酸乳凝胶稳定性改善研究进展

岳 娟，姚晓琳，缑青霞，韦湘滢，岳健雄，李 丹，杨 丹

（陕西科技大学食品科学与工程学院，陕西 西安 710021）

随着消费者对乳制品的需求急剧增加以及消费升级下新品牌、新种类、新口味的大量涌现，使得我国酸乳市场体量和增速处于全球领先水平[1]。酸乳包括凝固型和搅拌型两种，是以生牛/羊乳或乳粉为原料，经杀菌、发酵后制成的乳制品，含有高生物价值的蛋白质、脂质和易吸收糖类，以及种类丰富的维生素和矿物质[2-3]。乳蛋白包括酪蛋白和乳清蛋白，是酸乳形成凝胶的基质，而酪蛋白胶束是构成酸乳凝胶的分子单元。如图1所示，在酸乳形成过程中，随着乳酸菌的代谢，酸乳pH值逐渐降低，当pH值达到酪蛋白等电点时，酪蛋白胶束上的电荷分布改变，静电斥力减小，胶束趋于凝聚并逐渐凝胶化[4-5]。

图1 酸乳发酵原理示意图[4-5]Fig.1 Schematic diagram of the fermentation principle of yoghurt[4-5]

酸乳具有丰富的营养和保健功能，但酸乳常存在凝固不良、乳清析出等质地缺陷，影响消费者接受度。因此，如何提高酸乳的品质和稳定性是酸乳生产中的技术难题。除控制原料乳成分及质量、发酵剂种类及活力、加工工艺等影响因素外[6]，酸乳品质及稳定性还可通过添加多糖类稳定剂、各种类型的乳源成分和植物蛋白，以及利用酸、热、盐、酶诱导乳蛋白凝胶化等策略改善（图2）。此外，在实现酸乳稳态化的基础上，添加脂质替代物、活性多糖、营养强化剂等可赋予酸乳更高的营养价值和保健功能，有利于酸乳食品的功能化和多元化发展。本文从酸乳质地缺陷及影响因素、酸乳凝胶稳定性改善方法及作用机理、酸乳稳态化的未来发展趋势等方面进行综述，以期对酸乳品质改善和乳制品生产提供理论指导和技术支持。

图2 酸乳质地缺陷及其影响因素和改善方法Fig.2 Texture defects of yoghurt,their influential factors,and methods for their improvement

1 酸乳质地缺陷及其影响因素

酸乳质地对乳制品工业和消费者具有重要意义，然而在其加工和冷藏过程中会出现乳清析出和凝固不良等质量缺陷，影响消费者的接受度。酸乳中大分子和胶体在一定条件下相互作用，交联形成内部含有大量液体的特殊网状结构，凝胶结构对酸乳凝胶稳定性具有重要影响，并与原料乳质量、发酵条件、乳固体含量等因素密切相关。

乳清析出是搅拌型酸乳和凝固型酸乳的主要品质缺陷，会导致水溶性营养物质的损失和不良感官特性的产生。当原料乳由牛顿流体转化为半固体/固体产物时，形成的凝胶网络可以通过氢键作用捕获蛋白网络中的乳清，即持水力，与凝胶硬度共同决定了酸乳抗脱水稳定性，较差的酸乳抗脱水稳定性造成乳清析出，与配方不良、乳固体含量低、不适当的发酵时间/温度等因素相关[7-9]；凝固不良是凝固型酸乳的常见品质缺陷，酸乳在出库冷却过程中的轻微振动、二次包装以及运输过程中脱冷、振动均可能导致酸乳凝胶组织破坏和观感不佳[10-11]，主要受原料乳种类及质量、发酵剂活力，发酵条件、乳固体含量等因素共同影响（表1）。

表1 酸乳稳定性的影响因素及结果分析Table 1 Analysis of factors influencing of yoghurt stability

2 食品大分子对酸乳凝胶稳定性的改善及作用机制

多糖、蛋白质等食品大分子因含大量羟基而显著增加了其与水分子的亲和力，可充分水化发挥增稠、稳定、胶凝等功能，赋予食品厚实、滑腻的口感[18-20]。酸乳凝胶的空间网状结构是决定酸乳品质的重要因素。由酪蛋白聚集体组成的蛋白质凝胶易在脱水过程中析出乳清，加入食品大分子一方面可通过稳定蛋白质空间网状结构改善酸乳凝胶特性；另一方面可阻止乳清析出或乳脂絮凝，延长乳制品保质期[21]。

2.1 多糖对酸乳凝胶稳定性的影响

2.1.1 多糖荷电性对酸乳凝胶稳定性的影响机制

多糖中的阴离子型多糖和非离子型多糖可分别通过不同机制改善酸乳的稳定性。阴离子型多糖表面带负电荷，与酪蛋白胶束表面带正电荷的官能团通过静电相互作用提高凝胶基质稳定性，加强酪蛋白网络并减少脱水，而非离子型多糖则通过增加连续相黏度稳定酸乳凝胶网络[6]。随着含量的增加，离子型多糖经历“无影响-桥接-排空失稳”等步骤，可与乳蛋白发生相结合或相分离。非离子型多糖经历“无变化-絮凝-聚合-稳定”等步骤，除淀粉外均与乳蛋白发生相分离。多糖因荷电性不同在酸乳凝胶形成中的稳定机制也不同，致使其微观结构、流变性等凝胶性能存在显著差异[22]。常用多糖对酸乳凝胶稳定性的影响如表2所示。

表2 多糖对酸乳凝胶稳定性的影响Table 2 Effects of polysaccharides on the gel stability of yoghurt

阴离子型多糖羧甲基纤维素钠可通过静电作用吸附在酪蛋白表面，以改善空间位阻，维持其在酸性条件下的稳定，而未吸附的羧甲基纤维素钠可通过增加体系黏度及减缓酪蛋白胶束的沉降速率，提高酸乳凝胶的稳定性[29]。果胶对酸乳硬度影响较小，但可增加爽滑度和光泽，酸乳中加入高甲氧基果胶不能形成稳定的酸乳凝胶[19]，而加入低甲氧基果胶时，酸化过程可与酪蛋白胶束形成凝胶并减缓脱水。如图3所示，在酸乳凝胶形成过程中，乳酸的产生使pH值不断降低，酪蛋白胶束上的正电荷数量逐渐增多，当pH值降至酪蛋白等电点（pH 4.6）附近时，低甲氧基果胶的阴离子羧基通过静电作用吸附在酪蛋白胶束表面，果胶分子链间较强的空间斥力可防止酪蛋白胶束的聚集和沉淀，同时可使以酪蛋白胶束为中心的凝胶网络截留更多水分[30-31]。此外，果胶分子链间的羧基可通过钙桥联结，结合氢键作用促进凝胶网络稳态化[32]。这使得低甲氧基果胶作为增稠稳定剂在酸乳中广泛使用。

图3 不同pH值下果胶与κ-酪蛋白在酪蛋白胶束上的吸附示意图[30-31]Fig.3 Schematic diagram of the adsorption of pectin and κ-casein on casein micelles at different pH values[30-31]

非离子型多糖瓜尔豆胶和刺槐豆胶在含量增加时引起相分离，形成高度紧凑的酪蛋白簇而失去了典型的酪蛋白网络[19]。随着瓜尔豆胶含量的增加，酸乳凝胶的微观结构变化显著；添加0.05%瓜尔豆胶时，酸乳凝胶孔隙直径大于10 μm，形成粗糙的酪蛋白网络；当瓜尔豆胶添加量达到0.1%时，酸乳凝胶结构更为紧凑；添加不同含量的刺槐豆胶时酸乳也呈现类似的微观形貌[22]。在酸乳中添加经乙酰化或羟丙基化的变性淀粉可增强酪蛋白的网络结构，显著改善其品质，这是由于变性淀粉可吸附在酪蛋白胶束表面，通过静电吸附、空间稳定和渗透作用防止酪蛋白胶束聚集[33]。

2.1.2 多糖复配对酸乳凝胶稳定性的影响机制

常用的多糖类酸乳稳定剂有果胶、刺槐豆胶、黄原胶、海藻酸钠等，但通常需要较大添加量才能发挥改善酸乳品质的作用，会导致酸乳风味、质地、口感等感官劣变，因此通过多种稳定剂复合使用可有效发挥协同效应，与单一稳定剂相比优势显著。卡拉胶的增稠特性及稳定性能使其成为酸乳的理想稳定剂，但其阳离子是限制卡拉胶与酪蛋白发生相互作用的主要因素，适当组合卡拉胶与含有半乳甘露聚糖的多糖，如瓜尔豆胶和刺槐豆胶等，可促进酸乳凝胶的稳定[6,34]。海藻酸钠单独用于酸乳中会导致口感黏度大和滑润感较差，而单独使用果胶则需较大添加量才能发挥稳定效果，二者复配使用则可避免单独使用的缺陷，提高酸乳凝胶稳定性，且在Ca2+存在下，海藻酸钠与低甲氧基果胶复配具有协同凝胶作用，可使酸乳形成致密、均匀、稳定的网络微结构[18]。陈宇坤等[35]向酸乳中加入三赞胶与刺槐豆胶，在添加量0.04%、复配质量比3∶7条件下，复配多糖与酪蛋白之间形成的网络结构阻碍了体系中乳清的析出，且两种多糖的分子链与酸乳中酪蛋白、乳清蛋白等大分子链之间互相缠绕，使酸乳黏度增加，凝胶稳定性得到提升。

2.2 蛋白质对酸乳凝胶稳定性的影响

乳基蛋白强化是防止酸乳凝胶结构缺陷、增强酸乳营养的重要手段之一[36]。乳粉和乳蛋白可显著改善酸乳的质地和营养，其对酸乳的质地影响如表3所示。通常使用脱脂乳粉（skim milk powder，SMP）对乳基总固体含量进行标准化来强化酸乳，但添加SMP的酸乳蛋白质含量较低，乳糖含量较高，多余的乳糖产生极低的酸度，无法维持酸乳质地的长期稳定[37-38]。乳蛋白含80%酪蛋白和20%乳清蛋白，是乳制品重要的组成部分，具有多种功能特性，是良好的SMP替代物[39]。研究表明，常被用于强化酸乳的乳蛋白主要成分为酪蛋白酸钙（calcium caseinate，CaCn）或酪蛋白酸钠（sodium caseinate，NaCn），其通过增加蛋白质含量改善酸乳黏度，从而降低酸乳的脱水。CaCn及NaCn的最佳质量浓度控制在1～2 g/100 mL，添加量过高会导致酸乳过度增稠[40]，对酸乳品质提升造成负面影响。此外，Ünal等[41]研究酸乳在添加酪蛋白酸钠-钙（sodium-calcium caseinate，SCC）后贮藏28 d的质构特性，发现添加2% SCC酸乳的硬度比添加等量SMP的酸乳提高40%～73%，SCC对酸乳硬度的提升作用归因于其可形成较大聚集体。Akalin等[42]也发现SCC强化提高了酸乳的硬度和黏度，这是因为钙与酪蛋白上的磷酸丝氨酸残基结合，抑制了乳液中的耗散絮凝。与上述酪蛋白酸盐及SMP相比，浓缩乳清蛋白（whey protein concentrate，WPC）松散多孔的微观结构有利于提高酪蛋白与乳清蛋白的桥接度，使两者紧密交联，使酸乳具有更高的黏度和持水性，凝胶网络高度均匀，孔隙更小[43]。

表3 乳基蛋白强化对酸乳凝胶稳定性的影响Table 3 Effect of milk-base protein fortification on the gel stability of yoghurt

明胶是控制酸乳脱水效果最显著的胶体之一[48]。在添加明胶的样品中，明胶与酪蛋白基质相互作用，连接酪蛋白和乳蛋白链，构建复杂的蛋白网络，更有效地保留水相，从而减少乳清析出[49]。在酸乳中添加1.0%明胶后，明胶与乳蛋白通过相互作用形成孔径小、均匀致密且坚固的网状结构，能有效地保留水相，减少乳清析出[50]。

近年来基于宗教信仰、饮食习惯、素食主义及动物蛋白资源短缺等因素，利用高质量可再生的植物蛋白替代动物蛋白已引起较多关注，如谷物蛋白，豆类蛋白等[51-52]。豆类蛋白因其高蛋白品质成为植物性酸乳的重要来源，添加大豆分离蛋白可使酸乳持水性由56.37%增至83.42%，凝胶硬度显著提高，这归因于牛乳热处理后变性大豆蛋白聚集形成凝胶网络，有助于改善酸乳凝胶稳定性[53]。此外，采用绿豆和豌豆蛋白等替代动物蛋白进行植物基酸乳生产，不仅可提供充足的营养，而且为消费者提供了更加广泛的选择[54-56]。疏水作用和二硫键是维持豌豆蛋白和绿豆蛋白酸乳凝胶结构的主要分子间作用力，而离子键和氢键对凝胶结构的作用较小。疏水相互作用的贡献归因于发酵过程中豌豆蛋白和绿豆蛋白分子结构展开，疏水基团暴露形成疏水聚集体，构建了稳定的网络结构[52,57-58]。发酵过程中游离巯基含量的下降标志着二硫键的形成，表明二硫键也在稳定酸乳凝胶结构中发挥作用。绿豆蛋白基酸乳的硬度、持水性和咀嚼性显著高于豌豆蛋白基酸乳，表明绿豆蛋白基酸乳具有更好的凝胶质地，有利于延长产品货架期[59]。

2.3 蛋白-多糖复合对酸乳凝胶稳定性的影响机制

单一蛋白质和多糖添加量过高会导致乳制品的物理和感官特性发生很大变化，产生负面影响。如酪蛋白加入过多时，其较乳清蛋白占比过高，制备的酸乳屈服应力和G′减小，发酵时间延长，微观结构更加粗糙，硬度、黏度及持水力等指标降低[60-62]。蛋白-多糖复配是解决上述问题的常用方法，能有效防止单一稳定剂含量过大造成的感官劣变。然而蛋白和多糖复合能否有效增加酸乳的硬度、黏度、持水性等结构特性取决于蛋白质与多糖间的相互作用，二者在静电相互作用下可发生可溶/不可溶性复合凝聚或隔离型相分离[63-64]，并受分子质量、添加量、温度、pH值、离子强度等多种因素影响[65]。Gyawali等[66]使用0.05%果胶和1% WPC制备酸乳，发现用果胶与WPC制成的酸乳具有更高的持水力，这归因于果胶和WPC间的相互作用有助于酪蛋白胶束间形成刚性的三维网络，阻止水分流动。Pang Zhihua等[67]研究黄原胶/刺槐豆胶、卡拉胶和淀粉与WPI、NaCn和SMP的组合在酸乳凝胶中作为明胶替代品的潜力，发现添加除卡拉胶外的多糖和WPI形成的凝胶强度更强，持水性也更高；WPI和刺槐豆胶组合在稠度、可塑性和黏度方面的效果与明胶相似，在厚重感和黏稠感方面的感官评分高于明胶。然而，WPI与卡拉胶组合使用时，WPI对酸乳凝胶的强化作用消失，高度硫酸化的卡拉胶和乳蛋白间的相互作用可阻止酪蛋白和WPI间的相互作用[68]。NaCn或WPI与淀粉的组合应用也出现类似现象，这归因于多糖未能整合到凝胶网络中，并抑制WPI-酪蛋白相互作用及酪蛋白聚集[67,69-70]。

3 酸乳凝胶稳定性改善的其他方式及作用机制

研究表明，酸乳凝胶除可通过添加多糖、蛋白质等大分子物质改善其稳定性外，还可通过热、盐、酸、酶等方式诱导乳蛋白聚集，进而使乳蛋白发生凝胶化，显著影响酸乳的品质。1）热诱导。未加热牛乳的酸乳网络较开放，多孔结构较多，而加热牛乳的酸乳网络较致密，多孔结构数量较少，如图4A所示[71]。这是由于热处理过程中，在共价和疏水相互作用下形成了乳蛋白复合物，改善了酸乳的微观结构[60]。酸乳制作中预加热可控制细菌生长，此时乳清蛋白发生变性，空间结构展开，暴露出β-乳球蛋白的游离巯基（—SH），通过β-乳球蛋白和κ-酪蛋白间的巯基-二硫键（—SH/S—S）交换反应，形成酪蛋白胶束复合物或可溶性乳清蛋白/κ-酪蛋白复合物，该复合物是决定酸乳质构特性的关键因素[60,72-75]。热诱导增强了二硫键和疏水作用，导致出现更紧密的蛋白质网络，将更多的水固定在凝胶网络中[76-77]。2）盐诱导。在pH 7.0下加热蛋白溶液形成乳球蛋白聚集体，再引入盐离子形成凝胶，称为冷凝胶化[78]。如图4B所示，利用Ca2+和Na+诱导乳清蛋白聚集体的凝胶化，有助于屏蔽静电斥力[79]。3）酸诱导。使用葡糖酸-δ-内酯（gluconolactone，GDL）和HCl进行酸诱导，使用GDL可在不搅拌的情况下降低pH值，降低静电斥力从而形成均匀的凝胶；GDL诱导酸化的时间较长，用HCl酸化可提高凝胶速率[79]。4）酶诱导。氧化还原酶、乳过氧化物酶和转移酶是诱导乳蛋白交联最重要的酶类[80-81]。微生物谷氨酰胺转胺酶（microbial transglutaminase，MTGase）处理后酸乳持水力和黏度增加，结构均匀，具有理想的质地，提高了酸乳凝胶稳定性，这是因为MTGase可催化蛋白质侧链中谷氨酰胺残基与赖氨酸间发生共价交联，使凝胶结构致密，提高酸乳的凝胶强度[82]。由辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶和葡萄糖组成的三元体系可诱导全牛乳中有限的蛋白质交联，并抑制细菌生长。葡萄糖氧化酶催化葡萄糖生成H2O2，经辣根过氧化物酶诱导酪蛋白分子间发生交联，故交联后制得的酸乳形成致密的网络结构，提高了酸乳的持水力、黏弹性、硬度和黏附性[83]。5）化学诱导。化学诱导是改善酸乳结构的重要方法，与酶法改性相比能够显著改善酸乳质地。温研[83]研究了添加阿魏酸和过氧化物酶对酸乳的影响，发现阿魏酸和酶共同作用对酸乳质地改善效果优于单一处理方式，阿魏酸和酶均可交联酪蛋白，乳蛋白聚集程度更大，对品质改善更加明显。

图4 热、盐、酸等方式改善酸乳凝胶稳定性的作用机制Fig.4 Mechanism of the improvement of the gel stability of yoghurt by heat,salt and acid induction

4 酸乳稳态化的未来发展趋势

酸乳是世界范围内最受欢迎的乳制品之一，为迎合消费者对酸乳营养及功能的多元化需求，研究者逐渐聚焦于活性多糖、脂质替代及营养强化对酸乳质地和品质的影响。酸乳不仅可以改善肠道菌群，还可作为活性物质载体[84]，这为功能型酸乳的研发提供了理论支撑。有研究者将沙棘多糖[85]、黑木耳多糖[86]、槐花多糖/银耳多糖复配[87]添加至酸乳中，发现不仅能够降低酸乳在贮藏期间的乳清分离、提高酸乳稳定性，还能赋予其多糖的特殊风味，应用潜力巨大。脱脂酸乳常存在黏度低、质地差和脱水收缩等品质问题[88]，因此，脂质替代是功能型脱脂酸乳的重要研究方向。除了变性淀粉、菊糖、WPI等可作为脂质替代物外，乳液凝胶也可添加至低脂食品中以改善产品的感官和质地[89]。李红娟等[90]将WPI-黄油乳液凝胶微粒加入酸乳中，对WPI热处理使其暴露更多疏水基团和反应位点，通过微观结构分析发现，酪蛋白易与WPI-黄油乳液凝胶微粒发生交联，形成更加紧密的网络结构，从而增强持水力。这为乳液凝胶应用于脱脂酸乳中作为脂质替代物提供了新思路。此外，添加如植物甾醇、牛磺酸、矿物质、维生素、ω-3脂肪酸等营养成分，对所制备营养强化型酸乳的结构稳定效果较不明显[91]。如强化矿物质铁（25 mg/kg）和VD3（1 000 IU）对酸乳持水力、黏度和感官特性无显著影响，可用于营养素缺乏改善[92-93]，是营养强化食品的有益补充。

5 结语

本文立足于酸乳在形成过程中易出现品质缺陷问题，从酸乳质地缺陷及影响因素、酸乳凝胶稳定性改善方法及作用机理等方面的研究进行综述，旨在为实现凝胶性能良好、乳清析出少、组织结构紧密的酸乳凝胶体系构建提供理论参考。现有研究表明，在酸乳中加入食品大分子能增强其凝胶网络结构，可有效减少乳清析出、改善凝胶质地、提高酸乳稳定性，而开发含活性多糖、脂质替代物和营养强化剂的酸乳，以满足消费者对营养及功能的多元化需求且不影响酸乳优良质地，有利于酸乳制品产业得到长足稳定的发展。