親水膠體在低脂干酪中的應用進展

摘 要：

隨著人們健康飲食意識的增強，低脂干酪的市場潛力也越來越大，但脂肪在干酪的結構穩定性、質地和感官特性中發揮重要作用，直接降低干酪脂肪含量會影響其品質。本研究探討親水膠體的凝膠性、增稠性、穩定性等功能特性，及其對低脂干酪風味、質地、得率和營養特性的影響，并提出未來研究方向可以聚焦于以下三個方面：（1）設計開發協同提升風味和質地的親水膠體混合物;（2）探究親水膠體對產品消化特性和人體腸道菌群平衡的影響;（3）研發多功能性的親水膠體。

關鍵詞： 低脂干酪;親水膠體;風味;質地;得率

中圖分類號： TS 972.123.6 ""文獻標志碼： A ""文章編號：

2095-8730（2024）04-0093-06

干酪是由乳或乳制品中的蛋白質在凝乳酶的作用下凝固后，添加發酵菌種、食用鹽、食品添加劑、食品營養強化劑，排出乳清后經發酵等工序制得的固態或半固態產品［1］。它可為機體提供脂肪、蛋白質、礦物質、維生素等，是營養價值較高的乳制品。過多脂肪攝入可能會增加患肥胖癥、心血管疾病、2型糖尿病等疾病的風險［2］。現代醫學及營養學研究表明，食用低脂食品有助于減少脂肪的攝入量，不僅能有效提升胰島素敏感性、預防肥胖，還可維持鉀鈉平衡和提供必需的蛋白質和鈣質［3］。因此，低脂干酪受到消費者的歡迎，但直接降低干酪脂肪含量會使得產品風味平淡、質地過硬、融化性差，這樣會降低消費者對低脂干酪的接受度。王清剛等［4］研究發現，與全脂哈羅米干酪（脂肪含量30％）相比，低脂哈羅米干酪（9％）得率降低，蛋白質和水分含量增加，硬度、彈性、內聚性和咀嚼性提升，導致干酪品質下降。親水膠體不僅具有改變增稠性、改善質地和提升保水能力等功能，還能夠模擬干酪中脂肪的感官和技術特性，有助于解決低脂干酪中存在的風味不佳、質地過硬和流變學特性變差等問題。

1 親水膠體概述

親水膠體是一類含有多羥基的長鏈碳水化合物或蛋白質聚合物，大多呈電中性或電負性。親水膠體的分子量較大，含有大量的羥基，可增強其結合水分子的能力，從而表現為親水性;同時，它們能形成一種分散體，介于真溶液與懸浮液之間，表現膠體特性［5］。親水膠體在水中溶解時，可以形成網絡狀的聚合物分子，凝膠內的連接鍵由氫鍵、疏水締合和陽離子介導交聯組成，親水膠體凝膠通常被稱為“物理凝膠”［6］。

1.1 親水膠體的分類

親水膠體有多種分類方式：根據含水量，分為固體凝膠和半固體黏稠液;按凝膠性質，分為熱可逆性和熱不可逆性凝膠;按離子結構，分為離子型和非離子型膠體;按來源，分為植物源（如果膠、淀粉、刺槐豆膠、卡拉膠）、動物源（如明膠、殼聚糖）和微生物源（如葡聚糖、黃原膠）;按脂肪替代性，分為基于多糖的生物聚合物（如卡拉膠、果膠、刺槐豆膠）和基于蛋白質的生物聚合物（如明膠、酪蛋白酸鹽、乳清蛋白）［7］。

常見的商業親水膠體包括刺槐豆膠、黃原膠、瓜爾膠、卡拉膠、β-葡聚糖等。刺槐豆膠是源自刺槐樹種子胚乳的一種植物性多糖，由半乳糖和甘露糖殘基構成，可增強乳制品的黏度。它不僅在眾多產品中被當作增稠劑，還與黃原膠和卡拉膠協同增強凝膠能力。黃原膠，由黃單胞菌產生的一種胞外多糖，由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸按2∶2∶1的比例組成，可提高乳制品的穩定性、增稠性和乳化性。瓜爾膠從瓜爾豆中提取，在熱水和冷水中均能溶解，能增強食品黏度，并且富含膳食纖維，能夠降低血糖［8］。卡拉膠，來自紅海藻的多糖，其線性分子結構由D-半乳糖和3，6-脫水-D-半乳糖通過α-1，3鍵和β-1，4鍵交替連接，分為Lambda、Iota和Kappa三種類型，在乳制品應用中具有高蛋白反應特性、穩定性、膠體協同性。β-葡聚糖是廣泛存在于細菌、藻類和谷物中的一種多糖，在乳品加工中被當作穩定劑和增稠劑，黏度高且富含膳食纖維［9］。

1.2 親水膠體的功能特性

在干酪生產過程中，添加親水膠體可以增強產品的凝膠性、增稠性、乳化性、穩定性，從而有助于保持干酪中的水分，防止脫水和乳清分離，并提升保水性能。此外，親水膠體與乳蛋白通過共價鍵、靜電相互作用、疏水作用以及范德華相互作用形成凝膠網絡體系，以改善干酪的質地［10］。

凝膠是介于固體和液體之間的中間狀態，當親水膠體加入水性介質時，它們會吸收水分并增加其流體動力學體積，如果親水膠體聚合物捕獲了足夠多的水分子，溶液中的大分子能夠相互交聯，親水膠體便可以形成三維網絡結構，表現出高凝膠特性［11］。雖然所有親水膠體都能賦予水分散體系黏度，但只有相對較少的膠體可以形成凝膠。例如，瓊脂、海藻酸鹽、卡拉膠、果膠、明膠、甲基纖維素、變性淀粉等，通常用于各種乳制品中，以賦予產品凝膠狀的質地和穩定性［12］。增稠性，即黏度增強，主要由親水膠體的聚合物鏈在溶劑中纏結引起。當濃度超過臨界值時，親水膠體分子開始聚集，不能自由移動，導致溶液黏稠，黏度隨之升高［13］。作為乳化劑，親水膠體減小油水界面張力，有助于混合過程中細小分散相滴的形成，產生均勻的乳狀液。親水膠體分子鏈上的親水基團與水分子形成氫鍵，構建穩定的凝膠網絡，其凝膠性和增稠性的提高均有助于防止溶液中離子聚集或分離，維持親水膠體的穩定性。

2 低脂干酪存在的問題

2.1 脂肪含量降低對低脂干酪風味的影響

干酪成熟過程中的風味化合物的形成主要有三種途徑，其中之一是脂肪水解及其代謝作用產生一系列的脂肪酸，然后通過多樣化的生物化學反應轉化成各種風味化合物，如醇類、酮類、酯類、硫酯類或短鏈脂肪酸，它們共同形成了干酪特有的風味特性。然而，在某些類型的干酪中，如高達干酪、切達干酪，控制脂肪水解程度能避免脂肪過度水解進而產生不理想的風味，影響干酪口感［14］。干酪中脂肪含量降低會影響揮發性化合物的含量及形成，使得低脂干酪的風味不佳，甚至帶有異味，這是因為內源性脂肪酶能夠分解甘油三酯所產生的游離脂肪酸，其類型和濃度有助于提升干酪的風味。研究發現，與全脂干酪相比，低脂切達干酪的醛類含量更高，醇、酮和酯類含量偏低，導致風味欠佳［15］。FENELON等［16］研究發現，在低脂干酪成熟過程中，風味物質的生成速度緩慢，特征風味強度隨著干酪脂肪含量的降低而減弱，甚至產生類似于燒煳肉湯的異味。

2.2 脂肪含量降低對低脂干酪質地的影響

脂肪是影響干酪質地的關鍵因素，干酪中脂肪含量的降低會導致其質地變差。這是因為干酪中的乳脂肪以脂肪球的形式分布在酪蛋白構成的立體網狀結構中，通過調節酪蛋白之間的相互作用，可以使干酪形成更為柔軟的質地，而低脂干酪的脂肪含量偏低，導致蛋白質之間的相互作用增強，使得酪蛋白網狀結構變得更加致密，這種緊密結構較難被蛋白酶水解而分散，所以低脂干酪的口感變得粗糙，質地變硬，融化性和油脂析出性降低［17］。GUINEE等［18］研究發現降低脂肪含量會使成熟后的切達干酪的凝膠網絡結構更為致密，從而使切達干酪的硬度顯著增強，口感類似橡膠。VOLIKAKIS等［19］研究發現，減少脂肪含量會引起干酪產量和彈性模量的下降，從而導致低脂干酪口感不佳。研究發現，在焙烤披薩時，低脂馬蘇里拉干酪與全脂馬蘇里拉干酪相比，其融化性較差，且易出現過度褐變的情況，導致低脂馬蘇里拉干酪不適合用于制作披薩［20］。

2.3 脂肪含量降低對低脂干酪得率的影響

得率不僅能反映生產工藝參數制定的經濟合理性，還能評定干酪的生產效益，并檢驗工藝改進和產率提升的實際效果。干酪得率受多種因素影響，主要包括原料乳的品質、生產工藝條件、發酵劑和凝乳酶的型號和添加量等。干酪中脂肪含量降低會使得其他干物質含量增加，非脂固形物中的水分含量降低，導致干酪得率下降，影響產品的經濟效益。MISTRY［21］發現，減少脂肪含量會導致干酪中的酪蛋白網狀結構的縫隙變大，在加熱排出乳清的過程中，蛋白質損失率上升，致使干酪得率下降。

3 親水膠體在低脂干酪中的應用

3.1 親水膠體改善低脂干酪風味機制研究

干酪中脂肪含量降低對香氣釋放產生很大影響，這是因為干酪中的脂肪攜帶許多揮發性分子，減少脂肪含量會減少這些香氣分子的載體，進而減弱了香氣的強度。香氣化合物的釋放速度由食物基質和香氣化合物的性質決定。香氣化合物通常具有疏水性質，在脂質中的溶解度高于在水中，因此低脂產品中脂肪含量的減少會改變食品香氣。多糖類親水膠體與芳香化合物的相互作用主要基于黏度增強和食物中芳香化合物擴散系數的變化。較小的多糖類親水膠體可以在溶液中形成水分子網絡，減少自由水含量，促使香氣化合物從溶液中分離出來，進而促進香氣釋放［22］。研究表明，使用黃原膠可以增加低脂干酪中的醛、酮和酯類化合物含量，貢獻水果和花香等風味，進而提升低脂干酪的整體風味［23］。蛋白質類親水膠體也可以結合和捕獲香氣化合物。據報道，乳清蛋白可有效結合乙醛、壬醛、2-十一酮等酮類和醛類物質，增強產品的青草味、脂肪味及牛奶香味［24］。

3.2 親水膠體改善低脂干酪質地特性研究

多糖類親水膠體是單糖通過糖苷鍵連接形成的長鏈聚合物，具有保水性、表面活性、凝膠性和增稠性等功能屬性，可以改善產品的黏性、內聚性和硬度等質地特性［25-26］。在低脂干酪加工中，ι-卡拉膠和λ-卡拉膠等多糖類親水膠體通過親水作用和阻礙酪蛋白網狀結構的脫水縮合，可增加低脂干酪中自由水含量，減弱蛋白質分子間的相互作用，降低低脂干酪的硬度和彈性模量［27］。KHANAL等［28］研究發現，海藻酸鈉在低脂干酪的結構中起到填充顆粒的作用，其較高的持水量增加了干酪的水分含量。海藻酸鈉添加量為0.23％時，低脂切達干酪的硬度由39.79 N降至20.04 N，與對照組有顯著差異（Plt;0.05），黏性也從28.38 N降至14.81 N，使得添加海藻酸鈉的低脂切達干酪在質地和感官特性上與全脂干酪相似。蛋白質類親水膠體通過熱化學處理，使得部分蛋白質變性和顆粒大小改變，從而獲得類似全脂乳制品的質地。AKIN等［29］研究發現，在低脂干酪中添加1％微粒化乳清蛋白可使干酪硬度降低約40％，且具有較好的微觀結構。這是因為微粒化乳清蛋白可以在凝乳階段進入酪蛋白網狀結構，使得網狀結構松散，從而降低低脂干酪的硬度。

如表1所示，利用多糖和蛋白質類親水膠體可以有效地捕獲水分并阻礙蛋白質交聯，從而改善低脂干酪的質地特性。

3.3 親水膠體提升低脂干酪得率研究

在干酪的凝乳過程中，酪蛋白起到凝固作用。脂肪球在分散體系中均勻分布，部分與蛋白質發生相互作用，導致酪蛋白粒子結構改變，從而改善凝塊的強度和黏稠度，提高凝乳得率［37］。ι-卡拉膠和λ-卡拉膠可以降低酪蛋白巨肽的釋放速度，阻礙蛋白質交聯。另外，這兩種卡拉膠覆蓋了酶活性位點，干擾酪蛋白膠束的聚集，形成松散的酶網絡結構，因此，ι-卡拉膠和λ-卡拉膠的使用為脂肪分子提供更多的通道，降低了從凝乳中排水的驅動力，從而增加水分含量，提高低脂干酪得率［38］。研究表明，使用濃縮乳清蛋白制備的低脂軟干酪與對照組相比，得率提升了約6％，這可能是總固形物的增加，乳清蛋白沉淀在酪蛋白膠束上，導致β-乳球蛋白通過與水結合來提高低脂干酪的得率［39］。

3.4 親水膠體對低脂干酪的營養特性研究

大多數親水膠體屬于膳食纖維，對健康有益。β-葡聚糖、海藻酸鈉、卡拉膠、果膠、結冷膠、魔芋膠等被認為是具有益生元潛力的碳水化合物基親水膠體［40］。β-葡聚糖可提高低脂奶油奶酪中益生菌鼠李糖乳桿菌的活力，含有β-葡聚糖的低脂奶油奶酪在冷藏儲存35 d后活菌數量變化不顯著，這可能是β-葡聚糖作為益生元來改善益生菌的生長、活力和定殖［41］。親水膠體形成的高黏度基質能減緩葡萄糖和脂肪酸等營養物質在體系中的擴散，降低小腸對營養物質的吸收速度，有助于血糖平緩上升［42］。此外，親水膠體可以調節腸道菌群，增強腸道功能，一方面是因為大多數親水膠體對胃腸道消化具有抵抗力;另一方面是它們可以快速地發酵成短鏈脂肪酸，并在發酵期間通過降低pH值來抑制病原菌，促進有益菌的生長，例如雙歧桿菌和乳酸桿菌［43］。

多糖和蛋白質類親水膠體通過非共價相互作用結合形成復合物，被當作食品中的營養及功能成分。低聚糖類親水膠體和多酚之間可以通過氫鍵和疏水作用等非共價相互作用形成復合體，這些相互作用對食品的物理化學特性和感官品質產生積極影響，并且可以促進人體胃腸道的消化吸收，有助于推動開發營養價值更高的健康食品［44］。乳清蛋白既可以提升產品蛋白質含量，降低能量，又能夠改善產品的乳化性、熔融性、持水性，提高產品的功能價值［45］。多糖類親水膠體制作低脂干酪時，可以減緩乳清的排出，增加α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、牛血清白蛋白、免疫球蛋白等有益健康的功能性蛋白含量［46］。

4 展望

隨著低脂乳制品需求的增長，使用親水膠體模擬全脂乳制品的質地和口感顯得尤為重要。蛋白質和多糖類親水膠體能夠改善低脂干酪的物理化學特性和感官品質來提升產品品質。盡管親水膠體在優化產品質地方面效果明顯，但在風味提升方面仍存在不足，未能滿足消費者對低脂干酪品質的期望。因此，未來研究首先應聚焦于設計開發親水膠體混合物，提升風味與質構的協同效應，這將在增強產品質構的同時，最大化釋放風味，提高產品性能。其次，探究親水膠體對產品的消化特性的影響，并綜合考慮對腸道菌群平衡和人體健康的影響，以提升低脂乳制品對健康的促進作用。除此之外，有必要開發新型多功能性親水膠體，以豐富低脂乳制品的種類，促進低脂乳制品產業的發展。

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Progress in the application of hydrocolloids in low-fat cheese

LI Lingyu， ZHAO Yue， CUI Limin， SI Kuolin， ZHANG Jinghua， ZONG Xuexing

（Inner Mongolia Mengniu Dairy （Group） Co.， Ltd.， Hohhot， Inner Mongolia 011500， China）

Abstract：

With the increasing awareness of healthy eating among people， low-fat cheese has great market potential. Fat plays an important role in the structural stability， texture， and sensory properties of cheese， but directly reducing the fat content of cheese can affect its quality. This study explored the gelling， thickening and stabilizing properties of hydrocolloids，as well astheir impact on the flavor， texture， yield and nutritional properties of low-fat cheese. It proposed the future research directions focusing on the following three aspects： （1） designing and developing hydrophilic colloidal mixtures that synergistically enhance flavor and texture; （2） investigating the effects of hydrocolloids on product digestive characteristics and the balance of human intestinal flora; （3） developing multifunctional hydrocolloids.

Key words：

low-fat cheese; hydrocolloids; flavor; texture; yield

（責任編輯：曹文磊）

收稿日期：2023-09-13 *通信作者

基金項目：呼和浩特市“揭榜掛帥”重大科技項目（2023-揭榜掛帥-農-2）

作者簡介：

李玲玉，女，內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司工程師，主要從事乳制品加工研究與開發，E-mail：981776401@qq.com;

宗學醒，男，內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司高級工程師，主要從事乳制品加工研究與開發，E-mail：1114682570@qq.com。