褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定體系的優(yōu)化

王光強(qiáng)， 楊婧媛， 夏永軍， 艾連中

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院， 上海 200093

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褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定體系的優(yōu)化

王光強(qiáng)， 楊婧媛， 夏永軍， 艾連中*

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院， 上海 200093

為探究褐色乳酸菌飲料的體系穩(wěn)定性，通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)證明了葡萄糖添加量、褐變時(shí)間和發(fā)酵時(shí)間對(duì)乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響較??；而基料添加量(蛋白質(zhì)含量)、飲料pH和均質(zhì)壓力對(duì)穩(wěn)定性的影響較大。獲得褐色乳酸菌飲料最優(yōu)穩(wěn)定體系參數(shù)為：葡萄糖添加量80 g，褐變時(shí)間2 h，發(fā)酵時(shí)間72 h，基料添加量200 g，飲料pH 3.7，均質(zhì)壓力200 MPa。研究結(jié)果不僅優(yōu)化了褐色乳酸菌飲料的制作工藝，而且降低了穩(wěn)定劑的添加量，降低了生產(chǎn)成本。

褐色乳酸菌飲料； 穩(wěn)定性； 工藝； 正交實(shí)驗(yàn)

乳酸菌飲料，以乳或乳制品為主要原料通過(guò)乳酸菌發(fā)酵后制得，后調(diào)入果醬、甜味劑、谷物等，可以賦予乳酸菌飲料豐富的微量元素、糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)及各種維生素。與牛奶相比，乳酸菌飲料中的原料在乳酸菌作用下可脫去異味，使之具有獨(dú)特、柔和的酸味和爽口的乳香味，并有一定的粘度，口感舒適，層次豐富，深受消費(fèi)者歡迎。其中還含有大量乳酸，可促進(jìn)消化、降低人體腸道pH，抑制腐敗菌生長(zhǎng)繁殖，促進(jìn)腸道蠕動(dòng)[1]。乳酸菌飲料因口感柔和、有助于消化和吸收，尤其適合老人和兒童飲用。但乳酸菌飲料是一種不穩(wěn)定的多相體系，穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)沉淀、分層、渾濁等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀。在褐色乳酸菌飲料加工過(guò)程中，熱處理通常在90 min以上，且發(fā)酵周期較長(zhǎng)，易導(dǎo)致乳蛋白變性而影響穩(wěn)定性。與普通酸性飲料相比，其對(duì)穩(wěn)定性的要求更高[2-3]。

活性乳酸菌飲料中存在的大量繼續(xù)產(chǎn)酸的乳酸菌，導(dǎo)致保質(zhì)期內(nèi)產(chǎn)品pH不斷下降，使飲料中的酪蛋白處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)，形成一種不穩(wěn)定的多相體系，容易發(fā)生凝集沉淀，從而影響產(chǎn)品穩(wěn)定性[4]。處理不穩(wěn)定性的常用方法是均質(zhì)處理和加入穩(wěn)定劑以提高飲料粘度[3]。本研究選取褐色乳酸菌飲料生產(chǎn)工藝中的葡萄糖添加量、褐變時(shí)間、發(fā)酵時(shí)間、基料添加量(蛋白質(zhì)含量)、飲料pH和均質(zhì)壓力6個(gè)因素，首先采用單因素試驗(yàn)考察各因素對(duì)乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響，分析各因素對(duì)穩(wěn)定性造成影響的原因，并評(píng)價(jià)各因素對(duì)穩(wěn)定性的影響大小，然后通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，分析了6種因素不同參數(shù)組合對(duì)褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響，最終實(shí)現(xiàn)在不添加穩(wěn)定劑的情況下，獲得褐色乳酸菌飲料最優(yōu)穩(wěn)定體系參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不含穩(wěn)定劑的褐色乳酸菌飲料生產(chǎn)。本研究不僅優(yōu)化了褐色乳酸菌飲料的制作工藝，而且降低了穩(wěn)定劑的添加量，降低了生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種與試劑

選用菌種為副干酪乳桿菌Lpc-37，來(lái)源于丹麥丹尼斯克有限公司；脫脂奶粉(蛋白質(zhì)34 %，脂肪0.8 %)購(gòu)于新西蘭；葡萄糖、白砂糖與檸檬酸等均為食用級(jí)原料。

1.1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

APV 1000均質(zhì)機(jī)(丹麥APV公司)；MASTERSIZER 2000粒徑分析儀(法國(guó)MAXWELL公司)；TDL-40B冷凍離心機(jī)(瑞士Metrohm公司)；IKA-RW20高速攪拌機(jī)(德國(guó)IKA公司)。

1.2 方法

1.2.1 褐色乳酸菌飲料制作工藝流程

按照?qǐng)D1所示工藝流程制作褐色乳酸菌。

圖1 褐色乳酸菌飲料制作工藝流程圖

1.2.2 褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性檢測(cè)方法

通過(guò)測(cè)定飲料體系的粒徑分析、離心沉淀分析和感官評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。激光衍射粒徑分析是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測(cè)試粒度分布。由于激光具有很好的單色性和極強(qiáng)的方向性，所以在光束遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分光會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。顆粒大小不同散射角不同，因此散射光的強(qiáng)弱可間接反映顆粒粒徑的區(qū)別。將飲料用吸管緩慢加入到燒杯中，使溶液折光率在10%～20%內(nèi)，利用粒徑分析儀進(jìn)行測(cè)量。選取結(jié)果中粒徑D(0.9)/μm。粒徑分析儀參數(shù)設(shè)置[5]：遮光度10% ～20% ，分散溶劑：水。

離心沉淀檢測(cè)[6]：將飲料加入離心管中，在4 ℃，4 000 r/min下離心15 min，沉淀率s= (m3-m1) / (m2-m1)。m1：離心管重量(g)；m2：試管及飲料的總重量(g)；m3：試管和沉淀的總重量(g)。每個(gè)樣品測(cè)3個(gè)平行。

感官分析評(píng)定[7]：一周后，觀察飲料的分層、沉淀情況。分層、沉淀越少表示穩(wěn)定性越好，反之越差。

1.2.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)褐色乳酸菌飲料的工藝流程，選取葡萄糖添加量、褐變時(shí)間、發(fā)酵時(shí)間、基料添加量(蛋白質(zhì)含量)、飲料pH以及均質(zhì)壓力做單因素試驗(yàn)，分別考察各因素變化對(duì)飲料穩(wěn)定性的影響。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)分析結(jié)果，選擇其中三個(gè)因素(均質(zhì)壓力、基料添加量和飲料pH)進(jìn)行正交試驗(yàn)。通過(guò)正交試驗(yàn)，獲得使兩個(gè)考察指標(biāo)(粒徑和沉淀率)數(shù)值達(dá)到最小的水平組合。具體詳見(jiàn)結(jié)果與討論。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 葡萄糖添加量對(duì)褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)所得褐色乳酸菌飲料的離心沉淀率與粒徑大小分析如圖2所示。從圖2可知，粒徑與沉淀率隨葡萄糖添加量的增加呈下降趨勢(shì)。感官分析顯示，隨葡萄糖添加量增加，飲料的上層水析出量也在逐漸較少，添加60 g與80 g葡萄糖時(shí)的飲料基本無(wú)水析出，趨于穩(wěn)定。這是由于葡萄糖分子的羥基和羧基與蛋白質(zhì)粒子的親和性高，有良好的分散作用。其次，葡萄糖能使酪蛋白表面形成糖膜，提高了酪蛋白與分散介質(zhì)的親和性，同時(shí)提高了乳飲料的粘度，使酪蛋白均勻穩(wěn)定的分散在乳飲料中，形成懸濁液而不發(fā)生沉淀[8]。在乳酸菌長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)酵過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生大量胞外多糖，有利于飲料的穩(wěn)定。而等量的葡萄糖不能完全阻止蛋白質(zhì)顆粒間的相互吸附凝聚[9]。本研究選擇最佳葡萄糖添加量為80 g。

2.1.2 褐變時(shí)間對(duì)褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響

美拉德反應(yīng)是氨基化合物和還原糖或其他羰基化合物之間發(fā)生的反應(yīng)，包括縮合、脫水、降解、裂解、聚合等一系列反應(yīng)，反應(yīng)生成的羧酸類(lèi)、酮類(lèi)、吡喃、吡咯、吡啶等化合物，是食品香味的主要來(lái)源之一[10]。從圖3可知，加熱1 h ～3 h，粒徑與沉淀率的變化趨勢(shì)較小，較為穩(wěn)定。感官分析顯示，褐變時(shí)間主要對(duì)飲料的顏色產(chǎn)生較大的影響，隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)，飲料顏色加深。褐變時(shí)間2 h的飲料顏色較為適宜。

圖2 葡萄糖添加量對(duì)乳酸菌飲料粒徑與沉淀率的影響

2.1.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響

發(fā)酵時(shí)間對(duì)褐色乳酸菌飲料的粒徑和沉淀率的影響見(jiàn)圖4。從圖4可知，在發(fā)酵的前72 h內(nèi)，粒徑大小和沉淀率均在下降，而在發(fā)酵的72 h ～120 h內(nèi)，粒徑大小和沉淀率則趨于平穩(wěn)。這是由于發(fā)酵初期，微生物處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，而此時(shí)蛋白水解酶的活性最強(qiáng)，另外干酪乳桿菌在水解乳糖的過(guò)程中還有著較強(qiáng)的蛋白水解活性，牛奶中大量蛋白質(zhì)被水解為氨基酸，飲料的顆粒也隨之減小[11]；隨著發(fā)酵時(shí)間達(dá)到72 h以后，發(fā)酵乳酸性增加，蛋白水解酶的活性受到抑制，蛋白質(zhì)水解減慢，飲料的顆粒大小也趨于穩(wěn)定，所以選擇最佳發(fā)酵時(shí)間為72 h。

2.1.4 基料添加量對(duì)褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響

基料添加量(蛋白質(zhì)含量)對(duì)飲料粒徑和沉淀率的影響如圖5所示。從圖5可知，隨著基料添加量增加，飲料體系的離心沉淀率逐漸上升，而粒徑大小則變化不大。這是由于隨著蛋白質(zhì)添加量的增加，飲料中的固形物含量逐漸增加，使得穩(wěn)定性變差，但當(dāng)添加量達(dá)到1.3 %以后，體系的粘度增加，穩(wěn)定性也較好。從感官分析角度看，基本都無(wú)分層現(xiàn)象。但從節(jié)約成本的基礎(chǔ)上考慮，當(dāng)基料添加量(蛋白質(zhì)含量)為1.3 %最為合適，此時(shí)的添加量為250 g。

2.1.5 飲料pH對(duì)褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響

有機(jī)酸是生產(chǎn)乳酸菌飲料常用的原料之一，其目的是為改善飲料風(fēng)味，與糖一起賦予飲料爽口的酸甜口味，同時(shí)還具有一定的抑菌作用。pH對(duì)褐色乳酸菌飲料的影響較大，如圖6所示。在pH 3.5～3.7間，飲料的離心沉淀率無(wú)太大變化；在pH 3.7～3.9間，沉淀率和粒徑明顯上升。此外，從感官觀察來(lái)看，隨pH增加，飲料無(wú)水析出，pH 3.7以后開(kāi)始析出水層，且逐漸增多。這是因?yàn)槔业鞍椎牡入婞c(diǎn)pI為4.6[12]，在加入檸檬酸后，pH下降，當(dāng)接近酪蛋白的等電點(diǎn)時(shí)，會(huì)由于重力作用使其沉淀從而使乳酸菌飲料的穩(wěn)定性遭到破壞[13]，所以出現(xiàn)粒徑和沉淀率都呈上升趨勢(shì)，故最佳飲料pH選為3.7。

2.1.6 均質(zhì)壓力對(duì)褐色乳酸菌飲料穩(wěn)定性的影響

均質(zhì)壓力對(duì)飲料粒徑和沉淀率的影響如圖7所示。由圖7可知，均質(zhì)壓力改變的情況下，對(duì)褐色乳酸菌飲料的穩(wěn)定性影響較大。隨著均質(zhì)壓力從0增加到200 MPa，乳酸菌飲料體系的粒徑與沉淀率均在下降，而200 MPa之后，粒徑與沉淀率變化不大，趨于穩(wěn)定。由斯托克斯定律可知，乳蛋白質(zhì)粒子半徑越小，乳酸菌飲料粘度越大，乳酸菌飲料沉淀速度越慢，飲料的穩(wěn)定性越好[14]。這是因?yàn)槿樗峋嬃现泻性S多蛋白質(zhì)微粒和脂肪球，它們的顆粒大小直接影響飲料的穩(wěn)定性。均質(zhì)壓力過(guò)低時(shí)，蛋白質(zhì)粒子過(guò)大，容易沉降影響穩(wěn)定性。此外，從感官觀察來(lái)看，隨均質(zhì)壓力增加，飲料開(kāi)始有水析出，當(dāng)均質(zhì)壓力達(dá)到100 MPa后，趨于穩(wěn)定無(wú)水析出。結(jié)合沉淀率、粒徑大小和感官，可以看出，壓力超過(guò)200 Mpa時(shí)穩(wěn)定性良好。因此，綜合考慮，選擇最佳均質(zhì)壓力條件為200 MPa。

由上述分析可知，葡萄糖添加量、褐變時(shí)間和發(fā)酵時(shí)間對(duì)褐色乳酸菌飲料的穩(wěn)定性影響較小，而對(duì)于其顏色有較大的影響，而基料添加量、pH與均質(zhì)壓力等條件的改變，對(duì)褐色乳酸菌體系的穩(wěn)定性有較大影響較。因此，選擇基料添加量、飲料pH和均質(zhì)壓力進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以獲得一個(gè)無(wú)穩(wěn)定添加劑的最優(yōu)穩(wěn)定體系。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)分析結(jié)果，選擇均質(zhì)壓力、基料添加量和飲料pH進(jìn)行正交試驗(yàn)。采用正交表L9(34)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示?？疾熘笜?biāo)粒徑和沉淀率的正交試驗(yàn)結(jié)果如表3、4所示。

表2 因素水平表

由表3可知，蛋白質(zhì)含量、飲料pH和均質(zhì)壓力都對(duì)樣品飲料的離心沉淀率有影響。極差分析結(jié)果表示，飲料pH在三個(gè)因素中影響最大，基料添加量(蛋白質(zhì)含量)其次，均質(zhì)壓力對(duì)離心沉淀率的影響最小，最佳工藝條件組合為A2B1C2。

由表4的沉淀率分析結(jié)果可知，蛋白質(zhì)含量、飲料pH和均質(zhì)壓力都對(duì)樣品飲料的粒徑有影響。由極差分析可知，均質(zhì)壓力在三個(gè)因素中影響最大，飲料pH其次，蛋白質(zhì)含量對(duì)粒徑的影響最小，最佳工藝條件組合為A2B1C1。

按正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件所制得的飲料，從感官上來(lái)看，基本都無(wú)分層現(xiàn)象。綜合離心沉淀率、粒徑大小和感官的結(jié)果，雖然正交實(shí)驗(yàn)所測(cè)得沉淀率和粒徑選擇出最優(yōu)的工藝參數(shù)不同，但因飲料pH 3.6和3.7對(duì)粒徑和離心沉淀率的影響都基本相同，從節(jié)約檸檬酸添加成本的角度，選擇A2B1C2。即均質(zhì)壓力200 MPa，基料添加量(蛋白質(zhì)含量)200 g，飲料pH為3.7。

表3 粒徑分析的正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 沉淀率分析的正交試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

褐色乳酸菌飲料是一種多相不穩(wěn)定體系，可主要通過(guò)對(duì)制備工藝中基料添加量(蛋白質(zhì)含量)、飲料pH和均質(zhì)壓力的控制，獲取有利于飲料穩(wěn)定性的參數(shù)，達(dá)到在無(wú)穩(wěn)定劑添加的情況下的穩(wěn)定體系。本文通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)，獲得褐色乳酸菌飲料最優(yōu)穩(wěn)定體系參數(shù)為：葡萄糖添加量80 g，褐變時(shí)間2 h，發(fā)酵時(shí)間72 h，基料添加量(蛋白質(zhì)含量)200 g，飲料pH 3.7，均質(zhì)壓力200 MPa。

與其它相關(guān)研究報(bào)道相比[3-5, 11]，本文研究結(jié)果不僅優(yōu)化了褐色乳酸菌飲料的制作工藝，而且降低了穩(wěn)定劑的添加量，降低了生產(chǎn)成本。

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Optimization of stability system of brownLactobacillusbeverage

WANG Guang-qiang, YANG Jing-yuan, XIA Yong-jun, AI Lian-zhong

School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

In order to explore the stability of brownLactobacillusbeverage, effects of glucose addition, browning time and fermentation time on the stability of brownLactobacillusbeverage were investigated. The results demonstrated that these above factors had little influence on the stability of brownLactobacillusbeverage, but the addition of base material, pH value of the beverage and homogenization pressure had great impacts on it by single factor experiment and orthogonal experiment. The optimal stability parameters of brownLactobacillusbeverage were as follows: 80 g of glucose, 2 h of browning, 72 h of fermentation, 200 g of base material, 3.7 of pH value and 200 MPa of homogenization pressure. The results showed that the production process of brownLactobacillusbeverage was not only optimized, but the dosage of stabilizer and cost of production were also reduced.

brownLactobacillusbeverage; stability; process; orthogonal experiment

上海市國(guó)際科技合作基金項(xiàng)目(編號(hào)：14390711700)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：31401670)。

王光強(qiáng)(1985～)，男，講師，博士。研究方向：食品微生物，飲料。E-mail: 1015wanggq@163.com。

*通訊作者: 艾連中，教授，博導(dǎo)。E-mail: ailianzhong@163.com。