酸奶发酵机理及后酸化控制措施

80 食品与发酵工业 Food and Fermentation Industries Vol 27 No．2 酸奶发酵机理及后酸化控制措施 郭清泉 张兰威 敢淑 英 (东北农业大学食品学院，哈尔滨 ，150030) 摘 要 招 了葭奶发酵过程 阜，乳酸茸代谢乳糖 的抗理及发 生的各种生理生化l厦应。葭 奶 在储藏过程 中，喜发生后酸化。基于 上杭理．重 舟绍 了黯上葭奶后酸化 的措施。 关键词 酰妍 后 酸化 发酵 近年来我 国酸奶产量 已达到 日产 500t 左右，随着人民消费水平和文明素质的进一 步提高，酸奶的产量正以年平均 25％的速度 增长。在不断增加花色品种、营养价值 的同 时，困扰酸奶生产的储存期短这一缺陷显露 出来，这在一定程度上影响了酸奶产业 的发 展 。 酸奶的保质期与 2方面因素有关。一方 面是酵母菌、霉菌的污染，造成酸奶鼓 盖，这 已经通过生产设备、生产工艺及卫生条件的 改善而逐步得到了控制 ；另一方面是酸奶的 风味变化，其中主要是酸味太重，影响了消费 者的 口感。这主要 由于后酸化造 成⋯。所 谓后酸化是指酸奶经正常发酵凝固后，在储 存、运输、销售过程中由于菌体仍继续生长繁 殖，发酵残余的乳糖产生乳酸．使酸奶 pH值 继续下降，以至出现消费者不可接受的重酸 味。 为有效解决 酸奶后酸化问题，需了解 酸 奶乳糖发酵机制，本文对此作一介绍．并提出 了控制措施。 1 酸奶发酵乳糖机制 乳酸菌发酵可分为同型乳酸发酵和异型 乳酸发酵，同型乳酸发酵乳糖只产生乳酸，异 型乳酸发酵乳糖除产生乳酸外．还生成 乙醇、 二氧化碳等物质。在酸奶制作中常用的箍氏 乳杆菌保加利亚亚种(保加利亚乳杆菌)和唾 液链球菌嗜热亚种 (嗜热链球菌)均为同型乳 第一作者 ：硬士研究生 。 收稿时间：2000一吡 一01，改回时间 ：2000—06 05 酸发酵 。图 1所 示是 乳酸菌代 谢乳糖 的途 径。乳糖是通过 2种不同的机制进入乳酸菌 细 胞 的。 第 1 种 机 制 是 通 过 透 膜 酶 (persease)系统 ；第 2种机制是通过群移位系 (group translocation system)[ 。 第 1机制 ：从大肠杆菌开始，许多细菌都 是用此系统，在酸奶制作中常用的保加利亚 乳杆菌和嗜热链球菌也是用此系统。乳糖通 过透膜酶的作用进入细胞 内，经 0．半乳糖 苷 酶的作用分解 为葡萄糖和半乳糖，其 中嗜热 链球菌和保加利亚乳杆菌优先代谢葡萄糖成 乳酸，而对游离型的半乳糖不能利用，其被排 除细 胞 外 或 转 化 成 高分 子 物 质——胶 糖 (gum)而蓄积起来。 第 2机制 ：分布在乳 酸乳球菌乳酸亚 种 (乳酸乳球菌)、干酪乳杆菌干酪亚种 (干酪乳 杆菌)等菌属 中。乳糖通过细胞膜上磷酸转 移酶 (phosphotransferase)作 用，经磷 酸化后 进入细胞内。6．磷酸乳糖经磷酸 半乳糖苷 酶的作用，分解 成葡 萄糖 和 6．磷酸半乳糖。 图 1所示前者经糖酵解系统，后者经 6．磷酸 塔格糖途径进行代谢。 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 (PFK)，其 被 ATP、柠檬 酸盐、Mg (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 (zymohexitse)，此 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 27卷 第 2期 郭清泉等 ：酸奶发酵机理及后酸化控制措施 81 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【 。 乳糖 半乳 乳酸 +能量 一o02 图 1 LB ST菌乳糖代谢机翩 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 半乳 糖苷酶最适温度是 50℃，最适 pH值为 7．0， 相对分子质量约为 159，000，其 活性在 55℃ 被完全 抑制，同时 也被金 属离 子 (如 地 、 Hg )所抑制L5 J。pH值 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 半乳 糖苷酶最适 温度 是 57℃，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 、Hgz 、Cu 所 抑制 。 2 后酸化控制措施 基于以上乳酸菌发酵乳糖机理，为了使 酸奶的感官质量能满足消费者 的需求，使酸 奶的保质期延长，目前国内外所采用的控制 方法主要有以下几种。 2．1 使用基因和人工诱变育种技术 在酸奶发酵剂制作过程 中。运用基 因工 程技术和人工诱变育种技术，生产在高温下 产酸能力强，低温下产酸能力弱(或根本不产 酸)的菌株作发酵剂。目前丹麦汉森公 司所 产的发酵剂在冷藏条件下发酵乳糖产酸能力 很弱，而国内因对乳酸菌的基因调控机制研 究的还不是很透彻，对乳酸菌的改性还停留 在人工诱变水平上，操作复杂，并且所得性状 均不能稳定遗传下去。 目前已发现乳酸菌的 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。藤 田等对 38株乳酸菌进行质粒分布调查，都检 出了质 粒．1个菌株有 1～12个种，分子质量约(1～ 80)×10 u，范围颇为广泛，这些质粒与遗传 性质有关，乳糖发酵性，磷酸转移酶系统的因 子一Ⅲ和酶 Ⅱ，磷酸 半乳糖苷酶及构成塔格 糖一6磷酸径路的 3种 酶的密码都编在质粒 上。最近对于乳酸菌遗传子水平的研究 日益 深入．现 已确定 了乳球菌 L13质粒 PUCL13 (54kb)的 xho 1片段 (4．4kb)中，有磷酸 B．半 乳糖苷酶密码遗 传子 的位置，并 已了解到该 遗传子的构造l2】。 2．2 采用巴氏杀菌、超高温杀菌等技术 酸奶发酵成熟后 ，采用巴氏杀菌、超高温 杀菌等杀菌技术对酸奶进行处理，得到无活 乳酸菌存在的酸奶制品。这虽然解决 了酸奶 的后酸化问题，但得到的巴氏杀菌酸奶和超 高温酸奶因不含有活菌而达不到国际乳品联 合会(IDP)对酸奶制品的要求(发酵乳制品 中需含 10 cPu／mL活菌数)。(中华人民共 和国行业)乳酸菌饮料(报批稿)中规定 ： 乳酸菌发酵制成的酸奶 饮料 中，乳酸菌的数 量需为 10 ～10。个／mL，这 样才能达到乳酸 菌在人体 内的生理学保 健功 能"J。所 以笔 者不建议使用这种方法来控制酸奶后酸化。 2．3 在酸奶发酵剂中调整保加利亚乳杆菌 和嗜热链球菌的比倒 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， 乳开始凝结。而当酸奶在冷藏过程 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 3．518J。所 以增加发酵 剂中球菌对杆菌 的比倒，可使酸奶后 发酵减 弱。 目前 已知保加利亚乳杆菌和 嗜热链球菌 之 间存在共生关系(见图 2)。其中 甲酸对保 维普资讯 http://www.cqvip.com 82 食 品与发酵工业 Food and Fermentation Industries 'Cot 27 No．2 加利亚乳杆菌的促进作用是 必需的，而丙酮 酸和二氧化碳不是必需的 J。近年来有研 究表 明。并不是 所有的保加利亚乳杆菌和 嗜 热链球菌的种之间都存在 良好 的共生关 系， 共生关系是否 良好与每个菌株的生长动力学 特异性有关。保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌 的最适生长温度对这两种菌的共生关系影响 很小．嗜热链球菌在 35～42℃这一温度范围 内生长的都很好，而培养温度能影响球／杆菌 之间的比例，嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌 的最优生 长温 度要 比最 适产 酸温度 低 2～ 8℃n 。]orriani研究表明。球菌与杆菌之间 的比例为 1．5：1，所生产的酸奶质量是 最优 的_1 。所以增加球菌对杆菌的比倒．改变传 统发酵剂中嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌 l ：1的比例，有助于促进这两种菌维持更好的 共生关 系，使发酵时间缩短，后酸化减弱。 (二氧化碳 ：二： 图2 嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌共生关系示意图 标记 ：产生(— — ) 促进 ( ) 抑制(⋯ ) 2．4 通过添加外来物控制菌的生长和产酸 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 (A )，A 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 。A 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。其表 示微生物所能实际利用的水分量 。B 等报 道，在酸奶制作中添加 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[ j。Trarar证 实蔗糖浓度 对保加利亚乳杆菌的抑制作用要 比嗜热链球 菌强，即保加利亚乳杆菌对水分活度的下降 更敏感，而且乳中总固体成分(乳固体加上添 加固体)对抑制作用的影响要比单纯糖的影 响强[¨一。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 A 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 A ，的下降也可以改变球菌与杆菌的比 例[1 。 2．5 改变细胞膜的通透性 在低乳糖乳 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 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，菌种有保持其体 内细胞质酸碱度 在 近中性条件下的能力 (pH值在 7．5～6．O)， 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 茵细胞的新陈代谢有间接的影响．而乳酸苗 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 DH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值还髓维持在 中性附近，而 当 介质 pH值 在 3．5时，菌体 内 pH值 在 4．4。 这 时 其 新 陈代 谢 活 动 才 受 到 抑 制“ 。 Robert研究发现，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(r,pH)， △pH值的形成是维持乳酸菌动态平衡和新 陈代谢的物质基础n”。它提供了质子动力， 可以影响阳离子转移、氮基酸和肽的转移、细 胞 DNA分子的摄取和乳酸菌的蛋白分解能 力。近年来 有研 究表 明，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 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 27卷 第 2期 郭清泉等：酸奶发酵机理及后酸化控制措施 83 酸菌细胞膜通透性 增加，使分泌到细 胞外 的 中的应用将越来越广。 X @ ～ -~ ． ． g ．墨 曼璺苎 l体l内：堡堕竺 Lp 参考文献 值下降 ． 从而使乳酸菌停止生长和产酸，这样 一 ’ 。 。 就达到了防止后酸化的目的。但通透剂的用 1 柬滨华，马*胜等 ．黑龙江商学院学报， 量 席 严格 掌 挥 1997，13(1)：11～16 素来控制酸奶后酸化 卫生 垩凳袭 乳酸菌与人类健康·北京：人民 近年来，有人把乳酸链球菌素、丙酸杆菌 3 LiviaAlm．J．Dairy Sci，1982，65(4)：515～ 耋 要譬 妻耋、璺竺苎竺 苎 52。 多伊尔 w著．细菌的新陈代谢．北京： 应用到酸奶制作中 ， 成功的抑制了酸奶的后 科学 ， ” 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 酸化。其中乳酸链球菌素(nisin)是国际上允 5 Iton T。0ha TdbB T，Ad且chi S．Milch s一 许应 用到 食 品 中 的 防腐 剂。在 奶 中添 加 sensc]~aftt1980(35)：593 nisin，然后接种 菌到乳 中并直到凝 固。nisin r㈣ R ，Du M· ·D ry sd ， 。 抑制了乳酸菌的繁殖，并降低了总菌数，延长 7 刘名厚，王丹 ．中国乳品工业，1992(1)：16 了发酵时间．但 只要选择合适的剂量和适 当 8 WeinbrennerDR，Baretoot SF，GfinateadD 霎 方 ： ! 酸奶 菌数 国 毗 血 家标准．又能抑制 酸奶 的后酸化．延长保质 cngtiIlaM J ． Dairy Sci．，1991，74(9) ：2850～2854 期，提高酸奶的风昧 。 目前有人提 出用一 10 Ra~．ke—Mitehdl ，S乱ad ne W E．J． 种无毒酸溶介质将乳 酸菌细菌 素包裹起来， Da Y Sc ·， 86，69(10)：2558～2568 然后在添加发酵剂之前添加到奶中，当乳发 0na11 l Da Jo ．珂 rria J n ou i 】 E。h 。 酵达到一定酸度时，酸溶介质被破坏，细菌素 12 Raul F Lars Mari”血tina An on_J． 释放出来，从而抑制酸奶过度产酸。 Food·Sci·，1989，54(4)：917～921 此外，还有超高压技术、声处理 、微波处 1 7n ～ 13 1 7 B 7 ill。D D l·J·D ’ sd’， ( )： 理、发酵完成后快速冷却、冻藏等方法。这里 14 _ra A Y，D th H C．J．F。od P ．， 不再一一介绍。 1980(43)：939～945 通过以上种种控制措施，可以达到抑制 l91 9 5 8( 盖 “ Mi 一 或阻止酸奶后发酵 的作用，从而达到 延长保 16 R。ben W Hutkins．N ncy L Nan ． 质期的目的。在以上控制措施中，笔者认 为． J．DairySCi．，1993，76(8)：2354~2365 苎量 技 产 登力 1 7⋯Ko nin，g z 川M 弱的菌株 ，是解决酸奶后酸化 问题 的最好方 18 h触 P c ． J．M br． ．：1982，(67)：1 法。可以预见，生物工程技术在发酵乳制 品 19 Bayoumi S．Chem．Mikrobio1．Technol The M eehanism of Ferm entation of Yogurt and the W ays Avoiding Postacidification GUO Qingquan Zhang Lanwei Lin Shuying (College of Food Science，Northeast Agriculture University，Haerbin，150030) ABSTRACTS The paper introduces the meehanism tha t lactic acid bacteria call ferment lactose into lactic acid during manufacture and storage of yogurt Thus reason of postacidification of yo— gurt occured during 。tage is revealed．And the ways that can avoid pc~tacidification&re described． Key words yogurt，口0stac；d击cati0n，fermentation 维普资讯 http://www.cqvip.com