低糖褐色乳酸菌飲品的穩(wěn)定性研究

呂昌勇，徐致遠，蘇米亞，劉振民

(1.乳業(yè)生物技術國家重點實驗室，上海200436； 2.上海乳業(yè)生物工程技術研究中心，上海200436；3.光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海200436)

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低糖褐色乳酸菌飲品的穩(wěn)定性研究

呂昌勇1,2,3，徐致遠1,2,3，蘇米亞1,2,3，劉振民1,2,3

(1.乳業(yè)生物技術國家重點實驗室，上海200436； 2.上海乳業(yè)生物工程技術研究中心，上海200436；3.光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海200436)

為提高低糖褐色乳酸菌飲品的穩(wěn)定性，通過單因素實驗研究可溶性大豆多糖和高脂果膠配比、H+濃度指數 (pH值)以及蛋白質質量分數對其穩(wěn)定性的影響；在此基礎上使用Box-Behnken方法進行實驗方案設計，對實驗結果進行二次回歸分析，優(yōu)化得到最佳工藝參數：pH 3.71、蛋白質質量分數1.02%、可溶性大豆多糖和高脂果膠復配質量比例1.93∶ 1、總添加量0.4%，該條件下，沉淀率為2.51%。

乳酸菌飲品；低糖；穩(wěn)定性；響應面法

褐色乳酸菌飲品是以脫脂奶、葡萄糖和水經過熱處理發(fā)生美拉德反應后，乳酸菌發(fā)酵得到基料，添加一定比例的糖水調制而成的乳酸菌飲品[1-2]，其發(fā)酵菌干酪乳桿菌耐酸性較好，可以到達人體腸道，除了有調節(jié)腸道的作用，還有在一定程度上降血壓和降膽固醇的作用[4-5]。以活性乳酸菌為賣點的此類產品，在市場上連年走俏，產銷量上升迅猛。但是，此類產品含糖量較高，通常100 mL產品中含糖14～19 g。研究表明，糖的過多攝取與肥胖、血壓升高等問題有一定的關聯[6-7]，影響健康。基于此，對于乳酸菌飲品而言，減糖、低糖、甚至無糖產品是未來的一種趨勢，更符合健康的訴求。GB 28050—2011中規(guī)定，低糖的標準是100 mL產品中糖含量低于5 g。

一般情況下，全糖的乳酸菌飲品不需要添加穩(wěn)定劑和乳化劑，這主要由于干酪乳桿菌發(fā)酵時間長，產生的代謝產物豐富，有利于體系穩(wěn)定；同時，蔗糖良好分散溶解于體系，增加體系可溶性固形物含量，也有利于體系穩(wěn)定；還有，褐色飲品通常為脫脂產品，所以也不需要添加乳化劑。而對于低糖產品，蔗糖的添加量減少導致可溶性固形物含量大幅度減少，對褐色飲品體系密度有較大影響，從而影響體系穩(wěn)定性。此外，對于褐色飲品來說，其特點之一就是口感很清爽，加之產品為酸性，實際上可以考慮的穩(wěn)定劑比較有限，較常用的只有果膠和大豆多糖等少數幾種。綜上，筆者從市場、研發(fā)及生產工藝實際考慮，對低糖褐色飲品的穩(wěn)定性進行一定的研究。

1 材料與方法

1.1 材料

新西蘭進口脫脂奶粉(脫脂奶粉蛋白質質量分數為33.4%，乳糖質量分數為52.5%，脂肪含量0)；白砂糖、葡萄糖，市購；菌種，漢森公司Lactobacilluscasei01；可溶性大豆多糖(下文簡稱大豆多糖)，味博食品有限公司；高脂果膠(下文簡稱果膠)，丹尼斯克有限公司。

1.2 儀器設備

303A-2型電熱恒溫培養(yǎng)箱恒溫水浴鍋，山東省龍口市電爐制造廠；IKARW20型高速攪拌機，德國IKA公司；pHS-25型數顯pH計，上海理達儀器廠；APV1000型高壓均質機，丹麥APV公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 發(fā)酵基料的制備

脫脂奶粉質量分數13%，葡萄糖質量分數6%，其余補水，40 ℃攪拌溶解20 min，95 ℃高溫殺菌120 min，冷卻至37 ℃添加菌種Lactobacilluscasei 01 (添加后總體系菌種密度106CFU/mL)，37 ℃恒溫培養(yǎng)72 h以上，pH達到3.6～3.7，破乳攪拌均勻，冷卻至4～10 ℃。

1.3.2 褐色乳酸菌飲品的制備

白砂糖、甜味劑和穩(wěn)定劑在70～80 ℃水中溶解，高速攪拌20～30 min，95 ℃殺菌5 min，冷卻至20～30 ℃，添加特定量發(fā)酵基料，發(fā)酵乳基料添加量根據目標蛋白質質量分數計算而來，攪拌10～15 min，檸檬酸調酸到設計值，20～30 ℃、20 MPa條件下均質，10～20 ℃灌裝入庫，4～6 ℃冷藏保存。

1.3.3 穩(wěn)定性評定標準

1)離心加速實驗。離心管中加入約 10 mL配制好的低糖褐色乳酸菌飲品，經過3 500×g(此g為表重力加速度)離心10 min，緩慢倒出溶液，準確稱取沉淀物質量。

離心率=

(1)

2)保質期內觀察實驗。全保質期內靜置觀察是飲品體系穩(wěn)定與否的最直接方法，由于該產品為低溫產品，保質期時間較短，僅28 d，可以在保質期內觀察產品狀態(tài)，觀察析水及瓶底沉淀狀況，驗證離心加速實驗結果。

1.4 實驗設計

1.4.1 單因素實驗

按照1.3.2所述方法進行配制乳酸菌飲品，其中固定pH 3.7，蛋白質含量1.1%，研究大豆多糖和果膠比例對飲品體系的穩(wěn)定性影響；固定蛋白質質量分數1.1%，固定2∶ 1比例、添加量0.4%的大豆多糖與果膠復配穩(wěn)定劑，研究pH對飲品體系的穩(wěn)定性影響；固定pH 3.7，固定2∶ 1比例、總添加量0.4%的大豆多糖與果膠復配穩(wěn)定劑，研究蛋白質質量分數對飲品體系的穩(wěn)定性影響。

1.4.2 Box-Behnken響應面優(yōu)化實驗方法

穩(wěn)定劑比例、蛋白質質量分數和pH對飲品體系的穩(wěn)定性都有一定的影響，采用三因素三水平的響應面方法進行預測分析，實驗因素及水平設置見表1。

表1 響應面實驗因素水平編碼表

2 結果與討論

GB/Z 21922—2008規(guī)定，低糖標準為100 mL產品中糖含量<5 g，本飲品體系密度約為1.05 g/mL，即糖的添加量應該<4.76%。本文中，筆者在配方設計時把糖質量分數恒定為4.5%。按照GB/Z 21922—2008，食品營養(yǎng)成分基本術語中對糖的定義是所有單糖和雙糖，該飲品體系中的糖主要包括：酸奶基料中的乳糖和葡萄糖(質量分數約為12.825%)，及配制飲品體系中補充的白砂糖，添加量根據計算補充至總糖質量分數4.5%。以蛋白質質量分數1.5%的飲品為例，酸奶基料蛋白質質量分數為4.342%，糖質量分數為12.825%，酸奶基料在總飲品體系中添加量為34.55%，基料提供糖質量分數為4.43%，需額外補充0.07%的白砂糖。

正常褐色飲品的蔗糖添加量為12%左右，而低糖糖含量大幅度降低，酸甜比失衡，因此需要大量使用甜味劑，基于此，筆者根據經驗，采取高倍甜味劑三氯蔗糖與安賽蜜按1∶ 1復配替代蔗糖進行后續(xù)實驗。

2.1 果膠與大豆多糖復配對低糖褐色飲品的影響

根據筆者前期實驗經驗，大豆多糖與果膠單獨使用時，添加量在0.4%左右時對于酸性乳飲料有較好的穩(wěn)定作用，超過0.4%后，穩(wěn)定劑的風味逐漸顯現出來，低于0.4%可能會有析水風險。為此，本實驗研究2種穩(wěn)定劑復配后對低糖褐色飲品的穩(wěn)定性的影響，以0.4%作為復配后的總添加量，pH選擇3.7，蛋白質1.1%，復配不同比例的穩(wěn)定劑進行進行實驗，得到結果如圖1所示。

圖1 大豆多糖和果膠復配比例對離心沉淀率的影響Fig.1 Effect of the ratio of SSPS and HMP on centrifugation precipitating rate

由圖1可以看出：大豆多糖與果膠復配后，離心沉淀率較低，均為3.6%以下，其中最佳的復配比例為3∶ 1～1∶ 1，全保質期內觀察穩(wěn)定性，未出現可見的析水和沉淀。果膠和大豆多糖結構類似，也同樣適用于酸性乳飲料，但是穩(wěn)定機制卻不相同。果膠主要通過和酪蛋白結合形成帶負電的絡合物，靠膠粒之間的靜電排斥作用，以防止酪蛋白的聚集沉淀，而大豆多糖主要是靠中性多糖支鏈提供空間位阻來穩(wěn)定體系]，復配后的沉淀率下降可能跟兩者作用機制互補有關。本研究實驗結果與張亦瀾]研究結果一致，佐證了大豆多糖與果膠之間的2∶ 1復配比具有較好的效果。

2.2 pH對低糖褐色飲品的影響

褐飲的pH通常在3.5～3.8之間，本實驗設計蛋白質質量分數1.1%，添加0.4%的2∶ 1比例大豆多糖與果膠復配穩(wěn)定劑，pH調整到3.5、3.6、3.7、3.8和3.9梯度進行實驗，得到結果如圖2所示。

圖2 pH對離心沉淀率的影響Fig.2 Effect of pH on centrifugation precipitating rate

由圖2可以看出：pH對飲品體系的離心沉淀率有一定影響。在研究范圍內，沉淀率在2.89%～5.89%之間變化，隨著pH升高，離心沉淀率先減少再增加，在pH 3.7時沉淀率最小，全保質期內觀察穩(wěn)定性，pH在3.9以下樣品未出現可見的析水和沉淀，pH 4.0樣品在第14 天出現析水，保質期末第28 天，析水高度約0.5 cm。由于酪蛋白等電點在4.6左右，因此離pH 4.6越遠，蛋白體系越趨于穩(wěn)定，在pH為3.7～4.0時，pH越高，穩(wěn)定性越差；果膠的作用機制是靠電荷作用，因而在低pH下的穩(wěn)定作用較差，易造成體系崩潰]。綜合看來，pH對發(fā)酵乳飲料的穩(wěn)定性影響一方面是影響了蛋白質帶電性，另一方面還影響所添加的穩(wěn)定劑狀態(tài)-14]。

2.3 蛋白質含量低糖褐色飲品的影響

國標要求乳酸菌飲品的蛋白質比例要大于0.7%，因此，本實驗中，以蛋白質質量分數0.7%、0.9%、1.1%、1.3%和1.5%幾個梯度進行實驗，總添加0.4%、質量比2∶ 1的大豆多糖與果膠復配穩(wěn)定劑，pH調整至3.7，得到結果如圖3所示。

圖3 蛋白質質量分數對離心沉淀率的影響Fig.3 Effect of protein contents on centrifugation precipitating rate

由圖3可以看出：蛋白質質量分數對產品的穩(wěn)定性有一定的影響，整體來說，由于穩(wěn)定劑的加入，沉淀率都在比較低的水平，均在3.6%以下，隨著蛋白質質量分數的升高，沉淀率先幾乎不變，然后升高，全保質期內觀察穩(wěn)定性，均未出現可見的析水和沉淀。在蛋白質質量分數較少的情況下，穩(wěn)定劑與蛋白質之間的靜電作用力大于重力，蛋白質百分比升高，分子間作用力增大，體系更趨于穩(wěn)定[11]，隨著蛋白質質量分數的增加，蛋白質分子間作用力小于蛋白質分子所受的重力影響，蛋白質分子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，離心沉淀率升高。

2.4 工藝條件的優(yōu)化

在單因素實驗基礎上，使用Design Expert軟件，設計了三因素三水平的響應面分析實驗，其實驗結果見表2，響應面優(yōu)化回歸方程的方差分析見表3。

表2 響應面設計方案及實驗結果

表3 響應面回歸模型方差分析

經過實驗求得的回歸方程為

Y=2.54-0.11A-0.060B+0.036C-0.042AB-

0.015AC-0.027BC+0.9A2+0.17B2+0.23C2

(2)

式中：Y為離心沉淀率；A、B、C分別為上述3個自變量的編碼值。

模擬的一次項A、B、C均影響極顯著，由回歸方程前系數可知，3個因素影響大小從大到小依次為A、B、C，二次項A2、B2、C2極顯著，交互項AB極顯著，BC顯著。

進行響應面各因素交互作用分析，通過 Design Expert 8.0.6 軟件，將三因素兩兩進行分析比較，做出響應面曲線圖，結果如圖4所示。由圖4可以看出，pH添加量相較于蛋白質質量分數、復配比例曲線較陡峭，說明pH的影響較顯著些；蛋白質量分數和復配比例在較小的范圍內變化。

通過該回歸方程最優(yōu)解確定最佳的工藝參數為pH 3.71、蛋白質質量分數1.02%、穩(wěn)定劑復配質量比例1.93∶ 1，該條件下，沉淀率最小達到2.534%。經過3次實驗驗證，在此條件下，沉淀率平均值為2.51%，與預測值相近。同時全程觀察保質期內穩(wěn)定性，未出現可見的析水和沉淀，表明該模型能較好的預測實際情況。

圖4 各因素交互作用對離心沉淀率的響應面Fig.4 Response surface of two factors interaction on centrifugation precipitating rate

3 結論

大豆多糖和果膠進行復配比例對低糖低糖褐色飲品的穩(wěn)定體系有一定影響，總添加量0.4%，復配比3∶ 1～1∶ 1效果較好；pH對低糖褐色飲品的穩(wěn)定性有較大影響，pH控制為3.6～3.8，離心沉淀最低；蛋白質含量對低糖褐色飲品的穩(wěn)定性有一定的影響，蛋白質量在0.9%～1.1%時，沉淀率最低；通過響應面優(yōu)化試驗，建立了多元回歸模型，通過理論計算和實驗驗證表明，穩(wěn)定劑復配質量比例1.93∶ 1、pH 3.71、蛋白質質量分數1.02%條件下配制的低糖褐色離心沉淀率最低，全保質期內觀察穩(wěn)定性，未出現可見的析水和沉淀。

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(責任編輯 管珺)

Stability of low-sugar brown lactobacillus beverage

LYU Changyong1,2,3,XU Zhiyuan1,2,3,SU Miya1,2,3,LIU Zhenmin1,2,3

(1.State Key Laboratory of Dairy Biotechnology,Shanghai 200436,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Dairy Biotechnology,Shanghai 200436,China;3.Dairy research institute,Bright Dairy & Food Co. Ltd.,Shanghai 200436,China)

To improve the stability of low-sugar brown lactobacillus beverage(LBLB),we use single-factor experiments to determine the ratio of soluble soybean polysaccharide (SSPS) and high methoxyl pectin (HMP),pH and protein content.Then,the Box-Behnken design was done and the results were analyzed by quadratic regression analyses.The optimum ratio of SSPS and HMP(merge addition 0.4%),pH,and contents of protein was 1.93∶ 1,3.71,1.02%,respectively.Under the condition,the real centrifugation precipitating rate of LBLB was 2.51%.

lactobacillus beverage；low-sugar；stability；response surface method

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.02.011

2016-10-28

國家“十二五”科技支撐計劃(2013BAD18B01)；上海市科委項目(16DZ2280600)；上海市閔行區(qū)領軍人才項目(201443)

呂昌勇(1987—)，男，河南固始人，工程師，研究方向：乳制品研發(fā)，E-mail:lyuchangyong@163.com

TS252.54

A

1672-3678(2017)02-0067-05