不同市售膜處理牛乳發(fā)酵差異比較研究

王 磊

（上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436）

近年來(lái)，乳品市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，2022年預(yù)計(jì)將達(dá)5 000 億元。截至2022年11月份，我國(guó)乳制品產(chǎn)量2 848.9 萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)2.8%，前三季度較2021年同期相比增速放緩[1]。隨著消費(fèi)者健康意識(shí)的不斷提高，愈發(fā)重視乳品的品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)。新的消費(fèi)趨勢(shì)帶給了乳品企業(yè)更多的發(fā)展機(jī)遇。

膜技術(shù)在乳品工業(yè)中有廣泛應(yīng)用，其具有操作簡(jiǎn)單、能耗低、效率高等特點(diǎn)，且加工溫度低，對(duì)乳品中的營(yíng)養(yǎng)元素和熱敏成分破壞較少[2-3]。以壓力為推動(dòng)力的膜根據(jù)可截流的相對(duì)分子質(zhì)量大小，將膜分為微濾膜、超濾膜、納濾膜及反滲透膜[4]，在乳品中應(yīng)用最廣。微濾膜主要應(yīng)用于除菌[5-6]、蛋白分級(jí)[7-8]和脂肪分級(jí)[9-10]，超濾膜主要應(yīng)用于濃縮蛋白[11]，納濾膜主要應(yīng)用于脫鹽[12-13]和去除乳糖[14-15]，反滲透膜主要應(yīng)用于干物質(zhì)的濃縮[16]。

膜技術(shù)雖已在乳品工業(yè)中具有廣泛應(yīng)用，但發(fā)酵前膜處理對(duì)發(fā)酵造成的影響卻鮮有研究。發(fā)酵前膜處理能夠直接、靈活地對(duì)牛乳進(jìn)行物理組分改變，避免了發(fā)酵后因酸乳濃稠的質(zhì)地而限制膜應(yīng)用的情況，因此具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。本研究通過(guò)對(duì)市售的膜處理物理濃縮高蛋白牛乳、膜處理物理去乳糖牛乳進(jìn)行發(fā)酵，同時(shí)以普通巴氏殺菌乳及乳品工業(yè)化生產(chǎn)風(fēng)味發(fā)酵乳時(shí)一般需要額外添加白砂糖2 種牛乳作為對(duì)照，評(píng)估市售膜處理牛乳發(fā)酵后的差異性，旨在為行業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

未經(jīng)膜處理的市售牛乳1為巴氏殺菌乳（蛋白含量3.1 g/100 mL、脂肪含量3.5 g/100 mL、碳水化合物含量4.8 g/100 mL，配料為生牛乳）、經(jīng)過(guò)超濾及納濾處理的市售牛乳2（蛋白含量5.3 g/100 mL、脂肪含量4 g/100 mL、碳水化合物含量3.4 g/100 mL，配料為生牛乳、乳糖酶）、經(jīng)過(guò)超濾處理的市售牛乳3（蛋白含量6.0 g/100 mL、脂肪含量1.5 g/100 mL、碳水化合物含量6.5 g/100 mL，配料為生牛乳） 上海市內(nèi)超市；Fast 1.0發(fā)酵菌種丹尼斯克（中國(guó)）有限公司；白砂糖 廣西上上糖業(yè)有限公司；葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99.5%）、乳糖標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99.5%） 美國(guó)Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TE 612-L電子天平 德國(guó)Sartorius公司；iCinac酸化監(jiān)控儀 法國(guó)KPM分析集團(tuán)；WNB45恒溫水浴鍋北京五洲東方科技發(fā)展有限公司；PHS-25數(shù)顯pH計(jì)上海理達(dá)儀器廠；3-18KS冷凍離心機(jī) 北京博勱行儀器有限公司；303A-2電熱恒溫培養(yǎng)箱 美墨爾特（上海）貿(mào)易有限公司；IKARW20高速攪拌機(jī) 德國(guó)IKA公司；TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)分析儀 英國(guó)Stable Micro Systems公司；1200高效液相色譜儀 美國(guó)安捷倫科技有限公司；安東帕MCR302流變儀 奧地利Anton Paar公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

市售牛乳1、市售牛乳2、市售牛乳3分別經(jīng)水浴加熱至95 ℃保溫5 min，隨后立即冷卻至42 ℃，加入Fast 1.0發(fā)酵菌種（添加量1×106CFU/mL），并在42 ℃下發(fā)酵，以pH 4.6為發(fā)酵終點(diǎn)[17]，分別制得對(duì)照組、NF組、UF組酸乳。

市售牛乳2預(yù)熱至40～45 ℃，加入6 g/100 mL白砂糖，混合5～10 min，經(jīng)水浴加熱至95 ℃保溫5 min，隨后立即冷卻至42 ℃，加入Fast 1.0發(fā)酵菌種（添加量1×106CFU/mL），并在42 ℃下發(fā)酵，以pH 4.6為發(fā)酵終點(diǎn)，制得T組酸乳。

1.3.2 發(fā)酵時(shí)間的監(jiān)測(cè)

用酸化監(jiān)控儀監(jiān)測(cè)對(duì)照組、NF組、UF組、T組酸乳的發(fā)酵時(shí)間。發(fā)酵前對(duì)酸化監(jiān)控儀的pH探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。發(fā)酵過(guò)程中每隔5 min讀取一次樣品pH值。

1.3.3 發(fā)酵前后糖類含量的變化

根據(jù)GB 5009.8—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測(cè)定》[18]，采用高效液相色譜法測(cè)定市售牛乳1、市售牛乳2、加白砂糖后未發(fā)酵的市售牛乳2、市售牛乳3，以及對(duì)應(yīng)酸乳的乳糖、葡萄糖及蔗糖含量。乳糖消耗量、乳糖消耗率、乳糖和蔗糖發(fā)酵時(shí)轉(zhuǎn)化成葡萄糖的含量、葡萄糖消耗量及葡萄糖消耗率分別按照式（1）～（5）計(jì)算。

式中：L0為發(fā)酵前乳糖含量/（g/100 g）；L1為發(fā)酵后乳糖含量/（g/100 g）。

式中：L為乳糖消耗量/（g/100 g）；Mg為葡萄糖相對(duì)分子質(zhì)量（180.6）；Ml為乳糖相對(duì)分子質(zhì)量（342.3）；S0為發(fā)酵前蔗糖含量/（g/100 g）；S1為發(fā)酵后蔗糖含量/（g/100 g）；Ms為蔗糖相對(duì)分子質(zhì)量（342.3）。

式中：G為發(fā)酵前葡萄糖含量/（g/100 g）；G0為葡萄糖轉(zhuǎn)化含量/（g/100 g）；G1為發(fā)酵后葡萄糖含量/（g/100 g）。

1.3.4 發(fā)酵后樣品動(dòng)態(tài)黏度特性測(cè)定

將酸乳樣品在10 ℃下保持30 min，采用流變儀分析10 ℃、0.1～300.0 s－1剪切速率下與黏度的關(guān)系，取前100 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

1.3.5 發(fā)酵后樣品質(zhì)構(gòu)測(cè)定

用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定酸乳的質(zhì)構(gòu)特性。參考沈壯[19]的方法并加以改進(jìn)。采用TPA模式，探頭型號(hào)為A/BE d40，探頭速率5.00 mm/s，探頭2 次測(cè)定間隔時(shí)間5.00 s，測(cè)定距離5 mm，觸發(fā)力5 g。

1.3.6 發(fā)酵后樣品乳清析出率測(cè)定

稱取破乳后的樣品25 g，10 ℃、2 000×g離心15 min后去除上層乳清，稱量剩余樣品質(zhì)量，乳清析出率按照式（6）計(jì)算[20]。

式中：m0為初始樣品質(zhì)量/g；m1為剩余樣品質(zhì)量/g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)利用Exponent軟件處理；使用SPSS 22軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及顯著性分析；采用Origin 8.5軟件和Excel軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜處理牛乳發(fā)酵時(shí)間的差異性

由圖1可知，在達(dá)到發(fā)酵終點(diǎn)pH 4.6時(shí)，4 種牛乳發(fā)酵時(shí)間分別為對(duì)照組（367.00±2.89） min、NF組（430.00±5.00） min、T組（480.00±5.00） min、UF組（523.00±10.41） min，其中NF組、T組、UF組酸乳所用牛乳原料均是通過(guò)超濾濃縮將蛋白含量提高，使得發(fā)酵時(shí)間大幅延長(zhǎng)。UF組比NF、T組的蛋白含量更高，發(fā)酵時(shí)間更長(zhǎng)。這表明利用物理膜處理提高牛乳中蛋白含量將延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間，且蛋白含量越高，發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)。Moineau-Jean等[21]對(duì)蛋白含量4.0、10.6 g/100 mL的牛乳進(jìn)行發(fā)酵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蛋白含量10.6 g/100 mL的牛乳發(fā)酵時(shí)間比蛋白含量4.0 g/100 mL的牛乳延長(zhǎng)10 h。Marini等[22]認(rèn)為可能是由于超濾后高含量蛋白及其他組分起到了緩沖作用。

圖1 4 種牛乳發(fā)酵時(shí)間曲線Fig. 1 pH changes during fermentation of four types of milk samples

2.2 膜處理牛乳發(fā)酵后糖類代謝的差異性

由表1 可知， N F 組發(fā)酵前葡萄糖含量為1.10 g/100 g，表明該牛乳中并非所有的乳糖都被納濾去除，而剩余未被分離的乳糖則被乳糖酶降解成葡萄糖。王玉堂等[23]對(duì)牛乳進(jìn)行納濾并優(yōu)化了過(guò)濾參數(shù)，乳糖截流率為92.4%，即仍有部分乳糖殘留。另外，對(duì)比對(duì)照組及UF組可知，通過(guò)超濾濃縮一定程度上可以提高發(fā)酵前的乳糖含量，Valencia等[24]對(duì)發(fā)酵前的牛乳進(jìn)行3 倍超濾濃縮，乳糖含量大約濃縮1 倍。結(jié)合表2來(lái)看，由于發(fā)酵前乳糖含量的提高，乳糖的消耗量及消耗率也進(jìn)一步增加，即發(fā)酵乳酸菌將乳糖轉(zhuǎn)化成了更多的葡萄糖。通過(guò)對(duì)比NF組與對(duì)照組、UF組可知，由于納濾去除了部分乳糖，導(dǎo)致葡萄糖的消耗量及消耗率大幅下降，消耗率僅為32.73%，即使如T組樣品添加了外源蔗糖，提高了部分葡萄糖含量，與未經(jīng)納濾處理的牛乳相比消耗程度也相差較大。

表1 4 種牛乳樣品發(fā)酵前及發(fā)酵后葡萄糖、乳糖及蔗糖含量Table 1 Glucose, lactose and sucrose contents of four types of milk samples before and after fermentation g/100 g

表2 葡萄糖轉(zhuǎn)化含量、葡萄糖、乳糖消耗量及消耗率Table 2 Conversion and consumption rate of glucose and consumption rate of lactose

2.3 膜處理牛乳發(fā)酵后黏度的差異性

由圖2可知，4 種酸乳樣品總體表現(xiàn)出隨著剪切速率變大黏度逐漸變稀的趨勢(shì)，均為假塑性流體。在整體上，經(jīng)過(guò)膜處理后的高蛋白樣品黏度顯著高于普通牛乳黏度，這是由于較高的固形物含量提高了酸乳持水性及凝膠強(qiáng)度，降低了脫水收縮效應(yīng)[25]。而在3 種膜處理牛乳發(fā)酵后的樣品中，黏度從高到低依次為NF組＞T組＞UF組，前2 種酸乳黏度較高可能是因?yàn)榧尤肓巳樘敲甘沟蒙俨糠秩樘寝D(zhuǎn)化成葡萄糖，在發(fā)酵早期即可直接被乳酸菌利用產(chǎn)生胞外多糖[26]。在剪切速率10 s－1左右時(shí)出現(xiàn)黏度上升，隨后下降，可能是由于在該檢測(cè)溫度（10 ℃）下酸乳凝膠網(wǎng)絡(luò)仍在不斷形成，凝膠強(qiáng)度仍在增強(qiáng)，而受到的剪切強(qiáng)度還較弱，因此曲線出現(xiàn)短暫上升趨勢(shì)。而隨著剪切速率不斷增加，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)被破壞，黏度開(kāi)始下降。從黏度的變化率來(lái)看，經(jīng)膜處理的酸乳樣品隨剪切速率變大，黏度變化較大，表明膜處理的酸乳抗剪切能力較差，一定程度上不利于工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)管道的運(yùn)輸。而普通酸乳黏度變化較小，抗剪切能力相對(duì)較佳。

圖2 4 種酸乳樣品黏度曲線Fig. 2 Viscosity-shear rate curves of four types of yogurt samples

咀嚼、吞咽食物時(shí)剪切速率一般為10～100 s－1[27]。在該剪切速率區(qū)間，經(jīng)過(guò)膜處理的牛乳由于發(fā)酵后初始黏度高，在咀嚼時(shí)會(huì)產(chǎn)生醇厚、黏口感覺(jué)，風(fēng)味釋放緩慢。伴隨咀嚼加快，黏度將快速下降，風(fēng)味突然釋放，帶來(lái)風(fēng)味沖擊。普通酸乳在咀嚼時(shí)黏度變化較小，口感會(huì)相對(duì)清爽，風(fēng)味釋放也更加緩慢。

2.4 膜處理牛乳發(fā)酵后質(zhì)構(gòu)的差異性

酸乳的質(zhì)構(gòu)可以反映酸乳發(fā)酵特性及品質(zhì)，同時(shí)也是判斷消費(fèi)者不同喜好度的重要指標(biāo)。由表3可知，4 種酸乳的硬度基本與黏度呈正相關(guān)，這可能與發(fā)酵時(shí)形成了更致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)[28]，而超濾的使用去除了體系中的部分游離水，造成酪蛋白及乳清蛋白進(jìn)一步的相互聚集，導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)更堅(jiān)實(shí)，凝膠強(qiáng)度更大[29]。硬度的提高也反映了咀嚼性的增強(qiáng)。膜處理提高了發(fā)酵黏度，造成流動(dòng)性下降，使得樣品黏度上升，而外源糖的加入使得黏性大幅下降。內(nèi)聚性反映蛋白連接的強(qiáng)弱程度[30]。膜處理后的酸乳內(nèi)聚性均高于未經(jīng)膜處理的樣品，可能是由于超濾處理增強(qiáng)了熱殺菌時(shí)蛋白質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了乳清蛋白和κ-酪蛋白之間的共價(jià)相互作用，從而提高了內(nèi)聚性[29]。

表3 4 種酸乳樣品的質(zhì)構(gòu)測(cè)定結(jié)果Table 3 Texture properties of four types of yogurt samples

2.5 膜處理牛乳發(fā)酵后乳清析出率的差異性

結(jié)合圖2及圖3可知，乳清析出率與發(fā)酵后黏度成正比，即黏度越高，乳清析出率越低，持水性越差。在發(fā)酵時(shí)酪蛋白與變性的乳清蛋白形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將乳清包裹住，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密，黏度越高，持水性越強(qiáng)[31-32]。對(duì)比T組與NF組，添加外源糖的T組比NF組的總固形物含量更高，因此其乳清析出更少，持水性更強(qiáng)。

圖3 4 種酸乳樣品的乳清析出率Fig. 3 Whey syneresis of four types of yogurt samples

3 結(jié) 論

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)膜處理的牛乳由于物理濃縮使得蛋白含量升高，相比未經(jīng)膜處理的牛乳，發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵后黏度、持水性、硬度和咀嚼性均顯著提高。但過(guò)長(zhǎng)的發(fā)酵時(shí)間將削弱酸乳的持水性，經(jīng)膜處理牛乳發(fā)酵后抗剪切性更差。對(duì)比超濾及納濾2 種不同工藝處理的牛乳可知，經(jīng)納濾處理的牛乳發(fā)酵后葡萄糖的消耗量及消耗率大幅下降，消耗率僅為32.73%，即使添加了外源蔗糖，與未經(jīng)納濾處理的牛乳相比消耗程度也相差較大。因此，在利用發(fā)酵前膜處理工藝時(shí)，需嚴(yán)格控制膜濃縮倍數(shù)，防止發(fā)酵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及穩(wěn)定性不佳的風(fēng)險(xiǎn)。此外，采用納濾處理時(shí)將造成乳糖的流失，影響發(fā)酵，且添加外源糖也無(wú)法彌補(bǔ)這一缺陷，因此發(fā)酵前不建議采用納濾處理工藝。

在本研究的基礎(chǔ)上，仍可進(jìn)一步探討膜處理工藝參數(shù)優(yōu)化，將多種膜處理工藝組合，結(jié)合發(fā)酵特性，針對(duì)不同類型乳制品篩選出最佳制備工藝。