促進干酪快速成熟方法的研究進展

趙悅，李玲玉，閆清泉，趙中華，吳政，宗學醒

內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司（呼和浩特 011500）

聯合國糧農組織（FAO）和世界衛生組織（WHO）將干酪定義為：干酪是以牛奶、稀奶油、部分脫脂乳、酪乳或這些原料的混合物為原料，經凝乳并分離部分乳清而制得的新鮮或成熟的制品[1]。干酪的營養價值極高，是原乳中蛋白質和脂肪的10倍左右，還包含有機酸、鈣、鈉、鉀等微量礦物質元素，鐵、鋅，以及脂溶性維生素A、胡蘿卜素和水溶性的維生素B1、B2、B6、B12等多種營養成分，由于其中的蛋白質和鈣含量較高，因此食用適量的干酪是均衡飲食的重要組成部分[2]。干酪按照水分可分為軟質（40%～60%）、半軟質（42%～55%）、半硬質（38%～45%）、硬質（30%～40%）、超硬質（30%～35%）干酪，因水分不同，致使干酪的成熟時間也就大不相同。成熟是干酪制造中關鍵的步驟，其過程也極為緩慢，往往需要較長時間，尤其是硬質干酪和半硬質干酪，如半硬質干酪成熟需要3周，車達干酪成熟一般需要6～12個月，也可能時間會更長，帕瑪森干酪成熟時間需要兩年以上。干酪的較長成熟時間，不僅耗用大量資金，且生產周期長，占用儲存面積大。因此，獲取加快干酪成熟的研究方法，進而縮短成熟時間、節約投資成本、增加效益是極其重要的。

1 干酪成熟的機理

干酪成熟是指在一定的溫度、濕度、pH、水分及鹽含量等條件下，干酪中的蛋白質、脂肪及碳水化合物等在微生物和酶的共同作用下通過一系列復雜的生化反應發生降解，形成干酪特有的風味、質地及組織結構[3]。干酪成熟在風味的形成中起著極其重要作用，涉及干酪形成脂肪酸和代謝乳糖等方面的變化，在成熟的第一階段，凝乳酶將酪蛋白分解，其降解程度直接影響干酪的質地[4]。風味物質的形成一方面是來源于蛋白質分解生成的脂肪酸，另一方面是來源于脂肪分解產生的短鏈脂肪酸，由此而形成風味前體物質。

新鮮凝乳的干酪風味往往都平淡無奇，但是成熟后的干酪就會產生各種風味的香氣化合物，成熟過程中把干酪所具有的獨特特征都會充分表現出來，這是由于在干酪的加工過程中所發生的物理化學變化。干酪在成熟過程中的生化變化可分為脂解，乳糖、乳酸和檸檬酸鹽的蛋白水解和代謝或脂肪酸和氨基酸的代謝[5]。干酪成熟初期乳酸菌發酵乳糖產生乳酸，干酪成熟后期殘留在凝乳中未被發酵劑所利用的乳糖被非發酵劑所分解[6]。乳酸是一系列反應的重要前體，包括外消旋、氧化或微生物代謝等。在干酪成熟過程中，霉菌或細菌表面成熟干酪的菌群將乳酸降解成二氧化碳和水，創造出更適合微生物生長、加快蛋白質水解的環境[7]。蛋白質水解是成熟過程中發生的最復雜的生化反應，它是由殘留在凝結劑中的酶、牛奶、蛋白酶、肽酶以及含有的其他微生物所催化[8]。

1.1 乳糖、乳酸和檸檬酸鹽的代謝

干酪制造的關鍵是發酵過程中通過糖酵解將牛乳中的乳糖利用發酵細菌（LAB）代謝為乳酸，產生低酸性環境[9]。乳酸由非發酵乳酸菌（non-starter lactic acid bacteria，NSLAB）氧化成乙酸和CO2，也可被NSLAB代謝成甲酸鹽，丙酸桿菌屬將其轉化為丙酸酯、乙酸鹽、H2O和CO2，其中干酪形成的孔眼就是由產生的CO2所致，而因NH3所導致的pH上升可由乙酸或者丙酸調節，該階段是干酪酸化過程，可使干酪具有獨特的酸性風味，而這種現象會產生許多風味化合物，包括二乙?；?、乙酸和丙酸[10]。在此變化過程中產生的主要異構體是L-乳酸鹽，這也是一些干酪具有酸性風味的原因之一。有機酸在干酪生產中起著重要的作用，因為它們是碳水化合物分解代謝和乳脂水解、正常反芻動物代謝過程、細菌生長或在干酪生產過程中添加酸劑的結果[11]。其中，酸化的速率和程度可通過控制脫鹽速率來決定凝乳的初始質地，在切達干酪生產過程中，添加鹽會降低乳糖代謝，所以乳糖的發酵速率取決于凝乳中含鹽量的百分比。在低鹽分含量和低濃度NSLAB中，殘余乳糖主要被起始細菌轉化為L（+）-乳酸，故輔助細菌培養物和NSLAB是導致大多數干酪風味成熟過程的主要因素。

1.2 氨基酸和硫化物的蛋白質水解和代謝

蛋白質（主要是酪蛋白）水解/脂解是干酪成熟期間發生的最重要也是最復雜的一種反應，它主要影響干酪的質地和風味，因為它導致底物（氨基酸）的釋放，產生有味化合物，如胺、酸、硫醇和硫酯[12]。酪蛋白的分子成分是αS1-、αS2-、β-和κ-酪蛋白，它們在氨基酸組成、磷酸化和糖基化方面有所不同[13]。干酪在成熟過程中，蛋白質會分解成長短不一的肽鏈和氨基酸（AA）。酪蛋白降解主要包括3個方面：一是在酶的作用下，大分子酪蛋白降解生成長短各異的蛋白胨、肽和氨基酸等，改變內部的網絡結構，形成干酪特有的組織狀態；二是生成同干酪風味息息相關的氨基酸及肽類，進而形成干酪特有的風味，但同時也許會有不良風味現象出現，特別是疏水性肽，容易使干酪產生苦味；三是產生游離氨基酸，對脫氨基、脫羧基有積極作用，有利于干酪風味物質產生[14]。

蛋白水解是由牛乳中的內源蛋白酶和其他蛋白水解酶將酪蛋白中不同的酪蛋白代謝為較小的肽和游離氨基酸的過程。凝乳酶通過將酪蛋白切割成短的疏水性苦味肽來使牛奶凝結。酪蛋白的代謝過程會導致干酪的質地發生變化，使凝塊從堅硬的質地轉變為乳脂狀的光滑細膩質構。蛋白酶和肽酶催化多肽鏈的裂解，產生游離氨基酸，這些氨基酸經過數次生化反應后會生成有益的化合物。成熟期會影響蛋白質的水解程度，隨著干酪儲存時間增加，蛋白水解度也隨之提高，干酪的質地也會發生相應變化。

蛋白水解程度也因干酪的類型而變化。馬蘇里拉干酪受到有限的蛋白水解作用，切達干酪和高達干酪受中等蛋白水解作用，而藍紋干酪則需要進行廣泛的蛋白水解作用[15]。這種蛋白水解度的不同，使得干酪的風味會有所差異。由于藍紋干酪經過廣泛的蛋白水解作用，因此它們具有強烈的、苦澀的和發霉的風味，并且具有刺激性的氣味。

1.3 脂肪酸的脂解和代謝

干酪在成熟過程中，脂肪會分解為短鏈脂肪酸和探發性脂肪酸，其中一些脂肪酸就是干酪風味物質形成的因素，同時隨著水分的不斷揮發，干酪會形成特有的質地[16]。脂解程度取決于干酪的種類，并且可能從輕微變化到廣泛變化。參與干酪成熟過程的酶有多種來源，其中脂蛋白脂酶是從牛奶中經過巴氏滅菌得到的，可以參與脂解作用，通過凝結保留一些凝乳酶，凝乳酶可參與蛋白水解。發酵細菌除了具有發酵的重要功能外，還可以提供蛋白酶和酯酶及其他酶類。

2 促進干酪成熟的原理

干酪的成熟時間可能持續2年或2年以上，此過程的時間和條件對干酪風味的形成和改善具有極大影響。每個干酪品類的特征風味都是通過蛋白質和脂質代謝產生的化合物形成，此外還由氨基酸和脂肪酸降解而形成大量揮發性化合物構成。在促進干酪成熟過程的生物技術實踐中已取得諸多進展。促進干酪成熟的方法主要有生物、物理和化學等方法加快蛋白質分解成肽鏈及各種氨基酸，脂肪分解成脂肪酸，改善干酪質地，并賦予干酪特有風味，減少干酪成熟時間。

干酪生產中添加乳酸菌可提高游離氨基酸含量，這是由于非發酵菌生長引起的蛋白水解能力增加，因此，乳酸菌和乳球菌均可用于促進干酪成熟和改善干酪的感官特性，如硬質干酪品種中的切達干酪，其生產是一個昂貴的過程，因為它需要較長的成熟時間，而成熟時間對于開發具有較佳風味和質地的產品至關重要，其中蛋白水解的速率和程度對風味的發展有重要意義。為縮短成熟期以降低生產成本，在一些干酪類型的成熟過程中，酵母菌種作為輔助培養物的添加有助于風味和質地的發展，這是由于脂解和蛋白水解活性導致縮短成熟時間，從而為干酪生產提供經濟價值。

3 加快干酪成熟的研究現狀

成熟是一個緩慢的過程，也是一個昂貴的過程，無法完全預測或控制[17]。傳統促進干酪成熟的方法主要有提高成熟溫度、添加外源酶、添加修飾發酵劑或基因修飾發酵劑、高壓處理[18]。每種方法都有一定優點和缺點，添加外源酶相對便宜，具有特定的作用，可提供多種口味選擇，但是酶的選擇卻非常有限。同時存在過度成熟，統一摻入的困難。添加發酵劑易于摻入，可以保持天然酶的均衡，但通過物理方法對發酵劑的修飾在技術上很復雜。經過酶修飾的高水分奶酪可被制成食品原料，但通常不會產生相應干酪的風味或質地特征。輔助培養物和NSLAB可能具有加速成熟的潛力，但它們的使用受到菌株可用性的限制。在高溫條件下可縮短干酪成熟時間，但可能會受到微生物的污染，在良好的生產條件下，將奶酪與巴氏殺菌牛奶一起使用時，可降低污染的風險[19]。

3.1 提高成熟溫度

傳統干酪具有復雜的微生物結構，在形成感官特性等方面起著重要的作用，但微生物的代謝是難以控制的。在干酪成熟期間，NSLAB的相對豐度會增加，干酪的成熟是由很少的NSLAB引起的。通過分析意大利干酪的成熟過程可知，不同成熟條件可使微生物群落結構和功能發生變化。干酪成熟溫度的提高有利于蛋白水解，脂解和氨基酸/脂質分解代謝有關的基因的表達，對干酪成熟率的提高有顯著影響[20]。在干酪成熟過程中，干酪皮上富含碳水化合物的代謝（戊糖-磷酸途徑，糖酵解）和細胞分裂（遺傳信息處理和核心細胞過程），而干酪核心的特征是氨基酸和脂質代謝顯著升高。在較高溫度下，成熟干酪大量表達與氨基酸分解代謝和脂肪酸的β-氧化等有關的肽酶、氨基酸、脂肪酶和基因。而更高的溫度促進丙酮酸中脂肪酸生物合成所涉及的基因的表達。因此增加成熟溫度可加快微生物的代謝，從而顯著提高奶酪的成熟率。提高成熟溫度可提供最有效、最簡單的加速干酪成熟方法。

3.2 水果提取物誘導奶酪的加速成熟

由于殘余乳糖的發酵和蛋白質、脂肪中間成分的降解，干酪的酸度逐漸增加，在凝乳顆粒中添加果漿可促進乳酸的產生，并提高干酪的酸度。這意味著果漿液促進奶酪的酸性發展，因它含有更多的酸性中間化合物，且酸度結果具有很高的顯著性[21]。

3.3 添加外源酶

干酪中添加外源酶會增加酶的種類及數量，從而導致反應速率增加。使用外源酶加快不同干酪品種成熟是一種普遍的方法。中性蛋白酶和酸性蛋白酶都能使肽鏈斷裂，但酸性蛋白酶主要是對芳香族及有親水性側鏈基團的蛋白質有所作用，且酸性蛋白酶催化酪蛋白水解容易產生苦味肽，產生的苦味特別在干酪成熟早期最明顯。中性蛋白酶是促進干酪成熟較常用的酶類，其普遍來源于微生物細胞中，中性蛋白酶在催化酪蛋白水解方面的作用十分顯著，水解產物形成的凝乳柔軟，有利于使干酪產生獨特的風味。如使用蛋白酶制劑來加速切達干酪和荷蘭干酪的成熟[22]。當添加2%粗蛋白酶時可以加速多米蒂干酪60 d的成熟過程，且無任何缺陷[23]。但直接添加蛋白酶可能會增加凝乳的凝結作用，因此可能會降低干酪產量。且外源酶添加過多時，干酪質地一般會變得松軟易碎，降低干酪的品質。曹巖[24]通過添加外源酶促進干酪中乳酸菌的生長，進而促進蛋白質水解，其干酪成熟35 d即達到干酪成熟60 d的效果，加快干酪的快速成熟。

3.4 加壓處理

加壓處理是一種非熱處理方法，和熱處理有著相同的效果，但要比熱處理對食品質量的破壞更小。在加壓狀態下，水分子之間的距離會變小，但酪蛋白等大分子物質依然會維持之前的狀態，水分子可利用滲透和填充作用進入并粘附在酪蛋白內部的氨基酸表面，以此對酪蛋白的性質有所改變[25]。高壓處理會減少發酵菌的數量，增加NSLAB的生長，pH比未處理的更高，對風味形成有促進作用，并且壓力處理過的干酪組織比未處理的更柔和。同時通過高壓處理，干酪中微生物體內酶更容易被釋放，蛋白質的結構可受壓力的增加而改變，甚至會影響酶的調控點或活性位點，從而使反應速率加快。使用高壓處理促進干酪成熟與自然成熟的干酪相比略有苦味，脆性也會有所下降，彈性則會加強。楊威等[26]研究發現在一定的壓力范圍內，高壓處理對硬質干酪的成熟起到加速作用，在300 MPa壓力下效果最好。

3.5 附屬發酵劑加速干酪的成熟

干酪在成熟過程中使用不同種類或不同數量的發酵劑會影響蛋白質的降解能力，同時不同程度的發酵劑也會影響干酪理化成分、產率及最終產品的品質。使用多種方法相結合的方式可縮短干酪成熟時間。白鴿[27]研究發現，添加冷凍弱化附屬發酵劑鼠李糖乳桿菌JAAS8能加快干酪的蛋白降解、脂肪降解，促進干酪的風味形成，對干酪質地沒有不良影響。劉瑛等[28]研究表明，嗜溫發酵劑降解硬質干酪的蛋白能力較弱，而嗜熱發酵劑降解干酪蛋白能力較強。蔣琛[29]研究表明利用保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、植物乳桿菌、干酪乳桿菌作為干酪發酵劑的菌種，在干酪發酵30 d時蛋白分解量達到15.2%，接近同種類干酪發酵6個月的成熟度。Pisano等[30]研究發現有自溶特性的乳酸菌對干酪中蛋白質的降解、氨基酸的生成及產品品質有重要影響。

4 結語

干酪的高營養價值越來越受到人們的喜愛，消費群體也日漸增多。干酪種類繁多，成熟過程是一個非常復雜的生物化學變化過程，直接影響著干酪的質地和口感，這是微生物和酶作用的結果。綜述加速干酪成熟過程技術研究進展，通過提高成熟溫度、添加外源酶或使用發酵劑等方法可以大幅縮短成熟時間并降低干酪的生產成本，有助于加快我國的乳品科學研究和推動干酪工業化生產。