基于响应面法优化微生物转谷氨酰胺酶处理和南瓜皮强化骆驼酸奶的品质参数

《LWT》：Quality parameters optimization of camel milk yogurt treated with microbial transglutaminase and enriched with pumpkin peel using response surface methodology

本研究针对骆驼酸奶因蛋白结构差异导致的凝胶性能差、质地不佳等问题，通过响应面法（RSM）系统优化了微生物转谷氨酰胺酶（MTGase）添加量、南瓜皮粉（PPP）添加量及MTGase反应时间等关键工艺参数。研究成功建立了高预测精度（R2 = 0.917-0.999）的数学模型，确定最优条件为MTGase 0.8%、PPP 1%、反应时间20分钟，在此条件下制得的骆驼酸奶总酚含量（TPC）、DPPH自由基清除率、硬度、持水性（WHC）等品质指标均显著提升，为开发高品质功能性骆驼酸奶产品提供了可靠的技术方案。

　　

在广袤的干旱和半干旱地区，骆驼奶因其独特的营养价值而成为重要的乳品来源，它不仅矿物质和维生素含量丰富，不饱和脂肪酸比例较高，且乳糖含量低于牛奶，对乳糖不耐受人群更为友好。然而，当人们试图将这种“沙漠白金”制成深受消费者喜爱的酸奶时，却遇到了不小的技术挑战。与牛奶相比，骆驼奶的酪蛋白胶束更大，且含有一些天然抗菌物质，这导致其发酵凝固过程缓慢，形成的凝胶结构脆弱，质地稀薄，容易析出乳清，口感和外观均不尽如人意。这些固有的理化特性短板严重制约了骆驼酸奶的商业化生产和市场推广。

为了解决这一行业痛点，研究人员不断探索各种改良方法。添加稳定剂和 hydrocolloids（亲水胶体）是常见手段，但有时会影响产品天然属性。近年来，酶法改性技术因其高效和特异性强而受到青睐，其中，微生物转谷氨酰胺酶（Microbial Transglutaminase， MTGase）能够催化蛋白质分子间发生交联，形成更致密的网络结构，从而改善凝胶特性。另一方面，食品加工业产生的大量果蔬副产物，如果皮，通常富含膳食纤维和生物活性物质，其高持水性和抗氧化潜力为食品改良提供了新思路。南瓜皮（Cucurbita maxima）便是这样一种资源丰富、富含酚类、类胡萝卜素等功能成分的副产物。那么，能否将MTGase的蛋白交联能力与南瓜皮粉（Pumpkin Peel Powder， PPP）的天然营养强化作用相结合，协同提升骆驼酸奶的综合品质呢？

为了回答这个问题，由Rehab S. Alsulami、Elfadil E. Babiker、I.A. Mohamed Ahmed、Tawfiq S. Alsulami和Fahad Y. Al-Juhaimi组成的研究团队开展了一项深入研究，其成果发表在食品科学领域知名期刊《LWT - Food Science and Technology》上。研究人员旨在通过系统性的实验设计，找到MTGase和PPP在骆驼酸奶中的应用最佳配比。

为开展研究，研究人员采用了几个关键的技术方法。首先，实验设计采用了三因素三水平的Box-Behnken设计（BBD）结合响应面法（RSM），以MTGase添加量（0.4%, 0.6%, 0.8%）、PPP添加量（0.5%, 0.75%, 1.0%）和MTGase反应时间（20, 40, 60分钟）为自变量。其次，酸奶制备遵循标准化流程，包括乳粉复原、巴氏杀菌、添加PPP均质、MTGase酶促反应、接种发酵等步骤。在指标检测方面，研究人员系统评估了酸奶的总酚含量（TPC）和DPPH自由基清除活性（抗氧化指标）、pH值、滴定酸度、硬度、色差（ΔE）、持水性（WHC）和乳清析出率（Syneresis）等关键品质参数。最后，利用Design Expert软件进行回归模型拟合、方差分析（ANOVA）和优化分析，以确定最佳工艺条件。

3.1. 酸奶生产过程建模

研究首先通过响应面模型分析了工艺参数对酸奶各项品质指标的复杂影响。结果表明，所建立的二次多项式模型对TPC、DPPH、pH、酸度、硬度、ΔE、WHC和 Syneresis等8个响应值的预测决定系数（R2）高达0.917至0.999，模型均极显著（p < 0.0001），且失拟项不显著，说明模型拟合度良好，能够准确预测实际生产过程。变异系数（CV%）除色差（ΔE）较高外，其余均较低，表明实验数据具有较好的重复性和精确度。这为后续的优化分析奠定了坚实的基础。

3.2. 酸奶的TPC和DPPH

在生物活性成分方面，研究发现PPP的添加量（X2）和MTGase反应时间（X3）对总酚含量（TPC）有显著的线性正向影响。这意味着增加南瓜皮粉或延长酶反应时间，都能有效提升酸奶中的酚类物质含量，这主要归功于南瓜皮自身富含的多酚、黄酮等抗氧化成分。然而，MTGase添加量（X1）与PPP添加量之间，以及MTGase添加量与反应时间之间存在显著的负向交互作用，提示过高的MTGase可能会在一定程度上影响酚类物质的溶出或稳定性。对于DPPH自由基清除率（抗氧化能力），PPP添加量显示出显著的正向影响，而MTGase添加量和反应时间则表现为线性负相关。这可能是因为MTGase催化形成的致密蛋白质网络结构，限制了具有抗氧化活性的肽段或分子的灵活性，从而降低了其清除自由基的效率。但有趣的是，MTGase与PPP的交互作用，以及MTGase与反应时间的交互作用，却对DPPH有正向促进作用，表明在特定组合下，MTGase的处理可能有利于抗氧化活性的表达。

3.3. 酸奶的pH和酸度

酸奶的发酵特性是衡量其品质的重要指标。研究表明，PPP添加量对酸奶pH值有显著的线性负向影响，即添加越多南瓜皮粉，酸奶的pH值越低。这可能是由于PPP中的成分促进了发酵菌种的活性，产生了更多的乳酸。相反，MTGase添加量和反应时间则对pH有正向影响。在酸度方面，结果与pH基本相反：PPP添加量显著提高了酸度，而MTGase添加量和反应时间则降低了酸度。MTGase的添加可能通过形成蛋白质交联网状结构，包裹了部分乳酸菌生长所需的肽类物质，从而轻微抑制了产酸过程。

3.4. 酸奶的硬度和色差（ΔE）

质构和色泽是消费者最直观的感受指标。所有三个自变量（MTGase添加量、PPP添加量、反应时间）均对酸奶的硬度产生极显著的线性正向影响。MTGase通过强化蛋白质凝胶网络，而PPP中的膳食纤维也起到了填充和增强网络结构的作用，二者协同显著提升了酸奶的坚实度。在颜色方面，PPP添加量是影响色差（ΔE）的最主要因素，其线性正向影响极为显著，这直接源于南瓜皮本身的天然色素（如类胡萝卜素）。MTGase的处理对颜色变化影响不大，但MTGase与反应时间的交互作用对ΔE有负向影响。

3.5. 酸奶的持水性（WHC）和乳清析出（Syneresis）

持水性和乳清析出率是衡量酸奶稳定性的关键。MTGase添加量、PPP添加量和反应时间均对WHC有显著的正向影响，对Syneresis则有显著的负向影响。这意味着优化这些参数可以有效提高酸奶锁住水分的能力，减少令人不悦的乳清析出。MTGase通过形成更细腻、孔隙更小的凝胶网络来束缚水分，而PPP中的膳食纤维则凭借其强大的亲水能力起到类似作用。然而，MTGase添加量与反应时间的交互作用对WHC有负面影响，提示过长的反应时间在极高酶浓度下可能反而会导致网络结构过紧，影响持水。

3.6. 工艺优化

综合所有响应值的优化目标（最大化TPC、DPPH、pH、硬度、WHC，最小化Syneresis，酸度和ΔE维持在适当范围），响应面分析给出了最优工艺参数组合：MTGase添加量为0.8%，PPP添加量为1%，MTGase反应时间为20分钟。在此条件下，模型预测值与实验验证值高度吻合，其综合合意性（Desirability）为1，证明了优化结果的可靠性。优化后骆驼酸奶的品质指标为：TPC 174.48 mg GAE/100 g，DPPH自由基清除率68.97%，pH 4.47，酸度0.77%，硬度19.03 g，ΔE 8.74，WHC 65.80%，Syneresis 35.86%。

综上所述，这项研究成功地将响应面法应用于骆驼酸奶的工艺优化，揭示了微生物转谷氨酰胺酶和南瓜皮粉对产品多项品质特性的独立及交互影响规律。研究表明，联合使用MTGase（0.8%）和PPP（1%），并在较短的酶反应时间（20分钟）下，可以制备出兼具高抗氧化活性（高TPC和DPPH）、理想酸度、优良质地（高硬度）、良好稳定性（高WHC、低Syneresis）和可接受色泽的骆驼酸奶。这项工作不仅为克服骆驼酸奶加工中的技术难题提供了具体、可行的解决方案，提升了其商品价值，也为果蔬加工副产物（南瓜皮）的高值化利用和酶制剂在乳制品中的应用开辟了新途径，对推动特色乳制品产业发展具有重要意义。该优化工艺有望直接应用于高品质功能性骆驼酸奶的工业化生产。