瓊脂-牛乳蛋白酸凝膠微流變特征研究

孫 健 牛天嬌 常圓圓 羅 潔 張 昊 李 媛

(1.中國農業大學食品科學與營養工程學院， 北京 100083； 2.蒙牛高科乳制品(北京)有限責任公司， 北京 101107；3.哈爾濱工業大學化工與化學學院， 哈爾濱 150001)

0 引言

酸奶在運輸過程中的脫冷和顛簸會引起其在銷售過程出現乳清析出、凝塊不結實等問題，由于多糖的保水性和增稠性，添加適量多糖可以增強酸誘導蛋白凝膠的凝膠強度，有效改善酸奶的乳清析出和凝塊不結實問題[1-2]。瓊脂是一種親水性多糖，在高溫溶液中為單螺旋結構，隨著溫度降低，分子轉變成雙螺旋結構并通過氫鍵相互連結，形成三維網狀結構[3-4]。目前關于瓊脂在酸奶中的應用研究多從力學流變和質構儀方面分析瓊脂或者含有瓊脂的復配穩定劑對牛乳發酵形成凝膠過程的影響[5-6]，尚未有瓊脂對酸奶整個發酵和冷卻過程的研究。

微流變學是通過追蹤體系中粒子運動來表征樣品的黏彈性變化，可在不破壞樣品的前提下研究樣品流變特性，其靈敏度高于機械流變學，現其已成功用于研究凝乳酶誘導的酪蛋白凝膠流變特性[7-8]。流變動力學可以反映酸奶流變學特性隨時間的變化規律，酸奶發酵過程中的流變特性影響酸奶質構，進而影響口感。通過流變動力學對酸奶發酵過程進行描述，可以實現對酸奶產品凝膠強度等的預測，為工業生產提供理論基礎。目前，關于酸奶發酵過程流變動力學性質的研究尚未見報道，本文使用微流變測試手段，對瓊脂-脫脂乳混合體系的發酵冷卻過程進行研究，通過考察不同體系黏彈性隨時間的變化關系，建立瓊脂-牛乳蛋白混合體系特性發酵流變動力學模型，為瓊脂在酸奶中的生產應用提供必要的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫脂乳粉(丹麥Arla Food Ingredients公司，蛋白質量分數32.6%)，瓊脂(青島利邦達海洋科技有限公司)，菌種YO-MIX 387 LYO(丹麥Danisco公司)。

ALC-210型分析天平(德國Acculab公司)，DK-8B型電熱恒溫水浴鍋(上海精宏實驗設備有限公司)，APV-1000型均質機(德國APV公司)，SW-CJ-2FD型超凈臺(蘇景集團蘇州安泰空氣技術有限公司)，SKP028型電熱恒溫培養箱(上海福瑪實驗設備有限公司)，PHMS-410605型 pH計(瑞士Mettler Toledo公司)，Rheolaser LAB型微流變儀(法國Formulaction公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1瓊脂-脫脂乳體系制作

稱取12 g脫脂奶粉，緩慢加入到88 g蒸餾水中，45℃攪拌30 min后轉移至4℃冰箱靜置12 h，完成復原乳的制備。取出復原乳，恢復室溫(20℃)后置于磁力攪拌器上，中速攪拌。稱取一定質量的瓊脂，緩慢加入到正在磁力攪拌的燒杯中進行初步分散。將初步分散結束的瓊脂-復原乳溶液用保鮮膜封口，置于90℃帶水浴鍋中，磁力攪拌加熱1 h，即溶解完畢，隨后將樣品冷卻至42℃，加入0.004 U的菌種YO-MIX 387LYO，攪拌均勻備用。

1.2.2微流變特性測試

取出配置好的瓊脂-脫脂乳溶液20 mL，轉移至微流變儀專用樣品池中，將樣品池插入微流變儀，運行測量程序，分析瓊脂-牛乳蛋白酸凝膠的形成過程。溫度設置：0～5 h為42℃，5 h時設置為10℃。

1.2.3流變特性和動力學模型參數分析

顆粒的均方位移(MSD)是樣品粒子散射軌跡的平均值。MSD曲線可以直接從微流變儀中得到，從MSD曲線可以得到樣品相關信息，如彈性因子(EI)、黏性因子(MVI)和晶格尺寸[7]。

1.3 統計分析

實驗重復3次，數據結果以“平均值±標準差”的形式表示。利用軟件SPSS 21.0進行Duncan’s判斷：P<0.05判斷為顯著性差異；P≥0.05判斷為不顯著。

2 結果與分析

2.1 瓊脂-脫脂乳混合凝膠彈性因子變化

圖1為在恒溫發酵過程中，沒有添加瓊脂的脫脂乳樣品和添加不同質量分數瓊脂的樣品凝膠表征結構生成的EI值隨時間的變化曲線。EI與凝膠彈性變化一致，EI值越大，凝膠的彈性越強，EI與凝膠的性質(如網格大小、硬度、凝膠化過程的速度、剪切后恢復程度)有關[9]。從圖1可以看出，同一樣品的EI值在發酵初期(發酵約3 h內)并無明顯變化。這說明在發酵初期酪蛋白的結構并無變化，沒有酪蛋白和瓊脂網絡結構形成。有研究表明，在脫脂乳發酵的初級階段，膠體中的磷酸氫鈣由于pH值的逐漸降低開始逐漸溶解，造成酪蛋白膠束融合，酪蛋白離解和重排，這一過程是膠體磷酸鈣在凝膠網絡中溶液化的過程[10]，添加瓊脂并沒有對這一過程產生影響。

圖1 不同質量分數瓊脂對酸奶發酵過程彈性因子的影響Fig.1 Effect of agar concentration on EI of yoghurt fermentation

相分離動力學和凝膠動力學將決定混合體系在酸化結束時的流變學狀態[11-12]。隨著發酵時間的增加(發酵3 h后)，體系的pH值繼續下降，所有樣品EI值開始明顯增加。大約在30 min后，凝膠的EI增加速度才逐漸變緩和，不同濃度對于凝膠快速形成階段的起始和結束時間沒有明顯影響，由此可以得出在恒溫發酵階段，添加瓊脂質量分數在0.025%～0.5%范圍內時，瓊脂和熱脫脂乳中的蛋白質形成互溶體系，兩者沒有相互作用。

圖2為酸奶在冷卻放置后熟階段，EI隨時間變化的曲線。在冷卻后熟階段的溫度遠低于瓊脂的凝膠點(此溫度下，質量分數為0.025%的瓊脂不形成凝膠)。在初期階段，所有樣品表征結構的EI均有所增加，并且凝膠的EI值隨添加瓊脂濃度的增加而增加，但樣品的EI值隨后熟時間變化不明顯。這表明瓊脂(質量分數0.025%～0.5%)能夠增強凝膠強度，并且在后熟階段對樣品的結構無明顯影響，該結果與ROCHA等[13]研究乳清蛋白-刺槐豆膠凝膠結果相似。

圖2 不同質量分數瓊脂對酸奶冷藏后熟過程彈性因子的影響Fig.2 Effect of agar concentration on EI of yoghurt cold storage

當瓊脂質量分數為0.025%時，瓊脂的添加使得樣品EI值增加，這是由酪蛋白膠束和瓊脂分子之間的排空相互作用所引起的。當兩個酪蛋白膠束粒子相互靠近時，它們的排空層開始重疊，聚合物被排除出粒子間的重疊區域，溶液中和粒子重疊區域間聚合物的濃度存在差異，導致了酪蛋白膠束粒子間的有效吸引增強，從而表現為EI增加[14]。當瓊脂質量分數在0.05%～0.5%范圍內時，瓊脂的增加使得樣品EI增加，可能有兩方面原因：一方面，酪蛋白膠束和瓊脂分子之間存在排空相互作用；另一方面，由于瓊脂分子在高溫是舒展的，隨著溫度下降，瓊脂分子收縮，形成質點，其可以均勻分散在酪蛋白凝膠的網絡結構中，隨著溫度的降低，瓊脂質點之間發生相互作用并形成連續的網絡結構[15]。

2.2 瓊脂-脫脂乳混合凝膠黏性因子變化

由圖3可知，發酵前3 h樣品的網絡結構尚未形成(EI值無明顯變化)，此時瓊脂-脫脂乳混合體系的MVI值顯著高于脫脂乳體系，表明瓊脂增加了未形成凝膠時樣品黏度，這是由于瓊脂自身具有增稠性。網絡結構形成后各個樣品的MVI值無顯著性差異，這可能是由于在3 h之后樣品開始形成凝膠，樣品的MVI值急速增加并且在數值上明顯高于瓊脂自身的MVI值(P<0.05)，此時瓊脂的添加引起的MVI變化不明顯。

圖3 不同質量分數瓊脂對酸奶發酵、冷藏后熟過程黏性因子的影響Fig.3 Effect of agar concentration on MVI of yoghurt fermentation and cold storage

2.3 瓊脂-脫脂乳混合凝膠網格晶格尺寸的變化

由圖4可知，在恒溫發酵初期凝膠的晶格尺寸無明顯變化，隨后隨著發酵時間的增加，晶格尺寸急劇減小，晶格尺寸越小，凝膠彈性越大，表明酸凝過程中網絡結構形成，并越來越細致緊密[16]。這是由于隨著溫度的下降，形成的瓊脂的質點增多，瓊脂之間相互靠近形成分子間氫鍵，構成瓊脂的網絡結構。瓊脂凝膠結構填充了酪蛋白凝膠的空間，使酪蛋白凝膠的網絡孔隙尺寸進一步減小，彈性增加[17]。

圖4 不同質量分數瓊脂對酸奶發酵、冷藏后熟過程晶格尺寸的影響Fig.4 Effect of agar concentration on mesh size of yoghurt fermentation and cold storage

2.4 瓊脂-脫脂乳混合凝膠動力學分析

酸奶中的酪蛋白和瓊脂形成凝膠的過程中，瓊脂分子和酪蛋白相互纏繞，未參與纏繞的分子鏈逐漸減少，最終形成了具有空間網絡結構的凝膠，從而影響到相應的流變學特性。實驗數據得出的EI變化曲線可以用類似非牛頓流體Cross模型的流變動力學方程很好地擬合[18]，即

式中E0——初始彈性因子，nm-2

Emax——終態彈性因子，nm-2

E——實驗測定的彈性因子，nm-2

k——發酵過程結構變化速率常數，h-1

n——依賴系數

t——時間，h

瓊脂-脫脂乳混合體系的交聯流變動力學方程模型參數值如表1所示。通過此模型擬合獲得的決定系數R2均不低于0.970，證明模型適用。

表1 流變動力學方程擬合參數Tab.1 Parameters of rheological kinetic equation

注：同一列不同字母表示有顯著性差異(P<0.05)。

由圖5和表1可以看出，改變瓊脂的濃度對脫脂乳體系的交聯過程影響有兩部分。隨著瓊脂濃度的增加，交聯結束時體系的彈性因子增加，這是由于較高濃度瓊脂酸奶的凝膠更加致密和粗壯[19-20]。當瓊脂質量分數大于等于0.1%時，瓊脂濃度的增加使交聯體系的初始彈性因子增大，這時因為在瓊脂濃度增大后，由于瓊脂自身具有的黏彈性使得混合體系溶液的彈性增強，初始EI值增大[21]。

圖5 不同質量分數瓊脂下體系EI隨時間變化規律Fig.5 Changes of EI in different agar concentrations system

當瓊脂質量分數小于等于0.05%時，k值隨著瓊脂的增加而降低，這可能是由于瓊脂的加入增加了體系的粘度，從而降低了蛋白質網絡結構形成的速度，這與BI等[1]研究含有不同濃度刺槐豆膠的大豆分離蛋白-刺槐豆膠凝膠過程的結果一致。從表1中可以看出，隨著瓊脂濃度的增加，k減小，這表明瓊脂濃度對酸奶的交聯速度有影響，在一定范圍內(質量分數0～0.5%)，瓊脂濃度增大降低了蛋白之間的有效碰撞幾率，從而結構變化速率常數變低。

3 結束語

采用微流變儀研究了瓊脂-脫脂乳混合體系凝膠特征。結果表明，瓊脂-脫脂乳混合酸凝膠和脫脂乳酸凝膠的恒溫發酵彈性因子變化趨勢相似，但瓊脂會增強混合凝膠冷卻后熟階段的彈性因子；瓊脂-脫脂乳混合體系的黏性因子僅在未形成凝膠網絡前比脫脂乳凝膠高，在恒溫發酵的其他時間和冷卻后熟階段二者無顯著差別。由此可以得出，添加瓊脂可以增加凝固型酸奶的凝膠強度，但對其發酵過程并無顯著影響。酸奶的最終食用特性與發酵過程中的流變特性密切相關，流變動力學揭示了酸奶的流變學特性隨時間的變化規律。利用微流變技術對酸奶發酵過程進行描述，可以更好地掌握和預測酸奶流變特性，為工業生產提供理論基礎。

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