《Food and Bioprocess Technology》：Evaluation of the Properties of Whey Ice Cream by Adding Microbial Transglutaminase
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摘要
转谷氨酰胺酶（TG）是一种广泛用于食品工业的酶，因其能够催化蛋白质分子间共价键的形成而得名。该活性可改善食品的结构与功能性。本研究旨在确定微生物转谷氨酰胺酶（MTGase）添加对乳清基冰淇淋理化及结构性质的影响。研究人员分析了冰点温度、密度、融化时间、
摘要
转谷氨酰胺酶（TG）是一种广泛用于食品工业的酶，因其能够催化蛋白质分子间共价键的形成而得名。该活性可改善食品的结构与功能性。本研究旨在确定微生物转谷氨酰胺酶（MTGase）添加对乳清基冰淇淋理化及结构性质的影响。研究人员分析了冰点温度、密度、融化时间、乳化稳定性、粒径分布、黏度及晶体结构。转谷氨酰胺酶的添加对部分产品质量参数产生了积极影响。各样品的冰点温度平均为?3.0 °C，除不含稳定剂但添加酶的组外，其余样品间无显著差异。MTGase的使用提高了乳化稳定性并减缓了重结晶过程。储存24 h与储存1个月后的平均冰晶尺寸差异在1.0–1.5 μm范围内。最高的黏度值记录于添加MTGase的稳定剂样品中，老化前为351.10 mPas，老化后为581.80 mPas，这归因于蛋白质-稳定剂复合物吸附自由水能力的增强。这些结果表明，MTGase可作为有效的生物技术工具，用于改善乳清基冰淇淋的特定质量属性，尤其是黏度、乳化稳定性及抗重结晶能力。该酶在冰淇淋生产中展现出显著潜力，可在不损害终产品质量的前提下利用乳清蛋白。
论文解读
**研究背景与问题**
随着消费者对健康食品需求的增长，冰淇淋市场持续扩大，同时人们对食品天然性、低添加剂和优质口感的要求不断提高。冰淇淋作为一种复杂的胶体体系，其脂肪、水和空气相的比例直接决定密度、黏度、乳化稳定性、粒径分布、充气程度和抗融化性等理化性质。传统上，冰淇淋生产常依赖稳定剂和乳化剂来改善结构，但过量合成添加剂不符合清洁标签趋势。利用蛋白质修饰酶来调控冰淇淋结构成为一种有前景的策略。微生物转谷氨酰胺酶（MTGase）能催化赖氨酸和谷氨酰胺残基之间异肽键的形成，促使蛋白质分子交联，从而增强乳制品结构并改善其功能性质，如黏度、凝胶性、乳化性和水结合能力。已有研究显示，转谷氨酰胺酶可部分替代稳定剂并改善冰淇淋质构，但针对乳清基冰淇淋的系统性研究仍较少。乳清粉作为乳制品副产物，其高蛋白含量虽有利于营养强化，但也会导致混合料密度偏高等问题。因此，本研究旨在评估MTGase添加对乳清冰淇淋混合料及终产品的冰点温度、密度、膨脹率、融化时间、乳化稳定性、粒径分布、黏度和冰晶结构等理化与结构性质的影响，并探索其在乳清蛋白高值化利用中的潜力。
**主要技术方法**
研究人员使用来源于 *Streptoverticillium cinnamoneum* KKP 1658 菌株 bioreactor 培养获得的 MTGase 酶制剂（酶活3.3 U/mL）。实验设计包含四种乳清冰淇淋样品：无稳定剂对照组（NS）、稳定剂组（S，含0.1%刺槐豆胶+0.1%瓜尔胶+0.05%卡拉胶）、无稳定剂但加MTGase组（NSMTGase）以及稳定剂加MTGase组（SMTGase）。将酶按比例加入部分样品后于55 °C孵育60 min，随后冷却并在4 °C老化24 h。混合料测定冰点温度、pH、密度、粒径分布、稳定性指数（TSI）和黏度；冰淇淋成品测定膨脹率、融化时间，并通过显微镜图像分析冰晶尺寸分布。统计采用单因素或双因素方差分析及Tukey检验（α=0.05）。
**研究结果**
**冰点温度**：所有样品的平均冰点温度约为?3 °C，除无稳定剂但添加MTGase的样品外，其余样品间无显著差异，该样品冰点降低1 °C。这可能与乳清蛋白构象变化影响水分组织有关，而稳定剂体系可保护水分组织不受蛋白构象改变的影响。
**pH测定**：所有混合料pH均为6.5，处于传统乳制品冰淇淋的正常范围（6–7）。统计分析表明，稳定剂和MTGase添加均未对pH产生显著影响，这与已有研究一致。
**密度**：各样品密度均约为1.3 g/mL，无显著差异。该值高于传统冰淇淋混合料推荐范围（1.0544–1.1232 g/mL），主要归因于乳清基混合料中较高的乳清蛋白含量和较低脂肪含量。
**膨脹率**：无稳定剂的对照样品膨脹率较低，而添加MTGase的稳定和非稳定样品膨脹率均达到约70%。这说明酶处理改善了空气细胞的稳定化，可能通过修饰乳清蛋白相互作用实现，但未直接研究分子机制。
**融化时间**：添加MTGase的稳定剂样品融化时间最长，且该样品也表现出最高膨脹率。无稳定剂但添加酶的样品尽管膨脹率较高，融化时间与未加酶样品相似。这提示稳定剂与蛋白质交联的共同作用增强了抗融化性能。
**乳化稳定性与粒径分布**：通过浊度法测得的TSI值范围8.4–21.3，存在显著差异。最低TSI（即最优稳定性）出现在无稳定剂但添加MTGase的样品（8.4），对照无稳定剂无酶样品稳定性最差。结果表明MTGase添加改善了乳清冰淇淋乳化液稳定性。后向散射曲线显示所有样品在老化期间出现脂肪部分聚结或絮凝现象。D50中位粒径在老化前为2.15–2.55 μm，老化后为2.17–2.90 μm，各组间无显著差异，但无稳定剂加酶样品的D50值最低。粒径分布峰主要出现在2–5 μm、约10 μm和约100 μm，酶添加未明显改变粒径分布范围。
**黏度**：所有样品的流动行为符合Bingham模型，相关系数0.9744–0.9999。最高黏度出现在添加MTGase的稳定剂样品，老化前351.10 mPas，老化后581.80 mPas。这归因于酶诱导的蛋白质交联增强了蛋白质-稳定剂复合物吸附自由水的能力。无稳定剂加酶样品黏度与对照无显著差异。整体黏度值处于传统低脂冰淇淋混合料的典型范围内。
**晶体结构**：储存1个月后，未添加MTGase的样品冰晶平均直径比24 h时增大明显，约4 μm，且稳定和非稳定样品间无显著差异。添加MTGase的样品重结晶明显减缓，24 h与1个月间差值仅1–1.5 μm。从X50参数看，添加酶样品总体具有更小的冰晶直径。显微镜图像显示，添加MTGase的非稳定样品在储存1个月后形成了更致密、均匀的晶体结构；添加MTGase的稳定样品在24 h后就呈现理想晶体形貌并随时间保持。这些发现表明酶交联可能有助于抑制冰晶重结晶。
**结论**
本研究证实，微生物转谷氨酰胺酶添加可显著改善乳清基冰淇淋的若干理化与结构性质，特别是提高黏度、改善乳化稳定性和减缓重结晶。这些效果并非对所有参数一致，且部分效果依赖稳定剂的存在。观察到的变化源于MTGase催化乳清蛋白交联，强化结构网络并促进基质内水分保留。该酶为乳清蛋白高值化提供了可持续途径，有助于减少乳品工业副产品。MTGase可作为乳清冰淇淋配方中的有效技术工具，在工业中可能提高工艺稳定性和终产品质量。但研究在实验室条件下进行，不完全模拟工业动态参数，仍需中试规模研究验证。未来应优化酶浓度、反应条件及与不同稳定剂的相互作用，并评估长期储存稳定性、温度波动抵抗力和消费者感官接受度。
