熱輻氣動(dòng)干燥法快速測(cè)定牛奶中總固體和水分

趙 敏，周 聰*

（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測(cè)試中心，海南省熱帶果蔬產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?571101）

熱輻氣動(dòng)干燥法快速測(cè)定牛奶中總固體和水分

趙 敏，周 聰*

（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測(cè)試中心，海南省熱帶果蔬產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?571101）

利用圓盤自動(dòng)進(jìn)樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀研究快速測(cè)定牛奶中總固體和水分含量的方法。分別對(duì)加熱溫度、加熱時(shí)間及溫度平衡時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以烘箱法（標(biāo)準(zhǔn)法）為對(duì)照，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，并測(cè)定了多份牛奶樣品中總固體和水分的含量。結(jié)果表明：用本方法和烘箱法測(cè)定相同樣品中總固體和水分含量的準(zhǔn)確度和精確度結(jié)果一致，而烘箱法需耗時(shí)約3.5 h，本方法只需2.0 min完成，大大提高了分析效率。

熱輻氣動(dòng)干燥；牛奶；總固體；水分

牛奶營(yíng)養(yǎng)豐富，富含脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖、多種維生素和礦物質(zhì)等，與人們生活息息相關(guān)。就牛奶的質(zhì)量分析而言，牛奶由水分和總固體組成，總固體包括脂肪和非脂乳固體兩部分，兩者均為生乳食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的重要質(zhì)量指標(biāo)[1]，而非脂乳固體是由總固體含量值減去脂肪含量值而得，因此總固體含量是牛奶質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要檢測(cè)項(xiàng)目。

有關(guān)牛奶中總固體和水分含量的測(cè)定方法有烘箱法[2-3]、微波法[4]、水分測(cè)定儀法[5]、紅外光譜[6-9]、牛奶成分分析儀法[10]、激光法[11]、聲學(xué)法[12]、光度法[13]等，其中烘箱法為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法。

隨著生活水平的提高，牛奶產(chǎn)品由于營(yíng)養(yǎng)豐富全面而受到消費(fèi)者青睞[14]，走進(jìn)千家萬(wàn)戶，然而，在利益的驅(qū)動(dòng)下，牛奶產(chǎn)品質(zhì)量安全不容樂觀[15-19]，鮮牛奶兌水摻淀粉、豆?jié){、碳酸氫鈉、食鹽等[20-23]現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為確保收購(gòu)奶源的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)通常用比重計(jì)檢測(cè)牛奶的相對(duì)密度和總固體來(lái)檢驗(yàn)是否摻水，而比重法靈敏度和精確度較低，難以滿足市場(chǎng)對(duì)牛奶質(zhì)量的評(píng)價(jià)要求。近紅外光譜測(cè)量法，設(shè)備昂貴，不適合我國(guó)國(guó)情為解決簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確測(cè)定鮮牛奶中總固體和水分含量的問(wèn)題。牛奶樣品中富含脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖等成分，受熱后凝聚黏結(jié)，結(jié)構(gòu)緊密，水蒸氣難以釋放，使國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)烘箱法的干燥時(shí)間大大延長(zhǎng)（需要數(shù)小時(shí)）。烘箱體積較大，加上能耗高等因素，制約了該法在生產(chǎn)上的實(shí)際應(yīng)用效果。為簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確測(cè)定鮮牛奶中總固體和水分含量，本實(shí)驗(yàn)開展了熱輻氣動(dòng)干燥法快速測(cè)定牛奶中總固體和水分含量的研究，旨在為牛奶生產(chǎn)企業(yè)提供一種快速準(zhǔn)確的測(cè)定新方法。

1 材料與方法

1.1 材料

多品牌牛奶 市購(gòu)。

1.2 儀器與設(shè)備

AE200型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；圓盤自動(dòng)進(jìn)樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀（專利號(hào)：ZL201220563310.0）、樣品溫度快速平衡儀（專利號(hào)：ZL200920150141.6）、高溫?zé)瓓A取器（專利號(hào)：ZL201020165887.7）。

1.3 方法

1.3.1 儀器參數(shù)優(yōu)化

圓盤自動(dòng)進(jìn)樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀上設(shè)有自動(dòng)程序控制面板，可設(shè)置加熱溫度、時(shí)間、加熱速度和電機(jī)速度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，樣品溫度快速平衡儀可設(shè)置溫度的平衡時(shí)間，不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下所得到的分析結(jié)果可能不同，因此開展儀器條件的優(yōu)化。

1.3.1.1 加熱溫度

對(duì)同一牛奶樣品分別稱取7 份，每份3 次重復(fù)，各2.500 0 g，設(shè)定干燥時(shí)間為60 s，分別測(cè)定200～260 ℃的溫度區(qū)間條件下牛奶樣品中總固體含量，探討最佳加熱溫度。

1.3.1.2 加熱時(shí)間

對(duì)同一牛奶樣品分別稱取7 份，每份3 次重復(fù)，各2.500 0 g，在確定最佳加熱溫度的前提條件下，分別測(cè)定30～90 s的加熱時(shí)間條件下牛奶樣品中總固體含量，探討最佳加熱時(shí)間。

1.3.1.3 溫度平衡時(shí)間

剛干燥后的小燒杯樣品仍然保持著較高的溫度，只有待小燒杯樣品的溫度恢復(fù)至常溫狀態(tài)，方可進(jìn)行稱量。傳統(tǒng)的燒杯樣品溫度平衡方法是將小燒杯樣品放入干燥器中自然平衡，但需要較長(zhǎng)的時(shí)間（大于30 min），難于滿足快速檢測(cè)的需要。為解決小燒杯樣品溫度快速平衡的問(wèn)題，本研究采用樣品溫度快速平衡儀的方法，為此進(jìn)行樣品溫度平衡實(shí)驗(yàn)，探討相關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件。對(duì)同一牛奶樣品分別稱取7 份，每份3 次重復(fù)，各2.500 0 g，在確定最佳加熱溫度和時(shí)間的前提下，分別測(cè)定10～60 s的溫度平衡加熱時(shí)間條件下牛奶樣品中總固體含量，探討最佳溫度平衡加熱時(shí)間。

1.3.2 與國(guó)標(biāo)方法比較

在實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的最佳儀器參數(shù)（加熱溫度、加熱時(shí)間和溫度平衡時(shí)間）條件下，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[2]為對(duì)照進(jìn)行方法比對(duì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)同一牛奶樣品，設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法各12 個(gè)重復(fù)測(cè)定，測(cè)試本實(shí)驗(yàn)方法的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行顯著性測(cè)驗(yàn)（t檢驗(yàn)），以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法的可靠性。

1.3.3 樣品測(cè)試

于超市隨機(jī)購(gòu)買6 種不同品牌的牛奶產(chǎn)品，每種牛奶樣品稱取3 份，在確定的最佳儀器參數(shù)條件下測(cè)試市售牛奶樣品中總固體和水分，結(jié)果計(jì)算參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 加熱溫度優(yōu)選

在圓盤自動(dòng)進(jìn)樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀的調(diào)節(jié)功能中，加熱速度和電機(jī)速度是以儀器運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)的，設(shè)定后可相對(duì)固定，對(duì)干燥效果影響較小。因此，本研究中先將2 項(xiàng)指標(biāo)調(diào)節(jié)固定，再分別實(shí)驗(yàn)不同的加熱溫度和加熱時(shí)間條件。

圖 1 不同加熱溫度對(duì)總固體測(cè)定結(jié)果的影響Fig.1 Effects of temperature on determination results of total solid content

如圖1所示，加熱溫度為220、230、240 ℃所測(cè)定總固體含量結(jié)果較為穩(wěn)定，結(jié)果分別為：13.50%、13.51%和13.47%。超過(guò)240 ℃后，因碳化損失，總固體含量會(huì)逐漸降低。因此，結(jié)合能耗最低，最佳的加熱溫度設(shè)定為230 ℃。

圖 2 不同加熱時(shí)間對(duì)總固體測(cè)定結(jié)果的影響Fig.2 Effects of heating on determination results of total solid content

2.2 加熱時(shí)間的確定如圖2所示，加熱時(shí)間為50～70 s后測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，70 s后有機(jī)物質(zhì)被碳化，結(jié)果呈略降低的趨勢(shì)。因此，最佳的加熱時(shí)間設(shè)定為60 s。

2.3 溫度平衡時(shí)間的確定

圖 3 溫度平衡時(shí)間對(duì)總固體含量測(cè)定結(jié)果的影響Fig.3 Effect of temperature equilibrium time on determination results of total solid content

如圖3所示，溫度平衡時(shí)間不夠時(shí)，測(cè)定結(jié)果偏低，溫度平衡時(shí)間達(dá)到40 s后測(cè)定結(jié)果較為穩(wěn)定。在溫度平衡時(shí)間40、50、60 s時(shí)所測(cè)得總固體含量分別為：13.31%、13.30%和13.32%。因此，最佳的溫度平衡時(shí)間為50 s。

2.4 方法比對(duì)

采用相同的牛奶樣品，稱量2 組，每組各12 個(gè)樣，分別進(jìn)行本方法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)烘箱法測(cè)定。烘箱法的平均值為13.23%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）為0.22%；本方法的平均值為13.24%，RSD為0.25%。結(jié)果表明：2 組數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)（t檢驗(yàn)），檢驗(yàn)結(jié)果：t=0.812 4＜t0.05（11）= 2.179，P為0.95，兩者無(wú)顯著性差異。因此，本方法可作為測(cè)定牛奶總固體含量的方法之一。

2.5 樣品的測(cè)試

本方法測(cè)定結(jié)果表明（表1）：所測(cè)得結(jié)果精密度較高，總固體結(jié)果RSD小于0.4%，水分含量結(jié)果的RSD小于0.05%，測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定可靠。

表 1 幾種鮮奶樣品中總固體和水分含量測(cè)定結(jié)果（n=3）Table 1 Total solid and water contents in fresh milk samples determined by the developed method (n=3）

3 結(jié)論與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加熱溫度不足時(shí)所測(cè)總固體含量的結(jié)果偏高，在220～240 ℃溫度范圍內(nèi)結(jié)果穩(wěn)定，之后隨溫度增加而降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，溫度不足時(shí)樣品未被完全干燥，溫度過(guò)高時(shí)，部分樣品被碳化，有機(jī)物質(zhì)揮發(fā)損失，因此實(shí)驗(yàn)中必須嚴(yán)格控制加熱溫度。所述的加熱溫度是熱輻氣動(dòng)干燥儀上的儀器顯示溫度（理論值），不是實(shí)際的干燥箱內(nèi)的溫度，不同儀器在生產(chǎn)過(guò)程中，其熱電偶傳感器的安裝位置可能有所偏差，所反映的儀器加熱溫度未必完全一致，因此，使用新開箱的干燥儀器做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要做初步實(shí)驗(yàn)給予確認(rèn)。

樣品溫度平衡是重量法分析的主要環(huán)節(jié)之一，平衡的目的是使高溫樣品降低到常溫狀態(tài)，以減少實(shí)驗(yàn)誤差。通常情況下樣品放置在干燥器內(nèi)平衡，其目的是為了避免部分樣品吸潮影響測(cè)定結(jié)果，但需要較長(zhǎng)的平衡時(shí)間，難于滿足快速檢測(cè)的需要。本研究采用溫度平衡儀進(jìn)行樣品平衡實(shí)驗(yàn)，其原理是借助離心力和散熱片的作用，使高溫樣品的熱量迅速分散，樣品溫度得以快速降溫，達(dá)到常溫狀態(tài)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，在固定樣品盤轉(zhuǎn)速的條件下，溫度平衡時(shí)間達(dá)到40 s后測(cè)定結(jié)果較為穩(wěn)定，表明牛奶樣品在短時(shí)間的平衡溫度條件下，測(cè)定結(jié)果未受吸潮的影響。分析原因，主要是牛奶樣品中富含脂肪和蛋白質(zhì)，雖然牛奶中也含有大量的吸潮物質(zhì)（糖），但干燥后，脂肪和蛋白質(zhì)在高溫的作用下，在樣品的表面凝聚形成結(jié)構(gòu)致密且具有一定張力的保護(hù)膜，避免了樣品中吸潮物質(zhì)與空氣接觸而吸潮的現(xiàn)象。

此外，評(píng)價(jià)一個(gè)分析方法可靠性時(shí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定、加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)和方法比對(duì)等。本研究采用與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，2種方法的測(cè)定結(jié)果無(wú)顯著性差異，方法穩(wěn)定可靠，而且本方法能夠在2 min內(nèi)完成一個(gè)樣品的分析測(cè)試。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，優(yōu)化得到最佳加熱溫度、加熱時(shí)間及溫度平衡時(shí)間的條件分別為230 ℃、60 s和50 s。用本方法和烘箱法測(cè)定相同樣品中總固體和水分含量的準(zhǔn)確度和精確度結(jié)果一致，而烘箱法需耗時(shí)約3.5h，本方法只需2.0min完成，大大提高了分析效率。實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合分析要求，建立了一種簡(jiǎn)便、快速、穩(wěn)定可靠的鮮牛奶總固體和水分含量測(cè)定的新方法。

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Rapid Determination of Total Solids and Water in Milk by Hot Radiation Pneumatic Drying Method

ZHAO Min, ZHOU Cong*
(Hainan Provincial Key Laboratory of Quality and Safety for Tropical Fruits and Vegetables, Analysis and Testing Center, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China)

A latex sample drying apparatus with a hot radiation box for automatically injecting samples by discs is applied for the rapid determination of total solids and water content in milk. Important experimental conditions, such as temperature, heating time and temperature equilibration method, were optimized using an oven drying method (a standard method) as control for the determination of total solids and water contents in various milk samples. The results showed that the same accuracy and precision were achieved for the determination of total solids and water contents in one sample by the proposed method and oven drying method. The drying time required for oven drying method was 3.5 hours, compared to only 2.0 minutes for our method as a more efficient method. Therefore, a novel, simple, rapid, stable and reliable method to determine total solids and water contents in fresh milk has been established.

hot radiation pneumatic drying apparatus; milk; total solids; water contents

TS252.7

A

1002-6630（2015）02-0142-03

10.7506/spkx1002-6630-201502027

2014-06-16

海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（314096）

趙敏（1982—），女，研究實(shí)習(xí)員，碩士，研究方向?yàn)閮x器分析和食品質(zhì)量安全。E-mail：zmhb313@163.com

*通信作者：周聰（1965—），男，研究員，學(xué)士，研究方向?yàn)閮x器分析與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。E-mail：zhouc888@163.com