陶杰1科研方法与实验设计开题报告.docx
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陶杰1科研方法与实验设计开题报告
科研方法与实验设计课程论文之开题报告
毛霉发酵大豆蛋白制备肉味香精的研究
STUDYONPREPARATIONOFMEATFLAVORINGBYSOYBEANPROTEINFERMENTAIONLIQUORUSINGACTINOMUCORELEGANS
指导教师:
汪建明教授
研究生姓名:
陶杰
学号:
13840003
摘要
肉类香精是一种广泛应用于肉类加工食品和方便食品的食品添加剂。
研究发现加热半胱氨酸、还原糖等混合物时,所产生的肉味并不够逼真,风味也不完美,而加入动植物蛋白水解物有助于解决这个问题。
工业生产上常用酸法水解蛋白,但其过程中产生氯丙醇等问题,且难以控制限制了其应用;酶法水解则成本高、有苦味。
而发酵法制备植物蛋白水解液成本低,风味好,无苦味,对于制备纯正肉味香精有着重要作用。
ABSTRACT
Meatlikeflavorisawidelyusedfoodadditivesinprocessingmeatfoodandconveniencefood.Ithasbeenstudiedthatwhenheatedmixtureofcysteineandreducingsugar,meatflavorisnotrealisticandnotperfect.Howeverafteraddinganimalandplantproteinhydrolysatetheproblemwassolved.Acidhydrolysisofproteinsislimitedinapplicationbecauseofchloropropanolproducedintheprocessandthedifficultytocontrol.Enzymatichydrolysisisofhighcostandabittertaste.Sofermentationforpreparingplantproteinhydrolysatewasoflowcost,goodtaste,withoutbitterness,andit’simportantforthepreparationofpuremeatflavor.
目录
1拟选课题背景及其研究意义4
1.1选题背景4
1.2本课题研究目的及意义6
2本课题研究领域在国内外的研究动态及发展趋势7
2.1研究动态7
2.2发展趋势8
3课题拟解决的问题9
3.1主要技术问题9
3.2在理论和应用方面的意义10
3.3论文研究的主要内容10
3.4拟采取的研究方法及可行性分析10
3.5技术路线及可行性分析10
3.5.1可行性分析10
3.5.2技术路线11
3.6预期达到目标11
参考文献11
1拟选课题背景及其研究意义
1.1选题背景
随着人民生水平的提高,人们对于食品品质的要求也在不断变化和提高。
一种食品要在市场上获得消费者的喜爱和接受,除了保证其卫生质量和营养外,食品的风味和色泽更受人们的关注。
因此,食品在加工制作过程中要添加香味料来弥补风味上的不足。
香精的生成方法包括从动植物中提取、热反应及水解法。
其中热反应型香精是一种新型的食用香精,它利用氨基酸、多肽等蛋白质水解产物与糖类、脂类等反应物在特定条件下加热反应而得到[1]。
在加热过程中会发生一系列的反应,如香味前体物质的热降解、美拉德反应及脂类的氧化作用等,其中美拉德反应起到最主要的作用。
香料工业界从20世纪中叶就开始应用美拉德反应来生产热加工香料。
目前,人们已普遍利用美拉德反应来改进食品风味和制备新型风味剂。
肉类香精广泛用于方便食品、香肠制品、方便汤料、肉禽类罐头、膨化食品、香精、速冻食品、风味食品中,是目前国际上重点开发的三类香料之一。
随着食品工业的蓬勃发展,肉类香精的需求在逐渐增大。
目前我国肉味香精的生产企业有100多家,年销售20多亿元,相关食品工业产值超过2000亿元[2],促进了食品行业的发展。
肉味香精是食品香精的重要组成部分,按香型来分主要包括牲畜(如猪、牛、羊)和家禽(如鸡、鸭)类香精;按制备方法来分主要包括调配型香精和热反应型香精[3]。
围绕肉味香精的研究我国起步较晚,始于上世纪80年代,90年代中后期有相关研究报道。
目前肉味香精的生产技术主要有三种[4-18]:
①利用各种单体香原料(天然或合成)、辛香料通过调配而成;②以天然动植物资源(如骨素、骨油)或鲜肉为主要原料通过酶解技术、Maillard反应制备;③以脂类物质(如牛脂、猪脂、羊脂等)为主要原料利用Maillard反应、脂肪控制氧化技术制备。
动植物蛋白的水解产物是制各肉类香精的重要组成部分。
动物蛋白成本高、加工时间长、在浓缩或干燥过程中挥发性风味化合物有很大程度损失[19];植物蛋白来源广泛,成本较低。
国内外研究的热反应型香精主要是以动物蛋白水解液为原料制的,动物蛋白可用的原料可以是动物的肉、骨、皮、血、内脏等,目前中国主要以肉和骨为原料。
以动物肉和骨头为主要原料生产肉味香精是中国肉味香精“味料同源”制造理念的核心体现。
但是动物蛋白成本高、加工时间长、在浓缩或干燥过程中挥发性风味化合物有很大程度的损失;植物蛋白来源广泛,成本较低。
同时,不同的蛋白水解方法也会影响到热反应型香精的肉类风味。
因此运用水解植物蛋白来制备风味自然、逼真的肉味香精成为当前香精生产的必然趋势。
热反应基本调料(半胱氨酸类和还原糖类)将给出一系列“基本肉香味”。
如果向反应配料中添加不同的畜禽脂肪,则可以有效地提高特征肉香味的强度,生产出具有畜禽肉类特征风味的羊肉香精、猪肉香精、牛肉香精、鸡肉香精等。
但过多的外加脂肪容易影响产品的外观,并给使用带来不便,现在的做法是在热反应配料中添加经调控氧化的脂肪。
脂类提升特征肉香味的实质是在热加工过程中生成了醛、酮、酸和内酯类化合物。
脂肪调控氧化的目的是将油脂中的不饱和脂肪酸氧化成为醛、酮、酸等物质,并控制它们的比例。
水解植物蛋白(HVP)的应用是利用热加工途径生产肉味香精的开端。
世界上广泛应用HVP作为食品风味物质,它是由大大豆分离蛋白、面筋、玉米蛋白、花生饼、棉籽饼、蓖麻粕等蛋白质源经水解得到的,传统的水解方法是用酸水解,先将原料进行酸水解(一般采用盐酸),使氨基酸从蛋白质分子上游离出来,然后进行过滤、中和,再把不溶物去掉。
如需精制,还要进行真空浓缩并脱臭。
必要时,再进行脱色处理,最后,滤出沉淀、调整成分即得产品。
其工艺流程如下:
原料一酸水解一过滤一浓缩一中和一脱臭一脱色一浓缩一过滤一杀菌一包装一成品
由于HVP含有丰富的肽和氨基酸源,除了应用在以上食品中外,特别是在Maillard反应制备肉味香精的研究中,HVP作为一种前体物质近几年来得到广泛的应用。
还广泛用作肉类香精,香精等食品的风味增强剂。
HVP与多种氨基酸、还原糖在适宜的温度下发生美拉德反应,可产生众多风味如家禽味、猪肉味、牛肉味等,这些风味成份在添加其他香料后继续提炼,可得到独具风味的香精。
目前我国肉味香精生产中使用最多的是水解大豆蛋白。
美拉德反应的化学过程十分复杂,它可以在醛、酮、还原糖及脂肪氧化生成的羰基化合物与胺、氨基酸、肽、蛋白质甚至氨之间发生反应,本质上即是羰氨间的缩合反应。
通常把美拉德反应分成三个反应阶段[20]:
初始反映阶段、高级反应阶段、最终反应阶段。
食品加热过程中美拉德反应产生的香味物质主要有含氧化合物、含氮化合物、含硫杂环化合物,包括含氧杂环呋喃类、含氮杂环的吡嗪类、含硫杂环的噻吩和噻唑类,同时还包括硫化氢和氨类物质。
通过选择氨基酸和糖类,就可以有目的的合成含有吡嗪类、吡咯类和呋喃类的不同香型的香精[21]。
实验室中美拉德反应可采用该法:
在锥形瓶中加入一定量的氨基酸或肽和还原糖,及少量的缓冲溶液控制pH值,塞上棉塞后于高压灭菌锅内反应一定时间,取出锥形瓶冷却、并密封保存备用[22-23]。
1.2本课题研究目的及意义
利用动植物蛋白的水解物生产肉味香精,从而制得肉味更逼真,强度更浓郁的天然肉味热反应香精,是目前研究的热点。
蛋白质水解常用的方法包括化学法和酶法。
化学法水解蛋白,反应条件剧烈,不易控制,环境污染严重,并且容易产生一些有毒或致癌物质,影响产物的安全性。
与之相比,酶是一种高效能,高专一性和高度可变性的生物活性催化剂,其催化过程具有对底物特异性强、反应时间短、作用条件温和、反应易控、效率高、安全性大、污染小、能耗低等特点。
因此,酶工程技术在肉味香精生产的应用越来越广,研究也越来越多。
水解植物蛋白是一种营养型食品添加剂,以其柔和丰满的鲜美口感广泛用于肉产品加工、方便面、膨化食品以及调味品中。
HVP的制备主要以大豆分离蛋白粉、玉米蛋白和花生饼等为原料,可以通过酸法或酶法水解将蛋白质分解成氨基酸和短肽。
酸法水解大豆蛋白工艺简单、成本低,酸法水解可能会产生具有致癌性的1,3-二氯-2-丙醇(1,3-DCP)和3-氯-1,2-丙二醇(3-MCPD)[24,25],但水解程度不易控制、副反应多、氨基酸损害严重、水解产物性能差,很少采用。
酶法水解制备HVP的水解产物可得短肽和氨基酸[26],符合食品卫生的要求,其产品安全性高、生产条件温和、水解但水解易控制。
但水解大豆时会产生苦味肽,影响了制成品风味,而且脱苦步骤繁琐,成本高。
我国大部分的肽类生产都使用酶法,应用的酶有植物蛋白酶、动物蛋白酶和微生物蛋白酶等,已在蛋白酶选择,酶解工艺参数,水解液脱苦、脱盐、分离精制等方面取得了一定进展。
酶法生产的产品安全性高、生产条件温和、水解易控制。
但仅限于少数几种微生物蛋白酶、动物蛋白酶和植物蛋白酶,且酶解法苦味不能根本去除,脱苦工艺和肽酶价格都增加了生产成本。
利用微生物法水解大豆分离蛋白,完成水解和脱苦工艺,降低了生产成本,提高了大豆分离蛋白利用率,国内有报道采用食品级的枯草芽孢杆菌1389(Bacillussubtilis1389)、黑曲霉3.350(Aspergillusniger3.350)、米曲霉水解大豆分离蛋白制备大豆多肽[27,28],枯草芽孢杆菌可产碱性蛋白酶,是制备生物酶的优良菌种,而黑曲霉和米曲霉水解大豆分离蛋白时效果差很多,毛霉蛋白酶是含有内肽酶和端肽酶的复合酶,水解蛋白质没有苦味,霉菌水解大豆多肽时以产酸性蛋白酶为主,兼含有一些中性与碱性蛋白酶的复合酶。
随着人们对绿色食品的认识逐步提高,生产更安全、更可靠、更天然的肉味香精成为一种必然趋势。
因此,本课题拟选用霉菌:
卡地青霉(PenicilliumCandidum)、娄地青霉(PenicilliumRoqueforti)、毛霉(Actinomucorelegans)来水解大豆分离蛋白制备大豆水解液,通过美拉德反应制备肉味香精。
2本课题研究领域在国内外的研究动态及发展趋势
2.1研究动态
国内从20世纪80年代开始大豆肽开发和应用方面研究,其中对大豆蛋白酶水解方面进行了深入探索,已在蛋白酶选择,酶解工艺参数,水解液脱苦、脱盐、分离精制等方面取得一定进展。
目前国内外对大豆肽的制备研究主要集中在利用纯酶制剂进行直接酶解,由于商品酶制剂成本高昂,直接酶解法生产大豆肽代价巨大,限制了其在发展中国家的工业化生产。
因此,基于间接酶解法的微生物水解制备多肽的工艺,已日益受到研究人员的关注。
我国近年来在此领域开展了较多研究,万琦等筛选到一株能在水解过程中产蛋白酶和外肽酶的枯草芽孢杆菌,利用此菌所产蛋白酶的作用将大豆蛋白水解成短肽,利用此菌所产羧肽酶的作用将短肽末端的疏水性氨基酸切除,从而实现了酶解和脱苦一步完成的大豆肽水解生产。
邵伟等也将一株经驯化处理的枯草芽孢杆菌用于水解制备大豆肽;李里和潘进权等则研究了利用一株真菌为水解菌株,通过液体水解法来制备大豆肽的工艺。
在工业化生产方面,张雁平通过成本核算,认为采用水解法生产大豆蛋白活性肽产品与酶解法相比,得率提高10%~20%,成本仅为酶解法的50%~60%。
因此,该技术有良好的应用前景和经济性。
以上方法都是采用单一菌种水解制备大豆肽,目前国内利用多菌种混合水解来制备大豆肽的研究还比较薄弱。
60年代以来,随着生物技术进步和生命科学发展,大豆肽生理功能逐渐被人们所认识,一些活性肽结构和功能逐渐明确,也进一步推动活性肽研究,大豆蛋白酶法改性也成为众多学者关注课题。
对大豆肽的研究,美国和日本无论在基础理论还是在应用研究方面,均处于世界领先地位。
美国20世纪70年代初研究的新型大豆深加工产品—大豆肽,DehownSpeciation公司建成了年产5000t食用蛋白肽的加工厂。
1974年美国成立了由J.Adle—Nissen领导的专门研究水解蛋白课题的机构[29]。
从20世纪70年代到90年代日本不二制油公司在制油副产品的开发中也致力于大豆肽的研究,从产酶菌的选育,到水解工艺的确定,水解产物的脱苦精制均取得了技术上的突破。
日本KoderaTomohiro等在脱苦方面进行研究,他们不添加任何苦味吸附剂或掩盖剂,而是直接利用酶的作用,即利用一种内切酶切除疏水性末端氨基酸,得到低苦味值肽类产品,这种肽可添加到食品、药品、保健品及香精等中,并不会给产品带来不良风味。
从历史上看,最早使用的肉香料按地区不同有以下三种:
在东方(中国和日本),使用传统水解生产出来的酱油和酱油膏;在欧洲,使用酵母自溶物;在南美,使用腌制牛肉的副产品,即浓缩其烹调液而得的牛肉抽提物。
这三种原始的肉香料至今仍在使用,但随着科技的进步,三种香料都有所发展,酱油或酱油膏己为水解植物蛋白所代替。
酵母自溶物的生产技术也有很大的改进。
肉提取物也不限于牛肉,但因肉类原料价格贵,且生产过程中风味损失较大,其作为香料来源的重要性己逐步下降。
我国的香精香料行业与国际水平相差甚远,国产的大多为肉类抽提物,它虽味浓但价高,用途窄。
利用合成反应制备食用香精香料(风味调料)、肉类香味料才刚刚起步。
利用合成反应制备香味料不存在动物脂肪,即使使用动物脂肪,也在反应中将其转化为肉风味物质,不以脂肪形式存在,因而通过反应制得的肉香味料风味自然、逼真、安全可靠、低脂低热值。
将反应制品与其它增效剂复配,可形成各种食品风味产品。
国内虽也有同类产品出现,但与国际水平之间还存在差距。
由此可见,利用价廉易得的原料,采用人工合成风味丰满纯正、浓郁、逼真的肉香味料,具有一定的现实意义。
目前对加热反应生成香味料的研究非常多,尤其是对肉类香味料的研究,脂肪加热降解产生挥发性物质及含有不饱和脂肪酸等香味物质,因此脂肪氧化也可以制备香精。
如成坚等利用氧化鸡油制备鸡精;如肖作兵等人以猪骨素、糖类物质、辛香料等为原料,通过美拉德反应制备出了高品质的天然肉味香精;张谦益等以牛肉酶解物、木糖和半胱氨酸盐酸盐为主要原料,制备出了强烈而协调的带有烤牛肉味的香物质。
2.2发展趋势
目前肉类香精的生产技术日趋成熟,市场需求也不断增大。
以日本为例,1999年对肉类提取物的需求量为5万吨,销售额250亿,其中猪肉提取物需求约为2万吨,其次是鸡肉提取物约为1.5万吨,牛肉提取物约为0.6万吨。
而酵母精产量约为0.67万吨。
我国肉食加工风味独特,对香精的需求也相当大。
仅火腿肠加工就需要配上数十种香精。
目前市场上已有的热反应型香精品种繁多,按风味可分为:
猪肉香精、鸡肉香精、牛肉香精、羊肉香精、海鲜香精;按香型风格分为:
炖肉风格香精、烧烤风格香精、肉汤风格香精和纯天然肉香风格香精。
另外,近几年各种复合香精发展迅速,据调味品协会统计,复合香精包括各种粉状的鸡精、肉精以及各种复合浆状调料,1996年产量为40.50万吨,至1998年达到150万吨,可以说是食品工业中增长最快的品种之一。
在食品工业中常用的蛋白酶有碱性蛋白酶(Alcalase)、中性蛋白酶(Neutrase)、Protamex(复合蛋白酶)等。
其中碱性蛋白酶水解蛋白质时具有较多的切割位点,可以达到较高的水解度。
而且大豆蛋白在中性及偏碱性条件下具有良好的溶解性,而Alcalase正好在碱性环境下活性较高,所以大豆蛋白的溶液体系非常适合碱性蛋白酶作用。
另外,碱性蛋白酶的价格较之来源于动物体内的蛋白酶便宜且活性高,适于工业化生产中使用[30,31]。
因此可研究用产碱性蛋白酶的微生物去水解大豆蛋白来制备肉味香精,并对反应前后溶液的氨基酸含量和分子量分布进行分析,研究其最终水解效果。
目前肉味香精在食品调味品领域占有举足轻重的地位。
随着调味技术的发展和调味企业研究机构的努力,肉味香精的应用已成为食品调味创新、价值提高的重要因素,引领着食品行业向高附加值、高科技含量的方向创新发展。
近年来,虽然组成肉香味的微量和稀缺成分不断被发现,但多数研究工作者认为,这些肉香组分在构成肉香的特征方面所起的作用是不完全相同的。
因此,研究注意力逐渐从发现新的肉香组分转移到研究各类肉香特征的主要决定成分及其含量,各类肉香成分是怎样形成和转化的,进而怎样促使反应向着有利于肉香的方向发展,这些都是揭示肉香奥秘必需解决的课题。
也只有从这些方面进行研究,才能真正为其工业化生产提供理论上的指导。
回归自然,寻求绿色食品已是时代潮流,这就需要各种更安全、更可靠、更天然的肉味香精制成的香精来丰富和满足人们的生活需求。
因此,采用霉菌水解大豆分离蛋白,研究开发热反应肉类香精具有非常广阔的市场前景。
3课题拟解决的问题
3.1主要技术问题
1)确定大豆分离蛋白水解条件
2)研究水解菌种对大豆水解液风味物质影响
3)确定美拉德反应条件的优化条件
4)肉味香精挥发性成分分析
3.2在理论和应用方面的意义
本研究通过利用三种霉菌分别水解大豆蛋白制得大豆水解液,将其作为美拉德反应基料,研究美拉德反应条件及添加动物蛋白和动物脂肪对香精风味的影响,最终制得一种肉味浓郁的肉味香精。
它以其更安全、更天然、肉味更浓郁的特点必定会赢得一大批消费者的信赖,成为未来几十年内最受欢迎的天然绿色肉味香精。
3.3论文研究的主要内容
1)通过三株霉菌发酵大豆蛋白水解成氨基酸和低分子量肽,以感官评价和水解度作为参考指标,确定最优发酵条件。
2)利用大豆蛋白水解液和糖类、含硫氨基酸等物质进行美拉德反应,合成具有浓郁香味的肉味香精,通过感官评价和仪器分析确定最优的反应条件。
3)首先采用SDE装置分析肉味香精挥发性较低的组分,然后应用HS-SPME方法分析其挥发性强的组分,从而对肉味香精的挥发性成份进行分离,利用气相色谱--质谱联用仪对挥发性成份进行分析鉴定。
3.4拟采取的研究方法及可行性分析
1)通过大豆发酵液的接种量,发酵温度,发酵时间单因素实验和正交实验,以水解度和风味物质为参数,确定大豆发酵液制备的最佳条件。
2)通过美拉德反应条件(温度、时间、pH值、糖类、动物蛋白、氧化脂肪)的单因素和正交实验,确定最佳的反应条件。
3)采用感官评价和气相色谱对香精的风味物质分析,确定最佳的添加量。
3.5技术路线及可行性分析
3.5.1可行性分析
本研究从工艺实验部分,到最终产品的微观结构,风味物质仪器分析和感官评价,均可在实验室所能够提供所需条件并达到要求完成。
3.5.2技术路线
3.6预期达到目标
1)确定大豆分离蛋白发酵条件
2)研究发酵菌种对大豆发酵解液风味物质的影响
3)确定美拉德反应条件的优化条件
4)研究大豆发酵液添加动物蛋白和脂肪对香精风味的影响
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