增稠剂促进酸奶凝胶的机理及应用研究进展

程欣玥，孙小茜，石静静，曾小群*，吴振，潘道东*

1(省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室，浙江 宁波，315800) 2(浙江省动物蛋白食品精深加工技术重点实验室，浙江 宁波，315800) 3(宁波大学 食品与药学学院，浙江 宁波，315800)

大部分酸奶是以牛乳为主要原料，采用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌等有益微生物发酵而成的发酵乳制品，是世界上消费最多的乳制品之一。它富含钙、钾、镁、维生素B2、B6和B12等多种矿物质和维生素、以及维持人体健康所需的必需氨基酸，可提高乳糖耐受性、增强免疫功能和预防胃肠道疾病[1]，酸奶以其独特的风味、极高的营养价值深受人们青睐。

酸奶的凝胶特性是指酸奶中的大分子和胶体在一定条件下相互作用，形成内部含有大量液体的特殊网状结构，其影响酸奶的硬度、黏附性、内聚性、弹性、胶黏性和保水性等质地指标。在酸奶特有的凝胶结构中, 变性酪蛋白颗粒非常规则地排成绞链形状，堆积构成凝胶体网状立体结构，网状结构中间形成无数规则的空隙[2]，这种结构与凝固型酸奶的质地密切相关。增强蛋白簇之间的连接以及缩小网络结构的空隙可以增加酸奶的凝胶强度。酸奶加工与贮藏过程中的热处理、过度酸化等, 都会影响酸奶凝胶结构的稳定性，导致酸奶出现常见的质地问题：凝胶强度较低、容易脱水收缩、黏稠度低和乳清析出等。

增稠剂一般属于亲水性高分子化合物，可通过水合形成高黏度的均相液体，提高黏稠度并改变凝胶特性。在酸奶中加入合适的增稠剂，通过水合及与酪蛋白相互作用来增加蛋白质分子的稳定性，可增强酸奶凝胶结构稳定性，有助于提高酸奶的黏度，减少储存期间乳清分离，从而改善酸奶的质地特性，获得更好的口感、外观和可接受性[3]。

近年来，随着食品添加剂的快速发展，以及消费者对酸奶品质要求的进一步提高，增稠剂在酸奶中的应用受到广泛重视。国内外关于增稠剂在酸奶中的应用研究主要集中于增稠剂的来源、分类、特性，以及增稠剂对酸奶流变学、理化性质、微观结构和感官特性的影响，关于增稠剂促进酸奶凝胶机理的系统分析未见报道。本文综述了增稠剂的凝胶机理及其在酸奶中的应用的研究进展，旨在为提高酸奶的凝胶特性提供理论依据，促进我国酸奶产业更快更好地发展，提升我国乳品企业的国际竞争力。

1 酸奶中常见的增稠剂及其分类

酸奶增稠剂来源广泛，如植物原料、动物组织、海藻类产品和天然原料合成的物质，常用的有淀粉、果胶、明胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶、菊粉、海藻酸钠、卡拉胶、黄原胶、羧甲基纤维素、β-葡聚糖和阿拉伯胶等。不同离子类型的增稠剂促进酸奶凝胶的机理不同，按照离子类型分为阴离子增稠剂和中性增稠剂两大类，它们的特性及应用如表1所示。

表1 酸奶中常用增稠剂的特性及应用Table 1 Characteristics and application of thickeners in yogurt

2 增稠剂促进酸奶凝胶的机理

2.1 酸奶凝胶形成的机理

酸奶是含有乳蛋白、脂肪、水分、维生素和矿物质等成分的复杂体系，是典型的酸促凝胶。乳蛋白主要包括酪蛋白和乳清蛋白，其中酪蛋白占总蛋白质的80%[7]。酪蛋白的4种主要成分为:αs1-、αs2-、β-和κ-酪蛋白，分别约占酪蛋白的30%～40%、10%～15%、25%～40%和10%～15%。在钙和无机磷酸盐存在时，酪蛋白很容易结合或聚集，形成高度水合的海绵状胶体颗粒，被称为“酪蛋白胶束”，其含有94%的酪蛋白和6%的矿物质，主要为Ca3(PO4)2。HOME[14]提出的双结合模型是目前最先进的酪蛋白胶束模型，该模型认为，αs1-、αs2-、β-酪蛋白之间可通过疏水作用力及胶体磷酸钙(colloidal calcium phosphate，CCP)的交联作用相互连接，形成酪蛋白胶束的核心部分。不含磷酸丝氨酸的κ-酪蛋白位于胶束表面，其不能与CCP交联，在酪蛋白胶束的表面形成一层保护壳，从而使胶束稳定地存在于溶液中。“酪蛋白胶束”对酸奶凝胶网络的构建十分重要。

酸奶在发酵酸化过程中，牛奶中的CCP被释放到乳清相中，酪蛋白胶束外部的κ-酪蛋白层提供的空间排斥逐渐减少，达到酪蛋白的等电点(pI=4.6)后，酪蛋白胶束开始相互聚集，通过疏水和静电相互作用形成三维乳蛋白凝胶网络[15]。酸奶的凝胶结构是变性乳清蛋白和κ-酪蛋白分子之间的二硫键交联、单个酪蛋白胶束之间的静电排斥、胶束之间的疏水相互作用、乳清蛋白的自聚集和相互作用、非共价(氢键、静电引力和偶极相互作用力)缔合等复杂键合机制共同作用的结果，酸奶成分(蛋白质、脂肪和水分等)之间的相互作用也在一定程度上影响酸奶凝胶结构的形成。

2.2 阴离子增稠剂促进酸奶凝胶的机理

离子官能团的存在会导致聚合物链间的相互作用，阴离子增稠剂的阴离子基团具有线性结构和带电官能团，可与酪蛋白的氨基之间发生静电作用形成复合物，故阴离子增稠剂比中性增稠剂促进酸奶凝胶的效果好。酪蛋白的氨基酸组成中，脯氨酸含量相对较高，而半胱氨酸含量较低，因此二级结构较弱，通常认为单链酪蛋白分子不存在特定的构象，而阴离子增稠剂可以和酪蛋白胶束共同形成三维凝胶网络来维持水相，增强酪蛋白分子颗粒凝胶网络的稳定性，防止酪蛋白絮凝，并抑制乳清的自由移动，达到提高酸奶的黏度及硬度、改善酸奶品质的效果[16-18]。

带负电荷的亲水胶体能与等电点附近或以下的带正电荷的酪蛋白胶束相互作用，沉积在酪蛋白胶束上，作为活性成分参与酪蛋白网络的构建，在亲水胶体之间产生新的空间排斥，增强酪蛋白网络稳定性，并减少脱水收缩，从而增强凝固酸奶的质构特性[19]。如：卡拉胶影响酸奶凝胶特性，归因于其具有强阴离子性的半酯式硫酸盐基团R-OSO3-，该基团对蛋白质的氨基具有较强的吸引力，可与酪蛋白胶束协同作用，有助于提高生物聚合物的相容性, 提高酸奶的黏度和凝胶特性。

果胶在酸奶中的应用较广，现以果胶与酪蛋白胶束的相互作用为例，详细说明阴离子增稠剂影响酸奶凝胶特性的机理。该过程大致可分为如下5个阶段(图1)：(1)在天然牛乳(pH 6.7)中，酪蛋白胶束以酪蛋白-磷酸盐聚合体的形式存在，由于胶束表面所带负电荷形成的静电斥力和位于酪蛋白胶束表层的κ-酪蛋白伸入水相的毛发层，所产生的空间位阻效应，使得酪蛋白胶束之间不能相互聚集，从而具有良好的稳定性，此pH下，酪蛋白胶束不能与果胶分子结合。(2)pH至6.7～5.8时，酪蛋白胶束的净负电荷减少，胶束之间的静电斥力下降，从胶束中解离出来的CCP很少，因此大体上酪蛋白分散体系保持稳定，但胶束上的矿物质开始释放到溶液中，体系开始变得不稳定[7]，此时，果胶分子仍未与酪蛋白胶束结合。(3)pH继续下降至5.8～5.2时，酪蛋白胶束的净电荷数量急剧减少，ζ电位逐渐降低，果胶开始影响酪蛋白胶束的构象，当pH降低到5.2附近时，ζ电位为零，胶束呈熔融状态，CCP几乎全部溶解，导致单体酪蛋白解离，解离单体酪蛋白之间的静电斥力大大增加，出现含有钙的酪蛋白沉淀，此时，果胶开始与酪蛋白结合。(4)pH为5.2～4.6时，Ca2+脱离，出现纯酪蛋白沉淀，分子进行重排。此阶段，酪蛋白整体净电荷为零，κ-酪蛋白的毛发层结构完全坍塌，疏水相互作用增加，静电斥力减小，空间位阻效应全部消失。此时，果胶分子的长链逐渐深入到酪蛋白表面，取代κ-酪蛋白并在酪蛋白表面形成空间位阻效应，阻止胶束之间的聚集沉淀，使体系保持稳定。(5)pH降至4.0时，酪蛋白带正电荷，静电斥力不足以维持酪蛋白稳定。此时，带负电荷的果胶长链已深入到酪蛋白胶束表面，完全取代κ-酪蛋白的空间位阻效应，通过静电吸引和空间位阻效应与酪蛋白形成紧密结合。

图1 果胶与酪蛋白胶束相互作用示意图[20]Fig.1 Schematic diagram of the interaction between pectin and casein micelles[20]

2.3 中性增稠剂促进酸奶凝胶的机理

中性增稠剂与酪蛋白相互作用的机理主要有以下3个方面：一是中性增稠剂与酪蛋白聚集体之间没有静电相互作用，其形成的凝胶颗粒位于蛋白质聚集体外侧，起着“填充剂”作用，通过填充凝胶网络的空隙来增加酸奶连续相的黏度；另一方面，中性增稠剂和酪蛋白具有热力学不相容性，其不能直接与酪蛋白胶束结合，但中性增稠剂的加入增加了酸奶中的总固体含量，从而提高了酸奶的凝胶强度；三是中性增稠剂有较高的水合性能，可截留水分，在整个酸奶体系中形成三维水合分子凝胶网络，有助于提高酸奶的黏度，减少乳清析出[21]。

中性增稠剂不带电，因此不受溶液pH值变化的影响，可提高其凝胶作用的稳定性。很多中性增稠剂需与其他增稠剂共同作用，才能形成凝胶产物，如刺槐豆胶和瓜尔胶等。阴离子增稠剂黄原胶与半乳甘露聚糖(如刺槐豆胶和瓜尔胶)之间存在协同作用，它们之间的相互作用可以增强酸奶的持水力和凝胶化，从而使酸奶变稠。半乳甘露聚糖是以β-(1,4)-甘露糖为主键，α-(1,6)-半乳糖单元为侧基的多糖，其凝胶作用主要体现在分子结构特性上，刚性的β-(1,4)-甘露糖主链使其水溶液具有高黏度，半乳糖含量低于30%的半乳甘露聚糖，可与其他多糖(如卡拉胶和黄原胶)形成弹性凝胶[22]。刺槐豆胶与瓜尔胶的甘露糖主链均能和黄原胶链之间发生非特异性相互作用，形成透明的热可逆弹性凝胶。SANCHEZ等[23]和PANG等[24]研究了刺槐豆胶与黄原胶的相互作用对酸奶凝胶结构的影响，与空白对照相比，添加聚合物没有改变酸奶凝胶网络的整体组织结构，但在酪蛋白颗粒表面观察到丝状结构和小聚集体，这些丝状的细链连接酪蛋白胶束，在酸奶体系中形成三维水合分子网络，以增强酸奶的保水性(图2)。

图2 增稠剂与酪蛋白之间的相互作用示意图Fig.2 Schematic diagram of the interaction between thickener and casein

3 增稠剂在酸奶中的应用

3.1 常用增稠剂在酸奶中的应用

3.1.1 淀粉

淀粉作为增稠剂，可以增加酸奶的黏度和硬度、减少脱水收缩、改善口感、提高经济价值，其易于在酸奶加工中使用，已成为酸奶生产中常用的增稠剂之一。玉米淀粉被广泛用作酸奶增稠剂和脂肪替代品[25]。其他植物来源的淀粉，如葛根淀粉[26]、水山药淀粉[27]和马铃薯淀粉[28]，近年来也被用作酸奶生产中的增稠剂。改性淀粉是在天然淀粉固有的特性基础上，利用物理、化学或酶法处理，在淀粉分子上引入新的官能团或改变淀粉分子大小和淀粉颗粒性质，从而改善淀粉的性能。淀粉经过改性后，其在酸奶热灭菌和酸化的过程中结构更稳定[29]。在巴氏杀菌过程中，淀粉颗粒吸水膨胀，发生糊化，可增加体系的黏度，从而改善酸奶质地。

3.1.2 聚合乳清蛋白

乳清蛋白具有减少脱水收缩、增强酸奶质地和改善感官特性的优点。虽然天然乳清蛋白分子质量小、黏度低，生产中未被直接用作增稠剂，但乳清蛋白经高温变性和聚合形成的聚合乳清蛋白(polymerized whey protein，PWP)可解决该问题[30]，其凝胶性能优异，可增加酸奶的黏度，改善其稠度和持水性[31]。PWP作为增稠剂被应用于羊奶酸奶[32]、中国老酸奶[33]和凝固型牛奶酸奶[34]中。FANG等[35]研究发现，不同pH条件下制备的PWP对酸奶的黏度有显著影响，添加在pH 8.5和pH 9.0条件下制备的 PWP，酸奶的黏度显著高于未添加PWP的对照酸奶(P<0.01)，这是由于酸奶凝固过程中凝胶网络的高度交联，PWP和酪蛋白胶束之间的相互作用导致酪蛋白胶束体积变大。在其他功能性发酵食品中使用PWP，也可以改善其产品质地及蛋白质含量[30]。

3.1.3 明胶

明胶多以牛皮、猪皮或牛骨、猪骨等为原料制备，因其优异的凝胶性能，被广泛应用于改善蛋白质凝胶的流变学特性中。明胶由柔性线性多肽链组成，在高温下具有灵活的螺旋构象，但在临界温度(明胶链的螺旋转变温度40 ℃)以下，会形成包含不同链的三螺旋，从而导致聚集和凝胶化。MUDGIL等[4]在骆驼奶中添加0.75%～1.0%(质量分数)的明胶，克服了骆驼奶酸奶凝胶质地弱的问题，改善了酸奶的凝胶结构。鱼明胶可以避免哺乳动物明胶带来的宗教信仰(穆斯林和犹太人占世界人口的近23%)和健康问题(非洲猪瘟)，已逐渐作为哺乳动物明胶的潜在替代品。SOW等[36]从白鲟中提取明胶，并研究添加白鲟明胶水解物(sturgeon gelatin hydrolysates，SGH)的酸奶在冷藏28 d间的物理化学、质地和流变学特性，结果显示，与对照组相比，SGH的添加量为10 g/L时，稠度系数、复合黏度、屈服应力、储能模量和损耗模量均显著增加，表明SGH可以作为增稠剂提高酸奶的凝胶特性。

3.1.4 果胶

果胶中的阴离子基团羧基可与带正电荷的酪蛋白分子静电结合，防止酪蛋白在酸奶中聚集或沉淀，同时，果胶还可以通过增加可溶性固形物来促进乳酸菌生长，乳酸菌数量的增加提高了酸奶的生物活性[37]。ARIOUI等[6]从柑橘果皮中提取果胶加入酸奶中，添加0.6%(质量分数)的果胶显著改善了酸奶发酵和后酸化过程中的黏度、黏附性和内聚性，同时也可以防止贮存期间的乳清析出。KHUBBER等[38]探究了低甲氧基果胶对低脂酸奶品质的影响，发现与对照组相比，加入果胶的低脂凝固型酸奶乳清析出减少，其硬度、流变性、微观结构和整体口感均显著改善。

3.1.5 复合增稠剂

WANG等[39]将PWP加入酸奶中，发现其改善了酸奶的持水能力和黏度，但是加入0.2%果胶和0.3% PWP(均为质量分数)的复合增稠剂，酸奶的脱水收缩值更低，且黏度更高。脱水收缩值的降低，是由于果胶是带负电荷的阴离子多糖，其在酸奶发酵过程中，与PWP发生静电相互作用和交联作用，有助于形成更强的凝胶网络[33]。黏度的增加，归因于果胶与酪蛋白胶束的相互作用，形成复杂的体系[34]。

HUANG等[40]用鱼明胶替代哺乳动物明胶来改善酸奶品质，分别研究了鱼明胶与3种多糖(阿拉伯胶、黄原胶、卡拉胶)以质量比9∶1形成的鱼明胶-多糖复合物的流变学和摩擦学性能，以及复合物对酸奶物理性质的影响， 发现3种鱼明胶-多糖复合物添加至酸奶中均提高了酸奶的硬度、持水力和黏度，其中添加鱼明胶-黄原胶复合物的酸奶品质更优，可作为搅拌酸奶中哺乳动物明胶的潜在替代品。

3.2 新型酸奶增稠剂

3.2.1 辣木种子提取物

CARDINES等[41]将通过超滤获得的辣木种子提取物加入酸奶中，显著改善了酸奶的工艺特性。辣木种子的凝胶特性，可能与其蛋白质含量高(45%)有关，并且其作为天然阳离子聚电解质的可溶性蛋白质，具有促凝特性[41]。STOHS等[42]研究发现辣木种子提取物具有安全性。

3.2.2 热处理的乳清分离蛋白-三聚磷酸钠

三聚磷酸钠(sodium tripolyphosphate，STPP)已被国家卫生健康委员会批准作为酸奶食品添加剂[34]。LI等[43]证明了磷酸化可以改善蛋白质的乳化性、胶凝性和热稳定性。CHENG等[34]通过实验表明，乳清分离蛋白(whey protein isolate，WPI)与STPP的相互作用可以稳定酸奶凝胶的三维网络，并防止由于凝胶空隙增加而导致的酸奶脱水收缩。与未经热处理的WPI-STPP相比，热处理的WPI-STPP显著增强了酸奶的硬度、弹性、黏附性和凝胶强度。

3.2.3 苦杏仁胶

HASHEMI等[44]研究了苦杏仁胶的水溶性部分(soluble bitter almond gum，SBAG)，通过将SBAG与酪蛋白酸钠(sodium caseinate，SC)结合，向酸奶中加入SBAG-SC结合物，显著提高了酸奶中酪蛋白胶束的物理稳定性，抑制了相分离。带负电荷的SBAG-SC可被吸附到酪蛋白胶束的表面，防止酪蛋白在酸性条件下聚集，从而稳定酸奶的质构[45]。

4 酸奶增稠剂的发展方向

4.1 酸奶中添加增稠剂的必要性

众多研究表明，将增稠剂应用于酸奶势在必行。MIOCINOVIC等[46]研究表明，不含任何增稠剂的羊奶发酵酸奶凝胶结构很弱，加入增稠剂可以显著提高凝胶强度，从而改善其流变、质构和感官特性。SONG等[47]也发现，不添加任何增稠剂很难生产出具有牢固凝胶网络的凝固型小米酸奶。

宫郁郁等[48]于2016年调查了国内部分品牌的发酵乳添加增稠剂的情况，在调查的162种发酵乳中，有141种添加了食品增稠剂，占87.04%。在现代发酵乳工业中，为了解决产品的质量问题、满足制作工艺和产品创新上的需求，添加食品增稠剂已成为一种改善酸奶品质的常用方法。我国对食品安全越来越重视，能够进入市场流通的酸奶，必须经过严格的国家食品安全检验。新修订的《中华人民共和国食品安全法》更是为食品添加剂提供了支持和保障，因此，增稠剂在酸奶中的应用有着广泛的应用前景。

4.2 应用具有功能性的增稠剂

随着食品添加剂“天然、营养、多功能”的发展趋势，选用具有功能性的增稠剂来提高酸奶品质，具有良好的应用前景。膳食纤维有助于减少高血压、胰岛素反应、肥胖和结肠癌等慢性病的发生，并且可以改善酸奶品质[49]。源自燕麦、大麦等谷类的β-葡聚糖富含可溶性膳食纤维[50]，具有在含水体系中增加黏度和形成凝胶的能力，同时有着降血脂、降血糖、增强免疫力的功能，可作为增稠剂应用于酸奶中。郑健等[51]、KAUR等[52]均将β-葡聚糖应用于发酵酸奶的制备中，由于酪蛋白和β-葡聚糖之间的热力学不相容性，β-葡聚糖可能会促进酪蛋白的自结合，从而提高酸奶的凝胶强度，在改善酸奶品质的同时，保障了消费者的健康。

4.3 利用现代加工技术

利用现代加工技术，如超高压技术、辐照和紫外线等，有助于充分发挥酸奶增稠剂的有效性，提高其凝胶强度。张宇昊等[53]采用超高压替代传统的酸碱工艺，辅助提取巴沙鱼鱼皮明胶，破坏了胶原蛋白的三、四级结构，断裂其中疏水键、离子键等非共价键，但不会破坏共价键，因而既有利于胶原肽链的伸展和螺旋结构的松散，又有利于保持胶原肽链的完整性，增加了明胶中可形成高凝胶强度的大分子亚基的组分含量。BESSHO等[54]用20kGy的γ-射线辐照处理明胶，BHAT等[55]采用紫外线(253.7 nm)处理鱼皮明胶颗粒，均提高了明胶的凝胶强度。应用现代加工技术制备高凝胶强度的增稠剂，已成为当下的研究热点，但仍缺乏对其影响凝胶微观结构作用机理的系统研究，这将成为今后研究的重点。

4.4 发挥复合增稠剂的优势

单一增稠剂在提高酸奶凝胶特性上存在局限性，如卡拉胶具有形成凝胶所需浓度低、透明度高等优点，但也存在凝胶弹性差、脆性大等问题；添加菊粉有助于酸奶形成较为均匀、疏松的微观结构，但酸奶稳定性较差。与单一增稠剂相比，复合增稠剂可以实现协同增稠效应，增稠剂的复合使用正逐渐成为改善酸奶品质研究的趋势。

结合2种及以上的增稠剂通常会产生协同效应，陈宇坤[10]以质量比3∶7复配三赞胶和刺槐豆胶，两者在酸奶的表观黏度方面存在协同增效作用，用复配胶制备得到的酸奶感官品质优、稳定性好。但也有一些例外，如明胶与阴离子胶(如果胶或羧甲基纤维素)复配并没有协同增稠作用，因为在特定pH范围内，两者会不可逆地相互结合并从溶液中沉淀出来。复合增稠剂产生的凝胶结构取决于聚合物之间的相互作用、凝胶机理和凝胶形成条件等[56]。因此，在酸奶加工中要选择合适的增稠剂进行复配，充分发挥各种增稠剂的互补作用，才能更好地提升酸奶品质。

4.5 在酸奶发酵前加入转谷氨酰胺酶

转谷氨酰胺酶(transglutaminase，TG)是一种催化酰基转移反应的酶，能够通过催化酪蛋白结合谷氨酰胺残基(酰基供体)中的γ-羧酰胺基，以及赖氨酸残基中的ε-氨基之间的酰基转移反应，形成分子内或分子间ε-(γ-谷氨酰胺)-赖氨酸等肽键的共价交联[57]，使蛋白质分子质量变大，形成强有力凝胶。TG安全无毒，在酸奶发酵之前可向牛奶中添加TG，通过蛋白质交联反应提高酸奶的物化特性，进而增加凝胶强度，并减少脱水收缩，改善酸奶的品质。

5 总结

我国酸奶消费增加迅猛，其在生产、运输、储存过程中极易出现黏度下降、乳清析出、组织粗糙等现象，不良现象的出现与酪蛋白胶束影响酸奶的凝胶强度密切相关。为解决这些问题，本文介绍了阴离子增稠剂与中性增稠剂的凝胶机理，从机制层面阐述增稠剂如何影响酸奶的品质，可为解决酸奶生产过程中遇到的实际问题提供一定的技术参考。增稠剂可以有效改善酸奶的内在质构和外观形态，通过深入研究其凝胶机理，不断探寻新型酸奶增稠剂，应用有功能性食品特性的增稠剂，以及多种增稠剂的复配，在酸奶凝胶特性的研究领域中有着广阔的发展空间和应用前景。此外，通过整合多糖优异的流变特性和蛋白质良好的界面特性，有望获得内含亲脂性生物活性成分的凝胶结构。随着分子生物技术的发展，未来可借助化学改性(如在分子中添加一些功能性基团等)、微生物发酵(新型胶体的生产)以及从基因(改变微生物的某些基因片段来实现优质胶体的富集)的层面来增强酸奶凝胶特性。