干酪脫水縮合過程影響因素的研究進展

李開鑫,羅潔,任發政,王芳

(1.北京農學院食品質量與安全北京實驗室,農產品有害微生物及農殘安全檢測與控制北京市重點實驗室,北京102206;2.中國農業大學北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,北京100083)

干酪脫水縮合過程影響因素的研究進展

李開鑫1,羅潔2,任發政2,王芳1

(1.北京農學院食品質量與安全北京實驗室,農產品有害微生物及農殘安全檢測與控制北京市重點實驗室,北京102206;2.中國農業大學北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,北京100083)

脫水縮合作用是干酪制作過程中必不可少的過程，也是影響干酪品質和穩定性的重要過程。牛乳組分（脂肪、蛋白質、微量元素及體細胞等）及干酪加工工藝（切割、攪拌、加熱、壓榨等）都會影響脫水縮合作用。本文主要介紹這些因素對脫水縮合作用的影響，為干酪在加工過程中的質量控制提供技術支持。

干酪;脫水縮合;牛乳組分;加工工藝

Abstract:Syneresis is essential in the process of cheese making,and is an important technology for influencing the cheese quality and stabili?ty.Milk components(such as fat,protein,trace elements and somatic cells)and technological conditions(such as cutting,mixing,heating and pressing)will affect the syneresis.This research was focused on the impact of these factors on syneresis,with a view to provide references for the quality control in cheese making process.

Key words:cheese;syneresis;milk composition;technological conditions

0 引言

酶凝凝膠形成后，凝塊要經歷一系列的處理促進脫水縮合過程，將凝塊中的乳清排出，從而有效地濃縮酪蛋白和脂肪的質量分數。在未被破壞的狀態下，酶凝及酸凝作用形成的凝塊非常穩定，但是如果凝塊被切割或是被破壞或是受到外界壓力的作用，副酪蛋白體系會發生收縮，將凝塊中的溶液相（乳清）排出，這個過程就是脫水縮合過程。通過脫水縮合作用，干酪加工者能夠控制干酪中水分的質量分數，進而控制干酪中微生物和酶的活性，保證干酪具有良好的穩定性和品質。

加工工藝（切割、攪拌、加熱、酸化和壓榨等）都會影響脫水縮合作用。此外，不同的牛乳組分及對牛乳進行處理也會對干酪的穩定性和品質產生重要影響。

1 牛乳組分

牛乳組分會影響脫水縮合作用。一般而言，牛乳中脂肪質量分數越高，脫水縮合作用發生得越慢；酪蛋白質量分數越高，脫水縮合作用的絕對速度越低，但是相對速度存在一定差異[1-5]。Mateo等[6]采用0%，2.5%，5%的脂肪質量分數研究脂肪質量分數對脫水縮合作用的影響，證實牛乳中脂肪的質量分數越高，乳清的排出量越少。酪蛋白和脂肪的比例也會對脫水縮合作用產生影響，研究顯示不同蛋白質和脂肪比例的原料乳制作得到的干酪中水分的質量分數存在顯著性差異[7－8]。實際的干酪加工過程中，通常需要對牛乳進行標準化，調整到標準的脂肪質量分數，弱化脂肪質量分數對干酪加工過程的影響。在酪蛋白質量分數相同的情況下，酪蛋白組分對脫水縮合作用存在顯著性影響。Pearse等[9]用不同酪蛋白組分構成的酪蛋白膠束合成牛乳，并對合成乳的脫水縮合過程進行研究，發現酪蛋白中的β-酪蛋白和κ-酪蛋白組分顯著性影響凝乳時間，β-酪蛋白的脫磷脂化會導致脫水縮合速率的降低、凝乳時間的延長。

牛乳中的微量元素對脫水縮合作用的影響可能更大，尤其是鈣離子活性。研究學者對每個牛產的牛乳進行凝乳實驗，發現脫水縮合的速率存在差異[1]，但是添加一定量的CaCl2可以很大程度的降低這種差異。不同牛產的牛乳脫水縮合作用的差異與牛的泌乳階段有關，可能由于泌乳階段影響了牛乳中鈣離子的活性?；既橄傺椎呐．a的牛乳凝乳能力較差，脫水縮合作用降低[10-11]。在干酪加工過程中會通過添加CaCl2調節凝乳作用。大多數的研究學者認為添加少量的CaCl2（例如10 mmol/L）可以一定程度提高脫水縮合作用[1,12-13]，當CaCl2添加量比較大時，脫水縮合作用會降低[14]；然而另外一些研究學者則發現CaCl2對脫水縮合作用沒有影響或是產生較小的影響[2,15]。van der Waarden[12]認為CaCl2對脫水縮合作用的主要影響在于降低了體系的pH值，如果保持體系pH值穩定，添加CaCl2會降低脫水縮合作用，但是這個觀點受到一些質疑，因為同為二價鹽的MgCl2會顯著增加脫水縮合作用[12-13]。CaCl2對脫水縮合的雙重影響表現為以下兩方面：一是增加了Ca2+的活性，進而提高脫水縮合作用；二是增加膠體磷酸鈣的質量分數，進而降低脫水縮合作用。Mg2+與Ca2+相似，但是磷酸鎂的溶解性比磷酸鈣高很多，同時添加MgCl2也許會導致膠體磷酸鈣的部分溶解，所以會顯著增加脫水縮合作用。在恒定pH值條件下，添加的磷酸鹽、檸檬酸鹽、草酸鹽或是EDTA通過降低體系中Ca2+的活性，降低脫水縮合作用[12-13]，同時添加磷酸鹽能增加膠體磷酸鹽的質量分數，進一步降低脫水縮合作用。其他微量元素對牛乳脫水縮合作用的影響也有報道。添加低質量分數的一價離子（例如NaCl）對脫水縮合作用沒有影響[15]或者能輕微增加脫水縮合作用[13]，可能由于一價離子降低了膠體磷酸鹽的數量及Ca2+的活性；添加三價離子（AlCl3）會降低脫水縮合作用[13]。

牛乳中體細胞的數量是影響脫水縮合作用的另一重要因素，Mazal等[16]發現隨著牛乳中體細胞數量增多，凝乳時間顯著性增加，凝塊脫水縮合速率降低，但是干酪產量及組分回收率與其他組相比無顯著性差異；董晶瑩等[17]的研究中也認為體細胞數量對組分回收率沒有顯著性影響。但是，Cooney等[18]研究發現隨著體細胞數量增加，損失于乳清中的蛋白質和脂肪質量分數增加，成品干酪中的水分質量分數增加。而在甄貞等[19]和董瑩等[20]的研究中卻發現體細胞數量越高，干酪產量越低。

在其他條件相同的情況下，山羊乳凝塊比牛乳凝塊的脫水縮合作用更為劇烈，母羊乳凝塊的脫水縮合程度最差[3]。但是Calvo和Balcones[21]研究發現牛乳凝塊的脫水縮合速度最快，其次為山羊乳凝塊，綿羊乳凝塊的脫水縮合速度最慢。

2 切割

對于一些高水分含量的干酪來說，凝塊在未被切割或是破壞的情況下，被直接舀到干酪模具中；而對于Cheddar和Dutch干酪來說，凝塊首先被垂直刀、水平刀切割成1 cm的立方體，之后進行攪拌、加熱等操作以促進乳清的排出。

切割能夠很大程度的提高脫水縮合作用。切割大小、強度和凝塊的形狀都會影響脫水縮合的速率和程度，但是對于這種影響的報道存在一定差異。一般認為在所有加工工藝都相同的條件下，凝塊顆粒越小，脫水縮合的速度越快、程度越大。Johnston等[22]研究了Cheddar干酪生產過程中凝塊的切割速度和持續時間對凝塊顆粒大小及排乳清過程中脂肪損失量的影響，發現凝塊切割速度慢、時間短會產生小凝塊，造成脂肪的損失量增大；隨著切割速度及持續時間的增加，凝塊顆粒會增大，脂肪損失量會降低；進一步增加切割速度和切割時間，凝塊顆粒降低，脂肪損失量沒有顯著性變化。Everard等[23]的研究也證實降低切割強度會顯著增加脂肪的損失量，但對脫水縮合過程中凝塊中水分的質量分數沒有顯著性影響，認為較低的切割強度會形成更大的凝塊顆粒，增大攪拌過程中凝塊的破碎度，因此增加凝塊的損失量。岳喜慶等[24]則發現干酪硬度隨著切割大小的增加呈現顯著的下降趨勢，認為凝塊大小主要通過影響脫水縮合作用，進而影響干酪中水分的質量分數和干酪品質，凝塊越大，水分質量分數越高，切割大小為6～8 mm3制作的干酪的彈性等品質最佳。Johnston等[25]進一步研究發現有效控制切割速度、時間和攪拌速度，能夠截留更多的水分，減少脂肪的損失。同樣，Riddell-Lawrence和Hicks[26]研究認為凝塊切割強度最低（50 mV）時，干酪產量和干物質質量分數最高，同時凝塊中脂肪球的結合更加緊密，脂肪損失量最低。Grundelius等[27]的研究發現凝塊切割的大小主要影響脫水縮合的初始階段，越小的凝塊脫水縮合作用越強烈。pH值為6.4條件下，脫水縮合到一定程度所需要的時間基本與凝塊大小成正比，凝塊越小，脫水縮合所需時間越短，脫水縮合程度越大，凝塊收縮越劇烈；pH值為6.0條件下，脫水縮合程度更為劇烈。

現在采用的凝塊制作工藝，例如各式各樣的切割、攪拌等，對脫水縮合的影響較小。雖然凝塊切割的大小對干酪中水分的質量分數有影響，但是研究表明由于在標準化的干酪加工過程中，凝塊大小的變化幅度有限，因此產生的影響較小[28]。

3 攪 拌

攪拌會加速脫水縮合作用的發生。與切割后不攪拌的對照組相比，切割后攪拌的實驗組中乳清的析出速度和析出量都顯著性增加。主要因為攪拌過程阻礙了凝塊顆粒的沉淀，促進脫水縮合作用。不攪拌條件下，雖然凝塊沉淀產生的壓力大，但是乳清從顆粒中流出來的機會很小。另一個原因是攪拌給凝塊顆粒施加了額外的壓力，從而促進脫水縮合作用。van den Bijgaart[29]進行了粗略的計算，攪拌會導致凝塊-乳清混合體系的黏度出現梯度差異，根據伯努利方程的計算，也會導致壓力出現差異。當體系粘度比較低時，這種差異很小，但在凝塊的制作過程中，這種差異會達到幾個Pa。按照流動形式為湍流、壓力為160 Pa來計算，凝塊粒子彼此間碰撞或者凝塊與攪拌器間碰撞產生的壓力會達到100 Pa。

攪拌過程中凝塊粒子可能會發生間歇性變形，是影響乳清排出的另一個因素。van Dijk和Walstra[30]進行了一個實驗，將放置在兩個同心圓柱體里的酶凝凝膠臨時取出來，在施加剪切力的前后對其滲透率進行測定。結果顯示在剪切力達到0.35之前，滲透率的變化很小，當剪切力達到0.7左右時，滲透率顯著性增加，平均增幅能夠達到20%，之后更高的剪切會產生更大的滲透率。這一研究結果也被Akkerman[31]證實，在施加100 Pa的外界壓力下，收縮的凝塊顆粒的外表面會產生幾個小的裂縫。Unger Grundelius[32]研究發現恒定的壓力（7.5 kPa/m凝塊高度）會提高凝塊的滲透率。

4 溫度

對于大多數的干酪來說，在凝塊切割后，需要將溫度從凝乳溫度加熱到適宜溫度，進一步促進乳清的排出。加熱一般通過外部循環熱水或是往干酪夾層中通入蒸汽的方式實現。Dutch類型的干酪及其他一些干酪，在加熱過程中需要去掉30%～40%的乳清，并用混合到合適溫度的水來代替，這種方法最初是在缺乏蒸汽或者循環熱水的農場規模的干酪加工中應用，但是現在應用這種方法的主要目的是降低干酪凝塊中乳糖的質量分數進而達到控制pH值的目的。

依據干酪類型的不同加熱溫度存在差異，高水分含量干酪（例如Camembert干酪）的加熱溫度為31℃，Gouda和Edam干酪的為36℃，Cheddar干酪的為 38～40 ℃ ，Emmental和 Parmesan干酪的為 52～55℃。加熱溫度必須與干酪中發酵劑的熱穩定性相匹配：當溫度大于（接近）35℃時，一些乳球菌的產酸能力會喪失，但是還有些乳球菌在40～42℃下仍能產酸；因此，加熱干酪凝塊能夠通過抑制菌株的產酸能力對凝塊的脫水縮合作用產生消極影響。加熱溫度對凝塊脫水縮合的速度存在顯著性影響，研究結果表明隨著加熱溫度的升高，乳清的排出量降低，即脫水縮合作用受到抑制。但是其他研究有不同的報道結果，Huber等[33]發現隨著加熱溫度升高，脫水縮合的初始速度增加，但是隨著溫度上升至45℃以上，脫水縮合的速度降低。依據干酪類型的不同，加熱速度對脫水縮合作用的影響也存在差異。Patel等[34]研究表明溫度變化的速度（dT/dt）對脫水縮合作用沒有顯著性影響；但另有研究認為加熱速度快，尤其是加熱初期速度快，凝塊表面會發生強烈的脫水作用，導致表面形成一層硬殼，制約脫水縮合作用及凝塊內部乳清的排出，從而形成高水分質量分數的干酪。

除了加熱過程中引起的溫度變化外，對牛乳進行熱處理或者冷處理也會引起溫度變化，影響脫水縮合作用。Johnston等[35]認為凝乳前將牛乳在低溫下放置一段時間對脫水縮合作用沒有顯著影響。與此不同的是，Walstra等[36]研究發現對牛乳進行熱處理會導致乳清蛋白變性，導致凝乳的牛乳中脫水縮合速率的降低，這種降低與β-乳球蛋白的變性成線性關系，同時α-乳白蛋白的變性也對這種影響發揮著一定作用[37]；Kammerlehner[1]的研究表明在5℃下放置20 h會對脫水縮合產生顯著性影響，能夠將脫水縮合程度降低30%；Raynal和Remeuf[38]發現牛乳在低溫放置一段時間會顯著性抑制脫水縮合作用，但低溫對山羊乳和綿羊乳的脫水縮合作用沒有顯著性影響；任星環等[39]對原料乳進行熱處理（63℃，30 min或72℃，15 s），認為受熱后牛乳中變性蛋白數量增多、鈣離子析出，導致脫水縮合過程中干酪網絡結構包裹水分和脂肪球的能力下降，干酪中水分質量分數降低。

5 酸 度

酸度對脫水縮合的影響表現為凝乳時的酸度值即pH值越低，脫水縮合速度越快。在較低的pH值下，排出的乳清量大，隨著pH值升高，排出的乳清量減少。脫水縮合過程中pH值降低會提高脫水縮合的速率[13]，可能由于正電荷屏蔽了酪蛋白分子上的負電荷，降低了內部蛋白質間的斥力，從而導致形成的蛋白質網狀結構發生收縮。而霍建新等[40]比較了pH值6.0、5.8、5.6、5.4、5.2對融化干酪品質的影響，發現隨著凝乳pH值降低，干酪中水分含量增加，蛋白質和脂肪質量分數降低，說明較低的pH值抑制了脫水縮合作用。崔惠玲等[41]研究了9個凝乳pH值對Mozzarella干酪質量和產量的影響，認為過高或過低的凝乳pH值對干酪脫水縮合作用都有不良影響，pH值為5.2條件下制作的干酪品質最佳、產量也較為理想。

其他工藝條件下的酸度變化也會對脫水縮合作用產生影響。Emmons和Beckett[42]研究了不同切割pH值制作的Cottage干酪的硬度值及凝塊中總固形物的質量分數，發現切割時的pH值越低，干酪的硬度越小，總固形物質量分數越少；同時還研究了不同加熱pH值制作的Cottage干酪，發現加熱時的pH值越低，干酪中總固形物質量分數越低，但是加熱到46.1℃時干酪的硬度最大，加熱到60℃時硬度最小。唐民民和劉偉[43]也研究了切割pH值對新鮮干酪產量的影響，發現當切割pH值在4.8～4.5之間時，隨著pH值的降低，干酪產量呈現先上升后降低的趨勢，在pH值為4.6時干酪產量最大。Yazici和Akbultu[44]研究發現排乳清時的pH值越低，水牛乳制作得到的Mozzarella干酪的產量越高、鈣回收率越低，可能歸因于低pH值制作的干酪含有較高的水分質量分數。陳丹和霍貴成[45]研究了原料乳預酸化pH值對Mozzarella干酪品質的影響，認為pH值的降低促進了膠體磷酸鈣的溶解性，提高了酪蛋白的水合作用，進而抑制了脫水縮合作用，導致干酪水分質量分數的增加。

6 壓 榨

隨著乳清的排出，凝塊逐漸形成一個連續相。對凝塊的處理方式依據干酪類型的不同存在差異。例如Cheddar干酪生產中將凝塊轉移到模具中，在干酪槽對凝塊進行翻轉和堆疊，隨后進行壓榨，進一步促進脫水縮合作用。壓榨是大部分半硬質及硬質干酪生產過程中不可或缺的一道工藝。

Birkkjaer等[46]發現降低Gouda干酪壓榨過程中的溫度，乳清排出量減少，Ca2+含量增加，壓榨溫度升高到40℃，乳清排出量增加，酸化過程受到抑制，干酪更加堅硬。馬鋼等[47]對北京干酪中含水量的影響因素進行研究，認為壓榨時間對產品最終的含水量、酸度等都有較大的影響，塊形較大的干酪應采取逐級壓榨的方法以更多地排出干酪內部的水分，促進脫水縮合作用。Richou等[48]對Swiss干酪的壓榨工藝進行研究，發現壓榨的熱載荷系數（時間×溫度）增大，干酪中脂肪球尺寸變大，油脂析出性增強，而壓榨壓強對油脂析出性的影響較小。Habib等[49]的研究發現在設置的0～31.2 kPa的壓榨強度下，隨著壓榨強度增加，乳清的排出量呈現先增加后降低的趨勢，干酪的產量也相應呈現先降低后增加的趨勢，在15.6 kPa的壓榨強度下，脫水縮合作用最為強烈，乳清排出量最大、干酪產量最低。范金波等[50]研究發現延長壓榨時間使干酪中蛋白質網絡結構更加致密，增大壓榨壓強使脂肪球大量聚集、蛋白質分子重新排列，升高壓榨溫度增強蛋白質間的相互作用，由此制作的干酪中水分的質量分數顯著性下降，脂肪和蛋白質的質量分數顯著性升高。

7 結束語

牛乳經過酶凝或酸凝作用形成凝膠后，會發生脫水縮合作用排出乳清。在穩定的條件下，酶凝凝塊經過脫水縮合作用會丟失2/3的體積，如果在這個過程中施加外力，則會丟失90%或者更多的體積。在利用酸凝或酶凝方法制作干酪的過程中，脫水縮合作用是必不可少的。牛乳組分（脂肪、蛋白質、微量元素及體細胞等）及干酪加工工藝（切割、攪拌、加熱、壓榨等）都會影響脫水縮合作用。掌握牛乳組分及加工工藝對干酪脫水縮合作用的影響，對脫水縮合作用進行有效控制，對于生產穩定性和品質良好的干酪產品具有重要意義。

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Research progress of influence factors for syneresis of cheese

LI Kaixin1,LUO Jie2,REN Fazheng2,WANG Fang1
(1.Beijing Laboratory of Food Quality and Safety,Beijing Key Laboratory of Detection and Control of Spoilage Organ?isms and Pesticide Residues in Agricultural Products，Beijing University of Agriculture,Beijing 102206,China;2.The In?novation Centre of Food Nutrition and Human Health,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

TS252.53

B

1001-2230（2017）09-0050-04

2017-02-23

北京市自然科學基金資助項目(6174036)。

李開鑫（1993-），女，碩士研究生，研究方向為乳制品開發及評價。

王芳