食品添加剂对饮用型高蛋白酸奶质构的改善

李星岩，杨畅*，高飞，李洪亮，李树森，季慧苹

内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司（呼和浩特 011500）

在酸奶的生产过程中，为改善产品品质，一般需要在产品中添加稳定剂，以增强产品的稳定性，并改善其品质[1]。常用的食品添加剂有果胶[2]、羧甲基纤维素钠（CMC）[3]、海藻酸丙二醇酯（PGA）[4-5]等，均具有较好增稠性及稳定性，在酸性乳饮料及乳制品的生产中有广泛的应用。研究发现，大豆多糖水溶液的黏度相比其他稳定剂要低，且在酸性产品中添加适量大豆多糖能够有效提高其乳化性、分散稳定性，并防止酸性产品黏结[6]。唐民民等[7]发现，在相同添加量情况下，添加大豆多糖的体系黏度明显低于比添加果胶的体系。

目前国内高蛋白酸奶增加蛋白含量的方式主要有2种：一是在配料阶段添加乳清蛋白粉或全乳蛋白粉[8-9]；二是发酵乳经过离心滤掉酸乳清和水[10]，达到浓缩提高蛋白含量的目的。高蛋白酸奶的质构特性和流变特性对其包装、运输、贮存和口感等都有很大的影响，常用的检测方法包括持水力检测、凝胶强度测试和流变特性测试等[11-13]。

试验研究一种饮用型高蛋白酸奶的配方和生产工艺，通过在配料阶段添加酪蛋白来提高体系的蛋白含量的同时，起到改善体系的质构的目的。通过凝胶强度测试、黏稠度测试，系统地研究了PGA、可溶性大豆多糖、果胶和CMC的不同配比对体系质构的影响，为高蛋白酸奶的生产工艺和检测方法提供了一定的借鉴意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料与试剂

鲜牛乳（市售，已经过灭菌处理）。

发酵菌株863（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌，北京沙普视科贸有限公司）；酪蛋白胶束（美国Leprino Nutrition公司）；白砂糖（青岛日昇昌食品配料有限公司）；大豆多糖（泉州味博食品有限公司）；果胶（美国CP Kelco公司）；CMC（江门亚什兰化工有限公司）；PGA（江西百盈生物技术有限公司）。试验原辅料均为食品级。

1.1.2 试验设备与仪器

APV-1000均质机（德国APV公司）；TA-XT Plus质构仪（英国SMS公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 高蛋白酸奶生产工艺

高蛋白酸奶生产工艺流程图见图1，终产品以1 kg计。

图1中的配料过程即为PGA、大豆多糖、果胶和CMC的一种或几种与酪蛋白胶束粉一同搅拌溶解，其他工艺过程均执行现行国家标准。

1.2.2 添加剂用量

根据GB 2760要求，对多种单体添加剂进行复配试验，并对其结果进行分析。试验主要使用PGA、大豆多糖、果胶、CMC作为稳定剂，将不同单体添加剂加入到标准化后的全脂乳中，在相同条件下进行发酵，发酵完成后，对酸奶质构测试，得到单体添加剂的最适使用量。

图1 高蛋白酸奶生产工艺流程图

1.2.3 配方优化

结合1.2.2方法得出的试验结果，通过L9(34)正交试验设计，并对体系的凝胶强度和黏稠度进行测试，来研究最优的稳定剂配比方案。

1.2.4 凝胶强度测试

样品在100 mL特制的测量杯中发酵完成后，置于4 ℃的冰箱中放置1 h，取出后，在25℃的室温下放置2 h，待温度恒定后，置于质构测试仪下方，选择直径10 mm的探头，以60 mm/min从接触样品表面后匀速下降20 mm，记录凝胶强度随下降时间的变化趋势，将凝胶破裂点的数值作为凝胶强度。

1.2.5 凝胶稠度测试

将100 mL破乳后的样品倒入特制的测量杯中，使用直径为40 mm的平板探头检测样品。探头下降速率1 mm/s，上升速率30 mm/s，检测触发力5 g，测量距离30 mm。

2 结果与讨论

2.1 不同添加剂对酸奶体系凝胶强度的影响

2.1.1 PGA的添加量对体系凝胶强度的影响

固定发酵条件不变情况下，对PGA的添加量做梯度考察试验，PGA的添加量分别为0，0.5，1.0，1.5和2.0 g/kg。使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶强度的测试，测试结果如图2所示。

随着PGA添加量的增加，体系的凝胶强度呈先增大后减小趋势，这是因为PGA的活性位点会与酪蛋白凝胶网络结构的活性位点通过共价键进行交联[14]，由此增加体系的凝胶强度；PGA用量超过1.0 g/kg时，过量的PGA反而容易自身团聚，影响与酪蛋白凝胶网络的结合，导致凝胶强度降低。

图2 PGA的添加量对体系凝胶强度的影响

2.1.2 大豆多糖的添加量对体系凝胶强度的影响

固定发酵条件不变的情况下，对大豆多糖的添加量做梯度考察试验，大豆多糖添加量分别为0，1.5，3.0，4.5和6.0 g/kg。使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶强度的测试，测试结果如图3所示。

随着大豆多糖添加量增加，体系的凝胶强度呈先增大后减小趋势，主要是因为大豆多糖与酪蛋白之间可通过静电相互作用和空间位阻作用形成稳定的凝胶结构[15]，从而使凝胶强度变大；但过量大豆多糖会导致体系负电荷过量，产生静电排斥作用，使体系凝胶强度出现降低趋势。

图3 大豆多糖的添加量对体系凝胶强度的影响

2.1.3 果胶的添加量对体系凝胶强度的影响

在固定发酵条件不变的情况下，对果胶的添加量做梯度考察试验，果胶的添加量分别为0，0.5，1.0，1.5和2.0 g/kg。使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶强度的测试，测试结果如图4所示。

随着果胶添加量增加，体系的凝胶强度呈先上升后下降趋势，这是因为果胶在pH较低时，带有较多负电荷，而酪蛋白形成凝胶后带正电，二者通过静电相互作用使得体系稳定[16]。果胶添加量1.0 g/kg时，酪蛋白与果胶的静电相互作用达到饱和，此时，继续添加果胶，多余的负电荷之间相互排斥，使酪蛋白的分子团聚，产生絮凝，从而降低凝胶网络强度。

图4 果胶的添加量对体系凝胶强度的影响

2.1.4 CMC的添加量对体系凝胶强度的影响

固定发酵条件不变情况下，对CMC的添加量做梯度考察试验，CMC的添加量分别为0，2.0，4.0，6.0和8.0 g/kg。使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶强度的测试，测试结果如图5所示。

随着CMC添加量增加，体系的凝胶强度呈先上升后急剧下降趋势。这是因为CMC的分子结构含有羧基，与牛奶中的Ca2+结合，可形成更为牢固的交联结构，使得酪蛋白形成的凝胶在有限的空间聚集，形成更加致密的网络结构，从而增强体系凝胶强度[17]。但CMC在酸性条件下带负电，过量CMC自身会形成较强的静电排斥作用，CMC添加量超过6 g/kg时，体系的静电排斥作用大于疏水作用，导致体系出现分层析水等现象，酪蛋白的凝胶网络结构被破坏，体系的凝胶强度急剧下降。

图5 CMC添加量对体系凝胶强度的影响

2.2 不同添加剂对酸奶体系凝胶稠度的影响

2.2.1 PGA的添加量对体系凝胶稠度的影响对2.1.1中的样品进行破乳处理，搅拌的转速设定为1 000 r/min，搅拌时间5 min，使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶稠度的测试，测试结果如图6所示。

随着PGA添加量的增加，体系黏稠度数据逐渐上升，这可能是因为随着PGA浓度升高，PGA分子占体积增大，相互作用概率增加，吸附水分子增多[18]，故黏稠度增大。

图6 PGA添加量对体系凝胶黏稠度的影响

2.2.2 大豆多糖的添加量对体系凝胶黏稠度的影响

对2.1.2中的样品进行破乳处理，搅拌的转速设定为1 000 r/min，搅拌时间5 min，使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶黏稠度的测试，测试结果如图7所示。

大豆多糖添加量对体系黏稠度的影响较小，这是由大豆多糖自身的性质决定的，大豆多糖水溶液的黏稠度比其他糖类低，在pH上升时，黏稠度会有略微上升；但随着发酵过程进行，pH下降，黏稠度又回到初始位置[19]，故而大豆多糖的添加量对体系黏稠度的影响较小。

图7 大豆多糖添加量对体系凝胶黏稠度的影响

2.2.3 果胶的添加量对体系凝胶黏稠度的影响

对2.1.3中的样品进行破乳处理，搅拌的转速设定为1 000 r/min，搅拌时间5 min，使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶黏稠度的测试，测试结果如图8所示。

随着果胶添加量的增加，体系的黏稠度逐渐上升，这与PGA的增稠机理基本一致，都是由于吸附体系的水分子增多而表现出较高黏稠性质。

图8 果胶添加量对体系黏稠度的影响

2.2.4 CMC的添加量对体系凝胶黏稠度的影响

对2.1.4中的样品进行破乳处理，搅拌的转速设定为1 000 r/min，搅拌时间5 min，使用TX-XT Plus质构仪进行凝胶黏稠度的测试，测试结果如图9所示。

随着CMC添加量的增加，体系的黏稠度逐渐升高，这是因为一方面，CMC自身具有较高的黏稠度；另一方面，CMC与其他添加剂之间相互作用，形成彼此交联的大分子结构，使得流体的运动变得缓慢，从而导致体系黏稠度上升。

图9 CMC添加量对体系黏稠度的影响

2.3 添加剂用量正交试验

为得到体系更加稳定的饮用型高蛋白酸奶，对添加剂进行复配使用显得尤为重要。为此，设计了L9(34)正交试验对体系的添加剂用量进行优化，以得到凝胶强度较高、黏稠度较低的产品。试验因素水平表见表1。CMC＞果胶＞PGA＞大豆多糖，根据计算结果可得，各添加剂复配的最佳方案为：PGA 0.5 g/kg、大豆多糖4.5 g/kg、果胶1.0 g/kg、CMC 6.0 g/kg。此时凝胶强度为试验组中最大值58.92 g。4种添加剂对凝胶黏稠度影响程度的顺序与凝胶强度相同，即CMC＞果胶＞PGA＞大豆多糖，优选出的方案为PGA 0.5 g/kg、大豆多糖3.0 g/kg、果胶0.5 g/kg、CMC 4.0 g/kg，此时凝胶黏稠度为试验组中最小值498.91 g·s。综合考虑添加剂对体系稳定性和黏稠度的影响，调整了对体系稳定性影响最小的大豆多糖添加量，最终优化的4种添加剂配比为：PGA 0.5 g/kg、大豆多糖3.0 g/kg、果胶1.0 g/kg、CMC 6.0 g/kg。在此条件下，体系的凝胶强度测试结果为57.77 g，黏稠度为658.92 g·s。25 ℃下放置3个月，未出现乳清析水分层或蛋白聚集沉淀的现象，体系稳定性较好。

表1 试验因素水平表

表2 L9(34)正交试验凝胶强度与黏稠度结果

3 结论

PGA、可溶性大豆多糖、果胶、CMC作为4种常见添加剂，不同比例的复配可改善体系的质构，进而提高凝胶体系稳定性。结合样品在25 ℃放置3个月的观察结果，4种添加剂最佳的复配比例为：PGA 0.5 g/kg，可溶性大豆多糖 3.0 g/kg，果胶 1.0 g/kg，CMC 6.0 g/kg。在此条件下，体系的凝胶强度较高，黏稠度适中，稳定性较好，可为饮用型高蛋白酸奶工业化生产提供一定借鉴价值。