多糖结构对减脂奶油干酪结构与功能关系的影响：基于摩擦学与感官评价的构效机制研究

《Food Hydrocolloids》：Structure–function relationships in reduced-fat cream cheese: The role of polysaccharide structure

　　

过量脂肪摄入是全球公认的健康问题，会增加心血管疾病和肥胖风险。因此，降低食品中的脂肪含量，尤其是乳制品，数十年来一直是食品研究的目标。奶油干酪作为一种新鲜未成熟干酪，其成品中乳脂含量不低于33%（w/w），其配方设计面临特殊挑战，因为脂肪在定义其质地和口感方面起着核心的结构和功能作用。在全脂奶油干酪中，部分被酪蛋白包覆的脂肪球嵌入致密的蛋白质网络中，形成具有高机械强度的紧密颗粒凝胶结构。降低脂肪含量会破坏这种结构：脂肪球-蛋白质相互作用的丧失以及随后水分含量的增加，会产生更疏松多孔的蛋白质网络，其储能模量（storage modulus, G'）较低。这些结构变化直接反映在感官特征上：全脂奶油干酪具有光滑、细腻、粘稠的质地，而减脂产品通常被认为有颗粒感、粉质感，涂抹性差且缺乏奶油感（creaminess）。为了理解感官特征与结构和可测量物理特性之间的关系，润滑行为变得重要，因为仅凭粘度等整体力学性质无法完全解释仪器-感官之间的关系。摩擦学（Tribology）可用于测量以食品作为润滑剂的表面之间的摩擦系数（friction coefficient, FC）。研究表明，摩擦系数强烈依赖于脂肪含量，并与一系列乳制品的奶油感和光滑度等感官属性相关。为补偿脂肪作为润滑剂和结构填充物的损失，多糖被广泛用作减脂乳制品中的脂肪替代品，通过增加水结合能力和连续血清相的粘度来实现。然而，它们在奶油干酪中的结构效应高度依赖于分子量、电荷和构象。本研究选取了五种结构多样的多糖——κ-卡拉胶（κ-carrageenan）、瓜尔豆胶（guar gum）、刺槐豆胶（locust bean gum, LBG）、柑橘纤维（citrus fiber）和羧甲基纤维素（carboxymethylcellulose, CMC），旨在探究它们对减脂奶油干酪摩擦学和感官特性的影响，并识别摩擦行为、流变学和感知质地之间的仪器-感官关系。研究人员通过初步筛选选择了使减脂样品在小应变线性粘弹性区（linear viscoelastic region, LVR）的储能模量尽可能接近全脂样品的多糖浓度，并对所有配方进行了摩擦学特性、微观结构和感官特性的表征。结果表明，多糖的类型通过调节与蛋白质基质的相互作用方式（静电吸引或耗尽絮凝）决定了微观结构的形态，进而影响了流变和摩擦行为。具体而言，带负电的刚性多糖κ-卡拉胶展现出最低的摩擦系数，其润滑曲线与全脂样品无显著差异；而非离子型半乳甘露聚糖（LBG和瓜尔豆胶）则因诱导蛋白质相分离形成不规则团簇而导致最高的摩擦系数；柔性阴离子多糖CMC虽与κ-卡拉胶有相似的微观结构，但因链构象不同而表现出高摩擦和高口腔涂覆感（mouthcoating）。感官评价的主成分分析（principal component analysis, PCA）将样品分为三组：全脂、κ-卡拉胶和柑橘纤维组（高奶油感、涂抹性和融化感）；LBG和瓜尔豆胶组（高硬度、胶粘感）；以及CMC组（高粘附感和口腔涂覆感）。多元因子分析（multiple factor analysis, MFA）和相关性分析进一步揭示了物理参数与感官属性的关联：奶油感和融化感与低粘度及低流动指数（flow index, n）相关；而口腔涂覆感和涂抹性与大应变下的网络变形行为密切相关。本研究表明，通过合理选择多糖的电荷和构象，可以在减脂奶油干酪中实现与全脂产品相近的感官品质，为开发高品质减脂乳制品提供了理论依据。

论文解读文章

一、研究背景与目的

过量脂肪摄入是导致心血管疾病和肥胖等全球健康问题的重要风险因素。奶油干酪作为一种高脂肪含量的新鲜未成熟干酪（成品中乳脂含量≥33% w/w），其独特的质地和口感高度依赖于脂肪所扮演的结构和功能角色。在全脂奶油干酪中，脂肪球部分被酪蛋白包裹，嵌入致密的蛋白质网络中，形成高机械强度的紧凑颗粒凝胶结构。然而，当降低脂肪含量时，这种结构会被破坏：脂肪球-蛋白质相互作用的丧失以及随之而来的水分含量增加，会导致蛋白质网络变得更加疏松多孔，储能模量（storage modulus, G'）显著下降。这些微观结构的变化直接体现在感官体验上：全脂奶油干酪具有光滑、细腻、粘稠的质地，而减脂产品常被描述为带有颗粒感、粉质感，涂抹性差且缺乏奶油感（creaminess）。

为了弥补脂肪减少带来的润滑和结构支撑功能的缺失，食品工业中常使用多糖作为脂肪替代品，通过增强水结合能力和提高连续血清相的粘度来改善质地。然而，不同多糖因其分子量、电荷性质和链构象的差异，在复杂的奶油干酪基质中的作用机制尚不明确。此前关于减脂奶油干酪的研究大多局限于流变学和质构分析，鲜有将摩擦学（tribology）与感官评价相结合来系统探讨多糖结构与最终感官品质之间关系的报道。因此，本研究旨在探究五种结构迥异的多糖——κ-卡拉胶（κ-carrageenan）、瓜尔豆胶（guar gum）、刺槐豆胶（locust bean gum, LBG）、柑橘纤维（citrus fiber）和羧甲基纤维素（carboxymethylcellulose, CMC）——对减脂奶油干酪摩擦学特性和感官属性的影响，并建立从仪器测量到感官感知的完整构效关系，为开发高品质减脂乳制品提供科学依据。该论文发表于《Food Hydrocolloids》。

二、关键技术方法概述

研究人员采用实验室规模模型体系，以脱脂夸克（skimmed mild quark）为基料，通过添加黄油基水包油乳液精确控制脂肪含量，制备了全脂和含不同多糖的减脂奶油干酪样品。关键方法包括：1）利用共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy, CLSM）观察样品微观结构，分别用BODIPY 493/503和罗丹明B对脂肪和蛋白质进行染色；2）使用流变仪（MCR302）进行振幅扫描测定粘弹性参数（如线性粘弹性区平均G'、交叉点应变和模量、100%应变处G'等），并通过剪切速率扫描获得表观粘度和流动行为指数（flow index, n）；3）采用TriboLab摩擦磨损试验机，以玻璃球为探针、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）盘为下表面，测量不同滑动速度下的摩擦系数（friction coefficient, FC），构建Stribeck曲线；4）招募62名未经培训的参与者进行“评分所有适用项”（Rate-All-That-Apply, RATA）感官评价，对涂抹性、硬度、颗粒感、奶油感、粘附感、胶粘感、融化感、口腔涂覆感和酸度等9个属性进行强度评分，并评估总体喜好度。所有数据采用单因素方差分析（ANOVA）、线性混合模型（linear mixed model, LMM）、主成分分析（principal component analysis, PCA）和多元因子分析（multiple factor analysis, MFA）进行统计分析。

三、研究结果

3.1. 模型奶油干酪的流变学特性

3.1.1. 粘弹性特性

所有样品在线性粘弹性区（linear viscoelastic region, LVR）均表现出类凝胶行为（G' > G''）。通过预筛选，κ-卡拉胶、CMC、瓜尔豆胶和LBG样品的LVR内平均G'值与全脂样品统计上相当，而柑橘纤维即使在最高浓度（3% w/w）下也无法达到目标G'值，表明其难以有效增强凝胶网络。在大变形行为方面，全脂样品表现出最低的交叉点应变和最陡峭的破坏程度斜率（D_breakdown），显示出脆性且弱连接的粒子网络特征。相比之下，含多糖样品的网络更具形变耐受性，能在更大应变范围内维持弹性行为，这归因于聚合物缠结以及与酪蛋白可能的静电相互作用延缓了结构破坏。值得注意的是，CMC在100%应变处的G'值在所有样品中最高，尽管其在LVR内的G'并非最高，这反映了柔性线性链形成的网络在剪切下渐进式破坏的特性。κ-卡拉胶则表现出较高的D_breakdown，与其半刚性螺旋网络的脆性断裂一致。

3.1.2. 粘度特性

所有样品均呈现显著的剪切稀化行为。含多糖样品的粘度普遍高于全脂样品，柑橘纤维除外。κ-卡拉胶在低剪切速率下粘度极高，但在高剪切速率（50 s^-1）下迅速降至与全脂样品相当的水平，表现为最负的流动行为指数（n），这反映了其半刚性网络易被剪切破坏的特性。与之相反，LBG和瓜尔豆胶在整个剪切速率范围内保持高粘度，n值最接近零，体现了高分子量半乳甘露聚糖形成的强缠结网络抵抗剪切取向的能力。CMC表现出介于两者之间的中等剪切稀化行为。柑橘纤维的粘度最低，主要依靠水合能力而非网络缠结增稠。

3.2. 模型奶油干酪的微观结构

CLSM图像显示，全脂样品呈现出典型的奶油干酪微观结构：大的球形脂肪球均匀分散在连续的致密蛋白质基质中。含多糖样品的微观结构因多糖-蛋白质相互作用机制的不同而显著分化：柑橘纤维样品呈现出最均匀的微观结构，未见明显的大块聚集体或相分离，暗色区域可能代表不溶性纤维颗粒，它们物理性地打断了蛋白质网络的连续性，这与该样品G'最低的结果相符。瓜尔豆胶和LBG样品则表现出明显的相分离微观结构，即富含蛋白质的区域分散在富含多糖的连续相中，这归因于非离子多糖与酪蛋白之间的热力学不相容性导致的耗尽絮凝（depletion flocculation）作用。其中，瓜尔豆胶样品中的蛋白质簇更大且形状更不规则，暗示其耗尽效应更强。相比之下，CMC和κ-卡拉胶样品由于带负电，可通过静电吸引与酪蛋白上的正电区域相互作用，从而形成更精细、分布更均匀的蛋白质-多糖网络，限制了蛋白质的聚集。

3.3. 模型奶油干酪的摩擦行为

全脂样品在整个滑动速度范围内表现出最低的摩擦系数（FC），证实了脂肪球作为高效润滑剂的作用。κ-卡拉胶样品的润滑曲线与全脂样品最为接近，无显著差异，这可能得益于其作为带电刚性多糖在接触表面形成水合粘弹性吸附层的能力。柑橘纤维样品的FC略高于全脂和κ-卡拉胶样品，但其较低的刚度和较高的粘度并不能解释这一现象，研究人员推测不溶性纤维颗粒可能破坏了润滑膜的连续性或与接触表面相互作用导致了更高的摩擦。瓜尔豆胶和LBG样品表现出最高的FC。这两种非离子半乳甘露聚糖本身润滑效率低，且它们诱导形成的形状不规则的蛋白质簇难以像球形颗粒那样通过“滚珠轴承”机制降低摩擦，反而可能通过阻塞效应或团簇互锁增加了摩擦。值得注意的是，尽管瓜尔豆胶和LBG同属半乳甘露聚糖，但瓜尔豆胶样品的FC随滑动速度增加而下降得更明显，这可能与其更大的蛋白质簇和更浓缩的血清相有关。CMC样品尽管与κ-卡拉胶具有相似的微观结构，却保持了高FC，这表明除了静电和结构效应外，聚合物的链构象至关重要：柔性的无规线团聚合物（CMC）的润滑效果远不如半刚性螺旋聚合物（κ-卡拉胶）。

3.4. 模型奶油干酪的感官特性

RATA感官评价和PCA分析将六种样品分为三个不同的感官集群：第一组包括全脂、κ-卡拉胶和柑橘纤维样品，共同特征是较高的奶油感、涂抹性和融化感，以及较低的硬度和胶粘感。全脂样品的这一感官特征源于脂肪在口中的熔化和铺展；κ-卡拉胶则通过低摩擦、大应变下G'急剧下降以及强剪切稀化行为实现了类似的口腔加工表现；柑橘纤维则凭借其较低的刚度和与全脂相近的低摩擦系数促进了形变和铺展。第二组是LBG和瓜尔豆胶样品，其特征是最高硬度和胶粘感，以及最低的奶油感、涂抹性和融化感，这与其高粘度、高摩擦以及不均匀的微观结构密切相关，导致它们获得了最低的总体喜好度评分。第三组是CMC样品，其独特之处在于最高的粘附感和口腔涂覆感，以及最低的颗粒感。这种感官特征源于CMC网络在大应变下仍能保持显著的弹性结构，促进样品在口腔表面的铺展和粘附，但同时抑制了融化感。尽管CMC具有高粘附感和胶粘感，但其相对较高的奶油感使其总体喜好度与全脂样品相当，凸显了奶油感在驱动消费者喜好中的重要性。

四、物理性质与感官性质的相关性分析

通过多元因子分析（MFA）和Pearson相关性分析，研究人员量化了物理参数与感官属性之间的联系。结果显示，奶油感、融化感和涂抹性在变量图上投影方向一致，它们不仅随着粘度（η 5）的降低而增加（r = -0.67），还与较低的交叉点G'值（r = -0.66）和流动行为指数n（r = -0.73）呈正相关。这意味着低粘度、易于流动的体系更有利于产生奶油感和融化感。另一方面，口腔涂覆感和粘附感与大应变下的网络行为密切相关：它们与100%应变处的G'值（G' 100%）和交叉点应变（cross strain）呈强正相关（r分别为0.97和0.93），而与破坏程度斜率（D_breakdown）呈强负相关（r = -0.97）。这清楚地表明，那些在大变形下仍能保持网络结构、不易断裂的样品（如CMC），更容易在口腔表面形成持久的涂层和粘附感。此外，留一法敏感性分析验证了这些关联的稳定性，特别是G' 100%、交叉点应变和D_breakdown与口腔涂覆感、粘附感之间的强相关性，在逐一排除任一配方后依然保持方向和强度稳定，表明这些是大应变网络行为与特定口腔感觉之间稳健的构效关系。

五、研究结论

本研究表明，通过匹配小应变刚度（G' at LVR），可以隔离多糖润滑效应，从而揭示多糖结构特征（电荷和构象）在决定减脂奶油干酪摩擦学行为和感官品质中的关键作用。具体结论如下：

1. 1.
   多糖与蛋白质的相互作用方式（静电吸引或耗尽絮凝）塑造了基质微观结构，进而决定了流变和摩擦行为。
2. 2.
   聚合物电荷和构象主导了润滑行为：带电刚性多糖（κ-卡拉胶）提供最佳润滑，而非离子柔性多糖（瓜尔豆胶、LBG）则因诱导相分离导致高摩擦。
3. 3.
   摩擦和粘度共同影响奶油感和融化感：低摩擦和低粘度有利于这些感官属性的提升。
4. 4.
   线性粘弹区之外的网络变形行为（由G' 100%、交叉点应变和D_breakdown表征）与口腔涂覆感和涂抹性密切相关：在大应变下仍能保持网络结构的体系会增强口腔涂覆感，但会抑制融化感。
5. 5.
   通过合理选择多糖类型，减脂奶油干酪可以获得与全脂产品相近的感官品质和消费者喜好度，为开发高品质减脂乳制品提供了重要的理论指导。