王 磊

（上海乳业生物工程技术研究中心，乳业生物技术国家重点实验室，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海 200436）

近年来，乳品市场规模不断扩大，2022年预计将达5 000 亿元。截至2022年11月份，我国乳制品产量2 848.9 万t，同比增长2.8%，前三季度较2021年同期相比增速放缓[1]。随着消费者健康意识的不断提高，愈发重视乳品的品质和营养。新的消费趋势带给了乳品企业更多的发展机遇。

膜技术在乳品工业中有广泛应用，其具有操作简单、能耗低、效率高等特点，且加工温度低，对乳品中的营养元素和热敏成分破坏较少[2-3]。以压力为推动力的膜根据可截流的相对分子质量大小，将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜及反渗透膜[4]，在乳品中应用最广。微滤膜主要应用于除菌[5-6]、蛋白分级[7-8]和脂肪分级[9-10]，超滤膜主要应用于浓缩蛋白[11]，纳滤膜主要应用于脱盐[12-13]和去除乳糖[14-15]，反渗透膜主要应用于干物质的浓缩[16]。

膜技术虽已在乳品工业中具有广泛应用，但发酵前膜处理对发酵造成的影响却鲜有研究。发酵前膜处理能够直接、灵活地对牛乳进行物理组分改变，避免了发酵后因酸乳浓稠的质地而限制膜应用的情况，因此具有更广泛的应用场景。本研究通过对市售的膜处理物理浓缩高蛋白牛乳、膜处理物理去乳糖牛乳进行发酵，同时以普通巴氏杀菌乳及乳品工业化生产风味发酵乳时一般需要额外添加白砂糖2 种牛乳作为对照，评估市售膜处理牛乳发酵后的差异性，旨在为行业新产品开发提供理论依据及数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

未经膜处理的市售牛乳1为巴氏杀菌乳（蛋白含量3.1 g/100 mL、脂肪含量3.5 g/100 mL、碳水化合物含量4.8 g/100 mL，配料为生牛乳）、经过超滤及纳滤处理的市售牛乳2（蛋白含量5.3 g/100 mL、脂肪含量4 g/100 mL、碳水化合物含量3.4 g/100 mL，配料为生牛乳、乳糖酶）、经过超滤处理的市售牛乳3（蛋白含量6.0 g/100 mL、脂肪含量1.5 g/100 mL、碳水化合物含量6.5 g/100 mL，配料为生牛乳） 上海市内超市；Fast 1.0发酵菌种丹尼斯克（中国）有限公司；白砂糖 广西上上糖业有限公司；葡萄糖标准品（纯度≥99.5%）、乳糖标准品（纯度≥99.5%） 美国Sigma公司。

1.2 仪器与设备

TE 612-L电子天平 德国Sartorius公司；iCinac酸化监控仪 法国KPM分析集团；WNB45恒温水浴锅北京五洲东方科技发展有限公司；PHS-25数显pH计上海理达仪器厂；3-18KS冷冻离心机 北京博劢行仪器有限公司；303A-2电热恒温培养箱 美墨尔特（上海）贸易有限公司；IKARW20高速搅拌机 德国IKA公司；TA.XT Plus质构分析仪 英国Stable Micro Systems公司；1200高效液相色谱仪 美国安捷伦科技有限公司；安东帕MCR302流变仪 奥地利Anton Paar公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

市售牛乳1、市售牛乳2、市售牛乳3分别经水浴加热至95 ℃保温5 min，随后立即冷却至42 ℃，加入Fast 1.0发酵菌种（添加量1×106CFU/mL），并在42 ℃下发酵，以pH 4.6为发酵终点[17]，分别制得对照组、NF组、UF组酸乳。

市售牛乳2预热至40～45 ℃，加入6 g/100 mL白砂糖，混合5～10 min，经水浴加热至95 ℃保温5 min，随后立即冷却至42 ℃，加入Fast 1.0发酵菌种（添加量1×106CFU/mL），并在42 ℃下发酵，以pH 4.6为发酵终点，制得T组酸乳。

1.3.2 发酵时间的监测

用酸化监控仪监测对照组、NF组、UF组、T组酸乳的发酵时间。发酵前对酸化监控仪的pH探头进行校准。发酵过程中每隔5 min读取一次样品pH值。

1.3.3 发酵前后糖类含量的变化

根据GB 5009.8—2016《食品安全国家标准 食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖的测定》[18]，采用高效液相色谱法测定市售牛乳1、市售牛乳2、加白砂糖后未发酵的市售牛乳2、市售牛乳3，以及对应酸乳的乳糖、葡萄糖及蔗糖含量。乳糖消耗量、乳糖消耗率、乳糖和蔗糖发酵时转化成葡萄糖的含量、葡萄糖消耗量及葡萄糖消耗率分别按照式（1）～（5）计算。

式中：L0为发酵前乳糖含量/（g/100 g）；L1为发酵后乳糖含量/（g/100 g）。

式中：L为乳糖消耗量/（g/100 g）；Mg为葡萄糖相对分子质量（180.6）；Ml为乳糖相对分子质量（342.3）；S0为发酵前蔗糖含量/（g/100 g）；S1为发酵后蔗糖含量/（g/100 g）；Ms为蔗糖相对分子质量（342.3）。

式中：G为发酵前葡萄糖含量/（g/100 g）；G0为葡萄糖转化含量/（g/100 g）；G1为发酵后葡萄糖含量/（g/100 g）。

1.3.4 发酵后样品动态黏度特性测定

将酸乳样品在10 ℃下保持30 min，采用流变仪分析10 ℃、0.1～300.0 s－1剪切速率下与黏度的关系，取前100 个点的数据。

1.3.5 发酵后样品质构测定

用质构仪测定酸乳的质构特性。参考沈壮[19]的方法并加以改进。采用TPA模式，探头型号为A/BE d40，探头速率5.00 mm/s，探头2 次测定间隔时间5.00 s，测定距离5 mm，触发力5 g。

1.3.6 发酵后样品乳清析出率测定

称取破乳后的样品25 g，10 ℃、2 000×g离心15 min后去除上层乳清，称量剩余样品质量，乳清析出率按照式（6）计算[20]。

式中：m0为初始样品质量/g；m1为剩余样品质量/g。

1.4 数据处理

质构数据利用Exponent软件处理；使用SPSS 22软件对实验数据进行单因素方差分析及显著性分析；采用Origin 8.5软件和Excel软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 膜处理牛乳发酵时间的差异性

由图1可知，在达到发酵终点pH 4.6时，4 种牛乳发酵时间分别为对照组（367.00±2.89） min、NF组（430.00±5.00） min、T组（480.00±5.00） min、UF组（523.00±10.41） min，其中NF组、T组、UF组酸乳所用牛乳原料均是通过超滤浓缩将蛋白含量提高，使得发酵时间大幅延长。UF组比NF、T组的蛋白含量更高，发酵时间更长。这表明利用物理膜处理提高牛乳中蛋白含量将延长发酵时间，且蛋白含量越高，发酵时间越长。Moineau-Jean等[21]对蛋白含量4.0、10.6 g/100 mL的牛乳进行发酵，结果发现，蛋白含量10.6 g/100 mL的牛乳发酵时间比蛋白含量4.0 g/100 mL的牛乳延长10 h。Marini等[22]认为可能是由于超滤后高含量蛋白及其他组分起到了缓冲作用。

图1 4 种牛乳发酵时间曲线Fig. 1 pH changes during fermentation of four types of milk samples

2.2 膜处理牛乳发酵后糖类代谢的差异性

由表1 可知， N F 组发酵前葡萄糖含量为1.10 g/100 g，表明该牛乳中并非所有的乳糖都被纳滤去除，而剩余未被分离的乳糖则被乳糖酶降解成葡萄糖。王玉堂等[23]对牛乳进行纳滤并优化了过滤参数，乳糖截流率为92.4%，即仍有部分乳糖残留。另外，对比对照组及UF组可知，通过超滤浓缩一定程度上可以提高发酵前的乳糖含量，Valencia等[24]对发酵前的牛乳进行3 倍超滤浓缩，乳糖含量大约浓缩1 倍。结合表2来看，由于发酵前乳糖含量的提高，乳糖的消耗量及消耗率也进一步增加，即发酵乳酸菌将乳糖转化成了更多的葡萄糖。通过对比NF组与对照组、UF组可知，由于纳滤去除了部分乳糖，导致葡萄糖的消耗量及消耗率大幅下降，消耗率仅为32.73%，即使如T组样品添加了外源蔗糖，提高了部分葡萄糖含量，与未经纳滤处理的牛乳相比消耗程度也相差较大。

表1 4 种牛乳样品发酵前及发酵后葡萄糖、乳糖及蔗糖含量Table 1 Glucose, lactose and sucrose contents of four types of milk samples before and after fermentation g/100 g

表2 葡萄糖转化含量、葡萄糖、乳糖消耗量及消耗率Table 2 Conversion and consumption rate of glucose and consumption rate of lactose

2.3 膜处理牛乳发酵后黏度的差异性

由图2可知，4 种酸乳样品总体表现出随着剪切速率变大黏度逐渐变稀的趋势，均为假塑性流体。在整体上，经过膜处理后的高蛋白样品黏度显著高于普通牛乳黏度，这是由于较高的固形物含量提高了酸乳持水性及凝胶强度，降低了脱水收缩效应[25]。而在3 种膜处理牛乳发酵后的样品中，黏度从高到低依次为NF组＞T组＞UF组，前2 种酸乳黏度较高可能是因为加入了乳糖酶使得少部分乳糖转化成葡萄糖，在发酵早期即可直接被乳酸菌利用产生胞外多糖[26]。在剪切速率10 s－1左右时出现黏度上升，随后下降，可能是由于在该检测温度（10 ℃）下酸乳凝胶网络仍在不断形成，凝胶强度仍在增强，而受到的剪切强度还较弱，因此曲线出现短暂上升趋势。而随着剪切速率不断增加，导致凝胶网络被破坏，黏度开始下降。从黏度的变化率来看，经膜处理的酸乳样品随剪切速率变大，黏度变化较大，表明膜处理的酸乳抗剪切能力较差，一定程度上不利于工业化生产时管道的运输。而普通酸乳黏度变化较小，抗剪切能力相对较佳。

图2 4 种酸乳样品黏度曲线Fig. 2 Viscosity-shear rate curves of four types of yogurt samples

咀嚼、吞咽食物时剪切速率一般为10～100 s－1[27]。在该剪切速率区间，经过膜处理的牛乳由于发酵后初始黏度高，在咀嚼时会产生醇厚、黏口感觉，风味释放缓慢。伴随咀嚼加快，黏度将快速下降，风味突然释放，带来风味冲击。普通酸乳在咀嚼时黏度变化较小，口感会相对清爽，风味释放也更加缓慢。

2.4 膜处理牛乳发酵后质构的差异性

酸乳的质构可以反映酸乳发酵特性及品质，同时也是判断消费者不同喜好度的重要指标。由表3可知，4 种酸乳的硬度基本与黏度呈正相关，这可能与发酵时形成了更致密的网络结构有关[28]，而超滤的使用去除了体系中的部分游离水，造成酪蛋白及乳清蛋白进一步的相互聚集，导致凝胶结构更坚实，凝胶强度更大[29]。硬度的提高也反映了咀嚼性的增强。膜处理提高了发酵黏度，造成流动性下降，使得样品黏度上升，而外源糖的加入使得黏性大幅下降。内聚性反映蛋白连接的强弱程度[30]。膜处理后的酸乳内聚性均高于未经膜处理的样品，可能是由于超滤处理增强了热杀菌时蛋白质的分子运动，促进了乳清蛋白和κ-酪蛋白之间的共价相互作用，从而提高了内聚性[29]。

表3 4 种酸乳样品的质构测定结果Table 3 Texture properties of four types of yogurt samples

2.5 膜处理牛乳发酵后乳清析出率的差异性

结合图2及图3可知，乳清析出率与发酵后黏度成正比，即黏度越高，乳清析出率越低，持水性越差。在发酵时酪蛋白与变性的乳清蛋白形成致密的网络结构，将乳清包裹住，网络结构越致密，黏度越高，持水性越强[31-32]。对比T组与NF组，添加外源糖的T组比NF组的总固形物含量更高，因此其乳清析出更少，持水性更强。

图3 4 种酸乳样品的乳清析出率Fig. 3 Whey syneresis of four types of yogurt samples

3 结 论

通过研究发现，经过膜处理的牛乳由于物理浓缩使得蛋白含量升高，相比未经膜处理的牛乳，发酵时间、发酵后黏度、持水性、硬度和咀嚼性均显著提高。但过长的发酵时间将削弱酸乳的持水性，经膜处理牛乳发酵后抗剪切性更差。对比超滤及纳滤2 种不同工艺处理的牛乳可知，经纳滤处理的牛乳发酵后葡萄糖的消耗量及消耗率大幅下降，消耗率仅为32.73%，即使添加了外源蔗糖，与未经纳滤处理的牛乳相比消耗程度也相差较大。因此，在利用发酵前膜处理工艺时，需严格控制膜浓缩倍数，防止发酵时间过长及稳定性不佳的风险。此外，采用纳滤处理时将造成乳糖的流失，影响发酵，且添加外源糖也无法弥补这一缺陷，因此发酵前不建议采用纳滤处理工艺。

在本研究的基础上，仍可进一步探讨膜处理工艺参数优化，将多种膜处理工艺组合，结合发酵特性，针对不同类型乳制品筛选出最佳制备工艺。