牛奶在食品工业中的应用：奶酪、酸奶等衍生产品的加工原理

蛋白质的变性/凝固、微生物发酵（乳酸菌为主）以及水分控制这三大核心。

一、 核心加工原理概述

蛋白质的变性/凝固：

• 酸凝固： 通过乳酸菌发酵产生的乳酸或其他添加的酸（如柠檬酸、醋酸），降低牛奶的pH值至酪蛋白的等电点（约pH 4.6）。此时，带负电荷的酪蛋白胶束失去静电斥力，与水分子结合的能力也下降，导致胶束聚集形成凝乳。
• 酶凝固： 利用凝乳酶（主要成分是凝乳酶）特异性切断κ-酪蛋白分子的亲水端（巨肽段），破坏酪蛋白胶束的稳定性，使其在钙离子存在下聚集形成坚实的凝块。这是大多数硬质、半硬质奶酪的关键步骤。
• 热凝固： 高温加热可使乳清蛋白变性并与酪蛋白相互作用，形成更致密的凝胶结构（如一些热处理的酸奶或某些奶酪的预热处理）。

微生物发酵（乳酸发酵）：

• 核心作用菌： 主要是乳酸菌，如：
  • 奶酪： 乳酸乳球菌、乳酸链球菌、嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、瑞士乳杆菌、各种干酪乳杆菌等。
  • 酸奶： 保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌（通常协同作用）。
• 发酵过程： 乳酸菌将牛奶中的乳糖分解为乳酸。
  • 降低pH值（酸化）：这是酸凝固和抑制杂菌生长的关键。
  • 产生风味物质：如乙醛（酸奶特征风味）、双乙酰（奶油风味）、各种有机酸、二氧化碳等。
  • 产生质地：酸度影响蛋白质结构和凝胶强度。
  • 产生功能性物质：如胞外多糖（增加粘度、改善质地）、某些维生素、细菌素（抑菌）等。
  • 益生作用： 部分菌株具有益生功能（主要在酸奶和一些新鲜奶酪中）。

水分控制：

• 关键区别： 不同奶制品最终质地的差异很大程度上取决于其水分含量（或固形物含量）的控制。
• 方法：
  • 切割/搅拌/加热/压榨（奶酪）： 排出乳清，显著降低水分含量（从牛奶的约87%降至硬质奶酪的30-40%）。
  • 过滤/离心（酸奶）： 如希腊式酸奶或冰岛式酸奶，通过额外过滤去除部分乳清，提高蛋白质和固形物含量，得到更浓稠的质地。
  • 浓缩（炼乳/奶粉）： 通过蒸发或膜技术去除大量水分。
  • 不额外去除（普通酸奶/部分新鲜奶酪）： 依靠发酵形成的凝胶网络自然持水。

二、 主要衍生产品的加工原理详解

奶酪 (Cheese)

• 基本原理： 通过凝乳酶和/或乳酸发酵促使牛奶中的酪蛋白凝固形成凝块（凝乳），然后通过切割、加热、搅拌、压榨、加盐等一系列操作排出乳清，最后经过熟化（成熟） 过程（部分品种不需要），在微生物和酶的作用下发展出独特的风味、质地和外观。
• 关键步骤与原理：
  • 原料奶标准化/预处理： 调整脂肪含量，巴氏杀菌（或使用生乳）杀灭致病菌。
  • 发酵剂添加： 加入特定乳酸菌（发酵剂），开始产酸（降低pH）。
  • 凝乳：
    • 酶凝乳（主要）： 添加凝乳酶（或胃蛋白酶等代用酶），在钙离子存在下，酶切酪蛋白导致凝固。形成的凝块坚实有弹性。
    • 酸凝乳（如农家干酪）： 主要依靠乳酸菌发酵产酸至等电点凝固，或添加食用酸。形成的凝块较脆弱。
  • 切割： 用“竖琴刀”将凝块切成小立方体颗粒。颗粒大小影响最终奶酪的水分含量（颗粒小，排乳清快，奶酪更硬）。
  • 搅拌/加热（蒸煮）： 温和搅拌防止颗粒粘连，并可能缓慢升温（蒸煮）。加热促进颗粒收缩，进一步排出乳清（排汗），同时影响乳酸菌活性和酶活性。
  • 排乳清/堆积（Cheddaring等）： 排出大部分液态乳清。对于切达等奶酪，会将凝块堆积、翻转、堆叠，促进进一步的酸化和质地形成（产生特有的纤维状结构）。
  • 加盐： 通过干盐撒布或盐水浸泡。作用：调味、抑制杂菌、调节水分活度、影响熟化过程（控制酶活和微生物生长）、帮助形成外皮。
  • 成型/压榨： 将凝块放入模具中，施加压力排出残留乳清，塑造形状，使凝块融合成紧密的整体。
  • 熟化（成熟/Ripening/Aging）： 这是赋予奶酪复杂风味和独特质地的核心阶段。在特定温湿度条件下（不同奶酪差异巨大）：
    • 微生物作用： 发酵剂菌继续作用，有时还会添加特定的次级发酵剂（如丙酸菌产生瑞士奶酪的孔洞和风味；霉菌如青霉产生蓝纹奶酪的纹路和风味；白霉形成软质奶酪的外皮）。
    • 酶的作用： 凝乳酶残留酶活、来自微生物的酶（胞内/胞外酶）、牛奶本身的酶（尤其在生乳奶酪中）共同作用，将蛋白质分解成肽和氨基酸（产生鲜味、苦味等），脂肪分解成脂肪酸和甘油（产生各种风味化合物，如酮类、酯类）。
    • 时间从几天（如马苏里拉、奶油奶酪）到数月甚至数年（如帕玛森、切达）不等。

酸奶 (Yogurt)

• 基本原理： 利用特定乳酸菌（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌）协同发酵牛奶中的乳糖产生乳酸，使牛奶pH值降至酪蛋白等电点（约pH 4.6）以下，导致酪蛋白胶束聚集形成细腻、稳定的凝胶网络，将乳清和脂肪球包裹其中。发酵过程还会产生特征性风味物质（主要是乙醛）。
• 关键步骤与原理：
  • 原料奶标准化/预处理： 调整脂肪和/或固形物含量（常添加奶粉或浓缩蛋白以提高蛋白质含量，使质地更浓稠）。巴氏杀菌是必须的，杀灭杂菌保证发酵剂优势，并使乳清蛋白变性（变性乳清蛋白参与凝胶形成，增强持水性）。
  • 均质： 将脂肪球打碎成更小颗粒，防止脂肪上浮，提高产品稳定性和口感细腻度。
  • 冷却与接种： 杀菌均质后冷却至发酵温度（通常40-45°C），加入发酵剂（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌，比例通常1:1）。
  • 发酵：
    • 两种菌存在共生关系：嗜热链球菌生长较快，产酸也较快，为保加利亚乳杆菌提供生长刺激物（如甲酸）；保加利亚乳杆菌分解蛋白质产生氨基酸（如缬氨酸），刺激嗜热链球菌生长，并产生酸奶的主要风味物质乙醛。
    • 乳酸积累使pH持续下降，酪蛋白胶束逐渐失去稳定性并聚集。当pH降至约5.2时开始形成弱凝胶，降至目标pH（通常4.2-4.6，取决于产品类型）时形成坚实、光滑的凝胶。发酵温度和时间严格控制。
  • 冷却与后熟：
    • 达到目标pH后，迅速冷却至4°C左右（或更低）以停止发酵（抑制菌活）。
    • 后熟： 冷藏期间（通常12-24小时以上），风味物质（尤其是乙醛）会继续形成并趋于柔和，质地也可能进一步改善。部分益生菌酸奶会添加其他菌种（如嗜酸乳杆菌、双歧杆菌）在此时加入或在发酵前加入。
  • 灌装与类型：
    • 凝固型/杯发酵型： 牛奶在零售容器中接种发酵剂并发酵冷却。质地均匀、光滑、坚实。
    • 搅拌型： 在大罐中发酵，冷却后再搅拌（可加入果粒、果酱等），然后灌装。质地较软，可流动。
    • 饮用型： 搅拌型酸奶进一步稀释或低粘度发酵，呈液态。
    • 滤清型： 将普通酸奶过滤去除部分乳清（如希腊式酸奶、冰岛式酸奶），显著提高蛋白质含量和粘稠度，质地更浓密。

三、 其他重要牛奶衍生产品及其原理简述 黄油 (Butter)： 通过搅拌含脂率高的奶油，破坏脂肪球膜，使乳脂肪（主要是固体脂肪）聚集形成脂肪团（黄油粒），同时排出液体部分（酪乳）。然后洗涤、压炼成型。核心是物理分离脂肪相。 奶油 (Cream)： 利用离心分离原理，根据脂肪球密度低于其他成分的特点，将牛奶分离成稀奶油（高脂肪）和脱脂乳。不同脂肪含量（10%-50%+）对应不同用途（如搅打奶油、咖啡奶油、烹饪奶油）。 炼乳 (Condensed Milk)： 通过蒸发去除牛奶中约60%的水分，通常添加大量蔗糖（甜炼乳）或不加糖（淡炼乳/蒸发乳）。高浓度糖或热处理赋予其防腐性。 奶粉 (Milk Powder)： 主要通过喷雾干燥技术，将浓缩牛奶雾化成微小液滴，与热空气接触瞬间蒸发水分，得到粉末。保留大部分营养成分，便于储存运输。 乳清制品 (Whey Products)： 奶酪生产的副产品（乳清）。通过膜过滤（超滤、纳滤、反渗透）、电渗析、离子交换、干燥等技术，可制成乳清粉、乳清浓缩蛋白、乳清分离蛋白、乳清渗透物粉、乳糖等，广泛应用于食品、饮料、营养补充剂、饲料等领域。 冰淇淋 (Ice Cream)： 牛奶/奶油是主要原料，提供脂肪、蛋白质、乳糖、水分。通过混合、巴氏杀菌、均质、老化（水合作用）、凝冻（搅打和部分冻结） 等步骤，形成含有冰晶、气泡、脂肪球、浓缩糖和蛋白质溶液的复杂稳定结构。 总结

牛奶在食品工业中的转化，特别是奶酪和酸奶的制造，本质上是巧妙地利用其成分（尤其是蛋白质和乳糖）的特性，通过物理处理（加热、均质、分离、压榨）、化学/酶促作用（酸化、酶凝） 和生物转化（乳酸菌发酵及其代谢产物） 的综合作用，实现对水分、质地、风味和保质期的精确控制。微生物（尤其是乳酸菌）在发酵过程中的核心作用，以及不同加工工艺的组合，造就了牛奶衍生产品令人惊叹的多样性和独特性。

理解这些基本原理，就能明白为什么同样的牛奶，经过不同的工艺处理，就能变成风味迥异、形态万千的美味食品。