脂肪含量对牦牛乳硬质干酪质构、流变和微观结构的影响

石永祺，梁 琪，宋雪梅，张 炎

（甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃省功能乳品工程实验室，甘肃 兰州 730070）

牦牛（Bos grunniensL.）属于一种特殊的牛亚科，主要生活在低温、低氧的青藏高原地区[1]，牦牛乳是藏区牧民的主要收入来源[2]。与牛乳相比，牦牛乳的脂肪质量分数在5.5%～7.2%之间[3]，是牛乳的2 倍以上，被认为是一种天然的浓缩乳。奶酪又叫干酪，是一种发酵乳产品，在西方国家是一种非常普遍的食品。在我国主要以民族传统奶酪的形式存在，主要有蒙古族的酪蛋子、西藏的曲拉、哈萨克族的奶疙瘩、白族的乳饼以及乳扇[4-5]，其中绝大多数我国的传统奶酪属于硬质干酪。牦牛乳硬质干酪以我国青藏高原的特色乳资源为原料制作，其脂肪质量分数一般在40%～50%之间，质地软硬适中，水分含量低，发酵时间较长，易于贮藏[6]。干酪中的脂肪不仅具有营养价值，而且对干酪的质地、口感发挥作用，对其感官和功能特征有着重要影响[7]。有研究表明，脂肪含量对干酪的理化指标、质构、微观结构和流变学特性都有影响。Cernikova等[8]研究表明，随着再制干酪中脂肪与干物质比例的增加，脂肪球的尺寸增大，干酪质构中硬度降低。Khanal等[9]利用共聚焦激光扫描显微镜发现全脂和低脂荷斯坦乳切达干酪中脂肪粒径和脂肪面积的区别。Ningtyas等[10]研究了脂肪含量对荷斯坦奶油干酪在剪切力变化下的流变学特性和微观结构等的影响。莫蓓红等[11]对低脂、全脂和高脂夸克干酪的质构、流变、持水性和感官进行测定分析，得出全脂夸克干酪最佳。综上，脂肪含量对干酪的质地组织及微观结构产生影响。由于牦牛乳本身的高脂肪含量及其乳源的特殊性，脂肪对牦牛乳硬质干酪的影响大于荷斯乳干酪，且脂肪含量对牦牛乳硬质干酪的影响至今鲜见报道。本实验通过对不同脂肪含量牦牛乳硬质干酪的理化指标、质构和流变学特性进行研究，旨在揭示脂肪含量对牦牛乳硬质干酪的影响并解释其影响机制，为干酪产业化发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜牦牛乳采自甘肃甘南藏族自治州；发酵剂（乳酸乳球菌乳脂亚种、乳酸乳球菌乳酸亚种）；凝乳酶（皱胃酶、牛胃蛋白酶）。

氯化钠、氯化钙、尼罗红、固绿、无水乙醚、石油醚、沸石、盐酸、无水碳酸钠、甲基红、溴甲酚绿均为分析纯，尼罗红为超级纯。

1.2 仪器与设备

干酪槽（38 cm×38 cm×6.2 cm）由本实验室自制；牛奶分离器 青海康平太阳能电动牛奶分离器厂；TA.XTPlus物性分析仪 英国Stevens公司；MCR301流变仪 奥地利Anton Paar公司；LSM 800激光扫描共聚焦显微镜 德国Zeiss公司。

1.3 方法

1.3.1 牦牛乳硬质干酪加工工艺流程

原料乳→检验→巴氏杀菌→冷却→添加发酵剂→添加CaCl2（0.3 g/L）→添加凝乳酶→凝乳→切割、排乳清→加盐、搅拌→二次加热→排乳清→堆酿→压榨成型→真空包装→成熟

1.3.2 牦牛乳硬质干酪理化指标的测定

牦牛乳硬质干酪出品率测定[12]：将牦牛乳硬质干酪压榨完后称其质量，根据干酪水分含量与质量计算干酪出品率，如式（1）所示：

为更准确地比较3 种脂肪含量牦牛乳硬质干酪的出品率，将干酪的实测出品率校正到水分质量分数为45%时再进行计算，如式（2）所示：

1.3.3 干酪脂肪含量的测定

参考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》中的碱水解法进行。

1.3.4 水分含量的测定

参考GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》中的直接干燥法进行。

1.3.5 干酪质构的测定

采用Chavhan等[13]的方法作适当修改，测定牦牛乳硬质干酪硬度、弹性等指标。取边长（1.00±0.06）cm的正方体样品，测前样品室温下放置1 h，进行3 次实验，取其平均值。参数设置：探头型号P25，满负荷压力25 kg，测试前探头下降速率5.0 mm/s，测试速率1.0 mm/s，测试后探头回程速率5.0 mm/s，压缩比50%，进行2 次压缩。

1.3.6 干酪微观结构的测定

采用激光共聚焦显微镜进行牦牛乳硬质干酪微观结构的观测[14]。从干酪样品切下5 mm×5 mm×2 mm薄片，将薄片置于带凹槽的载玻片。吸取1.0 g/L的固绿溶液滴至样品薄片，在暗盒中染色5 min后，吸取0.1 g/L的尼罗红-乙醇溶液滴至样品薄片，继续在暗盒染色5 min。染色完成后用蒸馏水从样品一角缓缓冲洗3 次以洗净染料，清洗后覆盖0.17 mm盖玻片，倒置于63 倍油镜下观察。尼罗红与固绿激发波长分别为488 nm与633 nm。调整至视野清晰后采集图片。

1.3.7 干酪流变的测定

参考Mizuno等[15]方法并进行修改。干酪样品取出后在室温平衡30 min，从干酪中心采样，样品直径40 mm，厚度1 mm。样品置于流变仪托盘中心。流变仪程序设置：剪切应变0.002、角频率1 Hz、升温速率5 ℃/min、温度变化范围25～80 ℃。

1.4 数据统计与处理

每个处理重复3 次，采用SPSS 22.0软件对数据进行差异显著性分析和Pearson相关性分析，用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 牦牛乳硬质干酪的理化指标

以脱脂牦牛乳和全脂牦牛乳为原料，按0∶1、1∶1、2∶1的体积比，制得全脂、半脱脂、低脂3 种脂肪含量的牦牛乳，将其制成牦牛乳硬质干酪，对其脂肪含量、水分含量和出品率进行测定，结果如表1所示。

表1 不同脂肪含量牦牛乳硬质干酪的理化指标Table 1 Physicochemical indicators of yak milk hard cheeses with different fat contents

由表1可知，全脂牦牛乳硬质干酪的脂肪含量分别是半脱脂和低脂干酪的2.06 倍和2.94 倍，有极显著差异（P＜0.01）。全脂牦牛乳干酪的出品率最高，全脂和半脱脂干酪的校正出品率分别比低脂干酪高44.04%和20.31%。决定干酪出品率的主要成分是牦牛乳中酪蛋白和脂肪的总和，低脂干酪中脂肪的移除不等于水分添加量[16]，低脂干酪的出品率较低。

2.3 牦牛乳硬质干酪的质构特性

脂肪作为蛋白质网络结构的填料，赋予干酪润滑性和柔软性，而蛋白质网络结构给干酪提供有弹性的质地[17]。干酪质构取决于蛋白质网络和脂肪填充颗粒的性质。由表2可得，低脂干酪硬度高于半脱脂和全脂干酪硬度，分别比全脂和半脱脂干酪高50.31 g和35.70 g。较高的脂肪含量使得干酪质地更加柔软，而半脱脂和低脂干酪脂肪含量较少，脂肪含量降低，蛋白质网状结构变得更致密，导致干酪的硬度更大[18]。干酪弹性和咀嚼性随脂肪含量降低而增加，呈负相关。3 种脂肪含量干酪硬度、弹性和咀嚼性均表现出极显著差异。干酪黏聚性随脂肪含量减少而降低，呈正相关。在牦牛乳硬质干酪中，脂肪含量越多，脂肪滴破坏蛋白质基质，软化全脂干酪质地，降低了硬度和黏性。结果表明，对比其他两种脂肪含量的干酪，全脂干酪的黏聚性最大。低脂干酪中蛋白质含量高，酪蛋白分子间的交联增加，形成更高的弹性和内聚性[19]。

表2 不同脂肪含量牦牛乳硬质干酪的质构Table 2 Texture properties of yak milk hard cheeses with different fat contents

表3 参数间的相关性分析Table 3 Correlation analysis between tested parameters

表3为理化指标和质构指标之间的相关系数，8 个指标间均存在显著正相关或负相关关系。其中脂肪含量与水分含量、硬度、弹性和咀嚼性显著负相关，相关系数分别为－0.909、－0.851、－0.795和－0.768；脂肪含量与实测出品率、校正出品率和黏聚性极显著正相关。说明脂肪含量对干酪的理化指标和质构有着重要影响。

2.3 牦牛乳硬质干酪的微观结构

共聚焦激光扫描显微镜是研究食品微观结构的良好技术[20]。该技术源自生物和医学，现已经成功应用于食品[21]。如图1所示，激光共聚焦显微镜图像清楚地表明干酪结构随脂肪含量的变化。干酪基质表现为蛋白质-水基质的聚集体[22]，图中不均匀分布的脂肪球像填充物一样，填充在蛋白质基质中。蛋白质基质（红色）中散布有各种尺寸和形状的脂肪球（绿色）。41.85%脂肪含量的牦牛乳硬质干酪微观结构与20.31%和14.25%脂肪含量的牦牛乳硬质干酪微观结构明显不同。全脂干酪中脂肪球数量大于半脱脂和低脂干酪中脂肪球数量，脂肪含量减少导致脂肪球数量较少，Kumar[23]也观察到相似的结果。图2为经软件统计图1中脂肪球的面积，3 种硬质干酪中，全脂干酪脂肪球面积较大，脂肪球密集。全脂、半脱脂和低脂干酪中脂肪颗粒面积分别为1 800.20、1 317.59、792.02 μm2，且脂肪面积分别占总面积的10.0%、7.3%和4.4%。低脂和半脱脂干酪（图1B、C）中脂肪以较为分散的形式出现，结块现象较少，而全脂干酪（图1A），脂肪球结块较多。低脂干酪具有更少的开放空间被乳脂肪球占据，蛋白质网络更致密。

全脂干酪中脂肪颗粒分布的较密集，低脂干酪中脂肪颗粒分布较分散。牦牛乳硬质干酪会随着成熟时间的增加，脂肪颗粒有聚集趋势。全脂干酪的脂肪颗粒之间间距小，成熟过程中脂肪颗粒更易聚集到一起，形成条状的脂肪“干酪槽”。Ningtyas等[10]研究发现低脂干酪中，脂肪呈分散状态，几乎没有结块现象，而高脂奶油芝士干酪的乳脂球总是聚集在一起。这是由于脂肪颗粒分布的变化，引起质构特性的差异。

图1 不同脂肪含量牦牛乳硬质干酪的微观结构Fig.1 Microstructures of yak milk cheeses with different fat contents

图2 脂肪颗粒覆盖的面积Fig.2 Areas covered with fat particles

2.4 牦牛乳硬质干酪的流变学特性

流变学决定了半固态干酪制品的结构性质，如黏弹性、屈服应力和流动行为。干酪本质上也属于黏弹性材料，具有黏弹性材料特性，即干酪同时具有黏性材料和弹性材料的双重特性[24]。研究者根据流变学测量结果表征干酪功能特性并改变其结构[25]。动态流变实验包括频率扫描、应变扫描、温度扫描和时间扫描这几种基本扫描模式。干酪的流变性对评价干酪品质有重要意义，温度扫描可了解材料熔化特性，反映加热过程中温度变化对干酪脂肪和蛋白结构的影响，衡量干酪颗粒在加热时流动或扩散的能力[17]。对于不同脂肪含量的牦牛乳硬质干酪，测定其在温度条件下的形变，对比温度对不同脂肪含量干酪熔化性和流动性的影响在生产和应用中都更有意义。

图3 不同脂肪含量牦牛乳硬质干酪的G’的影响Fig.3 Effect of fat content on elastic modulus of yak milk hard cheeses

在高温状态下，脂肪受热融化，随温度升高流动性越大。在干酪质地中，影响其相变温度的重要因素包括酪蛋白胶束之间作用力及其网络结构与脂肪球之间的作用力[26]。干酪在融化过程中弹性模量（G’）的变化如图3所示，3 种脂肪含量干酪G’与温度呈负相关，随温度升高G’下降。在初始温度25 ℃条件下，全脂、半脱脂和低脂干酪G’分别为19 930、29 250、34 360 Pa。升温过程中，干酪逐渐开始呈现坍塌状态，3 种脂肪含量干酪均从类固相转化为类液相，到结束温度80 ℃时，3 种脂肪含量干酪G’差异逐渐缩小。开始升温时全脂、半脱脂和低脂干酪G’是结束时的12.69、10.17 倍和8.93 倍，全脂干酪G’随温度的升高下降速率更快。对G’的3 条曲线进行拟合后，全脂拟合曲线为：y=－0.070 8x3＋17.503x2－1 538.7x＋48 686，R2=0.999 0；半脱脂拟合曲线为：y=－0.322 1x3＋61.248x2－4 011.6x＋96 200，R2=0.998 2；低脂拟合曲线为：y=－0.41x3＋76.834x2－4 950.2x＋117 311，R2=0.997 1。在升温过程中，3 种样品G’下降，是由于熔化过程中酪蛋白胶束收缩和酪蛋白间的相互作用减弱[27]。低脂和半脱脂干酪G’均高于全脂干酪，较低的脂肪含量增加了G’，脂肪含量对干酪结构影响非常显著。可能由于干酪脂肪含量越少，酪蛋白网络结构中无脂肪填充，结构更加紧密。此结果与质构（表2）的结果对应。

图4 脂肪含量对牦牛乳硬质干酪tanδ值的影响Fig.4 Effect of fat content on tanδ value of yak milk hard cheeses

tanδ值是黏性模量（G”）和G’比值，测定干酪黏弹特性（tanδ）可反映干酪熔化性[28]。tanδ值越大，表明黏弹性材料流动性越大，越趋近液体特性[29]。3 种脂肪含量干酪在20～85 ℃升温过程中tanδ值的变化如图4所示。3 种脂肪含量干酪样品tanδ值随温度升高而变化，其数值先增加，当全脂、半脱脂和低脂干酪的温度分别达70.98、76.49 ℃和76.49 ℃时，tanδ值达最大，分别为0.910 7、0.788 7和0.734 5，随后数值随温度持续上升而逐渐减小。对tanδ值的3 条G”曲线进行拟合后，全脂干酪拟合曲线为：y=－1×10－5x3＋0.002 3x2－0.104 1x＋1.788 5，R2=0.986 3；半脱脂干酪拟合曲线为：y=－6×10－6x3＋0.001 1x2－0.048 5x＋0.994 9，R2=0.982 3；低脂干酪拟合曲线为：y=－1×10－6x3＋0.000 4x2－0.018 5x＋0.574 1，R2=0.982 5。3 种样品的tanδ值均小于1，说明干酪样品的G”始终小于G’，即干酪样品的流变学特征中弹性占主导地位。全脂干酪tanδ值大于半脱脂和低脂干酪，由于酪蛋白之间相互作用决定干酪熔化性，被蛋白质网络结构束缚的脂肪容易流动[30]。所以，脂肪含量较高的全脂干酪中，填充在其蛋白质网络结构的脂肪减弱了酪蛋白胶束之间的相互作用力，使得全脂干酪流动性更好。干酪的G’和tanδ值与其脂肪含量相关[31]，这两个值越小，说明干酪越富有弹性。综合可得出，脂肪含量对干酪的熔化性和流动性有很明显的影响，含量越少弹性越大。

3 结 论

本研究将干酪的3 种脂肪含量与质构各参数间进行了相关性分析，使用共聚焦激光扫描显微镜对牦牛乳硬质干酪的微观结构进行观察。结果表明：脂肪含量影响牦牛乳硬质干酪的出品率，全脂干酪＞半脱脂干酪＞低脂干酪。脂肪含量对水分含量、硬度、弹性和咀嚼性显著负相关，对黏聚性显著正相关。分析微观结构发现，干酪中脂肪含量越少，脂肪颗粒覆盖面积越小。对干酪进行流变学温度扫描，表明3 种脂肪含量干酪G’与温度呈负相关，随温度升高G’下降。脂肪含量越高，其tanδ值越大，干酪流动性越好。综上，脂肪含量对牦牛乳硬质干酪的理化指标、质构特性、流变特性和微观结构均有影响，本研究对牦牛乳硬质干酪的机制研究以及干酪产业化发展提供重要依据。