進(jìn)凝乳,因此添加了CaCl2的牛奶凝乳時(shí)間縮短且效果好。

3 姜汁凝乳機(jī)理的研究

3.1 生姜凝乳成分

人們對(duì)姜汁凝乳成分及其機(jī)理的研究日益深入,但也有所爭(zhēng)議。唐琳等[17]發(fā)現(xiàn)姜汁水浸提液和水蒸氣蒸餾液具有顯著的凝乳功能,這與其中含有蛋白酶、姜醇等物質(zhì)有關(guān)。張平平等[18]分別利用揮發(fā)油及生姜蛋白酶粗提物進(jìn)行凝乳試驗(yàn),其結(jié)果是前者無(wú)法使奶凝固,而后者可行。曾劍超等[19]分別利用生姜蛋白酶粗提液、姜精油和姜油樹(shù)脂進(jìn)行凝乳試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)只有生姜蛋白酶提取物有凝乳效果,后兩物均無(wú)法凝乳?，F(xiàn)有研究表明,姜汁中的生姜蛋白酶是主要的凝乳因子[20],且姜醇、姜烯酚、副姜油酮等物質(zhì)對(duì)凝乳起輔助作用[21]。生姜蛋白酶具有較高的凝乳活性和蛋白酶活性,從凝乳活性、蛋白酶活性和對(duì)κ-酪蛋白的特異性等方面來(lái)看,生姜蛋白酶是一種很有發(fā)展前景的類(lèi)凝乳酶蛋白酶,它作為凝乳酶在乳品工業(yè)中具有替代和催化的潛在用途,可用于奶酪和乳制品的生產(chǎn)。

3.2 生姜蛋白酶

生姜根莖中含有蛋白酶GP-Ⅰ和GP-Ⅱ,現(xiàn)已確定GP-Ⅱ的完整氨基酸序列和GP-Ⅰ約98%的氨基酸序列[22]。生姜蛋白酶是半胱氨酸蛋白酶,與木瓜蛋白酶、無(wú)花果蛋白酶、菠蘿蛋白酶、獼猴桃蛋白酶同屬于木瓜蛋白酶超家族,其中獼猴桃蛋白酶和生姜蛋白酶所產(chǎn)生的凝乳紋理特性與小牛皺胃凝乳酶相似[23]。這些肽酶被合成為帶有信號(hào)肽和N(氨基)端前肽區(qū)的酶原或非活性前體,并通過(guò)蛋白水解裂解激活,然后從酶中分離出N端片段或pro(酶原)區(qū)域[22]。生姜蛋白酶中半胱氨酸殘基上的巰基是其能凝固牛乳的活性部位,使用生姜作為凝乳酶,既利用了中國(guó)產(chǎn)量大但利用率低的生姜資源,又能降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。除此之外,生姜蛋白酶還能水解肉類(lèi)、酒類(lèi)中的蛋白質(zhì)從而達(dá)到嫩化肉類(lèi)、澄清酒類(lèi)的效果[24]。

生姜蛋白酶提取方法主要有超濾法和有機(jī)溶劑沉淀法。超濾技術(shù)利用超濾膜能去除酶促褐變反應(yīng)產(chǎn)生的酚類(lèi)物質(zhì),防止酶促褐變[25],超濾法操作簡(jiǎn)單、效率高、安全、成本低,用它得到的生姜蛋白酶活性高,適合工業(yè)化生產(chǎn)。用有機(jī)溶劑提取生姜蛋白酶常用的沉淀劑為丙酮、硫酸銨、單寧等,這種方法提取純度高,但成本高、效率低。因此可采取超濾法與有機(jī)溶劑相結(jié)合來(lái)達(dá)到提取生姜蛋白酶的目的[26],提取得到的生姜蛋白酶濃縮液利用弱陰離子交換樹(shù)脂對(duì)生姜蛋白酶進(jìn)行純化[27]。

生姜蛋白酶能水解αs1-、β-、κ-酪蛋白,αs1-酪蛋白對(duì)生姜蛋白酶最敏感,κ-酪蛋白具有比αs1-和β-酪蛋白更高的水解特異性,且隨著溫度的升高,生姜蛋白酶對(duì)κ-酪蛋白的特異性也升高。Cu2+、Fe2+能抑制生姜蛋白酶的活性,而Ca2+、乙二胺四乙酸和二硫蘇糖醇能激活生姜蛋白酶[28]。目前對(duì)生姜蛋白酶的研究及利用較少,在人們?cè)絹?lái)越追求天然、綠色的食品添加劑的背景下,生姜蛋白酶作為食品添加劑可成為產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì),利用生姜中蛋白酶的凝乳作用,結(jié)合生姜與牛乳二者的優(yōu)勢(shì),制備功能性酸奶和干酪具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 生姜凝乳的分子機(jī)理

牛乳蛋白中80%是酪蛋白,它主要由αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白組成。αs1-酪蛋白的疏水性較強(qiáng),帶有較多的絲氨酸磷酸化殘基位點(diǎn),能與Ca2+結(jié)合,是鈣敏感性蛋白質(zhì)。αs2-酪蛋白在所有酪蛋白中親水性最強(qiáng),其結(jié)構(gòu)中帶有3簇負(fù)電荷的磷酸絲氨酸和谷氨酸殘基。β-酪蛋白是所有酪蛋白中疏水性最強(qiáng)的,其N(xiāo)端含有負(fù)電荷磷酸化絲氨酸簇,能與Ca2+結(jié)合,C(羧基)端非常疏水,占整個(gè)鏈長(zhǎng)的3/4。κ-酪蛋白的親水性較強(qiáng),只有一個(gè)磷酸絲氨酸殘基,沒(méi)有蘇氨酸糖苷化殘基,對(duì)Ca2+不敏感,凝乳酶可水解Phe105-Met106殘基之間的肽鍵,產(chǎn)生副κ-酪蛋白(κ-CN)[29]。

牛乳中95%以上的酪蛋白以懸浮膠體的形式存在,膠束呈球形,其直徑約為40～300 nm。關(guān)于酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)模型較多,有套核模型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型、亞單元模型、Holt模型、雙結(jié)合模型等[30],現(xiàn)公認(rèn)的酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)模型是,酪蛋白膠束中心主要由疏水性較強(qiáng)的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白組成,能結(jié)合Ca2+,它們通過(guò)疏水區(qū)域相互作用形成疏水核心,膠粒外層主要是由親水的κ-酪蛋白組成,形成親水區(qū)域,阻擋住了中央疏水性核心,進(jìn)而防止乳漿中Ca2+與膠粒中心的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白的結(jié)合,從而使得酪蛋白膠束以相對(duì)穩(wěn)定的膠體懸浮液形式存在。從以上分析中可以看出,κ-酪蛋白是酪蛋白膠束得以穩(wěn)定的原因,若將κ-酪蛋白降解,可解除外層的親水保護(hù),暴露膠束中心的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白,使之與Ca2+結(jié)合,最終導(dǎo)致凝乳[31]。

姜汁中含有生姜蛋白酶,目前對(duì)姜汁凝乳機(jī)理的研究主要集中在生姜蛋白酶方面。生姜蛋白酶與凝乳酶的作用機(jī)理類(lèi)似,只是酶的性質(zhì)和作用位點(diǎn)不同。凝乳酶水解κ-酪蛋白在Phe105-Met106之間的肽鍵,釋放親水C端的酪蛋白巨肽,使酪蛋白膠束不再穩(wěn)定,從而導(dǎo)致牛奶凝結(jié)[29]。生姜蛋白酶的水解性質(zhì)受底物特性、溫度等因素影響[32]。當(dāng)水解底物為κ-酪蛋白單體且溫度高于60 ℃時(shí),Ala90-Glu91和His102-Leu103是生姜蛋白酶的首選靶鍵,其次為T(mén)hr121-Ile122,它們分別產(chǎn)生κ-CN(f1-90)、κ-CN(f1-102)和κ-CN(f1-121)的N末端疏水性肽段。但若水解底物為κ-酪蛋白單體且溫度較低時(shí),水解特異性降低,除產(chǎn)生上述3種肽段外,還會(huì)產(chǎn)生分子量高于κ-CN(f1-121)的產(chǎn)物。當(dāng)水解底物為脫脂乳體系時(shí),生姜蛋白酶幾乎不能水解αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白和β-酪蛋白,而是主要作用于κ-酪蛋白的Thr121-Ile122肽鍵,產(chǎn)生N末端的副κ-酪蛋白κ-CN(f1-121)和C末端的酪蛋白巨肽,使酪蛋白失去穩(wěn)定性而凝結(jié)成凝膠[33],酪蛋白顆粒越小,形成的凝膠強(qiáng)度則越大[34]。

綜上所述,姜汁凝乳的分子機(jī)理是:生姜蛋白酶可水解酪蛋白膠束親水外層κ-酪蛋白的Thr121-Ile122肽鍵,產(chǎn)生N末端的副κ-酪蛋白κ-CN(f1-121)和C末端的酪蛋白巨肽,降低酪蛋白膠束之間靜電斥力和空間位阻作用,破壞了酪蛋白膠粒的穩(wěn)定性,使得膠束疏水中心的αs1-酪蛋白和β-酪蛋白暴露。生姜蛋白酶水解形成的酪蛋白巨肽是可溶的,可直接釋放到乳清中。當(dāng)大多數(shù)κ-酪蛋白被降解時(shí),副κ-酪蛋白κ-CN(f1-121)、αs1-酪蛋白和β-酪蛋白在牛乳中Ca2+的作用下,彼此之間形成“鈣橋”,酪蛋白相互凝聚,最終產(chǎn)生凝膠。

4 展 望

現(xiàn)有研究表明,生姜具有消炎抗菌、改善血液循環(huán)等功能,對(duì)人體健康有益,生姜蛋白酶作為生姜中的主要凝乳成分,除了凝乳作用之外,還具有嫩滑肉類(lèi)、澄清酒類(lèi)的作用,具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí),姜汁凝乳制備工藝、凝乳因子成分及其凝乳作用方式也已明確,但目前對(duì)姜汁凝乳機(jī)理的研究停留于酶凝乳階段。姜汁凝乳是在酸化與生姜蛋白酶共同作用下誘導(dǎo)形成的,即酸酶共促凝乳,它涉及酸化和酶解兩個(gè)因素及其相互作用,但目前對(duì)酸酶共促凝乳的機(jī)理尚未明確,研究難度較大。因此研究姜汁凝乳的風(fēng)味特征、流變學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)性質(zhì),并通過(guò)數(shù)學(xué)模型表征它們之間的相互作用,可進(jìn)一步明確姜汁的酸酶共促凝乳機(jī)理,加快生姜蛋白酶在乳品工業(yè)中的應(yīng)用,以替代價(jià)格較昂貴的小牛皺胃凝乳酶,有效提高中國(guó)生姜的利用率。此外,生姜蛋白酶易失活,在明晰其凝乳機(jī)理的基礎(chǔ)上,如果能提高它的穩(wěn)定性,則可進(jìn)一步降低成本,擴(kuò)大它的應(yīng)用領(lǐng)域,提高生姜的利用價(jià)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

姜汁凝乳具有暖胃、驅(qū)寒、促進(jìn)血液循環(huán)、增強(qiáng)免疫力和抗菌等作用,姜汁凝乳機(jī)理的研究為干酪生產(chǎn)中凝乳酶的開(kāi)發(fā)提供了新思路。現(xiàn)有研究表明生姜中的主要凝乳因子是生姜蛋白酶,同時(shí)姜醇、姜烯酚、副姜油酮等物質(zhì)也有一定的凝乳作用。對(duì)姜汁凝乳的風(fēng)味物質(zhì)、流變學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)性質(zhì)及其相互作用的研究可進(jìn)一步明確姜汁凝乳機(jī)理,這也許是未來(lái)研究的熱點(diǎn)與方向。