发酵乳黏度对乳酸菌饮料稳定性的影响

陆延，邵晓园，李高聪，卢兴，刘凤锦，张军

（1.黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨150080；2.农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨150500）

0 引言

含乳饮料是一类品质均一、清香纯正、营养与保健功能集于一体的液态蛋白饮品[1]。目前全球乳酸菌饮料的市场规模已达500亿美元。欧美及日本等国家，发酵型乳酸菌饮品在乳制品市场的占有率高达90%。我国乳酸菌奶饮品正处于高速发展阶段。根据尼尔森数据得知，从13年开始我国乳酸菌饮料市场呈大幅增长，截止2017年平均复合增长率为28.9%，最高达到过50%。2017年销售额为176.5亿，已成为乳酸菌饮料的第二大市场。但是，发酵过程影响了酪蛋白的颗粒大小，而稳定性又与粒径大小、黏度等有关。因此，乳蛋白在酸性条件下的变性沉淀则一直是影响酸性乳饮料生产及开发的一个关键性问题。近年来对多糖与乳蛋白的相互作用以及对最终产品稳定性的研究已成为世界各国乳品科学和工程研究的一个主要方面[2]。乳酸菌胞外多糖通过与蛋白质发生相互作用，影响蛋白网状结构的构建，从而在较低浓度下对酸乳的黏度、粘弹性、持水力、质构、风味等产生显著影响，改善酸乳品质[3-5]。

近年来，乳酸菌饮料口感特征不断由黏稠型向清爽型发展，大豆多糖和高甲氧基果胶单独或配合使用使这一性状得以实现[3，6-10]。

本文以清爽型乳酸菌饮料为研究对象、离心沉淀率为检测指标，比较分析了添加和不添加大豆多糖条件下发酵乳黏度对乳酸菌饮料蛋白质稳定性的影响，探讨影响乳酸菌饮料蛋白质稳定性的新因素，以便更好实现对发酵剂的产黏类型选择及乳酸菌饮料稳定性控制。

1 实验

1.1 材料与试剂

鲜牛奶（双城市君宇牛奶养殖有限公司），可溶性大豆多糖（山东聚源生物科技有限公司），低黏度发酵剂（上海昊岳实业有限公司），高黏度发酵剂（黑龙江百锦生物工程有限公司），中黏度发酵剂（高粘度发酵剂与低粘度发酵剂1∶1配比），白砂糖，柠檬酸。

1.2 仪器与设备：

恒温水浴锅（郑州市煜城仪器有限公司），电子天平(杭州万特衡器有限公司），恒温培养箱（上海精宏实验设备有限公司），高剪切乳化均质机（SRH-S实验室均质机），离心机（XiangYi-H 1650），PH记（上海仪电科学仪器股份有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 发酵乳的制备

按照如下工艺方法分别应用3种产黏能力发酵剂制备发酵乳。

1.3.2 乳酸菌饮料调配与制备

按照如下过程，分别以3种不同黏度发酵乳为基料按下述工艺方法制备乳酸菌饮料。其中，组1不添加稳定剂；组2添加水溶性大豆多糖作为稳定剂，借鉴邵丹丹和曾令平等[3，6-10]关于大豆多糖在酸性含乳饮料中应用技术研究方法，确定添加量为4%，高压均质条件为（一级压力：30 MPa，二级压力：15 MPa）。

1.3.3 操作要点

⑴原料液的制备

生牛乳在水浴锅中加热60℃，加入6%白砂糖充分搅拌溶解，90℃、杀菌15 min左右，冷却至42℃接种发酵剂，恒温培养箱发酵至酸奶p H为4.6终止发酵，放入冰箱冷藏后熟。

⑵稳定液的制备

稳定剂与10%的白砂糖、3%柠檬酸充分干混，溶于70℃蒸馏水中，搅拌10 min至充分溶解（溶液中没有大块颗粒存在），90℃以上杀菌3 min，冷却至室温备用。

⑶饮料调配与制备

将酸奶基料与稳定剂溶液按1∶2比例（产品p H约4.3），采用实验室高剪切乳化机，15 000 r、7 min进行剪切混合后，高压均质（一级压力：30 MPa，二级压力：15 MPa技术条件），罐装制成发酵型乳酸菌饮料。

1.3.4 离心沉淀率的测定

取30 mL样液放入离心管中，以4 000 r/min的转速离心20 min，去除上清液，将离心管倒置10 min后擦去管口的水珠，称量底部沉淀物重量，计算离心沉淀率[11]。

M1—离心管质量

M2—离心前样品加离心管质量

M3—离心后离心管加沉淀物质量

离心沉淀率=（M3-M1）/（M2-M1）×100%

1.3.5 黏度测定

根据所测液体的黏度范围选择适合的转子，用黏度计进行测定，本次实验选择63号转子，待数字第一次稳定后记录数据。

2 结果与分析

2.1 不同产黏能力发酵剂制备发酵乳及乳酸菌饮料黏度

采用不同产黏能力的发酵剂制备的发酵乳以及以此发酵乳为基料制备的乳酸菌饮料黏度结果见图1。

图1 3种发酵乳及乳酸菌饮料黏度

图中结果显示，不同产黏能力发酵剂发酵相同牛乳，制备的发酵乳及乳酸菌饮料，黏度指标差异显著，各组中低黏度与中等黏度差值及中等黏度与高黏度差值分别为，发酵乳：23.70 mPa's和14.10 mPa's，变化率为46.11%和18.77%；无稳定剂饮料组1∶12.80 mPa's和5.70 mPa's，变化率为72.73.11%和18.75%；添加稳定剂饮料组2：15.50 mPa's和4.80 mPa's，变化率为126.02%和17.27%。虽然由于稀释作用使得饮料黏度降低，但是组内各项依然存在明显差异。表明原料黏度特性对饮料的黏度特性有决定性影响，原料黏度高，以其制备的乳酸菌饮料黏度相应也高。图中数据也表明组2各项黏度比组1相应降低，且原料黏度越低，其下降强度越大。

2.2 不同黏度发酵乳制备乳酸菌饮料离心沉淀率

不同黏度发酵乳制备乳酸菌饮料离心沉淀率分析结果如下图2所示。

图2 乳酸菌饮料离心沉淀率

图2 为不同黏度发酵乳制备的乳酸菌饮料的离心沉淀率对比图。由图看出不添加稳定剂的条件下，3种不同黏度发酵乳制备的乳酸菌饮料离心沉淀率有明显差别，沉淀率分别为2.31%、3.35%和4.24%。黏度越大的发酵乳制备的乳酸菌饮料离心沉淀率越高，低黏度发酵乳制备的乳酸菌饮料离心沉淀率更低，沉淀率和发酵乳基料黏度正相关。相同工艺条件下，加入0.4%的大豆多糖作为稳定剂制备的乳酸菌饮料，离心沉淀率分别为0.26%、0.73%和0.85%。该组也明显表明离心沉淀率同样与发酵乳基料黏度正相关，低黏度发酵乳制备的乳酸菌饮料离心沉淀率更低、稳定性更好。上述结果表明乳酸菌饮料蛋白质的稳定性受发酵乳基料黏度的影响明显，发酵乳基料黏度越大，用其制备的乳酸菌饮料离心沉淀率也越大，反之则越小，饮料稳定性就越高。

2.3 发酵乳基料黏度对乳酸菌饮料沉淀率影响

发酵乳黏度对两组乳酸菌饮料离心沉淀率的影响结果见图3、图4。

图3 发酵乳基料黏度与无稳定剂饮料组沉淀率的关系

图3 显示，基料黏度对乳酸菌饮料沉淀率有明显影响，随着发酵乳黏度的降低，乳酸菌饮料沉淀率显著下降，且黏度越低，下降幅度越大。当发酵乳基料黏度由89.2 mPa's下降到75.1 mPa's时，乳酸菌饮料离心沉淀率由4.24%下降到3.35%，变化率6.31%，表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的乳酸菌饮料离心沉淀率就上升6.31各百分点。当发酵乳基料黏度由75.1 mPa's下降到51.4 mPa's时，离心沉淀率由3.35%下降到2.31%，变化率4.39%；表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的饮料离心沉淀率就上升4.39各百分点。上述结果表明，仅以发酵乳基料，不添加大豆多糖做为稳定剂制作乳酸菌饮料时，基料由高黏度向中等黏度变化比基料黏度由中等向低黏度变化对离心沉淀率影响更明显。

图4 发酵乳基料黏度与添加稳定剂饮料组沉淀率关系

图4 显示，基料黏度对乳酸菌饮料沉淀率有明显影响，随着发酵乳黏度的降低，乳酸菌饮料沉淀率显著下降，且黏度越低，下降幅度越大。当发酵乳基料黏度由89.2 mPa's下降到75.1 mPa's时，乳酸菌饮料离心沉淀率由0.85%下降到0.73%，变化率0.85%，表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的乳酸菌饮料离心沉淀率就上升0.85各百分点。当发酵乳基料黏度由75.1 mPa's下降到51.4 mPa's时，离心沉淀率由0.73%下降到0.26%，变化率1.98%；表明基料黏度每提高100 mPa's，所制作的饮料离心沉淀率就上升1.98各百分点。上述结果表明以大豆多糖为稳定剂制作乳酸菌饮料时，基料由高黏度向中等黏度变化比基料由中等黏度向低黏度变化对离心沉淀率影响明显减弱，基料黏度越低，稳定作用越明显。

3 讨论

离心沉淀率是评价含乳饮料稳定性的关键指标，直接反应了饮料的长期稳定性。离心沉淀率越高，稳定性越差，反之，越稳定。

根据Stokes沉降速度方程V=2g r2(ρ1－ρ2)/9η，可知：颗粒的沉降速度与颗粒半径r的平方、分散介质和悬浮颗粒的密度差ρ成正比，与溶液黏度η成反比。因此要提高稳定性，即要尽可能地降低颗粒的沉降速度V，使其无限趋近于零，一般采取三种策略：一是减少颗粒半径r；二是减小密度差；三是增加分散相黏度。本研究结果显示料液黏度高时，沉降率反而增大，与Stokes沉降速度方程矛盾。

罗灵泉研究发现酸乳的硬度随胞外多糖含量的升高而降低，但其黏聚性随含量的升高而升高，并发现：胞外多糖存在时，酸乳网状结构中孔较大、蛋白簇较厚、凝胶较密；而不产胞外多糖的酸乳结构中孔较小且单一，蛋白簇较薄。原因可能是相同的条件下粘性酸乳中乳酸菌分泌的胞外多糖分子量较大，对酪蛋白形成的立体网络结构影响力也明显增大，该情况下形成的凝胶骨架结构较细，网孔较小。

Ayala-Hernandez等[12]利用扫描电子显微镜发现酸乳体系中胞外多糖并不是简单地覆盖在蛋白簇的表面或者空隙部分，而是呈链状将蛋白簇和菌体连接起来。这可能是因为胞外多糖产生在蛋白胶粒聚合之后，被限制在网状结构的空隙内。这种空间限制阻碍了胞外多糖和蛋白之间的作用。

1999年，Tuinier，R.和Kees G.de Kruif等人对EPS(由Lactococcus lactis subsp.cremoris strain NIZO B40产生)和牛乳中的成分酪蛋白，乳清蛋白等作用做了详细系统的研究[13，14]。

当混合的多糖和蛋白质之间发生结合作用时，体系也会变得不稳定，在这种情况下，多糖吸附到蛋白质的表面，如果其不够大而不能完全覆盖一个蛋白质，那么一个多糖就会吸附到不止一个蛋白质表面，从而把两个或者更多的蛋白质颗粒桥连起来。由未吸附的多糖所导致蛋白质之间的吸引最终也会导致相分离[15]。

低黏度的发酵剂产胞外多糖能力较弱，与蛋白质结合较少。高黏度发酵剂由于产胞外多糖较多，与蛋白结合后形成了较大的颗粒，颗粒半径的增大对沉降速度的增进作用与黏度升高对沉降速度的降低作用相比，前者是指数级效果。因此，高黏度发酵剂更容易分层沉淀。

4 结论

发酵乳凝胶黏度对乳酸菌饮料蛋白质稳定性有明显影响。黏度越大，蛋白质稳定性越差，沉淀率越高。黏度从低到高的变化过程中，沉淀率的变化速率先大后小，显示低黏度区间影响明显。这是影响蛋白质酸性条件下稳定性的一个重要因素，对酸性乳饮料的生产技术有指导意义。研究表明黏度较低的发酵乳制备乳酸菌饮料稳定性较好。利用黏度为51.4 mPa's的低黏度发酵乳，加入0.4%的大豆多糖作为稳定剂，用高压均质机进行生产技术验证，一级压力：30 mpa，二级压力：15 mpa，此时得到的乳酸菌饮料稳定性最好，沉淀率为0.26%，优于现有技术水平。