Mozzarella干酪流變學特性變化影響因素及機制的探討

劉燕,于景華,李紅娟

(天津科技大學,天津 300457)

Mozzarella干酪流變學特性變化影響因素及機制的探討

劉燕,于景華,李紅娟

(天津科技大學,天津 300457)

本文綜述了酪蛋白的結構特點以及加工過程對Mozzarella干酪終產品流變學特性的影響,并從分子間相互作用力的角度對干酪流變學變化機制進行了闡述.

酪蛋白;反應機理;分子間作用力;流變特性

0 引言

Mozzarella干酪具有獨特的拉絲性、融化性和油脂析出性[1],這些特性取決于蛋白水解程度[2]、脂肪含量、鹽的分布、以及蛋白與蛋白、蛋白與水之間的相互作用.研究表明,干酪的流變學特性主要是由酪蛋白分子間的相互作用決定[3].Bryant[4]和Guinee[5]等認為溫度對酪蛋白分子間作用影響顯著,溫度升高,氫鍵作用減弱,分子間疏水作用和靜電作用增強.Z.ustu?nol[6]和Kindstedt[7]認為增加干酪脂肪含量可提高其融化性.中外學者對干酪流變特性影響因素的研究頗多,但多為單一因素對其影響研究,缺乏系統闡述.而Mozzarella干酪的拉絲性、融化性等流變特性對生廠商、加工商及消費者而言非常重要[8].因此,系統性闡釋各階段反應機理,并對其流變特性變化機制進行闡明,對Mozzarella干酪貯藏、加工都具有重要應用價值.

1 酪蛋白是影響Mozzarella干酪的流變學特性的物質基礎[9]

干酪的主要結構成分是酪蛋白.干酪的制作過程實際上就是酪蛋白膠束逐漸形成酪蛋白結構性骨架的過程[14].因此,了解酪蛋白的結構特點對了解干酪的質構以及流變學特性十分必要.

1.1 酪蛋白特點

牛乳中酪蛋白與乳清蛋白的比例約為80∶20(質量比).酪蛋白主要由αs1-CN、αs2-CN、β-CN和κ-CN組成[10],它們和大量的膠體磷酸鈣(CCP)結合在一起形成加大的顆粒狀聚集體,稱為酪蛋白膠粒.乳中約95%的酪蛋白以膠粒的形式存在,并能穩定的分散在乳中.由于酪蛋白缺乏高度緊密的結構,因而在加熱或其他變性條件下較為穩定.酪蛋白分子中非極性氨基酸較多,極性分布不均一,且具有開放、易變的結構,其很容易被吸附到氣-水界面和油-水界面,具有良好的乳化性和起泡性.

1.2 酪蛋白的締合

酪蛋白間可發生自我締合以及與其他酪蛋白分子的締合.αs1-CN分子間可締合形成相對分子質量為113 000的四聚體,隨蛋白濃度的增加和溫度升高,聚合程度增大.大部分αs2-CN是以二硫鍵結合的二聚體形式存在.4℃時,β-CN以單體形式存在.當溫度和離子強度增大時,β-CN締合為近似球形的多聚體.

一些研究表明,酪蛋白的締合作用受溫度影響很大.溫度影響了疏水交互作用,pH和離子強度影響了靜電斥力,這些作用之間的平衡控制著聚合物的大小.

1.3 酪蛋白對Ca2+的敏感性

酪蛋白可以通過氨基酸序列區分,也可以通過他們的數量、磷酸化殘留的分布和對鈣離子的敏感程度來區分.由于αs-CN和β-CN當中大量的磷酸絲氨酸殘基對Ca2+具有極強的親和力,因此這兩種酪蛋白極易受Ca2+影響而沉淀.而κ-CN分子中幾乎不含磷酸絲氨酸殘基,因此對Ca2+表現出相對穩定性.由于κ-CN位于酪蛋白膠粒的最外層,其分子的碳末端具有很強的疏水性,因此在酪蛋白膠粒表面形成疏水層,從而起到防止膠粒聚集、保護膠粒內部酪蛋白免受Ca2+影響而沉淀的作用,有利于維持膠體懸浮液的穩定性.

2 干酪加工工藝及其對干酪品質影響

不同工藝階段中各項指標的變化都會對干酪的最終品質產生決定性的影響,因此,固定各個階段的各個參數對干酪終產品的品質起著重要作用.

2.1 Mozzarella干酪加工工藝

原料乳→標準化→殺菌(63℃,30 min)→35-37℃加入發酵劑→加入CaCl2→pH6.4左右,加入凝乳酶→凝乳(30 min左右,憑經驗判斷)→凝塊切割成1 cm3→攪拌,升溫,排乳清→堆釀→鹽漬→熱燙拉伸→成型→真空包裝

2.2 標準化

由于原料乳中的脂肪含量、蛋白質含量、鈣含量以及pH等存在差異,因此其質量在很大程度上決定了干酪產品的組成成分和質量.

干酪產品的成分標準主要是由其中的水分以及脂肪含量所決定.脂肪與蛋白質的比例是由生產及操作程序所決定,但后者在更大程度上受原料乳中脂肪和酪蛋白比例的影響.因此,需要根據產品要求,對原料乳進行標準化來減少產品間差異,保障產品質量.

2.3 殺菌

殺菌強度直接影響干酪的質量.實際生產中采用的是低溫長時殺菌(63℃,30 min)和高溫短時殺菌(72℃,15 s).殺菌溫度不能過低,也不能過高.過低,則滅菌程度不夠,達不到理想的滅菌效果;過高,則會使乳清蛋白變性,破壞鹽類離子的平衡,進而影響凝乳效果和排乳清階段乳清的排出.

乳清蛋白熱穩定性差,90℃,10 min可使其全部變性.其中β-lg穩定性最差,75℃以上完全變性.變性的乳清蛋白與酪蛋白發生交聯,阻止凝乳酶對κ-CN作用,使凝乳不完全,凝塊松軟甚至無法形成完整的凝塊.

2.4 酸化

這一階段,既可以用發酵劑發酵,也可以直接加酸酸化,目的是使原料乳的pH達到凝乳酶發揮作用的最適pH.

通過發酵劑發酵乳糖產生乳酸,使原料乳的酸度降低,提高凝乳酶活性,縮短凝乳時間;促進切割后凝塊中乳清的排出;在干酪成熟階段,發酵劑利用本身的各種酶類促進干酪的成熟;乳酸菌的生長繁殖能抑制其他雜菌的生長繁殖.

添加CaCl2可以降低pH值,促使蛋白質快速凝集,增大凝塊硬度,但形成凝乳的蛋白顆粒很小以至于不能靠近、聚集形成柔性的二硫鍵,而是以剛性的離子鍵為主,因此會導致凝塊在后續的熱燙拉伸工序中拉伸性能下降[11].

2.5 凝乳

乳中的酪蛋白在凝乳酶的作用下迅速凝集,這一過程可以分為酶促酪蛋白水解階段和酶解產物聚集階段.在干酪加工過程中,這兩個階段在一定程度上重疊、交錯.第一階段主要是凝乳酶水解κ-CN中的苯丙氨酸和蛋氨酸(Phe105-Met106)之間的肽鍵,生成副κ-CN和糖巨肽,導致酪蛋白膠粒間的負電荷數量減少、靜電斥力下降,此時,酪蛋白膠粒極易發生聚集.κ-CN被水解后,αs-CN和β-CN裸露,由于這兩種酪蛋白含有大量的磷酸絲氨酸殘基,對Ca2+具有極強的親和力,因此,它們與Ca2+結合沉淀下來.同時副酪蛋白分子在游離鈣的存在下,分子間形成鈣橋,副酪蛋白微粒發生團聚作用,形成無定型三維凝膠網絡結構.

2.6 排乳清

判斷凝塊是否可以切割,將干酪刀插入凝塊再拔出,若無乳白色液體則證明可以切割.將凝塊切割成1 cm3小方塊,不斷攪拌,并梯度升溫,促進乳清排出.堆釀過程也是繼續排乳清的過程,排乳清階段決定了成品干酪的硬度.

凝塊被切割后,大部分乳清排出,但仍有部分乳清存在于酪蛋白膠粒之間,此時,適當升高溫度會加快酪蛋白膠粒間乳清的排出.攪拌的目的,一是加快顆粒間的碰撞,增強脫水收縮;二是通過攪拌,阻止顆粒沉底聚集而造成乳清析出困難.

2.7 鹽漬

鹽漬的目的是減少成品干酪中的Ca2+含量,進而影響了膠體磷酸鈣的結構,從而使干酪硬度降低,黏著性增強.且較高濃度的鹽可以降低干酪的油脂析出性、水分含量,并獲得更好的融化性.鹽漬還能改變干酪的質構和風味.

鹽漬方式主要有3種:一是熱燙拉伸前切塊拌鹽,二是在熱水中加鹽,三是拉伸之后用一定濃度的鹽水浸漬.加鹽方式以及加鹽量對成品干酪的質構及流變性有影響.由于切塊拌鹽不均勻,加熱時,不穩定的結構先融化,其融化后產生的結構變化對相對穩定的結構來說有一定的沖擊作用,從而使整體表現出較大的融化性.由于凝塊在加工過程中形成了均一的結構,因此,當溫度上升時,酪蛋白膠束必須整體達到融化溫度才能融化,此時,鹽的添加量成為融化性的關鍵因素.只有鹽的添加量較大時,才能削弱酪蛋白磷酸鈣結構,從而表現出較好的融化性.目前,大多采用第一種或前兩種結合的方式.

2.8 熱燙拉伸

熱燙拉伸是Mozzarella干酪特有的工藝,給予Mozzarella干酪獨一無二的拉絲特性.干酪的拉伸特性與酪蛋白網狀結構的連續性、黏著性以及鈣磷的含量有關.凝乳在80~85℃熱水中融化變軟,通過不斷的揉、捏、拉伸,使凝乳的三維網狀結構重排成線性纖維結構[12],脂肪與乳清交錯分布其中[16].在這個階段會使干酪中水分重新分配[13],凝乳中的部分脂肪和余下的少量乳糖隨著反復拉伸融入熱水中,因此,Mozz arella干酪的脂肪含量低于其他干酪(脫脂干酪除外).拉伸溫度不同導致拉伸工藝過后存留在干酪中的活性凝乳酶的數量不同.拉伸溫度高會使凝乳酶失活嚴重,使其后期成熟過程蛋白質水解程度降低,不易于產生苦味肽而影響口感.

3 Mozzarella干酪流變學特性變化機制的探討

干酪流變學性質是由其組成、微觀結構和組分的物理化學性質以及它的宏觀結構等方面共同決定的.干酪的流變學特性主要受加工工藝影響,不同的工藝參數導致干酪分子間的相互作用力的改變,從而影響了干酪的流變學特性.

3.1 加工過程帶來的Mozzarella干酪流變學特性變化機制

干酪是一種黏彈性物質,流變特性是Mozzarella干酪的重要特性[25],與pH[26]、溫度、Ca2+、生產過程和成熟過程中蛋白質的水解有關[20].凝乳過程適當降低pH會使凝塊硬度降低[21].凝塊中,膠體磷酸鹽與鈣相互交聯,pH降低,鈣的溶解性增加,交聯減少,所以硬度降低.T.P.Guinee等在研究時發現,一定程度內的鈣減少可提高干酪的拉絲性和流動性[22].凝乳階段,在κ-CN和β-lg之間形成永久性共價鍵--二硫鍵,二硫鍵的存在也增加了凝膠的彈性特點.干酪的彈性模量G'與酪蛋白的網狀結構直接相關[13].排乳清過程是酪蛋白分子的重排過程[15],形成緊密的凝膠網絡結構.溫度升高,產酸加快,凝乳粒收縮,凝乳硬度增加[23].在pH很低的情況下,酪蛋白分子之間的靜電斥力減小到非常低使系統接近于等電點,加強了分子間的鍵合,對融化能力產生不利影響.干酪的融化溫度與脂肪中所含的固體脂肪的含量有關,固體脂肪越多其融化溫度越高[17].干酪成熟過程中部分蛋白質水解為肽、氨基酸,且隨pH變化,部分膠體磷酸鈣溶解[24],影響了干酪的質構和流變學特性.

3.2 Mozzarella干酪流變學特性的變化是分子間相互作用的結果

酪蛋白分子間鍵的數量、強度、類型等構成了干酪流變學性質的基礎[3].這些鍵在空間上的排布影響其流變學性質.酪蛋白分子間的作用力主要有疏水相互作用、靜電斥力、氫鍵、范德華力等.

干酪被加熱后(≥40℃)變得更加黏稠,此時其黏性模量G'大于彈性模量G';干酪溫度≤40℃時仍會出現部分變軟的情況,是由于脂肪融化改變了酪蛋白分子間的相互作用.疏水相互作用在蛋白質分子構象中發揮重要作用,其隨溫度升高而增強,這可能會減少酪蛋白顆粒間的接觸面積,導致整體凝膠強度降低.蛋白分子中的非極性基團與水分子形成較強的氫鍵,隨著溫度升高,氫鍵的鍵強度減弱甚至斷裂,但氫鍵屬于可逆鍵,當溫度降低,氫鍵又會恢復.靜電斥力在干酪的網狀凝膠結構中也發揮了重要作用.鹽橋、膠體磷酸鈣橋、靜電斥力都隨溫度升高而增強,鈣的溶解性與膠體磷酸鈣的平衡也取決于溫度.膠體磷酸鈣的溶解導致酪蛋白顆?？們綦姾蓽p少,酪蛋白從膠束中解離出來[18].酪蛋白膠束中不溶性鈣流失導致凝乳內部結構發生改變,在低pH下,不溶性Ca2+損失嚴重,從而影響了干酪的流變學特性[19].酪蛋白分子間的鍵強度是疏水相互作用、靜電斥力和范德華力相互作用的結果[15].

4 結論

在Mozzarella干酪的生產過程中,任何微小的變化(溫度、pH、時間等)都會影響其終產品的品質.因此,只有明確加工過程中的每一步對干酪內部組織結構及分子間作用力的影響,才能生產出符合消費者需求的、具有特定流變學特性的干酪.

[1]LAW B A,TAMIME A Y.Technology of Cheesemaking(second edi?tion)[M].New Jersey:WILEY-BLACKWELL,2010:330-359.

[2]YUN J J,KINDSTEDT P S.Mozzarella Cheese:Impact of Coagulant Type on Chemical Composition and Proteolysis[J].Journal of Dairy Science.1993,76(12):3657-3663.

[3]李曉東,霍貴成,崔旭海.干酪流變學性質及其對質地的影響[J].中國乳品工業.2005,33(4):51-55.

[4]BRYANT C M,MCCLEMENTS D J.Molecular basis of protein functionality with special consideration of cold-set gels derived from heat-denatured whey[J].Trends Food Sci.Technol.1998,9(4):143–151.

[5]GUINEE T,AUTY M,MULLINS C.Observations on the micro?structure and heatinduced changes in the viscoelasticity of commercial cheeses[J].Australian Journal of Dairy Technology.1999,54(2):84–89.

[6]USTONOL Z,KAWACHI K,STEFFE J.Arnott Test Correlates with Dynamic Rheological Properties for Determining Cheddar Cheese Meltability[J].Journal of Food Science.1994,59(5):970-971.

[7]RUDAN M A,BARBANO D M,YUN J J.Effect of fat reduction on chemical composition,proteolysis,functionality,and yield of Moz?zarella cheese.Journal of Dairy Science.1999,82(82):661–672.

[8]任星環.生產工藝對比薩專用Mozzarella干酪品質影響研究[D].北京:中國農業大學,2004.

[9]張和平,張列兵.現代乳品工業手冊[M].北京:中國輕工業出版社,2012:128-140.

[10]WALSTRA P,VLIET T.The physical chemistry of curd making.Netherlands Milk and Dairy Journal.1986,40:241-259.

[11]李麗麗,任發政,曹雪.Ca2+對Mozzarella干酪凝乳形成及微觀結構的影響[J].農業機械學報.2009,40(5):124-129.

[12]MULVANEY S,RONG S D,BARBANO D M et al.Systems analy?sis of the plasticization and extrusion processing of Mozzarella cheese[J].Journal of Dairy Science.1997,80(11):3030-3039.

[13]YU CHENXU,GUNASEKARAN S.A systems analysis of pasta fila?ta process during Mozzarella cheese making[J].Journal of Food Engi?neering.2005,69(4):399-408.

[14]范麗芳,王維克.比薩干酪工藝及其功能特性分子基礎[J].中國乳品工業.2010,38(6):30-35.

[15]章宇斌.動態光散射分析不同物化條件下酪蛋白的聚集行為及其膠束尺寸[J].分析化學研究報告.2007,35(6):809-813.

[16]VOGT S J,SMITH J R,SEYMOOUR J D et al.Assessment of the changes in the structure and component mobility of Mozzarella and Cheddar cheese during heating[J].Journal of Food Engineering.2015,150:35-43. [17]MICHALSKI M C,CAMIER B,BRIARD V,The size of native milk fat globules affects physico-chemical and functional properties of Emmental cheese[J].INRA,EDP Sciences.2004,84(12):343-358.

[18]DALGLEISH D G,Law A J R.pH-induced dissociation of bovine casein micelles.Ⅱ.Mineral solubilization and its relation to casein re?lease[J].Journal of Dairy Research.1989,56(05):727-735.

[19]CHOI J,HORNE D S,LUCEY J A.Effect of insoluble calcium concentration on rennet coagulation properties of milk[J].Journal of Dairy Science.2007,90(6):2612-2623.

[20]LUCEY J A.Formation and physical properties of milk protein gels[J].J.Dairy Sci.2002,85(2):281–294.

[21]ERRANO J,VELAZQUEZ G,LOPETCHARAT K et al.Effect of moderate pressure treatments on microstructure,texture and sensory properties of stirred-curd cheddar shreds[J].J.Dairy Sci.2004,87(10):3172-3182.

[22]GUINEE T P,FEENEY E P,AUTY M A E et al.Effect of pH and calcium concentration on some textural and functional properties of Mozzarella cheese[J].J.Dairy Sci.2002,85(7):1655-1669.

[23]OBERG C J,WANG A,MOYES L V et al.Effects of proteolytic ac?tivity of thermolatic cultures on physical properties of Mozzarella cheese[J].J.Dairy Sci.1991,74(2):389-397.

[24]文旭娟,趙征.低脂Mozzarella干酪的品質研究[J].中國乳品工業.2009,37(5):24-27.

[25]MULIAWAN E B,HATZIKIRIAKOS S G H.Rheology of mozza?rella cheese:Extrusion and rolling[J].International Dairy Journal.2007,10(015):615–623.

[26]BANVILLE V,MORIN P,POULIOT Y et al.Shreddability of piz?za Mozzarella cheese predicted using physicochemical properties[J].J.Dairy Sci.2014,97(7):4097-4110.

Study on influencing factors and mechanism of rheological properties of mozza?rella cheese

LIU Yan,YU Jinghua,LI Hongjuan
(Tianjin university of science ana technology,Tianjin 300457,China)

The structural characteristics of casein and the effects of processing on the rheological properties of mozzarella cheese were summa?rized.The paper also reviewed the change mechanism of cheese rheology from the perspective of the interaction between molecules.

casein;reaction mechanism;intermolecular force;rheological properties

TS252.53

B

1001-2230(2017)10-0022-03

2016-08-11

國家自然基金(31501510)和國家自然科學基金(31271904).

劉燕(1992-),女,研究生,研究方向乳品科學與工程.

于景華