促进干酪快速成熟方法的研究进展

赵悦，李玲玉，闫清泉，赵中华，吴政，宗学醒

内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司（呼和浩特 011500）

联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）将干酪定义为：干酪是以牛奶、稀奶油、部分脱脂乳、酪乳或这些原料的混合物为原料，经凝乳并分离部分乳清而制得的新鲜或成熟的制品[1]。干酪的营养价值极高，是原乳中蛋白质和脂肪的10倍左右，还包含有机酸、钙、钠、钾等微量矿物质元素，铁、锌，以及脂溶性维生素A、胡萝卜素和水溶性的维生素B1、B2、B6、B12等多种营养成分，由于其中的蛋白质和钙含量较高，因此食用适量的干酪是均衡饮食的重要组成部分[2]。干酪按照水分可分为软质（40%～60%）、半软质（42%～55%）、半硬质（38%～45%）、硬质（30%～40%）、超硬质（30%～35%）干酪，因水分不同，致使干酪的成熟时间也就大不相同。成熟是干酪制造中关键的步骤，其过程也极为缓慢，往往需要较长时间，尤其是硬质干酪和半硬质干酪，如半硬质干酪成熟需要3周，车达干酪成熟一般需要6～12个月，也可能时间会更长，帕玛森干酪成熟时间需要两年以上。干酪的较长成熟时间，不仅耗用大量资金，且生产周期长，占用储存面积大。因此，获取加快干酪成熟的研究方法，进而缩短成熟时间、节约投资成本、增加效益是极其重要的。

1 干酪成熟的机理

干酪成熟是指在一定的温度、湿度、pH、水分及盐含量等条件下，干酪中的蛋白质、脂肪及碳水化合物等在微生物和酶的共同作用下通过一系列复杂的生化反应发生降解，形成干酪特有的风味、质地及组织结构[3]。干酪成熟在风味的形成中起着极其重要作用，涉及干酪形成脂肪酸和代谢乳糖等方面的变化，在成熟的第一阶段，凝乳酶将酪蛋白分解，其降解程度直接影响干酪的质地[4]。风味物质的形成一方面是来源于蛋白质分解生成的脂肪酸，另一方面是来源于脂肪分解产生的短链脂肪酸，由此而形成风味前体物质。

新鲜凝乳的干酪风味往往都平淡无奇，但是成熟后的干酪就会产生各种风味的香气化合物，成熟过程中把干酪所具有的独特特征都会充分表现出来，这是由于在干酪的加工过程中所发生的物理化学变化。干酪在成熟过程中的生化变化可分为脂解，乳糖、乳酸和柠檬酸盐的蛋白水解和代谢或脂肪酸和氨基酸的代谢[5]。干酪成熟初期乳酸菌发酵乳糖产生乳酸，干酪成熟后期残留在凝乳中未被发酵剂所利用的乳糖被非发酵剂所分解[6]。乳酸是一系列反应的重要前体，包括外消旋、氧化或微生物代谢等。在干酪成熟过程中，霉菌或细菌表面成熟干酪的菌群将乳酸降解成二氧化碳和水，创造出更适合微生物生长、加快蛋白质水解的环境[7]。蛋白质水解是成熟过程中发生的最复杂的生化反应，它是由残留在凝结剂中的酶、牛奶、蛋白酶、肽酶以及含有的其他微生物所催化[8]。

1.1 乳糖、乳酸和柠檬酸盐的代谢

干酪制造的关键是发酵过程中通过糖酵解将牛乳中的乳糖利用发酵细菌（LAB）代谢为乳酸，产生低酸性环境[9]。乳酸由非发酵乳酸菌（non-starter lactic acid bacteria，NSLAB）氧化成乙酸和CO2，也可被NSLAB代谢成甲酸盐，丙酸杆菌属将其转化为丙酸酯、乙酸盐、H2O和CO2，其中干酪形成的孔眼就是由产生的CO2所致，而因NH3所导致的pH上升可由乙酸或者丙酸调节，该阶段是干酪酸化过程，可使干酪具有独特的酸性风味，而这种现象会产生许多风味化合物，包括二乙酰基、乙酸和丙酸[10]。在此变化过程中产生的主要异构体是L-乳酸盐，这也是一些干酪具有酸性风味的原因之一。有机酸在干酪生产中起着重要的作用，因为它们是碳水化合物分解代谢和乳脂水解、正常反刍动物代谢过程、细菌生长或在干酪生产过程中添加酸剂的结果[11]。其中，酸化的速率和程度可通过控制脱盐速率来决定凝乳的初始质地，在切达干酪生产过程中，添加盐会降低乳糖代谢，所以乳糖的发酵速率取决于凝乳中含盐量的百分比。在低盐分含量和低浓度NSLAB中，残余乳糖主要被起始细菌转化为L（+）-乳酸，故辅助细菌培养物和NSLAB是导致大多数干酪风味成熟过程的主要因素。

1.2 氨基酸和硫化物的蛋白质水解和代谢

蛋白质（主要是酪蛋白）水解/脂解是干酪成熟期间发生的最重要也是最复杂的一种反应，它主要影响干酪的质地和风味，因为它导致底物（氨基酸）的释放，产生有味化合物，如胺、酸、硫醇和硫酯[12]。酪蛋白的分子成分是αS1-、αS2-、β-和κ-酪蛋白，它们在氨基酸组成、磷酸化和糖基化方面有所不同[13]。干酪在成熟过程中，蛋白质会分解成长短不一的肽链和氨基酸（AA）。酪蛋白降解主要包括3个方面：一是在酶的作用下，大分子酪蛋白降解生成长短各异的蛋白胨、肽和氨基酸等，改变内部的网络结构，形成干酪特有的组织状态；二是生成同干酪风味息息相关的氨基酸及肽类，进而形成干酪特有的风味，但同时也许会有不良风味现象出现，特别是疏水性肽，容易使干酪产生苦味；三是产生游离氨基酸，对脱氨基、脱羧基有积极作用，有利于干酪风味物质产生[14]。

蛋白水解是由牛乳中的内源蛋白酶和其他蛋白水解酶将酪蛋白中不同的酪蛋白代谢为较小的肽和游离氨基酸的过程。凝乳酶通过将酪蛋白切割成短的疏水性苦味肽来使牛奶凝结。酪蛋白的代谢过程会导致干酪的质地发生变化，使凝块从坚硬的质地转变为乳脂状的光滑细腻质构。蛋白酶和肽酶催化多肽链的裂解，产生游离氨基酸，这些氨基酸经过数次生化反应后会生成有益的化合物。成熟期会影响蛋白质的水解程度，随着干酪储存时间增加，蛋白水解度也随之提高，干酪的质地也会发生相应变化。

蛋白水解程度也因干酪的类型而变化。马苏里拉干酪受到有限的蛋白水解作用，切达干酪和高达干酪受中等蛋白水解作用，而蓝纹干酪则需要进行广泛的蛋白水解作用[15]。这种蛋白水解度的不同，使得干酪的风味会有所差异。由于蓝纹干酪经过广泛的蛋白水解作用，因此它们具有强烈的、苦涩的和发霉的风味，并且具有刺激性的气味。

1.3 脂肪酸的脂解和代谢

干酪在成熟过程中，脂肪会分解为短链脂肪酸和探发性脂肪酸，其中一些脂肪酸就是干酪风味物质形成的因素，同时随着水分的不断挥发，干酪会形成特有的质地[16]。脂解程度取决于干酪的种类，并且可能从轻微变化到广泛变化。参与干酪成熟过程的酶有多种来源，其中脂蛋白脂酶是从牛奶中经过巴氏灭菌得到的，可以参与脂解作用，通过凝结保留一些凝乳酶，凝乳酶可参与蛋白水解。发酵细菌除了具有发酵的重要功能外，还可以提供蛋白酶和酯酶及其他酶类。

2 促进干酪成熟的原理

干酪的成熟时间可能持续2年或2年以上，此过程的时间和条件对干酪风味的形成和改善具有极大影响。每个干酪品类的特征风味都是通过蛋白质和脂质代谢产生的化合物形成，此外还由氨基酸和脂肪酸降解而形成大量挥发性化合物构成。在促进干酪成熟过程的生物技术实践中已取得诸多进展。促进干酪成熟的方法主要有生物、物理和化学等方法加快蛋白质分解成肽链及各种氨基酸，脂肪分解成脂肪酸，改善干酪质地，并赋予干酪特有风味，减少干酪成熟时间。

干酪生产中添加乳酸菌可提高游离氨基酸含量，这是由于非发酵菌生长引起的蛋白水解能力增加，因此，乳酸菌和乳球菌均可用于促进干酪成熟和改善干酪的感官特性，如硬质干酪品种中的切达干酪，其生产是一个昂贵的过程，因为它需要较长的成熟时间，而成熟时间对于开发具有较佳风味和质地的产品至关重要，其中蛋白水解的速率和程度对风味的发展有重要意义。为缩短成熟期以降低生产成本，在一些干酪类型的成熟过程中，酵母菌种作为辅助培养物的添加有助于风味和质地的发展，这是由于脂解和蛋白水解活性导致缩短成熟时间，从而为干酪生产提供经济价值。

3 加快干酪成熟的研究现状

成熟是一个缓慢的过程，也是一个昂贵的过程，无法完全预测或控制[17]。传统促进干酪成熟的方法主要有提高成熟温度、添加外源酶、添加修饰发酵剂或基因修饰发酵剂、高压处理[18]。每种方法都有一定优点和缺点，添加外源酶相对便宜，具有特定的作用，可提供多种口味选择，但是酶的选择却非常有限。同时存在过度成熟，统一掺入的困难。添加发酵剂易于掺入，可以保持天然酶的均衡，但通过物理方法对发酵剂的修饰在技术上很复杂。经过酶修饰的高水分奶酪可被制成食品原料，但通常不会产生相应干酪的风味或质地特征。辅助培养物和NSLAB可能具有加速成熟的潜力，但它们的使用受到菌株可用性的限制。在高温条件下可缩短干酪成熟时间，但可能会受到微生物的污染，在良好的生产条件下，将奶酪与巴氏杀菌牛奶一起使用时，可降低污染的风险[19]。

3.1 提高成熟温度

传统干酪具有复杂的微生物结构，在形成感官特性等方面起着重要的作用，但微生物的代谢是难以控制的。在干酪成熟期间，NSLAB的相对丰度会增加，干酪的成熟是由很少的NSLAB引起的。通过分析意大利干酪的成熟过程可知，不同成熟条件可使微生物群落结构和功能发生变化。干酪成熟温度的提高有利于蛋白水解，脂解和氨基酸/脂质分解代谢有关的基因的表达，对干酪成熟率的提高有显著影响[20]。在干酪成熟过程中，干酪皮上富含碳水化合物的代谢（戊糖-磷酸途径，糖酵解）和细胞分裂（遗传信息处理和核心细胞过程），而干酪核心的特征是氨基酸和脂质代谢显著升高。在较高温度下，成熟干酪大量表达与氨基酸分解代谢和脂肪酸的β-氧化等有关的肽酶、氨基酸、脂肪酶和基因。而更高的温度促进丙酮酸中脂肪酸生物合成所涉及的基因的表达。因此增加成熟温度可加快微生物的代谢，从而显着提高奶酪的成熟率。提高成熟温度可提供最有效、最简单的加速干酪成熟方法。

3.2 水果提取物诱导奶酪的加速成熟

由于残余乳糖的发酵和蛋白质、脂肪中间成分的降解，干酪的酸度逐渐增加，在凝乳颗粒中添加果浆可促进乳酸的产生，并提高干酪的酸度。这意味着果浆液促进奶酪的酸性发展，因它含有更多的酸性中间化合物，且酸度结果具有很高的显著性[21]。

3.3 添加外源酶

干酪中添加外源酶会增加酶的种类及数量，从而导致反应速率增加。使用外源酶加快不同干酪品种成熟是一种普遍的方法。中性蛋白酶和酸性蛋白酶都能使肽链断裂，但酸性蛋白酶主要是对芳香族及有亲水性侧链基团的蛋白质有所作用，且酸性蛋白酶催化酪蛋白水解容易产生苦味肽，产生的苦味特别在干酪成熟早期最明显。中性蛋白酶是促进干酪成熟较常用的酶类，其普遍来源于微生物细胞中，中性蛋白酶在催化酪蛋白水解方面的作用十分显著，水解产物形成的凝乳柔软，有利于使干酪产生独特的风味。如使用蛋白酶制剂来加速切达干酪和荷兰干酪的成熟[22]。当添加2%粗蛋白酶时可以加速多米蒂干酪60 d的成熟过程，且无任何缺陷[23]。但直接添加蛋白酶可能会增加凝乳的凝结作用，因此可能会降低干酪产量。且外源酶添加过多时，干酪质地一般会变得松软易碎，降低干酪的品质。曹岩[24]通过添加外源酶促进干酪中乳酸菌的生长，进而促进蛋白质水解，其干酪成熟35 d即达到干酪成熟60 d的效果，加快干酪的快速成熟。

3.4 加压处理

加压处理是一种非热处理方法，和热处理有着相同的效果，但要比热处理对食品质量的破坏更小。在加压状态下，水分子之间的距离会变小，但酪蛋白等大分子物质依然会维持之前的状态，水分子可利用渗透和填充作用进入并粘附在酪蛋白内部的氨基酸表面，以此对酪蛋白的性质有所改变[25]。高压处理会减少发酵菌的数量，增加NSLAB的生长，pH比未处理的更高，对风味形成有促进作用，并且压力处理过的干酪组织比未处理的更柔和。同时通过高压处理，干酪中微生物体内酶更容易被释放，蛋白质的结构可受压力的增加而改变，甚至会影响酶的调控点或活性位点，从而使反应速率加快。使用高压处理促进干酪成熟与自然成熟的干酪相比略有苦味，脆性也会有所下降，弹性则会加强。杨威等[26]研究发现在一定的压力范围内，高压处理对硬质干酪的成熟起到加速作用，在300 MPa压力下效果最好。

3.5 附属发酵剂加速干酪的成熟

干酪在成熟过程中使用不同种类或不同数量的发酵剂会影响蛋白质的降解能力，同时不同程度的发酵剂也会影响干酪理化成分、产率及最终产品的品质。使用多种方法相结合的方式可缩短干酪成熟时间。白鸽[27]研究发现，添加冷冻弱化附属发酵剂鼠李糖乳杆菌JAAS8能加快干酪的蛋白降解、脂肪降解，促进干酪的风味形成，对干酪质地没有不良影响。刘瑛等[28]研究表明，嗜温发酵剂降解硬质干酪的蛋白能力较弱，而嗜热发酵剂降解干酪蛋白能力较强。蒋琛[29]研究表明利用保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌作为干酪发酵剂的菌种，在干酪发酵30 d时蛋白分解量达到15.2%，接近同种类干酪发酵6个月的成熟度。Pisano等[30]研究发现有自溶特性的乳酸菌对干酪中蛋白质的降解、氨基酸的生成及产品品质有重要影响。

4 结语

干酪的高营养价值越来越受到人们的喜爱，消费群体也日渐增多。干酪种类繁多，成熟过程是一个非常复杂的生物化学变化过程，直接影响着干酪的质地和口感，这是微生物和酶作用的结果。综述加速干酪成熟过程技术研究进展，通过提高成熟温度、添加外源酶或使用发酵剂等方法可以大幅缩短成熟时间并降低干酪的生产成本，有助于加快我国的乳品科学研究和推动干酪工业化生产。