一種無增稠劑開菲爾的研發

王　豪，楊博崴，徐致遠，劉振民，章　慧

（1.乳業生物技術國家重點實驗室，光明乳業股份有限公司研究院，上海200436；2.江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122；3.上海德諾產品檢測有限公司，上海200436）

一種無增稠劑開菲爾的研發

王豪1，楊博崴2，徐致遠1，劉振民1，章慧3

（1.乳業生物技術國家重點實驗室，光明乳業股份有限公司研究院，上海200436；2.江南大學食品學院，食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇無錫214122；3.上海德諾產品檢測有限公司，上海200436）

本文以黏度為評價指標，研究了均質壓力、菌種添加量、發酵溫度與發酵時間對無增稠劑開菲爾質構的影響。在單因素基礎上對關鍵工藝參數進行正交優化，優化參數為：均質壓力21MPa、菌種添加量0.07g/kg、發酵溫度34℃、發酵時間23h。在該工藝條件下無增稠劑開菲爾的黏度達到0.768Pa·s，產品質地及貯存穩定性得到了極大改善，同時保留了典型的風味和益生菌。

無增稠劑，開菲爾，黏度

開菲爾是一種源自于高加索山脈、具有特殊風味的發酵乳制品，擁有悠久的食用歷史。許多世紀以前，高加索地區牧民發現新鮮牛奶在隨身攜帶的皮袋中會自然發酵形成一種具有爽快酸味的飲料，這便是最初的開菲爾［1］。傳統開菲爾使用開菲爾粒發酵制成，開菲爾粒是一種呈乳白色至乳黃色、形狀不規則的凝膠狀彈性顆粒，其表面和內部均富含多樣化的微生物菌群。然而，開菲爾粒因來源生境不同，其菌相組成也千差萬別，易造成產品批次間風味及菌數不穩定，因此不適用于工業化大規模生產。如今大多數乳品生產企業開始采用由開菲爾粒中分離得到的特征菌株所組成的復配菌群進行發酵，菌株間配比及活菌數穩定，以保證出廠產品的質量穩定。開菲爾口感獨特，具有輕微的酒香味及殺口感，被譽為發酵乳中的香檳［2］。此外，開菲爾還具有多種益生功能，據報道其擁有抑菌、免疫調節、預防癌癥以及降膽固醇作用［3-7］。與市面上普通發酵乳相比，開菲爾因其具備獨特的風味、豐富的發酵菌群及益生功能而具有顯著的差異化競爭優勢，歐美等發達國家已率先實現了開菲爾的工業化生產，規模效益日趨凸顯。

然而，商業化的開菲爾普遍添加了食品增稠劑來穩定產品在貨架期內的組織狀態。近年來，明膠、皮革水解奶等頻發的食品安全事件使國內消費者對增稠劑十分反感，伴隨著消費者的健康意識逐步加強，消費者迫切希望購買到無增稠劑的發酵乳。然而，就現有發酵乳制備工藝而言，不使用增稠劑的產品在貨架期內易出現黏度下降、乳清析出等現象，產品穩定性的下降會削弱消費者的感官接受度，進而影響到產品質量。

因此，本文旨在基于不添加增稠劑的前提下，通過研究均質壓力、菌種添加量、發酵時間和發酵溫度對開菲爾黏度的影響，繼而開發出一種質地優良、貨架期穩定的無增稠劑開菲爾，從而滿足消費者的健康需求，同時產生積極的經濟效益與社會效益。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

全脂牛奶光明乳業股份有限公司華東中心工廠；白砂糖廣西上上糖業有限公司；凍干型直投式菌種MILD-01（乳酸菌總數≥1×1010CFU/g，包括乳酸乳球菌乳酸亞種、乳酸乳球菌乳脂亞種、乳酸乳球菌雙乙酰亞種、腸膜明串珠菌腸膜亞種、嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌） 丹尼斯克（中國）有限公司。

IKA T25高速組織分散機德國IKA公司；APV 1000型高壓均質機丹麥APV公司；電熱恒溫水槽上海精宏實驗設備公司；proRheo-180黏度計德國proRheo公司；pH計美國奧立龍公司；JJ500電子天平美國雙杰兄弟集團有限公司；超凈工作臺美國LABCONCO公司；生物培養箱德國BINDER公司。

1.2工藝流程

牛奶驗收→配料→均質→殺菌→冷卻→發酵→破乳→灌裝→冷藏

1.3操作要點

1.3.1牛奶驗收按GB19301-2010及工廠內控驗收牛奶，驗收合格的牛奶標準化至脂肪≥3.1%，蛋白質≥2.9%。

1.3.2配料將牛奶預熱至40～45℃后加入白砂糖，高速攪拌25min至充分溶解。

1.3.3發酵菌種加入后攪拌5～10min，保證其混合均勻，靜置發酵至pH達4.4～4.5。

1.3.4破乳凝乳攪拌至流體狀，無明顯凝塊。

1.3.5冷藏灌裝后須盡快冷藏，冷藏溫度為2～6℃，冷藏時間不低于12h。

1.4理化及微生物指標的測定

pH的測定方法參考儀器說明書；乙醛及乙酸乙酯含量的測定參考文獻［8］；乙醇含量的測定參考文獻［9］；乳酸乳球菌及腸膜明串珠菌的測定參考文獻［10］。

黏度的測定：將冷藏的樣品傾倒出頂部料液，取中間部分作為待測樣，采用proRheo-180黏度計進行測量；測量參數：2號轉子，溫度10℃，轉速64r/min，間隔10s。

1.5單因素實驗設計

1.5.1均質壓力的確定固定菌種添加量0.03g/kg、發酵溫度28℃、發酵時間17h，在均質溫度65℃下分別以均質壓力13、15、17、19、21、23MPa進行實驗，按1.4法測定產品黏度。

1.5.2菌種添加量的確定固定均質壓力20MPa、發酵溫度28℃、發酵時間17h，分別以菌種添加量0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.11g/kg進行實驗，測定產品黏度。

1.5.3發酵溫度的確定固定均質壓力20MPa、菌種添加量0.03g/kg、發酵時間17h，分別以發酵溫度25、28、31、34、37、40℃進行實驗，測定產品黏度。

1.5.4發酵時間的確定固定均質壓力20MPa、菌種添加量0.03g/kg、發酵溫度28℃，分別以發酵時間14、17、20、23、26、29h進行實驗，測定產品黏度。

1.6正交實驗設計

為確定無增稠劑開菲爾最佳質構的工藝條件，本實驗在單因素實驗基礎上進行正交實驗，選取均質壓力、菌種添加量、發酵溫度及發酵時間為考察因素，以黏度為評價指標，設計L9（34）正交實驗，因素水平表見表1。

表1　L9（34）正交實驗因素水平表Table 1　L9（34）factors levels of orthogonal test

1.7數據統計分析

數據采用Origin 7.5及DPS 7.05軟件處理分析，所有數據均進行三次平行實驗。

2　結果與分析

2.1單因素實驗結果與分析

2.1.1均質壓力對無增稠劑開菲爾黏度的影響在均質過程中，牛乳在均質機中以極高的速度被強制通過一個窄縫，脂肪球破裂成比原來小得多的脂肪球，因此可減少脂肪上浮、減小脂肪成團或聚結的傾向，保證乳脂肪均勻分布。均質工藝不僅可防止形成奶油層，同時還能降低脂肪氧化的敏感性，牛乳顏色更白、口感更好，更為重要的是可賦予成品較佳的穩定性［11-12］。

適宜的均質壓力可明顯提高發酵乳的黏稠度，提升產品保質期內的質構穩定性。實驗研究了均質壓力對無增稠劑開菲爾黏度的影響，結果見圖1。

圖1　均質壓力對無增稠劑開菲爾黏度的影響Fig.1　Effect of homogenization pressure on the viscosity of kefir without thickeners

在經充分均質的牛乳中，新生的脂肪球表面積增加了4～6倍，而且它們不再被原有的天然脂肪膜所覆蓋，取而代之的是可同乳脂肪發生交互作用的大量酪蛋白及部分乳清蛋白，即形成了脂肪-蛋白質復合物［13］。脂肪-蛋白質復合物對產品黏稠度有著至關重要的影響，若均質壓力過低則形成的微粒脂肪球偏少，脂肪-蛋白質復合物減少，導致終產品黏稠度下降；若均質壓力過高則會導致脂肪球內部的液化脂肪釋出，從而阻礙脂肪與蛋白質的交互作用并導致終產品黏度下降。

由圖1可知，在65℃均質溫度下，當均質壓力由13MPa提高至17MPa時，開菲爾的黏度隨之明顯提高，黏度值上升了20%。隨后，伴隨著均質壓力的繼續提高，開菲爾的黏度增幅減弱并趨于緩和，當均質壓力自19MPa升至23MPa時，開菲爾的黏度出現小幅下降。由此可見，適當的均質壓力有助于提高開菲爾的黏度，但過高地提高均質壓力則適得其反，且會加劇設備能耗上升。綜合黏度與能耗兩個方面考慮，無增稠劑開菲爾所使用的均質壓力選擇19MPa為宜。

2.1.2菌種添加量對黏度的影響乳酸菌在發酵過程中除產生大量乳酸外，還會合成胞外多糖，可以改善產品的黏稠度和穩定性。分泌胞外多糖的乳酸菌主要有乳桿菌屬、鏈球菌屬、乳球菌屬和明串珠菌屬等，但是這些胞外多糖在結構和組成上是不同的［14］。與以保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌發酵而成的常規產品不同，開菲爾發酵過程中大多采用乳酸乳球菌和腸膜明串珠菌進行發酵，基于胞外多糖的合成量及組成結構的不同，兩類產品的黏度特性差異較為明顯。

菌種添加量的不同會影響產生胞外多糖的不同菌株間的相對比例，因此適當的接種量有助于乳酸菌分泌并積累胞外多糖，從而提升產品質構。實驗研究了菌種添加量對無增稠劑開菲爾黏度的影響，結果見圖2。

圖2　菌種添加量對無增稠劑開菲爾黏度的影響Fig.2　Effect of additive amount of starter culture on the viscosity of kefir without thickeners

由圖2可知，菌種添加量逐漸上升到0.07g/kg的過程中，隨添加量的增加開菲爾的黏度隨之提高，這是由于參與發酵的菌數增加，菌群優勢促進胞外多糖的合成量增多，黏度提升明顯。當繼續提高菌種添加量至0.09g/kg時，開菲爾的黏度卻急劇下降，菌種添加量自0.09g/kg提高至0.11g/kg時開菲爾黏度下降趨緩。這可能是由于菌體細胞繁殖速度過快加劇了對營養物質利用的競爭程度，從而加速了菌體細胞的自溶，導致生長環境不利于菌體代謝積累胞外多糖，產品的黏度下降。綜合圖2可知，無增稠劑開菲爾中菌種添加量選擇0.07g/kg。

2.1.3發酵溫度對黏度的影響溫度通過影響蛋白質、核酸等生物大分子的結構與功能以及細胞結構如細胞膜的流動性及完整性來影響微生物的生長、繁殖和新陳代謝。過高的環境溫度會導致蛋白質或核酸的變性失活，而過低的溫度會使酶活力受到抑制，細胞的新陳代謝活動減弱。

在多菌株發酵過程中，菌株間以共生關系存在并進行生長代謝，發酵溫度的不同會影響菌株間的分布比例，從而對菌相的共生平衡產生影響。牛乳必須保持在相應發酵劑的最適溫度，即使與最適溫度有很小的偏差，也可能會因共生平衡被打破后造成對其中某些菌株的生長有益而對其他菌株不利，進而使發酵乳不能獲得理想的酸感、風味及黏度［15-17］。實驗研究了發酵溫度對無增稠劑開菲爾黏度的影響，結果見圖3。

圖3　發酵溫度對無增稠劑開菲爾黏度的影響Fig.3　Effect of fermentation temperature on the viscosity of kefir without thickeners

由圖3可知，隨發酵溫度的提高，開菲爾的黏度隨之升高。發酵溫度從25℃升至31℃的區間內，黏度提升的較為緩慢。當發酵溫度自31℃提高至37℃時，黏度上升速度明顯加快，這可能是由于發酵溫度逐漸步入菌群中產黏乳酸菌如乳酸乳球菌和嗜熱鏈球菌的最適發酵溫度范圍，胞外多糖合成速率加快致使黏度明顯提高。隨后，繼續提高溫度至40℃發現黏度上升趨緩。雖然在37～40℃范圍內開菲爾具有相對較高的黏度值，但依據中華人民共和國輕工行業標準QB/T 4575-2013《食品加工用乳酸菌》的菌種分類，

此溫度范圍有利于嗜熱型乳酸菌發酵，卻不利于嗜溫型乳酸菌發酵。開菲爾的特征風味主要源自諸如乳酸乳球菌及腸膜明串珠菌等嗜溫型乳酸菌發酵所產生的揮發性芳香類物質，當溫度過高時會影響風味物質的釋放［18］。為避免產品喪失特征風味，綜合黏度和風味兩個方面考慮，無增稠劑開菲爾合適的發酵溫度選擇為34℃。

2.1.4發酵時間對黏度的影響發酵乳的發酵時間主要與所使用的發酵劑類型相關，如常規發酵乳的發酵時間普遍在4～10h左右，而開菲爾的發酵時間則普遍在12～35h左右，前者使用的是嗜熱型乳酸菌而后者使用的是嗜溫型乳酸菌［2，19］。

在發酵乳制備過程中，熱處理促使乳清蛋白變性并通過硫化橋與酪蛋白連接，隨后的發酵過程中需保證充足的發酵時間讓體系pH降低至酪蛋白等電點（4.4～4.5），酪蛋白才能聚集交聯形成致密的凝膠網絡，從而防止產品在保質期內脫水收縮，提高產品黏度。同時，充足的發酵時間有助于積累由乳酸菌代謝分泌的胞外多糖，進一步提升產品的黏度。實驗研究了發酵時間對無增稠劑開菲爾黏度的影響，結果見圖4。

圖4　發酵時間對無增稠劑開菲爾的影響Fig.4　Effect of fermentation time on the viscosity of kefir without thickeners

實驗過程中，發酵14h即至酪蛋白等電點。由圖4可知，發酵時間在14～20h范圍內，黏度幾乎無變化，當發酵時間自20h延長至26h時，黏度值加速遞增，這可能是由于此段時間是乳酸菌胞外多糖產量累積的高峰期，因此黏度提升較為明顯。隨后，繼續延長發酵時間至29h，開菲爾的黏度值出現一定程度的下降，這是由于持續的發酵導致乳酸菌所分泌的蛋白酶持續作用于蛋白質的亞基結構，導致酪蛋白凝膠網絡松散、凝乳的凝膠強度降低，進而引起產品的黏度下降［20］。綜合圖4可知，合適的發酵時間為26h。

2.2正交實驗結果與分析

單因素實驗結果表明，均質壓力、菌種添加量、發酵溫度及發酵時間對無增稠劑開菲爾的黏度均有一定的影響。為研究各因素之間的相互作用，提升無增稠劑開菲爾的質構穩定性，在單因素的實驗基礎上通過正交實驗設計，對各項無增稠劑開菲爾的工藝參數進行優化，正交實驗結果見表2。

由極差分析可知，各因素對無增稠劑開菲爾的黏度影響次序為B＞C＞D＞A，即菌種添加量在四個因素中影響最大，發酵溫度的影響次之，發酵時間和均質壓力的影響較小，最佳組合為A3B2C2D2。然而，通過表2分析發現發酵時間D1與D2的K值K1與K2十分接近，即發酵時間23h和26h對黏度影響不大，考慮到節約能耗以及提高設備周轉等因素，選取D1為最佳值。由此，在表2基礎上優化后的最佳組合為A3B2C2D1，即原料乳均質壓力21MPa，菌種添加量0.07g/kg，發酵溫度34℃，發酵時間23h。經驗證實驗顯示，此參數下無增稠劑開菲爾黏度可達（0.768±0.04）Pa·s。

表2　L9（34）正交實驗結果Table 2　L9（34）results of orthogonal test

2.3無增稠劑開菲爾與市售酸奶對比分析

對經優化后的無增稠劑開菲爾及市售常規酸奶進行各項指標檢測，結果見表3。

由表3分析可知，無增稠劑開菲爾的黏度與含增稠劑的市售酸奶相近，具有良好的穩定性和稠厚度。就酸感而言，無增稠劑開菲爾因采用嗜溫型乳酸菌發酵，酸感更為溫和；就所含的菌群分析可知，市售酸奶不含乳酸乳球菌及腸膜明串珠菌，無增稠劑開菲爾中菌群更為豐富。兩者的風味差異較大，這源于主要風味物質的分布模式不同。綜上，經優化后的無增稠劑開菲爾的黏度可與添加增稠劑的市售酸奶相媲美，且具有特殊的口感風味及益生菌群。

表3　無增稠劑開菲爾與市售酸奶的特征對比Table 3　The comparison on characteristics between kefir without thickeners and commercial yogurt

3　結論

在無增稠劑開菲爾的生產過程中，均質壓力、菌種添加量、發酵溫度及發酵時間均對產品的質地粘度有一定影響。研究得到無增稠劑開菲爾的關鍵工藝參數的合理控制點為：均質壓力21MPa，菌種添加量0.07g/kg，發酵溫度34℃，發酵時間23h。該條件下的無增稠劑開菲爾粘度達（0.768±0.04）Pa·s。優化后的無增稠劑開菲爾黏度可與市售含增稠劑的酸奶產品相媲美，一定程度上改善了無增稠劑體系下產品的貨架期穩定性。無增稠劑開菲爾的研發符合時下消費者對天然健康的訴求，本研究對實際生產具指導意義。

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Research and development of kefir without thickeners

WANG Hao1，YANG Bo-wei2，XU Zhi-yuan1，LIU Zhen-min1，ZHANG Hui3
（1.State Key Laboratory of Dairy Biotechnology，Technology Center，Bright Dairy&Food Co.Ltd.，Shanghai 200436，China；2.State Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；3.Shanghai Deno Products Testing Service Co.，Ltd，Shanghai 200436，China）

The effects of homogenization pressure，additive amount of starter culture，fermentation temperature and fermentation time on texture of kefir without thickeners were investigated by single-factor trial in which the viscosity was selected as the evaluating index.The optimal parameters obtained by orthogonal test were as follows：homogenization pressure 21MPa，additive amount of starter culture 0.07g/kg，fermentation temperature 34℃，fermentation time 23 hours.The viscosity of kefir without thickeners reached 0.768Pa·s under optimal condition，hence not only the texture and stability of end product were improved significantly during storage，but also the typical flavor and probiotics were retained thoroughly.

no thickeners；kefir；viscosity

TS252.54

A

1002-0306（2015）14-0189-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.031

2014－10－13

王豪（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：乳品科學與技術。

國家“十二五”科技支撐計劃（2012BAD28B07）；國家農業科技成果轉化資金項目（2013GB2C000153）。