貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳穩(wěn)定性的影響*

劉丹，龍肇，趙謀明，趙強(qiáng)忠

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州，510640)

復(fù)原乳是由蛋白質(zhì)和脂肪等多種組分組成的具有膠體特性的多分散體系。復(fù)原乳具有營養(yǎng)豐富、攜帶方便和易于保存等優(yōu)點(diǎn)，得到廣大消費(fèi)者的青睞，有著良好的市場前景。但液態(tài)產(chǎn)品在貯存過程中易出現(xiàn)脂肪上浮、蛋白質(zhì)沉淀、絮凝或分層等不穩(wěn)定現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的風(fēng)味和口感［1］。由于復(fù)原乳出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的時(shí)間一般都比較長，生產(chǎn)企業(yè)不可能長時(shí)間等待穩(wěn)定性結(jié)果才銷售產(chǎn)品，因此，快速準(zhǔn)確判定復(fù)原乳的貯存穩(wěn)定性是乳制品生產(chǎn)企業(yè)所面臨的亟需解決的技術(shù)難題。

復(fù)原乳屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，體系中影響穩(wěn)定性的2 個(gè)最主要因素是乳脂肪的上浮和蛋白質(zhì)的沉淀。復(fù)原乳的貯存穩(wěn)定性與pH 值、體系黏度及分散相顆粒大小有關(guān)，某些化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境因素也會(huì)影響復(fù)原乳的穩(wěn)定性。pH 值主要影響復(fù)原乳中蛋白質(zhì)分子的離子化作用和凈電荷值，從而改變蛋白質(zhì)分子間的靜電荷排斥作用及蛋白質(zhì)分子與水分子結(jié)合的能力［2］;復(fù)原乳中脂肪球的粒徑大小直接影響到復(fù)原乳的表觀黏度和脂肪聚結(jié)速度，進(jìn)而影響到復(fù)原乳的穩(wěn)定性［3］。目前，評(píng)價(jià)復(fù)原乳穩(wěn)定性最簡單和常用的方法是經(jīng)室溫放置或加速試驗(yàn)后測定乳析率或沉淀率，而通過測定pH 值、流變特性及粒徑等理化指標(biāo)，從而對復(fù)原乳穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法和應(yīng)用則較少。

本文針對目前復(fù)原乳的貯存過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，研究貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳pH 值、流變特性、粒徑、離心乳析率和離心沉淀率的影響，探討溫度對復(fù)原乳穩(wěn)定性影響的機(jī)理，為快速判定復(fù)原乳的貯存穩(wěn)定性提供理論和方法指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂奶粉(食品級(jí))，新西蘭乳業(yè);卡拉膠(食品級(jí))，海南文昌卡拉膠有限公司;瓜爾豆膠(食品級(jí))，巴基斯坦哈根瓜膠有限公司;蔗糖(食品級(jí))，市售;去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

Mastersizer 2000 激光粒度分析儀，英國Malvern Instruments Ltd;3 －18K 臺(tái)式離心機(jī)，德國Sigma 公司;Haake MARS III 流變儀，德國Thermo Fisher 公司;pH S-20 數(shù)顯pH 計(jì)，瑞士Mettler-Toledo 公司;HV-50 高壓殺菌鍋，日本HIRAYAMA 公司;RW20 Digital 數(shù)顯型頂置式攪拌器，德國IKA 公司;APV-1000 高壓均質(zhì)機(jī)，丹麥APV 公司;BHW-IV 電熱恒溫水箱，北京市醫(yī)療設(shè)備廠;ACS-3H-B 電子計(jì)重秤，中山市金利電子衡器有限公司;JJ500 型精密電子天平，美國雙杰兄弟(集團(tuán))有限公司;DHG-9030A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)原乳的基本配方

表1 復(fù)原乳的基本配方Table 1 The basic formula ofreconstituted milk

1.3.2 復(fù)原乳的基本工藝流程

圖1 復(fù)原乳制備的基本工藝流程Fig.1 The technological process of reconstituted milk

將全脂奶粉、卡拉膠、瓜爾豆膠和蔗糖混合均勻，在攪拌狀態(tài)下將其緩慢加入水中，于60 ℃水化30 min。水化結(jié)束后，在20 MPa 壓力下均質(zhì)1 次，接著灌裝和滅菌(121 ℃，15 min)，最后迅速冷卻至常溫。

1.3.3 粒度分布的測定

粒度分布儀是測定乳濁液中粒子大小分布的儀器。乳濁液產(chǎn)品按質(zhì)量比1∶1 000 的濃度用去離子水稀釋，參數(shù)設(shè)定如下［4］:

分析模式:通用;進(jìn)樣器名:Hydro 2000MU (A);顆粒折射率:1.520;顆粒吸收率:0.1;分散劑名:水;分散劑折射率:1.330;泵的轉(zhuǎn)速:2 200 r/min。

其中，ni為直徑為di的脂肪球的數(shù)量。

1.3.4 流變特性的測定

準(zhǔn)確移取3 mL 樣品于流變儀樣品臺(tái)上，避免產(chǎn)生氣泡。采用P60TiL 號(hào)轉(zhuǎn)子，設(shè)置參數(shù)如下:板間距1 mm，測量溫度25 ℃，于300 s 內(nèi)剪切速率由0 升至150 s－1，取60 個(gè)點(diǎn)考察樣品表觀黏度和剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化。利用軟件Rheowin Data Manager software Version 4.30 對剪切速率和剪切應(yīng)力之間進(jìn)行流變學(xué)分析，選取Herschel-Bulkley 模型，即

其中，τ 為剪切應(yīng)力(Pa);τ0為屈服應(yīng)力(Pa);γ為剪切速率(s－1);K為稠度系數(shù)(Pa·sn);n為流動(dòng)指數(shù)(無量綱)。

1.3.5 pH 值的測定

用pH S-20 數(shù)顯pH 計(jì)測定復(fù)原乳的pH 值。每次使用前都用pH 值為6.86 和4.00 的標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3.6 乳析率和沉淀率的測定

測量前先將復(fù)原乳搖勻，稱取乳濁液質(zhì)量W 于離心管中，在1 753 g(4 000 r/min)的離心力下離心20 min，稱量頂部油脂質(zhì)量m1;再棄去上部溶液，稱量沉淀物質(zhì)量m2，用差量法公式計(jì)算沉淀率:

2 結(jié)果與討論

2.1 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳pH 值的影響

貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳pH 值的影響如圖2 所示。由圖2 可知，體系的pH 值隨貯存溫度的升高而降低。這可能原因是樣品中的酪蛋白膠束是酪蛋白與磷酸鈣形成的復(fù)合體。貯存溫度引起的pH值變化可能是因?yàn)楦淖兞四z體磷酸鈣的平衡，即3Ca2++2HPO42－?Ca3(PO4)2+ 2H+。溫度升高有利于反應(yīng)向正方向進(jìn)行，乳中可溶性的Ca2+向膠體磷酸鈣轉(zhuǎn)移，膠體磷酸鈣含量增大，pH 值升高［5］。從圖2 還可以看出:在相同溫度下，隨貯存時(shí)間的延長，體系的pH 值先升高后降低，這可能是因?yàn)?在貯存過程中，乳濁體系中吸附于乳脂肪球表面的酪蛋白解析至連續(xù)相中，Ca2+會(huì)沉淀于連續(xù)相中的酪蛋白膠粒上，反應(yīng)向反方向進(jìn)行，pH 值升高;貯存第30 天時(shí)pH 有所降低則可能是因?yàn)殚L時(shí)間貯存后乳析程度較大，破壞了分子間各種作用力的平衡狀態(tài)，影響了乳中固有的鹽類平衡體系，導(dǎo)致乳中的離子和電荷數(shù)發(fā)生改變。

圖2 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳pH 值的影響Fig.2 Effects of storage temperature and storage time on pH of reconstituted milk

2.2 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳表觀粘度的影響

60 s－1是工業(yè)生產(chǎn)和人類吞咽食物的經(jīng)驗(yàn)值，貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳在剪切速率為60 s－1時(shí)的表觀黏度的影響如圖3 所示。

圖3 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳表觀粘度的影響Fig.3 Effects of storage temperature and storage time on the apparent viscosity of reconstituted milk

由圖3 可知，在相同的剪切力作用下，體系的表觀粘度隨貯存溫度的升高而降低，隨著貯存時(shí)間的延長則先升高后降低，這種變化趨勢和pH 值的變化趨勢是一致的，這可能是因?yàn)?乳分散體系中，靜電作用是維系酪蛋白膠束的主要因素之一，pH 值＞4.6 時(shí)，酪蛋白膠束帶負(fù)電荷，當(dāng)pH 值降低，即H+濃度升高，導(dǎo)致了酪蛋白膠束內(nèi)部和膠束之間的靜電排斥作用降低，有利于脂肪球聚集，分散相的粒子數(shù)減少，粒子間平均距離增大，任何2 個(gè)粒子進(jìn)入相互吸引區(qū)的機(jī)會(huì)減少，位移變得容易，表觀黏度降低［6］;反之，pH值升高時(shí)，表觀黏度升高。

貯存溫度和貯存時(shí)間對Herschel-Bulkley 模型的各參數(shù)的影響如表2 所示。

表2 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳Herschel-Bulkley模型的參數(shù)的影響Table 2 Effects of storage temperature and storage time on parameters of Herschel-Bulkley model

由表2 可知，這個(gè)模型的線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.995，說明樣品剪切應(yīng)力和剪切速率之間的關(guān)系與這個(gè)模型有很好的擬合度。貯存的樣品均出現(xiàn)n＜1，且隨著溫度的升高n 值增大，說明樣品剪切變稀的特性隨溫度的升高有所減弱。稠度系數(shù)K 反應(yīng)的是樣品的黏度，其值越大說明樣品越黏稠。隨著溫度的升高，K 值減小。隨著放置時(shí)間的延長，K 值先增大后減小，這和上述表觀黏度的變化是一致的。屈服應(yīng)力τ0表征的是剪切使樣品流動(dòng)所需的最小應(yīng)力，由表2 可知各樣品τ0值均很小，且隨貯存溫度和貯存時(shí)間沒有明顯的變化趨勢。

2.3 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳頂部粒徑和乳析率的影響

貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳頂部粒徑和乳析率的影響如表3 所示。由表3 可看出，頂部粒徑d4，3隨著貯存溫度的升高而增大，隨著貯存時(shí)間的延長，乳濁液的頂部粒徑呈上升趨勢，增幅最大的是在貯存的前15d;采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 11.5 for windows 分析復(fù)原乳的乳析率與其頂部粒徑d4，3的相關(guān)性，結(jié)果表明復(fù)原乳的乳析率與其頂部粒徑d4，3有較好的相關(guān)性。這主要原因是:溫度升高，粒子的布朗運(yùn)動(dòng)加快，加速了脂肪球的上浮，導(dǎo)致頂部粒徑的增大;而隨著貯存時(shí)間的延長，脂肪粒因比重輕上浮，由于內(nèi)聚力的作用，脂肪粒彼此聚結(jié)形成乳油層，在上浮層中油滴的高度聚合又會(huì)促進(jìn)交聯(lián)作用，導(dǎo)致進(jìn)一步的絮凝和聚結(jié)，由此導(dǎo)致頂部粒徑逐漸增大。由表3 還可看出，37℃溫度下貯存的樣品其乳析率比25℃溫度下增加的速率快，于55℃溫度下貯存的樣品在1 ～7d乳析率增加速率明顯快于25℃和37℃的樣品，這說明較高的貯存溫度具有促進(jìn)乳析的作用。

表3 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳頂部粒徑和乳析率的影響Table 3 Effects of storage temperature and storage time on creaming ratio of reconstituted milk

2.4 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳的底部粒徑和離心沉淀率的影響

貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳底部粒徑和沉淀離心率的影響如表4 所示。

表4 貯存溫度和貯存時(shí)間對復(fù)原乳底部粒徑和離心沉淀率的影響Table4 Effects of storage temperature and storage time on centrifugal sedimentation rate of reconstituted milk

由表4 可看出，不同貯存溫度的樣品的底部粒徑的大小順序是:37℃＞55℃＞25℃，隨著貯存時(shí)間的延長，樣品的底部粒徑呈上升趨勢，增幅最大的是在貯存的前15d，隨后緩慢增加;采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 11.5 for windows 分析復(fù)原乳的離心沉淀率與其底部粒徑d4，3的相關(guān)性，結(jié)果表明復(fù)原乳的離心沉淀率與其底部粒徑d4，3有較好的相關(guān)性，乳濁液沉淀的形成與乳濁液底部粒徑有直接聯(lián)系。離心沉淀產(chǎn)生的原因主要是由于乳濁液中的蛋白在離心力的作用下向下沉降而成，離心沉淀發(fā)生這種變化的原因可能是:(1)隨著溫度升高其表觀黏度相應(yīng)降低，根據(jù)Stokes沉降公式可知，其沉降速度相應(yīng)增大，但是在55℃，粒徑較大的脂肪球更多的集中于樣品的上層，粒徑較小的蛋白質(zhì)顆粒沉于底部;同時(shí)酪蛋白中κ-酪蛋白單體離解比較低溫度時(shí)明顯［7－8］，所以，底部粒徑和離心沉淀率在55℃時(shí)減小。(2)磷酸鈣沉淀在剛形成時(shí)是無定形的形式，然后逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫w而長大，膠體磷酸鈣能黏附于不定形物表面，抑制其進(jìn)一步的成長［9］，所以貯存時(shí)間延長，底部粒徑增長緩慢。

3 結(jié)論

(1)隨著溫度的升高，pH 值和黏度均會(huì)降低，乳析率和復(fù)原乳靜置后的頂部粒徑增大并趨于相等，沉淀率和復(fù)原乳靜置后的底部粒徑先增大后減小。

(2)隨著貯存時(shí)間的延長，pH 值和黏度會(huì)先增大后減小，乳析率和乳液靜置后的頂部粒徑、沉淀率和乳液靜置后的底部粒徑均增大，最后增幅不明顯。

(3)溫度越高，貯存時(shí)間越長，復(fù)原乳的穩(wěn)定性越差，高溫能加速復(fù)原乳分層和絮凝，使乳液更加不穩(wěn)定。高溫貯存下對復(fù)原乳的pH 值、流變特性、粒徑、乳析率和離心沉淀率等指標(biāo)進(jìn)行檢測可在短期內(nèi)快速監(jiān)測復(fù)原乳的貯存穩(wěn)定性。

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