酸乳凝膠穩定性改善研究進展

岳 娟，姚曉琳，緱青霞，韋湘瀅，岳健雄，李 丹，楊 丹

（陜西科技大學食品科學與工程學院，陜西 西安 710021）

隨著消費者對乳制品的需求急劇增加以及消費升級下新品牌、新種類、新口味的大量涌現，使得我國酸乳市場體量和增速處于全球領先水平[1]。酸乳包括凝固型和攪拌型兩種，是以生牛/羊乳或乳粉為原料，經殺菌、發酵后制成的乳制品，含有高生物價值的蛋白質、脂質和易吸收糖類，以及種類豐富的維生素和礦物質[2-3]。乳蛋白包括酪蛋白和乳清蛋白，是酸乳形成凝膠的基質，而酪蛋白膠束是構成酸乳凝膠的分子單元。如圖1所示，在酸乳形成過程中，隨著乳酸菌的代謝，酸乳pH值逐漸降低，當pH值達到酪蛋白等電點時，酪蛋白膠束上的電荷分布改變，靜電斥力減小，膠束趨于凝聚并逐漸凝膠化[4-5]。

圖1 酸乳發酵原理示意圖[4-5]Fig.1 Schematic diagram of the fermentation principle of yoghurt[4-5]

酸乳具有豐富的營養和保健功能，但酸乳常存在凝固不良、乳清析出等質地缺陷，影響消費者接受度。因此，如何提高酸乳的品質和穩定性是酸乳生產中的技術難題。除控制原料乳成分及質量、發酵劑種類及活力、加工工藝等影響因素外[6]，酸乳品質及穩定性還可通過添加多糖類穩定劑、各種類型的乳源成分和植物蛋白，以及利用酸、熱、鹽、酶誘導乳蛋白凝膠化等策略改善（圖2）。此外，在實現酸乳穩態化的基礎上，添加脂質替代物、活性多糖、營養強化劑等可賦予酸乳更高的營養價值和保健功能，有利于酸乳食品的功能化和多元化發展。本文從酸乳質地缺陷及影響因素、酸乳凝膠穩定性改善方法及作用機理、酸乳穩態化的未來發展趨勢等方面進行綜述，以期對酸乳品質改善和乳制品生產提供理論指導和技術支持。

圖2 酸乳質地缺陷及其影響因素和改善方法Fig.2 Texture defects of yoghurt,their influential factors,and methods for their improvement

1 酸乳質地缺陷及其影響因素

酸乳質地對乳制品工業和消費者具有重要意義，然而在其加工和冷藏過程中會出現乳清析出和凝固不良等質量缺陷，影響消費者的接受度。酸乳中大分子和膠體在一定條件下相互作用，交聯形成內部含有大量液體的特殊網狀結構，凝膠結構對酸乳凝膠穩定性具有重要影響，并與原料乳質量、發酵條件、乳固體含量等因素密切相關。

乳清析出是攪拌型酸乳和凝固型酸乳的主要品質缺陷，會導致水溶性營養物質的損失和不良感官特性的產生。當原料乳由牛頓流體轉化為半固體/固體產物時，形成的凝膠網絡可以通過氫鍵作用捕獲蛋白網絡中的乳清，即持水力，與凝膠硬度共同決定了酸乳抗脫水穩定性，較差的酸乳抗脫水穩定性造成乳清析出，與配方不良、乳固體含量低、不適當的發酵時間/溫度等因素相關[7-9]；凝固不良是凝固型酸乳的常見品質缺陷，酸乳在出庫冷卻過程中的輕微振動、二次包裝以及運輸過程中脫冷、振動均可能導致酸乳凝膠組織破壞和觀感不佳[10-11]，主要受原料乳種類及質量、發酵劑活力，發酵條件、乳固體含量等因素共同影響（表1）。

表1 酸乳穩定性的影響因素及結果分析Table 1 Analysis of factors influencing of yoghurt stability

2 食品大分子對酸乳凝膠穩定性的改善及作用機制

多糖、蛋白質等食品大分子因含大量羥基而顯著增加了其與水分子的親和力，可充分水化發揮增稠、穩定、膠凝等功能，賦予食品厚實、滑膩的口感[18-20]。酸乳凝膠的空間網狀結構是決定酸乳品質的重要因素。由酪蛋白聚集體組成的蛋白質凝膠易在脫水過程中析出乳清，加入食品大分子一方面可通過穩定蛋白質空間網狀結構改善酸乳凝膠特性；另一方面可阻止乳清析出或乳脂絮凝，延長乳制品保質期[21]。

2.1 多糖對酸乳凝膠穩定性的影響

2.1.1 多糖荷電性對酸乳凝膠穩定性的影響機制

多糖中的陰離子型多糖和非離子型多糖可分別通過不同機制改善酸乳的穩定性。陰離子型多糖表面帶負電荷，與酪蛋白膠束表面帶正電荷的官能團通過靜電相互作用提高凝膠基質穩定性，加強酪蛋白網絡并減少脫水，而非離子型多糖則通過增加連續相黏度穩定酸乳凝膠網絡[6]。隨著含量的增加，離子型多糖經歷“無影響-橋接-排空失穩”等步驟，可與乳蛋白發生相結合或相分離。非離子型多糖經歷“無變化-絮凝-聚合-穩定”等步驟，除淀粉外均與乳蛋白發生相分離。多糖因荷電性不同在酸乳凝膠形成中的穩定機制也不同，致使其微觀結構、流變性等凝膠性能存在顯著差異[22]。常用多糖對酸乳凝膠穩定性的影響如表2所示。

表2 多糖對酸乳凝膠穩定性的影響Table 2 Effects of polysaccharides on the gel stability of yoghurt

陰離子型多糖羧甲基纖維素鈉可通過靜電作用吸附在酪蛋白表面，以改善空間位阻，維持其在酸性條件下的穩定，而未吸附的羧甲基纖維素鈉可通過增加體系黏度及減緩酪蛋白膠束的沉降速率，提高酸乳凝膠的穩定性[29]。果膠對酸乳硬度影響較小，但可增加爽滑度和光澤，酸乳中加入高甲氧基果膠不能形成穩定的酸乳凝膠[19]，而加入低甲氧基果膠時，酸化過程可與酪蛋白膠束形成凝膠并減緩脫水。如圖3所示，在酸乳凝膠形成過程中，乳酸的產生使pH值不斷降低，酪蛋白膠束上的正電荷數量逐漸增多，當pH值降至酪蛋白等電點（pH 4.6）附近時，低甲氧基果膠的陰離子羧基通過靜電作用吸附在酪蛋白膠束表面，果膠分子鏈間較強的空間斥力可防止酪蛋白膠束的聚集和沉淀，同時可使以酪蛋白膠束為中心的凝膠網絡截留更多水分[30-31]。此外，果膠分子鏈間的羧基可通過鈣橋聯結，結合氫鍵作用促進凝膠網絡穩態化[32]。這使得低甲氧基果膠作為增稠穩定劑在酸乳中廣泛使用。

圖3 不同pH值下果膠與κ-酪蛋白在酪蛋白膠束上的吸附示意圖[30-31]Fig.3 Schematic diagram of the adsorption of pectin and κ-casein on casein micelles at different pH values[30-31]

非離子型多糖瓜爾豆膠和刺槐豆膠在含量增加時引起相分離，形成高度緊湊的酪蛋白簇而失去了典型的酪蛋白網絡[19]。隨著瓜爾豆膠含量的增加，酸乳凝膠的微觀結構變化顯著；添加0.05%瓜爾豆膠時，酸乳凝膠孔隙直徑大于10 μm，形成粗糙的酪蛋白網絡；當瓜爾豆膠添加量達到0.1%時，酸乳凝膠結構更為緊湊；添加不同含量的刺槐豆膠時酸乳也呈現類似的微觀形貌[22]。在酸乳中添加經乙酰化或羥丙基化的變性淀粉可增強酪蛋白的網絡結構，顯著改善其品質，這是由于變性淀粉可吸附在酪蛋白膠束表面，通過靜電吸附、空間穩定和滲透作用防止酪蛋白膠束聚集[33]。

2.1.2 多糖復配對酸乳凝膠穩定性的影響機制

常用的多糖類酸乳穩定劑有果膠、刺槐豆膠、黃原膠、海藻酸鈉等，但通常需要較大添加量才能發揮改善酸乳品質的作用，會導致酸乳風味、質地、口感等感官劣變，因此通過多種穩定劑復合使用可有效發揮協同效應，與單一穩定劑相比優勢顯著。卡拉膠的增稠特性及穩定性能使其成為酸乳的理想穩定劑，但其陽離子是限制卡拉膠與酪蛋白發生相互作用的主要因素，適當組合卡拉膠與含有半乳甘露聚糖的多糖，如瓜爾豆膠和刺槐豆膠等，可促進酸乳凝膠的穩定[6,34]。海藻酸鈉單獨用于酸乳中會導致口感黏度大和滑潤感較差，而單獨使用果膠則需較大添加量才能發揮穩定效果，二者復配使用則可避免單獨使用的缺陷，提高酸乳凝膠穩定性，且在Ca2+存在下，海藻酸鈉與低甲氧基果膠復配具有協同凝膠作用，可使酸乳形成致密、均勻、穩定的網絡微結構[18]。陳宇坤等[35]向酸乳中加入三贊膠與刺槐豆膠，在添加量0.04%、復配質量比3∶7條件下，復配多糖與酪蛋白之間形成的網絡結構阻礙了體系中乳清的析出，且兩種多糖的分子鏈與酸乳中酪蛋白、乳清蛋白等大分子鏈之間互相纏繞，使酸乳黏度增加，凝膠穩定性得到提升。

2.2 蛋白質對酸乳凝膠穩定性的影響

乳基蛋白強化是防止酸乳凝膠結構缺陷、增強酸乳營養的重要手段之一[36]。乳粉和乳蛋白可顯著改善酸乳的質地和營養，其對酸乳的質地影響如表3所示。通常使用脫脂乳粉（skim milk powder，SMP）對乳基總固體含量進行標準化來強化酸乳，但添加SMP的酸乳蛋白質含量較低，乳糖含量較高，多余的乳糖產生極低的酸度，無法維持酸乳質地的長期穩定[37-38]。乳蛋白含80%酪蛋白和20%乳清蛋白，是乳制品重要的組成部分，具有多種功能特性，是良好的SMP替代物[39]。研究表明，常被用于強化酸乳的乳蛋白主要成分為酪蛋白酸鈣（calcium caseinate，CaCn）或酪蛋白酸鈉（sodium caseinate，NaCn），其通過增加蛋白質含量改善酸乳黏度，從而降低酸乳的脫水。CaCn及NaCn的最佳質量濃度控制在1～2 g/100 mL，添加量過高會導致酸乳過度增稠[40]，對酸乳品質提升造成負面影響。此外，ünal等[41]研究酸乳在添加酪蛋白酸鈉-鈣（sodium-calcium caseinate，SCC）后貯藏28 d的質構特性，發現添加2% SCC酸乳的硬度比添加等量SMP的酸乳提高40%～73%，SCC對酸乳硬度的提升作用歸因于其可形成較大聚集體。Akalin等[42]也發現SCC強化提高了酸乳的硬度和黏度，這是因為鈣與酪蛋白上的磷酸絲氨酸殘基結合，抑制了乳液中的耗散絮凝。與上述酪蛋白酸鹽及SMP相比，濃縮乳清蛋白（whey protein concentrate，WPC）松散多孔的微觀結構有利于提高酪蛋白與乳清蛋白的橋接度，使兩者緊密交聯，使酸乳具有更高的黏度和持水性，凝膠網絡高度均勻，孔隙更小[43]。

表3 乳基蛋白強化對酸乳凝膠穩定性的影響Table 3 Effect of milk-base protein fortification on the gel stability of yoghurt

明膠是控制酸乳脫水效果最顯著的膠體之一[48]。在添加明膠的樣品中，明膠與酪蛋白基質相互作用，連接酪蛋白和乳蛋白鏈，構建復雜的蛋白網絡，更有效地保留水相，從而減少乳清析出[49]。在酸乳中添加1.0%明膠后，明膠與乳蛋白通過相互作用形成孔徑小、均勻致密且堅固的網狀結構，能有效地保留水相，減少乳清析出[50]。

近年來基于宗教信仰、飲食習慣、素食主義及動物蛋白資源短缺等因素，利用高質量可再生的植物蛋白替代動物蛋白已引起較多關注，如谷物蛋白，豆類蛋白等[51-52]。豆類蛋白因其高蛋白品質成為植物性酸乳的重要來源，添加大豆分離蛋白可使酸乳持水性由56.37%增至83.42%，凝膠硬度顯著提高，這歸因于牛乳熱處理后變性大豆蛋白聚集形成凝膠網絡，有助于改善酸乳凝膠穩定性[53]。此外，采用綠豆和豌豆蛋白等替代動物蛋白進行植物基酸乳生產，不僅可提供充足的營養，而且為消費者提供了更加廣泛的選擇[54-56]。疏水作用和二硫鍵是維持豌豆蛋白和綠豆蛋白酸乳凝膠結構的主要分子間作用力，而離子鍵和氫鍵對凝膠結構的作用較小。疏水相互作用的貢獻歸因于發酵過程中豌豆蛋白和綠豆蛋白分子結構展開，疏水基團暴露形成疏水聚集體，構建了穩定的網絡結構[52,57-58]。發酵過程中游離巰基含量的下降標志著二硫鍵的形成，表明二硫鍵也在穩定酸乳凝膠結構中發揮作用。綠豆蛋白基酸乳的硬度、持水性和咀嚼性顯著高于豌豆蛋白基酸乳，表明綠豆蛋白基酸乳具有更好的凝膠質地，有利于延長產品貨架期[59]。

2.3 蛋白-多糖復合對酸乳凝膠穩定性的影響機制

單一蛋白質和多糖添加量過高會導致乳制品的物理和感官特性發生很大變化，產生負面影響。如酪蛋白加入過多時，其較乳清蛋白占比過高，制備的酸乳屈服應力和G′減小，發酵時間延長，微觀結構更加粗糙，硬度、黏度及持水力等指標降低[60-62]。蛋白-多糖復配是解決上述問題的常用方法，能有效防止單一穩定劑含量過大造成的感官劣變。然而蛋白和多糖復合能否有效增加酸乳的硬度、黏度、持水性等結構特性取決于蛋白質與多糖間的相互作用，二者在靜電相互作用下可發生可溶/不可溶性復合凝聚或隔離型相分離[63-64]，并受分子質量、添加量、溫度、pH值、離子強度等多種因素影響[65]。Gyawali等[66]使用0.05%果膠和1% WPC制備酸乳，發現用果膠與WPC制成的酸乳具有更高的持水力，這歸因于果膠和WPC間的相互作用有助于酪蛋白膠束間形成剛性的三維網絡，阻止水分流動。Pang Zhihua等[67]研究黃原膠/刺槐豆膠、卡拉膠和淀粉與WPI、NaCn和SMP的組合在酸乳凝膠中作為明膠替代品的潛力，發現添加除卡拉膠外的多糖和WPI形成的凝膠強度更強，持水性也更高；WPI和刺槐豆膠組合在稠度、可塑性和黏度方面的效果與明膠相似，在厚重感和黏稠感方面的感官評分高于明膠。然而，WPI與卡拉膠組合使用時，WPI對酸乳凝膠的強化作用消失，高度硫酸化的卡拉膠和乳蛋白間的相互作用可阻止酪蛋白和WPI間的相互作用[68]。NaCn或WPI與淀粉的組合應用也出現類似現象，這歸因于多糖未能整合到凝膠網絡中，并抑制WPI-酪蛋白相互作用及酪蛋白聚集[67,69-70]。

3 酸乳凝膠穩定性改善的其他方式及作用機制

研究表明，酸乳凝膠除可通過添加多糖、蛋白質等大分子物質改善其穩定性外，還可通過熱、鹽、酸、酶等方式誘導乳蛋白聚集，進而使乳蛋白發生凝膠化，顯著影響酸乳的品質。1）熱誘導。未加熱牛乳的酸乳網絡較開放，多孔結構較多，而加熱牛乳的酸乳網絡較致密，多孔結構數量較少，如圖4A所示[71]。這是由于熱處理過程中，在共價和疏水相互作用下形成了乳蛋白復合物，改善了酸乳的微觀結構[60]。酸乳制作中預加熱可控制細菌生長，此時乳清蛋白發生變性，空間結構展開，暴露出β-乳球蛋白的游離巰基（—SH），通過β-乳球蛋白和κ-酪蛋白間的巰基-二硫鍵（—SH/S—S）交換反應，形成酪蛋白膠束復合物或可溶性乳清蛋白/κ-酪蛋白復合物，該復合物是決定酸乳質構特性的關鍵因素[60,72-75]。熱誘導增強了二硫鍵和疏水作用，導致出現更緊密的蛋白質網絡，將更多的水固定在凝膠網絡中[76-77]。2）鹽誘導。在pH 7.0下加熱蛋白溶液形成乳球蛋白聚集體，再引入鹽離子形成凝膠，稱為冷凝膠化[78]。如圖4B所示，利用Ca2+和Na+誘導乳清蛋白聚集體的凝膠化，有助于屏蔽靜電斥力[79]。3）酸誘導。使用葡糖酸-δ-內酯（gluconolactone，GDL）和HCl進行酸誘導，使用GDL可在不攪拌的情況下降低pH值，降低靜電斥力從而形成均勻的凝膠；GDL誘導酸化的時間較長，用HCl酸化可提高凝膠速率[79]。4）酶誘導。氧化還原酶、乳過氧化物酶和轉移酶是誘導乳蛋白交聯最重要的酶類[80-81]。微生物谷氨酰胺轉胺酶（microbial transglutaminase，MTGase）處理后酸乳持水力和黏度增加，結構均勻，具有理想的質地，提高了酸乳凝膠穩定性，這是因為MTGase可催化蛋白質側鏈中谷氨酰胺殘基與賴氨酸間發生共價交聯，使凝膠結構致密，提高酸乳的凝膠強度[82]。由辣根過氧化物酶、葡萄糖氧化酶和葡萄糖組成的三元體系可誘導全牛乳中有限的蛋白質交聯，并抑制細菌生長。葡萄糖氧化酶催化葡萄糖生成H2O2，經辣根過氧化物酶誘導酪蛋白分子間發生交聯，故交聯后制得的酸乳形成致密的網絡結構，提高了酸乳的持水力、黏彈性、硬度和黏附性[83]。5）化學誘導。化學誘導是改善酸乳結構的重要方法，與酶法改性相比能夠顯著改善酸乳質地。溫研[83]研究了添加阿魏酸和過氧化物酶對酸乳的影響，發現阿魏酸和酶共同作用對酸乳質地改善效果優于單一處理方式，阿魏酸和酶均可交聯酪蛋白，乳蛋白聚集程度更大，對品質改善更加明顯。

圖4 熱、鹽、酸等方式改善酸乳凝膠穩定性的作用機制Fig.4 Mechanism of the improvement of the gel stability of yoghurt by heat,salt and acid induction

4 酸乳穩態化的未來發展趨勢

酸乳是世界范圍內最受歡迎的乳制品之一，為迎合消費者對酸乳營養及功能的多元化需求，研究者逐漸聚焦于活性多糖、脂質替代及營養強化對酸乳質地和品質的影響。酸乳不僅可以改善腸道菌群，還可作為活性物質載體[84]，這為功能型酸乳的研發提供了理論支撐。有研究者將沙棘多糖[85]、黑木耳多糖[86]、槐花多糖/銀耳多糖復配[87]添加至酸乳中，發現不僅能夠降低酸乳在貯藏期間的乳清分離、提高酸乳穩定性，還能賦予其多糖的特殊風味，應用潛力巨大。脫脂酸乳常存在黏度低、質地差和脫水收縮等品質問題[88]，因此，脂質替代是功能型脫脂酸乳的重要研究方向。除了變性淀粉、菊糖、WPI等可作為脂質替代物外，乳液凝膠也可添加至低脂食品中以改善產品的感官和質地[89]。李紅娟等[90]將WPI-黃油乳液凝膠微粒加入酸乳中，對WPI熱處理使其暴露更多疏水基團和反應位點，通過微觀結構分析發現，酪蛋白易與WPI-黃油乳液凝膠微粒發生交聯，形成更加緊密的網絡結構，從而增強持水力。這為乳液凝膠應用于脫脂酸乳中作為脂質替代物提供了新思路。此外，添加如植物甾醇、牛磺酸、礦物質、維生素、ω-3脂肪酸等營養成分，對所制備營養強化型酸乳的結構穩定效果較不明顯[91]。如強化礦物質鐵（25 mg/kg）和VD3（1 000 IU）對酸乳持水力、黏度和感官特性無顯著影響，可用于營養素缺乏改善[92-93]，是營養強化食品的有益補充。

5 結語

本文立足于酸乳在形成過程中易出現品質缺陷問題，從酸乳質地缺陷及影響因素、酸乳凝膠穩定性改善方法及作用機理等方面的研究進行綜述，旨在為實現凝膠性能良好、乳清析出少、組織結構緊密的酸乳凝膠體系構建提供理論參考。現有研究表明，在酸乳中加入食品大分子能增強其凝膠網絡結構，可有效減少乳清析出、改善凝膠質地、提高酸乳穩定性，而開發含活性多糖、脂質替代物和營養強化劑的酸乳，以滿足消費者對營養及功能的多元化需求且不影響酸乳優良質地，有利于酸乳制品產業得到長足穩定的發展。