林洪斌,方佳興,畢小朋,周彬彬,劉平,丁文武,車振明
(西華大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院,四川 成都,610039)
郫縣豆瓣是中國(guó)四川地區(qū)一種傳統(tǒng)發(fā)酵調(diào)味品,主要原料為紅辣椒和蠶豆,加上面粉和食用鹽等輔料發(fā)酵而成,具有味辣香醇、紅棕油亮、醬香濃郁等特點(diǎn),被譽(yù)為“川菜之魂”[1]。特殊的釀造工藝、原料及環(huán)境因素造就了郫縣豆瓣獨(dú)特的風(fēng)味,郫縣豆瓣生產(chǎn)工藝主要分前發(fā)酵及后發(fā)酵2個(gè)階段,前發(fā)酵階段主要包括蠶豆瓣的制曲(下文稱曲瓣子)、甜瓣子的發(fā)酵及辣椒醅的預(yù)處理,其中甜瓣子是接種米曲霉制曲后的蠶豆瓣輔以一定比例鹽水混合發(fā)酵而成的郫縣豆瓣半成品;后發(fā)酵階段主要將成熟甜瓣子與辣椒醅按比例混合,在工業(yè)條池或陶缸中,通過特殊的“翻、曬、露”生產(chǎn)工藝及陳化,最終得到風(fēng)味獨(dú)特的郫縣豆瓣成品[2-3]。甜瓣子發(fā)酵階段利用制曲階段積累的蛋白酶、淀粉酶等酶系對(duì)原料中大分子物質(zhì)進(jìn)行分解,產(chǎn)生多肽、氨基酸、糖、有機(jī)酸和各種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì),郫縣豆瓣前發(fā)酵階段是風(fēng)味形成的關(guān)鍵階段[4-6]。而蛋白質(zhì)是發(fā)酵調(diào)味品中風(fēng)味物質(zhì)的重要來源,蛋白質(zhì)逐步水解釋放出的呈味肽及游離氨基酸等小分子物質(zhì)賦予了調(diào)味品獨(dú)特的滋味[7-8],同時(shí)部分氨基酸是許多揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)形成的前體物質(zhì)。廖順等[9]從白腐乳中分離出3條肽鏈,其中2條分別呈鮮味和鮮酸味,另1條在味精溶液中呈現(xiàn)明顯增鮮作用。林洪斌等[4]對(duì)后發(fā)酵階段郫縣豆瓣氨基酸呈味效果進(jìn)行評(píng)價(jià),認(rèn)為谷氨酸是郫縣豆瓣鮮味的主要來源,氨基酸進(jìn)一步降解形成乙醛、乙醇和酯類等小分子揮發(fā)性香氣物質(zhì)[10]。近年來,研究人員在提高郫縣豆瓣蛋白利用率等方面做了較多研究,主要集中在篩選高產(chǎn)蛋白酶菌株、提高成曲酶活力、優(yōu)化生產(chǎn)工藝等方面。陳廷廷等[11]通過米曲霉與黑曲霉共培養(yǎng)復(fù)合制曲提高成曲中蛋白酶活力,比單一菌株發(fā)酵酶活力提升1倍。李由[12]通過優(yōu)化蛋白水解工藝條件來提高氨基酸態(tài)氮含量,但關(guān)于郫縣豆瓣中蛋白質(zhì)組成及降解變化規(guī)律的研究卻鮮見報(bào)道。
本研究從郫縣豆瓣分級(jí)蛋白組分出發(fā),根據(jù)蛋白質(zhì)溶解性,采用Osborne分級(jí)提取法對(duì)郫縣豆瓣甜瓣子發(fā)酵過程中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分類,分析各組分蛋白在甜瓣子階段降解變化規(guī)律及多肽、游離氨基酸等降解產(chǎn)物變化情況,為改進(jìn)郫縣豆瓣生產(chǎn)工藝,指導(dǎo)曲料酶系構(gòu)建,提高蛋白質(zhì)利用率,提升產(chǎn)品風(fēng)味提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。
實(shí)驗(yàn)材料取自成都市旺豐食品有限公司生產(chǎn)車間,取制曲0、3、7 d曲瓣子及鹽水發(fā)酵15、30、45、60、90 d的甜瓣子,其中m(曲瓣子)∶m(食鹽)∶m(水)=100∶38∶75,分別編號(hào)Q0、Q3、Q7、T15、T30、T45、T60、T90,樣品經(jīng)冷凍干燥后粉碎,過40目篩備用。
乙醇、NaOH、三氯乙酸、NaCl、濃H2SO4、CuSO4、硼酸、HCl、十二烷基硫酸鈉、甘油、三羥甲基氨基甲烷,分析純,成都科龍化工廠;牛血清蛋白、考馬斯亮藍(lán)R250、考馬斯亮藍(lán)G250,上海源葉生物科技有限公司;SDS-PAGE凝膠制備試劑盒,北京金克隆生物技術(shù)有限公司。
KH3200E超聲波清洗器,昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司;TD-5M型離心機(jī),四川蜀科儀器有限公司;日立L-8900型全自動(dòng)氨基酸分析儀,日立高新技術(shù)公司;MVS-1旋渦混合器,北京金紫光科技發(fā)展有限公司;BSA224S分析天平,賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;K9840型自動(dòng)凱氏定氮儀,濟(jì)南海能儀器股份有限公司;Spectra Max i3x型多功能酶標(biāo)儀,美谷分子儀器 (上海) 有限公司;凝膠成像系統(tǒng),美國(guó)Bio-Rad公司; DYY-6C型電泳儀,北京六一儀器廠。
1.3.1 總蛋白含量測(cè)定
自動(dòng)凱氏定氮儀法,參照GB 5009.5—2010。
1.3.2 Osbrone法分級(jí)蛋白提取工藝
水溶蛋白提取[13]:稱取5 g樣品,以蒸餾水為提取劑,加入50 mL蒸餾水于40 ℃下浸提1 h,8 000 r/min條件下離心20 min,收集上清液;沉淀用蒸餾水沖洗3次,所得上清液與第1次上清液混合,定容至100 mL,即得水溶蛋白溶液。
鹽溶蛋白提?。喝〉谝徊讲僮魉贸恋?,以5% NaCl溶液為提取劑,參照第一步工藝條件,收集上清液,即得鹽溶蛋白溶液。
醇溶蛋白提取:取第一步操作所得沉淀,以75 %乙醇溶液為提取劑,參照第一步工藝條件,收集上清液,即得醇溶蛋白溶液。
麥谷蛋白提?。喝〉谝徊讲僮魉贸恋?,以0.1 mol/L NaOH溶液為提取劑,參照第一步工藝條件,收集上清液,即得麥谷蛋白溶液。
1.3.3 各組分蛋白質(zhì)含量測(cè)定
采用Boardford法測(cè)定蛋白質(zhì)含量[14]。以牛血清蛋白濃度為橫坐標(biāo),595 nm處吸光值為縱坐標(biāo),得到牛血清蛋白標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=0.006 1X+0.015 6(R2=0.998 9),該標(biāo)準(zhǔn)曲線具有良好線性關(guān)系。
1.3.4 SDS-PAGE凝膠電泳分析
提取的蛋白溶液,各自加不同比例緩沖溶液稀釋,配制成質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL的蛋白溶液,加入等量5×上樣緩沖液(內(nèi)含100 g/L SDS、5 g/L溴酚藍(lán)、體積分?jǐn)?shù)的50%甘油、5%巰基乙醇、0.25 mol/L pH 6.8 Tris-HCl),沸水浴中加熱5 min。配制質(zhì)量濃度為120 g/L分離膠和50 g/L的濃縮膠,上樣量10 μL,開始電壓80 V,進(jìn)入分離膠后電壓120 V,條帶至分離膠底端后電泳結(jié)束,經(jīng)考馬斯R250溶液染色后脫色,采用凝膠成像系統(tǒng)拍照。
1.3.5 多肽含量測(cè)定
參考夏蓉等[15]的方法。稱取2 g樣品放入研缽研磨粉碎,加入0.1 mol/L Tris-HCl緩沖溶液(pH 8.8)定容至10 mL,4 ℃浸提1 h,8 000 r/min離心15 min取上清液。上清液與等體積15%(體積分?jǐn)?shù))三氯乙酸混合均勻后4 ℃靜置30 min,8 000 r/min離心15 min以去除大分子蛋白質(zhì),取上清液為肽提取液,參照1.3.3方法測(cè)定多肽含量。
1.3.6 氨基酸自動(dòng)分析儀測(cè)定游離氨基酸含量
標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備:根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 30987—2014,配制20種游離氨基酸,濃度為1.25 μmol/mL,作為母液。
流動(dòng)相的配制:根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 30987—2014中相關(guān)要求配制流動(dòng)相B1-6及R1-3。
樣品的制備:將待測(cè)液于4 ℃下1 000 r/min離心15 min,取上層清液過0.22 μm微孔濾膜后備用。
色譜條件:日立生理體液分析柱PF (4.6 mm l.D.×60 mm);反應(yīng)柱溫度135 ℃;流動(dòng)相流速為0.35 mL/min,反應(yīng)液流速為0.30 mL/min;分離梯度條件及反應(yīng)液梯度條件見GB/T 30987—2014,檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)為570和440 nm。
1.3.7 數(shù)據(jù)處理與分析
甜瓣子階段總蛋白含量變化結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出,制曲0 d時(shí)蛋白質(zhì)含量為31.25 g/100 g,在制曲階段先略微上升,因?yàn)樵谥魄捌谖⑸镩_始生長(zhǎng)繁殖,由于孢子萌發(fā)的需要,部分糖類等通過呼吸作用轉(zhuǎn)化成CO2及水分釋放到環(huán)境中,而含氮代謝物積累到曲料中,導(dǎo)致總蛋白的少量升高[16]。甜瓣子發(fā)酵階段,總蛋白含量呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),發(fā)酵15 d,總蛋白含量快速下降到25.31 g/100 g,由于一方面曲料與鹽水混合,在滲透壓作用下部分可溶性蛋白與鹽水發(fā)生物質(zhì)交換,溶解到池底發(fā)酵液中,另一方面蛋白質(zhì)在蛋白酶的作用下開始降解成多肽、氨基酸等小分子物質(zhì),同時(shí)美拉德反應(yīng)也會(huì)消耗部分蛋白,轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性物質(zhì),從而導(dǎo)致總蛋白含量的減少。發(fā)酵后期蛋白質(zhì)降解速率減緩,發(fā)酵90 d結(jié)束后,總蛋白質(zhì)含量為19.17 g/100 g,總體下降38.78%。
圖1 甜瓣子發(fā)酵總蛋白質(zhì)含量變化
甜瓣子發(fā)酵階段,不同蛋白組分含量變化如圖2所示。由圖2可以看出,制曲開始前,原料中水溶、鹽溶、醇溶和麥谷蛋白質(zhì)含量分別為6.64、9.06、0.63、9.20 g/100 g。醇溶蛋白主要來自于原料中面粉,整個(gè)甜瓣子發(fā)酵階段,醇溶蛋白含量極低,且沒有顯著變化,所以醇溶蛋白降解對(duì)郫縣豆瓣風(fēng)味品質(zhì)影響較小。而水溶、鹽溶及麥谷蛋白在制曲階段含量均有部分升高,制曲7 d后分別達(dá)到8.18、 10.05和9.28 g/100 g,可能是部分不溶性氮被分解成肽、氨基酸等可溶性氮,同時(shí)微生物在大量繁殖的過程中也會(huì)產(chǎn)生菌體蛋白和各種酶[17]。甜瓣子發(fā)酵階段前期,鹽溶蛋白含量快速下降,發(fā)酵15 d時(shí)含量下降到1.35 g/100 g,這是由于鹽溶蛋白在水中溶解度極低,但受NaCl濃度升高的影響,蛋白質(zhì)表面電荷增加,增強(qiáng)蛋白質(zhì)分子和水分子間相互作用力,促進(jìn)鹽溶蛋白的鹽溶、鹽析反應(yīng)[18-19],導(dǎo)致甜瓣子階段鹽溶蛋白大量溶出沉淀至發(fā)酵池底部的鹽水環(huán)境中,對(duì)甜瓣子蛋白降解貢獻(xiàn)較小。而甜瓣子發(fā)酵前期水溶蛋白含量有明顯增加,發(fā)酵15 d后增長(zhǎng)到12.26 g/100 g,一部分來源于微生物菌體自溶,另一部分來自于微生物所產(chǎn)蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)的降解,原料中難溶的大分子質(zhì)量蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)化為可溶性小分子蛋白[20-21],發(fā)酵后期開始逐步下降并趨于穩(wěn)定,發(fā)酵結(jié)束時(shí)其含量為7.72 g/100 g。麥谷蛋白在甜瓣子發(fā)酵階段一直保持明顯下降趨勢(shì),隨著發(fā)酵的繼續(xù)進(jìn)行,酸性物質(zhì)的積累導(dǎo)致環(huán)境pH不斷降低,堿性蛋白酶和中性蛋白酶酶活力逐漸減弱,麥谷蛋白降解作用被進(jìn)一步抑制,發(fā)酵結(jié)束后其含量下降到6.54 g/100 g。
圖2 郫縣豆瓣甜瓣子發(fā)酵階段不同蛋白組分含量
根據(jù)前述分析,甜瓣子發(fā)酵階段主要降解蛋白質(zhì)為水溶蛋白和麥谷蛋白,而SDS-PAGE能直觀反映甜瓣子發(fā)酵階段蛋白亞基間發(fā)生的聚集、降解等情況。對(duì)2種蛋白質(zhì)進(jìn)行SDS-PAGE電泳分析,如圖3所示,2種蛋白亞基在制曲階段分布各有異同,但分布范圍均集中在20~60 kDa之間。制曲階段各組分蛋白亞基均無明顯變化,水溶蛋白在30和20 kDa處有1條明顯條帶,而麥谷蛋白在30~40 kDa間有1條較粗條帶,甜瓣子發(fā)酵開始后2種蛋白質(zhì)降解反應(yīng)劇烈,由大分子蛋白質(zhì)降解為小分子蛋白亞基或者更小的肽段等。水溶蛋白在發(fā)酵15 d后,30 kDa以上蛋白條帶逐漸變淺,大分子蛋白發(fā)生降解,并降解成1條集中在20 kDa附近的明顯條帶,但30~50 kDa之間仍存在部分條帶,說明在甜瓣子發(fā)酵階段后期水溶蛋白酶解不徹底。而麥谷蛋白則在發(fā)酵前30 d快速降解,甜瓣子發(fā)酵15 d時(shí)大分子蛋白條帶逐漸變淺,發(fā)酵30 d后30 kDa以上條帶已基本消失,20 kDa附近蛋白質(zhì)亞基條帶逐漸加深,可以看出在發(fā)酵前30 d水溶蛋白和麥谷蛋白均發(fā)生明顯降解,由大分子蛋白降解生成小分子蛋白亞基或者多肽及氨基酸,在發(fā)酵過程后期小分子蛋白亞基呈不斷積累的趨勢(shì)。由此可知,郫縣豆瓣甜瓣子發(fā)酵階段水溶蛋白和麥谷蛋白降解顯著,說明此2種蛋白是郫縣豆瓣風(fēng)味物質(zhì)形成的關(guān)鍵蛋白。
a-水溶蛋白;b-麥谷蛋白
由圖4可以看出,制曲開始時(shí)多肽含量為1.29 mg/g,制曲階段多肽含量沒有明顯變化。從總蛋白質(zhì)含量變化及SDS-PAGE電泳分析可以看出,蛋白質(zhì)在甜瓣子發(fā)酵前期降解作用劇烈,但甜瓣子發(fā)酵15 d時(shí)多肽含量快速下降到0.96 mg/g,可能是部分多肽快速降解生成氨基酸等小分子物質(zhì),還有部分多肽釋放到發(fā)酵環(huán)境中。刁文睿等[22]發(fā)現(xiàn)在醋漬花生多肽含量變化中也出現(xiàn)相似情況。而后隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行,多肽含量開始逐漸上升,并在后期趨于穩(wěn)定,說明在甜瓣子發(fā)酵后期,隨著蛋白酶活性的降低和蛋白質(zhì)降解作用的減弱,多肽被更多地分解成游離氨基酸,多肽的形成速率與消耗速率實(shí)現(xiàn)相對(duì)平衡,發(fā)酵結(jié)束后含量達(dá)到1.31 mg/g。
圖4 郫縣豆瓣甜瓣子發(fā)酵階段多肽含量
甜瓣子階段游離氨基酸含量變化趨勢(shì)如表1所示。游離氨基酸由蛋白質(zhì)及多肽降解產(chǎn)生,是郫縣豆瓣的一種重要呈味物質(zhì),對(duì)郫縣豆瓣風(fēng)味構(gòu)成起到重要作用[4]。由表1可以看出,制曲階段共檢出19種氨基酸,且該階段總量變化不明顯,而甜瓣子發(fā)酵15 d后游離氨基酸總量迅速上升到30.987 mg/g,說明甜瓣子發(fā)酵前期蛋白降解作用劇烈,蛋白質(zhì)在蛋白酶、肽酶的作用下快速水解,生成大量氨基酸,同時(shí)此階段美拉德反應(yīng)等消耗氨基酸的反應(yīng)程度較弱,從而導(dǎo)致氨基酸含量的快速增長(zhǎng)。隨后甜瓣子發(fā)酵中期游離氨基酸含量增長(zhǎng)緩慢,并逐漸趨于穩(wěn)定,此時(shí)受發(fā)酵環(huán)境影響,蛋白酶活性被抑制,蛋白質(zhì)降解作用減弱,氨基酸更多地參與美拉德反應(yīng)及分解生成其他小分子風(fēng)味物質(zhì),氨基酸的積累速率與消耗速率達(dá)到平衡狀態(tài)。而發(fā)酵后期隨著酸性物質(zhì)的積累,發(fā)酵環(huán)境pH不斷下降,酸性蛋白酶活力更高,促使更多的多肽分解成氨基酸,到甜瓣子發(fā)酵90 d結(jié)束后游離氨基酸總量積累到50.219 mg/g。
表1 郫縣豆瓣甜瓣子發(fā)酵階段游離氨基酸變化 單位:mg/g
參考PARK等[23]將游離氨基酸據(jù)呈味特性分為5類,即甜鮮味、鮮酸味、苦甜味、苦味、咸味。其中呈甜鮮味、鮮酸味和苦味游離氨基酸含量最高,并且甜瓣子發(fā)酵90 d時(shí)呈甜鮮味和鮮酸味氨基酸總量接近其發(fā)酵30 d時(shí)的2倍,增長(zhǎng)的絕對(duì)量最大。結(jié)合SDS-PAGE電泳結(jié)果分析推測(cè)水溶蛋白與郫縣豆瓣風(fēng)味形成關(guān)系更加密切,同時(shí)本研究也從分子層面解釋了甜瓣子發(fā)酵90 d以上才能達(dá)到甜瓣子的成熟度,即具有醇厚味和濃郁酯香。除精氨酸外大部分游離氨基酸呈總體上升趨勢(shì),谷氨酰胺僅在制曲階段檢出,含量較高(≥1 mg/g)的游離氨基酸有丙氨酸、谷氨酸、賴氨酸、精氨酸、亮氨酸、纈氨酸,呈鮮酸味的谷氨酸和天冬氨酸增長(zhǎng)率最高,發(fā)酵結(jié)束后分別增長(zhǎng)5.60和7.81倍。在發(fā)酵前期各類呈味氨基酸總量差異不大,而發(fā)酵90 d結(jié)束后含量最高的呈味氨基酸依次是鮮酸味、苦味和甜鮮味氨基酸,總量分別達(dá)到16.140、14.652及11.829 mg/g。
研究發(fā)現(xiàn)甜瓣子中水溶蛋白和麥谷蛋白在發(fā)酵前30 d快速降解,所以多肽含量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì),而游離氨基酸含量在發(fā)酵前期增長(zhǎng)緩慢,發(fā)酵結(jié)束時(shí)快速達(dá)到峰值50.219 mg/g。
郫縣豆瓣甜瓣子發(fā)酵階段主要是水溶蛋白和麥谷蛋白在甜瓣子發(fā)酵前期發(fā)生快速降解,發(fā)酵結(jié)束后仍有部分蛋白降解不徹底,原因是甜瓣子發(fā)酵后期由于高鹽環(huán)境的脅迫、酸性物質(zhì)的積累和某些微生物代謝物質(zhì)的產(chǎn)生,抑制其蛋白酶酶活力,蛋白質(zhì)降解作用減弱并趨于穩(wěn)定[24-25]。多肽的生成依賴堿性及中性蛋白酶等蛋白內(nèi)切酶的作用,而酸性蛋白酶等肽酶將多肽分解成氨基酸[26],隨著發(fā)酵環(huán)境pH不斷降低,后期酸性蛋白酶活力更高,促使多肽分解成游離氨基酸,導(dǎo)致在發(fā)酵后期多肽含量增長(zhǎng)緩慢。游離氨基酸含量在甜瓣子發(fā)酵階段呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),但在甜瓣子發(fā)酵中期增長(zhǎng)緩慢,可能是部分游離氨基酸參與美拉德反應(yīng)或作為前體物被消耗生成小分子風(fēng)味物質(zhì),其生成速率與消耗速率相持平,到發(fā)酵后期隨著酸性蛋白酶占據(jù)主導(dǎo)地位,游離氨基酸總量有顯著提高,與后期多肽含量增長(zhǎng)速率減緩相印證。根據(jù)呈味特性對(duì)氨基酸進(jìn)行分類,含量最高的游離氨基酸依次為鮮酸味、苦味和甜鮮味氨基酸,說明隨著發(fā)酵的長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行,不僅會(huì)使郫縣豆瓣鮮味提高,賦予它豐富醇厚的口感,同時(shí)也會(huì)積累大量苦味氨基酸,進(jìn)而產(chǎn)生苦味衍生物,影響郫縣豆瓣的風(fēng)味[27]。所以要提高郫縣豆瓣甜瓣子發(fā)酵階段蛋白質(zhì)利用率,一方面要提高發(fā)酵后期蛋白酶活力,減緩其在高鹽環(huán)境中的失活速率,另一方面還要加強(qiáng)米曲霉等微生物分泌酶系研究,根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)需要,適當(dāng)補(bǔ)充相關(guān)酶,滿足不斷變化的發(fā)酵環(huán)境需求。同時(shí)在后期發(fā)酵中也要關(guān)注游離氨基酸的構(gòu)成,不能一味延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間,避免產(chǎn)生令人不悅的風(fēng)味。