加热过程中牛奶pH值对热酸诱导乳凝胶特性及质构的影响机制研究

本研究针对热酸诱导乳凝胶质构调控难题，系统探究了加热前牛奶pH值(6.1-6.9)对凝胶形成机制的影响。通过多尺度分析发现，pH值通过调控静电相互作用(EB)、氢键(HB)、钙桥(CaB)等分子间作用力，显著改变蛋白质二级结构（α-螺旋/β-折叠向β-转角转化）和凝胶网络稳定性，最终实现从高硬度高弹性到高持水性高脆性的质构特性定向调控，为乳制品质构精准设计提供理论依据。

　　

在追求健康饮食的当代社会，乳制品作为优质蛋白质来源备受青睐，特别是像印度奶酪(Paneer)这样的热酸诱导乳凝胶，既可作为传统美食，又能成为肉类替代品。然而，这类产品的质地特性却难以稳定控制——有时过于坚硬影响口感，有时又因持水性不足导致产率低下。这背后的科学问题在于：牛奶在加热过程中，其酸碱度(pH值)如何影响蛋白质分子的行为，最终决定凝胶的微观结构和宏观质地？

以往研究表明，加热牛奶时乳清蛋白会发生变性，与酪蛋白胶束相互作用，这种相互作用程度深受加热时牛奶pH值的影响。但究竟pH值如何通过分子层面的变化来影响最终产品的质构特性，始终缺乏系统性的研究。正是为了解开这个谜团，来自哥本哈根大学的研究团队开展了这项深入探索，其研究成果发表在《International Dairy Journal》上。

研究人员采用多学科交叉的研究方法，首先通过精确调控牛奶pH值(6.1-6.9)并进行90°C热处理12分钟，随后用柠檬酸酸化至pH 5.2制备热酸诱导凝胶。运用图像分析技术量化凝乳颗粒尺寸；通过化学分析法测定凝胶组成（水分、蛋白质、脂肪、钙含量）和得率；采用离子选择性电极测定乳清中离子钙浓度；利用选择性蛋白溶解技术解析蛋白质间化学键类型（静电相互作用、氢键、疏水相互作用、二硫键、钙桥）；通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析蛋白质二级结构变化（α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规卷曲）；最后采用质构剖面分析(TPA)和压缩测试全面表征凝胶的质构特性。

3.1. 热酸诱导聚集体的图像分析

通过可视化分析发现，加热前牛奶pH值显著影响凝乳颗粒尺寸，从pH 6.1的5.0±0.5mm逐渐减小到pH 6.9的1.6±0.2mm。低pH值下较大的颗粒显示蛋白质微凝胶聚集成松散结构，而高pH值下较强的静电排斥力导致形成更小而均匀的凝胶颗粒。

3.2. 热酸诱导凝胶的得率和组成

凝胶得率随加热pH值升高而增加，pH 6.9时达到最高30.1±1.0%。水分含量在pH 6.7(61.4%)和6.9(66.3%)显著高于低pH组(55.8-58.0%)。蛋白质在干物质中的百分比在pH 6.1和6.9较高，而脂肪含量在pH 6.7和6.9达到46-47%，显著高于低pH组(39-41%)。

3.3. 奶酪和乳清中的钙含量

奶酪中钙含量(每克蛋白质毫克数)从pH 6.35的最高值21.8±0.1逐渐下降到pH 6.9的13.5±0.1。乳清中离子钙浓度在pH 6.55达到峰值4.3mM，在pH 6.1和6.9较低(约2.6mM)。这表明加热pH值影响钙在凝胶和乳清间的分配。

3.4. 蛋白质凝胶网络中的蛋白质-蛋白质相互作用

静电相互作用和氢键(EB+HB)在pH 6.1-6.7间是主要稳定力(37.2-44.4%)，钙桥(CaB)贡献稳定(33-36%)。疏水相互作用在pH 6.55最高(18.8%)，二硫键在pH 6.7-6.9增至近20%。pH 6.9时CaB(33.5%)略高于EB+HB(32.4%)。

3.5. 热酸诱导凝胶的二级结构

pH 6.1时α-螺旋(26.5%)和β-折叠(34.3±1.1%)含量最高，β-转角最低(11.8±0.8%)。随pH升高，α-螺旋和β-折叠减少，β-转角在pH 6.9显著增加至26.7±2.0%，无规卷曲保持稳定。这表明pH升高促使蛋白质从有序结构向柔性构象转变。

3.6. 热酸诱导凝胶的质构特性

硬度在pH 6.35最高(1591.3±158.8g)，在高低pH均降低。回弹性和内聚性在pH 6.55最低，在pH 6.9回升。弹性在大部分pH下稳定(~0.9)。杨氏模量在pH 6.1-6.55间显著下降，之后保持低位。脆性在pH 6.7和6.9显著增加，最高达3.1±0.1%/1。

本研究揭示了加热前牛奶pH值通过多重机制影响热酸诱导乳凝胶的最终特性。较低pH(6.1-6.35)促进钙桥和静电相互作用，形成更紧密的蛋白质网络，产生高硬度、高弹性的凝胶，但持水性和产率较低。较高pH(6.7-6.9)则增强疏水相互作用和二硫键，形成更柔性但更脆的凝胶网络，具有更高的持水性和产率。这些变化与蛋白质二级结构的转变密切相关——低pH下α-螺旋和β-折叠等有序结构占主导，而高pH下β-转角等柔性结构增加。

该研究的重要意义在于提供了乳凝胶质构精准设计的科学基础。通过简单调整加热前牛奶的pH值，生产者可以在不改变配方的情况下定向调控最终产品的质地特性，满足不同消费需求。这对于开发新型乳制品、提高产品一致性和降低生产成本具有重要应用价值。同时，研究中所建立的多尺度分析方法为乳制品科学研究提供了重要方法论参考，推动了食品胶体科学的发展。