嬰幼兒配方奶粉沖調(diào)性關(guān)鍵影響因素研究

裴晨紅，彭懷云，康陽，張晨笛，蘇夏青，劉若男，劉大松，周鵬

（1.達(dá)能開放科研中心，上海 201210；2.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122）

0 引言

沖調(diào)性是奶粉感官評定的主要質(zhì)量指標(biāo)之一[1]，對于嬰幼兒配方奶粉的市場接受度尤為重要[2]。在奶粉銷售市場的質(zhì)量問題反饋中，沖調(diào)性問題占80%以上[3]。消費(fèi)者對奶粉的認(rèn)知度不斷提高，對奶粉的沖調(diào)性也越來越關(guān)注，已逐漸將沖調(diào)性作為奶粉品質(zhì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一[4-5]。

奶粉的沖調(diào)是將其從顆粒狀態(tài)復(fù)原為乳液狀態(tài)的過程。整個(gè)過程可分為潤濕、沉降、分散、溶解4 個(gè)階段[6]。潤濕是顆粒表面被液體浸潤，并向顆粒內(nèi)部滲透；沉降是顆粒自重增加，沉入液體；分散是顆粒散成更小的細(xì)粒并均勻分散于液體；溶解是在液相分子的作用下，小顆粒再進(jìn)一步分散，形成乳濁液。奶粉顆粒表面性質(zhì)、基料組成、奶粉的顆粒形狀與分布、多孔性和壓縮性等都可能會(huì)影響奶粉沖調(diào)性[7-8]。黃燾等[9]研究了粒度分布對沖調(diào)性的影響，發(fā)現(xiàn)粉體粒度分布與沖調(diào)性存在顯著的線性相關(guān)性。Camila G 等[10]研究了表面組成對粉體流動(dòng)性的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒表面的化學(xué)組成影響著粒子之間的相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致粉末顆粒之間的團(tuán)聚、黏結(jié)和流動(dòng)性的區(qū)別。綜上，此前的研究主要集中于各種因素對奶粉沖調(diào)性的影響，而缺少對其關(guān)鍵影響因素及規(guī)律的探究。因此，本研究以13 款市售嬰幼兒配方奶粉（Infant formular milk powder,IMFP）為研究對象，對奶粉的粒徑分布大小、表面成分組成、水分、微觀結(jié)構(gòu)、分散度、潤濕時(shí)間、溶解度進(jìn)行了檢測，通過主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）[11-12]和線性回歸擬合，探索影響沖調(diào)性的關(guān)鍵因素及規(guī)律，在最后找出與沖調(diào)性相關(guān)的粒徑范圍，以期為改善嬰配奶粉的沖調(diào)性提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

13 款市售嬰幼兒配方奶粉，分別用IFMP 1-13標(biāo)示。

1.2 儀器與設(shè)備

激光粒度儀，Malvern Mastersizer3000（Malvern Instruments Ltd，Malvern，Worcestershire，美國）；X 射線光電子能譜儀（Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi，美國）；掃描電子顯微鏡（Hitachi TM3030，日本）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 奶粉分散性的測定

參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 17758|IDF/RM 87:2014 Instant dried milk—Determination of the dispersibility and wettability，稱取13.0 g 粉末，將125 mL 水加熱到（40±2）℃，并倒入一個(gè)干凈的燒杯中。將待測樣品迅速轉(zhuǎn)移到燒杯中，等待10 s。用刮刀將混合物徹底攪拌20 s，同時(shí)將燒杯在底座上不斷旋轉(zhuǎn)，以便在攪拌過程中實(shí)現(xiàn)約一整圈（360 °）。攪拌后，靜置30 s。讓液體迅速通過100 目篩，篩分過程中不要移動(dòng)篩子。篩子應(yīng)事先用水沖洗濕潤，以便于液體通過。用毛巾擦拭篩子，去除篩子上所有多余的水。篩分30 s 后，將過篩的液體攪拌混合，取適量液體（1～2 g）進(jìn)行后續(xù)測試（3 個(gè)平行），對每個(gè)樣品進(jìn)行一式兩份的測試。通過在103 ℃下干燥5～7 h 來確定液體的總固體含量，對每個(gè)樣品進(jìn)行一式兩份的測試。計(jì)算公式如下。

式中：W1為總固形物含量，WH2O表示乳粉的水分含量。

1.3.2 奶粉潤濕性的測定

參照文獻(xiàn)[13]方法測定。在干燥的玻璃燒杯中稱取250 mL 的蒸餾水，保持燒杯內(nèi)壁水面上部分干燥。將樣品混勻防止有顆粒，稱取2 g 干粉樣品，均勻的平鋪在水面上，并用秒表計(jì)時(shí)，以上步驟重復(fù)3 次計(jì)算平均值。

1.3.3 奶粉溶解度的測定

參照文獻(xiàn)[14]的方法，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整。稱取2.5 g 的粉末，將17.5 mL 的水調(diào)至25 ℃，倒入干凈的50 mL 離心管中。用勺子或玻璃棒將混合物攪拌30 s，以2 294 g 離心10 min。立即輕柔地除去上清液并加入20 mL 蒸餾水，再次攪拌30 s，并在2 294 g 下重復(fù)離心10 min。將沉淀在103 ℃下干燥過夜干燥后稱量，以確定未溶解的沉淀物質(zhì)量。計(jì)算溶解度指數(shù)公式如下：

式中：M 為干燥后未溶解的沉積物質(zhì)量（g）；S 為取樣的粉末質(zhì)量（g）。

1.3.4 奶粉粒徑的測定

粒徑大小采用Malvern Mastersizer3000 激光粒度儀進(jìn)行測試，分散器選用Aero S 模塊。粒度測量被記錄為中位直徑（DV 50）和累積直徑（DV 90 和DV 10），粒度分布的寬度用跨度(Span)來評估。參數(shù)設(shè)置中折射率為1.45，遮光度值區(qū)間為0.5～6，進(jìn)樣速率為75%。

1.3.5 奶粉表面成分的測定

本實(shí)驗(yàn)采用X 射線光電子能譜儀測定噴霧干燥粉末的碳、氧和氮的原子表面比例。其中，分析室真空度5×l0-6Pa，激發(fā)源采用Al ka 射線（hv=1 486.6 eV），并進(jìn)行5～40 次循環(huán)的信號累加。全譜測試通能(Passing-Energy)為160 ev，步長1 eV；窄譜測試通能(Passing-Energy)為40 ev，步長0.1 eV，并以C-C 的C1s=284.80 eV 結(jié)合能為能量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行荷電校正。

1.3.6 奶粉水分的測定

參照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行測定。

1.3.7 奶粉微觀結(jié)構(gòu)的測定

采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察奶粉的大小、形貌和表面結(jié)構(gòu)。將粉末樣品濺射在雙面碳帶上，固定到SEM 短柱上進(jìn)行噴金。使用在5.0 kV 加速電壓下操作的掃描電子顯微鏡在真空下進(jìn)行觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用WPS Office 記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用IBM SPSS Statistics 26 進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并借助OriginPro 2022b SR1 和Adobe Illustrator 2020 繪制圖形。每個(gè)樣品重復(fù)檢測3 次，結(jié)果取平均值。同一時(shí)間點(diǎn)多個(gè)獨(dú)立樣本在方差齊性時(shí)采取單因素方差分析，事后多重比較采用Turky 檢驗(yàn)。單因素連續(xù)型變量資料符合正態(tài)分布以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（X-±S）表示。P＜0.05 認(rèn)為差異顯著，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 嬰幼兒配方奶粉的沖調(diào)性

測試了13 款嬰幼兒配方奶粉的沖調(diào)性，包括分散度，溶解度，潤濕時(shí)間，結(jié)果如表1 所示。13 款樣品的分散度變化區(qū)間為73.65%～98.09%，溶解度無顯著性差異，在93.03%～98.87%之間。潤濕時(shí)間在4.33～42.0 之間波動(dòng)。

表1 不同嬰幼兒配方奶粉沖調(diào)性的比較

表2 不同嬰幼兒配方奶粉的表面成分及水分含量%

2.2 嬰幼兒配方奶粉的表面成分及水分含量

顆粒表面化學(xué)成分的變化通常會(huì)影響奶粉的沖調(diào)性[16]，通過原子組成（C、N、O）的測定結(jié)果，借助矩陣方程計(jì)算表面脂肪、表面蛋白質(zhì)、表面乳糖的含量[17]。13 款樣品的表面蛋白質(zhì)含量最大值達(dá)到24.76%，最小值為5.31%，表面脂肪含量最低可至30.35%，最高可達(dá)到77.32%，表面乳糖含量的最大可到53.48%，最小為17.37 %。樣品的水分含量基本集中在2%～3%之間。

2.3 嬰幼兒配方奶粉的粒徑分布

通過測量樣品顆粒的某種特征，再以具有相同特征的球體直徑來表征它的大小[18-19]，即為樣品的等效圓球粒徑。但是不同的粒徑測試方法得到的粒徑結(jié)果可能是不同的等效圓球直徑，此處我們采用體積等效圓球（Sphere of same volume,DV）表示。通過DV 10、DV 50、DV 90 以及Span、D [3,2]、D [4,3]對奶粉相應(yīng)粒徑的體積分布進(jìn)行表征[18,20]，如表3 所示。

表3 不同嬰幼兒配方奶粉的粒徑特征參數(shù)的比較

2.4 PCA 分析

為明確13 款嬰兒配方奶粉沖調(diào)性能的關(guān)鍵影響因素以及各個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)性，我們對物理特性指標(biāo)包括水分含量、DV 50、Span 以及0～50 μm 細(xì)顆粒粒徑分布區(qū)間、200～400 μm 粗顆粒粒徑分布區(qū)間，化學(xué)特性指標(biāo)包括表面蛋白質(zhì)、表面脂肪、表面乳糖，以及沖調(diào)性包括分散度，溶解度，潤濕時(shí)間進(jìn)行了PCA 分析[21-23]。

圖1 為主成分分析中的碎石圖，在保證原始數(shù)據(jù)信息可以大部分保留的前提下，一般只保留特征值（λ）＞1 時(shí)的主成分個(gè)數(shù)，由圖1 可知此時(shí)前4 個(gè)主成分具有較大的探索價(jià)值。

圖1 主成分分析碎石

圖2 主成分分析雙標(biāo)（二維）

在表4 中，由于前4 個(gè)主成分對原始數(shù)據(jù)信息高度濃縮，此時(shí)方差依次達(dá)到最大。累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.50%的前4 個(gè)主成分，可以認(rèn)為它們基本包含了原始數(shù)據(jù)中所有變量的全部信息[11]。并且前4 個(gè)主成分分別解釋了34.08%、25.01%、13.44%、11.97%的原始數(shù)據(jù)變異。所以，我們只需要將第一主成分、第二主成分、第三主成分、第四主成分納入后續(xù)的主成分載荷值分析。

表4 主成分特征值

因子載荷反映了主成分與原始變量之間的相關(guān)關(guān)系，一般認(rèn)為絕對值大于0.3 的載荷較為顯著。如表5 所示，將各個(gè)主成分中絕對值系數(shù)大于0.3 的載荷值以加粗字體突出顯示。PC1 主要與原始變量“0～50 μm”呈負(fù)相關(guān)，載荷系數(shù)為-0.475 32，并且與“DV 50”、“200～400 μm”、“分散度”、“表面脂肪”呈正相關(guān)；PC2 中主要的影響因素是“表面蛋白質(zhì)”、“表面乳糖”、“水分含量”和“Span”；同理，PC3 中對整體貢獻(xiàn)率最大的作用因素是“溶解度”，PC4 中載荷值絕對值最大的是潤濕時(shí)間，其次是Span 和表面脂肪。

表5 主成分載荷值

在2D 雙標(biāo)圖中，影響分散度的主要因素是粒徑分布參數(shù)。對于分散度而言，相較于DV 50 和200～400 μm 粗顆粒體積占比兩個(gè)矢量，分散度與水分含量兩矢量間所呈角度更加尖銳，說明兩者是極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。并且兩者的向量模均較長，說明這兩個(gè)矢量所對應(yīng)的兩個(gè)檢測項(xiàng)目對整體生成的PC 所解釋的累積方差具有重要貢獻(xiàn)。然而，分散度與0～50 μm 細(xì)顆粒體積占比矢量間的夾角接近180°，且分別位于第一、三象限，因此可以得出分散度與0～50 μm 細(xì)顆粒體積占比呈極強(qiáng)負(fù)相關(guān)[24]。乳粉的分散性主要受水分含量、DV 50 和200～400 μm 粗顆粒體積占比3 個(gè)指標(biāo)的正向影響，相反，0～50 μm 細(xì)顆粒體積占比的升高不利于乳粉的分散。由圖3 中3D 雙標(biāo)圖可知，表面脂肪對應(yīng)的矢量基本是單獨(dú)指向一個(gè)平面，說明表面脂肪與其他矢量均無明顯相關(guān)性，乳粉的沖調(diào)性能受表面脂肪的影響可以忽略不計(jì)。另外，2D 雙標(biāo)圖中溶解度、潤濕時(shí)間對應(yīng)矢量的模長都非常短，其在載荷表中出現(xiàn)在第三主成分、第四主成分內(nèi)，對整體貢獻(xiàn)率較少，表示溶解度、潤濕時(shí)間對整體的影響不大。

圖3 主成分分析雙標(biāo)（三維）

從圖2 中可以看出沖調(diào)性中僅僅只有分散度對應(yīng)圓的形狀最扁長且只與粒徑參數(shù)相關(guān)指標(biāo)呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，13 款奶粉的溶解度、分散度和潤濕時(shí)間均與3 種表面成分無顯著相關(guān)性。

整體而言，本實(shí)驗(yàn)中收集的13 款嬰幼兒奶粉的沖調(diào)性能最易受物理化學(xué)因素影響的為分散性，并且粒徑大小對這13 款奶粉的分散性的影響最為顯著。有研究表明分散性可以用來衡量粉末分解成單個(gè)顆粒的能力，也是表征速溶全脂奶粉性能的關(guān)鍵復(fù)水特性之一[25-26]。因此，后續(xù)將分散度作為特征性指標(biāo)，為了進(jìn)一步明晰粒徑分布區(qū)間與奶粉沖調(diào)性的關(guān)系，對粒徑分布區(qū)間進(jìn)行了累積和細(xì)分，將50～400 μm 區(qū)間細(xì)分成50～76 μm、76～110 μm、110～144 μm、144～163 μm、163～186 μm、186～211 μm、211～272 μm、272～310 μm、310～352 μm 和352～400 μm 這10 個(gè)小粒徑區(qū)間，并將13 款奶粉進(jìn)行了粒徑分布與沖調(diào)性兩者之間的相關(guān)性矩陣圖分析。

由圖4 可見，粒徑分布對13 款奶粉沖調(diào)性能的影響。圖中數(shù)字表示相關(guān)系數(shù)（皮爾遜系數(shù)r），r 數(shù)值的大小代表3 個(gè)層次的相關(guān)性：極強(qiáng)（0.8～1.0）；強(qiáng)（0.6～0.79）；中等（0.4～0.59）[23]。

圖4 乳粉粒徑分布與沖調(diào)性能之間的相關(guān)性矩陣

在圖4（b）中，當(dāng)粒徑小于144 μm 時(shí)，分散度與粒徑的相關(guān)系數(shù)開始出現(xiàn)負(fù)值，并且在110 μm＜DV＜144 μm 的粒徑區(qū)間內(nèi)，其與分散度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最小值（rmin=-0.24）；當(dāng)粒徑所在區(qū)間為211 μm＜DV＜272 μm 時(shí)，粒度分布與分散度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值(rmax=+0.55)。綜合來看，溶解度和潤濕時(shí)間與粒徑分布之間的相關(guān)系數(shù)絕對值基本均小于0.30，與13 款奶粉的粒徑分布呈現(xiàn)明顯相關(guān)性的沖調(diào)性指標(biāo)僅有分散度，這也與前面的PCA 分析結(jié)果保持一致。

2.5 線性回歸擬合

為了進(jìn)一步找出不利于奶粉分散的關(guān)鍵粒徑區(qū)間，對13 款嬰幼兒配方奶粉的分散度與不同粒徑分布區(qū)間進(jìn)行了平均值比較。依據(jù)矩陣圖分析的結(jié)果，分散度與粒徑分布之間的相關(guān)性系數(shù)絕對值在144～163 μm 處達(dá)到最小，也正是從此處開始，分散度隨著粒徑的變小而降低。因此，我們以40 μm 為粒度間隔將粒徑分布區(qū)間縮小定位至50～170 μm 范圍內(nèi)，同時(shí)也將0～50 μm 粒度區(qū)間納入分析。從表6 中可知，分散度在90%以上的奶粉（從大到小依次排列）有IFMP 8、IFMP 11、IFMP 3，分散度在90%～80%之間的奶粉依次為IFMP 2、IFMP 13、IFMP 12 和IFMP 9，而IFMP 10、IFMP 4、IFMP 5、IFMP 6、IFMP 1、IFMP 7 這6 款奶粉的分散度均在80 %以下。

表6 不同嬰幼兒配方奶粉粒度顆粒的體積占比

于是，對13 款乳粉的的粒徑分布與分散度之間進(jìn)行了線性回歸擬合，以90%的分散度作為臨界點(diǎn)。擬合結(jié)果見表7，當(dāng)分散度小于90%時(shí)，0～50 μm、50～90 μm、90～130 μm 及0～130 μm 的顆粒體積占比與分散度均呈負(fù)相關(guān)，說明130 μm 以下的顆粒體積占比的增加會(huì)引起乳粉分散度的降低。當(dāng)乳粉的粒徑值位于130～170 μm 時(shí)，此時(shí)的顆粒體積與分散度呈微弱的正相關(guān)關(guān)系，以上線性擬合結(jié)果與矩陣圖的結(jié)果基本一致。

表7 嬰幼兒配方奶粉粒徑分布與分散性的關(guān)系

2.6 嬰幼兒配方奶粉的微觀形態(tài)

分別選擇分散度在80%以上和80%以下總共4 款乳粉，分別為IFMP 8 和IFMP 3，IFMP 1，IFMP 10，并對其進(jìn)行了微觀形態(tài)觀察，如圖5 所示。從微觀結(jié)構(gòu)來看，IFMP 1 和IFMP 10 這兩款奶粉主要還是以小顆粒為主，并未出現(xiàn)較大的粉體抱團(tuán)現(xiàn)象[27-28]。IFMP 1和IFMP 10 兩款奶粉的分散度均在80%以下，與之相反，以大顆粒居多的IFMP 8 和IFMP 3 兩款奶粉都具備非常好的分散性能。

圖5 奶粉微觀形態(tài)的觀察（×600）

3 結(jié)論

通過對13 款嬰幼兒配方奶粉沖調(diào)性、表面成分、粒徑分布及微觀結(jié)構(gòu)的觀測，借此尋找影響奶粉沖調(diào)性的關(guān)鍵因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)分散度是體現(xiàn)產(chǎn)品沖調(diào)性好壞的重要指標(biāo)，而影響產(chǎn)品分散度的主要因素是粒徑分布中的細(xì)顆粒體積占比，130 μm 以下的細(xì)顆粒體積占比的增加會(huì)引起13 款奶粉分散度的降低。