开菲尔的生理功能特性及其产品开发研究进展.pdf

2005, Vol. 26, No. 4食品科学专题论述252 3 7 Y e X u d o n g , A l - B a b i l i S , K l o t i A , e t a l . E n g i n e e r i n g t h e p r o v i - t a m i n a - c a r o t e n e b i o s y n t h e t i c p a t h w a y i n t o c a r o t e n o i d - f r e e r i c e e n d o s p e r m J . S c i e n c e , 2 0 0 0 , 2 8 7 : 3 0 3 - 3 0 5 . 3 8 L o n n e r d a l B . G e n e t i c a l l y m o d i f i e d p l a n t s f o r i m p r o v e d t r a c e e l e m e n t n u t r i t i o n J . J N u t r , 2 0 0 3 , 1 3 3 : 1 4 9 0 S - 1 9 4 3 S . 3 9 S h i n t a n i D , D e l l a P e n n a D . E l e v a t i n g t h e v i t a m i n E c o n t e n t o f p l a n t s t h r o u g h m e t a b o l i c e n g i n e e r i n g J . S c i e n c e , 1 9 9 8 , 2 8 2 : 2 0 9 8 - 2 1 0 0 . 开菲尔的生理功能特性及其 产品开发研究进展 刘 慧1李平兰2 ,* 张永春1王少君1任 丽1乌日娜1 ( 1 . 北京农学院食品科学系北京 1 0 2 2 0 6 2 . 中国农业大学食品科学与营养工程学院北京 1 0 0 0 8 3 ) 摘 要本文针对开菲尔的生理功能开菲尔粒的微生态特点阐明了开发开菲尔功能性发酵乳制品的意义与应 用前景并综述了国内外对开菲尔纯培养发酵剂的研制与产品开发的工艺研究现状及其进展 关键词开菲尔生理功能产品开发进展 R e v i e w o n A d v a n c e s o f R e s e a r c h e s o n t h e P h y s i o l o g i c a l F u n c t i o n s a n d C h a r a c t e r i s t i c s o f K e f i r a n d P r o d u c t D e v e l o p m e n t L I U H u i 1 L I P i n g - l a n 2 , * Z H A N G Y o n g - c h u n 1 R E N - L i 1 W U R i - n a 1 ( 1 . C o l l e g e o f F o o d S c i e n c eB e i j i n g A g r i c u l t u r a l C o l l e g eB e i j i n g 1 0 2 2 0 6C h i n a2 . C o l l e g e o f F o o d S c i e n c e a n d N u t r i t i o n a l E n g i n e e r i n g , C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t yB e i j i n g 1 0 0 0 8 3C h i n a ) A b s t r a c t H a v i n g f o c u s e d o n t h e p h y s i o l o g i c a l f u n c t i o n s a n d e c o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f K e f i r g r a i n s , t h i s p a p e r r e v i e w e d t h e s i g n i f i c a n c e a n d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t o f d e v e l o p m e n t o f t h e f u n c t i o n a l f e r m e n t e d d a i r y p r o d u c t o f K e f i r . T h e a d v a n c e s o f r e s e a r c h e s o n K e f i r s t a r t e r a n d p r o d u c t d e v e l o p m e n t i n a n d o u t o f C h i n a w e r e a l s o i n v o l v e d . K e y w o r d sK e f i rp h y s i o l o g i c a l f u n c t i o nd e v e l o p m e n t o f p r o d u c ta d v a n c e 中图分类号 T Q 9 2 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 - 6 6 3 0 ( 2 0 0 5 ) 0 5 - 0 2 5 2 - 0 4 收稿日期 2 0 0 4 - 0 4 - 2 3 * 通讯作者 基金项目农业应用新技术北京市重点实验室资助项目( K F 2 0 0 3 - 0 6 ) 作者简介刘慧( 1 9 6 3 - ) 女副教授研究方向为食品微生物与发酵 开菲尔( K e f i r ) 是以牛乳羊乳或山羊乳为原料添 加含有乳酸菌和酵母菌的开菲尔粒发酵剂经发酵酿制 而成的一种传统酒精发酵乳饮料但目前工业化生产的 开菲尔乳品是以牛乳为原料利用从开菲尔粒中分离的 乳酸菌和酵母菌进行发酵制得 开菲尔粒( K e f i r g r a i n s ) 实际是开菲尔( K e f i r ) 乳品的发酵剂可用于家庭或工业 化的开菲尔生产它起源于俄罗斯北高加索地区在 古时当地的山岳牧民将牛乳或山羊乳注入羊皮口袋经自 然发酵生产酸乳酒其残留物再补加牛乳或山羊乳继续 发酵经长期发酵后在皮口袋中形成不规则颗粒状物 体即为开菲尔粒此后人们便直接将开菲尔粒添加 到牛乳中使之发酵而生成具有爽快酸味和起泡性的酒 精性保健饮料开菲尔 1开菲尔的生理功能 由于开菲尔发酵剂中的乳酸菌的某些特性及益生菌 的种群不同于普通酸奶使其产品的生理功能优于普通 酸奶K e f i r 乳品中含有消化吸收性很高的乳蛋白质和乳 253专题论述食品科学2005, Vol. 26, No. 4 脂肪其中的有益菌群将牛乳中的乳糖大部分水解为对 人体有益的L ( + ) - 乳酸只生成极少量的D ( - ) - 乳酸据 测定K e f i r 中 D ( - ) - 乳酸含量为2 % 5 % 远比普通酸 奶( 2 5 % 6 0 % ) 低因为人体缺乏D ( - ) - 乳酸代谢酶食 用 D ( - ) - 乳酸易患酸性血液病故K e f i r 乳品对乳糖不耐 症者适宜饮用同时在L ( + ) - 乳酸作用下改善了人体对 钙磷铁的吸收而且K e f i r中B族维生素( V B1 V B2V B6V B1 2叶酸尼克酸等) 的含量亦增高 因此K e f i r 乳品对人体不仅具有较高的营养作用而 且其代谢活性物质和抗菌物质对胃肠道疾病便秘代 谢异常疾病高血压贫血心脏病过敏症肥 胖症等均有一定疗效最近研究证实K e f i r 乳品具有 较好的降血脂和降血糖的功效并对结核病亦具有治疗 效果此外K e f i r 乳品中含有抑制癌细胞增殖的荚膜 多糖和溶解癌细胞的四碳二羧酸可降低癌症的发病 率同时还有降低血清胆固醇含量增强肝脏功能 提高机体免疫力和抗衰老作用开菲尔粒中的活菌对结 核分枝杆菌大肠杆菌志贺氏菌沙门氏菌等病原 菌均有强烈的抑制作用经常食用K e f i r 饮品可在人体 胃肠道中保持有益菌群的优势作用世界微生态学会主 席光冈之足在肠道革命一本书中明确指出肠 道疾病是万病之源健康的身体应从肠道健康开始 人体提早老化和致癌的原因也与肠道疾病密切相关因 此经常食用 K e f i r 饮品即可在人体胃肠道中保持益 生菌群的优势作用减少肠道疾病的发生最终达到 人体健康和长寿的目的 2开菲尔粒的微生态特点 2 . 1开菲尔粒的结构与组成 开菲尔粒( K e f i r g r a i n s简称K G ) 是由数种乳酸菌与 酵母菌等微生物之间的共生作用而形成的特殊粒状结 构其形状比较有规则多数呈花椰菜状也有少量 的薄片状和旋涡状或纸卷样等结构表面卷曲不平 整或高度扭曲直径大多在1 1 5 m m不等最高可达 2 0 m m 以上多为白色或淡黄色( 有时K G受到杂菌污染 呈淡黄色) 而富有弹性的菌块( 图1 ) K G 大约有5 0 % 的成 分是由乳酸菌自身代谢向胞外分泌并蓄积的黏性多糖( 由 1 : 1 比例的半乳糖和葡萄糖) 构成它可作为微生物固定 化的支撑体或栖息的多糖基质此外还有大量的水 和少量蛋白质脂肪和其它成分具有活性的K G浮于 乳的表面可生长分裂并将其特性传给下一代以产 生新粒当它在乳中生长扩大时观察不到特性上的 变化仅看到粒由小变大其数量的增加依赖于原粒 的分裂但是在没有原粒的条件下人们无法合成新的开 菲尔粒 2 . 2开菲尔粒中的菌相 图1 开菲尔粒 F i g . 1 K e f i r g r a i n s 在K G的黏性多糖基质中微生物菌相极其复杂而 且不同来源的 K G 中所含微生物菌相也不相同K G是以 乳酸菌和酵母菌为基础的小生态系( 图2 ) 主要包括乳酸 菌酵母菌以及少量的醋酸菌枯草芽孢杆菌等多 种微生物 图2 开菲尔粒基质上栖息的微生物 F i g . 2 M i c r o o r g a n i s m p e r c h e d o n K e f i r g r a i n s c u l t u r e m e d i u m 2 . 2 . 1乳酸菌 乳酸菌包括乳球菌属乳杆菌属和明串 珠菌属 2 . 2 . 1 . 1乳球菌属( L a c t o c o c c u s ) 包括乳酸乳球菌乳酸 亚种( L . l a c t i s s u b s p . l a c t i s )乳酸乳球菌丁二酮乳酸亚种 ( L . a c t i s s u b s p . d i a c e t i l a c t i s ) 和乳酸乳球菌乳脂亚种( L . l a c t i s s u b s p . c r e m o r i s ) 等它们属于同型乳酸发酵菌最适 生长温度 3 0 3 5是开菲尔粒最多的也是最具活 力的一部分菌群在发酵初期的几个小时内就迅速产 酸当酸度达到1 1 5 oT时即被抑制 2 . 2 . 1 . 2乳杆菌属( L a c t o b a c i l l u s ) 包括嗜酸乳杆菌( L . a c i d o p h i l u s )德氏乳杆菌( L . d e l b r u e c k i i )德氏乳杆菌 乳酸亚种( L . d e l b r u e c k i i s u b s pl a c t i s )德氏乳杆菌保 加利亚亚种( L . d e l b r u e c k i i s u b s pb u l g a r i c u s )瑞士乳 杆菌( L.helveticus)马乳酒样乳杆菌(L. k e f i r a n o f a c i e n s )干酪乳杆菌( L . c a s e i )发酵乳杆菌( L . f e r m e n t u m ) 短乳杆菌( L . b r e v i s ) 高加索奶乳杆菌( L . k e f i r ) 布氏乳杆菌( L . b u c h n e r i ) 嗜热乳杆菌( L . t h e r m o p h i l u s ) 等其中前6 种属于同型乳酸发酵菌后 5种属于兼性异型乳酸发酵菌干酪乳杆菌属于异型乳 酸发酵菌它们最适生长温度为3 7 4 2产酸能力 2005, Vol. 26, No. 4食品科学专题论述254 较强分解蛋白质生成氨基酸的能力也较强能使牛 乳变粘稠R i v i e r e ( 1 9 6 3 ) 首次发现了K G 中2 5 % 的干重是 由L . b r e v i s 或L . k e f i r 分泌的胞外多糖所构成 德氏乳杆 菌保加利亚亚种瑞士乳杆菌短乳杆菌和干酪乳杆 菌几乎出现于所有 K G中K G的基质物质很可能由这些 菌产生 2 . 2 . 1 . 3明串珠菌属( L e u c o n o s t o c ) 包括肠膜明串珠菌 肠膜亚种( L . m e s e n t e r o i d e s s u b s p . m e s e n t e r o i d e s )肠膜明 串珠菌葡聚糖亚种( L . m e s n t e r o i d e s s u b s p . d e x t r a n i c u m ) 等 它们最适生长温度为 2 0 3 0能利用蔗糖合成大量荚 膜葡聚糖并产生多量的 B族维生素参与开菲尔乳 特殊风味的形成但产酸能力不强 2 . 2 . 2酵母菌 与其他发酵乳制品的发酵剂最明显的区 别是K G中分布着不同种类和数量的酵母菌它给开 菲尔乳带来醇味酯香和C O2但若酵母菌过量将导致 产生大量 C O2乙醇和酵母臭实际上开菲尔乳中酵母 菌数量不足原因是酵母菌繁殖世代时间较乳酸菌长 且不耐酸易受开菲尔中其它菌产生的丁二酮和一些成 分的抑制K G中的酵母菌包括乳糖发酵型和乳糖非发 酵型二类前者包括乳酸酵母( S a c c h a r o m y c e s l a c t i s ) 脆壁酵母( S a c c h a r o m y c e s f r a g i l i s )马克斯克鲁维酵母 ( K l u y v e r o m y c e s m a r x i a n u s ) 乳酸克鲁维酵母 ( K l u y v e r o m y c e s l a c t i s )脆壁克鲁维酵母( K l u y v e r o m y c e s f r a g i l i s ) 乳酒假丝酵母( C a n d i d a k e f i r ) 酒香酵母 ( B r e t t a n o m y c e s a n o m a l u s ) 等后者包括啤酒酵母 ( S a c c h a r o m y c e s c e r e v i s i a e )德氏酵母( S . d e l b r u e c k i i ) 等 2 . 2 . 3醋酸菌 纹膜醋酸杆菌( A c e t o b a c t e r a c e t i ) 和恶臭 醋酸杆菌( A . s a n c e n s ) 等被认为在维持K G 中的菌相平衡和 共生方面有重要作用同时还有提高开菲尔粘度的作 用 2 . 3开菲尔粒中的菌相相互关系 K G中的微生物之间存在密切的共生关系在分解 蛋白胨生成维生素的条件下乳酸菌被酵母菌和醋酸菌 激活而只有在乳酸菌存在时乳糖非发酵型酵母和 醋酸菌才能生长乳酸菌通过作用于乳糖产生乳酸为 酵母菌和醋酸菌生长提供了良好的生长环境当同型发 酵乳酸菌生长受到抑制时可使酵母菌积累酒精速度减 慢它们在牛乳中发酵代谢产生的乳酸乙醇C O2 等物质形成开菲尔乳品良好的口感和风味其中生 成的丁二酮乙醛羟丁酮丙醛等各种挥发性羰基 化合物与开菲尔乳品的风味有密切关系 3开菲尔的纯培养发酵剂的开发和研制 至今关于开菲尔粒有三个未解之谜而使它成为一 种具有神奇色彩的有机物即开菲尔粒是如何产生的在 不使用原粒情况下为什么不能生成新粒开菲尔粒的成粒 机理等实质上开菲尔粒中菌相的共生关系和菌相 比例关系不是恒定不变的对大规模工业化生产而言 它存在着易变不易控制粒的回收清洗及再处理 后的使用都显得过于麻烦等缺点大量研究表明不 同地区不同来源及相同来源不同培养条件的开菲 尔粒在菌相及其比例等方面都有许多不同并不是所有 开菲尔粒都能表现良好的发酵特性以生产出优质的开菲 尔据K a s a 1 i c a ( 1 9 8 9 ) 报道南斯拉夫用开菲尔粒生产 的开菲尔就频繁出现了产品风味平淡产气量低等缺 点其原因是所使用的开菲尔粒中菌相共生关系较弱 比例失调澳大利亚德国等国家的开菲尔也存在因 使用开菲尔粒而发生质量不稳定的报道也有很多生产 开菲尔的国家和地区已在积极开发和研制开菲尔的纯培 养发酵剂而且卓有成效有的因此而获得了专利 如在1 9 7 9 年和1 9 8 4 年前苏联和联邦德国有人因改良开菲 尔粒发酵剂和研制开菲尔发酵剂而获得专利其产品中 乙醇和 C O2含量很低避免包装胀罐问题当然在 研究使用各种纯培养发酵剂生产开菲尔时还存在许多问 题需要更进一步研究加以改进和解决尤其是需要 科学的理论依据避免盲目筛选组合搭配以往对开 菲尔的理论研究基本上被神奇开菲尔粒中的菌 相所吸引热衷于开菲尔粒中菌种的分离鉴定与成粒机 理及其对肿瘤作用等方面的研究而忽视了开菲尔粒中 菌相之间的相互作用及共生关系的研究致使纯培养发 酵剂的研究缺乏明确的科学理论指导由于传统的开菲 尔工作发酵剂的制备一旦不使用开菲尔原粒就无 法继续增殖传代即使采用增殖后的开菲尔原粒的 滤液制备工作发酵剂不仅连续传代时活力不稳定而 且也易发生杂菌污染或因开菲尔原粒共生菌群失衡而 使发酵乳制品的风味等品质性能下降从而限制了传统 开菲尔发酵乳制品的商品化生产只有利用从开菲尔粒 中分离出发酵牛乳性能优良的乳酸菌和酵母菌来制备 高活力的纯培养发酵剂才能实现开菲尔的商品化生 产在2 0 世纪9 0 年代中期我国开始致力于研究开菲尔 纯培养发酵剂因此以筛选性状优良的菌种组合 注重菌种之间的共生关系开发研制优质开菲尔纯培养 发酵剂已是开菲尔产品由民间流传走向大规模商品化生 产的必然发展趋势 4开菲尔产品的开发 4 . 1传统制造工艺 生产传统开菲尔饮品时开菲尔粒 按5 % 的比例接种至灭菌脱脂乳( 1 1 5 灭菌2 0 m i n ) 中经 一定时间培养( 通常为2 51 6 2 0 h ) 至牛乳凝固后滤 255专题论述食品科学2005, Vol. 26, No. 4 出开菲尔粒所得的滤液即可作为发酵剂也可不过 滤而直接使用培养物作为下次的发酵剂滤出的开菲尔 粒同样可以作为下次的发酵剂继续使用开菲尔粒在牛 乳中继续传代培养时能以一定的速率增殖其重量 也有所增加但各个菌块的菌相平衡继续保持不变 4 . 1 . 1工艺流程 牛乳预热( 7 0 ) 均质( 1 5 M P a ) 杀菌( 9 0 9 5 5 m i n ) 冷却( 2 3 ) 发酵( 发酵剂开菲尔粒滤液) 培 养( 2 3 ) 冷却( 8 1 0 ) 成熟包装成品 4 . 1 . 2工艺操作要点 4 . 1 . 2 . 1原料乳及其处理 取新鲜优质无抗生素的牛乳 山羊乳或绵羊乳为原料乳其干物质含量要一致脂 肪含量根据产品不同大体调整为4种3 . 2 % 2 . 5 % 1 . 0 % 和0 . 1 % 将牛奶预热至7 0 于1 5 M P a 压力下均 质可使产品组织细腻硬度良好而后于9 0 9 5 杀菌 5 m i n 以减少乳清析出提高产品粘度 4 . 1 . 2 . 2冷却接种培养和成熟 将热处理后的原 料乳冷却至 2 2 2 5接种工作发酵剂( 3 % 5 % ) 也 可接种母发酵剂( 1 % 3 % ) 2 2 2 3 培养1 8 h p H 值 降至 4 . 3 4 . 5 ( 即凝乳酸度达到9 0 1 0 0 oT ) 然后摇动 再缓慢冷却 1 0 1 2 h 成熟后包装其成品主要成分是 乳酸( 约0 . 8 % ) 乙醇( 约1 . 0 % ) 和C O2等 4 . 2现代制造工艺 现代开菲尔的生产较传统生产有了较大改进传统 方法生产开菲尔是将盛乳的羊皮口袋拴于门后人工进行 挤压式的搅拌和振荡而现代生产工艺是采用机械装置 搅拌原料乳消毒采用薄板式热交换器进行多阶段热处 理或超高温瞬时杀菌( U H T ) 处理并采用机械无菌包 装在发酵剂方面也逐步以优质的纯培养发酵剂替代开 菲尔粒及其滤液在品种上已基本上具备了所有酸奶的 花色品种利用现代工艺条件制作的开菲尔酒精含 量为 0 . 0 1 % 0 . 0 5 % 酸度为9 0 1 0 0 oT 产品呈粘稠 状笔者从开菲尔粒中分离筛选出发酵性能优良的马克 斯克鲁维酵母菌和乳酸乳球菌乳酸亚种并将它们组合 制备开菲尔纯培养发酵剂用于研制开菲尔酸马奶酒 其最佳发酵条件是发酵温度为2 5纯培养发酵剂 接种量为 5 % 发酵时间为7 2 h 酒精含量可达1 . 9 5 % ( W / V ) 笔者又将这些优良菌株用于研制开菲尔牛奶酒 的最佳发酵条件是前发酵温度为3 0后发酵温度 为 2 3后发酵时间为5 4 h 纯培养发酵剂接种量为 8 % 蔗糖加入量为6 % 酒精含量可达2 . 9 7 % ( W / V ) 成品开菲尔酸马奶酒和牛奶酒组织状态均匀细腻呈 乳浊液状无沉淀或具有少量沉淀口感滑润细腻 杀口感强具有产香酵母典型的发酵醇香和浓郁的酯香 味酒体醇厚风味柔和酸度适中 5开菲尔制品的展望 被誉为乳中之香槟的开菲尔不仅具有一般饮 料中所没