劉燕,于景華,李紅娟

(天津科技大學(xué),天津 300457)

Mozzarella干酪流變學(xué)特性變化影響因素及機(jī)制的探討

劉燕,于景華,李紅娟

(天津科技大學(xué),天津 300457)

本文綜述了酪蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及加工過程對(duì)Mozzarella干酪終產(chǎn)品流變學(xué)特性的影響,并從分子間相互作用力的角度對(duì)干酪流變學(xué)變化機(jī)制進(jìn)行了闡述.

酪蛋白;反應(yīng)機(jī)理;分子間作用力;流變特性

0 引言

Mozzarella干酪具有獨(dú)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(xué)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(rèn)為溫度對(duì)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(qiáng).Z.ustu?nol[6]和Kindstedt[7]認(rèn)為增加干酪脂肪含量可提高其融化性.中外學(xué)者對(duì)干酪流變特性影響因素的研究頗多,但多為單一因素對(duì)其影響研究,缺乏系統(tǒng)闡述.而Mozzarella干酪的拉絲性、融化性等流變特性對(duì)生廠商、加工商及消費(fèi)者而言非常重要[8].因此,系統(tǒng)性闡釋各階段反應(yīng)機(jī)理,并對(duì)其流變特性變化機(jī)制進(jìn)行闡明,對(duì)Mozzarella干酪貯藏、加工都具有重要應(yīng)用價(jià)值.

1 酪蛋白是影響Mozzarella干酪的流變學(xué)特性的物質(zhì)基礎(chǔ)[9]

干酪的主要結(jié)構(gòu)成分是酪蛋白.干酪的制作過程實(shí)際上就是酪蛋白膠束逐漸形成酪蛋白結(jié)構(gòu)性骨架的過程[14].因此,了解酪蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)了解干酪的質(zhì)構(gòu)以及流變學(xué)特性十分必要.

1.1 酪蛋白特點(diǎn)

牛乳中酪蛋白與乳清蛋白的比例約為80∶20(質(zhì)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(jié)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(wěn)定的分散在乳中.由于酪蛋白缺乏高度緊密的結(jié)構(gòu),因而在加熱或其他變性條件下較為穩(wěn)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(jié)構(gòu),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(fā)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(duì)分子質(zhì)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(jié)合的二聚體形式存在.4℃時(shí),β-CN以單體形式存在.當(dāng)溫度和離子強(qiáng)度增大時(shí),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(qiáng)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(duì)Ca2+的敏感性

酪蛋白可以通過氨基酸序列區(qū)分,也可以通過他們的數(shù)量、磷酸化殘留的分布和對(duì)鈣離子的敏感程度來區(qū)分.由于αs-CN和β-CN當(dāng)中大量的磷酸絲氨酸殘基對(duì)Ca2+具有極強(qiáng)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(duì)Ca2+表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)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(qiáng)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(hù)膠粒內(nèi)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(wěn)定性.

2 干酪加工工藝及其對(duì)干酪品質(zhì)影響

不同工藝階段中各項(xiàng)指標(biāo)的變化都會(huì)對(duì)干酪的最終品質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響,因此,固定各個(gè)階段的各個(gè)參數(shù)對(duì)干酪終產(chǎn)品的品質(zhì)起著重要作用.

2.1 Mozzarella干酪加工工藝

原料乳→標(biāo)準(zhǔn)化→殺菌(63℃,30 min)→35-37℃加入發(fā)酵劑→加入CaCl2→pH6.4左右,加入凝乳酶→凝乳(30 min左右,憑經(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化

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

干酪產(chǎn)品的成分標(biāo)準(zhǔn)主要是由其中的水分以及脂肪含量所決定.脂肪與蛋白質(zhì)的比例是由生產(chǎn)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(jù)產(chǎn)品要求,對(duì)原料乳進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化來減少產(chǎn)品間差異,保障產(chǎn)品質(zhì)量.

2.3 殺菌

殺菌強(qiáng)度直接影響干酪的質(zhì)量.實(shí)際生產(chǎn)中采用的是低溫長(zhǎng)時(shí)殺菌(63℃,30 min)和高溫短時(shí)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(dá)不到理想的滅菌效果;過高,則會(huì)使乳清蛋白變性,破壞鹽類離子的平衡,進(jìn)而影響凝乳效果和排乳清階段乳清的排出.

乳清蛋白熱穩(wěn)定性差,90℃,10 min可使其全部變性.其中β-lg穩(wěn)定性最差,75℃以上完全變性.變性的乳清蛋白與酪蛋白發(fā)生交聯(lián),阻止凝乳酶對(duì)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(fā)酵劑發(fā)酵,也可以直接加酸酸化,目的是使原料乳的pH達(dá)到凝乳酶發(fā)揮作用的最適pH.

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

添加CaCl2可以降低pH值,促使蛋白質(zhì)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(huì)導(dǎo)致凝塊在后續(xù)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(chǎn)物聚集階段.在干酪加工過程中,這兩個(gè)階段在一定程度上重疊、交錯(cuò).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(dǎo)致酪蛋白膠粒間的負(fù)電荷數(shù)量減少、靜電斥力下降,此時(shí),酪蛋白膠粒極易發(fā)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(duì)Ca2+具有極強(qiáng)的親和力,因此,它們與Ca2+結(jié)合沉淀下來.同時(shí)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(fā)生團(tuán)聚作用,形成無定型三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

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(jìn)乳清排出.堆釀過程也是繼續(xù)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(shí),適當(dāng)升高溫度會(huì)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(qiáng)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(jìn)而影響了膠體磷酸鈣的結(jié)構(gòu),從而使干酪硬度降低,黏著性增強(qiáng).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(zhì)構(gòu)和風(fēng)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(duì)成品干酪的質(zhì)構(gòu)及流變性有影響.由于切塊拌鹽不均勻,加熱時(shí),不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)先融化,其融化后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來說有一定的沖擊作用,從而使整體表現(xiàn)出較大的融化性.由于凝塊在加工過程中形成了均一的結(jié)構(gòu),因此,當(dāng)溫度上升時(shí),酪蛋白膠束必須整體達(dá)到融化溫度才能融化,此時(shí),鹽的添加量成為融化性的關(guān)鍵因素.只有鹽的添加量較大時(shí),才能削弱酪蛋白磷酸鈣結(jié)構(gòu),從而表現(xiàn)出較好的融化性.目前,大多采用第一種或前兩種結(jié)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(dú)一無二的拉絲特性.干酪的拉伸特性與酪蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、黏著性以及鈣磷的含量有關(guān).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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)重排成線性纖維結(jié)構(gòu)[12],脂肪與乳清交錯(cuò)分布其中[16].在這個(gè)階段會(huì)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(fù)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(dǎo)致拉伸工藝過后存留在干酪中的活性凝乳酶的數(shù)量不同.拉伸溫度高會(huì)使凝乳酶失活嚴(yán)重,使其后期成熟過程蛋白質(zhì)水解程度降低,不易于產(chǎn)生苦味肽而影響口感.

3 Mozzarella干酪流變學(xué)特性變化機(jī)制的探討

干酪流變學(xué)性質(zhì)是由其組成、微觀結(jié)構(gòu)和組分的物理化學(xué)性質(zhì)以及它的宏觀結(jié)構(gòu)等方面共同決定的.干酪的流變學(xué)特性主要受加工工藝影響,不同的工藝參數(shù)導(dǎo)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(xué)特性.

3.1 加工過程帶來的Mozzarella干酪流變學(xué)特性變化機(jī)制

干酪是一種黏彈性物質(zhì),流變特性是Mozzarella干酪的重要特性[25],與pH[26]、溫度、Ca2+、生產(chǎn)過程和成熟過程中蛋白質(zhì)的水解有關(guān)[20].凝乳過程適當(dāng)降低pH會(huì)使凝塊硬度降低[21].凝塊中,膠體磷酸鹽與鈣相互交聯(lián),pH降低,鈣的溶解性增加,交聯(lián)減少,所以硬度降低.T.P.Guinee等在研究時(shí)發(fā)現(xiàn),一定程度內(nèi)的鈣減少可提高干酪的拉絲性和流動(dòng)性[22].凝乳階段,在κ-CN和β-lg之間形成永久性共價(jià)鍵--二硫鍵,二硫鍵的存在也增加了凝膠的彈性特點(diǎn).干酪的彈性模量G'與酪蛋白的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)直接相關(guān)[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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).溫度升高,產(chǎn)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(tǒng)接近于等電點(diǎn),加強(qiáng)了分子間的鍵合,對(duì)融化能力產(chǎn)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(guān),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(zhì)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(zhì)構(gòu)和流變學(xué)特性.

3.2 Mozzarella干酪流變學(xué)特性的變化是分子間相互作用的結(jié)果

酪蛋白分子間鍵的數(shù)量、強(qiáng)度、類型等構(gòu)成了干酪流變學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)[3].這些鍵在空間上的排布影響其流變學(xué)性質(zhì).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(shí)其黏性模量G'大于彈性模量G';干酪溫度≤40℃時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)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(zhì)分子構(gòu)象中發(fā)揮重要作用,其隨溫度升高而增強(qiáng),這可能會(huì)減少酪蛋白顆粒間的接觸面積,導(dǎo)致整體凝膠強(qiáng)度降低.蛋白分子中的非極性基團(tuán)與水分子形成較強(qiáng)的氫鍵,隨著溫度升高,氫鍵的鍵強(qiáng)度減弱甚至斷裂,但氫鍵屬于可逆鍵,當(dāng)溫度降低,氫鍵又會(huì)恢復(fù).靜電斥力在干酪的網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中也發(fā)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(qiáng),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(dǎo)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(dǎo)致凝乳內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,在低pH下,不溶性Ca2+損失嚴(yán)重,從而影響了干酪的流變學(xué)特性[19].酪蛋白分子間的鍵強(qiáng)度是疏水相互作用、靜電斥力和范德華力相互作用的結(jié)果[15].

4 結(jié)論

在Mozzarella干酪的生產(chǎn)過程中,任何微小的變化(溫度、pH、時(shí)間等)都會(huì)影響其終產(chǎn)品的品質(zhì).因此,只有明確加工過程中的每一步對(duì)干酪內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及分子間作用力的影響,才能生產(chǎn)出符合消費(fèi)者需求的、具有特定流變學(xué)特性的干酪.

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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(xué)基金(31271904).

劉燕(1992-),女,研究生,研究方向乳品科學(xué)與工程.

于景華