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從零開始的起司鍊成之旅

衛生福利部食品藥物管理署_96
・2018/10/24 ・3387字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

  • 文/文詠萱
在台灣像這樣大型的天然起司相當少見。圖/pixabay

起司,又稱為乾酪,在世界飲食文化發展中佔有相當的重要性,它不僅含有鈣質等營養成分,而且其中蘊含的文化意義,還可以為生活增添情調。

臺灣常見的起司多為起司片、起司條等再製乾酪(即再製起司)產品,而天然起司多為外國進口,為什麼臺灣自製起司如此少見?世界上有千種起司,又是怎麼製造的?

這次我們邀請臺灣大學動物科學技術學系陳明汝教授從原料乳開始,為我們介紹關於起司的製程、加工原理,讓你更理解吃下肚的各種起司,究竟是如何鍊成的!

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起司的基本製作流程。(點圖放大)

起司的原料乳品有哪些講究?

在天然起司歷史源遠流長的歐洲,起司製作不僅是食物,更是一門工藝。每個製程環節都需講究細節,原料乳的選擇與處理本身就是一門大學問。

起司的原料為生乳,一般會以巴氏德殺菌法來進行殺菌,消滅鮮乳中的致病菌,並嚴格控制其生菌數。

生乳加熱的溫度也會影響到起司最終的品質與口感,有些起司製作時加熱的溫度會稍微低一些,為了保存其中特殊的微生物,以及牛乳天然的蛋白酶和脂肪酶,讓起司熟成後會有特殊的風味。有些則提高加熱溫度、增加加熱時間,讓乳清蛋白變性與酪蛋白結合,這樣製成的起司由於增加了乳清蛋白,再加上乳清蛋白保水性佳,產率較高,起司成品比較軟。

說到起司,就一定要從乳品談起啦。圖/pixabay

為什麼製作起司一定需要生乳呢?超市買到的牛奶就不能做起司嗎?生乳跟一般市面常見鮮乳不同在於是否經過「殺菌」及「均質化」(homogenization,使互不溶的成分成為穩定而均勻的液態懸浮物)處理。未經均質處理的生乳,在放置一段時間後,會因為油水不相容的關係浮出一層脂肪,有助於後續凝結製造起司;而均質則會讓脂肪球變小並與酪蛋白結合,進而在起司製程中影響牛乳凝結、使起司成型不佳。

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由於臺灣牛奶收購價格較高,排掉乳清比較浪費,所以會將生乳加熱至攝氏100度左右,讓乳清蛋白變性,與酪蛋白結合。其實,將乳清蛋白保留在起司原料中,除了能增加起司產量,還因為乳清蛋白跟水的結合力較強,能在製程中保留較多水份,使得起司成品口感更軟。

牛乳中的蛋白質約80%為酪蛋白、20%為乳清蛋白,一般起司製程中大多留下酪蛋白,被排除的的乳清蛋白則可用來製作其他副產品,像是健身族會食用的乳清蛋白粉等。

從原料到成品冷卻、排水與壓製

經過殺菌後的原料乳降溫後,會加入發酵菌種,例如乳酸菌,而不同菌種也會影響起司最後展現的風味。菌種放入後,醱酵半小時至一小時,讓酸度上升(pH值下降),直到 pH值降到 6 以下時,再加入凝乳酶使原料乳凝固,此時看起來就像豆花或豆腐狀。

凝乳完成後,會將凝乳切割成小塊、增加乳清排除的面積及速度。切割大小會影響起司最後的軟硬度,切割愈大塊排水愈慢,導致含水量愈多,起司就會愈軟;以此類推,切成小塊的起司成品相對比較硬。凝乳切割後,會稍微提高溫度,讓凝乳塊中的蛋白質收縮,促進乳清排除。乳清排除後,會加入鹽與凝乳塊混合,接著進行壓實,讓更多乳清排除並成型。

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大部分起司的前段製程相似,但後續會因為熟成時間、熟成條件、是否上蠟等製程差異,讓起司有不同種類。

例如,莫札瑞拉起司(mozzarella cheese)為了增加其延展度,會將凝乳塊放在攝氏 70 度的水中攪動,增加蛋白質的彈性,最後再放入冰水中。而高達起司(gouda cheese)為了避免起司因為接觸空氣而發霉,會在外層封上一層蠟,再進行長時間熟成。

莫札瑞拉起司 (mizzarela cheese),水分含量很高的天然起司。圖/pixabay

還有些起司在壓製後會放入鹽水中,提高起司風味,為了不影響起司風味(變太鹹)、或是影響起司中菌種生存,鹽水濃度多控制在1.5%左右。而市面上常見的軟質藍紋起司(blue cheese),會在壓實後,於表面切出一條一條的凹洞,另外撒上黴菌。

起司若根據國際法典(Codex)以含水量分類,可分為極硬質起司(MFFB少於 51%以下,例如帕瑪森起司)、硬質起司(MFFB介於 49~56%之間,例如多數的切達起司)、半硬質起司(MFFB 介於 54~69% 之間,例如常見有孔洞的艾曼塔乳酪)和軟質起司(MFFB 67%以上,例如莫札瑞拉起司,或製作提拉米蘇的馬斯卡朋起司)。起司水分多寡除了左右軟硬度外,也會影響保存期限,當水分含量愈低,水活性通常也愈低,保存期相對比較長。

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  • 註:MFFB (moisture on a fat-free basis),即無脂肪的含水比:起司的水分重量/(起司總重-脂肪重量)

除了生乳、菌種等原料外,在美國、歐洲等地製作天然起司允許加入食品添加物。像是加入少許氯化鈣,可幫助凝乳酶讓起司凝固;有些煙燻起司則是加入硝酸鹽類(nitrates),以增添風味、幫助抑菌(但根據我國「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」,目前仍不允許將硝酸鹽添加於乾酪裡);還可以加入色素讓起司呈現色澤,主要以 ß-胡蘿蔔素為主。

什麼是再製乾酪

臺灣市面上最常見的起司產品,如起司片、起司條等,其實是前述天然起司經過再次加工製造而成,又稱為「再製乾酪」(processed cheese),或稱再製起司、加工起司。再製乾酪樣貌多元,有片狀、條狀、絲狀、牙膏狀、罐頭、噴式等各種型態。再製乾酪的概念源自於打仗行軍時的保存需求,軍隊將原本的天然起司加熱殺菌,融化後放涼又會再度凝結,成為較容易保存、不易腐壞的再製乾酪。

再製乾酪以天然起司為原料製作,起司需先切碎、加熱,加熱溫度會因後續用途不同而有差異。

再製乾酪的第一步:切碎。(本圖僅為示意)圖/pixabay

由於不能讓每一批再製起司的口感風味差異太大,所以再製乾酪業者多半依照比例混合兩種以上的天然起司,並且另外加入食品添加物以達到標準品質。

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天然起司溶解後,內含脂肪會浮出,因此,再製乾酪可能會加入磷酸鹽類品質改良劑(如:磷酸二氫鈉)或乳化劑,以幫助脂肪乳化。按照國際食品法典委員會(Codex)規定,添加磷酸鹽每公斤不能超過 40公克,而臺灣現行標準更嚴格,規定用量應在每公斤 3公克以下(以磷酸根 phosphate 計算)。

此外,起司製程還可能加入檸檬酸與防腐劑延長保存期限,或添加色素(如 ß-胡蘿蔔素)讓賣相更好。最後再進入填充包裝、冷卻、銷售等環節。

再製乾酪解密。(點圖放大)

為什麼臺灣很難自製起司

臺灣不容易製作起司的原因包括「氣候」「原料」2 項因素。氣候條件讓天然起司發酵與存放環境受限,再加上起司裡的菌種與酵素具有活性,需待在攝氏 5~7 度的環境裡,因此天然起司的儲藏、運用限制較多。除此之外,臺灣牛奶收購價與國外相比高很多,也不利於自產自銷起司。

即使先天環境不利,但市場需求仍然龐大,於是衍生出更容易保存、方便運用,價格也相對親切的再製乾酪。雖然再製乾酪比較容易存放,但開封後仍必須依據產品標示適當冷藏或冷凍,並且盡快吃完。

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小小起司裡蘊藏了許多食品加工技術的智慧,不管是來點天然起司搭配好酒,或是使用再製乾酪增添料理變化,盡情享受起司為你帶來的人生樂趣吧!

參考資料:

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

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衛生福利部食品藥物管理署_96
65 篇文章 ・ 22 位粉絲
衛生福利部食品藥物管理署依衛生福利部組織法第五條第二款規定成立,職司範疇包含食品、西藥、管制藥品、醫療器材、化粧品管理、政策及法規研擬等。 網站:http://www.fda.gov.tw/TC/index.aspx

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從起司工廠的廢棄物到健身必備,貴鬆鬆的「乳清蛋白」是怎麼來的?
Sophia
・2019/07/24 ・5426字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

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近年來,一股健身風氣吹進了台灣,讓蛋白補充品的市場更加蓬勃發展。定睛一看,除了多了很多阿壯與翹臀妹以外,各大量販、電商、超市與代購也出現了琳瑯滿目、口味多變的乳清蛋白產品。

產品口味從早期的草莓、巧克力與香草三大天王,到現在相當風潮的抹茶、奶茶、摩卡、香蕉、芒果、起司蛋糕與優格等;產品形式也從單純的沖泡粉,出現了零食棒、點心塔等烘焙產品。讓下班還要衝健身房打卡的網紅們,有了更便利快速補充營養的選擇。

健身風氣吹進了台灣,讓蛋白補充品也開始熱門了起來。圖/picryl

乳清蛋白珍貴的原因是甚麼?

乳清原料主要來自於起司工廠的副產物。不過在台灣,酪農生產以供應鮮乳為主,並無大量生產起司的工廠,因此台灣品牌如戰神、All in 和 Sparkprotein 等,雖然產地在台灣,使用的乳清蛋白還是需向國外購買,再運至台灣調配,因此關於乳清蛋白的製造流程,台灣能提供的資料較少。這樣物以稀為貴,進口還要加上關稅,讓乳清蛋白在台灣價格不是那麼美麗,也讓人萌生直接吃肉不就好了的想法。要補充蛋白質,除了乳清蛋白外,當然也有蛋粉、大豆蛋白、碗豆蛋白及麻蛋白等商品供選擇,還有便利商店就買的到的即食雞胸肉、蛋等。

乳清蛋白最常見的產品形式就是沖泡粉。圖/wikimedia

不過除了補充蛋白質之外,乳清蛋白還有些其他的效果讓人難以捨棄。Bear 等人在 2011 年發表的研究顯示,每天補充兩份乳清蛋白(共計 56 公克蛋白質),就算只是每天做個深呼吸運動,也比吃具有相同蛋白質含量的大豆蛋白、或相同熱量的麥芽糊精,更有降體脂的作用並;乳清蛋白在其他研究中,也出現配合其他條件能即時提升肌肉質量,或調節血糖、改善第二型糖尿病的效果 (Frid et al, 2005;Mortensen et al, 2012)。

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其實,乳清蛋白一開始是各大起司工廠的燙手山芋、會造成環境汙染的廢棄物。到底後來又經過了哪些處理過程,讓乳清蛋白翻身,成為現在的廣告裡,所謂「牛奶中最珍貴的成分」,一家賣得比一家貴呢?

乳清蛋白原本是製作起士產生的廢棄物。圖/pixabay

從廢棄物變身為商品

回過來從頭講起,牛奶中的蛋白主要分為酪蛋白與乳清蛋白,各佔 80% 和 20%。在起司加工的過程,隨著酸或凝乳酶加入,酪蛋白會凝結成塊,並排出大量的淡黃色液體,也就是乳清。乳清中有 93% 是水,若直接加熱乾燥,耗能耗時,且蛋白含量僅佔乳清乾重的 13%,早期多直接廢棄或作為飼料。

另外,也因為營養價值與水分含量高,容易受微生物汙染腐敗,發酵產生乳酸,破壞乳清營養價值並產生異味。如果直接排放也會造成河川優養化等問題,所以從 1950 年代開始,隨著大型起司工廠設立,乳清蛋白的去處變成急待解決的難題。

圖/pixnio

但後來,透過應用膜過濾技術,不但解決了廢棄物處理問題,也加速了乳清蛋白的各式產品誕生。不管是正在喝,還是開始要選購乳清蛋白的人一定會注意到,除了口味之外,乳清蛋白的品項相當多樣,還會再細分成濃縮乳清蛋白(whey protein concentration)、分離乳清蛋白(whey protein isolate)還有水解乳清蛋白(whey protein hydrolysate),以及近期大廠還推出源型乳清蛋白(未變性乳清蛋白)註1

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而這些產品之間始終存在一股微妙的價差,蛋白質含量也有些不同,此外還會混合多種來源的蛋白改變組成,這些也讓購買乳清蛋白變得難單純以蛋白純度做購買單價的考量。

這麼多種多樣的乳清蛋白產品,其實差別的祕密都藏在工廠裡。乳清蛋白只是個統稱,除了營養與口味等因素外,最主要差別在於各家工廠都有自己生產乳清蛋白的小撇步。而乳清的副產品也不只有乳清蛋白而已,還有乳糖和其他具生理活性的特殊成分,它們也因為作為配方食品、保健食品、護膚產品和牙膏的原料而漸漸受到重視。廠商調整產品線到最適化的生產方式後,就演變成現在市面上百家爭鳴,各有特色的乳清蛋白產品。

乳清蛋白的主要來源與組成

要了解工廠生產的流程如何影響最終產品,就要從乳清蛋白的成份說起。

乳清蛋白主要分成 β-乳球蛋白(β-lactoglobulin)、α-乳白蛋白(α-Lactalbumin)、血清白蛋白(serum albumin)、免疫球蛋白(immunoglobulins),與一些次要蛋白質,如:乳鐵蛋白(lactoferrin)、糖巨肽,及多種生物活性胜肽與生長因子等。每種蛋白質的胺基酸組成不同,具有各自的營養保健功能。市面上販售的乳清蛋白的蛋白組成比例會依照加工方式有所變動最多以有五種蛋白質為主,其餘的蛋白質皆屬微量存在,近年也有研究希望能將乳清中各種蛋白各別分離,做出供特殊用途之產品。

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不過本文中介紹這些蛋白質重點不在討論營養價值,而是其物理化學特性上的差異,這是將蛋白質從乳清中分離的基礎。隨胺基酸組成與數量不同,分子大小會有不同,當分子量達兩倍差異時,即使是非專一性的膜過濾也可以達到分離效果。此外不同蛋白的立體結構、表面疏水特性及對熱的穩定度不同,商業上也會利用加熱讓蛋白質結構展開變性,或改變疏水性,或用酵素水解蛋白,以達到分離目的。

乳清中常見蛋白之物化特性

蛋白質 分子量 (Da) 等電點 乳清中佔比
(%)
乳清中攜
帶電荷
相關離子
交換膜
β乳球蛋白 183,000 5.35-5.49 40-55 陰離子
α乳白蛋白 14,000 4.2-4.5 11-20 陰離子
免疫球蛋白 15,000-
1,000,000
5.5-8.3 8-11 + 陽離子
血清蛋白 69,000 5.13 4-12 陰離子
乳鐵蛋白 77,000 7.8-8.0 1 + 陽離子
乳過氧化酶 77,500 9.2-9.9 1 + 陽離子
糖巨肽 8,000 2.8 15-20 陰離子

(資料來源:Goodall et al, 2008)

胺基酸帶有的官能基會讓分子表面同時帶有正電荷與負電荷,而在適當 pH值下,蛋白質表面電荷處於電中性狀態則稱為等電點(isoelectric point, PI)。環境中的 pH 值大於蛋白質 PI 值時,蛋白質帶負電,相反狀態時則帶正電。因此當蛋白質的 PI 不同時,可藉由調整乳清酸鹼度,讓蛋白質攜帶不同電荷而達到分離效果。

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簡單來說,製程中改變酸鹼值、酵素與熱處理等因素,皆會影響最終乳清蛋白產品的溶解性、起泡性、凝膠溫度與風味。基本的物化特性會影響加工中分離與純化出的各式乳清蛋白的量,而相對應的改變商品組成,並造成不同的沖泡、飲用品質與吸收效率。

圖/publicdomainfiles

不同分離技術的排列組合,是製作乳清商品的機密

市面上最常見的兩種乳清蛋白產品,濃縮乳清蛋白分離乳清蛋白,兩者最明顯的差異在於蛋白質含量:濃縮乳清蛋白的蛋白質含量範圍在 35-80%,尚含有乳糖、脂肪與灰分;分離乳清蛋白的蛋白質含量在 90%以上。要達到分離乳清蛋白的蛋白質純度,除了基本的超過濾以外,還要利用前面介紹的蛋白質特性,使用離子交換或微過濾技術來去除非蛋白成分。

商業上常用的乳清製造流程圖。(泛科學製圖,作者資料整理,資料來源:Huffman et al, 1999.)

上圖簡單表示了商業上常用的分離蛋白技術,詳細的排列順序則會依照機器廠牌與生產的產品而有所變動。

使用超濾膜與透析過濾製成的濃縮乳清蛋白

首先,濃縮乳清蛋白的生產是由超濾膜過濾(Ultrafiltration, UF)註2開始的。首次過濾後 100kg 的乳清約可得到 17kg 的濃縮液(滲餘物)與 83kg 的滲透液。這些濃縮液保有原來乳清中大於 99% 的蛋白質、幾乎全部的脂肪、與約一半的乳糖、灰分(可視為無機鹽類)和非蛋白質含氮化合物。

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因此經過超濾膜過濾處理提升固形物含量,乾燥後可得到蛋白質含量約 35% 的乳清蛋白,伴隨著 47% 乳糖,8%灰分與 2% 脂肪。而過濾過程中的流量與預處理如加水、濃縮與加熱等,也會影響整體組成與滲餘物含量。隨著增加濃縮次數與加水透析過濾,可再進一步去除部分乳糖與礦物質,得到整體蛋白質含量達 80%、脂肪含量 7%、乳糖含量 4% 與灰分含量 3.1% 之濃縮乳清蛋白產品。而為了達到良好的經濟效益,濃縮液最好濃縮到固形物含量在 25% 左右,搭配後續的蒸發濃縮或逆滲透濃縮與噴霧乾燥技術,即可製成常見的濃縮乳清蛋白。

製造分離乳清蛋白最常用的方法:離子交換法與錯流微濾膜過濾法

而要達到更高濃度的蛋白質比例,前面的辦法就不夠用囉。商業上製造乳清分離蛋白,最常見則是以離子交換法(Ion-Exchange Chromatography, IEC)或錯流微濾膜過濾法(Cross Flow Microfiltration, CFM)。

隨著 1980 年引進 IEC 離子交換樹脂技術,加酸讓大部分乳清中主要蛋白攜帶正電荷(pH值低於PI),會吸附在帶負電的樹脂上,將多餘的乳糖與其他非蛋白質成分洗脫後,再加鹼使溶液 pH 值升高,讓蛋白質脫離樹脂,此步驟幾乎可以去除全部的乳糖與脂肪,再搭配超濾與透析過濾去除水分與礦物質。乾燥後可得到 95%蛋白質含量的乳清蛋白,分離純化的效果非常不錯。然而此方法會搭配熱與酸以達到較佳的分離效率,因此收集到的多為變性蛋白。

CFM 則是利用微濾膜過濾方式將脂肪、變性蛋白與不溶顆粒與細菌從乳清中去除,因專一性低,分離後的蛋白質含量較 IEC 稍低,約為90%。但是相對的,由於不需要加熱或額外添加化學藥劑調整酸鹼值,被認為可以保留較好的蛋白質生物活性與風味。特別是像是糖巨肽這類的蛋白質,因 PI 值較低,在傳統離子交換法中會直接被去除,而許多研究顯示其能刺激一種控制食慾的腸胃荷爾蒙「cholecystokinin」的分泌,此賀爾蒙除了能進一步降低食慾除外,也有抑菌以達到免疫調節功能,但在陽離子交換製成的分離乳清蛋白中幾乎不被保留。

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製造成本上來說,由於 CMF 有體積依賴性,生產成本與處理溶液的體積成正比,而離子交換法主要依賴多少蛋白質吸附於樹脂上,而在未濃縮處理的乳清中蛋白質含量只有0.6%,因此相較起來,離子交換法生產成本較低,許多廠商依然對此種生產方式仍具有相當的信心,並持續投入 IEC 的改良研發。

更多新技術新品項持續出現中……

隨著技術的進步,有越來越多的新方法也開始被應用於乳清蛋白的製程中。如冷連續式陰離子交換樹脂層析因不用熱與酸處理,可以保留較多的糖巨肽與其他蛋白的生物活性,所以有些廠商會特別強調此種方法得到的為富含糖巨肽之分離乳清蛋白。此外還有「源型乳清」直接使用脫脂奶製造,強調冷過濾製程;甚至是含有專一性酵素水解讓身體更好吸收的水解乳清蛋白產品等。這些新的技術與介紹,都可以漸漸在國外各大乳清蛋白的品牌中出現。

身為消費者,當然樂見更多好商品的誕生。不管是有專業健身需求,作為運動前預防補給或是運動後即時補充,可選擇純度高的分離乳清蛋白、或是保留較多機能性成分的乳清蛋白。想要好吸收、以及避免對部分蛋白過敏的人,可以選擇水解乳清蛋白。只是想維持正常體位,而食用乳清蛋白增加蛋白質攝取量、與提升飽足感,可以購買較為便宜的濃縮蛋白等。不過乳清蛋白始終是補充品,可不能完全取代正餐中的豆魚肉蛋類。而身為食品人,透過這個典型的廢棄物變黃金的故事,持續探索,也許下個挖到寶的就是你。

註解

  1. 「乳清」這個詞除了是起司製作時排出可溶性物質的代稱,近年來也代表了牛奶中酪蛋白膠微粒(casein micelles)以外的物質。這兩種不同的原料會因為菌酛(mother starter)本身的蛋白質,細菌代謝產物與凝乳酶作用於酪蛋白的產物,如糖巨肽等,而造成最後商品的成份有差異。使用牛奶直接製成乳清蛋白也可以減少蛋白質受熱,或是避免因過酸等因素而變性,因此在商業上也會將直接用牛奶加工製成的乳清蛋白另稱為源型乳清蛋白。
  2. 膜分離技術是指在分子水平上,不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時,實現選擇性分離的技術,半透膜又稱分離膜或濾膜,膜壁布滿小孔,根據孔徑大小可以分為:微濾膜(Microfiltration, MF)、超濾膜(Ultrafiltration, UF)、納濾膜及反滲透膜等。MF 膜可用來阻擋粒徑在 0.05 ~ 10 微米間的粒子,通常操作壓力在 0.5 ~ 2 大氣壓就可獲得有效濾速,讓溶解蛋白質通過,可濾除細菌。UF 膜則用來分離粒徑較小的巨分子或所謂的膠體(colloids),其膜孔大約在 5 ~ 100 奈米,因可去除較大的有機分子,常以能阻擋粒子的分子量來表示其分離能力。超過濾膜通常可攔截分子量約在 0.5 ~ 50 萬之間的分子,施加的操作壓力則在 1 ~ 10 大氣壓之間,大部分可溶性蛋白質無法濾出。除了膜孔徑大小,膜表面的化學性質等也分別有不同的截流作用。

參考資料

  • 羅英琪, 陳奕鳴, 王國慧, & 黃啟彰. (2015). 運動營養補充品乳清蛋白之多樣生物活性探討. 運動教練科學, (37), 105-121.
  • Baer, D. J., Stote, K. S., Paul, D. R., Harris, G. K., Rumpler, W. V., & Clevidence, B. A. (2011). Whey protein but not soy protein supplementation alters body weight and composition in free-living overweight and obese adults. The Journal of nutrition, 141(8), 1489-1494.
  • Brody, E. P. (2000). Biological activities of bovine glycomacropeptide. British Journal of Nutrition, 84(S1), 39-46.
  • Deeth, H. C., & Bansal, N. (Eds.). (2018). Whey Proteins: From Milk to Medicine. Academic Press.
  • Goodall, S., Grandison, A. S., Jauregi, P. J., & Price, J. (2008). Selective separation of the major whey proteins using ion exchange membranes. Journal of dairy science, 91(1), 1-10.
  • Huffman, L. M., & Harper, W. J. (1999). Maximizing the value of milk through separation technologies. Journal of dairy science, 82(10), 2238-2244.
  • WHEY PROCESSING
  • MEMBRANE SEPARATIONS
Sophia
6 篇文章 ・ 4 位粉絲
與許多食品人一樣誤打誤撞,只因為愛吃進入了這個領域,一腳踏入後發現這坑太大,不多拉些人進來那怎麼可以!

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先有乳腺還是先有哺乳類?——《與達爾文共進晚餐》
天下文化_96
・2019/03/12 ・2454字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

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乳汁,一種專門演化出來給我們吃的食物

圖/pixabay

我們可以確實說,乳汁是唯一一種專門演化出來給我們吃的食物。我們把這個演化的禮物和其他生物共享,製成了起司。製造起司時,乳汁中的一小部分能量給了那些生物,它們慷慨回報無窮的好味道。乳腺,以及有時從乳腺分泌而出的乳汁,對哺乳類所有新生兒的生存都無比重要,真不知道哺乳類的祖先在還沒有乳汁時是怎樣活下去的。我們對於任何適應,都可以提這個問題。

達爾文在《物種原始》中堅稱,天擇造成的演化是一種漸進的過程,大自然不會突然跳一大步,而是踩著小碎步,經過長久的時間,才造成顯著的變化。他認為漸變論是天擇演化的基礎,讓這個理論能夠接受測試,並且寫道:

「如果有任何複雜的器官不是經由許多複雜、連續且細微的改變而造就的,那麼我的理論就完全失敗了。」

生物學家米瓦特(St. George Mivart)一直抓著這個句子攻擊達爾文的理論(他的名字是聖喬治,和傳說中的屠龍英雄一模一樣,或許因為這樣,覺得自己要有一樣的精神),指出古老祖先最早的乳腺應該還沒有發育完全,對於新生小動物來說根本沒有絲毫用處。他說:

「有某個動物年幼的時候能夠活下來,是因為偶然間吸取了母親皮膚上偶然出現的腫大腺體所分泌的一滴液體,其中的營養成分還少得可憐,這種說法可信嗎?」

好一個有著既定觀點的問題。

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生物學家米瓦特(St. George Mivart)。圖/wikimedia

從汗腺演化而來的乳腺,比哺乳類更早出現

米瓦特年輕的時候支持達爾文的理論,但是在成為演化學家的過程中,由於本身在宗教上的信仰,他抗拒天擇的普遍性,也反對完全不含有上帝設計或指導的這個演化理論。

一八七二年,達爾文在進行《物種原始》第六版(也是最後一版)的修改工作時,發現需要撰寫一章全新的內容,才能夠回答米瓦特的各種批評。

可愛的鴨嘴獸。圖/wikimedia

在這一章中,達爾文寫道:「所有哺乳類動物皆具備乳腺,其存在無庸置疑,且必在遙遠古時便已出現……」達爾文繼續說道,米瓦特質疑原始的乳腺對於後代的用處,這個問題其實並不恰當,因為當時已經知道,鴨嘴獸有類似的器官,年幼的鴨嘴獸會直接從母獸皮膚上的腺體吸取乳汁,皮膚上並沒有乳頭,鴨嘴獸幼兒不太可能出現米瓦特所說的那種問題。

鴨嘴獸是卵生的哺乳動物,這類動物稱為「單孔類」,人們認為牠們類似早期的哺乳動物。只有澳洲才有野生的鴨嘴獸,牠們在夜間活動,白天躲在地道深處。在一八七二年的時候,鴨嘴獸能夠生蛋這件事情,還只是沒有經過確認的謠言。

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如果當時達爾文就知道鴨嘴獸除了有原始的乳腺之外,還會生蛋,那麼他應該可以更用力強調這種動物是演化史上的孑遺生物,是哺乳動物產卵的祖先和後來具備完整乳頭的哺乳動物之間的過渡期。

就和達爾文當年的推測一樣,製造乳汁的腺體在結構上類似於皮膚上的汗腺,乳腺幾乎可以確定是由汗腺演化而來、具有特殊功能的腺體。他也正確推論出泌乳的古老起源。

現在的遺傳學與生物化學證據指出,最早的哺乳動物大約在二億年前出現。包括鴨嘴獸在內,會分泌乳汁的動物全部具備了一群相同的基因,製造出基本成分相同的乳汁,這便是證據。所有的哺乳動物都得起源於一個共同祖先,這個祖先當時便有了完整的泌乳機制,才會出現後來這樣的狀況。

由於泌乳機制本身很複雜,需要時間才能演化出來,因此起源的時間必定早於二億年前。這聽起來很矛盾,但是蛋比飛鳥更早出現,乳腺和乳汁也比哺乳動物更早出現。

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乳糖的優勢:避免細菌及酵母菌感染乳腺

乳汁是一種特殊的液體,有兩種相輔相成的功能:

提供營養,以及提供保護。

營養來自於乳汁中的蛋白質、脂肪、糖類(乳糖)、鈣質與其他礦物質。保護來自於乳汁中的抗體,以及其他具備抗菌功能的酵素,這些成分在初乳中特別豐富。初乳是剛出生哺乳動物最早吸到的乳汁,其中也含有母親的免疫細胞。

乳汁中含有的碳水化合物,全都是罕見的糖類:乳糖,而不是所有細胞都能夠共通使用的葡萄糖。這種情況很少見,值得注意。哺乳動物為什麼要提供這種需要消化之後才能利用的碳水化合物給幼兒?如果乳汁中含有的是即刻便能利用的高能葡萄糖,對幼兒不是更好嗎?答案可能在於乳糖的獨特性質,具備了葡萄糖所缺乏的優勢。世界上到處都充滿想要大吃葡萄糖的細菌和酵母菌,只有幾種細菌能夠利用乳糖。

想想看細菌或酵母菌感染了乳腺之後,會對母親和幼兒造成什麼樣的災難?

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圖/pexels

釀酒者利用了酵母菌無法讓乳糖發酵的特性,在啤酒中加入乳糖以增加甜味,製造出來的啤酒稱為牛乳司陶特(milk stout)。如果加的是葡萄糖或是蔗糖,酵母菌會把這些糖類轉換成酒精。

乳糖酵素與乳糖不耐症,都是對偶基因在作怪

如果要用特殊的糖類餵養幼兒,會產生一個問題:幼兒需要特殊的酵素分解乳糖,之後才能加以利用。哺乳類的幼兒能夠製造乳糖酶來解決這個問題。當幼兒長大斷奶之後,乳糖酶便愈來愈少,最後身體不再製造這種酵素,因為沒有需要了。成年動物吃的食物中沒有乳糖。所以,哺乳類在小時候把乳汁中的乳糖當作能量來源,成年後卻通常無法消化乳糖。

人類成年後往往也無法消化乳糖。

如果你有乳糖不耐的狀況,又吃了沒有經過發酵的新鮮乳汁,那麼可能會腹瀉、肚子疼,因為腸胃道的細菌會大吃這些乳糖,讓你的肚子漲氣。如果你能夠耐受乳糖,是因為你身上有一種對偶基因,讓你在成年後依然持續產生乳糖酶。這類突變的出現與散播,與個人的家族歷史有關。

摘錄自《與達爾文共進晚餐》,2018 年 10 月,天下文化出版

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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「它根本不是人吃的東西!」這是大腦在面對討厭食物時的內心吶喊——2017搞笑諾貝爾醫學獎
Peggy Sha
・2017/10/12 ・2583字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 462 ・五年級

想想你昨天的晚餐,有沒有遇到什麼讓你難以下嚥的食物呢?我們或多或少都會在餐桌上看到命定的剋星:芹菜、香菜、花椰菜、番茄……但是,如果要你說說自己到底有多討厭那些食物,或為什麼討厭那些食物,大概也很難形容吧?

不要香菜!不要花椰菜!圖/By JerzyGorecki @Pixabay

不過呢,科學就是要講求精細的,於是,來自法國的研究團隊決定利用 fMRI 來看看人們對食物的厭惡程度,而這個研究,甚至讓他們獲得了 2017 年第 27 次第一屆搞笑諾貝爾獎呢!

傑利鼠最愛的起司,居然是顧人怨冠軍?

桌上食物百百種,正所謂青菜蘿蔔各有所好,研究者要怎麼決定用哪種「顧人怨」的食物呢?

研究團隊先利用報紙的廣告找到了 300 多位不同年齡、不同性別的人士,而後讓他們填寫問卷,並使用李克特量表(Likert scale)表示出自己對於 75 種食物的感覺。如果受試者有特別不喜歡的食物,研究者會進一步追問:不喜歡是因為食物不耐症呢、還是你有過敏呢、還是文化影響呢、還是你的飲食習慣特殊(eg.素食)呢?(香菜厭惡者表示:啊我就只是純粹看它不爽!)

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食物偏好問卷中共有 8 個類別、75 種食物,你有什麼特別喜歡或討厭的嗎?圖/實驗圖片

在經過問卷調查之後,研究團隊發現到,在八種食物類別中,不喜歡起司的人最多。在 332 位受試者中,竟然有高達 11.5% 的人表示自己不喜歡起司;其中,更有 6% 的人給了起司 0 分跟 1 分(真的超級討厭的啦!)。這在研究者眼中其實是非常不可思議的一件事,因為法國可是充滿著各式各樣的起司啊!

到底有多討厭起司?把起司討厭者送進 fMRI吧

在處處是起司的法國,居然有很多人討厭起司!?圖/By corinnabarbara @Pixabay

在得到問卷的結果後,研究者決定鎖定令人避之唯恐不及的「起司」來當作研究目標。他們想知道:喜歡起司和討厭起司的兩種人,他們的大腦究竟有何不同呢?為了解開這個謎題,研究者找了 30 位女性,她們皆是右撇子、嗅覺正常、年齡相仿,唯一的差別是:其中 15 位喜歡起司,而另外 15 位則討厭起司。挑選完畢後,研究者便將把她們送進 fMRI 的機器中。

讓我來看看你的大腦吧,嘿嘿嘿~
圖/By EconomicsUZH, CC BY-SA 4.0 @wikimedia commons

在機器中,受試者會帶上氧氣面罩,而研究人原則站在外頭,手上拿著個神祕的幫浦,只要輕輕一按,就可以透過嗅覺儀(olfactometer),將各種氣味傳到面罩中:起司、小黃瓜、蘑菇、比薩……只要聞到氣味,受試者就可以按下按鈕,以 1~5 分來表示自己對於氣味的厭惡。而除了 12 種氣味(6 種不同起司的味道、6 種其他食物的味道)之外,研究者也進一步使用視覺刺激,將 12 種食物呈現於受試者眼前。

喜歡、不喜歡,請選擇!圖/實驗圖片

由於 fMRI 並沒有辦法確實看到神經元活躍的情形,只能測量神經元活動引發的血流改變,所以,這種研究仍然有其限制。不過,光是看血液的變化也告訴了我們非常多資訊,在這個實驗中,研究者發現到:討厭起司氣味的人,一旦聞到起司的味道或看到照片,大腦中的「外蒼白球」(GPe)、「內蒼白球」(GPi)以及「黑質」(Substantia nigra)這三個部位的血液流動就會變得十分不一樣。

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不喜歡起司之人的 A 區域較(喜歡起司的人)活躍,喜歡起司的人則在 B 區域較(不喜歡起司的人)活躍。(圖中深綠部分表示不喜起司、淺綠是喜歡起司。)圖/實驗圖片

究極偏食大絕:不把討厭的東西當食物!

在過去的研究中,科學家發現這三個部分跟大腦裡的「獎賞系統」有著密切關聯,也就是說,通常它們會在你遇到「喜歡」的事物時變得活躍。獎賞神經迴路會釋放出讓人愉悅的化學物質,讓你對食物深深著迷,才不會一不小心就餓死自己。

然而,現在團隊卻進一步發現:獎賞神經迴路跟「厭惡」居然也息息相關。這個發現表示出:其實讓你喜歡食物和討厭食物的可能是同一套系統,只是操作方式不同而已。如果要讓你喜歡上一種食物,大腦會在你吃它時感到快樂;而如果要讓你討厭一種食物,大腦就在你避開它時給你點甜頭。所以,外蒼白球、內蒼白球和黑質不只讓你記下喜歡的東西,也會讓你記下討厭的東西,進而對於特定食物產生厭惡、逃避或偏食的情形。

也就是說,你可能不是討厭起司,而是喜歡「討厭起司的感覺」。(請叫我科學彼得蘇謝謝~)

不愛吃起司?那你得問問自己的外蒼白球、內蒼白球和黑質。圖/By szfphy @Pixabay

一方面,團隊也發現到:如果缺乏對起司的渴望,那麼你的腹側蒼白球(Ventral pallidum)就會顯得較不活躍。那麼,腹側蒼白球原本會在什麼時候活躍呢?答案是:當你肚子咕嚕咕嚕叫、眼前又剛好出現食物的時候。

這個區域對誘因性動機(incentive motivation)來說非常重要,它的活躍就是大腦在告訴你:「食物就在你前面!快去吃!」討厭起司的人在面對一般食物時也會出現這種反應,然而,當他們看到起司、聞到起司味的時候,腹側蒼白球卻罷工不幹了。而它罷工的結果就是,讓它的主人完全不會想要去吃起司。(既然這麼討厭它,我就不把它當食物啦!)

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這麼看下來,有沒有覺得好像為自己的偏食找到了理由呢?(不是我不吃,是我的大腦叫我不要吃!)

參考資料:

  1. Winners of the Ig® Nobel Prize
  2. Jean-Pierre Royet, David Meunier, Nicolas Torquet, Anne-Marie Mouly and Tao Jiang, “The Neural Bases of Disgust for Cheese: An fMRI Study” Front. Hum. Neurosci., 17 October 2016 | https://doi.org/10.3389/fnhum.2016.00511
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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從零開始的起司鍊成之旅
衛生福利部食品藥物管理署_96
・2018/10/24 ・3387字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

  • 文/文詠萱
在台灣像這樣大型的天然起司相當少見。圖/pixabay

起司,又稱為乾酪,在世界飲食文化發展中佔有相當的重要性,它不僅含有鈣質等營養成分,而且其中蘊含的文化意義,還可以為生活增添情調。

臺灣常見的起司多為起司片、起司條等再製乾酪(即再製起司)產品,而天然起司多為外國進口,為什麼臺灣自製起司如此少見?世界上有千種起司,又是怎麼製造的?

這次我們邀請臺灣大學動物科學技術學系陳明汝教授從原料乳開始,為我們介紹關於起司的製程、加工原理,讓你更理解吃下肚的各種起司,究竟是如何鍊成的!

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起司的基本製作流程。(點圖放大)

起司的原料乳品有哪些講究?

在天然起司歷史源遠流長的歐洲,起司製作不僅是食物,更是一門工藝。每個製程環節都需講究細節,原料乳的選擇與處理本身就是一門大學問。

起司的原料為生乳,一般會以巴氏德殺菌法來進行殺菌,消滅鮮乳中的致病菌,並嚴格控制其生菌數。

生乳加熱的溫度也會影響到起司最終的品質與口感,有些起司製作時加熱的溫度會稍微低一些,為了保存其中特殊的微生物,以及牛乳天然的蛋白酶和脂肪酶,讓起司熟成後會有特殊的風味。有些則提高加熱溫度、增加加熱時間,讓乳清蛋白變性與酪蛋白結合,這樣製成的起司由於增加了乳清蛋白,再加上乳清蛋白保水性佳,產率較高,起司成品比較軟。

說到起司,就一定要從乳品談起啦。圖/pixabay

為什麼製作起司一定需要生乳呢?超市買到的牛奶就不能做起司嗎?生乳跟一般市面常見鮮乳不同在於是否經過「殺菌」及「均質化」(homogenization,使互不溶的成分成為穩定而均勻的液態懸浮物)處理。未經均質處理的生乳,在放置一段時間後,會因為油水不相容的關係浮出一層脂肪,有助於後續凝結製造起司;而均質則會讓脂肪球變小並與酪蛋白結合,進而在起司製程中影響牛乳凝結、使起司成型不佳。

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由於臺灣牛奶收購價格較高,排掉乳清比較浪費,所以會將生乳加熱至攝氏100度左右,讓乳清蛋白變性,與酪蛋白結合。其實,將乳清蛋白保留在起司原料中,除了能增加起司產量,還因為乳清蛋白跟水的結合力較強,能在製程中保留較多水份,使得起司成品口感更軟。

牛乳中的蛋白質約80%為酪蛋白、20%為乳清蛋白,一般起司製程中大多留下酪蛋白,被排除的的乳清蛋白則可用來製作其他副產品,像是健身族會食用的乳清蛋白粉等。

從原料到成品冷卻、排水與壓製

經過殺菌後的原料乳降溫後,會加入發酵菌種,例如乳酸菌,而不同菌種也會影響起司最後展現的風味。菌種放入後,醱酵半小時至一小時,讓酸度上升(pH值下降),直到 pH值降到 6 以下時,再加入凝乳酶使原料乳凝固,此時看起來就像豆花或豆腐狀。

凝乳完成後,會將凝乳切割成小塊、增加乳清排除的面積及速度。切割大小會影響起司最後的軟硬度,切割愈大塊排水愈慢,導致含水量愈多,起司就會愈軟;以此類推,切成小塊的起司成品相對比較硬。凝乳切割後,會稍微提高溫度,讓凝乳塊中的蛋白質收縮,促進乳清排除。乳清排除後,會加入鹽與凝乳塊混合,接著進行壓實,讓更多乳清排除並成型。

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大部分起司的前段製程相似,但後續會因為熟成時間、熟成條件、是否上蠟等製程差異,讓起司有不同種類。

例如,莫札瑞拉起司(mozzarella cheese)為了增加其延展度,會將凝乳塊放在攝氏 70 度的水中攪動,增加蛋白質的彈性,最後再放入冰水中。而高達起司(gouda cheese)為了避免起司因為接觸空氣而發霉,會在外層封上一層蠟,再進行長時間熟成。

莫札瑞拉起司 (mizzarela cheese),水分含量很高的天然起司。圖/pixabay

還有些起司在壓製後會放入鹽水中,提高起司風味,為了不影響起司風味(變太鹹)、或是影響起司中菌種生存,鹽水濃度多控制在1.5%左右。而市面上常見的軟質藍紋起司(blue cheese),會在壓實後,於表面切出一條一條的凹洞,另外撒上黴菌。

起司若根據國際法典(Codex)以含水量分類,可分為極硬質起司(MFFB少於 51%以下,例如帕瑪森起司)、硬質起司(MFFB介於 49~56%之間,例如多數的切達起司)、半硬質起司(MFFB 介於 54~69% 之間,例如常見有孔洞的艾曼塔乳酪)和軟質起司(MFFB 67%以上,例如莫札瑞拉起司,或製作提拉米蘇的馬斯卡朋起司)。起司水分多寡除了左右軟硬度外,也會影響保存期限,當水分含量愈低,水活性通常也愈低,保存期相對比較長。

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  • 註:MFFB (moisture on a fat-free basis),即無脂肪的含水比:起司的水分重量/(起司總重-脂肪重量)

除了生乳、菌種等原料外,在美國、歐洲等地製作天然起司允許加入食品添加物。像是加入少許氯化鈣,可幫助凝乳酶讓起司凝固;有些煙燻起司則是加入硝酸鹽類(nitrates),以增添風味、幫助抑菌(但根據我國「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」,目前仍不允許將硝酸鹽添加於乾酪裡);還可以加入色素讓起司呈現色澤,主要以 ß-胡蘿蔔素為主。

什麼是再製乾酪

臺灣市面上最常見的起司產品,如起司片、起司條等,其實是前述天然起司經過再次加工製造而成,又稱為「再製乾酪」(processed cheese),或稱再製起司、加工起司。再製乾酪樣貌多元,有片狀、條狀、絲狀、牙膏狀、罐頭、噴式等各種型態。再製乾酪的概念源自於打仗行軍時的保存需求,軍隊將原本的天然起司加熱殺菌,融化後放涼又會再度凝結,成為較容易保存、不易腐壞的再製乾酪。

再製乾酪以天然起司為原料製作,起司需先切碎、加熱,加熱溫度會因後續用途不同而有差異。

再製乾酪的第一步:切碎。(本圖僅為示意)圖/pixabay

由於不能讓每一批再製起司的口感風味差異太大,所以再製乾酪業者多半依照比例混合兩種以上的天然起司,並且另外加入食品添加物以達到標準品質。

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天然起司溶解後,內含脂肪會浮出,因此,再製乾酪可能會加入磷酸鹽類品質改良劑(如:磷酸二氫鈉)或乳化劑,以幫助脂肪乳化。按照國際食品法典委員會(Codex)規定,添加磷酸鹽每公斤不能超過 40公克,而臺灣現行標準更嚴格,規定用量應在每公斤 3公克以下(以磷酸根 phosphate 計算)。

此外,起司製程還可能加入檸檬酸與防腐劑延長保存期限,或添加色素(如 ß-胡蘿蔔素)讓賣相更好。最後再進入填充包裝、冷卻、銷售等環節。

再製乾酪解密。(點圖放大)

為什麼臺灣很難自製起司

臺灣不容易製作起司的原因包括「氣候」「原料」2 項因素。氣候條件讓天然起司發酵與存放環境受限,再加上起司裡的菌種與酵素具有活性,需待在攝氏 5~7 度的環境裡,因此天然起司的儲藏、運用限制較多。除此之外,臺灣牛奶收購價與國外相比高很多,也不利於自產自銷起司。

即使先天環境不利,但市場需求仍然龐大,於是衍生出更容易保存、方便運用,價格也相對親切的再製乾酪。雖然再製乾酪比較容易存放,但開封後仍必須依據產品標示適當冷藏或冷凍,並且盡快吃完。

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小小起司裡蘊藏了許多食品加工技術的智慧,不管是來點天然起司搭配好酒,或是使用再製乾酪增添料理變化,盡情享受起司為你帶來的人生樂趣吧!

參考資料:

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

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衛生福利部食品藥物管理署_96
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衛生福利部食品藥物管理署依衛生福利部組織法第五條第二款規定成立,職司範疇包含食品、西藥、管制藥品、醫療器材、化粧品管理、政策及法規研擬等。 網站:http://www.fda.gov.tw/TC/index.aspx