發酵牦牛乳質地調控機制研究進展

楊林，楊晨，祝亞輝，池福敏，王鵬杰

（1.西藏農牧學院食品科學學院，林芝 860000；2.中國農業大學營養與健康系，北京 100083）

牦牛是生活在青藏高原地區的優勢牛種。我國約有1 400多萬頭牦牛，占世界牦?？偭康?5%以上。牦牛能利用其他家畜無法生存的高寒、低氧、低壓等環境惡劣的高原牧場，生產青藏高原地區人民生活所需的乳、肉等主要食品及皮、毛、骨、角等生活用品。牦牛乳是牦牛最大宗的產品，可占藏區牧民收入的50%以上[1]。因此，加強牦牛乳資源的開發利用，對于促進藏區經濟發展，增加牧民收入，封疆固邊具有重要意義。

發酵乳是我國消費量增速最快的乳制品。以藏族為代表的少數民族人民在長期的生產實踐中形成的發酵牦牛乳營養豐富、風味和口感獨特[2,3]。傳統發酵牦牛乳是牧民將牦牛乳煮開、冷卻后經自然發酵而產生的凝膠型風味乳制品[4]。傳統發酵牦牛乳以藏區牧民家庭生產的方式為主，商品化率極低。隨著基礎設施的完善，旅游業發展以及城市人群對具有獨特功能的高原特色食品需求的增加，傳統發酵牦牛乳的消費群體正由藏區內向全國拓展[1]。家庭作坊式生產的發酵牦牛乳產量已無法滿足市場需求。近年來，隨著藏區新型牦?！昂献魃纭钡嚷摵辖洜I模式的出現，實現了發酵牦牛乳的規?；a，可使牦牛乳增值數倍[5]。因此，提高發酵牦牛乳的工業化生產水平，對促進牦牛產業升級，帶動藏區經濟具有重要意義。但是當前對發酵牦牛乳的形成及調控機制尚未完全闡明，發酵牦牛乳的生產工藝參數完全參照荷斯坦牛乳，導致發酵牦牛乳制品在貯藏和運輸過程中易出現乳清析出、質地易碎和口感粗糙等問題，嚴重制約了發酵牦牛乳產業的發展[6]。

本文綜述了發酵牦牛乳形成的機制，在此基礎上，從熱處理方式、發酵劑選擇等角度綜合闡釋了提高發酵牦牛乳穩定性的途徑。

1 牦牛乳酪蛋白膠束的特征

發酵乳是一種凝膠型乳制品，其質構形成的結構基礎是酪蛋白膠束。酪蛋白膠束是由αs1-、αs2-、β-和κ-酪蛋白等4種蛋白單體及膠體磷酸鈣相互纏繞在一起而形成的復合物。牦牛乳酪蛋白膠束與荷斯坦牛乳有很大的不同（表1）。荷斯坦牛乳酪蛋白膠束中各酪蛋白的比例不會呈季節性的差異，而牦牛乳酪蛋白膠束中的4種酪蛋白的比例呈明顯的季節差異，這可能與其攝入的食物隨季節變化密切相關[7,8]。κ-酪蛋白是一種糖蛋白，其不參與膠束的形成，但可通過靜電作用和疏水作用力與其他酪蛋白結合在酪蛋白膠束的表面，形成一層親水的外殼，對維持酪蛋白膠束的穩定性具有重要意義[9]。牦牛乳κ-酪蛋白的含量顯著低于荷斯坦牛乳，同時由于牦牛乳酪蛋白膠束的尺寸顯著大于荷斯坦牛乳（分別為260和170nm），因此牦牛乳酪蛋白膠束的熱力學穩定性低于荷斯坦牛乳酪蛋白膠束[10]。

表1 牦牛乳和荷斯坦牛乳四種酪蛋白的分布及其在膠束中所占的比例[9]

四種最重要的礦質元素（鈣、鎂、無機磷和檸檬酸）在牦牛乳和荷斯坦牛乳中的兩相（膠束相與乳清相）分布，及膠束相礦質各元素的含量占牛乳中該元素含量的百分比見表2?？梢钥闯?，冷季所得到的牦牛乳中膠束態的鈣、鎂和無機磷的含量均顯著高于暖季所得到的膠束態的鈣、鎂和無機磷的含量。但是檸檬酸的變化趨勢與上述三種無機鹽含量的變化趨勢正好相反。冷季和暖季所得到的牦牛乳膠束相中鎂和檸檬酸根離子濃度占其在牛乳中總濃度的百分比無明顯差異。但是對鈣和無機磷而言，冬季牦牛酪蛋白膠束態的鈣和無機磷占牦牛乳中總含量的百分比高于暖季。

表2 礦質元素在膠束相和乳清相中的分布[9]

2 發酵牦牛乳凝膠的形成機理

凝膠的形成主要分三個階段。第一個階段：乳酸菌通過乳糖酶分解乳糖，產生的乳酸使體系的pH降低，該過程以酪蛋白膠束的去礦質化作用為主，酪蛋白膠束中的膠體磷酸鈣等逐漸發生溶解并部分釋放到溶解相中，酪蛋白膠束表面的負電荷量開始減少，導致酪蛋白膠束之間的靜電斥力降低[11]；第二階段是乳酸菌產生的乳酸繼續使體系的pH降低，該過程使膠體磷酸鈣進一步發生溶解[12]。由于磷酸根和鈣離子的主要作用是交聯酪蛋白分子，因此隨著磷酸鈣的不斷溶解，酪蛋白膠束內部蛋白單體之間的結合作用力逐漸減弱，導致部分蛋白釋放到溶解相中，膠束開始呈熔融的狀態；第三個階段中，乳酸菌產酸量繼續增加，使體系pH繼續降低，當體系的pH降至酪蛋白的等電點時，酪蛋白單體之間將通過疏水作用力、氫鍵和鈣橋等非共價鍵相互重排聚集，水、脂肪球和無機鹽等可填充在酪蛋白的聚集體中，從而形成三維酪蛋白凝膠網絡結構[13]。

在酸化過程中，牦牛乳酪蛋白膠束中的各個酪蛋白從膠束相釋放以及重新聚合到膠束相的變化過程見圖1。在pH從常乳pH下降至5.12的過程中，牦牛乳酪蛋白膠束中的酪蛋白在不斷地向乳清相中釋放，在pH5.12時，各種酪蛋白的釋放量均達到最大。同時，隨著酸化過程的不斷進行，釋放到溶解相中的酪蛋白單體重新結合到膠束相中，到達等電點以下后，釋放到乳清相中的量達到最低。同時可以看出，在酸化過程中，牦牛乳和荷斯坦牛乳酪蛋白膠束中的酪蛋白的變化趨勢大致上是相同的，但在相同的酸化條件下，兩者存在明顯的“量”的差異。當pH為5.05時，與荷斯坦牛乳酪蛋白膠束相比，牦牛乳酪蛋白膠束中的β-、αs1-和κ-酪蛋白釋放到乳清中的百分比要高于荷斯坦牛乳。與荷斯坦牛乳相比，牦牛乳酪蛋白膠束在酸化過程中，礦物質的解離程度低于荷斯坦牛乳。

圖1 牦牛乳和荷斯坦牛乳酪蛋白膠束在酸化過程中的變化

3 發酵牦牛乳凝膠質構的調控

3.1 發酵劑和乳脂肪球

發酵乳凝膠的質構特性受原料乳脂肪球結構、發酵劑產酸速率以及發酵劑胞外多糖的調控。乳脂肪球可填充到發酵乳凝膠中，若脂肪球尺寸過大則會阻礙三維凝膠網絡結構的形成，降低凝膠的均一性[14]；而脂肪球尺寸遠小于凝膠的孔隙率則會導致口腔無法感知到脂肪球的潤滑感，從而使凝膠的口感下降[15,16]。牦牛乳的脂肪球的體均直徑比荷斯坦牛乳高50%以上（表3）[17]，因此牦牛乳脂肪球對乳凝膠均一性的影響可能大于荷斯坦牛乳。在發酵牦牛乳生產過程中，可通過調整均質參數以盡量減少脂肪球過大對發酵牦牛乳凝膠結構的破壞。

表3 牦牛乳和荷斯坦牛乳脂肪球的差異[17]

發酵劑的產酸能力和產胞外多糖的能力對酪蛋白膠束的解聚行為有很大的影響[18]。若菌株產酸速率過快，則酪蛋白在酸化過程中無法充分地從膠束中解離和重排，形成的凝膠結構不規則，孔隙率較大，導致質地粗糙；若菌株產酸速率過慢，不僅增加了發酵時間，而且還會導致鈣離子完全釋放到溶解相中，從而使發酵乳凝膠中的蛋白失去了交聯能力，這同樣會使凝膠結構粗糙，質地不均一[19～21]。發酵劑產生的胞外多糖與酪蛋白凝膠的結合方式對發酵乳凝膠的質構也會產生顯著影響。在發酵牦牛乳凝膠結構形成的過程中，胞外多糖既可通過氫鍵、疏水力等與酪蛋白表面結合而共同參與凝膠結構的形成，形成二元復合凝膠，又可以物理填充的形式位于凝膠中的網絡中[8]。

現有商品化的發酵劑是以荷斯坦牛乳成分為底物，經過大量的菌株篩選和復配工作獲得的；而牦牛乳的成分與荷斯坦牛乳有著顯著的差異，將現有商業化的發酵劑用于牦牛乳后，形成的發酵牦牛乳凝膠的質構遠不及荷斯坦牛乳。因此，基于牦牛乳的成分和理化性質篩選產酸速率和產胞外多糖適于牦牛乳的發酵劑，對發酵牦牛乳產業的發展具有重要意義。

3.2 熱處理

熱處理是乳品加工過程中非常重要的一種手段，例如預熱、巴氏殺菌、超高溫殺菌等，這已成為液態乳制品加工過程中不可或缺的關鍵技術，主要目的是殺滅微生物以保證消費安全、抑制一些酶的反應保證品質穩定、產生特殊的性能等，其對于增強乳制品安全性和貨架期具有不可忽視的作用[22]。酸凝前對牛乳的熱處理是影響酸凝乳凝膠品質最重要的因素之一。熱處理本身對酪蛋白膠束的影響非常小，但是熱處理能夠使乳清蛋白變性，變性的乳清蛋白能夠與膠束結合，進而影響凝膠的過程和質量[23]。

已有研究證實，對荷斯坦牛乳進行75℃（15min）的熱處理能夠顯著地縮短酪蛋白的凝乳時間，并且使凝膠點的pH值升高[24]。熱處理所導致的酪蛋白凝膠點升高的主要原因是，乳清蛋白具有較高的等電點（約5.3），當對牛乳進行熱處理時，乳清蛋白發生變性，并且能夠和κ-酪蛋白結合而形成乳清蛋白-酪蛋白膠束復合物。因此酸化時，這種復合物沉淀的等電點要高于酪蛋白的等電點。與未經過熱處理所產生的乳凝膠相比，經過熱處理牛乳所得凝膠的彈性模量顯著增大，這是由于熱處理導致在凝膠形成過程中，酪蛋白聚集體顆粒發生重新排列的程度更大，導致了密集網絡聚集體的發生[25]。

熱處理對發酵牦牛乳凝膠質構的調控尚未完全闡明。牦牛乳的乳清蛋白含量約為荷斯坦牛乳的1.5倍，高濃度的乳清蛋白更易變性，但由于牦牛乳中的κ-酪蛋白含量低于荷斯坦牛乳，所以熱誘導形成的牦牛乳乳清蛋白-酪蛋白復合物的比例更低，導致形成的酸凝膠強度不足。因此，在發酵牦牛乳的生產過程中，可能需要對牦牛乳進行更高強度的熱處理才能形成更多的乳清蛋白-酪蛋白復合物，從而提高發酵牦牛乳凝膠的質構特性。

4 結論

酪蛋白膠束是發酵牦牛乳形成的基本構筑單元，牦牛乳酪蛋白膠束的組成和結構與荷斯坦牛乳不同，且呈顯著的季節性差異，因此現有的發酵乳生產關鍵工藝參數不適于牦牛乳。發酵劑在發酵乳質構形成過程中起到了關鍵作用，而不同畜種乳成分差異較大，發酵劑在不同畜種乳的代謝規律也存在較大差異?，F有商業化發酵劑主要針對荷斯坦牛乳，其應用到牦牛乳后形成的酸凝膠質構遠不及荷斯坦牛乳。因此，篩選適合牦牛乳的復合發酵劑，明確乳成分、熱處理等條件對發酵牦牛乳質構的調控機制，在此基礎上構建質構優良的發酵乳凝膠，對發酵牦牛乳的工業化生產具有重要意義。