菊粉对合生元酸奶质构、流变学特性和微观结构的影响

赵 晓，杜 琨，张 媛

（中国人民武装警察部队工程大学，陕西西安 710086）

酸奶是一种经过保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）和嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）发酵的乳制品，因其良好的感官特性，丰富的生物活性物质（水解蛋白质、碳水化合物、维生素和矿物质）及很高的生物利用度而被认为是健康营养食品[1-3]。牛奶中的乳糖被乳酸菌发酵产生乳酸，将牛奶的pH从6.5酸化至约4.5，导致酪蛋白胶束相互聚集形成三维网络，赋予酸奶特殊的质地和风味[4-5]。凝胶性是酸奶产品最重要的属性，酸奶作为一种复杂的凝胶系统，其包含多种生物大分子如蛋白质、多糖和脂质等[6]，但其在生产、运输及销售过程中易出现乳清析出的问题。因此，需要添加合适的稳定剂来维持酸奶凝胶体系的稳定，提高其产品稳定性[6]。有关果胶、膳食纤维、黄原胶等益生元对酸奶凝胶形成机制和稳定性的影响已有报道[7-10]，但关于益生元作为稳定剂对合生元酸奶凝胶品质的影响却鲜有报道。

合生元酸奶富含益生菌和益生元，益生元可被乳酸菌代谢产生一系列有益宿主的代谢产物，益生菌可以增加宿主肠道益生菌数量，提高肠稳态[3]。益生元属于功能性食品组分[11]，来源可分为可溶性纤维和传统益生元膳食，包括大豆、菊粉（如菊芋、豆薯和菊苣根）、生燕麦、未成熟的小麦、未成熟的大麦、洋葱、香蕉和芦笋等[12-15]。然而这些食物中的益生元含量通常太低，无法对肠道菌群的组成产生明显影响。因此，一些研究者通过水解膳食纤维或淀粉中的多糖，或通过增强酶活从水果和蔬菜中商业提取和浓缩益生元[16]。如今，一些益生元如低聚糖、低聚果糖、低聚木糖、聚葡萄糖和低聚半乳糖等因其对健康有较大益处而被越来越多地添加到食品中。此外这些益生元除了具有较高的营养价值和功效外，还经常作为脂肪的替代物，用于提高食品的质构。目前，益生元已经被广泛应用于冰激凌[17]、豆腐[18]和燕麦[19]等功能食品以提高其稳定性。Meyer等[20]系统阐述了菊粉作为脂肪替代品，应用在乳制品中以提高乳制品的口感。

然而，当前针对酸奶中添加不同益生元作为功能性辅料，对合生元酸奶理化、流变及微观结构影响的研究较少。因此本试验以益生元（高酯化菊粉、低聚果糖和低聚半乳糖）为稳定剂加入牛奶中，通过发酵制备合生元酸奶，采用质构分析仪、动态振荡流变仪等研究不同益生元对合生元酸奶质构和流变特性的影响，再进一步通过扫描电镜观察其对合生元酸奶微观结构的影响，为菊粉作为益生元在合生元酸奶中的工业应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

全脂牛奶（100 mL牛奶含有3.0 g蛋白质，3.3 g脂肪固体）、蔗糖 市售；菊粉、低聚半乳糖、低聚果糖 纯度≥90%，张掖生物科技有限公司；直投式发酵菌种（ABY-8菌种） 丹麦柯汉森公司；其他所用试剂均为国产分析纯。

ML3002T电子分析天平 梅特勒-托利多公司；C-MAG HS 7磁力加热搅拌器 IKA公司；AH-BASISⅡ均质机 上海沃迪公司；PB-10精密pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司；05J02-C无菌操作台上海苏净安泰公司；ZQPW-70电恒温培养箱 上海博讯公司；Allegra X-30R1落地式高速离心机 贝克曼库尔特商贸（中国）有限公司；SMS Plus质构仪英国stable micro systems公司；Haake 40动态振荡流变仪 赛默飞世尔公司；S-3400N扫描电子显微镜JEOL公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酸奶的制备 参照王翠娜[21]的实验方法，将1 L纯牛奶预热至60 ℃后，添加蔗糖7%，分别添加1%的菊粉、低聚半乳糖和低聚果糖，充分搅拌使其溶解，进行85 ℃、15 min杀菌处理后冷水冷却至43 ℃，添加质量浓度为0.30 g/L的直投式ABY-8发酵剂，搅拌均匀后灌装至无菌玻璃瓶中，发酵温度43 ℃，酸奶的pH降到4.5即为发酵终点，发酵结束后冷却至室温，置于4 ℃冰箱后熟12 h，待用。除了不添加益生元（菊粉、低聚半乳糖和低聚果糖），对照酸奶的制备与上述过程相同。CY为对照酸奶；FY为添加低聚果糖的合生元酸奶；IY为添加菊粉的合生元酸奶；GY为添加低聚半乳糖的合生元酸奶。

1.2.2 持水力测定 参照Zhao等[22]的方法，按照1.2.1的方法将30 g牛奶置于50 mL离心管中发酵，冷藏后熟12 h后，离心（3000×g，4 ℃，20 min），称重后将离心管倒置10 min并弃去全部乳清，再次称重。每个样品平行测定三次取平均值。

式中：m1为沉淀物的质量（g）；m2为酸奶的总质量（g）。

1.2.3 质构特性分析 采用Sanli等[23]的方法，对酸奶的硬度、弹性、内聚性、胶着性进行TPA分析，采用A/BE-35探头，测定条件为：测定速度为1 mm/s，测前速度为2 mm/s，测后速度为2 mm/s，前进距离为20 mm，感应力为5 g，每个样品重复测定三次。

1.2.4 流变特性分析 参照Fu等[24]的实验方法，使用动态振荡流变仪对酸奶的流变特性进行分析，选取35 mm铝板夹具进行测量，夹板之间的间隙为1 mm，每个样品重复测定3次。

1.2.4.1 稳态剪切分析 将酸奶样品在25 ℃条件下，剪切速率为0.1～1000 s-1范围内进行扫描，并记录相应的应力。

1.2.4.2 动态升温振荡分析 将酸奶样品在剪切速率为10 s-1条件下，温度为5～40 ℃范围内进行扫描，以1 ℃/min的升温速度，从5 ℃升温到40 ℃，并记录相应的储能模量（G'）和损耗模量（G"）。

1.2.4.3 动态频率扫描分析 将酸奶样品在25 ℃条件下，频率为0.1～100 Hz范围内进行扫描，并记录相应的储能模量（G'）和损耗模量（G"）。

1.2.4.4 三段触变性分析 利用三段触变性试验（3ITT）对样品进行抗剪性能测试。首先，样品在1 Hz和1%形变下进行处理，直至达到稳态。然后在很短的时间内（1 s）内进行高剪切处理（1000 s-1），监测G'和G"，直至恢复稳态（1～400 s）。随后，温度从5 ℃线性升高到40 ℃，升温速率为0.075 ℃/s，连续记录储能模量（G'）和损耗模量（G"）。

1.2.5 微观结构观察 采用Walsh等[19]的方法，酸奶样品用2.5%戊二醛溶液固定12 h，再用pH6.8的磷酸盐缓冲溶液冲洗，随后分别用体积分数为50%、70%、80%、90%、100%的乙醇溶液进行梯度脱水，脱水后的样品进行冷冻干燥处理，干燥后喷金。在电子加速电压为30 kV，放大倍数为5000×下扫描观察样品。每个样品至少扫描6个区域，选择代表样品微观结构的最佳对比度图像。通过扫描电子显微镜对制备好的样品进行分析、观察，得到相应的微观结构照片。

1.3 数据处理

每个样品数据测定均进行三次重复平行试验，用IBM SPSS Statistics、Origin 2017等软件进行数据处理。所有实验结果采用平均值±标准误差表示。使用SPSS 17.0统计软件进行方差分析，P＜0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同益生元对合生元酸奶持水力的影响

由表1可知，与不添加益生元的酸奶相比，添加低聚果糖（FY）、菊粉（IY）以及低聚半乳糖（GY）的合生元酸奶的持水力分别显著提高了6.7%、9.7%和9.1%（P＜0.05）。其中IY组的样品表现出较高的持水力，且显著高于CY和FY组（P＜0.05）。由此可见，添加菊粉能明显提升酸奶的持水力；这可能是由于菊粉本身具有较多的亲水性基团，将菊粉加入到酸奶中，在酸化过程中与酪蛋白胶束形成更致密的网络结构，增加酸奶固定水的能力，从而提高酸奶的持水性[25]。

表 1 不同益生元对合生元酸奶持水力的影响Table 1 Effect of different prebiotics on the water holding capacity of synbiotic yogurt

2.2 不同益生元对合生元酸奶质构特性的影响

质构仪在乳制品中的应用，主要是对酸奶的粘弹性、爽滑度等口感进行数字化评价[26]。本试验主要以硬度、弹性、内聚性和胶着性来评估酸奶质地的变化。硬度是指第一次压缩时的最大峰值，也指获得指定形变所必须的力，多数样品的硬度值出现在最大形变处[1,26]。由表2可知，CY、FY、IY和GY的硬度值分别为231.32、239.08、288.33和285.14 g。与CY组相比，FY、IY和GY的硬度均呈增加趋势，其中IY和GY的硬度增加显著（P＜0.05）。对比添加不同益生元的样品发现，添加1%菊粉的样品表现出最大的硬度值，这表明菊粉能显著改善酸奶的硬度。这与Konar等[27]研究结果一致，菊粉的添加有助于配方食品硬度的提高。

酸奶弹性的变化与其口感密切相关。由表2可知，CY、FY、IY和GY的弹性值分别为0.87、0.85、0.68和0.67。添加1%菊粉、低聚半乳糖的合生元酸奶与对照组酸奶弹性值之间具有显著性差异（P＜0.05）。与CY组相比，添加1%菊粉的酸奶弹性值显著降低了22%（P＜0.05）。与CY组相比，添加1%菊粉对合生元酸奶的内聚性也具有显著性降低（P＜0.05）。由此推断，当添加1%菊粉时，酪蛋白、乳清蛋白和菊粉之间产生较强的作用力，从而影响合生元酸奶弹性和内聚性，具有较好的口感；该结果与王翠娜[21]的研究结果一致，菊粉的添加会影响乳清蛋白溶液中聚集体的生成和凝胶的质构特性。胶着性结果表明，与CY组相比，含有益生元的合生元酸奶的胶着性得到显著改善（P＜0.05），且不同益生元对胶着性的影响差异不显著（P＞0.05）。

表 2 不同益生元对合生元酸奶质构特性的影响Table 2 Effect of different prebiotics on the texture properties of synbioitc yogurt

2.3 不同益生元对合生元酸奶流变特性的影响

2.3.1 不同益生元对合生元酸奶剪切应力的影响酸奶由于酪蛋白胶束三维结构稳态而对剪切应力敏感[24]。由图1所示，初始阶段（200～375 s）剪切应力的变化不明显。在施加高应力的最后阶段（375～500 s）酸奶的剪切压力急剧增大，表明酸奶结构破裂。与CY组相比，随着益生元的增加，合生元酸奶的抗剪切性能逐渐提高；与CY组相比，1%菊粉明显改善了合生元酸奶的抗剪切性能。与GY、FY组相比，IY组合生元酸奶也拥有更好的抗剪切性能。添加1%菊粉的合生元酸奶对施加的剪切速率具有更高的剪切应力，这可能与其形成更强大的凝胶网络结构有关[1]。

图 1 不同益生元对合生元酸奶剪切应力的影响Fig.1 Effect of different prebiotics on the stress rate of synbiotic yogurt

2.3.2 不同益生元对合生元酸奶变温振荡试验的影响 变温振荡分析试验可以证实菊粉改变酸奶凝胶结构[24,28]。储能模量又称为弹性模量（G'），是指材料在发生形变时，由于弹性（可逆）形变而储存能量的大小，反映材料弹性大小。损耗模量又称粘性模量（G''），是指材料在发生形变时，由于粘性形变（不可逆）而损耗的能量大小，反映材料粘性大小。由图2所示，酸奶在加热过程中（5～40 ℃），G'和G"值均减小，表明随着温度的升高，酸奶的结构发生改变。与CY组相比，添加益生元的合生元酸奶组G'和G"的值较高，这表明添加益生元可显著改善合生元酸奶的三维网络凝胶结构。与FY、GY相比，IY组酸奶改善效果最佳。该结果表明菊粉可明显提高合生元酸奶的储能模量（G'）和消耗模量（G"），改善其品质和增强结构的稳定性。其原因可能是由于添加菊粉后，合生元酸奶中的酪蛋白与菊粉进一步发生交联作用形成特定的网状结构，从而增强了酸奶的凝胶结构[29]。

图 2 不同益生元对合生元酸奶变温振荡试验的影响Fig.2 Effect of different prebiotics on the variable temperature oscillation test of synbiotic yogurt

2.3.3 不同益生元对合生元酸奶频率扫描试验的影响 频率扫描主要反映酸奶凝胶粘弹性的变化。添加不同益生元对合生元酸奶粘弹性的影响如图3所示。酸奶的G'值和G"值随着扫描频率的增加而增加；与CY组相比，添加益生元均导致合生元酸奶G'值和G"值提高，说明添加益生元可以改善酸奶的粘弹性，进而增强凝胶结构。与FY相比，GY和IY组的G'值和G"值均具有显著性差异（P＜0.05），而IY组比GI组具有较高的G"值，表明菊粉改善合生元酸奶的粘弹性效果最好，使其具有较好的浓稠度及丝滑口感。此外在所有频率中，合生元酸奶的G'值均大于G"值，说明合生元酸奶以弹性为主，趋于固体的性质。

图 3 不同益生元对合生元酸奶频率扫描试验的影响Fig.3 Effect of different prebiotics on the frequency test of synbiotic yogurt

图 4 不同益生元对合生元酸奶三段触变性试验的影响Fig.4 Effect of different prebioitcs on the thixotropy test profiles of synbiotic yogurt

2.3.4 不同益生元对合生元酸奶三段触变性试验的影响 三区间触变性试验表明加入益生元可以强化合生元酸奶的结构。不同益生元对合生元酸奶抗剪切力的影响情况如图4所示。在第一阶段（100～450 s），让4种酸奶稳定一段时间，4种酸奶的G'、G"值均升高，但添加低聚半乳糖的合生元酸奶的G'值和G"值均优于其他组酸奶。在第二阶段（450～800 s），给予四组酸奶高剪切力作用，并随后继续保持，相对于第一阶段G'、G"值发生骤降，添加低聚半乳糖的合生元酸奶骤降最为剧烈，而添加菊粉的合生元酸奶具有较高的抗剪切应力，展现出最高的G'和G"值，之后缓慢上升趋于平稳，这可能是酪蛋白胶束与菊粉共同作用产生的抗剪切力作用。其他样品的走势在骤降之后趋于平稳，但是G'值和G"值均明显低于IY组。在第三阶段（800～1300 s），给予四组酸奶升温处理，酸奶样品的G'、G"值先缓慢下降，然后在1200 s的时候略有回升。三段触变性试验结果表明，添加菊粉可以显著改善酸奶结构。流变学结果表明，菊粉通过改善酸奶的粘弹性，增强微观结构，对提高酸奶的抗剪切性能起到了重要作用；该结果和Fu等[24]的研究结果相似。因此，可通过进一步微观结构分析，以揭示添加不同益生元对酸奶凝胶结构的影响。

2.4 不同益生元对合生元酸奶微观结构的影响

图5显示了CY组酸奶和添加益生元的合生元酸奶微观结构的变化。在CY组的结构中观察到酪蛋白胶束、乳清蛋白聚集体和水腔（图5A）。当添加益生元时，出现了连接胶束弦和带和更致密的乳清蛋白聚集体，表明乳清蛋白、酪蛋白和益生元组成了一个复杂的三维网络结构。而在CY组中没有观察到类似的结构。从图5C中可以看出，当添加菊粉时，合生元酸奶具有更连续、均一、致密的空间网状结构。这与Puvanenthiran等[30]的结论一致，可能是添加菊粉使凝胶网络结构中的氢键强度和数量有所增加导致的。这种构象为稳定酸奶网络提供了支持[31]，从而带来了更好的流变性能和更高的持水力。

图 5 不同菊粉添加量对凝固型酸奶微观结构的影响Fig.5 Effect of different prebiotics on scanning electron microscopic images of synbiotic yogurt

3 结论

含有菊粉的合生元酸奶持水性、质构和流变特性均得到明显提高。粘度和触变性试验证明，添加菊粉后，合生元酸奶的抗剪切能力大大增强，改善了合生元酸奶的凝胶结构。此外，添加菊粉的合生元酸奶在升温模拟中具有比对照组酸奶更稳定的结构。扫描电镜结果表明，酸奶中的酪蛋白胶束网络被菊粉强化，菊粉通过锚定胶束加强了其结构，新的结构使酸奶具有更好的稳定性。综上所述，菊粉可以作为益生元应用于合生元酸奶加工中，既能增强酸奶的营养特性，也可提高酸奶的稳定性。该研究为酸奶可添加的益生元种类提供了多一种选择，为菊粉在食品工业中更广泛的应用提供了理论基础。