牦牛乳清固體飲料的配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化

馬 燕,王 萍,梁 琪,*,高瑞平,宋雪梅

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省功能乳品工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730070)

乳清是生產(chǎn)干酪或干酪素時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物,保留了牛乳中約20%的蛋白質(zhì)[1]。牦牛乳是營養(yǎng)價(jià)值極高且稀缺的國內(nèi)高端乳源,其蛋白質(zhì)及礦物質(zhì)含量與普通牛乳存在差異[2-3]。李亞茹等[4]研究指出牦牛乳中β-乳球蛋白、血清白蛋白的含量均顯著高于普通牛乳。

據(jù)統(tǒng)計(jì),按生產(chǎn)1噸干酪排出約9噸乳清廢液計(jì)算,地球每年有上億噸乳清需要處理。乳業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)具備較強(qiáng)的乳清處理能力,荷蘭的處理量高達(dá)95%,德國和美國達(dá)70%。與上述國家相比我國乳清液處理能力相對(duì)落后[5-6]。目前,國內(nèi)外制備乳清粉主要采用噴霧干燥技術(shù),進(jìn)風(fēng)口溫度在100 ℃以上[7-8]。α-乳白蛋白和β-乳球蛋白的失活溫度為63和74 ℃,失活后會(huì)影響乳清粉以及與乳清粉相關(guān)的嬰幼兒食品的營養(yǎng)功能特性。在自然狀態(tài)下,乳清蛋白中的巰基(-SH)具有活性,低pH(2.5～3.5),使得蛋白質(zhì)的疏水性增強(qiáng),-SH暴露,并與二硫鍵(S-S)反應(yīng)導(dǎo)致熱凝聚[9-10]。

本研究利用減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(45 ℃)和真空冷凍(-55～40 ℃)兩種控溫濃縮干燥技術(shù)結(jié)合制取乳清粉,區(qū)別于噴霧干燥制粉工藝,溫度控制在保留乳清蛋白活性的范圍內(nèi)。擬生產(chǎn)的乳清片狀固體飲料在崩解劑的作用下,迅速溶解于水中,產(chǎn)生大量二氧化碳泡沫,飲入口中產(chǎn)生汽水般舒暢感。旨在促進(jìn)乳清液回收利用以及產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新,為工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用提供重要支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清液 甘肅省功能乳品工程實(shí)驗(yàn)室甜干酪生產(chǎn)中排出的副產(chǎn)物,紗布粗濾,于-18 ℃冷凍保藏備用;碳酸氫鈉、酒石酸、聚乙二醇6000、阿斯巴甜(食品級(jí))、乳糖 國產(chǎn)分析純。

RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;SCIENTZ-10ND冷凍干燥機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;DW-86L386立式超低溫保存箱 青島海爾特種電器有限公司;FR224CN分析天平 奧豪斯儀器(常州)有限公司;SDP-O小型手動(dòng)壓片機(jī) 江蘇天誠機(jī)械;雷磁PHS-25/2F實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式酸度pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 固體飲料的工藝流程 制備乳清粉→乳清粉與輔料計(jì)量混合→研磨→粉末混合直壓→乳清飲料片

制備乳清粉時(shí),需要注意濃縮液體量不宜過多,否則會(huì)在濃縮過程中出現(xiàn)大量泡沫,給操作帶來困難。其次濃縮濃度不能太高,否則在凍干后會(huì)出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象,影響粉的品質(zhì)和得率。研磨后,將乳清粉與輔料調(diào)配成的混料需攪拌均勻,否則會(huì)對(duì)飲料片崩解時(shí)間產(chǎn)生影響。

1.2.2 乳清粉的制備

1.2.2.1 制備過程 乳清液-18 ℃取出解凍,稱取約100 g,45 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至原液1/2,稱重記為W1,轉(zhuǎn)移至-55 ℃真空冷凍干燥,獲得乳清粉,稱重記為W2。

1.2.2.2 乳清粉得率計(jì)算

式中:W1濃縮液重量;W2凍干粉重量。

1.2.3 固體飲料的質(zhì)量測(cè)定

1.2.3.1 崩解時(shí)間測(cè)定 參照《藥典》(2015版)四部0921。約45 ℃200 mL的溫?zé)崴尤?50 mL的燒杯,放入1片飲料片,計(jì)時(shí)。待片劑周圍氣體停止逸出,無聚集的顆粒殘存時(shí)停止計(jì)時(shí),記錄數(shù)據(jù),重復(fù)三次。

1.2.3.2 pH測(cè)定 測(cè)過崩解時(shí)間的料液進(jìn)行攪拌后,用酸度計(jì)測(cè)定其pH,記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3.3 發(fā)泡量測(cè)定 約45 ℃2 mL的溫?zé)崴尤?5 mL具塞刻度試管,放入1片飲料片,觀察發(fā)泡量,讀出泡沫到達(dá)的最大體積,記錄數(shù)據(jù),重復(fù)三次。

1.2.3.4 感官評(píng)價(jià) 評(píng)分小組由15人組成,采用盲樣評(píng)定法對(duì)飲料片崩解后料液的口感、色澤、香氣進(jìn)行評(píng)分。利用感官加權(quán)計(jì)算最終得分。感官評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)見表1。

表1 乳清飲料片感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria for whey beverageTablets

1.2.4 固體飲料的配方研究

1.2.4.1 單因素實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)選擇酒石酸為酸源,碳酸氫鈉為堿源,聚乙二醇6000為被膜劑,阿斯巴甜為甜味劑,乳糖為稀釋劑[11-12]。

設(shè)置崩解劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和酸堿配比為40%和2∶1,10%的聚乙二醇6000,5%的阿斯巴甜,選擇乳清粉添加量為20%、25%、30%、35%、40%,選用乳糖作為稀釋劑,考察不同的乳清粉添加量對(duì)固體飲料崩解時(shí)間、發(fā)泡量、pH、感官評(píng)分的影響;設(shè)置25%乳清粉,10%聚乙二醇6000,5%阿斯巴甜,20%乳糖,40%崩解劑,選擇崩解劑中酒石酸與碳酸氫鈉的酸堿比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2,考察崩解劑不同酸堿比對(duì)飲料pH和發(fā)泡量影響;設(shè)置25%乳清粉,10%聚乙二醇6000,5%阿斯巴甜,崩解劑中酒石酸和碳酸氫鈉的比例為1.5∶1,崩解劑添加量為25%、30%、35%、40%、45%,乳糖添加量根據(jù)崩解劑量進(jìn)行調(diào)整,考察崩解劑添加量對(duì)飲料片的崩解時(shí)間和發(fā)泡量的影響；設(shè)置25%乳清粉,45%崩解劑(酸堿比1.5∶1),5%阿斯巴甜,選擇聚乙二醇6000添加量為6%、7%、8%、9%、10%,考察聚乙二醇6000添加量對(duì)飲料片崩解時(shí)間及外觀狀態(tài)的影響。

1.2.4.2 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,40%～45%崩解劑(酒石酸和碳酸氫鈉酸堿比1∶1～2∶1),選取酒石酸添加量為22%、23%、24%,對(duì)應(yīng)的碳酸氫鈉添加量為19%、20%、21%。參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2760-2014),選取阿斯巴甜添加量為1%、3%、5%,以感官加權(quán)總分為評(píng)價(jià)指標(biāo)做L9(34)正交試驗(yàn),主要考慮阿斯巴甜的甜味感和酒石酸的酸味感的協(xié)調(diào)性,以及酒石酸和碳酸氫鈉釋放二氧化碳溶于水中引起的氣泡刺激感,達(dá)到調(diào)配口感的目的,設(shè)計(jì)見表2。

表2 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 L9(34) orthogonal test design

1.2.4.3 Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) 乳清粉添加量(X1)、酸堿配比(X2)、崩解劑添加量(X3)、阿斯巴甜添加量(X4)作為本試驗(yàn)需要優(yōu)化的四個(gè)因素,以感官加權(quán)總分(Y)為響應(yīng)值應(yīng)用Box-Behnken 設(shè)計(jì)一個(gè)四因素三水平的試驗(yàn),對(duì)乳清飲料片配方進(jìn)行優(yōu)化,試驗(yàn)因素及水平編碼見表3。

表3 Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 3 Box-Behnken response surface test design

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理,Excel的SUMPRODUCT函數(shù)計(jì)算感官加權(quán)總分,Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖,ANOVA進(jìn)行顯著性分析,最終確定乳清飲料片的最佳工藝配方。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳清粉得率

采取先濃縮后凍干的方法制粉,先除去大量的水分,以濃縮后的乳清液為基準(zhǔn),計(jì)算濃縮后的乳清粉得率,牦牛乳清粉得率為49.34%±0.33%。乳清中含有α-乳白蛋白和β-乳球蛋白,本研究控制旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)溫度為45 ℃,真空冷凍干燥溫度為-55～40 ℃,低于乳清蛋白失活溫度[13-15]。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 乳清粉添加量對(duì)固體飲料品質(zhì)的影響 乳清粉添加量對(duì)固體飲料品質(zhì)的影響,結(jié)果見圖1。

圖1 牦牛乳清粉添加量對(duì)飲料片品質(zhì)的影響Fig.1 Effect of the addition amount of yak whey powder on the quality of beverageTablets

參照市場(chǎng)對(duì)固體飲料崩解時(shí)間,以及參閱《藥典》固體片劑的崩解時(shí)間的要求,崩解時(shí)間控制在120 s內(nèi)[16-18]。本試驗(yàn)預(yù)設(shè)乳清粉為20%～40%,與崩解時(shí)間的關(guān)系見圖1a。當(dāng)乳清粉為20%～30%時(shí),崩解時(shí)間從55 s增至105 s,隨著乳清粉量的繼續(xù)增多,崩解時(shí)間增長,超出要求。飲料的品質(zhì)與發(fā)泡量、pH和感官評(píng)價(jià)密切相關(guān),由圖1b、1d、1c可知,當(dāng)乳清粉為20%～30%時(shí),發(fā)泡量在12～14 mL,料液的pH在6.40左右,感官評(píng)分高于3,飲料酸甜適中,具有氣泡感。綜合考慮,本試驗(yàn)預(yù)選乳清粉為20%～30%。

2.2.2 崩解劑酸堿比對(duì)固體飲料發(fā)泡量和料液pH的影響 由表4可知,酸堿比為1∶1及2∶1之間時(shí),飲料片的發(fā)泡量無顯著性差異(P>0.05),酸堿比為2∶1與3∶1之間時(shí),飲料片的發(fā)泡量呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)。此外,為防止低酸加劇乳清蛋白熱凝聚,控制pH為6.4～7.0之間,符合牦牛乳生理pH[19-22]。綜合考慮,本試驗(yàn)預(yù)選酸堿配比范圍在1∶1～2∶1之間。

表4 堿酸比對(duì)飲料片發(fā)泡量和料液pH的影響Table 4 Effect of alkali acide ratio on foaming amount of beverageTablets and pH value of liquid

2.2.3 崩解劑添加量對(duì)固體飲料崩解時(shí)間和發(fā)泡量的影響 由圖2崩解時(shí)間可知,當(dāng)崩解劑為25%～35%時(shí),崩解時(shí)間從152降至120 s,隨著崩解劑量的增加,崩解時(shí)間逐漸降低。崩解效果與發(fā)泡量具有密切關(guān)系,由圖2發(fā)泡量可知,當(dāng)崩解劑在35%～45%時(shí),發(fā)泡量均大于8 mL。綜合考慮,本試驗(yàn)預(yù)選崩解劑的添加量為40%～45%。

圖2 崩解劑添加量對(duì)飲料片崩解時(shí)間和發(fā)泡量的影響Fig.2 Effect of the amount of disintegrant added on the disintegration time limit and foaming amount of beverageTablets

2.2.4 聚乙二醇6000添加量對(duì)固體飲料品質(zhì)的影響 按GB 2760-2014規(guī)定,聚乙二醇6000添加量為6%、7%、8%、9%、10%,再控制配方中剩余組分的含量,進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)固體飲料(GB/T 29602-2013)標(biāo)準(zhǔn),觀察飲料片外觀狀態(tài),并測(cè)定其崩解時(shí)間,作為確定聚乙二醇6000添加量對(duì)飲料片品質(zhì)影響的指標(biāo)。由表5可知,6%與7%之間飲料片崩解時(shí)間無顯著性差異(P>0.05),7%、8%、9%、10%之間飲料片的崩解時(shí)間呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)。從崩解效果來看,隨著聚乙二醇6000量的增加,崩解時(shí)間顯著性增長(P<0.05),添加量大于9%時(shí),崩解時(shí)間大于120 s,添加量為6%～8%,崩解時(shí)間控制在120 s內(nèi)。從成片效果來看,添加量8%時(shí),成片后表面光滑平整,富有光澤。綜合考慮,本試驗(yàn)預(yù)選聚乙二醇6000添加量為8%。

表5 聚乙二醇6000添加量對(duì)飲料片品質(zhì)的影響Table 5 Effect of the amount of polyethylene glycol 6000 on the quality of beverageTablets

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)的結(jié)果見表6。由表6可知,A、B、C、D四個(gè)因素的主次關(guān)系為:A>D>C>B,即對(duì)乳清飲料片口感影響最重要的因素是阿斯巴甜的添加量,接下來依次是乳清粉,酒石酸和碳酸氫鈉添加量。最優(yōu)水平組合是A2B2C3D3,即阿斯巴甜的添加量為3%,碳酸氫鈉添加量20%,酒石酸添加量24%(酸堿配比為1.2∶1),乳清粉添加量為30%。其中阿斯巴甜、酒石酸和碳酸氫鈉分別符合GB 2760-2014蛋白飲料中甜味劑、酸度調(diào)節(jié)劑用量要求。從縱向水平口感分值來看,有多個(gè)分值過于接近,口感調(diào)配還需要提高,故選取阿斯巴甜2.5%、3%、3.5%,乳清粉25%、28%、30%,崩解劑酸堿配比1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1對(duì)配方進(jìn)一步優(yōu)化。

表6 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 L9(34)orthogonal test results

2.4 Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 統(tǒng)計(jì)分析和模型擬合 依據(jù)表7,用Expert-Design8.0.6軟件對(duì)自變量X1、X2、X3、X4進(jìn)行擬合,得出響應(yīng)值對(duì)各自變量的多元二次響應(yīng)面回歸方程:

表7 Box-Behnken響應(yīng)面分析試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Box-Behnken response surface analysis test results

表8 回歸模型的ANOVA分析Table 8 ANOVA analysis of regression models

從ANOVA分析結(jié)果可知,各因素對(duì)飲料片感官質(zhì)量加權(quán)總分影響極顯著的是X1、X3、X4,即乳清粉、阿斯巴甜和崩解劑添加量(P<0.001),乳清粉添加量同酸堿配比的交互作用對(duì)飲料片感官質(zhì)量加權(quán)評(píng)分影響顯著(P<0.05)。因素X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4、X3X4對(duì)飲料片感官質(zhì)量加權(quán)評(píng)分影響不顯著(P>0.05)。

2.4.2 響應(yīng)面交互作用分析 通過對(duì)二維等高線圖和三維響應(yīng)面的觀察可以預(yù)測(cè)出各變量交互作用的顯著性,等高線圖的形狀和響應(yīng)曲面坡度作為判斷指標(biāo)。當(dāng)呈現(xiàn)圓形時(shí),以及曲面坡度幾乎平緩時(shí),可判斷為具有不顯著影響;當(dāng)曲面坡度較大時(shí),對(duì)最高點(diǎn)進(jìn)行分析后,可獲知選擇區(qū)域內(nèi)存在研究所需的最優(yōu)值[23-25]。

由圖3a可知,乳清粉添加量和酸堿配比的等高線形狀為橢圓形,表明乳清粉添加量和酸堿配比的交互作用對(duì)飲料片的感官品質(zhì)影響達(dá)到顯著水平。飲料片感官加權(quán)總分隨乳清粉添加量和酸堿比的升高而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),而其中酸堿比的上升以及下降趨勢(shì)過于平緩,乳清粉添加量對(duì)飲料片感官加權(quán)總分的影響比酸堿比更加顯著。當(dāng)乳清粉添加量在28%～29%之間時(shí),飲料片的感官品質(zhì)最好。

圖3 二維等高線及三維響應(yīng)面圖Fig.3 Two-dimensional contour line and three-dimensional response surface

由圖3b可知,乳清粉添加量和崩解劑添加量的等高線近似為圓形,表明乳清粉添加量和崩解劑添加量的交互作用對(duì)飲料片的感官品質(zhì)無顯著影響。飲料片感官加權(quán)總分隨乳清粉和崩解劑添加量的升高而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),乳清粉添加量對(duì)飲料片感官加權(quán)總分的影響比崩解劑添加量更加顯著。固定乳清粉添加量,飲料片感官加權(quán)總分隨崩解劑添加量的升高呈現(xiàn)較明顯趨勢(shì),崩解劑添加量對(duì)飲料片感官加權(quán)總分影響顯著。當(dāng)崩解劑添加量在43%～44%之間時(shí),飲料片的感官品質(zhì)最好。

由圖3c可知,乳清粉添加量和阿斯巴甜添加量的等高線近似為圓形,表明乳清粉添加量和阿斯巴甜添加量的交互作用對(duì)飲料片的感官品質(zhì)無顯著影響。飲料片感官加權(quán)總分隨乳清粉總體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),乳清粉添加量對(duì)飲料片感官加權(quán)總分的影響比阿斯巴甜添加量更加顯著。固定乳清粉添加量,飲料片感官加權(quán)總分隨阿斯巴甜添加量的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),表明阿斯巴甜添加量對(duì)飲料片感官加權(quán)總分影響顯著。當(dāng)阿斯巴甜添加量在2.70%～3.00%之間時(shí),飲料片的感官品質(zhì)最好。

由圖3d可知,酸堿比和崩解劑添加量的等高線近似為圓形,表明酸堿比和崩解劑添加量的交互作用對(duì)飲料片的感官品質(zhì)無顯著影響。飲料片感官加權(quán)總分隨酸堿比和崩解劑添加量的升高而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),而其中酸堿比的上升以及下降趨勢(shì)過于平緩,崩解劑添加量對(duì)飲料片感官加權(quán)總分的影響顯著。

2.4.3 驗(yàn)證試驗(yàn) 對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化分析后,確定了乳清固體飲料配方的最佳工藝條件為:28.75%乳清粉,43.75%崩解劑,酸堿比為1.24∶1,2.75%阿斯巴甜,8%的聚乙二醇6000,感官加權(quán)總分為4.04。進(jìn)行三次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)后,測(cè)得飲料片感官加權(quán)總分為4.06±0.11,與Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化預(yù)測(cè)的結(jié)果基本一致,故用Box-Behnken響應(yīng)面分析方法獲得飲料配方的工藝條件真實(shí),具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.5 固體飲料質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

按照最佳工藝制得的飲料片,兩平面圓形,表面光滑平整富有光澤。規(guī)格約0.50 g/片,直徑約為10 mm,攜帶方便。約45 ℃的水沖泡,適宜品嘗飲用,料液pH為6.42,崩解時(shí)間<120 s,發(fā)泡量>8 mL,遇水能夠崩解并產(chǎn)生大量氣體,具有透亮的乳白色,怡人的香氣,口感清爽,良好的飲用愉悅感,固體飲料及沖飲狀態(tài)。

圖4 固體飲料片及其沖泡狀態(tài)Fig.4 Solid beverageTablets and their brewed drink status注:a中左上角為固體飲料片,右下角為飲料片 沖泡崩解過程;b為崩解完全后的狀態(tài)。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了不同于噴霧干燥制取乳清粉的工藝,45 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),-55 ℃真空凍干。通過單因素試驗(yàn)、L9(34)正交試驗(yàn)和Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化,確定飲料的最佳工藝配方:28.75%的乳清粉,43.75%的崩解劑,酸堿比為1.24∶1,2.75%的阿斯巴甜,8%聚乙二醇6000。加工溫度及pH控制在維持α-乳白蛋白和β-乳球蛋白活性范圍內(nèi)。新產(chǎn)品牦牛乳清固體飲料,規(guī)格約0.50 g/片,直徑約為10 mm,方便攜帶,色澤清透,香味愉悅,口感舒爽,是一種具有廣闊開發(fā)前景的產(chǎn)品。