Mozzarella干酪流变学特性变化影响因素及机制的探讨

刘燕,于景华,李红娟

(天津科技大学,天津 300457)

Mozzarella干酪流变学特性变化影响因素及机制的探讨

刘燕,于景华,李红娟

(天津科技大学,天津 300457)

本文综述了酪蛋白的结构特点以及加工过程对Mozzarella干酪终产品流变学特性的影响,并从分子间相互作用力的角度对干酪流变学变化机制进行了阐述.

酪蛋白;反应机理;分子间作用力;流变特性

0 引言

Mozzarella干酪具有独特的拉丝性、融化性和油脂析出性[1],这些特性取决于蛋白水解程度[2]、脂肪含量、盐的分布、以及蛋白与蛋白、蛋白与水之间的相互作用.研究表明,干酪的流变学特性主要是由酪蛋白分子间的相互作用决定[3].Bryant[4]和Guinee[5]等认为温度对酪蛋白分子间作用影响显著,温度升高,氢键作用减弱,分子间疏水作用和静电作用增强.Z.ustu⁃nol[6]和Kindstedt[7]认为增加干酪脂肪含量可提高其融化性.中外学者对干酪流变特性影响因素的研究颇多,但多为单一因素对其影响研究,缺乏系统阐述.而Mozzarella干酪的拉丝性、融化性等流变特性对生厂商、加工商及消费者而言非常重要[8].因此,系统性阐释各阶段反应机理,并对其流变特性变化机制进行阐明,对Mozzarella干酪贮藏、加工都具有重要应用价值.

1 酪蛋白是影响Mozzarella干酪的流变学特性的物质基础[9]

干酪的主要结构成分是酪蛋白.干酪的制作过程实际上就是酪蛋白胶束逐渐形成酪蛋白结构性骨架的过程[14].因此,了解酪蛋白的结构特点对了解干酪的质构以及流变学特性十分必要.

1.1 酪蛋白特点

牛乳中酪蛋白与乳清蛋白的比例约为80∶20(质量比).酪蛋白主要由αs1-CN、αs2-CN、β-CN和κ-CN组成[10],它们和大量的胶体磷酸钙(CCP)结合在一起形成加大的颗粒状聚集体,称为酪蛋白胶粒.乳中约95%的酪蛋白以胶粒的形式存在,并能稳定的分散在乳中.由于酪蛋白缺乏高度紧密的结构,因而在加热或其他变性条件下较为稳定.酪蛋白分子中非极性氨基酸较多,极性分布不均一,且具有开放、易变的结构,其很容易被吸附到气-水界面和油-水界面,具有良好的乳化性和起泡性.

1.2 酪蛋白的缔合

酪蛋白间可发生自我缔合以及与其他酪蛋白分子的缔合.αs1-CN分子间可缔合形成相对分子质量为113 000的四聚体,随蛋白浓度的增加和温度升高,聚合程度增大.大部分αs2-CN是以二硫键结合的二聚体形式存在.4℃时,β-CN以单体形式存在.当温度和离子强度增大时,β-CN缔合为近似球形的多聚体.

一些研究表明,酪蛋白的缔合作用受温度影响很大.温度影响了疏水交互作用,pH和离子强度影响了静电斥力,这些作用之间的平衡控制着聚合物的大小.

1.3 酪蛋白对Ca2+的敏感性

酪蛋白可以通过氨基酸序列区分,也可以通过他们的数量、磷酸化残留的分布和对钙离子的敏感程度来区分.由于αs-CN和β-CN当中大量的磷酸丝氨酸残基对Ca2+具有极强的亲和力,因此这两种酪蛋白极易受Ca2+影响而沉淀.而κ-CN分子中几乎不含磷酸丝氨酸残基,因此对Ca2+表现出相对稳定性.由于κ-CN位于酪蛋白胶粒的最外层,其分子的碳末端具有很强的疏水性,因此在酪蛋白胶粒表面形成疏水层,从而起到防止胶粒聚集、保护胶粒内部酪蛋白免受Ca2+影响而沉淀的作用,有利于维持胶体悬浮液的稳定性.

2 干酪加工工艺及其对干酪品质影响

不同工艺阶段中各项指标的变化都会对干酪的最终品质产生决定性的影响,因此,固定各个阶段的各个参数对干酪终产品的品质起着重要作用.

2.1 Mozzarella干酪加工工艺

原料乳→标准化→杀菌(63℃,30 min)→35-37℃加入发酵剂→加入CaCl2→pH6.4左右,加入凝乳酶→凝乳(30 min左右,凭经验判断)→凝块切割成1 cm3→搅拌,升温,排乳清→堆酿→盐渍→热烫拉伸→成型→真空包装

2.2 标准化

由于原料乳中的脂肪含量、蛋白质含量、钙含量以及pH等存在差异,因此其质量在很大程度上决定了干酪产品的组成成分和质量.

干酪产品的成分标准主要是由其中的水分以及脂肪含量所决定.脂肪与蛋白质的比例是由生产及操作程序所决定,但后者在更大程度上受原料乳中脂肪和酪蛋白比例的影响.因此,需要根据产品要求,对原料乳进行标准化来减少产品间差异,保障产品质量.

2.3 杀菌

杀菌强度直接影响干酪的质量.实际生产中采用的是低温长时杀菌(63℃,30 min)和高温短时杀菌(72℃,15 s).杀菌温度不能过低,也不能过高.过低,则灭菌程度不够,达不到理想的灭菌效果;过高,则会使乳清蛋白变性,破坏盐类离子的平衡,进而影响凝乳效果和排乳清阶段乳清的排出.

乳清蛋白热稳定性差,90℃,10 min可使其全部变性.其中β-lg稳定性最差,75℃以上完全变性.变性的乳清蛋白与酪蛋白发生交联,阻止凝乳酶对κ-CN作用,使凝乳不完全,凝块松软甚至无法形成完整的凝块.

2.4 酸化

这一阶段,既可以用发酵剂发酵,也可以直接加酸酸化,目的是使原料乳的pH达到凝乳酶发挥作用的最适pH.

通过发酵剂发酵乳糖产生乳酸,使原料乳的酸度降低,提高凝乳酶活性,缩短凝乳时间;促进切割后凝块中乳清的排出;在干酪成熟阶段,发酵剂利用本身的各种酶类促进干酪的成熟;乳酸菌的生长繁殖能抑制其他杂菌的生长繁殖.

添加CaCl2可以降低pH值,促使蛋白质快速凝集,增大凝块硬度,但形成凝乳的蛋白颗粒很小以至于不能靠近、聚集形成柔性的二硫键,而是以刚性的离子键为主,因此会导致凝块在后续的热烫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,这一过程可以分为酶促酪蛋白水解阶段和酶解产物聚集阶段.在干酪加工过程中,这两个阶段在一定程度上重叠、交错.第一阶段主要是凝乳酶水解κ-CN中的苯丙氨酸和蛋氨酸(Phe105-Met106)之间的肽键,生成副κ-CN和糖巨肽,导致酪蛋白胶粒间的负电荷数量减少、静电斥力下降,此时,酪蛋白胶粒极易发生聚集.κ-CN被水解后,αs-CN和β-CN裸露,由于这两种酪蛋白含有大量的磷酸丝氨酸残基,对Ca2+具有极强的亲和力,因此,它们与Ca2+结合沉淀下来.同时副酪蛋白分子在游离钙的存在下,分子间形成钙桥,副酪蛋白微粒发生团聚作用,形成无定型三维凝胶网络结构.

2.6 排乳清

判断凝块是否可以切割,将干酪刀插入凝块再拔出,若无乳白色液体则证明可以切割.将凝块切割成1 cm3小方块,不断搅拌,并梯度升温,促进乳清排出.堆酿过程也是继续排乳清的过程,排乳清阶段决定了成品干酪的硬度.

凝块被切割后,大部分乳清排出,但仍有部分乳清存在于酪蛋白胶粒之间,此时,适当升高温度会加快酪蛋白胶粒间乳清的排出.搅拌的目的,一是加快颗粒间的碰撞,增强脱水收缩;二是通过搅拌,阻止颗粒沉底聚集而造成乳清析出困难.

2.7 盐渍

盐渍的目的是减少成品干酪中的Ca2+含量,进而影响了胶体磷酸钙的结构,从而使干酪硬度降低,黏着性增强.且较高浓度的盐可以降低干酪的油脂析出性、水分含量,并获得更好的融化性.盐渍还能改变干酪的质构和风味.

盐渍方式主要有3种:一是热烫拉伸前切块拌盐,二是在热水中加盐,三是拉伸之后用一定浓度的盐水浸渍.加盐方式以及加盐量对成品干酪的质构及流变性有影响.由于切块拌盐不均匀,加热时,不稳定的结构先融化,其融化后产生的结构变化对相对稳定的结构来说有一定的冲击作用,从而使整体表现出较大的融化性.由于凝块在加工过程中形成了均一的结构,因此,当温度上升时,酪蛋白胶束必须整体达到融化温度才能融化,此时,盐的添加量成为融化性的关键因素.只有盐的添加量较大时,才能削弱酪蛋白磷酸钙结构,从而表现出较好的融化性.目前,大多采用第一种或前两种结合的方式.

2.8 热烫拉伸

热烫拉伸是Mozzarella干酪特有的工艺,给予Mozzarella干酪独一无二的拉丝特性.干酪的拉伸特性与酪蛋白网状结构的连续性、黏着性以及钙磷的含量有关.凝乳在80~85℃热水中融化变软,通过不断的揉、捏、拉伸,使凝乳的三维网状结构重排成线性纤维结构[12],脂肪与乳清交错分布其中[16].在这个阶段会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随着反复拉伸融入热水中,因此,Mozz arella干酪的脂肪含量低于其他干酪(脱脂干酪除外).拉伸温度不同导致拉伸工艺过后存留在干酪中的活性凝乳酶的数量不同.拉伸温度高会使凝乳酶失活严重,使其后期成熟过程蛋白质水解程度降低,不易于产生苦味肽而影响口感.

3 Mozzarella干酪流变学特性变化机制的探讨

干酪流变学性质是由其组成、微观结构和组分的物理化学性质以及它的宏观结构等方面共同决定的.干酪的流变学特性主要受加工工艺影响,不同的工艺参数导致干酪分子间的相互作用力的改变,从而影响了干酪的流变学特性.

3.1 加工过程带来的Mozzarella干酪流变学特性变化机制

干酪是一种黏弹性物质,流变特性是Mozzarella干酪的重要特性[25],与pH[26]、温度、Ca2+、生产过程和成熟过程中蛋白质的水解有关[20].凝乳过程适当降低pH会使凝块硬度降低[21].凝块中,胶体磷酸盐与钙相互交联,pH降低,钙的溶解性增加,交联减少,所以硬度降低.T.P.Guinee等在研究时发现,一定程度内的钙减少可提高干酪的拉丝性和流动性[22].凝乳阶段,在κ-CN和β-lg之间形成永久性共价键--二硫键,二硫键的存在也增加了凝胶的弹性特点.干酪的弹性模量G'与酪蛋白的网状结构直接相关[13].排乳清过程是酪蛋白分子的重排过程[15],形成紧密的凝胶网络结构.温度升高,产酸加快,凝乳粒收缩,凝乳硬度增加[23].在pH很低的情况下,酪蛋白分子之间的静电斥力减小到非常低使系统接近于等电点,加强了分子间的键合,对融化能力产生不利影响.干酪的融化温度与脂肪中所含的固体脂肪的含量有关,固体脂肪越多其融化温度越高[17].干酪成熟过程中部分蛋白质水解为肽、氨基酸,且随pH变化,部分胶体磷酸钙溶解[24],影响了干酪的质构和流变学特性.

3.2 Mozzarella干酪流变学特性的变化是分子间相互作用的结果

酪蛋白分子间键的数量、强度、类型等构成了干酪流变学性质的基础[3].这些键在空间上的排布影响其流变学性质.酪蛋白分子间的作用力主要有疏水相互作用、静电斥力、氢键、范德华力等.

干酪被加热后(≥40℃)变得更加黏稠,此时其黏性模量G'大于弹性模量G';干酪温度≤40℃时仍会出现部分变软的情况,是由于脂肪融化改变了酪蛋白分子间的相互作用.疏水相互作用在蛋白质分子构象中发挥重要作用,其随温度升高而增强,这可能会减少酪蛋白颗粒间的接触面积,导致整体凝胶强度降低.蛋白分子中的非极性基团与水分子形成较强的氢键,随着温度升高,氢键的键强度减弱甚至断裂,但氢键属于可逆键,当温度降低,氢键又会恢复.静电斥力在干酪的网状凝胶结构中也发挥了重要作用.盐桥、胶体磷酸钙桥、静电斥力都随温度升高而增强,钙的溶解性与胶体磷酸钙的平衡也取决于温度.胶体磷酸钙的溶解导致酪蛋白颗粒总净电荷减少,酪蛋白从胶束中解离出来[18].酪蛋白胶束中不溶性钙流失导致凝乳内部结构发生改变,在低pH下,不溶性Ca2+损失严重,从而影响了干酪的流变学特性[19].酪蛋白分子间的键强度是疏水相互作用、静电斥力和范德华力相互作用的结果[15].

4 结论

在Mozzarella干酪的生产过程中,任何微小的变化(温度、pH、时间等)都会影响其终产品的品质.因此,只有明确加工过程中的每一步对干酪内部组织结构及分子间作用力的影响,才能生产出符合消费者需求的、具有特定流变学特性的干酪.

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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

国家自然基金(31501510)和国家自然科学基金(31271904).

刘燕(1992-),女,研究生,研究方向乳品科学与工程.

于景华