基于核磁共振技術(shù)分析奶酪在真空干燥中的水分遷移及貨架期品質(zhì)變化規(guī)律

吳政，逄曉陽，蘆晶，劉鷺，馬長路，朱輝權(quán)，依勝男，張書文，呂加平

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京100193）

0 引 言

“奶疙瘩”是典型的常溫奶酪，是新疆哈薩克族的一種傳統(tǒng)奶酪產(chǎn)品，至今已有上千年的歷史，由于其風(fēng)味獨特，深受當(dāng)?shù)叵M者的喜歡[1]。產(chǎn)品加工工序主要包括殺菌、加入發(fā)酵劑發(fā)酵、煮燙、過濾排乳清、壓榨成型、干燥等工藝。由于奶疙瘩是牛奶酸凝產(chǎn)品并經(jīng)過了脫水干燥，所以可在常溫條件貯藏流通。目前，大多數(shù)奶疙瘩的加工仍停留在牧民家庭手工作坊式階段，制作工藝粗放、衛(wèi)生條件差，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定、風(fēng)味差；而且，牧民采用的干燥方法主要是自然晾曬，這種方式耗時長、易污染、色澤差等問題[2]。

食品干燥是有效的保藏方法，主要是降低水分含量與水分活度以抑制微生物繁殖，延長食品的貨架期[3]，便于保藏、運輸和銷售。除了傳統(tǒng)的普通日曬和常壓熱風(fēng)干燥方法外，新型的干燥技術(shù)如真空干燥、真空冷凍干燥、紅外干燥、微波干燥、太陽能干燥等技術(shù)。其中真空干燥具有傳熱均勻、干燥溫度低、無氧干燥等優(yōu)點[4]而得到廣泛應(yīng)用。

目前，低場核磁共振技術(shù)在研究食品干燥、貯藏、復(fù)水等過程中水分的狀態(tài)與分布得到了廣泛應(yīng)用。即通過測定馳豫時間的變化解釋樣品中水分的分布狀態(tài)和變化規(guī)律，具有快速、無損、有效等優(yōu)點。低場核磁共振主要包括低場核磁共振馳豫（magnetic resonance spectroscopy，MRS）和低場合磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)。Wang等[5]研究了不同預(yù)處理方式對胡蘿卜水分遷移和品質(zhì)特性的影響；渠琛玲等[6]研究了熱風(fēng)干燥過程中花生仁內(nèi)部水分的變化規(guī)律；石芳等[7]利用MRI技術(shù)研究干香菇復(fù)水過程中水分變化規(guī)律等都取得了理想的預(yù)期效果。但尚未見到奶酪干燥中水分分布及遷移變化的研究報道，缺乏指導(dǎo)合理控制干燥工藝的基礎(chǔ)資料。

本研究的目的為對標(biāo)傳統(tǒng)常溫奶疙瘩產(chǎn)品，通過新型工藝，采用真空干燥、核磁等加工和品質(zhì)分析技術(shù)，開發(fā)新型的常溫奶酪產(chǎn)品，為常溫奶酪工業(yè)化生產(chǎn)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛乳購買于北京市三元綠荷牧場，市售白砂糖，酸奶發(fā)酵劑為科漢森YL-904，海砂、無水乙醇、硫酸鉀、硫酸銅均為分析純，購買于國藥集團化學(xué)試劑；濃硫酸、三氯乙酸為分析純，購買于北京市化工廠；醋酸鹽緩沖液，購買于北京酷來博科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DELTA 320 p H計，梅特勒-托多利儀器（上海）有限公司；TB-214分析天平，美國DENVER公司；3K15高速冷凍離心機，德國SIGMA公司；DHG-9123A電熱恒溫干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；真空干燥機，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；DHG-9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏試驗設(shè)備有限公司；TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；MesoMR型核磁共振分析與成像系統(tǒng)，上海紐邁電子科技有限公司；電子眼系統(tǒng)，英國Verivide公司。

1.3 實驗方法

新鮮牛乳標(biāo)準(zhǔn)化，殺菌后添加發(fā)酵劑，當(dāng)樣品pH達4.6時發(fā)酵結(jié)束，熱處理沉淀，使用紗布過濾排乳清，向奶酪凝塊中加入適量白砂糖，攪拌均勻后模具壓榨成直徑為4.8 cm，高1 cm重20 g的奶酪塊，放入真空干燥箱中，加熱溫度分別為50、60、70℃，真空度為0.1 MPa，樣品由干燥前干基含水率0.7000降至水分平衡時結(jié)束（干基含水率0.0186）。重復(fù)測定3次。通過對比分析，研究干燥過程中水分遷移規(guī)律。

1.4 干燥特性

記錄奶酪的初始重量，隔30 min取樣稱重，直至干燥結(jié)束，根據(jù)重量的變化繪制干燥曲線圖。

奶酪的干基含水率（X），指奶酪中的水分含量與干奶酪質(zhì)量之比，即

X=m/m0

式中X為奶酪的干基含水率，g/g；m為奶酪中水分的質(zhì)量，g；m0為絕對干奶酪的質(zhì)量，g。

奶酪的干燥速率（MR）是指單位重量奶酪在單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分重量，即

MR=-（Xt+Δt+Xt）/Δt

式中MR為奶酪的干燥速率，g/（g·min）；Xt+Δt、Xt分別為單位質(zhì)量奶酪在Δt時間間隔開始與結(jié)束時奶酪的質(zhì)量，g/g；Δt為干燥時間間隔，min。

1.5 奶酪水分組成的測定（NMR）

參照Li等[8]的方法進行改進，采用核磁共振分析軟件中的CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列測定樣品中的橫向弛豫時間T2。將精確稱量樣品放入永磁場中心位置的射頻線圈中心，進行T2采集，然后將得到的信號值通過核磁共振軟件進行反演得T2反演譜。CPMG脈沖序列參數(shù)為為：主頻23 MHz，偏移頻率292.9432 k Hz，90°脈沖時間19μs，180°脈沖時間39μs，采樣點數(shù)312474，重復(fù)時間2 500 ms，累加次數(shù)4次，回波數(shù)5 000 ms。

1.6 奶酪質(zhì)子密度成像的測定(MRI)

參照徐建國等[9]的方法進行改進，將奶酪放入永磁場中心位置的射頻線圈中心，進行成像試驗。主要參數(shù)為：重復(fù)時間2 000 ms，重復(fù)次數(shù)為4次，縱向弛豫時間為20 ms，根據(jù)CPMG序列測得T2值，選擇自選回波時間20 ms。

1.7 蛋白質(zhì)水解度

1.7.1 pH4.6 SN測定[10]

準(zhǔn)確稱取0.750 g干酪，加入25 mL、pH 4.6的醋酸鹽緩沖溶液，將干酪充分磨碎，再用25 mL的緩沖液充分沖洗，懸浮液在4 000 rpm的離心機中離心20 min，取上清液定量移入凱氏消化瓶，進行微量凱氏定氮，并以干酪總氮量的百分數(shù)（%）表示。

1.7.2 12%TCA SN測定

準(zhǔn)確稱取1.500 g干酪，加入25 mL 12%的TCA溶液，將干酪充分磨碎，再用20 mL的緩沖液充分沖洗，懸浮液在4 000 rpm的離心機中離心20 min，取上清液定量移入凱氏消化瓶，進行微量凱氏定氮，并以干酪總氮量的百分數(shù)（%）表示。

1.8 菌落總數(shù)的測定

采用GB4789.2-2016方法進行。

1.9 色差的變化

將樣品磨碎，采用電子眼測定樣品的L*、a*、b*值。L*表示亮度，當(dāng)L*接近于100時，表示白色，當(dāng)L*接近于0時表示黑色；當(dāng)a*值為正值時，其值越大，表示顏色越接近紅色，當(dāng)a*為負值時，其值越小，顏色越接近純綠色；當(dāng)b*為正值時，其值越大，顏色越接近純黃色，當(dāng)b*值為負值時，其值越小，顏色越接近純藍色；每組樣品重復(fù)測定6次。

1.1 0 質(zhì)構(gòu)的檢測

奶酪的質(zhì)構(gòu)特性包括硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、膠黏性，上述這些指標(biāo)與奶酪的成熟度、結(jié)構(gòu)以及拉伸力相關(guān)。由于樣品的硬度較大，彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、膠黏性無法進行測定模式與類型選擇，故實驗直接測定了硬度。TPA測試參數(shù)：測前速率60 mm/min；測后速率60 mm/min；壓縮比：30%；最小觸發(fā)力0.3 N；兩次壓縮之間的停留間隔0 s。每個樣品重復(fù)測試10次。

1.1 1 感官評價

本實驗選取10名經(jīng)過訓(xùn)練的評鑒員組成評鑒小組，根據(jù)表1對奶酪進行感官評價。

表1 感官評價表

1.1 2 數(shù)據(jù)分析

本試驗中采用SPSS軟件對結(jié)果進行t齊方差檢驗分析，使用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）進行顯著性分析（p＜0.05）；所有分析圖均采用Origin9.0軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 奶酪干燥過程含水量和干燥速率的變化

將奶酪樣品分別在50、60、70℃的溫度下真空干燥，干燥初始干基含水率為0.7 g/g干物質(zhì)，干燥結(jié)束時的干基含水率為0.018g/g干物質(zhì)。溫度在70℃時達到干燥平衡時間為210 min，溫度在60℃和50℃時達到干燥平衡時間為270 min和330 min。由干燥曲線圖可知，溫度越高，干燥速率越快，干燥時間越短。真空干燥使奶酪塊產(chǎn)生內(nèi)外壓力差，自由水在該作用下向外表遷移只需經(jīng)過很短的時間就能到達奶酪表面[11]。Ergene報道[12]的kelek cheeses同樣在干燥過程中隨著時間的增長，奶酪水分減少。從干燥速率圖中可以看出，干燥速率曲線在50、60、70℃只有降速階段，沒有加速和恒速階段。這是因為奶酪的干燥過程屬于內(nèi)部遷移控制，即水分擴散率決定干燥速率。在干燥到一定程度后，干燥速率曲線出現(xiàn)拐點，因此干燥可以分為第1降速干燥過程與第2降速干燥，50、60、70℃干燥速率曲線拐點分別為干燥過程中210、180、90 min，干燥溫度越高，拐點出現(xiàn)的越早，干燥速率降低幅度越大。第1降速干燥階段（拐點左側(cè)），自由水快速蒸發(fā)，奶酪淺層的自由水因遷移距離較小能夠快速到奶酪表面，隨著內(nèi)層水分遷移距離增加，奶酪的干燥速率緩慢降低；當(dāng)干燥進入第2降速干燥階段（拐點右側(cè)）自由水大量減少，奶酪中的不易流動水和結(jié)合水逐漸變成自由水后擴散至表面并且蒸發(fā)，由于不易流動水和結(jié)合水需要較長的時間才能變成自由水，干燥后期奶酪干燥速率降低，直至趨近于0。同時可以看出，溫度越低，第2階段需要的時間越長，原因為不易流動水、結(jié)合水需要的足夠的熱量才能夠去除。但是，70℃干燥會使奶酪的表面出現(xiàn)細微的龜裂，影響奶酪的感官。同時，脂肪對溫度比較敏感，溫度較高會造成奶酪脂肪氧化反應(yīng)的發(fā)生。溫度較低時，干燥的時間較長，因此選擇中間溫度60℃的開展后續(xù)試驗。

圖1 奶酪在不同溫度下的干燥曲線和干燥速率曲線

2.2 NMR檢測奶酪中的水分組成

圖2 不同水分含量的奶酪干燥過程中弛豫時間T 2的影響

T2橫向弛豫時間是指H質(zhì)子自旋核在外加磁場收到射頻脈沖激發(fā)后，系統(tǒng)內(nèi)部達到橫向熱平衡需要的時間，其值越大反映水分子流動性越強[13]。各峰值面積占總面積的比例不同，可以間接反映不同狀態(tài)的水分含量。為了方便描述，由T21、T22、T23表示[14]。T2弛豫時間0.1 ms到1 000 ms有三個峰。T2值對應(yīng)的三個峰分別對應(yīng)3種狀態(tài)水：T21結(jié)合水0.1～1 ms，T22不易流動水1～10 ms，T23自由水100～1000 ms。從圖2可知，自由水含量從高到低依次為50%、35%、25%、15%、0%。 50%水分含量的奶酪自由水含量最高，隨著水分含量的減少，自由水的含量同樣依次減少。35%、25%、15%不易流動水依次減少。干燥的過程中，自由水逐漸脫去，物料內(nèi)部溫度形成梯度差，使得部分流動性結(jié)合水向不易流動水遷移。這與文獻報道的牛肉粒弛豫時間變化相似[15]。

2.3 奶酪質(zhì)子密度成像(MRI)

圖3奶酪水分含量依次為50%、35%、25%、15%和0的圖像。核磁共振成像技術(shù)MRI能夠在不破壞樣品的情況下，將H質(zhì)子磁共振產(chǎn)生信號通過空間編碼技術(shù)把在核磁共振過程中氫原子向外發(fā)射的信號以及有關(guān)的質(zhì)子密度、弛豫時間等參數(shù)轉(zhuǎn)變成圖像，進而研究水分分布，圖像越亮，說明水分含量越高[16]。從圖3中可以看出，奶酪在干燥過程中的H質(zhì)子密度成像亮度呈下降趨勢，表明奶酪內(nèi)部的水分含量逐漸減少。這與Borompichaichartkul報道[17]的玉米干燥過程中H質(zhì)子密度圖像變化趨勢一樣。當(dāng)奶酪水分含量為25%時，其感官評價得分最高，因此選擇水分含量為25%的奶酪進行貨架期研究。

圖3 不同水分含量奶酪二維H質(zhì)子密度成像

2.4 奶酪貯藏過程中蛋白質(zhì)水解度的變化

一般來說，蛋白質(zhì)水解通常是由p H 4.6-可溶性氮(SN)與12%三氯乙酸（TCA）-SN占奶酪總氮（TN）的百分比來表示。奶酪蛋白質(zhì)水解主要由微生物蛋白酶、牛奶自身的蛋白酶與殘余的凝乳酶催化發(fā)生的。p H 4.6-可溶性氮（SN）表示了蛋白質(zhì)水解的廣度，即在pH 4.6環(huán)境下的酸溶性氮由奶酪內(nèi)部微生物的蛋白酶產(chǎn)；12%TCA-SN反映了奶酪蛋白質(zhì)水解的深度，是有發(fā)酵劑釋放的肽酶作用產(chǎn)生[18]。從圖4中看出，隨著貯藏期的延長，p H 4.6-可溶性氮(SN)呈現(xiàn)上升趨勢，在徐紅華的[19]研究中也得到相同結(jié)果，而12%TCA-SN沒有變化，其原因可能是奶酪粒在熱煮的過程中，發(fā)酵劑菌體失活，沒有產(chǎn)生肽酶，同時高溫也可能導(dǎo)致酶失活。因此，12%TCA-SN沒有呈上升趨勢。

2.5 貯藏過程中菌落總數(shù)的變化

從圖5中可知，由于貨架期保藏用奶酪為發(fā)酵產(chǎn)品，樣品中的主要微生物為乳酸菌。從圖中可以看出隨著儲藏期的延長，奶酪的菌落總數(shù)呈上升趨勢，在0 d到7 d之間，細菌總數(shù)呈增長趨勢，菌落總數(shù)由3.85 log（cfu/g）增長到5.26 log（cfu/g），其中在5～7 d之間，菌落總數(shù)增長較快，由4.27 log（cfu/g）快速增長到5.26 log（cfu/g）[20]。

圖4 25%水分奶酪在37℃保藏下蛋白質(zhì)的水解

圖5 25%水分奶酪在37℃保藏條件菌落總數(shù)的變化

2.6 色差的變化

色澤是奶酪的重要品質(zhì)屬性，呈乳白色、淡黃色到深紅色，具體取決于奶酪的成分及生產(chǎn)方法[21]。從表2中可以看出，隨著貯藏時間的延長，奶酪的L值呈下降趨勢，貯藏7 d后L值由92.75降低為91.78，a值有上升的趨勢，由0.63變?yōu)?.09，同樣b值也有上升的趨勢，由13.25變?yōu)?5.79。+a表示紅，+b表示黃，這說明隨著貯藏時間的延長，奶酪具有變暗、變黃的趨勢。主要原因是奶酪在貯藏過程中發(fā)生了美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致顏色逐漸加深[22]。2001年，Kristensen等[23]人發(fā)現(xiàn)模擬夏季時再制干酪的儲藏條件，通過熒光光譜法分析發(fā)現(xiàn)，再制干酪在37℃儲藏條件下會發(fā)生褐變反應(yīng)。

表2 水分含量為25%的奶酪在37℃保藏下色差值的變化

2.7 奶酪質(zhì)構(gòu)的變化

表3為奶酪在儲藏期硬度的變化，保藏期間的溫度和相對濕度會影響奶酪的質(zhì)構(gòu)。據(jù)Wium和Qvist報道[24]，正常水分含量的天然奶酪將隨著保藏時間的延長，蛋白水解增強，奶酪會變軟。但是，本項研究中，脫水干制奶酪在7 d貨架期的硬度隨貯藏時間的延長而逐漸增加，從0 d的3659.36增加到7202.00。主要原因是儲藏在37℃條件下，奶酪水分含量的進一步減少，使奶酪硬度逐漸增加。在Keon-Bong Lee[25]

干燥馬蘇里拉奶酪貨架期內(nèi)，馬蘇里拉奶酪的硬度也有逐漸增加的趨勢。

表3 25%含水量的奶酪在37℃保藏條件下的硬度變化

2.8 感官評價

在實驗過程中，由10人小組對不同時間段的奶酪樣品進行了感官評價。奶酪感官評分表明，奶酪貯藏過程中，高溫會導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生褐變，使產(chǎn)品顏色變深；另外會出現(xiàn)脂肪氧化的發(fā)生。從表中可知，隨著貯藏時間的延長，奶酪的組織狀態(tài)、質(zhì)地、滋味、氣味，外形、色澤的得分出現(xiàn)了一定程度的下降，但是變化不明顯。在保藏第7 d時，奶酪的顏色由乳白色變成稍帶微黃色，但是在可接受范圍之內(nèi)。Tobcu和Saldamli報道[26]了土耳其奶酪在貯藏過程中由于蛋白質(zhì)的后期水解，導(dǎo)致了奶酪質(zhì)地與風(fēng)味發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖6 25%水分奶酪在37℃下感官評價變化

3 結(jié) 論

本試驗研究了不同溫度下真空干燥奶酪的干燥效果，并且分析了干燥過程中的水分狀態(tài)和遷移規(guī)律以及在37℃、7 d貨架期加速試驗時的品質(zhì)變化。干燥的溫度越高，干燥速率越高，干燥速率曲線出現(xiàn)的拐點時間越早，達到干燥平衡的時間越早；干燥初期，自由水大量減少，奶酪中的不易流動水與結(jié)合水逐步轉(zhuǎn)化成自由水，最終汽化蒸發(fā)出去。37℃、7 d貨架期中，25%水分含量的奶酪蛋白質(zhì)的水解度、菌落總數(shù)、色差、質(zhì)構(gòu)、感官評價均出現(xiàn)了一定變化，但是在可接受范圍之內(nèi)。