基于微流變學技術(shù)分析不同脂肪含量對發(fā)酵乳特性的影響

張 婷，王 丹，趙 謙，張文秀，白 梅，孫志宏，于 潔

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學乳品生物技術(shù)與工程教育部重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶制品加工重點實驗室/內(nèi)蒙古自治區(qū)乳品生物技術(shù)與工程重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

全脂發(fā)酵乳因其口感良好、乳香濃郁，目前仍是市場上的主導產(chǎn)品[1]。隨著相關(guān)醫(yī)療水平的進步以及膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整，人們對超重和肥胖引發(fā)的慢性病愈發(fā)重視，越來越多的消費者關(guān)注健康低脂的食品，加之我國乳制品人均消費正逐年增加，因此，對低脂和無脂發(fā)酵乳的需求也越來越強烈[2]。脂肪是一種重要的風味前體和風味載體，它影響著風味分子在食物內(nèi)部的空間分布，乳制品的風味不僅與乳脂肪球主要的脂肪酸組成有關(guān)，還可能與乳脂肪球狀膜有關(guān)，乳脂肪以液滴狀脂肪球的形式分散在乳中，其直徑為4～5 μm，以甘油三酯、膽固醇、磷脂以及其他脂類形式存在[3]。乳脂肪含量與發(fā)酵乳的組織狀態(tài)有著密切聯(lián)系，不同脂肪含量會影響發(fā)酵乳內(nèi)部的空間分布，從而會影響發(fā)酵乳的流變特性、質(zhì)構(gòu)特性等，低脂或無脂發(fā)酵乳的總固體含量通常較低，可能會表現(xiàn)出較差的質(zhì)地、低黏度、高脫水性和不良的口感[4]。微流變儀采用動態(tài)激光散射的擴散波光譜學（Diffusing Wave Spectroscopy，DWS）技術(shù)，動態(tài)追蹤檢測樣品中微粒的熱運動，可在不干擾樣品的狀態(tài)下測定樣品的流變學特性[5]，目前已有不少將微流變技術(shù)應用到發(fā)酵乳中的相關(guān)研究，但不同脂肪含量發(fā)酵乳的微流變學研究卻鮮有報道。

本研究以全脂（3.4%）、低脂（1.4%）和無脂（0.09%）發(fā)酵乳為研究對象，采用動態(tài)激光光散射的擴散波光譜學技術(shù)研究發(fā)酵過程中的微流變學特性，并通過酸度、持水性和黏度等分析其貯藏特性，為開發(fā)符合市場需求的不同脂肪含量發(fā)酵乳提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 材料本試驗所用的YF-L922商業(yè)發(fā)酵劑購自科漢森公司（中國），包含嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌；全脂乳粉（新西蘭NZMP）；脫脂乳粉（新西蘭NZMP）；白砂糖（廣西鳳糖有限公司）。

1.1.2 儀器與設備高壓均質(zhì)機（SRH60-70），上海申鹿均質(zhì)機有限公司；黏度計（DV2T），美國Brookfield公司；質(zhì)構(gòu)儀（TA-XT plus），英國Stable Micro System公司；微流變分析儀（Rheolaser Master型），法國Formu-laction儀器公司；超凈工作臺（SJ-CJ-2FDQ），蘇州蘇潔凈化設備有限公司；雷磁pH計（pHSJ-3F），上海精密科學儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋（HH-21-6），天津知著科技有限公司；生化培養(yǎng)箱（LRH-250），上海一恒科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同脂肪含量發(fā)酵乳制備配制全脂組（全脂乳粉13%，蒸餾水80.5%）、低脂組（全脂乳粉5.1%，脫脂乳粉5.6%，蒸餾水82.8%）、無脂組（脫脂乳粉9.7%，蒸餾水83.8%），各組均添加6.5%白砂糖，然后轉(zhuǎn)移至50℃水浴鍋中靜置水合30 min，加熱至65℃，20 MPa均質(zhì)后，95℃殺菌5 min，冷卻至42℃，接菌后置于42℃發(fā)酵。Fat≥3.1%為全脂發(fā)酵乳，F(xiàn)at在1%～2%為低脂發(fā)酵乳，F(xiàn)at＜0.5%為無脂發(fā)酵乳[6]，各組發(fā)酵乳中蛋白質(zhì)含量均為3.1%。

1.2.2 發(fā)酵期間流變學特性檢測使用光學微流變儀測定發(fā)酵期間樣品的流變學特性，取20 mL樣品置于微流變儀專用上樣瓶中，隨后放入微流變樣品槽，設置溫度為42℃，動態(tài)監(jiān)測不同脂肪含量發(fā)酵乳在發(fā)酵過程中的彈性因子（Elasticity index，EI）、黏性因子（Macroscopic viscosity index，MVI）和固液平衡值（Solid liquid balance，SLB）的變化。

1.2.3 質(zhì)構(gòu)特性分析使用質(zhì)構(gòu)儀測定不同脂肪含量發(fā)酵乳在后熟1、7、14、21 d的硬度、稠度、內(nèi)聚性和黏度指數(shù)的變化情況。使用稱重傳感器進行單次壓縮循環(huán)試驗來測量發(fā)酵乳樣，探頭選用A/BE，測試前速1.5 mm/s，測試中速1.0 mm/s，測試后速1.5 mm/s，初始應力2.0 g，壓縮程度20%，壓縮時間5 s，測試距離20 mm。

1.2.4 貯藏期穩(wěn)定性分析

1.2.4.1 pH值及滴定酸度的測定分別于1、7、14、21 d測定發(fā)酵乳的pH值和滴定酸度。pH值測定：取4℃條件下貯藏的樣品恢復至室溫，采用pHSJ-3F pH計測定發(fā)酵乳樣品pH值，每組3個平行。滴定酸度的測定[7]：酸度測定按照國標食品酸度的測定GB 5009.239—2016中規(guī)定的酚酞指示劑法進行檢測。

1.2.4.2 持水力測定將1、7、14、21 d貯藏于4℃發(fā)酵乳放置恢復室溫后，取20 g發(fā)酵乳放于下方放置錐形瓶的漏斗中，濾紙緊貼于漏斗壁上，在室溫下靜置120 min，通過收集濾液后稱量開始靜置與完成靜置時的瓶質(zhì)量之差，進行數(shù)據(jù)記錄，最后通過計算得出樣品持水力。

1.2.4.3 黏度測定分別將1、7、14、21 d發(fā)酵乳樣品放至室溫后，采用黏度儀4號轉(zhuǎn)子進行測定，轉(zhuǎn)速為100 r/min，扭矩為10%～100%，時間為30 s，平行測定3次，記錄平均值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

微流變學數(shù)據(jù)采集使用自帶Rheolaser Master1.3.2.0分析；所有圖表采用Orgin 2021繪制；試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析，P＜0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 微流變特性

彈性因子（EI）可用于描述樣品彈性特征，監(jiān)測樣品彈性隨時間的變化。EI值越大，樣品的凝膠結(jié)構(gòu)越強，樣品越穩(wěn)定[8]。發(fā)酵乳在發(fā)酵過程中的EI值如圖1所示，在發(fā)酵開始約至3 h左右，各組發(fā)酵乳樣品EI值變化趨于穩(wěn)定，是因為在發(fā)酵初期樣品表現(xiàn)為低黏度、低彈性、高流動性的狀態(tài)。3 h后，無脂發(fā)酵乳樣品首先凝膠化，約30 min后全脂和低脂發(fā)酵乳樣品幾乎同時到達凝膠點，說明脂肪含量極低可加快發(fā)酵乳凝乳速率。凝膠化開始后，不同脂肪含量的發(fā)酵乳樣品EI值都垂直快速上升，無脂發(fā)酵乳發(fā)酵至3.5 h左右，其余2組發(fā)酵乳發(fā)酵至4 h左右，較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)初步形成，各組樣品進入高彈性階段，隨后EI值出現(xiàn)一定差異變化，其中全脂發(fā)酵乳EI值處于最高水平，說明其具有更高的彈性，凝膠結(jié)構(gòu)最強，樣品更穩(wěn)定，其余2組樣品凝膠結(jié)構(gòu)較弱，穩(wěn)定性較差。

圖1 不同脂肪含量發(fā)酵乳在發(fā)酵過程中彈性因子、黏度因子及固液平衡值的變化Fig.1 The elastic index，macroscopic viscosity index and solid liquid balance of fermented milk with different fat contents during the fermentation

由圖1可知，發(fā)酵初期所有樣品MVI值較小，此時發(fā)酵乳處于低黏度的液體狀態(tài)；與EI值一致，3 h后無脂發(fā)酵乳最先到達拐點，而后MVI值垂直快速上升，酪蛋白膠束開始聚集，相互連接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，初步形成較為穩(wěn)定的凝膠體系[9]。隨后，各組樣品MVI開始無規(guī)則波動，可能是因為在發(fā)酵過程中pH值持續(xù)下降，引起發(fā)酵乳乳清析出，導致其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[10]。其中全脂發(fā)酵乳在發(fā)酵后期MVI值低于另外2組，表明隨著發(fā)酵時間的延長，低脂和無脂發(fā)酵乳的黏稠性要高于全脂發(fā)酵乳。同時低脂和無脂組的MVI值此起彼伏，可能是由于蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡中脂肪的損失會改變蛋白質(zhì)基質(zhì)和結(jié)構(gòu)，使2組發(fā)酵乳樣品的黏稠性呈不規(guī)律變化。

SLB值與發(fā)酵乳的黏彈性成正比，SLB從0～0.5表示發(fā)酵乳是彈性的或固體狀，0.5～1表示發(fā)酵乳是黏性的或液體狀[11]。由圖1可知，在發(fā)酵初期，發(fā)酵乳樣品的SLB均處于波動狀態(tài)，是因為隨著pH值的下降，導致酪蛋白膠束所帶凈負電荷變少，膠束之間的靜電斥力降低，從而影響酪蛋白膠束的穩(wěn)定性[12]，此時樣品為液體性質(zhì)。與EI值和MVI值結(jié)果一致，各組發(fā)酵乳樣品在3.5 h左右相繼出現(xiàn)拐點，SLB值較前期變化幅度趨于平緩，在0.2～0.6，說明各組發(fā)酵乳樣品在凝膠之后結(jié)構(gòu)趨向于固體性質(zhì)，隨著pH值的降低最終形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在發(fā)酵結(jié)束后，全脂、低脂、無脂發(fā)酵乳樣品的SLB值 分 別 為0.49、0.57、0.52，全 脂 發(fā) 酵 乳 樣 品SLB值最低，表明該發(fā)酵乳樣品較其余2組樣品的結(jié)構(gòu)更趨向于固體特性，低脂和無脂發(fā)酵乳與其相比偏液態(tài)。

2.2 質(zhì)構(gòu)特性

發(fā)酵乳的質(zhì)構(gòu)特性一般包括硬度、稠度、內(nèi)聚性、黏附性等參數(shù)。硬度是通過模擬探頭測試過程中受到的最大力，得到硬度值，發(fā)酵乳硬度值越高，表明發(fā)酵程度越好。稠度是發(fā)酵乳內(nèi)部摩擦力大小的體現(xiàn)。內(nèi)聚性是探頭回縮時受到的負向最大力，計算所得為發(fā)酵乳樣品內(nèi)部結(jié)合力大小。黏度指數(shù)是指探頭單循環(huán)復位時受到的力與時間所形成的負峰面積，為發(fā)酵乳樣品的黏著力[13]。從圖2可以看出，在貯藏期間，全脂發(fā)酵乳的硬度、稠度、內(nèi)聚性、黏度指數(shù)顯著高于其余2組樣品（P＜0.05），在1 d時全脂發(fā)酵乳的各項質(zhì)構(gòu)指標最高，硬度為（28.63±1.09）g、稠度為（231.83±9.90）g·s、內(nèi) 聚 性為（24.35±0.76）g、黏度指數(shù) 為（23.21±0.51）g·s。值得注意的是，在1～7 d時無脂發(fā)酵乳各項指標顯著高于低脂發(fā)酵乳，有研究表明，由于脂肪的缺失，在一定程度上使蛋白網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更好的填充，使得這些網(wǎng)絡更加緊密，同時其相互之間形成了更強的作用力或內(nèi)部鍵，酪蛋白之間形成凝膠骨架結(jié)構(gòu)要致密[14]。YAZICI等[15]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪含量0.5%的發(fā)酵乳的硬度大于脂肪含量2%的發(fā)酵乳。結(jié)果表明，在貯藏期間脂肪含量會對發(fā)酵乳質(zhì)構(gòu)產(chǎn)生影響，但其產(chǎn)生影響不規(guī)律，具體變化規(guī)律還有待進一步考究。

圖2 貯藏期間質(zhì)構(gòu)的變化Fig.2 The change of texture during storage

2.3 貯藏穩(wěn)定性

2.3.1 持水力持水力大小與凝膠網(wǎng)絡的相互作用、微觀結(jié)構(gòu)以及施加外力大小等有關(guān)[16]。發(fā)酵乳中的脂肪經(jīng)過均質(zhì)，直徑＜2 μm，不僅可以有效地控制發(fā)酵乳貨架期脂肪的上浮；同時，由于酪蛋白和脂肪球膜相互作用，增加了親水性、提高了發(fā)酵乳的持水力[17]。貯藏期間各樣品持水力的變化如圖3所示。

圖3 貯藏期間持水力的變化Fig.3 The change of water holding capacity during storage

從圖3可以看出，在貯藏期間各組發(fā)酵乳持水力呈上升趨勢，其中，全脂發(fā)酵乳的持水力在貯藏期間均在55%以上，要顯著高于低脂和無脂發(fā)酵乳（P＜0.05），持水力的大小體現(xiàn)出發(fā)酵乳乳清析出的程度，這與之前研究一致，脂肪的減少會導致發(fā)酵乳乳清的析出，較高的脂肪含量有助于酪蛋白膠束間的相互作用而形成更加穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[18]，說明低脂和無脂發(fā)酵乳穩(wěn)定性較全脂發(fā)酵乳更弱，乳清析出較多。在第21天時，全脂、低脂、無脂發(fā)酵乳樣品持水力分別為59.88%、51.5%、50.4%，低脂發(fā)酵乳脂肪含量較全脂發(fā)酵乳下降了58.8%，其持水力降低了8.38%，而無脂發(fā)酵乳脂肪含量接近于0，較全脂組減少了97%，持水力下降了9.48%，低脂組與無脂組持水力相差不大，說明脂肪含量減少到一定程度時，對發(fā)酵乳的持水力下降幅度影響不大。

2.3.2 黏度黏度是影響發(fā)酵乳品質(zhì)主要指標之一，其中原料乳中的干物質(zhì)含量對發(fā)酵乳的黏度有顯著的影響，牛乳中含脂量增加，其總固形物含量顯著增加[19]。由圖4可知，各組樣品在1～14 d黏度呈上升趨勢，而后呈下降趨勢，究其原因可能是在低溫貯藏過程中，促使發(fā)酵乳產(chǎn)品由于加工過程而分離的凝乳微粒重新凝聚到凝乳微粒的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，從而黏度增加，14～21 d各組樣品黏度下降，是因為隨著貯藏時間的延長，膠體磷酸鈣不斷溶解，蛋白質(zhì)膠體結(jié)構(gòu)被破壞，導致其黏度下降[20]。在貯藏期間各組樣品的黏度由高到低依次為全脂發(fā)酵乳、低脂發(fā)酵乳、無脂發(fā)酵乳，發(fā)酵乳黏度隨著脂肪的增加而逐漸增加，由于蛋白質(zhì)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的脂肪球改善了水的結(jié)合能力，酪蛋白與脂肪球膜相互作用，導致黏度增加[21]，同時低脂和無脂組由于脂肪的缺失導致固形物含量下降，從而黏度下降。

圖4 貯藏期間黏度的變化Fig.4 The change of viscosity during storage

2.3.3 pH值和滴定酸度pH值和滴定酸度影響發(fā)酵乳制品的質(zhì)量。由圖5可知，隨著貯藏時間的延長，各組發(fā)酵乳樣品的pH呈下降趨勢，全脂、低脂、無 脂 發(fā) 酵 乳 在1 d時pH值 分 別 為4.55、4.45、4.40，至第21天的pH值分別降低了5.1%、4.9%、4.5%，說明pH值下降的幅度為全脂發(fā)酵乳＞低脂發(fā)酵乳＞無脂發(fā)酵乳，可能由于脂肪的存在，使得乳酸菌在發(fā)酵乳中分布均勻、營養(yǎng)充分、代謝速度加快，加速乳糖分解產(chǎn)生乳酸[22]。由圖5可知，各組發(fā)酵乳樣品滴定酸度隨著貯藏時間的延長逐漸升高，在第1天時全脂、低脂、無脂發(fā)酵乳滴定酸度分別為89.00、83.67、93.33 °T，其中，無脂發(fā)酵乳的初始滴定酸度最高，可能是因為樣品在制備過程中水分含量最高[18]，在貯藏結(jié)束后，全脂、低脂、無脂發(fā)酵乳的滴定酸度分別為26.50、22.83、21.67 °T，全脂發(fā)酵乳變化幅度最大，是因為脂肪含量越高，其游離脂肪酸成分越高，使發(fā)酵乳滴定酸度升高程度更大[19]。

圖5 貯藏期間pH值和滴定酸度的變化Fig.5 Changes in pH and titratable acidity during storage

3 結(jié)論與討論

本研究通過分析不同脂肪含量發(fā)酵乳（3.4%、1.4%、0.09%）的微流變特性及其在貯藏期間的質(zhì)構(gòu)特性、持水力、黏度、pH值和滴定酸度的變化。結(jié)果表明，在發(fā)酵期間，無脂發(fā)酵乳最先發(fā)生凝膠化，其發(fā)酵時間最短，說明脂肪含量極低可加快發(fā)酵乳凝乳速率。在發(fā)酵后期，無脂和低脂發(fā)酵乳表現(xiàn)出彈性更低、黏度偏高的弱凝膠結(jié)構(gòu)，較全脂發(fā)酵乳結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定。在貯藏過程中，低脂和無脂發(fā)酵乳的持水力、黏度以及質(zhì)構(gòu)指標中硬度、稠度、內(nèi)聚性、黏附性等參數(shù)均顯著低于全脂發(fā)酵乳（P＜0.05），貯藏穩(wěn)定性較差。

本研究除測定不同脂肪含量發(fā)酵乳的貯藏特性外，還使用微流變學分析在發(fā)酵過程中脂肪含量對發(fā)酵乳的影響，以期為低脂或無脂發(fā)酵乳的進一步開發(fā)提供新思路。但結(jié)果表明，低脂和無脂發(fā)酵乳在品質(zhì)上存在的缺陷還有待解決，后續(xù)研究可通過使用產(chǎn)胞外多糖菌種、添加脂肪替代物、添加穩(wěn)定劑等，改善低脂和無脂發(fā)酵乳品質(zhì)，減少乳清析出。