发酵牦牛乳质地调控机制研究进展

杨林，杨晨，祝亚辉，池福敏，王鹏杰

（1.西藏农牧学院食品科学学院，林芝 860000；2.中国农业大学营养与健康系，北京 100083）

牦牛是生活在青藏高原地区的优势牛种。我国约有1 400多万头牦牛，占世界牦牛总量的95%以上。牦牛能利用其他家畜无法生存的高寒、低氧、低压等环境恶劣的高原牧场，生产青藏高原地区人民生活所需的乳、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产品，可占藏区牧民收入的50%以上[1]。因此，加强牦牛乳资源的开发利用，对于促进藏区经济发展，增加牧民收入，封疆固边具有重要意义。

发酵乳是我国消费量增速最快的乳制品。以藏族为代表的少数民族人民在长期的生产实践中形成的发酵牦牛乳营养丰富、风味和口感独特[2,3]。传统发酵牦牛乳是牧民将牦牛乳煮开、冷却后经自然发酵而产生的凝胶型风味乳制品[4]。传统发酵牦牛乳以藏区牧民家庭生产的方式为主，商品化率极低。随着基础设施的完善，旅游业发展以及城市人群对具有独特功能的高原特色食品需求的增加，传统发酵牦牛乳的消费群体正由藏区内向全国拓展[1]。家庭作坊式生产的发酵牦牛乳产量已无法满足市场需求。近年来，随着藏区新型牦牛“合作社”等联合经营模式的出现，实现了发酵牦牛乳的规模化生产，可使牦牛乳增值数倍[5]。因此，提高发酵牦牛乳的工业化生产水平，对促进牦牛产业升级，带动藏区经济具有重要意义。但是当前对发酵牦牛乳的形成及调控机制尚未完全阐明，发酵牦牛乳的生产工艺参数完全参照荷斯坦牛乳，导致发酵牦牛乳制品在贮藏和运输过程中易出现乳清析出、质地易碎和口感粗糙等问题，严重制约了发酵牦牛乳产业的发展[6]。

本文综述了发酵牦牛乳形成的机制，在此基础上，从热处理方式、发酵剂选择等角度综合阐释了提高发酵牦牛乳稳定性的途径。

1 牦牛乳酪蛋白胶束的特征

发酵乳是一种凝胶型乳制品，其质构形成的结构基础是酪蛋白胶束。酪蛋白胶束是由αs1-、αs2-、β-和κ-酪蛋白等4种蛋白单体及胶体磷酸钙相互缠绕在一起而形成的复合物。牦牛乳酪蛋白胶束与荷斯坦牛乳有很大的不同（表1）。荷斯坦牛乳酪蛋白胶束中各酪蛋白的比例不会呈季节性的差异，而牦牛乳酪蛋白胶束中的4种酪蛋白的比例呈明显的季节差异，这可能与其摄入的食物随季节变化密切相关[7,8]。κ-酪蛋白是一种糖蛋白，其不参与胶束的形成，但可通过静电作用和疏水作用力与其他酪蛋白结合在酪蛋白胶束的表面，形成一层亲水的外壳，对维持酪蛋白胶束的稳定性具有重要意义[9]。牦牛乳κ-酪蛋白的含量显著低于荷斯坦牛乳，同时由于牦牛乳酪蛋白胶束的尺寸显著大于荷斯坦牛乳（分别为260和170nm），因此牦牛乳酪蛋白胶束的热力学稳定性低于荷斯坦牛乳酪蛋白胶束[10]。

表1 牦牛乳和荷斯坦牛乳四种酪蛋白的分布及其在胶束中所占的比例[9]

四种最重要的矿质元素（钙、镁、无机磷和柠檬酸）在牦牛乳和荷斯坦牛乳中的两相（胶束相与乳清相）分布，及胶束相矿质各元素的含量占牛乳中该元素含量的百分比见表2。可以看出，冷季所得到的牦牛乳中胶束态的钙、镁和无机磷的含量均显著高于暖季所得到的胶束态的钙、镁和无机磷的含量。但是柠檬酸的变化趋势与上述三种无机盐含量的变化趋势正好相反。冷季和暖季所得到的牦牛乳胶束相中镁和柠檬酸根离子浓度占其在牛乳中总浓度的百分比无明显差异。但是对钙和无机磷而言，冬季牦牛酪蛋白胶束态的钙和无机磷占牦牛乳中总含量的百分比高于暖季。

表2 矿质元素在胶束相和乳清相中的分布[9]

2 发酵牦牛乳凝胶的形成机理

凝胶的形成主要分三个阶段。第一个阶段：乳酸菌通过乳糖酶分解乳糖，产生的乳酸使体系的pH降低，该过程以酪蛋白胶束的去矿质化作用为主，酪蛋白胶束中的胶体磷酸钙等逐渐发生溶解并部分释放到溶解相中，酪蛋白胶束表面的负电荷量开始减少，导致酪蛋白胶束之间的静电斥力降低[11]；第二阶段是乳酸菌产生的乳酸继续使体系的pH降低，该过程使胶体磷酸钙进一步发生溶解[12]。由于磷酸根和钙离子的主要作用是交联酪蛋白分子，因此随着磷酸钙的不断溶解，酪蛋白胶束内部蛋白单体之间的结合作用力逐渐减弱，导致部分蛋白释放到溶解相中，胶束开始呈熔融的状态；第三个阶段中，乳酸菌产酸量继续增加，使体系pH继续降低，当体系的pH降至酪蛋白的等电点时，酪蛋白单体之间将通过疏水作用力、氢键和钙桥等非共价键相互重排聚集，水、脂肪球和无机盐等可填充在酪蛋白的聚集体中，从而形成三维酪蛋白凝胶网络结构[13]。

在酸化过程中，牦牛乳酪蛋白胶束中的各个酪蛋白从胶束相释放以及重新聚合到胶束相的变化过程见图1。在pH从常乳pH下降至5.12的过程中，牦牛乳酪蛋白胶束中的酪蛋白在不断地向乳清相中释放，在pH5.12时，各种酪蛋白的释放量均达到最大。同时，随着酸化过程的不断进行，释放到溶解相中的酪蛋白单体重新结合到胶束相中，到达等电点以下后，释放到乳清相中的量达到最低。同时可以看出，在酸化过程中，牦牛乳和荷斯坦牛乳酪蛋白胶束中的酪蛋白的变化趋势大致上是相同的，但在相同的酸化条件下，两者存在明显的“量”的差异。当pH为5.05时，与荷斯坦牛乳酪蛋白胶束相比，牦牛乳酪蛋白胶束中的β-、αs1-和κ-酪蛋白释放到乳清中的百分比要高于荷斯坦牛乳。与荷斯坦牛乳相比，牦牛乳酪蛋白胶束在酸化过程中，矿物质的解离程度低于荷斯坦牛乳。

图1 牦牛乳和荷斯坦牛乳酪蛋白胶束在酸化过程中的变化

3 发酵牦牛乳凝胶质构的调控

3.1 发酵剂和乳脂肪球

发酵乳凝胶的质构特性受原料乳脂肪球结构、发酵剂产酸速率以及发酵剂胞外多糖的调控。乳脂肪球可填充到发酵乳凝胶中，若脂肪球尺寸过大则会阻碍三维凝胶网络结构的形成，降低凝胶的均一性[14]；而脂肪球尺寸远小于凝胶的孔隙率则会导致口腔无法感知到脂肪球的润滑感，从而使凝胶的口感下降[15,16]。牦牛乳的脂肪球的体均直径比荷斯坦牛乳高50%以上（表3）[17]，因此牦牛乳脂肪球对乳凝胶均一性的影响可能大于荷斯坦牛乳。在发酵牦牛乳生产过程中，可通过调整均质参数以尽量减少脂肪球过大对发酵牦牛乳凝胶结构的破坏。

表3 牦牛乳和荷斯坦牛乳脂肪球的差异[17]

发酵剂的产酸能力和产胞外多糖的能力对酪蛋白胶束的解聚行为有很大的影响[18]。若菌株产酸速率过快，则酪蛋白在酸化过程中无法充分地从胶束中解离和重排，形成的凝胶结构不规则，孔隙率较大，导致质地粗糙；若菌株产酸速率过慢，不仅增加了发酵时间，而且还会导致钙离子完全释放到溶解相中，从而使发酵乳凝胶中的蛋白失去了交联能力，这同样会使凝胶结构粗糙，质地不均一[19～21]。发酵剂产生的胞外多糖与酪蛋白凝胶的结合方式对发酵乳凝胶的质构也会产生显著影响。在发酵牦牛乳凝胶结构形成的过程中，胞外多糖既可通过氢键、疏水力等与酪蛋白表面结合而共同参与凝胶结构的形成，形成二元复合凝胶，又可以物理填充的形式位于凝胶中的网络中[8]。

现有商品化的发酵剂是以荷斯坦牛乳成分为底物，经过大量的菌株筛选和复配工作获得的；而牦牛乳的成分与荷斯坦牛乳有着显著的差异，将现有商业化的发酵剂用于牦牛乳后，形成的发酵牦牛乳凝胶的质构远不及荷斯坦牛乳。因此，基于牦牛乳的成分和理化性质筛选产酸速率和产胞外多糖适于牦牛乳的发酵剂，对发酵牦牛乳产业的发展具有重要意义。

3.2 热处理

热处理是乳品加工过程中非常重要的一种手段，例如预热、巴氏杀菌、超高温杀菌等，这已成为液态乳制品加工过程中不可或缺的关键技术，主要目的是杀灭微生物以保证消费安全、抑制一些酶的反应保证品质稳定、产生特殊的性能等，其对于增强乳制品安全性和货架期具有不可忽视的作用[22]。酸凝前对牛乳的热处理是影响酸凝乳凝胶品质最重要的因素之一。热处理本身对酪蛋白胶束的影响非常小，但是热处理能够使乳清蛋白变性，变性的乳清蛋白能够与胶束结合，进而影响凝胶的过程和质量[23]。

已有研究证实，对荷斯坦牛乳进行75℃（15min）的热处理能够显著地缩短酪蛋白的凝乳时间，并且使凝胶点的pH值升高[24]。热处理所导致的酪蛋白凝胶点升高的主要原因是，乳清蛋白具有较高的等电点（约5.3），当对牛乳进行热处理时，乳清蛋白发生变性，并且能够和κ-酪蛋白结合而形成乳清蛋白-酪蛋白胶束复合物。因此酸化时，这种复合物沉淀的等电点要高于酪蛋白的等电点。与未经过热处理所产生的乳凝胶相比，经过热处理牛乳所得凝胶的弹性模量显著增大，这是由于热处理导致在凝胶形成过程中，酪蛋白聚集体颗粒发生重新排列的程度更大，导致了密集网络聚集体的发生[25]。

热处理对发酵牦牛乳凝胶质构的调控尚未完全阐明。牦牛乳的乳清蛋白含量约为荷斯坦牛乳的1.5倍，高浓度的乳清蛋白更易变性，但由于牦牛乳中的κ-酪蛋白含量低于荷斯坦牛乳，所以热诱导形成的牦牛乳乳清蛋白-酪蛋白复合物的比例更低，导致形成的酸凝胶强度不足。因此，在发酵牦牛乳的生产过程中，可能需要对牦牛乳进行更高强度的热处理才能形成更多的乳清蛋白-酪蛋白复合物，从而提高发酵牦牛乳凝胶的质构特性。

4 结论

酪蛋白胶束是发酵牦牛乳形成的基本构筑单元，牦牛乳酪蛋白胶束的组成和结构与荷斯坦牛乳不同，且呈显著的季节性差异，因此现有的发酵乳生产关键工艺参数不适于牦牛乳。发酵剂在发酵乳质构形成过程中起到了关键作用，而不同畜种乳成分差异较大，发酵剂在不同畜种乳的代谢规律也存在较大差异。现有商业化发酵剂主要针对荷斯坦牛乳，其应用到牦牛乳后形成的酸凝胶质构远不及荷斯坦牛乳。因此，筛选适合牦牛乳的复合发酵剂，明确乳成分、热处理等条件对发酵牦牛乳质构的调控机制，在此基础上构建质构优良的发酵乳凝胶，对发酵牦牛乳的工业化生产具有重要意义。