“酸奶”后酸化的机理及控制措施

“酸奶”后酸化的机理及控制措施(组图)2006/4/10/16:27 来源：光明乳业股份有限公司技术中心 作者：徐成勇酸奶是乳制品中的重要部分，因其风味独特、营养价值高以及对人体健 康有特殊的生理作用，从而倍受人们青睐。特别是近几年，随着我国人民消费水 平和文明素质的提高，酸奶产量以年平均 25%的速度增长，已经成为我国第一大 发酵乳制品，是最具盈利和发展潜力的产业。酸奶是含活菌的乳制品，正 常发酵结束后，在产品贮存、运输、 销售、食用前这一过程中，菌体仍要 生长繁殖，发生后酸化现象(postacidification)，即酸奶的 pH 值继续下降，以至出现消费者不可接 受的过酸味及感官质量下降。酸奶后 酸化现象导致的结果是酸奶无法长期 贮存，酸奶贮存期短的缺陷困扰着酸酸奶后酸化的机理酸奶后酸化是酸奶正常发酵后，在贮存、运输和销售过程中，虽然环境 温度比较低，但是菌体仍然能够利用残存的乳糖进行缓慢发酵，从而继续产生乳 酸，使得酸奶的酸度继续升高。积累到一定程度后，产生的过酸味让消费者无法 接受，失去作为商品的价值。乳糖的发酵机理正常牛奶的乳糖成分接近常数，约为4.8%-5.2%，以乳糖水合物形式 存在。乳糖是牛奶发酵时乳酸菌生长的能源。在酸奶制作过程中常用的保加利亚 乳杆菌和嗜热链球菌均进行同型乳酸发酵，发酵乳糖时只产生乳酸。乳糖通过透膜酶的作用进入细胞内，经B-半乳糖苷酶的作用分解为葡 萄糖和半乳糖。保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌优先代谢葡萄糖成乳酸，而不能利 用游离型的半乳糖。半乳糖被排除至细胞外或者转化成高分子物质胶糖而蓄积起 来。乳酸菌代谢葡萄糖的糖酵解途径(EMP)的关键酶是磷酸果糖激酶(PEK), 其被ATP、柠檬酸盐、Mg2+(较小浓度)所抑制，能被NH4+、K+、无机磷和6-磷 酸果糖所激活。柠檬酸盐与ATP是协同作用的，能彼此降低另一种物质的抑制常 数。EMP途径的第二个关键酶是醛缩酶(zymohexase)，此酶能被螯合剂(EDTA)所 抑制，金属离子可降低抑制作用。另外，EMP途径中己糖激酶(HK)、磷酸果糖激 酶(PFK)、丙酮酸激酶(PK)所催化的反应是3个限速步骤。另外，在乳糖发酵过程中，B-半乳糖苷酶的性质非常重要。保加利亚 乳杆菌的B -半乳糖苷酶最适温度是50C，最适pH值为7.0，相对分子质量约 为159,000,其活性在55C被完全抑制，同时也被金属离子(如Ag+、Hg2+)所抑 制。pH值为3.5时，此酶的活性非常低，表现为乳糖不能被利用。嗜热链球菌 的B -半乳糖苷酶最适温度是57C，最适pH值为6.6-7.0，相对分子质量约为 600,000，其活性被金属离子Ag+、Hg2+、Cu2+所抑制。保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的生长特点和产酸特点酸奶生产中常用的发酵剂是保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的混合物。这 种混合物在42-43C牛奶中发酵5-6小时即可达到所需的凝乳状态与酸度。而上 述任何一种单一菌株的发酵时间都在 10 小时以上，这是因为保加利亚乳杆菌和 嗜热链球菌之间存在共生现象。保加利亚乳杆菌比嗜热链球菌的蛋白水解力强，而且混合培养后蛋白水 解力几乎高于单一菌株培养时的蛋白水解度。保加利亚乳杆菌在发酵初期分解牛 奶中的酪蛋白而形成氨基酸(主要是缬氨酸)和多肽，促进了嗜热链球菌的生长， 因为嗜热链球菌的蛋白水解力比较弱，对蛋白质的利用率有限。随着嗜热链球菌 的增加，乳酸度也随之增加。随着乳酸度的增加，又抑制了嗜热链球菌的生长。在嗜热链球菌生长过 程中乳脲活动产生CO2，刺激保加利亚乳杆菌生长。伴随着CO2的产生，脲释放 出氨作为微弱的缓冲剂。嗜热链球菌产生的甲酸(一部分可能由牛奶热处理产生) 也促进了保加利亚乳杆菌的生长。单独用嗜热链球菌接种牛奶发酵时，滴定酸度 较低，pH值较高。在发酵初期，嗜热链球菌生长快，发酵 1 小时后与保加利亚乳杆菌的比 例为(3-4):1。在随后的阶段，嗜热链球菌的生长由于乳酸的抑制作用缓慢下来， 保加利亚乳杆菌的数量也逐渐与嗜热链球菌数量相近。在发酵初期，由于氨基酸的促进作用，嗜热链球菌增殖活跃，繁殖速度 比保加利亚乳杆菌快；而后期保加利亚乳杆菌增殖活跃，繁殖速度比嗜热链球菌 快。发酵初期，主要是嗜热链球菌产酸，而后期主要是保加利亚乳杆菌产酸。 嗜热链球菌产酸缓慢，能在牛奶中形成荚膜和粘质物，荚膜和粘质物对维持酸奶 的硬度有重要作用。保加利亚乳杆菌细胞壁或细胞膜对乳糖酶活性有保护作用，造成了酸奶 制品在贮存过程的酸性条件下乳糖酶仍有较大活性，继续发酵乳糖产生乳酸导致 了后酸化现象发生。保加利亚乳杆菌是导致酸奶制品发生后酸化的主要菌，是保 加利亚乳杆菌细胞壁或细胞膜的性质保护了细胞内乳糖酶所处介质的pH值与细 胞外pH值不一致，从而使乳糖酶活性受到的影响小。酸奶发酵过程中杆球菌数量的变化曲线酸奶后酸化的控制措施在2000年时，由于酸奶后酸化现象的存在，使酸奶的保质期在5C条 件下只有7天左右。要控制酸奶后酸化，关键在于既要保持酸奶中乳酸菌的活性， 又要降低乳酸菌在2-6C条件下的产酸能力。在酸奶发酵剂中调整保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的比例在酸奶发酵剂中，调整保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的比例，增加球菌 对杆菌的比例。酸奶在发酵过程中，首先快速生长的是嗜热链球菌。当pH值从 6.5下降到5.5时，保加利亚乳杆菌的生长开始加快，而嗜热链球菌的生长逐渐 减慢；当pH值下降到5.0时，保加利亚乳杆菌控制了酸奶的发酵。当pH值下降 到4.6左右时，酪蛋白开始凝聚，牛奶开始凝结。而酸奶在冷藏过程中，占优势 的保加利亚乳杆菌继续发酵乳糖产酸，使酸奶的pH值下降到3.5。所以，增加 发酵剂中球菌对杆菌的比例，可使酸奶后发酵减弱。丹麦丹尼斯克（Danisco）公司的MY900酸奶发酵剂中的嗜热链球菌对保 加利亚乳杆菌的比例可达1000左右（见图1）,发酵的酸奶在保质期内球杆菌比 例为100左右（见图2）。这种酸奶发酵剂就是通过提高球杆菌比例来抑制酸奶 后酸化现象。过添加外来物控制乳酸菌的生长和产酸在酸奶制作过程中，经常要添加蔗糖、葡萄糖等物质。而这些物质的添 加，改变了乳酸菌所能利用的水分活度值，水分活度值通过改变酶反应动力学参 数和诱导底物结构发生变化来影响酶活性，进而影响菌体的生长和产酸能力。水 分活度值定义为食品中所含水分的蒸汽压与相同状况下纯水蒸汽压之比，表示微 生物所能实际利用的水分量。据报道，在酸奶制作过程中添加4%的蔗糖可以抑制乳酸菌生长和产酸, 而蔗糖浓度超过8%时，乙醛的合成下降。蔗糖浓度对保加利亚乳杆菌的抑制作 用要比嗜热链球菌强，也就是说，保加利亚乳杆菌对水分活度的下降更敏感，而 且牛奶中总固体成分对抑制作用的影响要比单纯糖的影响强。因为酸奶的后发酵主要是保加利亚乳杆菌在酸性条件下继续产酸造成 的，所以可以通过使水分活度的下降来使其生长减慢，这样也使酸奶后酸化程度 减轻。另外，水分活度的下降也可以改变球菌对杆菌的比例，从而使酸奶后发酵 减弱。改变细胞膜的通透性在低乳糖牛奶的生产过程中，已应用化学诱变剂（如乙醇）来改变乳酸菌 细胞膜的通透性，从而增加B-半乳糖苷酶的活力，进而提高了乳糖的水解度。 酸奶发酵剂所用菌种在正常生长条件下，菌体内pH值与周围pH值不同，菌种有 将其体内细胞质酸碱度保持在近中性条件下的能力（pH值为7.5-6.0），这样有利 于菌体进行正常的新陈代谢和各种酶反应。有研究表明，介质的pH值对乳酸菌细胞的新陈代谢有间接的影响，而 乳酸菌细胞质的pH值对新陈代谢活动有直接影响。在酸奶发酵过程中，由于周 围介质的pH值不断下降，保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的细胞膜受到酸侵害， 其通透性改变，导致体内pH值也随之下降，从而抑制了乳酸菌的正常生长和代 谢。而保加利亚乳杆菌对酸的敏感性较差，在介质pH值为4.0-4.5时，其细胞 内pH值还能维持在中性附近；而当介质pH值为3.5时，菌体内pH值为4.4， 这时其新陈代谢活动才受到抑制。乳酸菌能保持pH值的动态平衡。菌体内糖酵解生成的乳酸经细胞膜的调节蛋白而分泌到菌体外，而细胞 外的质子和乳酸盐分子却不能渗透到正常的细胞膜内，这样就形成了一个pH值 梯度差，pH值梯度差的形成是维持乳酸菌动态平衡和新陈代谢的物质基础。它 提供了质子动力，可以影响阳离子转移、氨基酸和肽的转移、细胞DNA分子的摄 取和乳酸菌的蛋白分解能力。乳酸菌的这一 pH值动态平衡与质子转位子ATP酶 的活性有关。在酸奶发酵成熟后，采用某种技术使乳酸菌细胞膜通透性增加，使分泌 到细胞外的乳酸与氢质子能渗透到菌体内，使菌体内pH值下降，从而使乳酸菌 停止生长和产酸，这样就达到了防止酸奶后酸化的目的。直投式菌种发酵酸奶保质期内球杆菌数量通过细菌素来抑制酸奶后酸化将乳酸链球菌素、丙酸杆菌素和短杆菌素等细菌素应用到酸奶中，能抑 制酸奶后酸化。乳酸链球菌素(nisin )是国际上允许应用到食品中的防腐剂，中 国于1990年批准使用。乳酸链球菌素是一种多肽，人体内的酸可将其降解，从而被消化，其对 人体无害，而且与其它抗生素无交叉抗性；乳酸链球菌素对食品的色、香、味等 口感不产生副作用；使用乳酸链球菌素时可以降低杀菌温度，减少热处理时间； 乳酸链球菌素在酸性条件下热稳定性强。在牛奶中添加乳酸链球菌素，然后接种到牛奶中并发酵至凝固。乳酸链球菌素抑制了乳酸菌的繁殖，并降低了总菌数，延长了发酵时间，但只要选择合 适的剂量和适当的添加方式，就可以一方面使酸奶中的活菌数达到国家标准，另 一方面又能抑制酸奶后酸化，延长保质期，提高酸奶风味。据报道，添加40 IU/mL的乳酸链球菌素到酸奶中，能够将酸奶后酸化推迟3天，且活菌数保持在107以上，同时酸奶的感官质量良好。通过育种技术来筛选低温下弱产酸菌株在酸奶发酵剂生产过程中，可通过育种技术筛选在高温条件下产酸较 强、在低温条件下基本不产酸的菌株作为发酵剂。据报道，乳酸菌的乳糖发酵性 能、蛋白分解性能和产生风味物质的性质都是通过质粒遗传的。丹麦汉森(Chr. Hansen)公司近年推出LABS发酵剂(YF-L812、 ST-BODY-3、LA-5和BB-46),能够在37C条件下发酵酸奶，在冷藏条件下(2-6C) 产酸甚微，酸奶保质期能够延长至25天。结束语：控制酸奶后酸化的措施虽然有很多种，但最好的方法是选育在 高温条件下产酸较强、在低温条件下产酸甚微的菌株作为发酵剂。一旦筛选出高 质量的发酵剂，在酸奶生产过程中就操作简单、成本较低，而且酸奶质量稳定。我国拥有丰富的乳酸菌资源，完全可以不断筛选出更好的功能 性生产菌株。中国拥有年销售额上百亿人民币的酸奶市场，但是酸奶发酵剂这一 酸奶发酵的源头却掌握在西方国家的手里，也就是说，酸奶品质的关键控制点掌 握在西方国家的手里。这种行业性问题的解决，尚需要政府有关部门的政策支持 和资金扶持。