外源蛋白酶对豆浆机制作豆浆风味的影响

张嘉铭，卢晓红，刘 萍

（中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083）

豆浆是中国传统的植物蛋白饮料，具有悠久的饮用历史。豆浆组成成分中有大豆蛋白、大豆油脂，果糖、水苏糖、鼠李糖等可溶性糖类及磷脂、异黄酮等活性因子[1]，其中蛋白质含量几乎和牛奶相同[2]，且不会引起乳糖不耐受，可以作为牛奶替代品，被欧美国家称为“植物奶”。由于豆浆营养丰富、价格低廉，越来越受到广大消费者的青睐。

传统豆浆制作工艺一般为浸泡大豆、加水研磨、过滤去渣和煮浆[3]。制作过程中，由于大豆内源酶及外界环境的共同作用，会产生具有豆腥味、花香味、水果味等的小分子化合物[4]。尤其是在生豆研磨过程中，广泛存在于大豆中的脂肪氧化酶被氧气和水激活，将大豆中的多不饱和脂肪酸氧化，产生了多种具有豆腥味的挥发性成分[5]，影响消费者对豆浆的接受程度[6]。由于80 ℃以上的高温可以灭活绝大部分脂肪氧化酶，抑制豆腥味的生成[7]，因此商业化豆浆的加工方法是加入热水磨浆或在豆浆中通入热蒸汽灭酶，然后进行包装和杀菌。由此制作出的豆浆虽然降低了豆腥味，但豆香味也较低，导致产品风味寡淡，因此如何提高豆浆的风味成为改善豆浆品质的主要难题。

蛋白酶可以将蛋白质水解成多肽、寡肽和游离氨基酸，从而改变蛋白质的功能、营养和感官特性[8]。其中肽、游离氨基酸等也是重要的风味前体物质，在高温下可以经过美拉德反应等一系列生物化学反应生成挥发性风味物质[9]，对食品风味的形成有着重要的作用，因此各种蛋白酶经常被用于食品加工。木瓜蛋白酶可水解蛋白质和多肽中精氨酸和赖氨酸的羧基端，有研究采用木瓜蛋白酶水解传统生浆工艺制备的豆乳，在最佳反应条件下可以完全水解豆乳中的β-伴球蛋白的α'、α亚基，降低其致敏性[10]。氨基肽酶广泛存在于大豆等植物的种子中[11]，其作用机理是从多肽链N 末端顺序逐个水解氨基酸，氨基肽酶还可以减少大豆蛋白酶解产物的苦味[12]。风味蛋白酶是复配酶制剂，同时具有内切酶和外切酶活性，可使水解液形成独特的风味，还可有效降低大豆抗原性，获得较好的乳化、发泡性等[13]。碱性蛋白酶诱导的限制性水解可以大幅降低大豆蛋白的抗原性，还可以用于生产生物活性肽等[14-15]，向豆浆中添加外源蛋白酶以改善豆浆风味还未见研究。

家用豆浆机的工作原理为先预热然后边加热边打浆，与商业豆浆杀菌前的制作步骤相似。本研究在豆浆机制成的豆浆中添加不同浓度的木瓜蛋白酶、风味蛋白酶、氨基肽酶和碱性蛋白酶，酶解后用高压蒸汽灭菌锅灭菌，探讨外源蛋白酶对豆浆中蛋白质的降解和风味物质形成的作用机理，以期为生产出风味更佳的豆浆提供工艺指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

柴火大院黑龙江黄豆 网购；良食记白砂糖购自超市；木瓜蛋白酶（100000 U/g，最适反应温度50～55 ℃） 南宁庞博生物工程有限公司；风味蛋白酶（50000 U/g，最适反应温度50～60 ℃）、氨基肽酶（5000 U/g，最适反应温度50～60 ℃）、碱性蛋白酶（200000 U/g，最适反应温度45～55 ℃） 沧州夏盛酶生物技术有限公司；其他实验试剂 均为分析纯。

DJ16G-D2575 型全自动家用豆浆机 九阳股份有限公司；JYL-C012 型榨汁搅拌机 九阳股份有限公司；B-220 型恒温水浴锅 上海亚荣生化仪器厂；LDZX-40B1 型立式自动电热压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂；TU-1810 型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司；57348-U 型PDMS/CAR/DVB 固相微萃取头 美国Supelco 公司；7890B-5977B 型气相色谱-质谱联用仪 美国Agilent 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 豆浆的制备 挑选大小均匀、外表完整的大豆，浸没于自来水中，室温浸泡至大豆吸水率130%。按1:10（g /g）的豆水比（干质）加入饮用水，豆浆机制作豆浆，200 目筛过滤去渣，得到待酶解的豆浆。生豆对照组浸泡后用搅拌机18000 r/min 打浆3 min（打浆过程中不加热）后过滤。

1.2.2 豆浆的酶解及热生香 取200 mL 待酶解豆浆，分别添加1～5 不同浓度梯度的四种酶，具体添加量为：木瓜蛋白酶15000（梯度1）、30000（梯度2）、45000（梯度3）、60000（梯度4）、75000 U/L（梯度5），氨基肽酶500（梯度1）、1000（梯度2）、1500（梯度3）、2000（梯度4）、2500 U/L（梯度5），风味蛋白酶100（梯度1）、150（梯度2）、200（梯度3）、250（梯度4）、300 U/L（梯度5），碱性蛋白酶500（梯度1）、1500（梯度2）、2500（梯度3）、3500（梯度4）、4500 U/L（梯度5）。50 ℃水浴保温酶解1 h，得到酶解豆浆样品。酶解结束后，沸水浴灭酶10 min，然后放入高压灭菌锅121 ℃热生香15 min 得到热生香豆浆样品。生豆对照组和空白对照组不加酶，其他处理方式相同。

1.2.3 豆浆风味感官评价方法 评定小组由6 名食品专业的人员组成，分别对不同处理组的热生香豆浆在常温下进行感官评价，评价标准如表1。评定过程中要求感官评定人员在进行评定前有专业感官评定的知识学习，12 h 内不吸烟，不喝酒，不进食辛辣等刺激性食物。每评定完一个样品后，要用清水漱口3 次，并间隔10 min 再评定下一个样品，以保证结果的有效性[16]。

表1 豆浆主要感官特性指标及评价标准Table 1 Main sensory evaluation indexes and criteria of soymilk

1.2.4 豆浆挥发性物质测定方法 参考何剑等[17]的方法，吸取10 mL 热生香豆浆样品，置于20 mL 顶空瓶中，加入10 μL 内标苯甲醇（0.1 g 溶于10 mL 甲醇，最终质量浓度10 mg/L），密封瓶口，插入萃取头，于40 ℃水浴萃取40 min，萃取头距离液面约1 cm。随后，在GC 进样口热解吸5 min（250 ℃）进行气相色谱-质谱（GC-MS）分析。色谱条件：色谱柱：（DBWAX，30 m×0.25 mm，0.25 μm），进样口温度：230 ℃，程序升温：40 ℃，保持3 min，6 ℃/min 升温至100 ℃，再10 ℃/min 升至230 ℃，保持7 min，进样方式：不分流进样（1.0 mL/min），载气：氦气（99.999%）。质谱条件：接口温度：250 ℃，离子源温度：200 ℃，离子化方式：EI，电子能量：70 eV，扫描质量范围m/z：29～500。

样品经GC-MS 分析后，所得到的质谱图利用随机的Xcalibμr 工作站NIST 2002 标准谱库自动检索各成分质谱数据，同时查阅文献，对各挥发性香气物质的成分进行定性分析。按内标法对挥发性成分进行定量分析。

1.2.5 多肽含量的测定 参考夏玉等[18]的方法，分别取5 mL 酶解豆浆和热生香豆浆样品，加5 mL 10% TCA 溶液沉淀后，8000 r/min 转速下离心3 min，取上清液0.8 mL，加3.2 mL 双缩脲试剂常温反应30 min 后，在540 nm 下测吸光度值，代入酪蛋白标准曲线计算多肽含量。

酪蛋白标准曲线的绘制：分别吸取浓度为0、2、4、6、8、10 g/L 的酪蛋白溶液0.8 mL，加3.2 mL 双缩脲试剂常温反应30 min 后，在540 nm 下测吸光度值。以酪蛋白浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，制作标准曲线，得回归方程y=0.0554x+0.0111，R2=0.9958。

1.2.6 氨基酸态氮含量的测定 参照GB 5009.235-2016 及刘爱洁等[19]的方法，分别取5 mL 酶解豆浆和热生香豆浆样品，加入60 mL 去离子水，用0.1 mol/L NaOH 标准溶液滴定至pH8.2，加入20 mL 甲醛溶液（36%～38%），继续滴定到pH9.2。记录加入甲醛后消耗的体积V1。用去离子水代替待测样品，方法同上，记录加入甲醛后消耗的体积V0。根据下式计算氨基酸态氮含量。

式中：X 表示氨基酸态氮含量；c 表示NaOH 标准溶液浓度，mol/L；V 表示待测豆浆样品体积，mL。

1.3 数据处理

实验均重复3 次，结果用平均值±标准差表示。采用SPSS 24.0 软件进行相关性分析和显著性分析，用Origin 9.0 软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 外源蛋白酶酶解及热生香对豆浆感官品质的影响

将多名感官评价员的评分汇总如表2。由表可知，与生豆对照组相比，豆浆机制作的豆浆可以大幅降低豆腥味，但豆香味也有所降低，涩感更重。适量的酶浓度下，添加四种外源蛋白酶均可提高豆浆的感官品质。其中添加木瓜蛋白酶处理组总体对豆浆感官评分的提升程度相对较低。添加氨基肽酶对豆香味提升效果较好，但添加浓度大于1500 U/L 时开始产生类似蘑菇味的异香，与预期的豆浆特征风味不符。添加250 U/L 风味蛋白酶时豆浆感官评分最高。多肽的肽段末端为疏水性氨基酸和碱性氨基酸时，水解物的苦味最重。与其他蛋白酶相比，碱性蛋白酶水解蛋白质极易产生苦味肽[20]。由表2 可知，碱性蛋白酶添加量超过3500 U/L 时，豆浆开始出现苦味，继续增大加酶量，豆浆苦味加剧，且出现沉淀甚至严重分层现象，失去了饮用价值。

表2 豆浆感官评分Table 2 Sensory evaluation scores of soymilk

2.2 外源蛋白酶酶解及热生香对豆浆风味物质的影响

分别选取生豆对照组、空白对照组和四种蛋白酶处理组中感官评分最高的三组豆浆样品，利用GC-MS 分别对其进行挥发性物质分析，结果如表3所示。由表可知，生豆处理组中共检测到11 种挥发性物质，空白对照组中只检测到8 种；与生豆处理组相比，空白对照组中正己醛、2-戊基呋喃、正己醇和反,反-2,4-癸二烯醛含量均有不同程度的降低，加酶组中上述物质含量与空白对照组相比也均有所降低，这些物质被认为是豆腥味物质，且阈值较低，分别为4.50、6.00、9.94 和2.15 μg/kg，因此对豆浆风味贡献较大[7,21-23]。添加氨基肽酶的处理组中检测出12 种以上的挥发性物质，其中3-辛酮、1-辛烯-3-醇和对仲丁基苯酚含量比对照组和其他蛋白酶处理组相对较高，前两种物质具有蘑菇味[24-25]。1-辛烯-3-醇的阈值为10.00 μg/kg，在2000 U/L 氨基肽酶处理组中的相对含量高达7.04 mg/L，这与感官评价结果一致。风味蛋白酶处理组中2-庚酮和正己酸乙酯含量高于其他处理组，这两种物质有水果香气，其中正己酸乙酯嗅觉阈值为55.33 μg/kg[26-27]。生成的非豆腥味物质中，氨基肽酶处理组含量最高，其次为风味蛋白酶、木瓜蛋白酶、碱性蛋白酶和生豆对照组，除2500 U/L碱性蛋白酶以外，空白对照组的非豆腥味物质含量最低。这一结果与氨基酸态氮含量基本一致。生豆豆浆在内源酶作用下可以生成更丰富的香气，这与吕艳春等[28]的研究结果相符。而外源添加蛋白酶可以生成更多小分子多肽和氨基酸，进而生成更多非豆腥味物质，同时正己醛等物质可以与大豆蛋白中的末端氨基和羧基牢固结合，形成较为复杂的化合物，使不良风味更容易除去[29]，酶解有利于释放这些豆腥味物质，最终生产出豆腥味更淡、豆香味更浓的豆浆。

表3 豆浆挥发性风味物质成分及相对含量Table 3 The composition and relative content of volatile compounds in soymilk

2.3 外源蛋白酶酶解及热生香对豆浆中多肽含量的影响

多肽是蛋白质酶解的主要产物，也可以成为风味前体物质。测定酶解产物多肽的含量可以反映豆浆中蛋白质的降解程度。由图1 可知，由于内源酶的作用，生豆对照组中多肽含量较高。而豆浆机采用边加热边研磨的工艺，制作过程中的高温条件使蛋白酶失活，因此空白对照组中多肽含量仅为生豆对照组的20.29%。在机制豆浆中外源添加蛋白酶后，多肽含量均有不同程度上升。碱性蛋白酶酶解生成的多肽含量随酶浓度增大而增加，且明显高于其他三种酶，添加量为4500 U/L 时多肽含量达2.30±0.15 g/L，与空白对照组相比增加了558.67%，与生豆对照组相比增加了33.64%。风味蛋白酶在低浓度梯度时，多肽含量随浓度增加上升，但浓度继续增大时多肽含量呈降低趋势，可能是由于生成的多肽进一步降解成氨基酸造成的。总体来说，外源添加四种蛋白酶酶解后的豆浆中，多肽含量均高于不酶解的豆浆。

图1 不同处理组酶解豆浆中多肽含量Fig.1 Contents of polypeptides in different treatment groups of soymilk after enzymatic hydrolysis

在热生香的高温条件下，豆浆内部的风味前体物质会发生美拉德反应等一系列复杂的化学变化，生成挥发性风味物质[30]。热生香后豆浆中多肽的含量测定结果如图2。经过热生香处理后，各组豆浆中的多肽含量均比热生香前增加，可能是由于部分蛋白质在高温下断裂形成多肽[31]。不同加酶处理组中热生香豆浆与酶解豆浆相比多肽的增加量如图3 所示。除碱性蛋白酶外，添加其他三种蛋白酶的豆浆中多肽增加量随酶浓度增大均呈现先上升后下降的趋势，尤其是风味蛋白酶添加量大于200 U/L 时，多肽的增加量反而低于空白对照组。推测是由于加酶浓度高时，生成的小分子多肽发生反应形成了风味物质，因此增加量降低。生豆对照组由于内源酶的作用，在经过热生香处理后多肽增加量最低。

图2 不同处理组热生香豆浆中多肽的含量Fig.2 Contents of polypeptides in different treatment groups of soymilk after heating

图3 不同处理组热生香后豆浆中多肽的增加量Fig.3 Increase of polypeptide content in different treatment groups of heated soymilk

2.4 外源蛋白酶酶解及热生香对豆浆中氨基酸态氮含量的影响

氨基酸态氮主要用来表征蛋白质降解并释放出的游离氨基的含量。由图4 可知，生豆对照组豆浆在内源酶酶解后氨基酸态氮含量可达0.038±0.0009 g/L，但空白对照组中几乎检测不到氨基酸态氮。添加外源蛋白酶后（除浓度梯度为1 的木瓜蛋白酶和氨基肽酶），豆浆中的氨基酸态氮含量均显著增加（P＜0.05），与蛋白酶浓度呈正相关。添加氨基肽酶的浓度梯度为4～5（＞1500 U/g）时，生成氨基酸态氮的含量显著高于其他三种蛋白酶（P＜0.05），含量最高为0.087±0.0045 g/L，与生豆对照组相比增加了17.59%。氨基肽酶的添加量大于1000 U/g 时，生成多肽的含量有所下降，但氨基酸态氮含量仍有较大幅度增长，说明氨基肽酶浓度增大时主要将蛋白质和多肽水解成游离氨基酸，这与氨基肽酶的作用机理一致[32]。木瓜蛋白酶实验组也表现出相似的趋势。经热生香处理后豆浆中氨基酸态氮含量如图5 所示，氨基酸态氮的增加可能是小肽在高温下裂解生成的。氨基酸态氮的增加量如图6 所示，酶解豆浆经热生香处理后，氨基肽酶处理组增加量相对最少，其次是风味蛋白酶、木瓜蛋白酶和碱性蛋白酶。可能是由于碱性蛋白酶内切产生的大量多肽片段在高温条件下更易生成氨基酸，而氨基肽酶等外切酶主要在酶解过程中生成游离氨基酸，后者在后续热生香工艺中生成较少而消耗较多。游离氨基酸可作为重要的风味物质和风味前体物质[33-34]，在高温过程中经一系列反应生成挥发性风味物质[35]。例如α-氨基酸热降解会产生大量氨基，这些氨基经美拉德反应可以生成吡嗪、吡咯、吡啶等含氮风味物质[36]。因此推测经过热生香后氨基酸态氮增加量少的处理组，生成香气更多。

图4 不同处理组酶解豆浆中氨基酸态氮的含量Fig.4 The content of amino acid nitrogen in different treatment groups of soymilk after enzymatic hydrolysis

图5 不同处理组热生香豆浆中氨基酸态氮的含量Fig.5 Content of amino acid nitrogen in different treatment groups of soymilk after heating

图6 不同处理组热生香后豆浆中氨基酸态氮的增加量Fig.6 Increase of amino acid nitrogene content in different treatment groups of heated soymilk

2.5 不同外源蛋白酶酶解及热生香后豆浆多肽、氨基酸态氮量和感官风味的相关性分析

为了明确添加蛋白酶后生成的酶解产物与豆浆风味的关系，对添加不同蛋白酶处理组的多肽、氨基酸态氮含量及增加量和豆浆感官评价中与风味相关的指标进行了相关性分析。由表4 可以看出，木瓜蛋白酶处理组中酶解豆浆多肽含量与豆腥味得分呈显著负相关（P＜0.05）；多肽增加量和豆腥味得分呈极显著正相关（P＜0.01），和总分呈显著正相关（P＜0.05）。由表5 可知，氨基肽酶处理组中酶解豆浆多肽含量与豆腥味得分呈极显著负相关（P＜0.01）；多肽增加量与豆腥味得分呈极显著正相关（P＜0.01），和总分呈显著正相关（P＜0.05）；酶解豆浆氨态氮含量与豆香味得分呈显著正相关（P＜0.05）；氨态氮增加量与豆腥味得分呈极显著负相关（P＜0.01），和豆香味得分、总分均呈显著负相关（P＜0.05）。由表6 可知，风味蛋白酶处理组中酶解豆浆氨态氮含量与豆香味得分呈显著正相关（P＜0.05）。由表7 可知，碱性蛋白酶处理组中多肽增加量与豆腥味得分呈显著正相关（P＜0.05）。

表4 木瓜蛋白酶处理组豆浆多肽、氨基酸态氮量和感官风味指标的相关性分析Table 4 Correlation analysis of polypeptide, amino acid nitrogen contents and sensory flavor indexes of soymilk in papain treatment group

表5 氨基肽酶处理组豆浆多肽、氨基酸态氮量和感官风味指标的相关性分析Table 5 Correlation analysis of polypeptide, amino acid nitrogen contents and sensory flavor indexes of soymilk in aminopeptidase treatment group

表6 风味蛋白酶处理组豆浆多肽、氨基酸态氮量和感官风味指标的相关性分析Table 6 Correlation analysis of polypeptide, amino acid nitrogen contents and sensory flavor indexes of soymilk in flavor protease treatment group

表7 碱性蛋白酶处理组豆浆多肽、氨基酸态氮量和感官风味指标的相关性分析Table 7 Correlation analysis of polypeptide, amino acid nitrogen contents and sensory flavor indexes of soymilk in alkaline protease treatment group

虽然不同蛋白酶处理组间各指标有着不同的相关性，而且各指标间也存在着一定的相关性，难以通过某个指标来评判豆浆风味，但除风味蛋白酶外，其他三种酶的多肽增加量均与豆腥味得分呈较强的正相关，说明多肽增加量越多，豆腥味越淡。氨基肽酶处理组中，氨基酸态氮增加量与豆腥味、豆香味和总分呈强负相关（相关性系数绝对值＞0.8），说明氨基酸态氮增加越少，生成香气越多，与2.4 中的推测一致。

3 结论

本研究测定了豆浆中的多肽和氨基酸态氮含量，结合感官评价和GC-MS 联用技术分析了添加外源蛋白酶对机制豆浆中风味物质的影响。结果表明：由于工业上的豆浆生产工艺多采用高温灭活脂肪氧化酶的工艺去除豆腥味，同时也灭活了其他内源酶，导致产品的豆香味也较低。额外添加蛋白酶对香气寡淡的豆浆进行酶解和热生香处理后，感官评分均有所提升。GC-MS 从加酶处理组中检测到的正己醛、2-戊基呋喃、正己醇和反,反-2,4-癸二烯醛等豆腥味挥发性成分的含量均不同程度下降，从氨肽酶处理组的豆浆样品中检测到非豆腥味挥发性成分含量最高，主要是3-辛酮、1-辛烯-3-醇和对仲丁基苯酚等；风味蛋白酶处理组检测出的2-庚酮和正己酸乙酯含量较高。外源添加蛋白酶可以提高豆浆中多肽和氨基酸态氮含量，其中添加木瓜蛋白酶、氨基肽酶、碱性蛋白酶处理组的多肽增加量均与豆腥味得分呈显著正相关，氨基肽酶处理组中，氨基酸态氮增加量与豆腥味、豆香味和总分呈强负相关。本研究表明外源添加蛋白酶可以通过水解豆浆中的蛋白质生成多肽、氨基酸等风味前体物质，在高温热生香后增加豆浆香气，解决了灭酶工艺除去豆腥味的同时，导致豆浆香气也不足的问题，为豆浆生产的新工艺提供了参考。接下来可以通过进一步实验探究酶解生成的具体风味前体物质。