發(fā)酵牦牛乳質(zhì)地調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

楊林，楊晨，祝亞輝，池福敏，王鵬杰

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院食品科學(xué)學(xué)院，林芝 860000；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)營養(yǎng)與健康系，北京 100083）

牦牛是生活在青藏高原地區(qū)的優(yōu)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(huán)境惡劣的高原牧場，生產(chǎn)青藏高原地區(qū)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(chǎn)品，可占藏區(qū)牧民收入的50%以上[1]。因此，加強(qiáng)牦牛乳資源的開發(fā)利用，對于促進(jìn)藏區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增加牧民收入，封疆固邊具有重要意義。

發(fā)酵乳是我國消費(fèi)量增速最快的乳制品。以藏族為代表的少數(shù)民族人民在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中形成的發(fā)酵牦牛乳營養(yǎng)豐富、風(fēng)味和口感獨(dú)特[2,3]。傳統(tǒng)發(fā)酵牦牛乳是牧民將牦牛乳煮開、冷卻后經(jīng)自然發(fā)酵而產(chǎn)生的凝膠型風(fēng)味乳制品[4]。傳統(tǒng)發(fā)酵牦牛乳以藏區(qū)牧民家庭生產(chǎn)的方式為主，商品化率極低。隨著基礎(chǔ)設(shè)施的完善，旅游業(yè)發(fā)展以及城市人群對具有獨(dú)特功能的高原特色食品需求的增加，傳統(tǒng)發(fā)酵牦牛乳的消費(fèi)群體正由藏區(qū)內(nèi)向全國拓展[1]。家庭作坊式生產(chǎn)的發(fā)酵牦牛乳產(chǎn)量已無法滿足市場需求。近年來，隨著藏區(qū)新型牦?！昂献魃纭钡嚷?lián)合經(jīng)營模式的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵牦牛乳的規(guī)?；a(chǎn)，可使牦牛乳增值數(shù)倍[5]。因此，提高發(fā)酵牦牛乳的工業(yè)化生產(chǎn)水平，對促進(jìn)牦牛產(chǎn)業(yè)升級，帶動(dòng)藏區(qū)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。但是當(dāng)前對發(fā)酵牦牛乳的形成及調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明，發(fā)酵牦牛乳的生產(chǎn)工藝參數(shù)完全參照荷斯坦牛乳，導(dǎo)致發(fā)酵牦牛乳制品在貯藏和運(yùn)輸過程中易出現(xiàn)乳清析出、質(zhì)地易碎和口感粗糙等問題，嚴(yán)重制約了發(fā)酵牦牛乳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[6]。

本文綜述了發(fā)酵牦牛乳形成的機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，從熱處理方式、發(fā)酵劑選擇等角度綜合闡釋了提高發(fā)酵牦牛乳穩(wěn)定性的途徑。

1 牦牛乳酪蛋白膠束的特征

發(fā)酵乳是一種凝膠型乳制品，其質(zhì)構(gòu)形成的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(fù)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(huì)呈季節(jié)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(jié)差異，這可能與其攝入的食物隨季節(jié)變化密切相關(guān)[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(jié)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(wěn)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(shí)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(xué)穩(wěn)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(zhì)元素（鈣、鎂、無機(jī)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(zhì)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(tài)的鈣、鎂和無機(jī)磷的含量均顯著高于暖季所得到的膠束態(tài)的鈣、鎂和無機(jī)磷的含量。但是檸檬酸的變化趨勢與上述三種無機(jī)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(jī)磷而言，冬季牦牛酪蛋白膠束態(tài)的鈣和無機(jī)磷占牦牛乳中總含量的百分比高于暖季。

表2 礦質(zhì)元素在膠束相和乳清相中的分布[9]

2 發(fā)酵牦牛乳凝膠的形成機(jī)理

凝膠的形成主要分三個(gè)階段。第一個(gè)階段：乳酸菌通過乳糖酶分解乳糖，產(chǎn)生的乳酸使體系的pH降低，該過程以酪蛋白膠束的去礦質(zhì)化作用為主，酪蛋白膠束中的膠體磷酸鈣等逐漸發(fā)生溶解并部分釋放到溶解相中，酪蛋白膠束表面的負(fù)電荷量開始減少，導(dǎo)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(chǎn)生的乳酸繼續(xù)使體系的pH降低，該過程使膠體磷酸鈣進(jìn)一步發(fā)生溶解[12]。由于磷酸根和鈣離子的主要作用是交聯(lián)酪蛋白分子，因此隨著磷酸鈣的不斷溶解，酪蛋白膠束內(nèi)部蛋白單體之間的結(jié)合作用力逐漸減弱，導(dǎo)致部分蛋白釋放到溶解相中，膠束開始呈熔融的狀態(tài)；第三個(gè)階段中，乳酸菌產(chǎn)酸量繼續(xù)增加，使體系pH繼續(xù)降低，當(dāng)體系的pH降至酪蛋白的等電點(diǎn)時(shí)，酪蛋白單體之間將通過疏水作用力、氫鍵和鈣橋等非共價(jià)鍵相互重排聚集，水、脂肪球和無機(jī)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]。

在酸化過程中，牦牛乳酪蛋白膠束中的各個(gè)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(shí)，各種酪蛋白的釋放量均達(dá)到最大。同時(shí)，隨著酸化過程的不斷進(jìn)行，釋放到溶解相中的酪蛋白單體重新結(jié)合到膠束相中，到達(dá)等電點(diǎn)以下后，釋放到乳清相中的量達(dá)到最低。同時(shí)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(dāng)pH為5.05時(shí)，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(zhì)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(fā)酵牦牛乳凝膠質(zhì)構(gòu)的調(diào)控

3.1 發(fā)酵劑和乳脂肪球

發(fā)酵乳凝膠的質(zhì)構(gòu)特性受原料乳脂肪球結(jié)構(gòu)、發(fā)酵劑產(chǎn)酸速率以及發(fā)酵劑胞外多糖的調(diào)控。乳脂肪球可填充到發(fā)酵乳凝膠中，若脂肪球尺寸過大則會(huì)阻礙三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，降低凝膠的均一性[14]；而脂肪球尺寸遠(yuǎn)小于凝膠的孔隙率則會(huì)導(dǎo)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?qū)θ槟z均一性的影響可能大于荷斯坦牛乳。在發(fā)酵牦牛乳生產(chǎn)過程中，可通過調(diào)整均質(zhì)參數(shù)以盡量減少脂肪球過大對發(fā)酵牦牛乳凝膠結(jié)構(gòu)的破壞。

表3 牦牛乳和荷斯坦牛乳脂肪球的差異[17]

發(fā)酵劑的產(chǎn)酸能力和產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)不規(guī)則，孔隙率較大，導(dǎo)致質(zhì)地粗糙；若菌株產(chǎn)酸速率過慢，不僅增加了發(fā)酵時(shí)間，而且還會(huì)導(dǎo)致鈣離子完全釋放到溶解相中，從而使發(fā)酵乳凝膠中的蛋白失去了交聯(lián)能力，這同樣會(huì)使凝膠結(jié)構(gòu)粗糙，質(zhì)地不均一[19～21]。發(fā)酵劑產(chǎn)生的胞外多糖與酪蛋白凝膠的結(jié)合方式對發(fā)酵乳凝膠的質(zhì)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。在發(fā)酵牦牛乳凝膠結(jié)構(gòu)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(jié)合而共同參與凝膠結(jié)構(gòu)的形成，形成二元復(fù)合凝膠，又可以物理填充的形式位于凝膠中的網(wǎng)絡(luò)中[8]。

現(xiàn)有商品化的發(fā)酵劑是以荷斯坦牛乳成分為底物，經(jīng)過大量的菌株篩選和復(fù)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(xiàn)有商業(yè)化的發(fā)酵劑用于牦牛乳后，形成的發(fā)酵牦牛乳凝膠的質(zhì)構(gòu)遠(yuǎn)不及荷斯坦牛乳。因此，基于牦牛乳的成分和理化性質(zhì)篩選產(chǎn)酸速率和產(chǎn)胞外多糖適于牦牛乳的發(fā)酵劑，對發(fā)酵牦牛乳產(chǎn)業(yè)的發(fā)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(yù)熱、巴氏殺菌、超高溫殺菌等，這已成為液態(tài)乳制品加工過程中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，主要目的是殺滅微生物以保證消費(fèi)安全、抑制一些酶的反應(yīng)保證品質(zhì)穩(wěn)定、產(chǎn)生特殊的性能等，其對于增強(qiáng)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(zhì)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(jié)合，進(jìn)而影響凝膠的過程和質(zhì)量[23]。

已有研究證實(shí)，對荷斯坦牛乳進(jìn)行75℃（15min）的熱處理能夠顯著地縮短酪蛋白的凝乳時(shí)間，并且使凝膠點(diǎn)的pH值升高[24]。熱處理所導(dǎo)致的酪蛋白凝膠點(diǎn)升高的主要原因是，乳清蛋白具有較高的等電點(diǎn)（約5.3），當(dāng)對牛乳進(jìn)行熱處理時(shí)，乳清蛋白發(fā)生變性，并且能夠和κ-酪蛋白結(jié)合而形成乳清蛋白-酪蛋白膠束復(fù)合物。因此酸化時(shí)，這種復(fù)合物沉淀的等電點(diǎn)要高于酪蛋白的等電點(diǎn)。與未經(jīng)過熱處理所產(chǎn)生的乳凝膠相比，經(jīng)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(dǎo)致在凝膠形成過程中，酪蛋白聚集體顆粒發(fā)生重新排列的程度更大，導(dǎo)致了密集網(wǎng)絡(luò)聚集體的發(fā)生[25]。

熱處理對發(fā)酵牦牛乳凝膠質(zhì)構(gòu)的調(diào)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(dǎo)形成的牦牛乳乳清蛋白-酪蛋白復(fù)合物的比例更低，導(dǎo)致形成的酸凝膠強(qiáng)度不足。因此，在發(fā)酵牦牛乳的生產(chǎn)過程中，可能需要對牦牛乳進(jìn)行更高強(qiáng)度的熱處理才能形成更多的乳清蛋白-酪蛋白復(fù)合物，從而提高發(fā)酵牦牛乳凝膠的質(zhì)構(gòu)特性。

4 結(jié)論

酪蛋白膠束是發(fā)酵牦牛乳形成的基本構(gòu)筑單元，牦牛乳酪蛋白膠束的組成和結(jié)構(gòu)與荷斯坦牛乳不同，且呈顯著的季節(jié)性差異，因此現(xiàn)有的發(fā)酵乳生產(chǎn)關(guān)鍵工藝參數(shù)不適于牦牛乳。發(fā)酵劑在發(fā)酵乳質(zhì)構(gòu)形成過程中起到了關(guān)鍵作用，而不同畜種乳成分差異較大，發(fā)酵劑在不同畜種乳的代謝規(guī)律也存在較大差異?，F(xiàn)有商業(yè)化發(fā)酵劑主要針對荷斯坦牛乳，其應(yīng)用到牦牛乳后形成的酸凝膠質(zhì)構(gòu)遠(yuǎn)不及荷斯坦牛乳。因此，篩選適合牦牛乳的復(fù)合發(fā)酵劑，明確乳成分、熱處理等條件對發(fā)酵牦牛乳質(zhì)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建質(zhì)構(gòu)優(yōu)良的發(fā)酵乳凝膠，對發(fā)酵牦牛乳的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。