基于微流变学技术分析不同脂肪含量对发酵乳特性的影响

张 婷，王 丹，赵 谦，张文秀，白 梅，孙志宏，于 洁

（内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室/农业农村部奶制品加工重点实验室/内蒙古自治区乳品生物技术与工程重点实验室，内蒙古呼和浩特 010018）

全脂发酵乳因其口感良好、乳香浓郁，目前仍是市场上的主导产品[1]。随着相关医疗水平的进步以及膳食结构的调整，人们对超重和肥胖引发的慢性病愈发重视，越来越多的消费者关注健康低脂的食品，加之我国乳制品人均消费正逐年增加，因此，对低脂和无脂发酵乳的需求也越来越强烈[2]。脂肪是一种重要的风味前体和风味载体，它影响着风味分子在食物内部的空间分布，乳制品的风味不仅与乳脂肪球主要的脂肪酸组成有关，还可能与乳脂肪球状膜有关，乳脂肪以液滴状脂肪球的形式分散在乳中，其直径为4～5 μm，以甘油三酯、胆固醇、磷脂以及其他脂类形式存在[3]。乳脂肪含量与发酵乳的组织状态有着密切联系，不同脂肪含量会影响发酵乳内部的空间分布，从而会影响发酵乳的流变特性、质构特性等，低脂或无脂发酵乳的总固体含量通常较低，可能会表现出较差的质地、低黏度、高脱水性和不良的口感[4]。微流变仪采用动态激光散射的扩散波光谱学（Diffusing Wave Spectroscopy，DWS）技术，动态追踪检测样品中微粒的热运动，可在不干扰样品的状态下测定样品的流变学特性[5]，目前已有不少将微流变技术应用到发酵乳中的相关研究，但不同脂肪含量发酵乳的微流变学研究却鲜有报道。

本研究以全脂（3.4%）、低脂（1.4%）和无脂（0.09%）发酵乳为研究对象，采用动态激光光散射的扩散波光谱学技术研究发酵过程中的微流变学特性，并通过酸度、持水性和黏度等分析其贮藏特性，为开发符合市场需求的不同脂肪含量发酵乳提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 材料本试验所用的YF-L922商业发酵剂购自科汉森公司（中国），包含嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌；全脂乳粉（新西兰NZMP）；脱脂乳粉（新西兰NZMP）；白砂糖（广西凤糖有限公司）。

1.1.2 仪器与设备高压均质机（SRH60-70），上海申鹿均质机有限公司；黏度计（DV2T），美国Brookfield公司；质构仪（TA-XT plus），英国Stable Micro System公司；微流变分析仪（Rheolaser Master型），法国Formu-laction仪器公司；超净工作台（SJ-CJ-2FDQ），苏州苏洁净化设备有限公司；雷磁pH计（pHSJ-3F），上海精密科学仪器有限公司；电热恒温水浴锅（HH-21-6），天津知著科技有限公司；生化培养箱（LRH-250），上海一恒科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 不同脂肪含量发酵乳制备配制全脂组（全脂乳粉13%，蒸馏水80.5%）、低脂组（全脂乳粉5.1%，脱脂乳粉5.6%，蒸馏水82.8%）、无脂组（脱脂乳粉9.7%，蒸馏水83.8%），各组均添加6.5%白砂糖，然后转移至50℃水浴锅中静置水合30 min，加热至65℃，20 MPa均质后，95℃杀菌5 min，冷却至42℃，接菌后置于42℃发酵。Fat≥3.1%为全脂发酵乳，Fat在1%～2%为低脂发酵乳，Fat＜0.5%为无脂发酵乳[6]，各组发酵乳中蛋白质含量均为3.1%。

1.2.2 发酵期间流变学特性检测使用光学微流变仪测定发酵期间样品的流变学特性，取20 mL样品置于微流变仪专用上样瓶中，随后放入微流变样品槽，设置温度为42℃，动态监测不同脂肪含量发酵乳在发酵过程中的弹性因子（Elasticity index，EI）、黏性因子（Macroscopic viscosity index，MVI）和固液平衡值（Solid liquid balance，SLB）的变化。

1.2.3 质构特性分析使用质构仪测定不同脂肪含量发酵乳在后熟1、7、14、21 d的硬度、稠度、内聚性和黏度指数的变化情况。使用称重传感器进行单次压缩循环试验来测量发酵乳样，探头选用A/BE，测试前速1.5 mm/s，测试中速1.0 mm/s，测试后速1.5 mm/s，初始应力2.0 g，压缩程度20%，压缩时间5 s，测试距离20 mm。

1.2.4 贮藏期稳定性分析

1.2.4.1 pH值及滴定酸度的测定分别于1、7、14、21 d测定发酵乳的pH值和滴定酸度。pH值测定：取4℃条件下贮藏的样品恢复至室温，采用pHSJ-3F pH计测定发酵乳样品pH值，每组3个平行。滴定酸度的测定[7]：酸度测定按照国标食品酸度的测定GB 5009.239—2016中规定的酚酞指示剂法进行检测。

1.2.4.2 持水力测定将1、7、14、21 d贮藏于4℃发酵乳放置恢复室温后，取20 g发酵乳放于下方放置锥形瓶的漏斗中，滤纸紧贴于漏斗壁上，在室温下静置120 min，通过收集滤液后称量开始静置与完成静置时的瓶质量之差，进行数据记录，最后通过计算得出样品持水力。

1.2.4.3 黏度测定分别将1、7、14、21 d发酵乳样品放至室温后，采用黏度仪4号转子进行测定，转速为100 r/min，扭矩为10%～100%，时间为30 s，平行测定3次，记录平均值。

1.3 数据分析

微流变学数据采集使用自带Rheolaser Master1.3.2.0分析；所有图表采用Orgin 2021绘制；试验数据使用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析，P＜0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 微流变特性

弹性因子（EI）可用于描述样品弹性特征，监测样品弹性随时间的变化。EI值越大，样品的凝胶结构越强，样品越稳定[8]。发酵乳在发酵过程中的EI值如图1所示，在发酵开始约至3 h左右，各组发酵乳样品EI值变化趋于稳定，是因为在发酵初期样品表现为低黏度、低弹性、高流动性的状态。3 h后，无脂发酵乳样品首先凝胶化，约30 min后全脂和低脂发酵乳样品几乎同时到达凝胶点，说明脂肪含量极低可加快发酵乳凝乳速率。凝胶化开始后，不同脂肪含量的发酵乳样品EI值都垂直快速上升，无脂发酵乳发酵至3.5 h左右，其余2组发酵乳发酵至4 h左右，较为稳定的三维网状结构初步形成，各组样品进入高弹性阶段，随后EI值出现一定差异变化，其中全脂发酵乳EI值处于最高水平，说明其具有更高的弹性，凝胶结构最强，样品更稳定，其余2组样品凝胶结构较弱，稳定性较差。

图1 不同脂肪含量发酵乳在发酵过程中弹性因子、黏度因子及固液平衡值的变化Fig.1 The elastic index，macroscopic viscosity index and solid liquid balance of fermented milk with different fat contents during the fermentation

由图1可知，发酵初期所有样品MVI值较小，此时发酵乳处于低黏度的液体状态；与EI值一致，3 h后无脂发酵乳最先到达拐点，而后MVI值垂直快速上升，酪蛋白胶束开始聚集，相互连接形成三维网状结构，初步形成较为稳定的凝胶体系[9]。随后，各组样品MVI开始无规则波动，可能是因为在发酵过程中pH值持续下降，引起发酵乳乳清析出，导致其结构不稳定[10]。其中全脂发酵乳在发酵后期MVI值低于另外2组，表明随着发酵时间的延长，低脂和无脂发酵乳的黏稠性要高于全脂发酵乳。同时低脂和无脂组的MVI值此起彼伏，可能是由于蛋白质凝胶网络中脂肪的损失会改变蛋白质基质和结构，使2组发酵乳样品的黏稠性呈不规律变化。

SLB值与发酵乳的黏弹性成正比，SLB从0～0.5表示发酵乳是弹性的或固体状，0.5～1表示发酵乳是黏性的或液体状[11]。由图1可知，在发酵初期，发酵乳样品的SLB均处于波动状态，是因为随着pH值的下降，导致酪蛋白胶束所带净负电荷变少，胶束之间的静电斥力降低，从而影响酪蛋白胶束的稳定性[12]，此时样品为液体性质。与EI值和MVI值结果一致，各组发酵乳样品在3.5 h左右相继出现拐点，SLB值较前期变化幅度趋于平缓，在0.2～0.6，说明各组发酵乳样品在凝胶之后结构趋向于固体性质，随着pH值的降低最终形成网状结构。在发酵结束后，全脂、低脂、无脂发酵乳样品的SLB值 分 别 为0.49、0.57、0.52，全 脂 发 酵 乳 样 品SLB值最低，表明该发酵乳样品较其余2组样品的结构更趋向于固体特性，低脂和无脂发酵乳与其相比偏液态。

2.2 质构特性

发酵乳的质构特性一般包括硬度、稠度、内聚性、黏附性等参数。硬度是通过模拟探头测试过程中受到的最大力，得到硬度值，发酵乳硬度值越高，表明发酵程度越好。稠度是发酵乳内部摩擦力大小的体现。内聚性是探头回缩时受到的负向最大力，计算所得为发酵乳样品内部结合力大小。黏度指数是指探头单循环复位时受到的力与时间所形成的负峰面积，为发酵乳样品的黏着力[13]。从图2可以看出，在贮藏期间，全脂发酵乳的硬度、稠度、内聚性、黏度指数显著高于其余2组样品（P＜0.05），在1 d时全脂发酵乳的各项质构指标最高，硬度为（28.63±1.09）g、稠度为（231.83±9.90）g·s、内 聚 性为（24.35±0.76）g、黏度指数 为（23.21±0.51）g·s。值得注意的是，在1～7 d时无脂发酵乳各项指标显著高于低脂发酵乳，有研究表明，由于脂肪的缺失，在一定程度上使蛋白网络结构更好的填充，使得这些网络更加紧密，同时其相互之间形成了更强的作用力或内部键，酪蛋白之间形成凝胶骨架结构要致密[14]。YAZICI等[15]研究发现，脂肪含量0.5%的发酵乳的硬度大于脂肪含量2%的发酵乳。结果表明，在贮藏期间脂肪含量会对发酵乳质构产生影响，但其产生影响不规律，具体变化规律还有待进一步考究。

图2 贮藏期间质构的变化Fig.2 The change of texture during storage

2.3 贮藏稳定性

2.3.1 持水力持水力大小与凝胶网络的相互作用、微观结构以及施加外力大小等有关[16]。发酵乳中的脂肪经过均质，直径＜2 μm，不仅可以有效地控制发酵乳货架期脂肪的上浮；同时，由于酪蛋白和脂肪球膜相互作用，增加了亲水性、提高了发酵乳的持水力[17]。贮藏期间各样品持水力的变化如图3所示。

图3 贮藏期间持水力的变化Fig.3 The change of water holding capacity during storage

从图3可以看出，在贮藏期间各组发酵乳持水力呈上升趋势，其中，全脂发酵乳的持水力在贮藏期间均在55%以上，要显著高于低脂和无脂发酵乳（P＜0.05），持水力的大小体现出发酵乳乳清析出的程度，这与之前研究一致，脂肪的减少会导致发酵乳乳清的析出，较高的脂肪含量有助于酪蛋白胶束间的相互作用而形成更加稳定的三维网状结构[18]，说明低脂和无脂发酵乳稳定性较全脂发酵乳更弱，乳清析出较多。在第21天时，全脂、低脂、无脂发酵乳样品持水力分别为59.88%、51.5%、50.4%，低脂发酵乳脂肪含量较全脂发酵乳下降了58.8%，其持水力降低了8.38%，而无脂发酵乳脂肪含量接近于0，较全脂组减少了97%，持水力下降了9.48%，低脂组与无脂组持水力相差不大，说明脂肪含量减少到一定程度时，对发酵乳的持水力下降幅度影响不大。

2.3.2 黏度黏度是影响发酵乳品质主要指标之一，其中原料乳中的干物质含量对发酵乳的黏度有显著的影响，牛乳中含脂量增加，其总固形物含量显著增加[19]。由图4可知，各组样品在1～14 d黏度呈上升趋势，而后呈下降趋势，究其原因可能是在低温贮藏过程中，促使发酵乳产品由于加工过程而分离的凝乳微粒重新凝聚到凝乳微粒的网状结构中，从而黏度增加，14～21 d各组样品黏度下降，是因为随着贮藏时间的延长，胶体磷酸钙不断溶解，蛋白质胶体结构被破坏，导致其黏度下降[20]。在贮藏期间各组样品的黏度由高到低依次为全脂发酵乳、低脂发酵乳、无脂发酵乳，发酵乳黏度随着脂肪的增加而逐渐增加，由于蛋白质网络结构中的脂肪球改善了水的结合能力，酪蛋白与脂肪球膜相互作用，导致黏度增加[21]，同时低脂和无脂组由于脂肪的缺失导致固形物含量下降，从而黏度下降。

图4 贮藏期间黏度的变化Fig.4 The change of viscosity during storage

2.3.3 pH值和滴定酸度pH值和滴定酸度影响发酵乳制品的质量。由图5可知，随着贮藏时间的延长，各组发酵乳样品的pH呈下降趋势，全脂、低脂、无 脂 发 酵 乳 在1 d时pH值 分 别 为4.55、4.45、4.40，至第21天的pH值分别降低了5.1%、4.9%、4.5%，说明pH值下降的幅度为全脂发酵乳＞低脂发酵乳＞无脂发酵乳，可能由于脂肪的存在，使得乳酸菌在发酵乳中分布均匀、营养充分、代谢速度加快，加速乳糖分解产生乳酸[22]。由图5可知，各组发酵乳样品滴定酸度随着贮藏时间的延长逐渐升高，在第1天时全脂、低脂、无脂发酵乳滴定酸度分别为89.00、83.67、93.33 °T，其中，无脂发酵乳的初始滴定酸度最高，可能是因为样品在制备过程中水分含量最高[18]，在贮藏结束后，全脂、低脂、无脂发酵乳的滴定酸度分别为26.50、22.83、21.67 °T，全脂发酵乳变化幅度最大，是因为脂肪含量越高，其游离脂肪酸成分越高，使发酵乳滴定酸度升高程度更大[19]。

图5 贮藏期间pH值和滴定酸度的变化Fig.5 Changes in pH and titratable acidity during storage

3 结论与讨论

本研究通过分析不同脂肪含量发酵乳（3.4%、1.4%、0.09%）的微流变特性及其在贮藏期间的质构特性、持水力、黏度、pH值和滴定酸度的变化。结果表明，在发酵期间，无脂发酵乳最先发生凝胶化，其发酵时间最短，说明脂肪含量极低可加快发酵乳凝乳速率。在发酵后期，无脂和低脂发酵乳表现出弹性更低、黏度偏高的弱凝胶结构，较全脂发酵乳结构较不稳定。在贮藏过程中，低脂和无脂发酵乳的持水力、黏度以及质构指标中硬度、稠度、内聚性、黏附性等参数均显著低于全脂发酵乳（P＜0.05），贮藏稳定性较差。

本研究除测定不同脂肪含量发酵乳的贮藏特性外，还使用微流变学分析在发酵过程中脂肪含量对发酵乳的影响，以期为低脂或无脂发酵乳的进一步开发提供新思路。但结果表明，低脂和无脂发酵乳在品质上存在的缺陷还有待解决，后续研究可通过使用产胞外多糖菌种、添加脂肪替代物、添加稳定剂等，改善低脂和无脂发酵乳品质，减少乳清析出。