利用Turbiscan多重光散射技術研究常溫液體奶酪的穩(wěn)定性

朱盼盼，牛曉濤，王 雪，司 欣，解慶剛，陳 博，蔣士龍，劇 檸，張書文, 呂加平

1. 寧夏大學食品與葡萄酒學院，寧夏 銀川 750021 2. 中國農業(yè)科學院農產品加工研究所, 北京 100193 3. 黑龍江飛鶴乳業(yè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030

引 言

隨著健康中國戰(zhàn)略的實施，人們對食品營養(yǎng)與安全越來越重視，對奶酪的品質和風味也提出了更高要求。再制奶酪具有較長的貨架期穩(wěn)定性、 形式多樣性和較低的制冷要求，還具有口感柔和均一、 口味多樣、 食用方便的特點[1]，與天然奶酪相比，再制奶酪更適合當前我國的消費市場和消費者的口味。由于液體奶酪是一種水包油的不穩(wěn)定乳液體系，在常溫貯藏過程中容易出現(xiàn)乳脂肪上浮，油水分離現(xiàn)象[2-3]。常溫液體奶酪所面臨的核心問題之一就是產品是否具有良好的穩(wěn)定性及其在貨架期內品質的一致性，以保證產品在室溫下具有較長的貨架期。

近年來，Turbiscan光學法穩(wěn)定性分析儀被用于測試懸濁體系的穩(wěn)定性，對于準確評價體系的穩(wěn)定性具有重要意義[4]。該方法與動態(tài)光散射技術等傳統(tǒng)的評價方法相比，無需對樣品進行前處理，可實時檢測樣品的背向散射光和透射光的強度，計算出體系內部顆粒的遷移速率、 沉淀層的厚度、 體系的不穩(wěn)定指數等參數，從而準確高效地分析體系的穩(wěn)定性變化，同時也可以快速地預測液態(tài)乳制品的貨架期[5]。本研究采用Turbiscan多重光散射技術評價乳化鹽、 乳化劑、 穩(wěn)定劑和甜味劑的添加量及常溫液體奶酪穩(wěn)定性影響，同時，以TSI值和感官得分為響應值，采用響應面法中的Box-Behnken試驗設計模型優(yōu)化常溫液體奶酪的最佳配方工藝條件，并分析了導致常溫液體奶酪不穩(wěn)定的主要因素，為提高常溫液體奶酪的品質及貨架期穩(wěn)定性提供實驗數據。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

奶油奶酪由恒天然集團提供，復配乳化鹽、 單，雙甘油脂肪酸酯、 果膠、 羥丙基二淀粉磷酸酯、 抗性糊精、 赤蘚糖醇、 結晶果糖均為食品級。

1.2 儀器

TB-214分析天平(美國 DENVER 公司)；奶酪融化鍋為中國農業(yè)科學院農產品加工所設計研制；反壓高溫蒸煮鍋(北京蘭德梅克科技開發(fā)有限公司)；半固體pH計(德國德圖公司)；IKA粘度計[艾卡(廣州)儀器設備有限公司]；粒徑分析儀Microtrac S3500(美國麥奇可公司)；Turbiscan穩(wěn)定性分析儀(法國Formulaction公司)。

1.3 方法

1.3.1 常溫液體奶酪制備的工藝流程

原料準備→混料水合(50 ℃，1 000 r·min-1，5 min)→熔融、 乳化(80 ℃，1 000 r·min-1，8 min)→均質(60～65 ℃，200 bar)[6]→趁熱灌裝→高溫殺菌(115 ℃，15 min)→快速冷卻至25 ℃以下→成品。

1.3.2 單因素試驗

分別以乳化鹽、 乳化劑、 穩(wěn)定劑和甜味劑添加量為變量進行單因素試驗，依據pH、 粒徑、 粘度和感官評分對液體奶酪品質進行評價，根據動力學不穩(wěn)定性(turbiscan stability index，TSI)對常溫液體奶酪穩(wěn)定性進行分析。稱取奶油奶酪510 g(最終用水定容至1 000 g)分別向奶油奶酪中加入占總量一定比例的乳化鹽、 乳化劑、 穩(wěn)定劑和甜味劑。各因素水平如下：乳化鹽添加量為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%，乳化劑(單、 雙甘油脂肪酸甘脂)添加量為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1.0%，穩(wěn)定劑(果膠、 羥丙基二淀粉磷酸酯1∶2)添加量為0.5%，0.7%，0.9%，1.1%和1.3%，甜味劑(赤蘚糖醇、 結晶果糖1∶1)為4.0%，5.5%，7.0%，8.5%和10.0%。

1.3.3 響應面試驗

在單因素試驗的基礎上繼續(xù)優(yōu)化，結合單因素試驗結果以乳化鹽、 乳化劑和穩(wěn)定劑添加量為研究對象，以感官評分和動力學不穩(wěn)定性(TSI)為響應值，采用Design-Expert8.0.6軟件進行Box-Behnken試驗設計，實驗設計因素水平見表1。

表1 響應面試驗設計因素與水平Table 1 Code and level of independent variablesused for Box-Behnken design

1.3.4 檢測指標

1.3.4.1 pH

使用半固體pH計進行pH的測定，測定3次，取平均值。

1.3.4.2 粘度

采用旋轉粘度計測定粘度，在樣品處于25 ℃時，采用2#轉子，固定轉速10 r·min-1，測定樣品在180 s內的粘度變化，每隔5 s測定一次，取平均值。

1.3.4.3 粒徑

采用激光粒徑分析儀測定樣品中蛋白質、 聚集體以及酪蛋白膠束粒徑和表面電荷的變化，每個樣品測定3次，取平均值。

1.3.4.4 動力學不穩(wěn)定性(Turbiscan stability index，TSI)

將樣品置于Turbiscan光學法穩(wěn)定性分析儀專用的樣品瓶中進行測試。制樣后，取約20 mL樣品于圓柱形透明玻璃瓶中掃描。由于樣品不透光，因此樣品經過不同的放置時間后，選擇背散射光強信號的變化情況來反映樣品是否發(fā)生聚并、 聚集、 上浮或者沉淀。根據儀器自帶的軟件計算出體系的不穩(wěn)定性指數，其計算公式為

式中，xi為在某一高度處單次測量所獲得樣品的背散射光強值(%)，xBS為樣品自上而下掃描后所測得的xi平均值，n為掃描的總次數。

1.3.4.5 感官評價

參考中國乳制品行業(yè)規(guī)范RHB 505—2004《再制干酪感官質量評鑒細則》，由10位食品專業(yè)人員組成鑒評小組，評價前，對鑒評小組人員多次進行常溫液體奶酪品質特性描述的一致認定與培訓。按規(guī)定的評分標準對產品的感官品質進行綜合評價，滿分為100分，取其平均值為最終結果。

1.4 數據處理

數據處理及圖表繪制使用Microsoft Excel 2016，Design-Expert 8.0.6和Origin 2021，用SPSS 26.0中的Duncan’s法進行多重顯著性分析。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 乳化鹽、 乳化劑、 穩(wěn)定劑和甜味劑添加量對產品品質及穩(wěn)定性的影響

由表2可知，乳化鹽、 乳化劑、 穩(wěn)定劑和甜味劑添加量對常溫液體奶酪的粘度均有顯著性影響(p<0.05)，pH值隨著乳化鹽添加量的增加而顯著性增大(p<0.05)，而pH和粒徑隨著穩(wěn)定劑添加量的增加無顯著性變化(p>0.05)，感官得分隨著甜味劑添加量的增加呈先上升后降低的趨勢，這可能是由于赤蘚糖醇添加量過高，并經高溫處理后其晶體熔化，形成無色明亮的非粘性熔體[7]，從而導致產品黏度增大，品質下降。

由圖1可知，在37 ℃下，隨著時間的增加樣品的TSI整體呈上升趨勢。隨著乳化鹽添加量不斷增多，TSI值逐漸增大，穩(wěn)定性逐漸降低，圖1(a)中當乳化鹽添加量為0.2%，0.4%和0.6%時，樣品的整體TSI值分別為0.4，1.2和1.4，分層程度較低。說明乳化鹽添加量較低時，再制耐酪為較大的蛋白聚集物，具有粒狀感，乳化效果差；乳化鹽添加過量時，蛋白間的負電荷增加，靜電引力作用減小，導致產品結構不緊實、 穩(wěn)定性下降[8]。隨著乳化劑添加量不斷增多，TSI值發(fā)生顯著性變化(p<0.05)，圖1(b)中當乳化劑添加量為0.4%時，TSI值達到最低為0.63，此時產品穩(wěn)定性最好，分層程度最低。TSI值隨著穩(wěn)定劑添加量在0.5%～1.1%不斷增多呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢[見圖1(c)]，說明穩(wěn)定劑在一定添加范圍內，隨著添加量的增多會提高液體奶酪粘稠度、 穩(wěn)定乳化結構，提高產品穩(wěn)定性。

表2 不同原料的添加量對產品品質的影響Table 2 The effect of the addition of raw materialson the quality of products

F注：同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)

圖1 不同原料添加量對產品穩(wěn)定性的影響 (a): 乳化鹽; (b): 乳化劑; (c): 穩(wěn)定劑; (d): 甜味劑Fig.1 The effect of the addition of raw materials on product thermal stability (a): Emulsified salt; (b): Emulsifier; (c): Stabilizer; (d): Sweetener

選擇占總量比例為0.2%，0.4%和0.6%的乳化鹽，0.2%，0.4%和0.6%的乳化劑，0.7%，0.9%和1.1%的穩(wěn)定劑進行響應面實驗。

2.2 響應面試驗

2.2.1 響應面試驗設計與結果

對表3所得數據進行分析整理，得到常溫液體奶酪的TSI(Y1)和感官得分(Y2)二次回歸方程為

Y1=0.06-10.41A-8.66B+9.09C-30.63AB+11.88AC+2.50BC+20.13A2+20.75B2-8.00C2

Y2=248.59-67.50A-78.75B-358.75C-175.00AB+75.00AC+93.75BC+146.88A2+115.63B2+153.13C2

由表4可知，對TSI和感官得分回歸模型進行分析，該二次多項式回歸模型P=0.001 8/0.005 1<0.01，具有差異顯著性，失擬項P=0.6619/0.2307>0.05，均不顯著。在TSI模擬方程方差分析中，模型的系數R2=0.938 7，一次項A、 二次項AB、 A2、 B2差異極顯著(p<0.01)，一次項B差異顯著(p<0.05)；在感官得分模擬方程方差分析中，模型的系數R2=0.915 5，一次項A差異極顯著(p<0.01)，一次項B、 二次項AB、 A2和C2差異顯著(p<0.05)。說明該模型的擬合度良好，二次回歸模型能夠擬合真實的試驗結果，可以用該模型對常溫液體奶酪品質及穩(wěn)定性進行分析與預測。各因素的檢驗統(tǒng)計F值越大，表明其對響應值的影響越顯著。從以上模型可以看出，各因素對常溫液體奶酪的TSI值和感官得分影響順序為乳化鹽添加量(A)>乳化劑添加量(B)>穩(wěn)定劑添加量(C)。

表3 響應面試驗設計與結果Table 3 Box-Behnken design in terms of codedvalues with response variable

表4 方差分析結果Table 4 Analysis of variance

2.2.2 各因素間交互作用的影響

由圖2可知，乳化鹽、 乳化劑和穩(wěn)定劑對常溫液體奶酪TSI值和感官得分的影響不是簡單的線性關系，具有交互作用。其中，乳化鹽與乳化劑添加量的交互作用最強，對常溫液體奶酪TSI值的影響極顯著；乳化劑與穩(wěn)定劑添加量的交互作用較弱，但存在最小響應值，對常溫液體奶酪TSI值的影響不顯著。由圖3可知，兩兩因素之間對常溫液體奶酪感官得分的響應面圖存在最大值，其中乳化鹽與乳化劑添加量的交互作用最強，對常溫液體奶酪感官得分的影響極顯著；乳化鹽與穩(wěn)定劑添加量的交互作用較弱，對常溫液體奶酪感官得分的影響不顯著。

由Design-Expert軟件分析得到：當響應值TSI(Y1)最小且感官得分(Y2)最大時，對應的最佳條件為乳化鹽0.60%、 乳化劑0.60%、 穩(wěn)定劑0.70%，常溫液體奶酪37 ℃下24 h的TSI理論值為0.78，感官得分理論值為87.13分。按優(yōu)化的方案進行3次驗證試驗，取平均值，取得常溫液體奶酪的TSI和感官得分實際值分別為0.60、 89分，與理論值基本相符。

圖2 乳化鹽、 乳化劑、 穩(wěn)定劑添加量交互作用對產品穩(wěn)定性和感官得分影響的響應面圖 (a)～(c): 不同原料添加量交互作用對產品穩(wěn)定性的影響面；(d)～(f): 不同原料添加量交互作用對產品感官影響的影響面Fig.2 Response surface plots showing the interactive effects of emulsified salt，emulsifier and stabilizer onthe thermal stability sensory scores and of product (a)～(c): Response surface of the influence of different material addition interactions on product stability; (d)～(f): Response surface of the effect of different material addition interactions on product sensory scores

以感官得分和37 ℃下24 h的TSI值為檢測指標，響應面優(yōu)化影響常溫液體奶酪的乳化鹽、 乳化劑和穩(wěn)定劑的用量是可行的。

2.3 穩(wěn)定性分析

2.3.1 背散射光強度的變化

稱取奶油奶酪510 g，添加最優(yōu)的乳化鹽(0.6%)、 乳化劑(0.6%)、 穩(wěn)定劑(0.7%)和甜味劑(5.5%)，按照上述工藝制成樣品1，與兩款不同廠家的市售常溫液體奶酪進行對比實驗。背散射光強度(ΔBS)反映了樣品體系內粒子的體積分數和平均粒徑的變化規(guī)律，ΔBS 越小，乳化體系越穩(wěn)定，反之穩(wěn)定性較差[9-10]。由圖3可知，對照1不同高度處的背散射光強值隨時間的延長出現(xiàn)了明顯的變化。其中樣品底部(0～20 mm)背散射光強值隨時間的延長呈下降趨勢，樣品頂部(20～40 mm)背散射光強值隨時間的延長呈上升趨勢，表明樣品出現(xiàn)了明顯的脂肪上浮現(xiàn)象，導致頂部顆粒濃度增加，底部顆粒濃度降低，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。對照2的背散射光強值隨時間的延長沒有明顯的變化，表明樣品顆粒濃度變化較小，穩(wěn)定性較好。

圖3 液體奶酪在37 ℃下背散射光強度的變化 (a): 對照1市售奶酪; (b): 對照2市售奶酪; (c): 本研究優(yōu)化樣品Fig.3 The change of backscattering of liquid processed cheese at 37 ℃ (a): Contral 1 commercially available room-temperature liquid cheese at 37℃; (b): Contral 2 commercially available room-temperature liquid cheese at 37℃; (c): Samples were optimized in this study

與對照1和2相比，本研究樣品1在37 ℃下的背散射光強值隨時間的延長基本保持恒定，表明樣品1的顆粒濃度變化更小，具有良好的穩(wěn)定性。

2.3.2 動力學不穩(wěn)定指數的變化

由圖4可知，對照1的TSI值隨時間的延長呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，TSI值越小表示樣品體系越穩(wěn)定，反之穩(wěn)定性較差，說明對照1在37℃下的穩(wěn)定性較低，可能會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。樣品1與對照2的TSI值隨時間的延長呈現(xiàn)先快速增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，表明其在37 ℃下的穩(wěn)定性較高。與對照1和對照2相比，本研究樣品1的TSI值(0.60)最低，在37 ℃下穩(wěn)定性最高，同時，也說明本研究優(yōu)化的樣品具有更長貨架期穩(wěn)定性[11-12]。

3 結 論

采用Turbiscan多重光散射技術分析了乳化鹽、 乳化劑、 穩(wěn)定劑和甜味劑的添加量對常溫液體奶酪穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)乳化鹽添加量在0.2%～1.0%范圍內，隨著乳化鹽添加量的增加，體系的穩(wěn)定性呈現(xiàn)明顯的降低趨勢；乳化劑添加量在0.2%～1.0%范圍內，隨著乳化劑添加量的增加，體系的穩(wěn)定性呈先升高后降低趨勢；穩(wěn)定劑添加量在0.5%～1.3%范圍內，隨著穩(wěn)定劑添加量的增加，體系的穩(wěn)定性呈先升高后降低趨勢；而甜味劑對體系整體穩(wěn)定性的影響差異不顯著。說明通過調整乳化鹽、 乳化劑和穩(wěn)定劑的用量能夠很好地解決常溫液體奶酪分層的問題，提高常溫液體奶酪的穩(wěn)定性。同時，通過常溫液體奶酪穩(wěn)定性對比實驗發(fā)現(xiàn)：與市售樣品相比，本研究樣品(乳化鹽添加量0.60%、 乳化劑添加量0.60%、 穩(wěn)定劑添加量0.70%、 甜味劑添加量5.5%)的脂肪與奶液的分層程度最低，乳化體系的穩(wěn)定性最好，同時具有更長的貨架期穩(wěn)定性。本研究為提高常溫液體奶酪的貨架期穩(wěn)定性提供數據支持。

圖4 液體奶酪在37 ℃下不穩(wěn)定性指數的變化Fig.4 The change of TSI of liquidprocessed cheese at 37 ℃