酸奶是怎样凝成的？

韩如旸 | 2020年9月16日

文献引用

韩如旸. 2020. 酸奶是怎样凝成的？网址：www.ruyangmicrobio.org/suannai

1. 酸奶中的乳酸菌

乳酸菌是一类可将糖发酵产生乳酸的微生物的总称, 通常为不产芽孢的革兰氏阳性菌。“乳酸菌”不是微生物分类学名称，而是基于微生物代谢产物的通称。乳酸菌通常包括乳杆菌属(Lactobacillus) 、链球菌属(Streptococcus) 、乳球菌属(Lactococcus) 、明串珠菌属(Leuconostoc) 、片球菌属(Pediococcus) 、双歧杆菌属(Bifidobacterium) 和肠球菌属(Enterococcus)。酸奶是牛奶在保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌进行乳酸发酵制成的凝乳状产品。保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵牛奶中的碳水化合物，生成乳酸，和羟丁酮、丁二酮等风味物质。当酸奶中的pH值降至酪蛋白的等电点时，酪蛋白酸钙生成酪蛋白凝块, 形成酸奶特有的组织状态和口感(1)。由于乳酸菌能够在寄主肠道存活生长，并且通过改善其寄主肠道微生物平衡的作用而有益于寄主，因此是一类重要的益生菌(Probiotics)(1)。

中国有法律规定的可用于食品的微生物菌种(2)和可用于婴幼儿食品的菌种名单(3)如下表所示。

除了现有用于酸奶生产的商业菌株，研究者也越来越关注从其他动物酸奶样品中寻找更多的乳酸菌种质资源。李银聪从西藏和川西青藏高原的10份自然发酵酸牦牛奶样品分离鉴定得到15株乳酸菌，分别是肠膜明串珠菌肠膜亚种(L.mesenteroides subsp. mensenteroides)、野生链球菌(S.ferus)、嗜热链球菌(S.thermophilus)、棉籽糖乳球菌(L.raffinolactis)、唾液链球菌(S.salivarius)、乳酸乳球菌乳酸亚种(L.lactis subsp.lactis)、乳明串珠菌(L.lactis)、肠膜明串珠菌葡聚糖亚种(L.mesenteroides subsp.dextranicum)、口乳杆菌(L.oris)、发酵乳杆菌(L.fermentum)、干酪乳杆菌(L. casei)、植物乳杆菌(L.plantarum)、德氏乳杆菌乳亚种(L.delbrueckii subsp.lactis)、短乳杆菌(L.brevis)和瑞士乳杆菌(L.helveticus)。另外，分离得到酵母菌8株，包括乙醇假丝酵母(C.ethanolica)、马克斯克鲁维酵母(H.marxianus)、酿酒酵母(S.cerevisiae)、克劳森酒香酵母(B.claussenii)、清酒假丝酵母(C.sake)、发酵毕赤氏酵母(P.fermentans)、异常汉逊酵母(H.anomala)和郎比可酒香酵母(B.lambicus)(4)。

丁武蓉也从青藏高原传统发酵牦牛酸奶中分析得到其中的乳酸菌主要包括乳酸杆菌属(Lactobacillus)、链球菌属(Streptococcus)、肠球菌属(Enterococcus)、明串珠菌属(Leuconostoc)、魏斯氏菌属(Weissella)、乳球菌属(Lactococcus)和片球菌属(Pediococcus)等7个属。分离得到17个乳酸菌菌种或亚种，其中乳杆菌属乳酸菌主要有植物乳杆菌(L.plantarum)、戊糖乳杆菌(L.pentosus)、德氏乳杆菌(L.delbrueckii)、副干酪乳杆菌(L.paracasei)、瑞士乳杆菌(L. helveticus)、短乳杆菌(L. brevis)和发酵乳杆菌(L.fermentum)；链球菌属乳酸菌主要为嗜热链球菌(S.thermophilus)、马其顿链球菌(S.macedonicus)和唾液链球菌(S.salivarius)(5)。

乔健敏从内蒙古锡林郭勒盟正蓝旗的2份发酵酸乳样品中共分离到15株乳酸菌，经鉴定为3个属9个种，分别为乳酸乳球菌属、明串珠菌属和乳杆菌属中的乳酸乳球菌叶蝉亚种（Lactococcus lactis subsp.hordniae）、乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）、乳酸乳球菌乳脂亚种（Lactococcus lactis subsp.cremoris）、乳明串珠菌（Leuconostoc lactis）、肠膜明串珠菌肠膜亚种（Leuconostoc mesenteroides subsp.mesenteroides）、肠膜明串珠菌右旋葡聚糖亚种（Leuconostoc mesenteroides subsp.dextranicum）、植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）、副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）和干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）(6)。

上述研究均表明我国的乳酸菌种质资源非常丰富，值得深度开发，以期获得具有优异发酵特性、特殊风味、营养益生价值、或肠道疾病治疗功能的乳酸菌种。

2.酸奶发酵的微生物生理学过程

普通酸奶发酵剂由保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus)和嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus) 组成。嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌的相对比例在1:1-2:1之间，通常为1:1。保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌之间存在共生现象(Mutualism)：保加利亚乳杆菌具有较强的蛋白水解活性，可在发酵初期分解酪蛋白而形成氨基酸和多肽以促进嗜热链球菌的生长；嗜热链球菌生长过程中产生的CO2、甲酸、丙酮酸等可刺激保加利亚乳杆菌生长。在发酵初期，嗜热链球菌生长快，发酵1h后与保加利亚乳杆菌的比例为3:1-4:1。当pH 值从6.5下降到5.5时，乳杆菌生长开始加快，而嗜热链球菌的生长由于乳酸的抑制作用逐渐减慢。当pH 值下降到5.0时，保加利亚乳杆菌主导酸奶的发酵。当pH 值下降到4.6左右时，酪蛋白开始凝聚，牛奶开始凝结，此时保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的数量相近。而酸奶在冷藏等后酸化(After Acidification) 过程中, 占优势的保加利亚乳杆菌继续发酵乳糖产酸(1)。

在酸奶发酵过程中, 保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌利用乳糖和部分氨基酸生成乙醛、丁二酮(双乙酰) 、乙偶姻、乙酸乙酯、异戊醇、丁酮和挥发性酸。酸奶中乙醛含量为10-15 ppm 时即呈现典型风味(1)。保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌共生过程中多糖类产量增加、黏度显著提高(7)。胞外多糖（Exo-Polysaccharides，EPS）是一种天然增稠剂，由微生物分泌到细胞壁外并渗于培养基中，或依附于微生物细胞壁而形成荚膜，也称为荚膜多糖(7)。

3.酸奶的凝固机理

酪蛋白是牛乳中蛋白的主要成分，牛奶中80%～95%的酪蛋白是以胶束形式存在的，包含94%的蛋白和6%的胶态磷酸钙(8)。酪蛋白是以含磷蛋白质为主体的蛋白质复合体，由αs1、αs2、β、κ-酪蛋白组成。酪蛋白胶束是由亚胶束通过疏水相互作用和磷酸钙胶粒连接在一起的。κ-酪蛋白具有疏水的N-端和亲水的C-端，其中C-末端不能与其他酪蛋白通过磷酸钙作用而使胶粒继续增长，因而使κ-酪蛋白在最外层形成了胶粒的“发层”（Hairy layer）或“聚电解质刷”(Polyelectrolyte brush)结构。

一般认为，胶粒能在牛乳中稳定存在是由于酪蛋白胶粒之间存在的静电排斥和空间位阻两种作用的共同结果。酪蛋白的等电点约为(pI)4.6，在牛乳中带有负的净电荷。因此胶粒间具有静电排斥作用，然而这并不是使酪蛋白稳定的决定性因素。κ-酪蛋白位于胶粒的表面。它的C-端具有亲水作用，使胶粒表面带有高度浓缩的水化层，当胶粒相互碰撞时，弹性水化层可以阻挡其相互靠近，即为空间位阻效应。随着pH 值的降低，胶束容积度降低，净电荷减少，空间斥力减小，Zeta电位绝对值降低，水化层变薄，促使酪蛋白桥联聚集的游离钙镁离子数量增多，从而使酪蛋白的稳定性降低。当pH 值在5.2 附近时，Zeta电位为零，酪蛋白开始聚集沉淀。pH 值4.6 时，酪蛋白所带的净电荷为零，产生最大聚集。当pH 值在3.8-4.3 时，酪蛋白带正电荷，但产生的静电斥力不足于使酪蛋白稳定，仍有绝大部分沉淀(8)。这一过程即为酸凝固过程。

另外自然界动植物和微生物中存在的凝乳酶也可导致牛奶凝固。奶酪加工过程中添加凝乳酶，主要是促使乳发生凝结，为排除乳中的乳清提供条件。凝乳酶的凝乳机理为：凝乳酶与酪蛋白结合，将κ-酪蛋白分子层部分水解，使α,β-酪蛋白失去胶体保护作用而成为副酪蛋白，并在游离钙存在的条件下形成“钙桥”，使副酪蛋白的微粒发生团聚作用而产生凝胶体-副酪蛋白钙(9)。凝乳酶主要水解κ-CN中的Phe105-Met106的肽键，生成κ-酪蛋白巨肽（κ-casein macropeptide）和副κ-CN；2）当足够的κ-CN被水解时，副κ-酪蛋白发生聚集形成三维网状凝胶，Ca2＋促发酪蛋白胶束聚集，进而引起酪蛋白胶束失稳并形成干酪凝块(10)。

参考文献

1.           徐成勇, 郭本恒, 吴昊, 夏宏钢, 诸葛健. 2004. 酸奶发酵剂和乳酸菌生物技术育种. 中国生物工程杂志 24:55-59.

2.           中国益生菌网. 2020.  可用于食品的菌种名单. http://www.133668.com.cn/htm/fagui/340.html.

3.           中国益生菌网. 2020.  可用于婴幼儿食品的菌种名单. http://www.133668.com.cn/htm/fagui/341.html.

4.           李银聪. 2011. 自然发酵酸牦牛奶的微生物区系及其抗氧化活性研究硕士学位论文. 重庆: 西南大学.

5.           丁武蓉. 2014. 青藏高原传统发酵牦牛奶中乳酸菌多样性及其益生功能研究. 兰州: 兰州大学.

6.           乔健敏, 李子健, 成立新, 凤英, 侯勇跃, 李蕴华, 岳林芳, 王莉梅, 张园园, 李星云. 2020. 内蒙古发酵酸乳制品中乳酸菌的分离鉴定. 畜牧与饲料科学 41:51-55.

7.           黄艳娜, 游春苹, 刘振民. 2016. 保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌相互作用的研究进展. 乳业科学与技术 39:25-28.

8.           赵正涛, 王秀菊, 安鑫, 李全阳. 2009. 酪蛋白和胞外多糖作用机理研究进展. 乳業科學與技術 32:246-248.

9.           朱玉英, 王存芳. 2015. 凝乳酶的发展及其在奶酪生产中的应用. 乳业科学与技术 38:25-28.

10.         杭锋, 洪青, 王钦博, 刘沛毅, 刘振民, 陈卫. 2016. 凝乳酶的研究进展. 食品科学 37:273-279.