響應(yīng)面法優(yōu)化乳化劑對(duì)奶茶乳層析出指數(shù)的影響

周洋，舒欣怡，劉海情，葉田

（宏勝飲料集團(tuán)有限公司，杭州 311200）

0 引 言

奶茶作為一種時(shí)尚的街飲在人群中收到歡迎，兼具營養(yǎng)、健康的概念，為人們帶來美的享受。牛奶含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)等，被稱為理想的天然食品，茶葉中含有豐富的多酚類，咖啡堿，氨基酸，維生素及十幾種礦物質(zhì)營養(yǎng)元素，與牛奶結(jié)合形成獨(dú)特的風(fēng)味與口感，是社交常備的茶飲，但是將奶茶商業(yè)化，作為更加便利的飲品需要解決常溫貯藏過程中帶來的穩(wěn)定體系的問題，常見問題為貯藏過程中產(chǎn)生的沉淀、絮凝、分層、乳脂析出等現(xiàn)象，超高溫滅菌后的體系穩(wěn)定性則是影響其貨架期的最主要因素[1]。

由于奶茶中的乳蛋白易與紅茶中的茶多酚類化合物的羥基形成氫鍵，產(chǎn)生絡(luò)合的不溶物質(zhì)，乳脂肪上浮形成乳層析出，脂肪上浮造成的乳層析出是影響消費(fèi)者感官的重要因素，但一般的乳狀液都是具有熱力學(xué)不穩(wěn)定特性的，粒子的數(shù)目、大小及空間排列都會(huì)隨著時(shí)間的延長而改變，乳品中的酪蛋白可以吸附在乳脂肪表層，控制脂肪球的凝聚，但完全依賴蛋白是不夠的[2-5]。為使奶茶在貯藏期內(nèi)保持穩(wěn)定性，需要加入適量的乳化劑降低界面能，乳化劑通常具有比蛋白質(zhì)更高的表面活性，具有更強(qiáng)的降低油水界面張力的能力。理論上講，乳化劑按其特性分為親水性和親油性，親水性乳化劑是水溶的，可以擴(kuò)展到水和油體系的界面處，將剝離的脂肪球包圍，形成界面膜，降低脂肪的的聚集作用；親油性的乳化劑擴(kuò)展到水，油的界面處，對(duì)脂肪有較強(qiáng)的脂肪結(jié)合力，可以降低親水乳化劑的界面膜在熱能、機(jī)械等外力作用下易脫離脂肪球表面的特性，復(fù)合形成穩(wěn)定的界面膜。同時(shí)可以利用乳化劑分子內(nèi)的親水基團(tuán)和憎水基團(tuán)，當(dāng)它與脂肪共存時(shí)可提供更高的貯藏穩(wěn)定性，其分子向著油水表面定向吸附，降低表面張力，從而防止脂肪上浮，達(dá)到穩(wěn)定體系的效果[6-9]。

在實(shí)際應(yīng)用中，常將多種乳化劑復(fù)配使用，以達(dá)到最佳的乳化效果[10]，楊洋等人的結(jié)果表明，飲料中添加復(fù)配乳化劑后，能夠有效控制其脂肪上浮效果，穩(wěn)定性良好[11]。本文主要研究4種乳化劑復(fù)配，獲得最優(yōu)組合，旨在探求一種較少乳層析出的方案，以減少奶茶在常溫條件下貯藏的乳層析出。響應(yīng)面法是一種廣泛應(yīng)用的試驗(yàn)優(yōu)化方法[12-13]，它采用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用較少的試驗(yàn)次數(shù)，快速有效的確定多種因子的最佳試驗(yàn)條件，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行全面的研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂奶粉，脫脂奶粉，新西蘭恒天然有限公司；單、雙甘油脂肪酸酯，聚甘油脂肪酸酯，廣州美晨科技實(shí)業(yè)有限公司；硬脂酰乳酸鈉，凱瑞食品配料(杭州)有限公司；蔗糖脂肪酸酯，上海欣融食品原料有限公司；琥珀酸單甘油脂，上海羚躍實(shí)業(yè)有限公司；分子蒸餾單甘酯，理研食品株式會(huì)社；稀奶油，雀巢（中國）有限公司；紅茶葉，福建欽心茶葉有限公司；乳酸菌鏈球菌素，洛陽奇泓生物有限公司；砂糖，中糧糖業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

IKA EUROSTAR 60 DIGITAL攪拌器，德國IKA；APV1000高壓均質(zhì)機(jī)，斯必克流體有限公司；Schwerzenbach S40綜合測試儀p H計(jì)，梅特勒-托利多有限公司；MS8001S電子天平，瑞士梅特勒-托利多；KJELTEC 8100凱氏定氮儀，福斯分析儀器公司；管式超高溫瞬時(shí)殺菌機(jī)UHT，日本POWERPOINT國際公司。

1.3 樣品的制備及處理

1.3.1 奶茶的制備

奶茶選用全脂乳粉、脫脂乳粉、紅茶葉作為主要原料制作而成，簡要流程如下。

90～95℃熱水萃取紅茶葉→65～75℃熱水分散乳化劑和乳粉→白砂糖、定容水→混合、定容、殺菌、灌裝

操作要點(diǎn)：

（1）茶湯提取。茶葉提取溫度保持在90～95℃范圍內(nèi)，冷卻過濾，減少沉淀。

（2）乳化劑溶解。乳化劑和奶粉混合，保持在65～75℃，防止溶解不充分導(dǎo)致的乳化不充分。

（3）均質(zhì)。均質(zhì)壓力20～25 MPa，將料液充分混合。

（4）殺菌。高溫瞬時(shí)殺菌，充分殺菌，防止飲料染菌。

（5）冷卻。冷卻后常溫貯藏。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 乳層析出的測定

乳液析出的測定方法參考Moschakis等的方法改進(jìn)[14]，將新制備好的奶茶置于PET瓶中，放置室溫條件下，30 d后進(jìn)行奶茶穩(wěn)定性測定并記錄。乳析穩(wěn)定性采用乳層析出指數(shù)（creaming index,CI）表示，公式如下：

HS為析出層的高度/cm;HT為比色管中奶茶的高度/cm。

1.4.2 微生物指標(biāo)檢驗(yàn)

微生物檢驗(yàn)指標(biāo)應(yīng)符合GB/T 21733茶飲料[15]。

1.4.3 茶多酚的測定

茶多酚的測定參照杜淑霞的方法進(jìn)行測定[16]。

1.4.4 添加量優(yōu)化試驗(yàn)

（1）乳化劑的篩選。

以乳層析出為檢測指標(biāo)，選取6種乳化劑按照1.3.1制備奶茶樣品，觀察每種乳化劑的乳化效果。試驗(yàn)方法見表1所示。

表1 單因素乳化劑水平

（2）單因素試驗(yàn)。

優(yōu)選其中4種穩(wěn)定性較好的乳化劑復(fù)配，加入到奶茶中，測定乳層的析出。

單、雙甘油脂肪酸酯添加量：聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯添加量分別為0.05%，考察單、雙甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，0.1%），對(duì)乳層析出的影響。

聚甘油脂肪酸酯添加量：單、雙甘油脂肪酸酯添加量、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯添加量0.05%，考察聚甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），對(duì)乳層析出的影響。

硬脂酰乳酸鈉添加量：單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯添加量分別為0.05%，考察單、雙甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），對(duì)乳層析出的影響。

蔗糖脂肪酸酯添加量：單、雙甘油脂肪酸酯添加量、硬脂酰乳酸鈉、聚甘油脂肪酸酯添加量0.05%，考察聚甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），對(duì)乳層析出的影響。

（3）響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)。

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，以單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯添加量為考察因素，奶茶乳層析出（Y），為響應(yīng)面，運(yùn)用Design Expert 11軟件采用4因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化，建立數(shù)學(xué)模型，以獲得奶茶乳化體系的最佳組合添加量，響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 乳化劑配方優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 單一乳化劑對(duì)奶茶乳層析出的影響

飲料中乳化劑種類和添加量的篩選對(duì)乳化體系的穩(wěn)定性有明顯的影響[17]。合理的選擇乳化劑可以提供正向的穩(wěn)定趨勢，相反則會(huì)破壞穩(wěn)定性體系。

由圖1可以看出，6種乳化劑隨著添加量的增加，乳化體系穩(wěn)定性越好，而當(dāng)乳化劑超過臨界值時(shí)，又發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。這主要是因?yàn)閱我灰环N乳化劑添加量低時(shí)，形成的界面膜不夠緊密，乳化不夠充分，導(dǎo)致脂肪析出；而當(dāng)添加量過多時(shí)，乳化劑自身出現(xiàn)分離，乳脂析出增加，這與屠幼英等人的研究結(jié)果一致[3]。其中琥珀酸單甘油脂、分子蒸餾單甘酯，這兩種乳化劑在單因素乳化劑水平實(shí)驗(yàn)中，乳層析出率整體高于其他4種穩(wěn)定劑，說明此乳化劑不適用于此穩(wěn)定體系，并且在添加量0.2%時(shí)，高于初始值，這是由于乳化劑添加量超過一定劑量后，破壞了乳化體系穩(wěn)定性[18]，水油界面平衡被破壞，形成脂肪析出。而添加了聚甘油脂肪酸單、雙甘油脂肪酸酯和硬脂酰乳酸鈉的乳層析出指數(shù)明顯較低，說明這3種乳化劑能夠明顯提高乳液體系的穩(wěn)定性，這與之前的研究報(bào)道一致[19-20]。

圖1 單一乳化劑對(duì)奶茶乳層析出的影響

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 單、雙甘油脂肪酸酯添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

奶茶體系中，為了得到較好的乳化效果，需要復(fù)配使用乳化劑，乳化劑是具有親水基團(tuán)和憎水集團(tuán)的表面活性物質(zhì)，其可以在改善乳脂分布的情況下，使其均勻分布于整個(gè)體系中，降低乳脂上浮，穩(wěn)定乳狀液，同時(shí)添加4種穩(wěn)定劑都出現(xiàn)乳層析出先降低再增加的形式。

圖2中可以看出，乳層析出指數(shù)隨單、雙甘油脂肪酸酯添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時(shí)乳層析出指數(shù)達(dá)到最低，故單、雙甘油脂肪酸酯的添加量影響成品的乳層析出指數(shù)，最佳單、雙甘油脂肪酸酯添加量為0.03%。

圖2 單、雙甘油脂肪酸酯添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

2.2.2 聚甘油脂肪酸酯添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

圖3中可以看出，乳層析出指數(shù)隨聚甘油脂肪酸酯添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時(shí)乳層析出指數(shù)達(dá)到最低，故聚甘油脂肪酸酯的添加量影響成品的乳層析出指數(shù)，最佳聚甘油脂肪酸酯添加量為0.03%。

圖3 聚甘油脂肪酸酯添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

2.2.3 硬脂酰乳酸鈉添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

圖4中可以看出，乳層析出指數(shù)隨硬脂酰乳酸鈉添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時(shí)乳層析出指數(shù)達(dá)到最低，故硬脂酰乳酸鈉的添加量影響成品的乳層析出指數(shù)，最佳硬脂酰乳酸鈉添加量為0.03%。

圖4 硬脂酰乳酸鈉添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

2.2.4 蔗糖脂肪酸酯添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

圖5中可以看出，乳層析出指數(shù)隨蔗糖脂肪酸酯添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時(shí)乳層析出指數(shù)達(dá)到最低，故蔗糖脂肪酸酯的添加量影響成品的乳層析出指數(shù)，最佳蔗糖脂肪酸酯添加量為0.03%

圖5 蔗糖脂肪酸酯添加量對(duì)乳層析出指數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單因素實(shí)驗(yàn)整體乳層析出率低于單一一種乳化劑的乳層析出，這與烏雪巖等人的結(jié)果一致，表明復(fù)配的乳化劑可以有效的減少乳層的析出。單一的親水性乳化劑與脂肪球形成的界面膜[17]，在外力作用下，很容易脫離脂肪球，出現(xiàn)脂肪聚集，乳層析出現(xiàn)象，而親油的乳化劑，可以擴(kuò)展到水、油界面，包裹分離的脂肪球，因此適當(dāng)?shù)膹?fù)配可以取得較好的乳化效果。

在一定的復(fù)配乳化劑使用范圍內(nèi)，隨著添加量的增加，乳化效果越好，當(dāng)乳化劑完全覆蓋了界面[20]，反而造成體系的不穩(wěn)定，出現(xiàn)了脂肪的上浮,因此單因素實(shí)驗(yàn)可以獲得此條件下，最佳乳化劑配比。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)奶茶乳化劑添加量組合優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3所示。

利用Design-expert 11軟件對(duì)表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到乳層析出指數(shù)Y與自變量A,B,C,D的二次回歸方程式為：Y=2.33+0.1667A+0.6833B+0.5417C+1.33D-0.6AB-0.45AC-0.35AD-0.05BD-0.875CD+0.8292A2+1.23B2+1.09C2+1.74D2對(duì)此模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由圖表4分析可得模型P值＜0.0001，說明該模型極顯著。而失擬項(xiàng)P值為0.2887＞0.05，無失擬因素存在，不顯著，說明所得方程與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例小，該模型與實(shí)際情況吻合度較大，可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，否則可能是有的因素沒有考慮到。因素B、C、D對(duì)結(jié)果影響顯著（P＜0.05）。4個(gè)單因素影響乳層析出的影響順序?yàn)镈＞B＞C＞A,即蔗糖脂肪酸酯的添加量對(duì)乳層析出的影響最為顯著。同時(shí)復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.9468，表明預(yù)測效果較佳，可用該模型對(duì)奶茶的乳化劑配方組合添加量進(jìn)行分析和預(yù)測。

表4 Box-Behnken試驗(yàn)方差分析

由表5可知，模型的R2為0.9468，說明該模型可以解釋94.68%的復(fù)配乳化劑添加量組合的乳層析出變化。R2=0.8847和R2=0.9468值較接近，由此說明該模型與實(shí)際預(yù)測值在可行區(qū)間內(nèi)，該模型與實(shí)際情況擬合較好，可用該模型對(duì)不同條件下的乳層析出進(jìn)行預(yù)測。

表5 模型可信度分析表

（續(xù)表4）

2.4 多因素交互作用響應(yīng)面分析

各因素交互作用響應(yīng)面分析結(jié)果如圖6所示。6張圖交互結(jié)果較為一致，隨著各交互因素添加量的增加，乳層析出指數(shù)都呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢?？傮w而言，乳層析出變化幅度不大。經(jīng)過軟件分析可得最佳乳化工藝為單、雙甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸鈉0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，乳層析出指數(shù)最低可達(dá)到1.592‰。

由圖6可以看出6個(gè)響應(yīng)面均為開口向上的凸型曲面，說明響應(yīng)值（乳層析出）存在極小值，在選定的條件范圍內(nèi)，乳層析出的極小值位于兩坐標(biāo)軸編碼的中間區(qū)域，回歸方程的響應(yīng)值（乳層析出）對(duì)其中因素水平變化而變化的趨勢和極小值點(diǎn)都與表4分析結(jié)果相似。

圖6 各因素交互作用對(duì)奶茶乳層析出指數(shù)影響的響應(yīng)面

2.5 最佳工藝的驗(yàn)證

為了對(duì)響應(yīng)面預(yù)測得出的最佳乳化體系參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)為方便實(shí)際操作對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，按照單、雙甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸鈉0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，此條件下的奶茶乳層析出指數(shù)為1.58‰，與預(yù)測值較接近，說明響應(yīng)面法優(yōu)化的結(jié)果可信度較大。

2.6 產(chǎn)品理化指標(biāo)的測定

2.6.1 奶茶感官指標(biāo)

該產(chǎn)品為棕褐色或棕褐色微紅，色澤均勻一致，無分層、絮凝現(xiàn)象，具有濃郁的奶香及醇厚的茶感，口感順滑。

2.6.2 奶茶蛋白質(zhì)、脂肪檢測

蛋白質(zhì)含量：2%，脂肪含量：2.1%，茶多酚含量：800 mg/kg，微生物指標(biāo)符合GB/T21733。

3 結(jié)論

奶茶體系中，單一使用乳化劑單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯時(shí)，不如復(fù)配使用多種乳化劑的效果好。復(fù)配使用乳化劑時(shí)，最佳的添加量可以獲得更好的乳化性，較少的乳層析出，對(duì)體系的穩(wěn)定性有增效的效果。

經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化得出的單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯的最佳乳化方案為單、雙甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸鈉0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，可以獲得較佳的工藝參數(shù)，此條件下的奶茶乳層析出指數(shù)為1.58‰，與預(yù)測值較接近，說明響應(yīng)面法優(yōu)化的結(jié)果可信度較大。有效的減少了試驗(yàn)操作的盲目性，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。