超高溫殺菌乳貨架期的復(fù)配穩(wěn)定劑穩(wěn)定性研究

超高溫殺菌乳貨架期的復(fù)配穩(wěn)定劑穩(wěn)定性研究

復(fù)配乳化劑對(duì)超高溫牛乳穩(wěn)定性的影響由于超高溫消毒，無(wú)菌乳系統(tǒng)中的微生物數(shù)量達(dá)到商業(yè)無(wú)菌水平。因此，由微生物腐敗引起的產(chǎn)品變質(zhì)不是貨架期的限制因素。牛乳體系一般是由蛋白質(zhì)、脂肪、糖類等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組成,是一種客觀不穩(wěn)定的分散體系。超高溫處理使得蛋白質(zhì)和脂質(zhì)體的結(jié)構(gòu)較生奶發(fā)生變化,脂肪顆粒隨著時(shí)間的推移發(fā)生聚集并產(chǎn)生浮油,蛋白質(zhì)顆粒會(huì)發(fā)生沉淀。目前,超高溫滅菌乳的保質(zhì)期時(shí)間一般在6個(gè)月,亦有8個(gè)月左右的產(chǎn)品,但是到8個(gè)月時(shí)其組織狀態(tài)一般都不甚理想,因此,超高溫滅菌乳的穩(wěn)定性是其貨架期的最主要限制因素。要解決此問(wèn)題,需加入配比恰當(dāng)且適量的乳化劑、增稠劑等以使產(chǎn)品穩(wěn)定。κ-卡拉膠可與乳酪蛋白起絡(luò)合反應(yīng)并形成穩(wěn)定的弱凝膠網(wǎng)絡(luò)體系,起到懸浮和穩(wěn)定乳蛋白的作用。前期試驗(yàn)結(jié)果表明,添加0.02%的κ-卡拉膠即可很好地穩(wěn)定超高溫滅菌乳中的蛋白質(zhì)。然而,乳脂肪在觀察期內(nèi)的穩(wěn)定性較差,容易發(fā)生脂肪聚集及浮油現(xiàn)象,因此,本文的研究重點(diǎn)集中于乳化劑的復(fù)配上。目前,關(guān)于配方優(yōu)化設(shè)計(jì)中常用的方法有正交試驗(yàn)、響應(yīng)面試驗(yàn)等,正交試驗(yàn)忽略了各因子之間交互性,得到的結(jié)果只是試驗(yàn)水平上的最佳配比及預(yù)測(cè)各因子對(duì)變量的影響趨勢(shì),不能預(yù)測(cè)最佳配比問(wèn)題;響應(yīng)面試驗(yàn)可以得到最佳值,但需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)?；炝显O(shè)計(jì)就是研究配料中各試驗(yàn)因子的最佳配比問(wèn)題,各因子配比總和等于1(即100%)。該方法不僅可通過(guò)較少的試驗(yàn)次數(shù),利用回歸分析建立連續(xù)變量曲線模型,對(duì)各因子及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià),還可以根據(jù)設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行成分組成的優(yōu)化,確定各成分的最佳比例。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇不同,混料設(shè)計(jì)又細(xì)分為單純形質(zhì)心法、單純形格點(diǎn)法及極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì),這3種不同的試驗(yàn)點(diǎn)選擇方法是為了選取具有代表性試驗(yàn)點(diǎn)使其均勻分布于試驗(yàn)水平范圍內(nèi),以此來(lái)替代全面試驗(yàn)。但適用的情況不同,對(duì)于≤3個(gè)因子混料設(shè)計(jì),一般采用單純形質(zhì)心法選取試驗(yàn)點(diǎn);對(duì)于≥4個(gè)因子混料設(shè)計(jì),單純形質(zhì)心法選取試驗(yàn)點(diǎn)不能夠代表全面情況,單純形格點(diǎn)法可通過(guò)增加試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)使其代表全面情況;極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)法主要針對(duì)各個(gè)因子的添加量受到上下限的問(wèn)題。本試驗(yàn)中選取混料-總量型混料設(shè)計(jì)方法采用單純形質(zhì)心法來(lái)設(shè)計(jì)各試驗(yàn)點(diǎn)。此外,對(duì)復(fù)配乳化劑對(duì)超高溫牛乳的穩(wěn)定效果考察,主要以觀察法和離心法為主,這兩種方法檢測(cè)精度不夠精確,只能定性但不能定量評(píng)價(jià)其對(duì)超高溫牛乳體系的穩(wěn)定效果。根據(jù)反射物理模型背散射光的強(qiáng)度(BS,%)與體系的顆粒體積濃度?的平方根呈正比,與顆粒平均粒徑d的平方根呈反比,即BS=f?/d???√BS=f?/d(其中f為簡(jiǎn)化常數(shù)),背散射光的變化率可以反映體系的均一程度、顆粒大小和濃度,據(jù)此判斷體系的穩(wěn)定性。本文以蔗糖酯SE-15(sucroseestersSE-15)、分子蒸餾單甘酯(moleculedistilledmonoglyceride,DMG)及羥基化改性大豆磷脂(soybeanhydroxyphosphatide,SHP)為原料,運(yùn)用混料設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行配方設(shè)計(jì)并采用近紅外發(fā)射光譜的背散射光隨時(shí)間的變化率的均值(ΔBS)作為超高溫滅菌乳穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)考察復(fù)配乳化劑的穩(wěn)定效果,以期得到適于其的單體復(fù)配穩(wěn)定劑。1試驗(yàn)材料和方法1.1聚羥基化型聚羧酸酯anisco及穩(wěn)定儀器新鮮牛奶,光明乳業(yè)股份有限公司;κ-卡拉膠,美國(guó)CPKelco公司;DimodonHP-C分子蒸餾單甘酯,丹麥Danisco(上海)公司;蔗糖酯SE-15,杭州瑞霖化工有限公司;羥基化改性大豆磷脂,美國(guó)中央大豆有限公司;KAT25高速組織分散機(jī),德國(guó)IKA公司;APV1000型高壓均質(zhì)機(jī),丹麥APV公司;TurbiscanLab穩(wěn)定分析儀,法國(guó)Formulaction公司;TP37SE型超高溫殺菌機(jī),日本PowerpointInternational公司。1.2乳化劑的選擇由于添加0.02%(質(zhì)量)的κ-卡拉膠即可很好地穩(wěn)定超高溫滅菌乳中的蛋白質(zhì),因此,本文重點(diǎn)考慮乳化劑的復(fù)配,乳化劑的添加量為0.1%(質(zhì)量)。以蔗糖酯SE-15、分子蒸餾單甘酯及羥基化改性大豆磷脂為原料,運(yùn)用Minitab14(MinitabInc.Pennsylvania,USA)進(jìn)行混料設(shè)計(jì),試驗(yàn)點(diǎn)的選擇采用單純形質(zhì)心設(shè)計(jì),試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。1.3均質(zhì)、殺菌、灌裝將1.0kg的生鮮牛奶加熱至75～80℃,利用高速組織分散機(jī)將7.2g的復(fù)配穩(wěn)定劑溶解于牛奶中,8000r·min-1攪拌10min,與5.0kg的生鮮牛奶混合后攪拌5min,將其加熱至(65±2)℃后經(jīng)2級(jí)均質(zhì)(1級(jí)均質(zhì)壓力15MPa,2級(jí)均質(zhì)壓力5MPa),經(jīng)超高溫瞬時(shí)滅菌(137℃,3～4s)后灌裝,備用。1.4掃描曲線及方法待測(cè)樣品裝在一個(gè)圓柱形的玻璃測(cè)試室中。儀器采用脈沖近紅外光源(λ=880nm)兩個(gè)同步光學(xué)探測(cè)器分別探測(cè)透過(guò)樣品的透射光和被樣品反射的反射光(偏離入射光135°處),采用掃描模式進(jìn)行測(cè)量,以樣品測(cè)試室底部為坐標(biāo)的0點(diǎn),光學(xué)探測(cè)頭從低于樣品測(cè)試室底部的-2mm處起沿樣品測(cè)試室向上掃描,最大高度為55mm,每40μm高度采集一次透射光和反射光數(shù)據(jù)。透射光和反射光強(qiáng)度以%表示,其含義是相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品(Latexsuspension:0.3μm-10%siliconeoil)的光通量的百分比。對(duì)于透明體系,選取透射光的透過(guò)率(T,%)為指標(biāo),不透明體系則選取背散射光的反射率(BS,%)為指標(biāo),牛奶屬于不透明體系,其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)為BS。掃描曲線給出了不同掃描時(shí)間透射光和反射光隨樣品高度的變化關(guān)系。以樣品初始BS為對(duì)照,不同觀察時(shí)間的BS與之的差值(即變化率,ΔBS)反映其體系的變化,從而放大了樣品在測(cè)定時(shí)間內(nèi)微觀特征變化。測(cè)試樣品的添加量為20.0ml,樣品在樣品測(cè)試室中所占高度約為45.0mm。采用多次掃描模式進(jìn)行測(cè)量,設(shè)定每個(gè)樣品的掃描時(shí)間為12h,掃描間隔為20min。牛奶體系具有熱力學(xué)不穩(wěn)定性的特性,溫度越高布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈,能加速觀察其體系的不穩(wěn)定性,因此,設(shè)定樣品室的溫度為35℃。1.5bs與實(shí)際貨架期的將比測(cè)量模型及穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)的建立穩(wěn)定分析儀給出的評(píng)價(jià)指標(biāo)是超高溫滅菌乳觀察時(shí)間內(nèi)背散射光的平均變化率(ΔBS,%),ΔBS與體系穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān),體系越穩(wěn)定,ΔBS值越小,體系越不穩(wěn)定,ΔBS值越大。穩(wěn)定分析儀給出最終評(píng)價(jià)指標(biāo)是經(jīng)微積分處理后得到的在觀察時(shí)間內(nèi)的平均背散射光變化率,試驗(yàn)結(jié)果表明,有些樣品在觀察時(shí)間前期很穩(wěn)定,ΔBS值很小,后期時(shí)發(fā)生脂肪顆粒聚集,ΔBS值較大,從而導(dǎo)致有些發(fā)生脂肪顆粒聚集,浮油的樣品的ΔBS比未發(fā)生脂肪顆粒聚集的樣品的ΔBS小,表現(xiàn)為更穩(wěn)定。利用TurbiscanEasysoft軟件可以測(cè)定不同樣品體系的穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)(stabilityindex,SI)并可比較樣品之間穩(wěn)定性差異。此外,在35℃、12h的觀察時(shí)間內(nèi)ΔBS變化率很小,均小于2.0,不同配比復(fù)配乳化劑間的ΔBS亦不是很大。雖然ΔBS直觀反映樣品體系因脂肪上浮及蛋白質(zhì)沉淀的微觀變化,但其與因脂肪上浮而導(dǎo)致超高溫滅菌乳組織狀態(tài)的改變之間還有很大的差異,不能確定ΔBS與實(shí)際貨架期之間的關(guān)系。懸浮在液體或氣體中的微粒所做的永不停止的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)叫做布朗運(yùn)動(dòng)。做布朗運(yùn)動(dòng)的粒子非常微小,直徑約0.1～10μm,當(dāng)粒子直徑小于50μm時(shí)布朗運(yùn)動(dòng)不明顯,微粒愈小、溫度愈高,布朗運(yùn)動(dòng)愈激烈。牛奶經(jīng)20MPa壓力均質(zhì)后粒徑分布在0.1～0.2μm,在貨架期內(nèi)因脂肪顆粒聚集而導(dǎo)致粒徑分布0.05～2μm,仍屬布朗粒子范疇。布朗粒子在體系中不同的高度具有不同的勢(shì)能[見(jiàn)式(1)],布朗粒子在重力場(chǎng)中達(dá)到熱平衡后,其數(shù)密度按高度的分布應(yīng)遵循Boltzmann分布[見(jiàn)式(2)]?；诓祭柿Ｗ覤oltzmann分布定律研究牛乳體系中脂肪顆粒的上浮現(xiàn)象,建立數(shù)學(xué)模型構(gòu)建穩(wěn)定分析儀所得到的指標(biāo)ΔBS與牛乳的穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系,并以SI作為超高溫滅菌乳貨架期的預(yù)測(cè)指標(biāo)[式(4)]。該模型認(rèn)為T(mén)D溫度下脂肪遷移的最終狀態(tài)屬于布朗粒子Boltzmann分布定律,在特定的溫度及高度差條件下為一常數(shù);以體系的ΔBS作為脂肪的遷移速率,但其與溫度呈反比。為了加大發(fā)生浮油時(shí)間內(nèi)ΔBS對(duì)SI的影響權(quán)重,建立如式(5)的穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)體系。ε=?43πr3(ρfg?ρm)ε=-43πr3(ρfg-ρm)gh(1)N2N1=exp(?ε2kTD)exp(?ε1kTD)(2)Ν2Ν1=exp(-ε2kΤD)exp(-ε1kΤD)(2)K=lgN2N1(3)Κ=lgΝ2Ν1(3)SInc=T′DKΔBStD24(tD2=0)(4)SΙnc=Τ′DΚΔBStD24(tD2=0)(4)SIc=T′DKtDtD1ΔBStD24(tD2≠0)(5)SΙc=Τ′DΚtDtD1ΔBStD24(tD2≠0)(5)式中ε是以觀測(cè)樣品的上液面為0勢(shì)能面,沿豎直向下建立坐標(biāo)系,高度為h處脂肪顆粒的勢(shì)能;N2是在勢(shì)能坐標(biāo)系內(nèi),高度為h2的粒子分布數(shù);N1是在勢(shì)能坐標(biāo)系內(nèi),高度為h1的粒子分布數(shù);r是均質(zhì)后牛奶中脂肪球平均粒徑,此處以0.45μm計(jì);ρfg是脂肪球密度,此處以0.92g·cm-3計(jì);ρm是牛奶密度,此處以1.030g·cm-3計(jì);g是重力加速度,此處以9.8m·s-2計(jì);h是樣品頂部與底部高度差;k是Boltzmann常數(shù),1.38062×10-23J·K-1;K是Boltzmann分布常數(shù);ΔBS是觀察時(shí)間內(nèi)超高溫滅菌乳樣品散射光變化率的均值;TD是測(cè)定超高溫滅菌乳樣品穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)的熱力學(xué)溫度,K;T′D是測(cè)定超高溫滅菌乳樣品穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)的溫度,℃;tD是測(cè)定超高溫滅菌乳樣品穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)的時(shí)間;tD1是測(cè)定超高溫滅菌乳樣品穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)的未發(fā)生浮油的時(shí)間;tD2是測(cè)定超高溫滅菌乳樣品穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)的發(fā)生浮油的時(shí)間。1.6數(shù)據(jù)采集和分析利用TurbiscanLab穩(wěn)定分析儀的TLAbEXPERT1.23軟件采集數(shù)據(jù)并用TurbiscanEasysoft軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;采用Minitab14進(jìn)行混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)及回歸分析。2結(jié)果與討論2.1復(fù)配穩(wěn)定劑對(duì)微乳體系穩(wěn)定性的影響按1.3節(jié)方法制備超高溫滅菌乳。以復(fù)配穩(wěn)定劑BD0027為對(duì)照,添加量為0.12%,制得的樣品為樣品1。將如表1中配比的乳化劑以及κ-卡拉膠分別以0.1%(質(zhì)量)和0.02%(質(zhì)量)添加,SE-15、DMG及SHP3者比例分別為0.5∶0∶0.5(質(zhì)量)以及0.16667∶0.16667∶0.6667(質(zhì)量),制得的樣品分別為樣品2和樣品3。利用穩(wěn)定分析儀按1.4節(jié)方法測(cè)定其穩(wěn)定性并按1.5節(jié)方法測(cè)定其穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)ΔBS,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn),曲線1對(duì)應(yīng)于復(fù)配穩(wěn)定劑BD0027樣品的穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)曲線,其ΔBS為1.1,理論的SI為185,保質(zhì)期試驗(yàn)得出的實(shí)際貨架期為6個(gè)月,即180d,理論值與實(shí)際值較為接近。曲線3對(duì)應(yīng)于配方2的復(fù)配穩(wěn)定劑樣品較曲線2對(duì)應(yīng)于配方1的復(fù)配穩(wěn)定劑在0～8h內(nèi)的ΔBS要小,說(shuō)明前者對(duì)超高溫滅菌乳體系的穩(wěn)定效果要好于后者,但8～12h之間的結(jié)果截然相反,軟件所給出的對(duì)應(yīng)于配方1的復(fù)配穩(wěn)定劑的ΔBS為0.71,而對(duì)應(yīng)于配方2的復(fù)配穩(wěn)定劑的ΔBS為0.68。穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)曲線3與曲線1、2之間存在一定的差異,可能除了脂肪上浮外還存在脂肪球顆粒聚集的情況,為此對(duì)3個(gè)樣品的平均粒徑進(jìn)行分析,樣品1在觀察時(shí)間內(nèi)的平均粒徑略有下降,由初始的0.53μm降低為0.48μm;樣品2的平均粒徑由初始的0.52μm降低為0.45μm。平均粒徑的下降是由于部分脂肪球顆粒的上浮遷移造成,但未發(fā)生脂肪顆粒的聚集。樣品3的平均粒徑在0～8h內(nèi),由0.56μm降低為0.55μm,而在8～12h內(nèi),則由0.55μm上升為0.58μm。說(shuō)明樣品3在0～8h內(nèi)穩(wěn)定性較好,脂肪球顆粒上浮較少,但在8～12h內(nèi)脂肪球顆粒增大。由于穩(wěn)定分析儀給出最終評(píng)價(jià)指標(biāo)是經(jīng)微積分處理后得到的在觀察時(shí)間內(nèi)的平均背散射光變化率,樣品3前期穩(wěn)定但后期穩(wěn)定性較差,其ΔBS為0.68反而較樣品2的0.71小,這與實(shí)際現(xiàn)象明顯不符,這也是1.5節(jié)方法中建立如式(5)的SIc評(píng)價(jià)體系的原因。2.2si的方差分析結(jié)果運(yùn)用Minitab14,以SE-15、DMG及SHP為考察因子,各分量變化范圍為0～1.0g·kg-1,采用單純形質(zhì)心法并通過(guò)軸點(diǎn)增強(qiáng)設(shè)計(jì)選取試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行混料設(shè)計(jì),共選取10個(gè)觀察試驗(yàn)點(diǎn),具體見(jiàn)表1。采用Minitab14對(duì)表1中的SI數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合,得到SI與SE-15、DMG及SHP添加量的回歸系數(shù)及其顯著性,結(jié)果見(jiàn)表2。以因素A蔗糖酯SE-15添加量為例:其回歸系數(shù)(Coef)為268.7、標(biāo)準(zhǔn)誤差(SECoef)為3.891、t-統(tǒng)計(jì)量(T)與P值(P)均高度顯著,方差膨脹因子(VIF)為1.964。由表2結(jié)果可知,蔗糖酯SE-15、DMG、SHP、SE-15×DMG、SE-15×SHP以及DMG×SHP的添加量均對(duì)超高溫滅菌乳體系的穩(wěn)定性影響顯著。以SI為因變量,蔗糖酯SE-15、DMG、SHP以及兩兩交互作用為自變量擬合得到的回歸方程為SI=268.7A+190.0B+165.4C+217.7A×B+184.4A×C+175.2B×C(6)該模型的方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,二次模型的Prob(P)>F值為0.000(‘Prob(P)>F’<0.05視為模型顯著,‘Prob(P)>F’<0.01視為模型高度顯著),表明所得回歸方程達(dá)到高度顯著;由表2亦可知,回歸方程的決定系數(shù)R2=99.57%,說(shuō)明模型的擬合度很好,回歸方程預(yù)測(cè)和校正決定系數(shù)分別為R2(pred)=94.98%與R2(adj)=99.03%,說(shuō)明99.03%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異性可用此回歸模型來(lái)解釋,即該模型在被研究的整個(gè)回歸區(qū)域擬合很好,可用來(lái)進(jìn)行響應(yīng)值預(yù)測(cè)。混料設(shè)計(jì)可以根據(jù)各組分的三元等值線圖直觀地觀察各組分間的變化對(duì)指標(biāo)的影響。圖2(a)為SE-15、DMG以及SHP這3種組分不同配比條件下SI的響應(yīng)曲面圖,從圖中可知SI的最大值約為290左右,單一組分的SE-15對(duì)超高溫滅菌乳的穩(wěn)定效果明顯好于DMG或SHP作為單一組分乳化劑的穩(wěn)定效果。圖2(b)為SE-15、DMG以及SHP這3種組分不同配比條件下SI的等值曲線圖,在SI>280的范圍內(nèi),DMG和SHP的含量似乎小一些將使得SI的值更大,在SE-15取0.5、DMG取0.3、SHP取0.2處附近有最大值,但不能得知其最佳配比及最大的SI。2.3模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性驗(yàn)證為了得到最大SI情況下的SE-15、DMG以及SHP這3種組分配比,使用軟件的最優(yōu)化