程欣玥,孫小茜,石靜靜,曾小群*,吳振,潘道東*
1(省部共建農產品質量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室,浙江 寧波,315800) 2(浙江省動物蛋白食品精深加工技術重點實驗室,浙江 寧波,315800) 3(寧波大學 食品與藥學學院,浙江 寧波,315800)
大部分酸奶是以牛乳為主要原料,采用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌等有益微生物發酵而成的發酵乳制品,是世界上消費最多的乳制品之一。它富含鈣、鉀、鎂、維生素B2、B6和B12等多種礦物質和維生素、以及維持人體健康所需的必需氨基酸,可提高乳糖耐受性、增強免疫功能和預防胃腸道疾病[1],酸奶以其獨特的風味、極高的營養價值深受人們青睞。
酸奶的凝膠特性是指酸奶中的大分子和膠體在一定條件下相互作用,形成內部含有大量液體的特殊網狀結構,其影響酸奶的硬度、黏附性、內聚性、彈性、膠黏性和保水性等質地指標。在酸奶特有的凝膠結構中, 變性酪蛋白顆粒非常規則地排成絞鏈形狀,堆積構成凝膠體網狀立體結構,網狀結構中間形成無數規則的空隙[2],這種結構與凝固型酸奶的質地密切相關。增強蛋白簇之間的連接以及縮小網絡結構的空隙可以增加酸奶的凝膠強度。酸奶加工與貯藏過程中的熱處理、過度酸化等, 都會影響酸奶凝膠結構的穩定性,導致酸奶出現常見的質地問題:凝膠強度較低、容易脫水收縮、黏稠度低和乳清析出等。
增稠劑一般屬于親水性高分子化合物,可通過水合形成高黏度的均相液體,提高黏稠度并改變凝膠特性。在酸奶中加入合適的增稠劑,通過水合及與酪蛋白相互作用來增加蛋白質分子的穩定性,可增強酸奶凝膠結構穩定性,有助于提高酸奶的黏度,減少儲存期間乳清分離,從而改善酸奶的質地特性,獲得更好的口感、外觀和可接受性[3]。
近年來,隨著食品添加劑的快速發展,以及消費者對酸奶品質要求的進一步提高,增稠劑在酸奶中的應用受到廣泛重視。國內外關于增稠劑在酸奶中的應用研究主要集中于增稠劑的來源、分類、特性,以及增稠劑對酸奶流變學、理化性質、微觀結構和感官特性的影響,關于增稠劑促進酸奶凝膠機理的系統分析未見報道。本文綜述了增稠劑的凝膠機理及其在酸奶中的應用的研究進展,旨在為提高酸奶的凝膠特性提供理論依據,促進我國酸奶產業更快更好地發展,提升我國乳品企業的國際競爭力。
酸奶增稠劑來源廣泛,如植物原料、動物組織、海藻類產品和天然原料合成的物質,常用的有淀粉、果膠、明膠、瓜爾豆膠、刺槐豆膠、菊粉、海藻酸鈉、卡拉膠、黃原膠、羧甲基纖維素、β-葡聚糖和阿拉伯膠等。不同離子類型的增稠劑促進酸奶凝膠的機理不同,按照離子類型分為陰離子增稠劑和中性增稠劑兩大類,它們的特性及應用如表1所示。

表1 酸奶中常用增稠劑的特性及應用Table 1 Characteristics and application of thickeners in yogurt
酸奶是含有乳蛋白、脂肪、水分、維生素和礦物質等成分的復雜體系,是典型的酸促凝膠。乳蛋白主要包括酪蛋白和乳清蛋白,其中酪蛋白占總蛋白質的80%[7]。酪蛋白的4種主要成分為:αs1-、αs2-、β-和κ-酪蛋白,分別約占酪蛋白的30%~40%、10%~15%、25%~40%和10%~15%。在鈣和無機磷酸鹽存在時,酪蛋白很容易結合或聚集,形成高度水合的海綿狀膠體顆粒,被稱為“酪蛋白膠束”,其含有94%的酪蛋白和6%的礦物質,主要為Ca3(PO4)2。HOME[14]提出的雙結合模型是目前最先進的酪蛋白膠束模型,該模型認為,αs1-、αs2-、β-酪蛋白之間可通過疏水作用力及膠體磷酸鈣(colloidal calcium phosphate,CCP)的交聯作用相互連接,形成酪蛋白膠束的核心部分。不含磷酸絲氨酸的κ-酪蛋白位于膠束表面,其不能與CCP交聯,在酪蛋白膠束的表面形成一層保護殼,從而使膠束穩定地存在于溶液中。“酪蛋白膠束”對酸奶凝膠網絡的構建十分重要。
酸奶在發酵酸化過程中,牛奶中的CCP被釋放到乳清相中,酪蛋白膠束外部的κ-酪蛋白層提供的空間排斥逐漸減少,達到酪蛋白的等電點(pI=4.6)后,酪蛋白膠束開始相互聚集,通過疏水和靜電相互作用形成三維乳蛋白凝膠網絡[15]。酸奶的凝膠結構是變性乳清蛋白和κ-酪蛋白分子之間的二硫鍵交聯、單個酪蛋白膠束之間的靜電排斥、膠束之間的疏水相互作用、乳清蛋白的自聚集和相互作用、非共價(氫鍵、靜電引力和偶極相互作用力)締合等復雜鍵合機制共同作用的結果,酸奶成分(蛋白質、脂肪和水分等)之間的相互作用也在一定程度上影響酸奶凝膠結構的形成。
離子官能團的存在會導致聚合物鏈間的相互作用,陰離子增稠劑的陰離子基團具有線性結構和帶電官能團,可與酪蛋白的氨基之間發生靜電作用形成復合物,故陰離子增稠劑比中性增稠劑促進酸奶凝膠的效果好。酪蛋白的氨基酸組成中,脯氨酸含量相對較高,而半胱氨酸含量較低,因此二級結構較弱,通常認為單鏈酪蛋白分子不存在特定的構象,而陰離子增稠劑可以和酪蛋白膠束共同形成三維凝膠網絡來維持水相,增強酪蛋白分子顆粒凝膠網絡的穩定性,防止酪蛋白絮凝,并抑制乳清的自由移動,達到提高酸奶的黏度及硬度、改善酸奶品質的效果[16-18]。
帶負電荷的親水膠體能與等電點附近或以下的帶正電荷的酪蛋白膠束相互作用,沉積在酪蛋白膠束上,作為活性成分參與酪蛋白網絡的構建,在親水膠體之間產生新的空間排斥,增強酪蛋白網絡穩定性,并減少脫水收縮,從而增強凝固酸奶的質構特性[19]。如:卡拉膠影響酸奶凝膠特性,歸因于其具有強陰離子性的半酯式硫酸鹽基團R-OSO3-,該基團對蛋白質的氨基具有較強的吸引力,可與酪蛋白膠束協同作用,有助于提高生物聚合物的相容性, 提高酸奶的黏度和凝膠特性。
果膠在酸奶中的應用較廣,現以果膠與酪蛋白膠束的相互作用為例,詳細說明陰離子增稠劑影響酸奶凝膠特性的機理。該過程大致可分為如下5個階段(圖1):(1)在天然牛乳(pH 6.7)中,酪蛋白膠束以酪蛋白-磷酸鹽聚合體的形式存在,由于膠束表面所帶負電荷形成的靜電斥力和位于酪蛋白膠束表層的κ-酪蛋白伸入水相的毛發層,所產生的空間位阻效應,使得酪蛋白膠束之間不能相互聚集,從而具有良好的穩定性,此pH下,酪蛋白膠束不能與果膠分子結合。(2)pH至6.7~5.8時,酪蛋白膠束的凈負電荷減少,膠束之間的靜電斥力下降,從膠束中解離出來的CCP很少,因此大體上酪蛋白分散體系保持穩定,但膠束上的礦物質開始釋放到溶液中,體系開始變得不穩定[7],此時,果膠分子仍未與酪蛋白膠束結合。(3)pH繼續下降至5.8~5.2時,酪蛋白膠束的凈電荷數量急劇減少,ζ電位逐漸降低,果膠開始影響酪蛋白膠束的構象,當pH降低到5.2附近時,ζ電位為零,膠束呈熔融狀態,CCP幾乎全部溶解,導致單體酪蛋白解離,解離單體酪蛋白之間的靜電斥力大大增加,出現含有鈣的酪蛋白沉淀,此時,果膠開始與酪蛋白結合。(4)pH為5.2~4.6時,Ca2+脫離,出現純酪蛋白沉淀,分子進行重排。此階段,酪蛋白整體凈電荷為零,κ-酪蛋白的毛發層結構完全坍塌,疏水相互作用增加,靜電斥力減小,空間位阻效應全部消失。此時,果膠分子的長鏈逐漸深入到酪蛋白表面,取代κ-酪蛋白并在酪蛋白表面形成空間位阻效應,阻止膠束之間的聚集沉淀,使體系保持穩定。(5)pH降至4.0時,酪蛋白帶正電荷,靜電斥力不足以維持酪蛋白穩定。此時,帶負電荷的果膠長鏈已深入到酪蛋白膠束表面,完全取代κ-酪蛋白的空間位阻效應,通過靜電吸引和空間位阻效應與酪蛋白形成緊密結合。

圖1 果膠與酪蛋白膠束相互作用示意圖[20]Fig.1 Schematic diagram of the interaction between pectin and casein micelles[20]
中性增稠劑與酪蛋白相互作用的機理主要有以下3個方面:一是中性增稠劑與酪蛋白聚集體之間沒有靜電相互作用,其形成的凝膠顆粒位于蛋白質聚集體外側,起著“填充劑”作用,通過填充凝膠網絡的空隙來增加酸奶連續相的黏度;另一方面,中性增稠劑和酪蛋白具有熱力學不相容性,其不能直接與酪蛋白膠束結合,但中性增稠劑的加入增加了酸奶中的總固體含量,從而提高了酸奶的凝膠強度;三是中性增稠劑有較高的水合性能,可截留水分,在整個酸奶體系中形成三維水合分子凝膠網絡,有助于提高酸奶的黏度,減少乳清析出[21]。
中性增稠劑不帶電,因此不受溶液pH值變化的影響,可提高其凝膠作用的穩定性。很多中性增稠劑需與其他增稠劑共同作用,才能形成凝膠產物,如刺槐豆膠和瓜爾膠等。陰離子增稠劑黃原膠與半乳甘露聚糖(如刺槐豆膠和瓜爾膠)之間存在協同作用,它們之間的相互作用可以增強酸奶的持水力和凝膠化,從而使酸奶變稠。半乳甘露聚糖是以β-(1,4)-甘露糖為主鍵,α-(1,6)-半乳糖單元為側基的多糖,其凝膠作用主要體現在分子結構特性上,剛性的β-(1,4)-甘露糖主鏈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,可與其他多糖(如卡拉膠和黃原膠)形成彈性凝膠[22]。刺槐豆膠與瓜爾膠的甘露糖主鏈均能和黃原膠鏈之間發生非特異性相互作用,形成透明的熱可逆彈性凝膠。SANCHEZ等[23]和PANG等[24]研究了刺槐豆膠與黃原膠的相互作用對酸奶凝膠結構的影響,與空白對照相比,添加聚合物沒有改變酸奶凝膠網絡的整體組織結構,但在酪蛋白顆粒表面觀察到絲狀結構和小聚集體,這些絲狀的細鏈連接酪蛋白膠束,在酸奶體系中形成三維水合分子網絡,以增強酸奶的保水性(圖2)。

圖2 增稠劑與酪蛋白之間的相互作用示意圖Fig.2 Schematic diagram of the interaction between thickener and casein
3.1.1 淀粉
淀粉作為增稠劑,可以增加酸奶的黏度和硬度、減少脫水收縮、改善口感、提高經濟價值,其易于在酸奶加工中使用,已成為酸奶生產中常用的增稠劑之一。玉米淀粉被廣泛用作酸奶增稠劑和脂肪替代品[25]。其他植物來源的淀粉,如葛根淀粉[26]、水山藥淀粉[27]和馬鈴薯淀粉[28],近年來也被用作酸奶生產中的增稠劑。改性淀粉是在天然淀粉固有的特性基礎上,利用物理、化學或酶法處理,在淀粉分子上引入新的官能團或改變淀粉分子大小和淀粉顆粒性質,從而改善淀粉的性能。淀粉經過改性后,其在酸奶熱滅菌和酸化的過程中結構更穩定[29]。在巴氏殺菌過程中,淀粉顆粒吸水膨脹,發生糊化,可增加體系的黏度,從而改善酸奶質地。
3.1.2 聚合乳清蛋白
乳清蛋白具有減少脫水收縮、增強酸奶質地和改善感官特性的優點。雖然天然乳清蛋白分子質量小、黏度低,生產中未被直接用作增稠劑,但乳清蛋白經高溫變性和聚合形成的聚合乳清蛋白(polymerized whey protein,PWP)可解決該問題[30],其凝膠性能優異,可增加酸奶的黏度,改善其稠度和持水性[31]。PWP作為增稠劑被應用于羊奶酸奶[32]、中國老酸奶[33]和凝固型牛奶酸奶[34]中。FANG等[35]研究發現,不同pH條件下制備的PWP對酸奶的黏度有顯著影響,添加在pH 8.5和pH 9.0條件下制備的 PWP,酸奶的黏度顯著高于未添加PWP的對照酸奶(P<0.01),這是由于酸奶凝固過程中凝膠網絡的高度交聯,PWP和酪蛋白膠束之間的相互作用導致酪蛋白膠束體積變大。在其他功能性發酵食品中使用PWP,也可以改善其產品質地及蛋白質含量[30]。
3.1.3 明膠
明膠多以牛皮、豬皮或牛骨、豬骨等為原料制備,因其優異的凝膠性能,被廣泛應用于改善蛋白質凝膠的流變學特性中。明膠由柔性線性多肽鏈組成,在高溫下具有靈活的螺旋構象,但在臨界溫度(明膠鏈的螺旋轉變溫度40 ℃)以下,會形成包含不同鏈的三螺旋,從而導致聚集和凝膠化。MUDGIL等[4]在駱駝奶中添加0.75%~1.0%(質量分數)的明膠,克服了駱駝奶酸奶凝膠質地弱的問題,改善了酸奶的凝膠結構。魚明膠可以避免哺乳動物明膠帶來的宗教信仰(穆斯林和猶太人占世界人口的近23%)和健康問題(非洲豬瘟),已逐漸作為哺乳動物明膠的潛在替代品。SOW等[36]從白鱘中提取明膠,并研究添加白鱘明膠水解物(sturgeon gelatin hydrolysates,SGH)的酸奶在冷藏28 d間的物理化學、質地和流變學特性,結果顯示,與對照組相比,SGH的添加量為10 g/L時,稠度系數、復合黏度、屈服應力、儲能模量和損耗模量均顯著增加,表明SGH可以作為增稠劑提高酸奶的凝膠特性。
3.1.4 果膠
果膠中的陰離子基團羧基可與帶正電荷的酪蛋白分子靜電結合,防止酪蛋白在酸奶中聚集或沉淀,同時,果膠還可以通過增加可溶性固形物來促進乳酸菌生長,乳酸菌數量的增加提高了酸奶的生物活性[37]。ARIOUI等[6]從柑橘果皮中提取果膠加入酸奶中,添加0.6%(質量分數)的果膠顯著改善了酸奶發酵和后酸化過程中的黏度、黏附性和內聚性,同時也可以防止貯存期間的乳清析出。KHUBBER等[38]探究了低甲氧基果膠對低脂酸奶品質的影響,發現與對照組相比,加入果膠的低脂凝固型酸奶乳清析出減少,其硬度、流變性、微觀結構和整體口感均顯著改善。
3.1.5 復合增稠劑
WANG等[39]將PWP加入酸奶中,發現其改善了酸奶的持水能力和黏度,但是加入0.2%果膠和0.3% PWP(均為質量分數)的復合增稠劑,酸奶的脫水收縮值更低,且黏度更高。脫水收縮值的降低,是由于果膠是帶負電荷的陰離子多糖,其在酸奶發酵過程中,與PWP發生靜電相互作用和交聯作用,有助于形成更強的凝膠網絡[33]。黏度的增加,歸因于果膠與酪蛋白膠束的相互作用,形成復雜的體系[34]。
HUANG等[40]用魚明膠替代哺乳動物明膠來改善酸奶品質,分別研究了魚明膠與3種多糖(阿拉伯膠、黃原膠、卡拉膠)以質量比9∶1形成的魚明膠-多糖復合物的流變學和摩擦學性能,以及復合物對酸奶物理性質的影響, 發現3種魚明膠-多糖復合物添加至酸奶中均提高了酸奶的硬度、持水力和黏度,其中添加魚明膠-黃原膠復合物的酸奶品質更優,可作為攪拌酸奶中哺乳動物明膠的潛在替代品。
3.2.1 辣木種子提取物
CARDINES等[41]將通過超濾獲得的辣木種子提取物加入酸奶中,顯著改善了酸奶的工藝特性。辣木種子的凝膠特性,可能與其蛋白質含量高(45%)有關,并且其作為天然陽離子聚電解質的可溶性蛋白質,具有促凝特性[41]。STOHS等[42]研究發現辣木種子提取物具有安全性。
3.2.2 熱處理的乳清分離蛋白-三聚磷酸鈉
三聚磷酸鈉(sodium tripolyphosphate,STPP)已被國家衛生健康委員會批準作為酸奶食品添加劑[34]。LI等[43]證明了磷酸化可以改善蛋白質的乳化性、膠凝性和熱穩定性。CHENG等[34]通過實驗表明,乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)與STPP的相互作用可以穩定酸奶凝膠的三維網絡,并防止由于凝膠空隙增加而導致的酸奶脫水收縮。與未經熱處理的WPI-STPP相比,熱處理的WPI-STPP顯著增強了酸奶的硬度、彈性、黏附性和凝膠強度。
3.2.3 苦杏仁膠
HASHEMI等[44]研究了苦杏仁膠的水溶性部分(soluble bitter almond gum,SBAG),通過將SBAG與酪蛋白酸鈉(sodium caseinate,SC)結合,向酸奶中加入SBAG-SC結合物,顯著提高了酸奶中酪蛋白膠束的物理穩定性,抑制了相分離。帶負電荷的SBAG-SC可被吸附到酪蛋白膠束的表面,防止酪蛋白在酸性條件下聚集,從而穩定酸奶的質構[45]。
眾多研究表明,將增稠劑應用于酸奶勢在必行。MIOCINOVIC等[46]研究表明,不含任何增稠劑的羊奶發酵酸奶凝膠結構很弱,加入增稠劑可以顯著提高凝膠強度,從而改善其流變、質構和感官特性。SONG等[47]也發現,不添加任何增稠劑很難生產出具有牢固凝膠網絡的凝固型小米酸奶。
宮郁郁等[48]于2016年調查了國內部分品牌的發酵乳添加增稠劑的情況,在調查的162種發酵乳中,有141種添加了食品增稠劑,占87.04%。在現代發酵乳工業中,為了解決產品的質量問題、滿足制作工藝和產品創新上的需求,添加食品增稠劑已成為一種改善酸奶品質的常用方法。我國對食品安全越來越重視,能夠進入市場流通的酸奶,必須經過嚴格的國家食品安全檢驗。新修訂的《中華人民共和國食品安全法》更是為食品添加劑提供了支持和保障,因此,增稠劑在酸奶中的應用有著廣泛的應用前景。
隨著食品添加劑“天然、營養、多功能”的發展趨勢,選用具有功能性的增稠劑來提高酸奶品質,具有良好的應用前景。膳食纖維有助于減少高血壓、胰島素反應、肥胖和結腸癌等慢性病的發生,并且可以改善酸奶品質[49]。源自燕麥、大麥等谷類的β-葡聚糖富含可溶性膳食纖維[50],具有在含水體系中增加黏度和形成凝膠的能力,同時有著降血脂、降血糖、增強免疫力的功能,可作為增稠劑應用于酸奶中。鄭健等[51]、KAUR等[52]均將β-葡聚糖應用于發酵酸奶的制備中,由于酪蛋白和β-葡聚糖之間的熱力學不相容性,β-葡聚糖可能會促進酪蛋白的自結合,從而提高酸奶的凝膠強度,在改善酸奶品質的同時,保障了消費者的健康。
利用現代加工技術,如超高壓技術、輻照和紫外線等,有助于充分發揮酸奶增稠劑的有效性,提高其凝膠強度。張宇昊等[53]采用超高壓替代傳統的酸堿工藝,輔助提取巴沙魚魚皮明膠,破壞了膠原蛋白的三、四級結構,斷裂其中疏水鍵、離子鍵等非共價鍵,但不會破壞共價鍵,因而既有利于膠原肽鏈的伸展和螺旋結構的松散,又有利于保持膠原肽鏈的完整性,增加了明膠中可形成高凝膠強度的大分子亞基的組分含量。BESSHO等[54]用20kGy的γ-射線輻照處理明膠,BHAT等[55]采用紫外線(253.7 nm)處理魚皮明膠顆粒,均提高了明膠的凝膠強度。應用現代加工技術制備高凝膠強度的增稠劑,已成為當下的研究熱點,但仍缺乏對其影響凝膠微觀結構作用機理的系統研究,這將成為今后研究的重點。
單一增稠劑在提高酸奶凝膠特性上存在局限性,如卡拉膠具有形成凝膠所需濃度低、透明度高等優點,但也存在凝膠彈性差、脆性大等問題;添加菊粉有助于酸奶形成較為均勻、疏松的微觀結構,但酸奶穩定性較差。與單一增稠劑相比,復合增稠劑可以實現協同增稠效應,增稠劑的復合使用正逐漸成為改善酸奶品質研究的趨勢。
結合2種及以上的增稠劑通常會產生協同效應,陳宇坤[10]以質量比3∶7復配三贊膠和刺槐豆膠,兩者在酸奶的表觀黏度方面存在協同增效作用,用復配膠制備得到的酸奶感官品質優、穩定性好。但也有一些例外,如明膠與陰離子膠(如果膠或羧甲基纖維素)復配并沒有協同增稠作用,因為在特定pH范圍內,兩者會不可逆地相互結合并從溶液中沉淀出來。復合增稠劑產生的凝膠結構取決于聚合物之間的相互作用、凝膠機理和凝膠形成條件等[56]。因此,在酸奶加工中要選擇合適的增稠劑進行復配,充分發揮各種增稠劑的互補作用,才能更好地提升酸奶品質。
轉谷氨酰胺酶(transglutaminase,TG)是一種催化酰基轉移反應的酶,能夠通過催化酪蛋白結合谷氨酰胺殘基(酰基供體)中的γ-羧酰胺基,以及賴氨酸殘基中的ε-氨基之間的酰基轉移反應,形成分子內或分子間ε-(γ-谷氨酰胺)-賴氨酸等肽鍵的共價交聯[57],使蛋白質分子質量變大,形成強有力凝膠。TG安全無毒,在酸奶發酵之前可向牛奶中添加TG,通過蛋白質交聯反應提高酸奶的物化特性,進而增加凝膠強度,并減少脫水收縮,改善酸奶的品質。
我國酸奶消費增加迅猛,其在生產、運輸、儲存過程中極易出現黏度下降、乳清析出、組織粗糙等現象,不良現象的出現與酪蛋白膠束影響酸奶的凝膠強度密切相關。為解決這些問題,本文介紹了陰離子增稠劑與中性增稠劑的凝膠機理,從機制層面闡述增稠劑如何影響酸奶的品質,可為解決酸奶生產過程中遇到的實際問題提供一定的技術參考。增稠劑可以有效改善酸奶的內在質構和外觀形態,通過深入研究其凝膠機理,不斷探尋新型酸奶增稠劑,應用有功能性食品特性的增稠劑,以及多種增稠劑的復配,在酸奶凝膠特性的研究領域中有著廣闊的發展空間和應用前景。此外,通過整合多糖優異的流變特性和蛋白質良好的界面特性,有望獲得內含親脂性生物活性成分的凝膠結構。隨著分子生物技術的發展,未來可借助化學改性(如在分子中添加一些功能性基團等)、微生物發酵(新型膠體的生產)以及從基因(改變微生物的某些基因片段來實現優質膠體的富集)的層面來增強酸奶凝膠特性。