紫薯对炼乳流变及质构特性的影响

周頔，徐升，孙艳辉，董艺凝，杨严俊

1(滁州学院 生物与食品工程学院，安徽省热敏性物料加工工程技术中心，安徽 滁州，239000)2(安徽达诺乳业有限公司，安徽 滁州，239000)3(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)

调制炼乳是以生乳和(或)乳制品为主料，添加或不添加蔗糖、食品添加剂和营养强化剂，添加辅料，经加工制成的黏稠状产品，赋予了炼乳口味、功能更多的可能性。作为一种优良的乳品工业原料，调制炼乳已被广泛应用到糖果、烘焙食品等行业中，对终产品质量的改良、风味的提升和口感的改善起到至关重要的作用[1]。然而当前国内仍以中低档次产品为主填补市场空缺[2]，在消费升级的大趋势下，炼乳口味、功能过于单一化，不能紧跟消费者功能性、营养性、个性化的消费理念。

国外学者率先开展了一些特色调制炼乳的研发工作[3-4]。如KALININA等[5]针对乳糖不耐受人群开发低乳糖水解炼乳，通过黏性指数指导产品开发及贮藏；KALYANKAR等[6]添加不同功能成分制作炼乳，开发适宜运动员，康复者或老年人等人群的特色食品。国内学者和炼乳生产商也尝试开发调制炼乳，如国内炼乳市场龙头企业熊猫乳业申请并授权焦糖炼乳，该炼乳具有浓郁的焦香味且口感滑顺、细腻浓稠[7]；于法周[8]将鱼油添加于炼乳中，克服了现有技术中鱼腥味重和鱼油及炼乳混合后发黄变黑的问题，赋予炼乳功能性。然而目前调制炼乳的研究主要集中在添加物对炼乳感官品质和功能性的影响，对添加物处理后炼乳流变性、质构特性的变化规律研究还很少，而这些变化可直观反映炼乳体系稳定性的变化，对实际生产有重要指导意义。

紫薯粉是以淀粉为主要成分的一类食品，近年来在国内乃至国际市场上非常走俏，除了因为紫薯富含花色苷、多糖、黄酮等多种功能性成分，还因紫薯色泽诱人且具有独特风味[9-10]。将紫薯粉添加至食品中探究其对产品物性影响的研究已有一些报道[11-12]，然而将紫薯添加于炼乳中，探索其对炼乳体系稳定性和食用品质影响的研究还未见报道。

本研究以开发新型调制炼乳为目标，将紫薯粉添加至炼乳中，研究不同紫薯粉添加量对炼乳流变性、质构特性及微观结构的影响，以期从食品物性角度为新型调制炼乳的研发与应用提供一定的研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

全脂乳粉，伊利乳业有限责任公司产品；紫薯粉，亳州市宝丰生物科技有限公司产品；蔗糖、乳糖，苏州美高美生物科技有限公司产品；单硬脂酸甘油酯，广州市佳力士食品有限公司产品。

1.2 仪器与设备

DHR-2流变仪，美国TA公司；TA.XTplus物性测试仪，英国Stable Micro System公司；JSM-6510V型扫描电镜，日本电子株式会社；手持式高速分散器，宁波新芝生物科技有限公司；旋转蒸发器，予华仪器有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯炼乳工艺流程

(1)主料溶解：取全脂乳粉30 g溶解于50 g水中，在温度为80 ℃的水浴锅中恒温搅拌30 min，使全脂乳粉混合均匀。

(2)加入辅料：在混合均匀的全脂纯牛奶中加入白砂糖44 g、单硬脂酸甘油酯0.4 g、不同质量的紫薯粉，在80 ℃的水浴锅中恒温搅拌30 min，使所有物料混合均匀。紫薯粉添加量按照其占终产品的含量(%)选取5个梯度，分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%。

(3)均质：将混合液用高速搅拌器(12 000 r/min)搅拌5次，每次30 s。

(4)真空浓缩：将均质后的混合液进行真空浓缩，浓缩至终产品质量为100 g。

(5)冷却：紫薯炼乳浓缩完成后进行水浴梯度冷却，边搅拌边冷却至30 ℃。

(6)结晶：加入0.02 g乳糖作为晶种，搅拌浓缩液，静置排气泡、结晶、密封4 h得成品。

1.3.2 紫薯粉主要成分分析

参照国标方法，测定紫薯粉中淀粉、蛋白质、脂肪、粗纤维等主要组成成分的含量。

1.3.3 流变特性的测定

(1)静态流动性能测试

选用40 mm平板夹具，25 ℃条件下采用Flow Ramp模式使剪切速率从0.1～300 s-1递增，记录测试过程中紫薯炼乳黏度随剪切速率变化的关系[13]。采用Power Law模型对测试数据点进行回归拟合，拟合系数R2表示模型拟合精度[14]。Power Law模型方程式为(1)：

σ=K×γn

(1)

式中：σ，剪切应力，Pa·s；K，稠度系数；γ，剪切速率，s-1；n，流动特性指数。

(2)触变性能测定

选用40 mm平板夹具，25 ℃下使剪切速率从0.1～300 s-1递增，再从300～0.1 s-1递减，记录测试过程中炼乳的应力随剪切速率变化的关系[13]。

(3)动态黏弹性测定

在样品线性黏弹性范围内，选用40 mm平板夹具，应力设置为0.5%，25 ℃条件下在0.1～10 Hz的进行频率扫描测定，记录炼乳储能模量和损耗模量随频率变化的关系，得到黏性和弹性之间的转化趋势[15]。

每组炼乳样品流变特性的测定平行测试3次，记录并分析数据。

1.3.4 质构特性的测定

将制备好的不同浓度的紫薯炼乳密封后放置于20 ℃下，每隔1个月开罐取出测试质构指标。探头型号AB/E圆柱型塑料探头，直径45 mm。测试前、中、后速分别为1.0、1.0、1.0 mm/s、压缩深度为15 mm、触发类型为Auto-5 g。每组炼乳样品平行测定6次，记录并分析数据[16]。

1.3.5 微观组织结构的观察

将炼乳样品用戊二醛溶液固定10 h，再用磷酸缓冲液清洗3次、每次10 min，乙醇梯度脱水，CO2临界点干燥后喷金，扫描电镜观察和拍照[17]。

1.3.6 感官评价方法

感官评定小组由15名专业人员组成，评定小组从紫薯炼乳的滋味与气味、组织状态和色泽3个方面进行描述性评价，评价标准见表1。对紫薯炼乳的感官评价描述与其他指标数据综合进行分析。

表1 紫薯炼乳感官评价表Table 1 Sensory evaluation of purple potato condensed milk

1.4 数据统计与分析

利用Origin 8.5软件处理试验数据并作图，利用SPSS V17.0软件对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 紫薯粉主要成分分析

由表2可知，紫薯粉主要成分为淀粉，含量为70.82%。紫薯粉中淀粉的存在可能会对炼乳体系的流变和质构特性产生一定的影响。此外，紫薯粉还含有少量蛋白质、粗纤维和还原糖等成分。

表2 紫薯粉的主要成分Table 2 The main composition of purple potato flour

2.2 静态流动性分析

由图1可知，随着紫薯粉添加量的提高，炼乳的黏度显著增大。结合感官发现，紫薯粉添加量低于2.0%时，炼乳初始黏度值低于6.2 Pa·s，此时产品感官评价优良，黏度适中；紫薯粉添加量达到2.5%时，初始黏度值高于6.2 Pa·s，品尝炼乳后牙齿有残留感，感官评分下降，但仍在可接受范围内。经测试，所用紫薯粉含70%的淀粉，其成糊温度为74 ℃。因此，将紫薯粉加入主料中后，经历80 ℃、30 min的热处理会使紫薯淀粉发生一定程度的糊化，由此使得炼乳体系分子间相互作用增强、体系黏度增大。此外，紫薯粉的添加减少了炼乳体系水分的相对含量，而水分含量又直接影响着体系的黏度。

由图1还可知，炼乳随剪切速率的增加在整个测试范围内表现出2种不同的流动行为。剪切速率较低时，样品表现为剪切增稠特性；随着剪切速率的进一步增大，炼乳表现出剪切变稀的假塑性行为，这在LIU等[18]学者研究的溶液也出现类似现象。

图1 紫薯炼乳黏度随剪切速率的变化规律Fig.1 The variation of purple potato condensed milk viscosity with shear rate

KJØNIKSEN等和SILVA等[19-20]研究认为一定速率的剪切流动会增加分子链间连结的概率，从而导致溶液黏度的增加；在低剪切速率时，紫薯炼乳剪切增稠行为的出现可能是由于体系中聚合物链的缠结性增强或内部发生了聚合，而随着剪切速率的增大，炼乳中聚合物链之间的作用力减弱，体系表现出一般聚合物溶液所具有的剪切变稀行为。

分析数据后，采用Power Law方程对曲线数据点进行拟合，拟合情况见表3。回归系数(R2)为适合性指数，R2值越接近1，代表该模型越适合描述样品的流动性；稠度系数K和流动特性指数n是经验常数，K值越大，样品越黏稠；n值小于 1，表示样品为假塑性流体，且n值偏离1的程度越大，表明样品假塑性程度越大[21-22]。

由表3可知，五组不同梯度样品选用Power Law模型所得的R2值均很高，因此能很好地拟合实验数据。随着紫薯粉添加量的提高，炼乳体系的K值不断增加、n值不断减小，这表明炼乳体系具有更强的假塑性、更易剪切稀化。一方面，紫薯粉含有70%的淀粉及少量纤维素、蛋白质，这些物质可能与炼乳中原有物质分子相互缠结，增加了体系中分子链节的顺向性，因此表现出流动愈加困难但稳定性高的流体行为。另一方面，紫薯粉本身为假塑性流体，加入到炼乳中使得体系的假塑性流体特征增强。结合感官发现，紫薯粉添加量低于2.0%时，炼乳黏度适中，口感顺滑；添加量高于2.0%后，炼乳略浓稠，倾倒炼乳时难度略微增大。

表3 炼乳体系Power Law方程拟合参数Table 3 Power Law parameters for condensed milk system

2.3 触变性分析

图2为添加不同含量紫薯粉后炼乳体系的触变特性图。由图2可知，所有紫薯炼乳体系均具有触变环，表现出一定的触变性；随着紫薯粉添加量的提高，炼乳触变环面积呈增大趋势。紫薯粉添加量小于2.0% 时，触变环面积变化有增大趋势但并不显著；添加量达2.0%时，触变环面积显著增大至9 962 Pa/s。

触变环面积越小，意味着触变性越弱，表明样品在停止应力作用后重建粒子间破坏的构造越快，流变学稳定性越高，食品加工应用中意味着样品阻止垂挂、沉淀等现象的能力愈强[23]。紫薯炼乳触变环面积的增大，一方面可能与体系颗粒间的摩擦和碰撞概率有关，另一方面与紫薯粉浓度有直接关系，刘蒙等[24]研究发现糊化后的紫薯淀粉浓度越大，其形成的触变环面积越大。触变性结果结合贮藏期炼乳质构变化情况可知，紫薯粉添加量低于2.0%、触变环面积小于10 000 Pa/s时，紫薯炼乳在5个月、20 ℃的贮藏条件下无沉淀、品质稳定；紫薯粉添加量提高至2.5%时，炼乳贮藏5个月后依然无沉淀出现，但涂抹和倾倒的难度明显增大。因此实际加工中要注意控制紫薯粉的添加量及溶解温度并监测炼乳在更长贮藏期内的品质变化规律。

图2 紫薯炼乳剪切应力随剪切速率的变化曲线Fig.2 Curve of shear stress with shear rate incondensed milk of purple potato

2.4 黏弹性分析

储能模量(G′)代表能量储存而可恢复的弹性性质，损耗模量(G″)代表能量消耗的黏性性质，通过黏弹性指标的测定可有效反映炼乳的加工特性[25]。由图3和图4可知，随着紫薯粉添加量的提高，炼乳的G′和G″均不断增加，这表明炼乳的类固体性质和类液体性质均不断增强，这在紫薯酸奶的研究中也出现类似现象[26]。弹性成分的增强可能是由于紫薯粉中的淀粉、蛋白质等物质通过吸附力和水分子结合且体系中固态物质含量相对增多共同导致，黏性成分的增强可能是由于紫薯淀粉发生糊化以及蛋白质等成分吸水使得体系中黏性物质浓缩共同导致[27]。结合感官发现，G′和G″的增加会使紫薯炼乳致密感增强，在口腔内不经咀嚼而分散开的程度减弱，但含有2.5%紫薯粉的紫薯炼乳仍口感细腻顺滑，质地均匀。此时，在角频率65 rad/s的振荡下，紫薯炼乳的G′值为525 Pa、G″值为511 Pa。

对比图3和图4还可知，随着角频率增大，紫薯粉添加量低于1.5%时，炼乳的G′始终小于G″，此时炼乳体系以黏性为主，表现出流体特征；紫薯粉添加量为1.5%时，角频率高于2.5 rad/s后，紫薯炼乳的G′开始大于G″，表明炼乳体系以弹性为主，表现出固体的特征。这可能是由于随着紫薯粉添加量的提高，糊化后的紫薯淀粉使得体系内部黏结力更强，结构更加致密，分子间的缠结力增强[28]。因此，紫薯粉添加量低于1.5%时，炼乳可展现更好的流动性和延展性，适宜作为涂抹型产品直接食用，或作为食品加工原料用于乳饮料、酸奶等溶液型或半固态食品中。紫薯粉添加量高于1.5%时，炼乳呈现出一定的塑性且黏稠度显著增强，可作为乳类加工原料应用于面包、糖果等固态食品中，为产品提供营养价值和一定的黏结力。

图3 炼乳储能模量随角频率变化曲线Fig.3 Curve of storage modulus with angular frequency of condensed milk

图4 炼乳损耗模量随角频率变化曲线Fig.4 Curve of loss modulus with angular frequency of condensed milk

2.5 质构分析

炼乳在贮藏期内变稠是常见的质构变化现象。由图5可知，随贮藏时间的增加，不同紫薯粉添加量的炼乳浓稠度均有增大趋势。

图5 紫薯粉对炼乳贮藏过程中浓稠度的影响Fig.5 Effects of purple potato powder on consistency of condensed milk during storage注：同一条曲线上小写字母不同者表示差异显著。下同。

结合感官发现，紫薯粉添加量低于2.0%时，经历5个月、20 ℃贮藏，紫薯炼乳浓稠度虽有增大趋势，但整体口感顺滑、无沉淀、浓稠度适宜；紫薯粉添加量为2.5%的紫薯炼乳在第5个月时，浓稠度显著增大，达到328 g·s，口感上出现“偏硬” “浓稠度大” “有固体特征”的感受。

黏性指数反映测试探头向上提升样品时所做的功，数值越大代表涂抹或倾倒阻力越大。图6表明随贮藏时间的增加，紫薯粉添加量低于2.0%时，炼乳黏性指数有增大趋势，但涂抹性优良、易于倾倒；紫薯粉添加量为2.5%的炼乳贮藏4个月时，黏性指数显著增大，达到84.2 g·s，此时炼乳涂抹和倾倒难度明显增大，更适宜作为工业原料用在糖果等塑性食品中。

图6 紫薯粉对炼乳贮藏过程中黏性指数的影响Fig.6 Effects of purple potato powder on cohesion index ofcondensed milk during storage

质构数据表明，紫薯粉添加量低于2.5%时，紫薯炼乳在5个月、20 ℃的贮藏条件下浓稠度和黏性指数均较稳定；紫薯粉添加量达到2.5%时，在20 ℃下贮藏4个月后，炼乳会明显变稠、倾倒及涂抹难度明显增大，不适宜作为涂抹型产品。

2.6 微观结构的测定

图7为不同紫薯粉添加量的炼乳在5 000倍下的电镜扫描图片。由图7可知，紫薯粉添加量为0.5%时，紫薯炼乳的表面有明显的皱褶、粗糙感强且分布着大小不一的不均匀孔隙；添加量达1.0%时，表面皱褶度明显改善但仍分布着大小不一、数量较多的小孔隙；添加量达1.5%时，表面趋于光滑且孔隙数量适当减少；添加量达2.5%时，炼乳表面较光滑、致密度高、孔隙数量少。一般情况下，炼乳的微观结构越致密，其硬度、咀嚼性、黏性越大，这与前面的流变及质构分析结果相吻合。

炼乳中因添加了紫薯粉，使得体系中淀粉含量相应提高，淀粉在过量水分存在的条件下受热，可充分润胀，这种润胀通常伴有淀粉颗粒的吸水、颗粒体积的膨大等过程[29-30]。随着紫薯粉添加量的提高，炼乳体系中淀粉含量增大，不断增多的糊化紫薯淀粉颗粒膨胀力发挥作用，使得体系形成更加致密的网络结构，从而使炼乳出现硬度和黏性增强、固态特征显现的流动行为。

图7 炼乳体系电镜扫描图Fig.7 Scanning electron microscope images of condensed milk system

3 结论

紫薯炼乳表现为假塑性流体，在低剪切速率下表现为剪切增稠行为，在高剪切速率下表现为剪切变稀行为，且其流动行为符合流变学的Power Law模型。触变测试表明，紫薯炼乳具有一定的触变性，且随着紫薯粉添加量的提高，炼乳触变性越强；紫薯粉添加量高于1.5%后触变环面积显著增大，紫薯炼乳的贮藏稳定性下降。动态黏弹性测试表明紫薯粉添加量高于1.5%时，炼乳的储能模量G′开始大于损耗模量G″，此时炼乳体系表现出固体的特征。质构分析表明，不同紫薯含量的炼乳在贮藏期内均会发生浓稠度增大、黏性指数增大的现象。微观组织结构也可以看出，紫薯粉的添加可使炼乳内部结构更加致密平滑。综合考虑可知，紫薯粉添加量小于1.5%时，紫薯炼乳的质构、组织结构和流变行为更适宜涂抹、调配的加工处理，且在20 ℃下贮藏5个月稳定性良好；紫薯粉添加量大于1.5%时，紫薯炼乳的质地较硬、口感致密，流变行为偏固态，更适宜应用于塑性食品或固态食品的加工中。