低糖褐色乳酸菌饮品的稳定性研究

吕昌勇，徐致远，苏米亚，刘振民

(1.乳业生物技术国家重点实验室，上海200436； 2.上海乳业生物工程技术研究中心，上海200436；3.光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海200436)



低糖褐色乳酸菌饮品的稳定性研究

吕昌勇1,2,3，徐致远1,2,3，苏米亚1,2,3，刘振民1,2,3

(1.乳业生物技术国家重点实验室，上海200436； 2.上海乳业生物工程技术研究中心，上海200436；3.光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海200436)

为提高低糖褐色乳酸菌饮品的稳定性，通过单因素实验研究可溶性大豆多糖和高脂果胶配比、H+浓度指数 (pH值)以及蛋白质质量分数对其稳定性的影响；在此基础上使用Box-Behnken方法进行实验方案设计，对实验结果进行二次回归分析，优化得到最佳工艺参数：pH 3.71、蛋白质质量分数1.02%、可溶性大豆多糖和高脂果胶复配质量比例1.93∶ 1、总添加量0.4%，该条件下，沉淀率为2.51%。

乳酸菌饮品；低糖；稳定性；响应面法

褐色乳酸菌饮品是以脱脂奶、葡萄糖和水经过热处理发生美拉德反应后，乳酸菌发酵得到基料，添加一定比例的糖水调制而成的乳酸菌饮品[1-2]，其发酵菌干酪乳杆菌耐酸性较好，可以到达人体肠道，除了有调节肠道的作用，还有在一定程度上降血压和降胆固醇的作用[4-5]。以活性乳酸菌为卖点的此类产品，在市场上连年走俏，产销量上升迅猛。但是，此类产品含糖量较高，通常100 mL产品中含糖14～19 g。研究表明，糖的过多摄取与肥胖、血压升高等问题有一定的关联[6-7]，影响健康。基于此，对于乳酸菌饮品而言，减糖、低糖、甚至无糖产品是未来的一种趋势，更符合健康的诉求。GB 28050—2011中规定，低糖的标准是100 mL产品中糖含量低于5 g。

一般情况下，全糖的乳酸菌饮品不需要添加稳定剂和乳化剂，这主要由于干酪乳杆菌发酵时间长，产生的代谢产物丰富，有利于体系稳定；同时，蔗糖良好分散溶解于体系，增加体系可溶性固形物含量，也有利于体系稳定；还有，褐色饮品通常为脱脂产品，所以也不需要添加乳化剂。而对于低糖产品，蔗糖的添加量减少导致可溶性固形物含量大幅度减少，对褐色饮品体系密度有较大影响，从而影响体系稳定性。此外，对于褐色饮品来说，其特点之一就是口感很清爽，加之产品为酸性，实际上可以考虑的稳定剂比较有限，较常用的只有果胶和大豆多糖等少数几种。综上，笔者从市场、研发及生产工艺实际考虑，对低糖褐色饮品的稳定性进行一定的研究。

1 材料与方法

1.1 材料

新西兰进口脱脂奶粉(脱脂奶粉蛋白质质量分数为33.4%，乳糖质量分数为52.5%，脂肪含量0)；白砂糖、葡萄糖，市购；菌种，汉森公司Lactobacilluscasei01；可溶性大豆多糖(下文简称大豆多糖)，味博食品有限公司；高脂果胶(下文简称果胶)，丹尼斯克有限公司。

1.2 仪器设备

303A-2型电热恒温培养箱恒温水浴锅，山东省龙口市电炉制造厂；IKARW20型高速搅拌机，德国IKA公司；pHS-25型数显pH计，上海理达仪器厂；APV1000型高压均质机，丹麦APV公司。

1.3 试验方法

1.3.1 发酵基料的制备

脱脂奶粉质量分数13%，葡萄糖质量分数6%，其余补水，40 ℃搅拌溶解20 min，95 ℃高温杀菌120 min，冷却至37 ℃添加菌种Lactobacilluscasei 01 (添加后总体系菌种密度106CFU/mL)，37 ℃恒温培养72 h以上，pH达到3.6～3.7，破乳搅拌均匀，冷却至4～10 ℃。

1.3.2 褐色乳酸菌饮品的制备

白砂糖、甜味剂和稳定剂在70～80 ℃水中溶解，高速搅拌20～30 min，95 ℃杀菌5 min，冷却至20～30 ℃，添加特定量发酵基料，发酵乳基料添加量根据目标蛋白质质量分数计算而来，搅拌10～15 min，柠檬酸调酸到设计值，20～30 ℃、20 MPa条件下均质，10～20 ℃灌装入库，4～6 ℃冷藏保存。

1.3.3 稳定性评定标准

1)离心加速实验。离心管中加入约 10 mL配制好的低糖褐色乳酸菌饮品，经过3 500×g(此g为表重力加速度)离心10 min，缓慢倒出溶液，准确称取沉淀物质量。

离心率=

(1)

2)保质期内观察实验。全保质期内静置观察是饮品体系稳定与否的最直接方法，由于该产品为低温产品，保质期时间较短，仅28 d，可以在保质期内观察产品状态，观察析水及瓶底沉淀状况，验证离心加速实验结果。

1.4 实验设计

1.4.1 单因素实验

按照1.3.2所述方法进行配制乳酸菌饮品，其中固定pH 3.7，蛋白质含量1.1%，研究大豆多糖和果胶比例对饮品体系的稳定性影响；固定蛋白质质量分数1.1%，固定2∶ 1比例、添加量0.4%的大豆多糖与果胶复配稳定剂，研究pH对饮品体系的稳定性影响；固定pH 3.7，固定2∶ 1比例、总添加量0.4%的大豆多糖与果胶复配稳定剂，研究蛋白质质量分数对饮品体系的稳定性影响。

1.4.2 Box-Behnken响应面优化实验方法

稳定剂比例、蛋白质质量分数和pH对饮品体系的稳定性都有一定的影响，采用三因素三水平的响应面方法进行预测分析，实验因素及水平设置见表1。

表1 响应面实验因素水平编码表

2 结果与讨论

GB/Z 21922—2008规定，低糖标准为100 mL产品中糖含量<5 g，本饮品体系密度约为1.05 g/mL，即糖的添加量应该<4.76%。本文中，笔者在配方设计时把糖质量分数恒定为4.5%。按照GB/Z 21922—2008，食品营养成分基本术语中对糖的定义是所有单糖和双糖，该饮品体系中的糖主要包括：酸奶基料中的乳糖和葡萄糖(质量分数约为12.825%)，及配制饮品体系中补充的白砂糖，添加量根据计算补充至总糖质量分数4.5%。以蛋白质质量分数1.5%的饮品为例，酸奶基料蛋白质质量分数为4.342%，糖质量分数为12.825%，酸奶基料在总饮品体系中添加量为34.55%，基料提供糖质量分数为4.43%，需额外补充0.07%的白砂糖。

正常褐色饮品的蔗糖添加量为12%左右，而低糖糖含量大幅度降低，酸甜比失衡，因此需要大量使用甜味剂，基于此，笔者根据经验，采取高倍甜味剂三氯蔗糖与安赛蜜按1∶ 1复配替代蔗糖进行后续实验。

2.1 果胶与大豆多糖复配对低糖褐色饮品的影响

根据笔者前期实验经验，大豆多糖与果胶单独使用时，添加量在0.4%左右时对于酸性乳饮料有较好的稳定作用，超过0.4%后，稳定剂的风味逐渐显现出来，低于0.4%可能会有析水风险。为此，本实验研究2种稳定剂复配后对低糖褐色饮品的稳定性的影响，以0.4%作为复配后的总添加量，pH选择3.7，蛋白质1.1%，复配不同比例的稳定剂进行进行实验，得到结果如图1所示。

图1 大豆多糖和果胶复配比例对离心沉淀率的影响Fig.1 Effect of the ratio of SSPS and HMP on centrifugation precipitating rate

由图1可以看出：大豆多糖与果胶复配后，离心沉淀率较低，均为3.6%以下，其中最佳的复配比例为3∶ 1～1∶ 1，全保质期内观察稳定性，未出现可见的析水和沉淀。果胶和大豆多糖结构类似，也同样适用于酸性乳饮料，但是稳定机制却不相同。果胶主要通过和酪蛋白结合形成带负电的络合物，靠胶粒之间的静电排斥作用，以防止酪蛋白的聚集沉淀，而大豆多糖主要是靠中性多糖支链提供空间位阻来稳定体系]，复配后的沉淀率下降可能跟两者作用机制互补有关。本研究实验结果与张亦澜]研究结果一致，佐证了大豆多糖与果胶之间的2∶ 1复配比具有较好的效果。

2.2 pH对低糖褐色饮品的影响

褐饮的pH通常在3.5～3.8之间，本实验设计蛋白质质量分数1.1%，添加0.4%的2∶ 1比例大豆多糖与果胶复配稳定剂，pH调整到3.5、3.6、3.7、3.8和3.9梯度进行实验，得到结果如图2所示。

图2 pH对离心沉淀率的影响Fig.2 Effect of pH on centrifugation precipitating rate

由图2可以看出：pH对饮品体系的离心沉淀率有一定影响。在研究范围内，沉淀率在2.89%～5.89%之间变化，随着pH升高，离心沉淀率先减少再增加，在pH 3.7时沉淀率最小，全保质期内观察稳定性，pH在3.9以下样品未出现可见的析水和沉淀，pH 4.0样品在第14 天出现析水，保质期末第28 天，析水高度约0.5 cm。由于酪蛋白等电点在4.6左右，因此离pH 4.6越远，蛋白体系越趋于稳定，在pH为3.7～4.0时，pH越高，稳定性越差；果胶的作用机制是靠电荷作用，因而在低pH下的稳定作用较差，易造成体系崩溃]。综合看来，pH对发酵乳饮料的稳定性影响一方面是影响了蛋白质带电性，另一方面还影响所添加的稳定剂状态-14]。

2.3 蛋白质含量低糖褐色饮品的影响

国标要求乳酸菌饮品的蛋白质比例要大于0.7%，因此，本实验中，以蛋白质质量分数0.7%、0.9%、1.1%、1.3%和1.5%几个梯度进行实验，总添加0.4%、质量比2∶ 1的大豆多糖与果胶复配稳定剂，pH调整至3.7，得到结果如图3所示。

图3 蛋白质质量分数对离心沉淀率的影响Fig.3 Effect of protein contents on centrifugation precipitating rate

由图3可以看出：蛋白质质量分数对产品的稳定性有一定的影响，整体来说，由于稳定剂的加入，沉淀率都在比较低的水平，均在3.6%以下，随着蛋白质质量分数的升高，沉淀率先几乎不变，然后升高，全保质期内观察稳定性，均未出现可见的析水和沉淀。在蛋白质质量分数较少的情况下，稳定剂与蛋白质之间的静电作用力大于重力，蛋白质百分比升高，分子间作用力增大，体系更趋于稳定[11]，随着蛋白质质量分数的增加，蛋白质分子间作用力小于蛋白质分子所受的重力影响，蛋白质分子处于不稳定的状态，离心沉淀率升高。

2.4 工艺条件的优化

在单因素实验基础上，使用Design Expert软件，设计了三因素三水平的响应面分析实验，其实验结果见表2，响应面优化回归方程的方差分析见表3。

表2 响应面设计方案及实验结果

表3 响应面回归模型方差分析

经过实验求得的回归方程为

Y=2.54-0.11A-0.060B+0.036C-0.042AB-

0.015AC-0.027BC+0.9A2+0.17B2+0.23C2

(2)

式中：Y为离心沉淀率；A、B、C分别为上述3个自变量的编码值。

模拟的一次项A、B、C均影响极显著，由回归方程前系数可知，3个因素影响大小从大到小依次为A、B、C，二次项A2、B2、C2极显著，交互项AB极显著，BC显著。

进行响应面各因素交互作用分析，通过 Design Expert 8.0.6 软件，将三因素两两进行分析比较，做出响应面曲线图，结果如图4所示。由图4可以看出，pH添加量相较于蛋白质质量分数、复配比例曲线较陡峭，说明pH的影响较显著些；蛋白质量分数和复配比例在较小的范围内变化。

通过该回归方程最优解确定最佳的工艺参数为pH 3.71、蛋白质质量分数1.02%、稳定剂复配质量比例1.93∶ 1，该条件下，沉淀率最小达到2.534%。经过3次实验验证，在此条件下，沉淀率平均值为2.51%，与预测值相近。同时全程观察保质期内稳定性，未出现可见的析水和沉淀，表明该模型能较好的预测实际情况。

图4 各因素交互作用对离心沉淀率的响应面Fig.4 Response surface of two factors interaction on centrifugation precipitating rate

3 结论

大豆多糖和果胶进行复配比例对低糖低糖褐色饮品的稳定体系有一定影响，总添加量0.4%，复配比3∶ 1～1∶ 1效果较好；pH对低糖褐色饮品的稳定性有较大影响，pH控制为3.6～3.8，离心沉淀最低；蛋白质含量对低糖褐色饮品的稳定性有一定的影响，蛋白质量在0.9%～1.1%时，沉淀率最低；通过响应面优化试验，建立了多元回归模型，通过理论计算和实验验证表明，稳定剂复配质量比例1.93∶ 1、pH 3.71、蛋白质质量分数1.02%条件下配制的低糖褐色离心沉淀率最低，全保质期内观察稳定性，未出现可见的析水和沉淀。

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(责任编辑 管珺)

Stability of low-sugar brown lactobacillus beverage

LYU Changyong1,2,3,XU Zhiyuan1,2,3,SU Miya1,2,3,LIU Zhenmin1,2,3

(1.State Key Laboratory of Dairy Biotechnology,Shanghai 200436,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Dairy Biotechnology,Shanghai 200436,China;3.Dairy research institute,Bright Dairy & Food Co. Ltd.,Shanghai 200436,China)

To improve the stability of low-sugar brown lactobacillus beverage(LBLB),we use single-factor experiments to determine the ratio of soluble soybean polysaccharide (SSPS) and high methoxyl pectin (HMP),pH and protein content.Then,the Box-Behnken design was done and the results were analyzed by quadratic regression analyses.The optimum ratio of SSPS and HMP(merge addition 0.4%),pH,and contents of protein was 1.93∶ 1,3.71,1.02%,respectively.Under the condition,the real centrifugation precipitating rate of LBLB was 2.51%.

lactobacillus beverage；low-sugar；stability；response surface method

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.02.011

2016-10-28

国家“十二五”科技支撑计划(2013BAD18B01)；上海市科委项目(16DZ2280600)；上海市闵行区领军人才项目(201443)

吕昌勇(1987—)，男，河南固始人，工程师，研究方向：乳制品研发，E-mail:lyuchangyong@163.com

TS252.54

A

1672-3678(2017)02-0067-05