香蕉乳飲料穩(wěn)定性研究及工藝條件優(yōu)化

郭慧青

（北京三元食品股份有限公司，北京 100076）

香蕉乳飲料是指以新鮮牛乳為原料，加入水、白砂糖、甜煉乳、穩(wěn)定劑及香蕉漿等輔料，經(jīng)配料、均質(zhì)、殺菌和灌裝等工藝制成的配制型中性含乳飲料[1]。香蕉乳飲料融合牛奶與香蕉的雙重營養(yǎng)，風(fēng)味突出、奶香濃郁，深受消費者喜愛，市場前景廣闊。但由于牛奶本身及所添加香蕉漿的性質(zhì)，產(chǎn)品在保存過程中容易發(fā)生變化，較易產(chǎn)生穩(wěn)定性方面的問題，而此類產(chǎn)品大部分又有較長的保質(zhì)期要求。因此，如何保持產(chǎn)品在貨架期中的穩(wěn)定性成了產(chǎn)品研發(fā)部門和生產(chǎn)部門必須解決的問題。

香蕉乳飲料是由生牛乳、香蕉漿、水、白砂糖、甜煉乳及穩(wěn)定劑等組成的一種宏觀不穩(wěn)定分散體系，其中既有乳蛋白膠體及香蕉漿粗纖維形成的懸浮液，又有糖、鹽等形成的真溶液[2]。復(fù)雜的組成成分使其較易在產(chǎn)品保存期內(nèi)出現(xiàn)沉淀、絮凝及脂肪上浮等不穩(wěn)定現(xiàn)象。本試驗采用的穩(wěn)定性分析是基于多重光散射原理，以近紅外發(fā)射光譜的透射光和背散射光隨時間的變化率，得到的穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)系數(shù)TSI為評價指標(biāo)，研究了穩(wěn)定劑添加量、均質(zhì)壓力、均質(zhì)溫度對香蕉乳飲料穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化得到穩(wěn)定性較優(yōu)的工藝參數(shù)，為該類型產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)與研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生鮮牛乳，北京三元食品股份有限公司；香蕉漿，自制；復(fù)合穩(wěn)定劑，北京三元食品股份有限公司；白砂糖，廣西鳳糖生化股份有限公司；甜煉乳，青島雀巢有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

RW20DZM高速攪拌機，德國IKA公司；APV-2000高壓均質(zhì)機，德國APV公司；立式壓力蒸汽滅菌鍋，上海三申醫(yī)療器械有限公司；Turbiscan Tower穩(wěn)定性分析儀，F(xiàn)ormulation公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

白砂糖、復(fù)配穩(wěn)定劑、水（70～80 ℃）→高速攪拌（15～20 min）→加入香蕉漿→高速攪拌（≥ 10 min）→生牛乳、甜煉乳→高速攪拌（≥10 min）→均質(zhì)→UHT滅菌（137 ℃∕4 s）→冷卻→無菌灌裝→成品。

1.3.2 穩(wěn)定性分析

Turbiscan Tower穩(wěn)定性分析儀是由1個脈沖式的近紅外光源（波長880 nm）和2個同步的檢測器組成，透射光檢測器是用于研究透明清澈的產(chǎn)品，以透過率（T，%）為指標(biāo)，背散射光檢測器是用于研究高濃度的產(chǎn)品，以背散射光的反射率（BS，%）為指標(biāo)。測量探頭收集透射光和背散射光數(shù)據(jù)，在55 mm長度上每40 μm掃描一次，得到的圖形在濃度上和粒子直徑上表征了樣品的均勻性，編輯其測量次數(shù)，然后沿著樣品不斷重復(fù)掃描，從而得到一張表征樣品穩(wěn)定性或不穩(wěn)定性的指紋圖譜。分析儀能得到背散射光通量BS和透射光通量T相對時間的變化曲線、分層厚度隨時間的變化曲線、粒子遷移速度相對時間的曲線、顆粒平均遷移速度、顆粒平均粒徑對時間變化關(guān)系曲線或顆粒濃度對時間的變化關(guān)系曲線。綜合以上功能Turbiscan軟件能得到樣品的穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)系數(shù)TSI，TSI與體系穩(wěn)定性呈負(fù)關(guān)系，TSI值越大，體系越不穩(wěn)定。

1.3.3 操作要點

（1）穩(wěn)定劑添加量的確定。試驗復(fù)配穩(wěn)定劑在2.0～4.0 g/L添加量下產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

（2）均質(zhì)壓力的確定。不同的均質(zhì)壓力對產(chǎn)品的穩(wěn)定性有著不同的影響，在10～30 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行均質(zhì)，觀察產(chǎn)品穩(wěn)定性。

（3）均質(zhì)溫度的確定。產(chǎn)品的穩(wěn)定性不僅與均質(zhì)壓力有關(guān)，與均質(zhì)溫度也有關(guān)，在50～70 ℃進(jìn)行均質(zhì)，檢測其對產(chǎn)品的穩(wěn)定性的影響。

（4）參數(shù)設(shè)置。待測樣品放置于一個圓柱形的玻璃測試室中，樣品的添加量20 mL。采用多次掃描模式進(jìn)行測量，樣品的掃描時間24 h，掃描間隔 30 min，樣品室的溫度為10 ℃。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析與處理

通過正交試驗設(shè)計，利用Turbiscan Tower穩(wěn)定性分析儀檢測產(chǎn)品穩(wěn)定性并采集穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，進(jìn)行極差和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 穩(wěn)定劑添加量對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響

香蕉乳飲料的乳固形物含量較低（蛋白質(zhì)含量≥1.4%），乳脂肪積聚上浮、乳蛋白或香蕉漿粗纖維下沉是需要解決的主要問題。穩(wěn)定劑加入后，經(jīng)高剪切力（高速攪拌或過均質(zhì)機）作用分散，可與水以氫鍵形成有效的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，防止不溶顆粒的沉降和脂肪顆粒重聚而達(dá)到穩(wěn)定的效果。此款穩(wěn)定劑存在時形成的連續(xù)相具有剪切稀變的特點，在起到良好穩(wěn)定作用的同時避免了黏度增加對口感造成的影響[3]。

本試驗使用穩(wěn)定性分析儀測定產(chǎn)品在均質(zhì)壓力為20 MP，均質(zhì)溫度為60 ℃時穩(wěn)定劑添加量分別為2.0 g/L、2.5 g/L、3.0 g/L、3.5 g/L及4.0 g/L時的TSI值，結(jié)果見圖1。

圖1 穩(wěn)定劑添加量對TSI的影響

由圖1可知，穩(wěn)定劑添加量在2.0～3.5 g/L時，隨著穩(wěn)定劑添加量的增加，穩(wěn)定性系數(shù)越來越小，即穩(wěn)定性越來越好，但穩(wěn)定劑添加量從3.5 g/L增加到4.0 g/L時，穩(wěn)定性系數(shù)不降反增，過量的穩(wěn)定劑分子間相互作用，形成弱凝膠，使產(chǎn)品出現(xiàn)析水，反而影響穩(wěn)定性。綜合生產(chǎn)成本考慮，穩(wěn)定劑可選擇3.0～4.0 g/L。

2.1.2 均質(zhì)壓力對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響

根據(jù)斯托克斯定律（Stockes Law），沉降速度與顆粒直徑的平方成正比，粒子直徑愈大，沉降越快，反之越慢[4]。均質(zhì)可以有效減小產(chǎn)品的平均粒徑分布，顯著提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。本試驗在穩(wěn)定劑添加量 3.0 g/L，均質(zhì)溫度60 ℃時，測定均質(zhì)壓力為10 MPa、 14 MPa、18 MPa、22 MPa、26 MPa和30 MPa時的TSI值，結(jié)果見圖2。

圖2 均值壓力對TSI的影響

由圖2可知，均質(zhì)壓力在10～22 MPa時，隨著均質(zhì)壓力的增加，TSI值逐漸減??；均質(zhì)壓力在22～26 MPa時，TSI的變化不明顯；均質(zhì)壓力在 26 MPa增加到30 MPa過程中，隨著均值壓力的增加，TSI值呈上升趨勢，這主要是因為均質(zhì)壓力較低時，料液粒子過大，容易沉降影響穩(wěn)定性；均質(zhì)壓力過高，料液粒子過小，其吸附作用增強而凝聚，亦會降低穩(wěn)定性。為了得到較小的TSI值保持產(chǎn)品良好的穩(wěn)定性，結(jié)合實際生產(chǎn)的難易程度，產(chǎn)品的均質(zhì)壓力可選擇18～26 MPa。

2.1.3 均質(zhì)溫度對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響

均質(zhì)效果不僅與均質(zhì)壓力有關(guān)，與均質(zhì)溫度也有關(guān)，過高溫度下均質(zhì)，可能引起蛋白質(zhì)變性，過低溫度下均質(zhì)乳化劑、穩(wěn)定劑溶解不充分，乳化能力下降亦會影響產(chǎn)品穩(wěn)定性。乳制品加工的均質(zhì)溫度一般在60～65 ℃，低于55 ℃或溫度過高都會影響均質(zhì)效果[5]。本試驗在穩(wěn)定劑添加量3.0 g/L，均質(zhì)壓力為20 MPa時，測定均質(zhì)溫度50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃和70 ℃時的TSI值，結(jié)果見圖3。

圖3 均質(zhì)溫度對TSI的影響

由圖3可知，在50～65 ℃時，隨均質(zhì)溫度的增加，TSI值逐漸減小；在50～60 ℃時，TSI減小趨勢明顯；均質(zhì)溫度在60～65 ℃時，TSI變化并不明顯，均質(zhì)溫度在65～70 ℃時，TSI甚至出現(xiàn)小幅增加。綜合可知，香蕉乳飲料合適的均質(zhì)溫度在60～70 ℃。

2.2 正交試驗分析3因素對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取A穩(wěn)定劑添加量、B均值壓力和C均質(zhì)溫度3個因素，在單因素試驗的基礎(chǔ)上采用L9(34)的正交試驗，正交試驗因素水平見表1，試驗結(jié)果見表2。

表1 L9(34)正交因素水平表

表2 L9(34)正交試驗結(jié)果

由表2可知，3種因素對產(chǎn)品穩(wěn)定性影響大小順序為A＞B＞C，最優(yōu)工藝條件為A2B3C1。由表3可知，穩(wěn)定劑添加量對產(chǎn)品穩(wěn)定性影響差異顯著 （P＜0.05），均質(zhì)壓力對產(chǎn)品穩(wěn)定性影響差異顯著（P＜0.05），均質(zhì)溫度在60～70 ℃時，對產(chǎn)品穩(wěn)定性影響較小?？紤]到適當(dāng)提高均質(zhì)溫度可增強乳化劑的乳化性和提高穩(wěn)定劑的分散性，最終最優(yōu)組合選擇A2B3C2，驗證試驗結(jié)果得到在A2B3C2水平下，其透射光/背散射光參比譜圖及整體動力學(xué)不穩(wěn)定性見圖4、圖5，TSI為0.22。

表3 L9(34)正交試驗結(jié)果方差分析

圖4 透射光、背散射光參比譜圖

圖5 產(chǎn)品動力學(xué)不穩(wěn)定性（整體）

由Turbiscan多重光散射法測試原理可知，如果顆粒粒徑小于600 nm，背散射光強度隨時間延長逐漸增加；如果顆粒粒徑大于600 nm，背散射光強度隨時間延長逐漸減小，左側(cè)和右側(cè)背散射光強度的變化與顆粒的遷移（沉淀、上浮或澄清）有關(guān)。

由圖4和圖5可知，圖譜的左邊部分代表樣品池的底部，右邊部分代表樣品池的頂部，中間部分代表樣品池的中間。圖譜左邊背散射光光強值在增加，表明底部的濃度在增加，樣品中較重的物質(zhì)在向樣品池的底部移動。即發(fā)生了蛋白質(zhì)等粒子的沉淀；圖譜的右邊，即樣品池的頂部，背散射光光強值也在增加，說明頂部的濃度也在增加，樣品中比較輕的物質(zhì)在向樣品池的頂部移動，即發(fā)生了脂肪的上浮。但底部和頂部的光強值變化的并不大，樣品的沉淀和浮油并不明顯。圖譜的中間部分線條重合性較好，可以判斷樣品未發(fā)生顆粒的團聚和絮凝，樣品穩(wěn)定性較好。經(jīng)驗證試驗，在此條件下，香蕉乳飲料稠度適中，細(xì)膩均一，基本無沉淀，僅有少量脂肪上浮，屬正常范圍，穩(wěn)定效果良好，可在保質(zhì)期內(nèi)安全 儲存。

3 結(jié)論

通過單因素分析及正交試驗獲知，穩(wěn)定劑添加量和均質(zhì)壓力對香蕉乳飲料穩(wěn)定性的影響較顯著，均質(zhì)溫度影響相對較小。香蕉乳飲料的最佳工藝參數(shù)為穩(wěn)定劑添加量3.5 g/L、均質(zhì)壓力26 MPa、均質(zhì)溫度65 ℃，此時通過穩(wěn)定性分析儀檢測，產(chǎn)品穩(wěn)定性指數(shù)系數(shù)TSI最小，即產(chǎn)品穩(wěn)定性最好。