检测牛奶变质的研究

麦志杰，徐海涛，赵静，林芳,范建明

（华南农业大学应用物理系，广州510632）

检测牛奶变质的研究

麦志杰，徐海涛，赵静，林芳,范建明

（华南农业大学应用物理系，广州510632）

研究了通过检测黏度判断牛奶变质的原理。结果表明，牛奶变质过程确实伴随着黏度的变化，并且变质后的牛奶黏度明显增大。该方法检测牛奶变质具有速度快、操作简单的特点。

牛奶变质；黏度；物理检测

0 引言

牛奶营养丰富,是天然的培养基,极易腐败变质。牛奶的变质除非出现强烈异味，否则难以觉察。对牛奶的变质检测，传统的方法一般是基于生物，化学的原理来建立一些指标，如标准平皿菌落计数法、大肠杆菌群乳糖胆盐发酵法等。这种方法技术成熟，容易做出量化的指标，是目前最权威的检测方法。但这些方法存在操作烦琐、费时的缺点。

近年来也有一些学者提出了用物理的方法检测牛奶变质。例如激光诱导荧光技术[1],超声波检测法[2-3],电子鼻技术[4]等。这些技术涉及到光学，声学，电子技术学等，显示出使用物理手段检测牛奶变质的发展潜力,相比起发酵法，这些物理方法具有实时测量的优点。本文从力学的角度出发，使用液体黏度跟踪检测牛奶的变质过程。

1 牛奶变质的原理和一般过程

食品腐败变质的鉴定一般采用感官、物理、化学、微生物4个方面的指标。牛奶的变质主要是因微生物生长繁殖而导致牛奶中蛋白质的变性、脂肪的酸败、碳水化合物的发酵。牛奶变质过程大致分为4个步骤。

（1)细菌减数阶段：鲜乳中含有一定的抗菌性物质，具有一定的杀菌作用；

（2)发酵产酸阶段：酸度增大，分解乳糖，产生大量乳酸。发酵和产酸导致球型的酪蛋白变性，伸展成线性的酪蛋白分子，并凝结成具有网络结构的凝胶状态。在这阶段，乳液中可出现大量乳凝块，并有大量乳清析出；

（3)中和阶段：此时常可在乳液表面看到浓厚的霉菌群体；

（4)腐败分解阶段：酪蛋白和脂肪被分解,变成澄清的液体，并有腐败的臭味产生[5]。

2 黏度测量的原理

2.1 黏度

黏性是液体的固有属性之一，不论是静止液体还是运动液体都具有黏性，流体在剪切力的作用下，将产生连续不断的变形以抵抗外力，这就是液体黏性的表现。

牛顿黏滞定律描述了液体的黏滞性质，其表达式为

式中：f为黏滞力，存在于液体内部，阻碍相互接触的液层发生相对运动；为速率的空间变化率；△S为液层的接触面积；η为黏滞系数，简称黏度。

黏度是决定液体黏滞性强弱的物理量。影响η大小的因素很多，如果η仅与液体的组成及温度有关，这类液体称为牛顿型液体，一般较稀的液体如水、牛奶、糖溶液等均属于此类。

牛奶变质过程中，其组分发生变化，因此，其黏度也发生变化，这就是我们本文的依据。

2.2 黏度的测量

使用泊肃叶公式计算黏度，这公式能够更好地描述黏滞液体在圆形管道中流动的基本规律：

式中：qv为单位时间内通过横截面为S的液体体积，简称流量；R为圆形管道的半径；p1-p2为管道两端的压强差，l为管道的长度。

3 实验

3.1 仪器

实验使用加工的烧杯，烧杯底部接一圆形管道，形状如图1所示。

图1 实验装置

烧杯使用标准的敞口600 mL烧杯，直径为10 cm；底部的圆形管道直径为1 mm，长度为l=10 cm。管道右端口压强为大气压，管道左端口压强为大气压加上h高度的牛奶压强，因此牛奶按箭头方向流出管道，只要测出管道右端口的流量就可按公式（2）求出黏度η。同时，由于管道直径远远小于烧杯直径，因此，在滴出少量牛奶（5 mL）的过程中，烧杯内牛奶液面可以看作静止，压强差不变。

3.2 方法

实验使用2个牌子的牛奶样品，样品一包装上标示：打开包装后24 h内饮用完为佳；样品二包装上标示：开启之后于2日内饮用完毕。实验室温度控制在25℃，模拟常温常压环境。

实验时，样品每隔1 h测量图1圆形管道右端口的流量，直至严重变质发出强烈刺激性异味为止。数据代入到公式（2）计算出不同时间下的牛奶表面张力系数。

3.3 结果及分析

实验结果如图2所示。

图2 牛奶黏度随时间变化图

由图2可以看出，两个样品的黏度变化过程会出现一个大幅上升的区域，如样品一从18 h开始到22 h（黏度从0.75×10-3Pa·s上升到5.8×10-3Pa·s），样品二从36 h到42 h（黏度从1.5×10-3Pa·s上升到3.8×10-3Pa·s）。而且在实验过程中观察样品，发现牛奶的性状发生变化也是出现在这段时间区间附近。比如样品一在22 h出现异味，样品二44 h出现异味。出现异味时牛奶已经严重变质，对应于牛奶变质过程的腐败分解阶段。同时该斜率大幅度上升出现的时间与样品包装盒上标示的饮用时间基本符合，如样品一包装盒上建议用户开封后24 h内引用完，而样品二的建议时间则是48 h。由此可见，黏度开始出现大幅度上升的时间区域就是牛奶开始出现变质的时间。此外，在样品黏度出现大幅上升之前的时间段内，牛奶黏度缓慢变化，对应于牛奶变质过程的发酵产酸阶段。实验期间样品没出现中和阶段的霉菌菌落，这是因为实验室干净，细菌较少的缘故。

此外，两个牌子样品的黏度不同可以认为是其成分的差别导致。样品一每100 g中含蛋白质2.9 g，脂肪3.6 g，碳水化合物4.7 g，钠60 mg，非脂乳固体≥8.1 g；样品二每100 g中含蛋白质3.1 g，脂肪3.6 g，碳水化合物5.0 g，钠53 mg，非脂乳固体≥8.5 g。成分的不同导致牛奶内部黏滞力不同，造成黏度有差别。

总之，黏度可以在一定程度上反映牛奶的变质情况。

4 结论

从力学参数出发，对牛奶变质过程中的黏度进行了一些有益的探索，发现了牛奶变质过程中的黏度的基本变化规律。实验数据表明，黏度大幅上升的时间区域与牛奶出现变质的时间相吻合，并且变质后的牛奶黏度明显增大。此外，发现不同的牛奶成分，其黏度是不同的。因此，使用物理参数检测牛奶变质是实际可行的。该方法检测牛奶变质具有速度快、操作简单的特点。

[1] 刘杰，于常青，李家泽，等.鲜牛奶变质过程的激光诱导荧光光谱研究[J].光谱学与光谱分析,2001,21(6):769-771.

[2] 杨建文，张玲，石莉.智能超声波牛奶检测仪的设计[J].陕西科技大写学报，2005,23(5):75-78.

[3] 胡浩，章东，龚秀芬，等.牛奶变质的超声非线性定征[J].应用声学,2005,24(6):329-333.

[4] 姜天纬，林然，陈星，等.电子鼻牛奶质量检测的研究[J].传感技术学报,2007,20(8):1727-1731.

[5] 夏全，缪爱龙，章燕，等.牛奶变质过程的观察[J].江苏卫生保健,2007,9(3):22-23.

Research of monitoring deterioration of milk

MAI Zhi-jie,XU Hai-tao,ZHAO Jing，LIN Fang，FAN Jian-ming
(Department of Applied Physics,South China Agricultural University,Guangzhou 510632,China)

Detecting these physical parameters is useful to monitoring the deteriorate degree of milk.This article focuses on the viscosity of milk by monitoring its deteriorate process.The experimental results show that deterioration of milk is indeed accompanied with the change of viscosity and it will dramatically increase after the deterioration.This method detecting sour milk is rapid and easy to operate.

deterioration of milk；viscosity；physics testing

Q252.7

A

1001-2230（2011）03-0024-02

2010-11-04

华南农业大学校长科学基金（2009K022）；华南农业大学理学院2010年教学改革与研究项目（LXJG1002）。

麦志杰（1979-），男，讲师，研究方向为食品物理，农业物理。