再制干酪乳化過程中理化、功能特性及微觀結構的變化

李紅娟，李夢凡，袁玉京，陳紫陽，朱廣潮，李 丹，李洪波，于景華,*

（1.天津科技大學食品科學與工程學院，食品營養與安全國家重點實驗室，天津 300457；2.妙可藍多（天津）食品科技有限公司，天津 300462）

再制干酪是混合一種或多種天然干酪、乳化鹽以及其他物質，通過加熱、攪拌和乳化制成的一種均質干酪[1]。再制干酪的傳統制作方法是在粉碎的天然干酪中添加檸檬酸鹽和磷酸鹽，在80 ℃以上的條件下持續攪拌以形成均勻的熔融體。冷卻后，這個熔融體在室溫下會更穩定，保質期更長，而且質地和感官與天然干酪不同，這使再制干酪的應用范圍迅速擴大[2]。

再制干酪制作過程中最重要的部分是在一定溫度下持續攪拌，直至形成均勻的熔融物，即再制干酪加工中的乳化過程。在乳化過程中再制干酪的質量顯著提高，尤其是黏度和機械性能。再制干酪在加熱融化時產生的類似奶油黏稠、潤滑、均勻的質地且黏度上升的現象被稱作奶油化反應。奶油化反應在再制干酪制作中至關重要，因為它會影響脂肪球的大小和蛋白質的網絡結構[3]。研究發現，蛋白質的網絡結構和脂肪球的變化有助于增強再制干酪的黏度和硬度[4]。Lee等[5]研究了典型的再制干酪和無脂再制干酪制作過程中的黏度變化，研究發現奶油化反應（黏度增加）主要是基于蛋白質之間的相互作用，脂肪含量對其影響不大。Fu Wei等[6]研究發現再制干酪制作過程中，在固定攪拌時間下，攪拌速度越快，脂肪球越小，干酪硬度越高；而攪拌時間越長，蛋白質網絡越細膩。顧敏鋒[7]研究了70、80、90 ℃下不同乳化時間對再制干酪質構和流變的影響，發現在不同溫度和攪拌時間下樣品的質構變化相似，攪拌時間對產品流變學性質的影響可能由奶油化反應造成。Lenze等[8]研究了再制干酪加工過程中，蛋白質和脂肪含量、脂肪球大小對奶油化反應的影響，表明奶油化反應的曲線（黏度和時間的關系）有4 個階段：起始階段、第1指數階段、平臺階段和第2指數階段。蛋白質含量的增加會加速奶油化反應，脂肪含量為15%～20%時奶油化反應的曲線才會出現，脂肪球的體積減小會縮短曲線的起始階段和平臺階段。

再制干酪制作過程中，乳化鹽通過鈣螯合從凝乳酶酪蛋白中去除鈣離子，增加酪蛋白與其他蛋白質分子的相互作用，形成緊密的結構使脂肪球包裹其中，為再制干酪提供了硬度和稠密度[9]。再制干酪中，脂肪球大小、分布和數量會直接影響產品的物理特性。研究發現，脂肪均質程度較高的干酪具有較低的斷裂性，生產出的干酪硬度高[10]。乳化溫度也很重要，一方面高溫能使乳化鹽溶解更充分，促進酪蛋白吸水膨脹，另一方面能起到滅菌的作用[11]。在工業生產中由于生產設備、加熱方式（間接加熱和直接蒸汽噴射）和攪拌類型等不同，再制干酪的乳化溫度一般為70～90 ℃，時間3～7 min[12-13]。因此，根據前期預實驗，為了延長干酪乳化過程并盡量與工業生產中干酪乳化溫度保持一致，故選用80 ℃和85 ℃為本實驗的乳化溫度。

目前再制干酪的生產工藝較為簡單，但是配方中或是工藝參數上的微小偏差也會導致產品產生不理想的質地或感官性狀，從而造成巨大的利潤損失。再制干酪的乳化過程研究不充分會使最終產品品質不可控。而在實際生產中，生產廠家為了減少生產的時間并增加產量，往往會增大攪拌速度，最大程度降低乳化時間，這就使再制干酪的黏度和質地不穩定，從而影響再制干酪生產無法標準化并造成制造成本的增加。因此，研究乳化過程對再制干酪質地和微觀結構的影響在工業上有相當大的經濟利益。盡管現在已經有很多關于再制干酪乳化時間工藝的研究，但是大多數都集中在干酪生產后的特性上，缺少干酪生產過程中的觀察。

因此，本研究旨在探究再制干酪各乳化階段相應指標的變化，包括再制干酪的融化性、油脂析出性、質構、流變以及微觀結構的變化，探究再制干酪在乳化過程中的結構變化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

切達干酪、凝乳酶酪蛋白、膜分離酪蛋白 新西蘭恒天然合作集團有限公司；黃油 內蒙古華琳食品有限責任公司；檸檬酸鈉、焦磷酸鈉（均為食品級） 河南省睢縣優寶嘉食品有限公司。

1.2 儀器與設備

GZX-9240MBE電熱鼓風干燥箱 上海博訊實業有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡 日本日立公司；TAXT Plus質構儀 英國Stable Micro System公司；HAAKE MARS 60動態流變儀 德國哈克公司；ZJR-5真空均質乳化機 江蘇省無錫意凱自動化技術有限公司；FJ200-SH數顯高速分散均質機 上海標本模型廠；Lab-1B-50E真空冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 再制干酪的制備

根據課題組前期研究[14]，再制干酪的實驗配料質量設定為2 kg，其中切達干酪30%（以實驗配料的質量分數計，下同）、黃油16%、凝乳酶酪蛋白10.3%、膜分離酪蛋白1.7%、檸檬酸鈉2.6%、焦磷酸鈉0.4%。

按上述配方稱取原料后，首先將檸檬酸鈉和焦磷酸鈉用蒸餾水溶解，然后加入已提前預熱變為液態的黃油，用數顯高速分散均質機在10000 r/min條件下均質處理30 s。將切達干酪提前切碎，與預混料、凝乳酶酪蛋白和膜分離酪蛋白一起加入到已經預熱到80 ℃和85 ℃的乳化機中，真空度設置為0.06 MPa，并在300 r/min速率下分別攪拌5、10、15、20、30 min。將樣品放入模具中，待冷卻到室溫后，置于4 ℃冰箱中保存[15]。80 ℃下乳化5、10、15、20 min和30 min的干酪分別標記為A1、A2、A3、A4和A5，85 ℃下乳化5、10、15、20 min和30 min的干酪分別標記為B1、B2、B3、B4和B5。

1.3.2 干酪融化性的測定

參考Rame等[16]的方法，使用電熱鼓風干燥箱對干酪樣品進行融化性測定。將干酪樣品切成直徑15 mm、厚7 mm的圓柱狀，放在鋪有濾紙的玻璃培養皿中，室溫下放置30 min。將其放入（100±3）℃干燥機內，加熱30 min后取出，在室溫下靜置15 min，分別從4 個方向測定融化干酪直徑。

1.3.3 干酪油脂析出性的測定

處理步驟同1.3.2節，干酪在（100±3）℃干燥機內加熱30 min后取出。室溫下靜置30 min后，析出的油滲透在濾紙上形成油圈，分別從4 個方向測定油圈直徑，表示再制干酪的油脂析出性。油圈直徑越大，表明干酪的油脂析出性越大，反之，表示油脂析出性越小。

1.3.4 干酪質構特性的測定

使用TA-XT Plus質構儀對干酪樣品進行質構特性分析。將4 ℃貯存的干酪樣品切成1.5 cm的正方體，質構儀的參數設定為：測試前探頭下降速率為5.0 mm/s，測試速率為1.0 mm/s，測試后探頭回程速率為5.0 mm/s，下壓變形40%，觸發力值20 g，探頭類型P/35[17]。

1.3.5 干酪流變學特性的測定

用HAAKE MARS 60動態流變儀對不同乳化階段干酪樣品進行頻率掃描。將干酪樣品切成直徑24 mm、厚度2.4 mm的薄片，選擇直徑為25 mm的平板探頭，平板與底面的距離為1 mm。然后將樣品置于流變儀的托盤中央，進行頻率掃描，應變振幅設定為0.5%，頻率從0.1 Hz增加到10 Hz[18-19]。使用HAAKE-RheoWin軟件計算儲能模量（G’）和損耗模量（G”）。所有實驗均在25 ℃下進行。

1.3.6 干酪的微觀結構測定

用滅菌刀片將干酪切成（1 mm×1 mm×1 mm）薄片，浸泡在質量分數2.5%的戊二醛溶液中，置于4 ℃冰箱中固定4 h。之后用磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L，pH 7.2）清洗3 次，每次約15 min。再用體積分數為30%、50%、70%、90%、100%的乙醇溶液進行梯度脫水，每次15 min；然后使用三氯甲烷對干酪樣品浸泡脫脂3 次，每次15 min。脫脂后用100%乙醇溶液清洗3 次，每次15 min，使樣品呈脫水狀態。最后，將處理好的樣品放置在-40 ℃冰箱預冷凍2 h，取出放入真空冷凍干燥機中干燥36 h。采用離子濺射的方式對干燥后的樣品進行鍍金，置于掃描電子顯微鏡下掃描，以1500 倍和3000 倍的放大率觀察樣品[20]。

1.4 數據處理與分析

2 結果與分析

2.1 干酪功能特性分析

干酪功能特性有助于改善食品的口味和外觀[12]。融化性是干酪發生流動和擴散的能力，再制干酪乳化過程中，酪蛋白的相互作用增加，使酪蛋白凝膠的均勻性和強度增加。在分散良好的蛋白質凝膠中，交聯蛋白質之間的分子鍵可以在高溫下斷裂并重新形成蛋白質網絡，使干酪具有高度可熔性。因此酪蛋白分子之間的相互作用會影響干酪的融化性和流動性[21]。

由圖1可知，80 ℃和85 ℃下各組樣品的融化性有一定差異。80 ℃干酪樣品在整個乳化過程中融化性從3.93 cm減小到2.98 cm，85 ℃干酪樣品的融化性從3.59 cm減小到2.90 cm。一些研究發現，如果乳化時間進一步延長，蛋白質結構會變大、緊湊且形成顆粒狀，即奶油化反應過度，使干酪的融化性減小[13]。故乳化時間短，樣品乳化不徹底，因而形成的產品質地不均勻，內部結構不緊致、不完整，容易變形，這使干酪融化性偏高；而長時間乳化形成的干酪質地會更加均勻，內部結構完整，不容易被破壞，融化性下降[5]。乳化5 min時，80 ℃和85 ℃下干酪的融化性相差較大，可能是由于乳化初期蛋白質的結構剛被破壞而新的結構未形成，而高溫下干酪的蛋白質結構破壞得更快。

蛋白質、脂肪和水是天然干酪中最主要的3 種物質。再制干酪加工時，會將天然干酪中這3 種物質原來的結構打破并重新形成一個新的體系。天然干酪中，大多數脂肪會分解成小脂肪球嵌在蛋白質網狀結構中，這種結構使油脂不易從干酪中析出[12]。但經過高溫后，脂肪和蛋白質網絡的結構被破壞，脂肪極易析出。由圖1可知，80 ℃和85 ℃下在乳化反應的初期，干酪的油脂析出性極大。但是隨著乳化程度的提高，干酪的油脂析出性整體呈顯著下降趨勢（P＜0.05）。這是因為隨著進一步乳化反應的進行，新的結構體系逐漸形成，酪蛋白之間的結合更緊密，所以脂肪會聚集且不易游離出來。而85 ℃干酪的油脂析出性顯著高于80 ℃，這可能是由于在更高的溫度下，自由水損失得更多，蛋白質之間的作用減弱，從而導致干酪中鑲嵌在酪蛋白中的脂肪更易滲出。

圖1 各實驗組干酪樣品的融化性和油脂析出性Fig.1 Meltability and fat precipitation of processed cheese samples

2.2 干酪質構特性分析

由表1可知，干酪的5 種質構特性均隨著乳化時間的延長整體呈增大趨勢，其中各組樣品的硬度有一定差異，85 ℃干酪的膠著性和咀嚼性顯著增大（P＜0.05），尤其是硬度在80 ℃從379.82 g增加到1336.67 g，在85 ℃從556.54 g增加到1524.48 g。85 ℃下干酪的硬度、膠著性和咀嚼性均大于80 ℃，說明高溫更易使融化后的干酪形成穩定的蛋白網絡結構[7]。干酪的彈性變化很小，各組樣品均無顯著差異（P＞0.05）。干酪的黏聚性隨著乳化時間的延長而增大，這是由于乳化程度的增加，干酪的內部結構更加緊致。干酪咀嚼性在80 ℃由167.41 g增加到626.25 g，在85 ℃由218.03 g增加到816.76 g。再制干酪的主要結構支撐是干酪中蛋白質結構和包裹其中的脂肪，它們的結構變化會密切影響干酪的質構性質[18]。這些結果說明，隨著乳化程度的提高，干酪內部的脂肪-蛋白質和蛋白質-蛋白質的相互作用增強，已經被破壞的蛋白質基質形成了新的穩定結構[3]。

表1 各實驗組干酪樣品的質構特性Table 1 Texture characteristics of processed cheese samples

2.3 干酪流變學特性分析

干酪是黏彈性材料，干酪流變學包括了原料受擠壓和拉伸時產生的流動和變性[22-23]。干酪的物理和化學性質，如顏色、質地、融化性、延伸性等，主要由酪蛋白分子的相互作用決定[24]；而干酪的流變學性質由干酪的組成、微觀結構和組分的物理化學性質以及宏觀結構等方面共同決定[25]。乳化程度不同的再制干酪流變學性質不同。

再制干酪生產過程中，通過加熱和攪拌，天然干酪中酪蛋白網絡的穩定性開始下降，即開始融化。脂肪是干酪中唯一的物理融化成分，隨著乳化程度的加深脂肪球受熱融化，流動性增強[26]。由圖2、3可知，80 ℃和85 ℃下，干酪的G’均大于G”，且在0.1～10 Hz內G’和G”都隨著頻率的升高呈上升趨勢，說明這些再制干酪均為典型的弱性膠體[27]，干酪的結構表現出一定的剛性。由圖2可知，掃描頻率為0.1 Hz和10 Hz時，80 ℃下乳化不同時間干酪樣品的G’從大到小均為A5＞A4＞A3＞A2＞A1，掃描頻率從0.1 Hz到10 Hz，A1～A5干酪樣品G’分別增加了2.89、2.36、2.38、1.85、1.77 倍；頻率掃描為0.1 Hz和10 Hz時，干酪G”從大到小的順序也為A5＞A4＞A3＞A2＞A1，從0.1 Hz到10 Hz干酪A1～A5的G”分別增加了2.59、1.99、2.00、1.87、1.83 倍。結合圖3可知，85 ℃干酪G’和G”的變化趨勢與80 ℃相似。有研究指出，G’與材料的硬度和彈性特性有關[28]。這表明隨著乳化時間的延長，干酪樣品的抗壓能力增強，網絡結構的穩定性增加。這是由于酪蛋白在干酪的蛋白質基質中占主導地位，酪蛋白與酪蛋白和酪蛋白與其他蛋白質之間的鉸鏈越多，形成的結構越穩定[29]。隨著乳化程度提高，干酪中水分減少，這使干酪中蛋白質質量分數增加，故蛋白質之間的鉸鏈數量增加。A2和A3干酪G’和G”的增大幅度相似，這可能是因為隨著乳化程度的加深，干酪蛋白質網絡結構中空隙減少，脂肪球直徑減小，使流動性減弱。

圖2 80℃下干酪樣品G’和G”的頻率掃描曲線Fig.2 Frequency-dependent G’,and G” of processed cheese samples with emulsification at 80℃

圖3 85℃下干酪樣品G’和G”的頻率掃描曲線Fig.3 Frequency-dependent G’ and G” of processed cheesesamples with emulsification at 85℃

2.4 干酪微觀結構的分析

再制干酪是一種穩定的水包油乳液。再制干酪生產中，通過乳化鹽和熱剪切作用，破壞了天然干酪中的磷酸鈣復合物，而磷酸鈣復合物存在于酪蛋白磷酸鈣網絡結構中，因此天然干酪的網絡結構受到破壞。部分分散的磷酸鈣復合物通過疏水鍵與脂肪結合，在再制干酪冷卻后部分分散的酪蛋白結構形成“絮狀物”，這些“絮狀物”繼續反應并最終形成結構致密且均一的凝膠網絡結構。因此，再制干酪的結構是酪蛋白相互結合聚集，形成網狀結構，脂肪球填充在網狀結構之間，形成致密的組織狀態[12,30-31]。Heertje[32]的研究表明，再制干酪生產的過程中，乳化鹽和干酪間的相互作用是在乳化過程中逐漸發生，并隨著乳化時間延長，脂肪球體積減小，干酪的組織狀態變得細膩光滑，這與本實驗觀察到的結果一致。

結合前文研究，從微觀結構上來說，80 ℃和85 ℃加熱溫度下干酪微觀結構在脂肪球大小和分布上有一定區別，但是其結構隨時間的變化趨勢基本一致。此部分重點考察不同乳化時間對干酪微觀結構的影響，因此重點對80 ℃再制干酪的微觀結構進行分析說明。如圖4所示，蛋白質結構表面的凹痕是再制干酪中脂肪球的標志。脂肪球分布不均，干酪凹痕的大小也不同。由圖4A1、A2、B1、B2可知，在乳化初期時天然干酪結構剛被破壞，新的蛋白質網絡還未形成，蛋白質結構之間形成的孔洞即脂肪球大小不一且分布不均勻，此時奶油化反應不足。由圖4A1還可發現，脂肪球通常由一層薄薄的蛋白質（酪蛋白）包圍，因此，即使彼此非常接近的脂肪球也不會合并，這與前人研究一致[3]。隨著乳化程度的加深（圖4A3、B3），酪蛋白形成了一個連續的網絡，脂肪則鑲嵌在其中，酪蛋白基質也開始變得光滑，脂肪球的數量和尺寸開始明顯減少且分布變得均勻，干酪已形成均勻致密且連續性良好的蛋白質網絡結構。由圖4A4、A5、B4、B5可知，A4、A5干酪樣品微觀結構呈現無規律的蜂窩狀，酪蛋白基質變得粗糙，即奶油化反應過度。

圖4 80℃再制干酪乳化過程的微觀結構Fig.4 Microstructure of processed cheese during emulsifciation at 80℃

A1、A2和A3干酪對比可知，脂肪球的尺寸減小并不是漸進的，脂肪球的大小會在一段時間內幾乎不變，而在乳化10～15 min時尺寸才明顯減小。因此，脂肪球的尺寸是在奶油化反應的后期才開始明顯減小，這與Vollmer等[3]的結論相同。小脂肪球具有更高的硬度，隨著乳化程度的提高，干酪的硬度隨之增大[33]。而脂肪球對干酪的口味、外觀、硬度等有重要影響，由此可見乳化程度對再制干酪的重要性，因此干酪制造商可根據不同產品的需求調整干酪的乳化程度。

2.5 再制干酪各乳化階段及奶油化狀態

80 ℃和85 ℃下干酪的外觀并沒有明顯區別，此部分重點考察不同乳化時間對干酪外觀的影響，因此重點對80 ℃再制干酪進行分析說明。由圖5可知，干酪乳化3 min時，干酪原料已經溶解，油層浮于蛋白質層上，干酪內舊的結構被破壞新的結構還未形成。乳化5～10 min時，干酪呈淡黃色，組織疏松，室溫下放置干酪嚴重塌陷，表面可見油脂。乳化初期，酪蛋白在游離水和油中開始水合和膨脹，隨著乳化的進行游離液體開始減少，酪蛋白基質開始變得連續，但干酪熔融物的黏度仍較低。乳化20 min和30 min時，干酪顏色發白，質地干燥、堅硬、無彈性。乳化時間過長和過短都無法達到最佳的干酪質地，較短乳化時間使新的蛋白質網絡未構建好，脂肪球未完全被蛋白質包裹，即奶油化反應不充分；較長乳化時間會使再制干酪的蛋白質網絡變得細小，蛋白質基質粗糙，從而引起黏度增加，即奶油化反應過度。

圖5 80℃再制干酪乳化過程中不同階段的照片Fig.5 Photographs of processed cheese at different stages of emulsification at 80℃

乳化15 min時，干酪為淡黃色，組織致密，硬度適中，表面光滑無顆粒且十分黏稠，說明脂肪已并入蛋白質基質，并形成了均勻的干酪產物。一般來說，食物呈現黃色與其脂肪含量高有關，但是再制干酪的最終顏色不僅取決于脂肪含量，還取決于分散在蛋白質基質中脂肪顆粒的大小。相關研究表明，脂肪粒徑越小，產品越白[34]。故乳化15 min時，干酪具有優良的質地，此時奶油化反應適中。而乳化20～30 min，干酪奶油化反應過度，影響產品感官評價。乳化過程中，在高溫和持續的攪拌下，酪蛋白從干酪基質中分離，脂肪球最初在酪蛋白基質中分布不均勻且尺寸較大，但隨著時間推移，脂肪球的尺寸減小但數量增加。脂肪球通常由一層酪蛋白包圍，隨著奶油化反應的進行，大量直徑較小的脂肪球使脂肪球表面有更多部位與蛋白質相互作用。所以，在奶油化反應過程中蛋白質與脂肪之間的相互作用加強[12,34]。

3 結論

80 ℃和85 ℃下，對再制干酪從乳化開始到結束的功能特性（融化性和油脂析出性）、質構特性、流變以及微觀結構的變化進行研究。通過對干酪的功能特性進行測定，研究發現無論是在80 ℃還是85 ℃，干酪的融化性和油脂析出性都隨著乳化程度的增強呈逐漸減小趨勢，且乳化過程中85 ℃再制干酪的油脂析出性顯著高于80 ℃再制干酪（P＜0.05）。干酪質構特性的研究發現，干酪5 種質構特性均隨著乳化時間的延長整體呈增大趨勢。干酪的流變學結果顯示，80 ℃和85 ℃下相同乳化程度下干酪的G’均大于G”，且0.1～10 Hz內G’和G”都隨頻率的升高呈上升趨勢，這表明隨著乳化程度的加深，蛋白質網絡穩定性增強。通過對干酪不同乳化階段的照片分析，奶油化反應初期，新的蛋白質網絡還未形成，油層浮于蛋白質層的上方；隨著奶油化反應加深，干酪硬度增加、顏色逐漸發白、質地干燥，蛋白質與脂肪的相互作用加強。通過對干酪微觀結構的觀察，發現在乳化初期脂肪球分布不均勻且尺寸較大，蛋白質結構疏松；隨著乳化程度的增強，脂肪鑲嵌在蛋白質網絡中，脂肪球分布均勻，干酪結構逐漸變得致密；如果乳化時間過長，干酪的微觀結構會變成蜂窩狀，蛋白質基質變得粗糙，即奶油化反應過度，會使產品具有不良質地。脂肪球尺寸的減小并不是漸進式，而是在乳化10～15 min時（即乳化反應后期）顯著減小。再制干酪生產過程中，奶油化反應會影響脂肪球的大小、分布和蛋白質網絡結構，從而影響最終產品的硬度。脂肪球尺寸、分布以及數量對干酪的外觀、硬度等有重要影響，因此干酪制造商可根據不同干酪產品的需求調整干酪的乳化程度，為日后乳品企業優化產品結構，研發新產品，提高競爭力提供了一定參考價值。