發酵乳黏度對乳酸菌飲料穩定性的影響

陸延，邵曉園，李高聰，盧興，劉鳳錦，張軍

（1.黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱150080；2.農業微生物技術教育部工程研究中心，哈爾濱150500）

0 引言

含乳飲料是一類品質均一、清香純正、營養與保健功能集于一體的液態蛋白飲品[1]。目前全球乳酸菌飲料的市場規模已達500億美元。歐美及日本等國家，發酵型乳酸菌飲品在乳制品市場的占有率高達90%。我國乳酸菌奶飲品正處于高速發展階段。根據尼爾森數據得知，從13年開始我國乳酸菌飲料市場呈大幅增長，截止2017年平均復合增長率為28.9%，最高達到過50%。2017年銷售額為176.5億，已成為乳酸菌飲料的第二大市場。但是，發酵過程影響了酪蛋白的顆粒大小，而穩定性又與粒徑大小、黏度等有關。因此，乳蛋白在酸性條件下的變性沉淀則一直是影響酸性乳飲料生產及開發的一個關鍵性問題。近年來對多糖與乳蛋白的相互作用以及對最終產品穩定性的研究已成為世界各國乳品科學和工程研究的一個主要方面[2]。乳酸菌胞外多糖通過與蛋白質發生相互作用，影響蛋白網狀結構的構建，從而在較低濃度下對酸乳的黏度、粘彈性、持水力、質構、風味等產生顯著影響，改善酸乳品質[3-5]。

近年來，乳酸菌飲料口感特征不斷由黏稠型向清爽型發展，大豆多糖和高甲氧基果膠單獨或配合使用使這一性狀得以實現[3，6-10]。

本文以清爽型乳酸菌飲料為研究對象、離心沉淀率為檢測指標，比較分析了添加和不添加大豆多糖條件下發酵乳黏度對乳酸菌飲料蛋白質穩定性的影響，探討影響乳酸菌飲料蛋白質穩定性的新因素，以便更好實現對發酵劑的產黏類型選擇及乳酸菌飲料穩定性控制。

1 實驗

1.1 材料與試劑

鮮牛奶（雙城市君宇牛奶養殖有限公司），可溶性大豆多糖（山東聚源生物科技有限公司），低黏度發酵劑（上海昊岳實業有限公司），高黏度發酵劑（黑龍江百錦生物工程有限公司），中黏度發酵劑（高粘度發酵劑與低粘度發酵劑1∶1配比），白砂糖，檸檬酸。

1.2 儀器與設備：

恒溫水浴鍋（鄭州市煜城儀器有限公司），電子天平(杭州萬特衡器有限公司），恒溫培養箱（上海精宏實驗設備有限公司），高剪切乳化均質機（SRH-S實驗室均質機），離心機（XiangYi-H 1650），PH記（上海儀電科學儀器股份有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 發酵乳的制備

按照如下工藝方法分別應用3種產黏能力發酵劑制備發酵乳。

1.3.2 乳酸菌飲料調配與制備

按照如下過程，分別以3種不同黏度發酵乳為基料按下述工藝方法制備乳酸菌飲料。其中，組1不添加穩定劑；組2添加水溶性大豆多糖作為穩定劑，借鑒邵丹丹和曾令平等[3，6-10]關于大豆多糖在酸性含乳飲料中應用技術研究方法，確定添加量為4%，高壓均質條件為（一級壓力：30 MPa，二級壓力：15 MPa）。

1.3.3 操作要點

⑴原料液的制備

生牛乳在水浴鍋中加熱60℃，加入6%白砂糖充分攪拌溶解，90℃、殺菌15 min左右，冷卻至42℃接種發酵劑，恒溫培養箱發酵至酸奶p H為4.6終止發酵，放入冰箱冷藏后熟。

⑵穩定液的制備

穩定劑與10%的白砂糖、3%檸檬酸充分干混，溶于70℃蒸餾水中，攪拌10 min至充分溶解（溶液中沒有大塊顆粒存在），90℃以上殺菌3 min，冷卻至室溫備用。

⑶飲料調配與制備

將酸奶基料與穩定劑溶液按1∶2比例（產品p H約4.3），采用實驗室高剪切乳化機，15 000 r、7 min進行剪切混合后，高壓均質（一級壓力：30 MPa，二級壓力：15 MPa技術條件），罐裝制成發酵型乳酸菌飲料。

1.3.4 離心沉淀率的測定

取30 mL樣液放入離心管中，以4 000 r/min的轉速離心20 min，去除上清液，將離心管倒置10 min后擦去管口的水珠，稱量底部沉淀物重量，計算離心沉淀率[11]。

M1—離心管質量

M2—離心前樣品加離心管質量

M3—離心后離心管加沉淀物質量

離心沉淀率=（M3-M1）/（M2-M1）×100%

1.3.5 黏度測定

根據所測液體的黏度范圍選擇適合的轉子，用黏度計進行測定，本次實驗選擇63號轉子，待數字第一次穩定后記錄數據。

2 結果與分析

2.1 不同產黏能力發酵劑制備發酵乳及乳酸菌飲料黏度

采用不同產黏能力的發酵劑制備的發酵乳以及以此發酵乳為基料制備的乳酸菌飲料黏度結果見圖1。

圖1 3種發酵乳及乳酸菌飲料黏度

圖中結果顯示，不同產黏能力發酵劑發酵相同牛乳，制備的發酵乳及乳酸菌飲料，黏度指標差異顯著，各組中低黏度與中等黏度差值及中等黏度與高黏度差值分別為，發酵乳：23.70 mPa's和14.10 mPa's，變化率為46.11%和18.77%；無穩定劑飲料組1∶12.80 mPa's和5.70 mPa's，變化率為72.73.11%和18.75%；添加穩定劑飲料組2：15.50 mPa's和4.80 mPa's，變化率為126.02%和17.27%。雖然由于稀釋作用使得飲料黏度降低，但是組內各項依然存在明顯差異。表明原料黏度特性對飲料的黏度特性有決定性影響，原料黏度高，以其制備的乳酸菌飲料黏度相應也高。圖中數據也表明組2各項黏度比組1相應降低，且原料黏度越低，其下降強度越大。

2.2 不同黏度發酵乳制備乳酸菌飲料離心沉淀率

不同黏度發酵乳制備乳酸菌飲料離心沉淀率分析結果如下圖2所示。

圖2 乳酸菌飲料離心沉淀率

圖2 為不同黏度發酵乳制備的乳酸菌飲料的離心沉淀率對比圖。由圖看出不添加穩定劑的條件下，3種不同黏度發酵乳制備的乳酸菌飲料離心沉淀率有明顯差別，沉淀率分別為2.31%、3.35%和4.24%。黏度越大的發酵乳制備的乳酸菌飲料離心沉淀率越高，低黏度發酵乳制備的乳酸菌飲料離心沉淀率更低，沉淀率和發酵乳基料黏度正相關。相同工藝條件下，加入0.4%的大豆多糖作為穩定劑制備的乳酸菌飲料，離心沉淀率分別為0.26%、0.73%和0.85%。該組也明顯表明離心沉淀率同樣與發酵乳基料黏度正相關，低黏度發酵乳制備的乳酸菌飲料離心沉淀率更低、穩定性更好。上述結果表明乳酸菌飲料蛋白質的穩定性受發酵乳基料黏度的影響明顯，發酵乳基料黏度越大，用其制備的乳酸菌飲料離心沉淀率也越大，反之則越小，飲料穩定性就越高。

2.3 發酵乳基料黏度對乳酸菌飲料沉淀率影響

發酵乳黏度對兩組乳酸菌飲料離心沉淀率的影響結果見圖3、圖4。

圖3 發酵乳基料黏度與無穩定劑飲料組沉淀率的關系

圖3 顯示，基料黏度對乳酸菌飲料沉淀率有明顯影響，隨著發酵乳黏度的降低，乳酸菌飲料沉淀率顯著下降，且黏度越低，下降幅度越大。當發酵乳基料黏度由89.2 mPa's下降到75.1 mPa's時，乳酸菌飲料離心沉淀率由4.24%下降到3.35%，變化率6.31%，表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的乳酸菌飲料離心沉淀率就上升6.31各百分點。當發酵乳基料黏度由75.1 mPa's下降到51.4 mPa's時，離心沉淀率由3.35%下降到2.31%，變化率4.39%；表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的飲料離心沉淀率就上升4.39各百分點。上述結果表明，僅以發酵乳基料，不添加大豆多糖做為穩定劑制作乳酸菌飲料時，基料由高黏度向中等黏度變化比基料黏度由中等向低黏度變化對離心沉淀率影響更明顯。

圖4 發酵乳基料黏度與添加穩定劑飲料組沉淀率關系

圖4 顯示，基料黏度對乳酸菌飲料沉淀率有明顯影響，隨著發酵乳黏度的降低，乳酸菌飲料沉淀率顯著下降，且黏度越低，下降幅度越大。當發酵乳基料黏度由89.2 mPa's下降到75.1 mPa's時，乳酸菌飲料離心沉淀率由0.85%下降到0.73%，變化率0.85%，表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的乳酸菌飲料離心沉淀率就上升0.85各百分點。當發酵乳基料黏度由75.1 mPa's下降到51.4 mPa's時，離心沉淀率由0.73%下降到0.26%，變化率1.98%；表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的飲料離心沉淀率就上升1.98各百分點。上述結果表明以大豆多糖為穩定劑制作乳酸菌飲料時，基料由高黏度向中等黏度變化比基料由中等黏度向低黏度變化對離心沉淀率影響明顯減弱，基料黏度越低，穩定作用越明顯。

3 討論

離心沉淀率是評價含乳飲料穩定性的關鍵指標，直接反應了飲料的長期穩定性。離心沉淀率越高，穩定性越差，反之，越穩定。

根據Stokes沉降速度方程V=2g r2(ρ1－ρ2)/9η，可知：顆粒的沉降速度與顆粒半徑r的平方、分散介質和懸浮顆粒的密度差ρ成正比，與溶液黏度η成反比。因此要提高穩定性，即要盡可能地降低顆粒的沉降速度V，使其無限趨近于零，一般采取三種策略：一是減少顆粒半徑r；二是減小密度差；三是增加分散相黏度。本研究結果顯示料液黏度高時，沉降率反而增大，與Stokes沉降速度方程矛盾。

羅靈泉研究發現酸乳的硬度隨胞外多糖含量的升高而降低，但其黏聚性隨含量的升高而升高，并發現：胞外多糖存在時，酸乳網狀結構中孔較大、蛋白簇較厚、凝膠較密；而不產胞外多糖的酸乳結構中孔較小且單一，蛋白簇較薄。原因可能是相同的條件下粘性酸乳中乳酸菌分泌的胞外多糖分子量較大，對酪蛋白形成的立體網絡結構影響力也明顯增大，該情況下形成的凝膠骨架結構較細，網孔較小。

Ayala-Hernandez等[12]利用掃描電子顯微鏡發現酸乳體系中胞外多糖并不是簡單地覆蓋在蛋白簇的表面或者空隙部分，而是呈鏈狀將蛋白簇和菌體連接起來。這可能是因為胞外多糖產生在蛋白膠粒聚合之后，被限制在網狀結構的空隙內。這種空間限制阻礙了胞外多糖和蛋白之間的作用。

1999年，Tuinier，R.和Kees G.de Kruif等人對EPS(由Lactococcus lactis subsp.cremoris strain NIZO B40產生)和牛乳中的成分酪蛋白，乳清蛋白等作用做了詳細系統的研究[13，14]。

當混合的多糖和蛋白質之間發生結合作用時，體系也會變得不穩定，在這種情況下，多糖吸附到蛋白質的表面，如果其不夠大而不能完全覆蓋一個蛋白質，那么一個多糖就會吸附到不止一個蛋白質表面，從而把兩個或者更多的蛋白質顆粒橋連起來。由未吸附的多糖所導致蛋白質之間的吸引最終也會導致相分離[15]。

低黏度的發酵劑產胞外多糖能力較弱，與蛋白質結合較少。高黏度發酵劑由于產胞外多糖較多，與蛋白結合后形成了較大的顆粒，顆粒半徑的增大對沉降速度的增進作用與黏度升高對沉降速度的降低作用相比，前者是指數級效果。因此，高黏度發酵劑更容易分層沉淀。

4 結論

發酵乳凝膠黏度對乳酸菌飲料蛋白質穩定性有明顯影響。黏度越大，蛋白質穩定性越差，沉淀率越高。黏度從低到高的變化過程中，沉淀率的變化速率先大后小，顯示低黏度區間影響明顯。這是影響蛋白質酸性條件下穩定性的一個重要因素，對酸性乳飲料的生產技術有指導意義。研究表明黏度較低的發酵乳制備乳酸菌飲料穩定性較好。利用黏度為51.4 mPa's的低黏度發酵乳，加入0.4%的大豆多糖作為穩定劑，用高壓均質機進行生產技術驗證，一級壓力：30 mpa，二級壓力：15 mpa，此時得到的乳酸菌飲料穩定性最好，沉淀率為0.26%，優于現有技術水平。