抹茶牛奶饮料配方优化

刘 媛,贾志磊,李启明,*,刘绒梅,段雪梅,丁 顺,陈 龙

(1.新希望乳业股份有限公司,四川成都 610011;2.新希望乳业股份有限公司,乳品营养与功能四川省重点实验室,四川成都 610011)

抹茶起源于中国隋唐,相比普通绿茶粉,抹茶粉对原料、工艺有着更严格的要求,而且生产更加费时费力[1]。为了保证茶叶的鲜亮和鲜嫩,茶叶采摘前20 d必须搭盖棚架进行覆盖遮阳[2]。研究表明,遮阳措施会直接影响茶叶的香气和品质[3-4]。抹茶具有原质、原色、原味、清香、清口,略带青草气,最大限度的保留茶叶中所有的活性物质等特点[6]。抹茶颗粒的细度比普通绿茶粉要细2～20倍[5,7]。因此,抹茶颗粒能够很好的在水中悬浮,长时间不沉淀。抹茶中含有的咖啡碱和L-茶氨酸的含量分别是普通绿茶的2倍和4倍[8-10]。抹茶中含有的茶多酚能保护和修复抗氧化系统,增强机体免疫力,预防癌症,抵抗衰老[11]。另外,抹茶还具有改善视力、预防龋齿和高血压、降血脂等功效[5,12]。抹茶被广泛应用于食品、饮料、保健品和化妆品等诸多领域[13-14],深受消费者追捧。

抹茶牛奶饮料结合了抹茶和牛奶的双重营养特性,良好的风味和翠绿的色泽,在街边即饮店深受消费者喜爱。但工业化生产工序中,如浸提、高温杀菌、热灌装容易造成多酚物质和叶绿素的破坏,易出现褐变导致营养流失[15]。在高温和光线照射下,叶绿素分子结构中的镁原子被氢等原子取代,进一步形成褐色物质[16]。此外,茶多酚及其氧化物的羟基与咖啡因的羰基通过氢键结合形成大分子化合物而产生沉淀。从而导致产品在货架期内出现变色和稳定性差等问题[17]。

本试验采用抹茶和奶粉为主要原料,依据王国宇等[1]模糊数学分析法对不同抹茶原料的冲调工艺和风味进行筛选。通过单因素和响应面试验对抹茶牛奶饮料配方进行研究,并结合稳定性试验,为抹茶牛奶饮料产品工业化生产,提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

抹茶Ⅰ号样(XXW-605) 茗叶食品(上海)有限公司;抹茶Ⅱ号样(XXW-617) 怡程食品(上海)有限公司;抹茶Ⅲ号样(XXW-621) 成都志合恒达商贸有限公司;全脂奶粉、脱脂奶粉 新西兰恒天然集团;稀奶油 雀巢有限公司;复配增稠稳定剂XXW-219(微晶纤维素、单,双甘油脂肪酸酯、结冷胶、羧甲基纤维素钠) 丹尼斯克(中国)有限公司;叶绿素铜钠盐 食品级，德乐食品饮品配料(上海)有限公司;食用盐、白砂糖、磷酸氢二钠、维生素C、葡萄糖酸锌 市售。

AR1140/C分析天平 奥豪斯仪器(上海)有限公司;JA5002电子天平 上海浦春计量仪器有限公司;RW20搅拌桨 艾卡(广州)仪器设备有限公司;UPT-Ⅱ-10T纯水机 深圳市优普特科技有限公司;NS2002H均质机 基伊埃技术设备(上海)有限公司;FE20 pH计 梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司;TF-AS1超高温杀菌机 上海沃迪科技有限公司;SPX-150BSH-Ⅱ生化培养箱 上海新苗医疗器械制造有限公司;LUMiSizer612稳定性分析仪 德国LUMi公司。

1.2 实验方法

1.2.1 抹茶牛奶饮料制作工艺流程

1.2.2 关键操作点 20% RO水调节至一定温度,加入一定量的抹茶粉,0.01%的维生素C,0.005%的叶绿素铜钠盐和0.012%的葡萄糖酸锌,充分搅拌分散,浸泡30 min,调节茶汤pH至7.0,200目过滤。50% RO水升温至50 ℃,搅拌溶解一定量的奶粉,静置水合30 min,水合完成后升温至55～60 ℃,高剪溶解一定量的白砂糖和稳定剂以及0.01%的食盐,加入一定量的稀奶油。茶汤与奶粉溶液搅拌混匀,定容,调节pH至7.0。经均质(18～20 MPa,60～65 ℃),超高温杀菌(139 ℃,4 s),无菌灌装。

1.2.3 抹茶原料筛选 不同抹茶所呈现的茶汤色泽、风味直接影响着产品的品质,筛选合适的抹茶原料极其重要。GB/T 34778《抹茶》中对抹茶感官品质进行了分级,本试验选用三款原料,参考王国宇等[1]模糊数学法,选定10名食品专业感官品评从业人员作为评定小组,对抹茶的香气、色泽、口感、形态4个因素感官评定[21],感官评价标准见表1。

表1 抹茶感官评价标准Table 1 Sensory evaluation standard of matcha

1.2.4 抹茶粉冲调温度筛选 抹茶粉的冲调温度和工艺直接影响着茶汤风味和色泽,甚至影响产品货架期稳定性。本实验选用不同温度(20、40、60、80 ℃)的RO水冲调抹茶粉,抹茶粉与水的质量比为1∶20,通过感官品评表1和稳定性观察,确定抹茶冲调温度。

1.2.5 单因素实验

1.2.5.1 全脂和脱脂奶粉添加比对饮料感官评价的影响 为保证饮料的蛋白含量为2.0 g/100 g,全脂奶粉的添加量为1%、2%、3%、4%和5%时,脱脂奶粉的加入量为5.2%、4.5%、3.8%、3.1%和2.4%。全脂和脱脂奶粉添加比为1∶5.2、2∶4.5、3∶3.8、4∶3.1、5∶2.4,白砂糖添加量6%,抹茶添加量0.8%,稀奶油添加量0.5%,复配增稠稳定剂添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.2 白砂糖添加量对饮料感官评价的影响 添加不同量的白砂糖(2%、4%、6%、8%、10%),全脂和脱脂奶粉添加比为4∶3.1,蛋白含量为2.0 g/100 g,抹茶添加量0.8%,稀奶油添加量0.5%,复配增稠稳定剂添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.3 抹茶添加量对饮料感官评价的影响 添加不同量的抹茶(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%),全脂和脱脂奶粉添加比为4∶3.1,蛋白含量为2.0 g/100 g,白砂糖添加量6%,稀奶油添加量0.5%,复配增稠稳定剂添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.4 稀奶油添加量对饮料感官评价的影响 添加不同量的稀奶油(0.10%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%),全脂和脱脂奶粉添加比为4∶3.1,蛋白含量为2.0 g/100 g,白砂糖添加量6%,抹茶添加量0.8%,复配增稠稳定剂添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.5 复配增稠稳定剂添加量对饮料感官评价的影响 添加不同量的复配增稠稳定剂(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%),全脂和脱脂奶粉添加比为4∶3.1,蛋白含量为2.0 g/100 g,白砂糖添加量6%,抹茶添加量0.8%,稀奶油添加量0.5%,pH7.0。

1.2.6 响应面试验 在单因素实验的基础上,根据饮料配方设计的蛋白质和脂肪的含量,确定全脂奶粉和脱脂奶粉添加比和稀奶油添加量,对其余3个因素利用响应面分析法对饮料感官评价进行进一步的优化。根据Box-Behnken试验设计原理[22],选取白砂糖添加量(A)、抹茶添加量(B)、复配增稠稳定剂添加量(C)3个因素为自变量,以感官评价分数为响应值(Y),进行3因素3水平的响应面试验分析,试验因素与水平设计见表2。

表2 响应面因素与水平表Table 2 Factors and levels of response surface

1.2.7 饮料感官品评标准 10位食品专业感官品评员分别对饮料组织状态(20分)、色泽(20分)、气味(20分)、口感(20分)和喜爱度(20分)进行打分,感官评价标准如表3。

表3 抹茶牛奶饮料感官评价标准Table 3 Sensory evaluation standards of matcha milk beverage

1.2.8 产品质量指标 利用最优配方制作抹茶牛奶饮料，将其采用139 ℃，超高温杀菌4 s进行相关指标测定。

1.2.8.1 蛋白质测定测定 凯氏定氮法测定产品中蛋白质含量,平行测定3次,取平均值。

1.2.8.2 pH测定 在室温下,将pH计校正后,在20 ℃下测定样品的pH,平行测定3次,取平均值。

1.2.8.3 固形物测定 在室温下,先对手持式糖度计进行调零,测定样品的固形物含量,平行测定3次,取平均值。

1.2.8.4 菌落总数及大肠杆菌测定 分别按照GB 4789.2-2016 菌落总数、GB 4789.3-2016 大肠菌群计数进行测定。

1.2.8.5 稳定性检测 抹茶牛奶饮料采用139 ℃ 4 s超高温杀菌,将制作好的样品在常温25 ℃下保存24 h后,使用Lumisizer稳定性分析仪分析测试产品的状态,测定参数为温度25 ℃,离心速度4000 r/min,照射光源为870 nm,每15 s获取一次数据，得到透射图。通过得到的透射图来分析样品的稳定性。在4 ℃冰箱、25 ℃常温和37 ℃烘箱分别各放置30瓶样品,每周进行一次稳定性观察,并随机抽取3瓶样品进行品评。

1.3 数据处理

采用Origin 8.0进行单因素实验数据的处理并作图,Design Expert 8.0.6软件设计响应面实验方案并进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 抹茶原料筛选

3款抹茶原料的感官评定结果如表4,表中的数值表示选择相应等级的人数。通过归一化处理得到3款抹茶样品的模糊矩阵结果如下:

表4 三款抹茶样品的感官评级Table 4 Sensory evaluation of three types of matcha samples

依据模糊变换原理:B=P×Rj,其中P为权重集,R为模糊矩阵;分别对三款抹茶原料进行综合评价。

如Ⅰ号样品为:

同理:B2=(0.24,0.28,0.48);B3=(0.24,0.22,0.54),对于结果排列分别为差、中、好,根据最大隶属度原则,3款抹茶原料等级都属于好。但由于Ⅰ号样品峰值(0.66)最高,Ⅲ号样品(0.54)次之,Ⅱ号样品(0.48)最低,所以三个抹茶样品优劣顺序依次为B1>B3>B2,因此本试验选用Ⅰ号抹茶样品为原料。

2.2 抹茶冲调温度筛选

选用Ⅰ号抹茶原料,RO水在不同温度下(20、40、60、80 ℃)用于冲泡茶粉,感官评定结果见表5。依据模糊变换原理:B20 ℃=(0.16,0.32,0.52);B40 ℃=(0.26,0.32,0.42);B60 ℃=(0.34,0.38,0.28);B80 ℃=(0.36,0.48,0.16)。对于结果排列分别为差、中、好,根据最大隶属度原则,20和40 ℃的评价结果属于好,60和80 ℃评价结果属于中,四个不同温度下的感官评定结果好坏顺序依次为B20 ℃>B40 ℃>B80 ℃>B60 ℃,因此本实验选用20 ℃冲调抹茶粉。

表5 抹茶粉冲调温度的感官评价Table 5 Sensory evaluation of different mixing temperature of matcha powder

2.3 单因素实验结果

2.3.1 全脂和脱脂奶粉添加比对饮料感官评价的影响 由图1可以看出,随着全脂和脱脂奶粉添加比逐渐增大,整体感官评分逐渐增加,当添加比为3∶3.8时，对饮料感观评分无显著影响。当添加比超过4∶3.1时,整体感官评分开始下降。奶粉的添加量不足时,饮料的茶香味重,而奶香味不足。奶粉添加过量,饮料的奶香过于醇厚,茶香不明显[23]。适宜的比例使饮料的奶香和茶香融合,香味醇厚。因此,确定最佳的全脂和脱脂奶粉添加比为4∶3.1。

图1 全脂和脱脂奶粉添加比对饮料感官评分的影响Fig.1 Effect of whole-to-skimmed milk powder ratio on beverage sensory evaluation

2.3.2 白砂糖添加量对饮料感官评价的影响 由图2可知,随着白砂糖添加量的增大,整体感官评分逐渐增大,当添加量超过6%时,感官评分逐渐降低。白砂糖添加量较低时会导致饮料的甜味不足,香味无法充分释放,饱满度欠缺。白砂糖添加过量,饮料甜味过甜,口感甜腻[23]。本实验中,随着白砂糖添加量的增加,饮料感官评分变化明显,故仍需通过下一步响应曲面法进行优化,暂选白砂糖添加量区间为4%～8%。

图2 白砂糖添加量对饮料感官评分的影响Fig.2 Effect of sugar content on beverage sensory evaluation

2.3.3 抹茶添加量对饮料感官评价的影响 从图3可以看出,随着抹茶添加量的逐渐增加,整体感官评分呈现增加趋势,当添加量超过0.8%时,感官评分开始下降。抹茶的添加量主要影响饮料的色泽和茶香味,添加量不足时,饮料的颜色较浅,且茶香味较弱,添加过量时,饮料的茶香味浓郁,奶香味不明显[23]。因此,需通过响应面法进行下一步的优化,暂选抹茶的添加量为0.6%～1.0%。

图3 抹茶添加量对饮料感官评分的影响Fig.3 Effect of matcha content on beverage sensory evaluation

2.3.4 稀奶油添加量对饮料感官评价的影响 由图4可知,随着稀奶油添加量的增加,饮料的感官评分增加，当稀奶油的添加量为0.5%时达到最高感官评分,添加量大于0.5%对饮料感官评分影响不明显。稀奶油的添加使饮料的口感细腻顺滑,奶味醇香。综合考虑成本等因素,确定适宜的稀奶油添加量为0.5%。

图4 稀奶油添加量对饮料感官评分的影响Fig.4 Effect of dilute cream content on beverage sensory evaluation

2.3.5 复配增稠稳定剂添加量对饮料感官评价的影响 从图5可以看出,随着稳定剂添加量逐渐增加,感官评分呈递增趋势,当稳定剂添加量达到0.2%时,感官评分最大,之后评分开始明显下降。复配增稠稳定剂的添加量对饮料的顺滑度、稠厚度以及整体风味的饱满度等方面影响明显[24]。因此,复配增稠稳定剂的添加量仍需进一步优化确定,暂选添加量为0.15%～0.25%。

图5 复配增稠稳定剂添加量对饮料感官评分的影响Fig.5 Effect of complex thickening stabilizer content on beverage sensory evaluation

2.4 抹茶牛奶饮料制作配方的响应优化

2.4.1 模型方程建立与显著性检验 根据单因素实验的结果,白砂糖、抹茶及复配增稠稳定剂的添加量对饮料感官评价影响明显。因此,选用响应面分析法对抹茶牛奶饮料的制作工艺进行进一步优化。试验设计方案及结果见表6。

表6 响应面分析及结果Table 6 Results of response surfaces experiments

通过响应曲面法以感官评分(Y)为响应值,以白砂糖添加量(A)、抹茶添加量(B)、复配增稠稳定剂添加量(C)为自变量,对试验结果进行线性拟合分析,得到各变量方差分析如表7所示。得到拟合方程Y=85.70+1.70A+0.90B-2.80C-1.05AB+1.45AC+1.55BC-8.48A2-5.77B2-7.68C2。

表7 回归方差分析表Table 7 Analysis of results of regression and variance

2.4.2 交互作用影响结果 从图6～图11中可直观看出，各因素之间的交互作用均呈现先上升后下降的抛物线型关系，说明两两交互均对产品的感官评分有较大的影响。

图6 白砂糖和抹茶的交互项响应面图Fig.6 Response surface of sugar and matcha

图7 白砂糖和抹茶的等高线图Fig.7 Contour lines of sugar and matcha

图8 白砂糖和复配增稠稳定剂的交互项响应面图Fig.8 Response surface of sugar and complex thickening stabilizer

图9 白砂糖和复配增稠剂的等高线图Fig.9 Contour lines of sugar and complex thickening stabilizer

图10 抹茶和复配增稠稳定剂的交互项响应面图Fig.10 Response surface of matcha and complex thickening stabilizer

图11 抹茶和复配增稠稳定剂的等高线图Fig.11 Contour lines of complex thickening stabilizer and matcha

通过回归模型的分析,以感官评分为评价指标,白砂糖、抹茶、复配增稠稳定剂的最适添加量分别为:6.16%、0.81%、0.19%。在此条件下,模型预测的感官评分为86.0分。为了检验响应曲面的可行性,对分析得到的最优添加进行试验验证,进行3组平行试验,得到感官评价平均值为85.1分,相对偏差为1.08%,实际值与理论值基本相符,说明模型对抹茶牛奶饮料的制作工艺的优化可靠可行,具有一定的实用价值。

2.5 产品理化指标及微生物检测结果

在139 ℃ 4 s的条件下进行超高温杀菌,检验理化及微生物指标。抹茶牛奶饮料中菌落总数和大肠菌群符合GB 7101-2015《食品安全国家标准 饮料》。抹茶牛奶饮料的固形物含量为12.5%,pH为6.85。蛋白质含量为2.0 g/100 g,符合GB/T 21732-2008《含乳饮料》国家标准。此外,与市售同类产品对比发现,本产品的蛋白质含量要高于同类产品,与现有科研文献对比,葛云等[23]研制的抹茶液体奶茶,蛋白质含量约为1.6 g/100 g;王国宇等[1]研制的抹茶奶茶固体饮料,蛋白质含量10.3 g/100 g。本研究的液体抹茶牛奶饮料风味饱满且稳定性较好。

2.6 产品感官评定及稳定性检测结果

2.6.1 产品的稳定性状态检测 对样品进行Lumisizer稳定性分析,图谱结果与不稳定系数结果分别见图12和图13。样品管水平放置在仪器中(管顶在中心,管底在外侧),在离心作用下,样品中的沉淀逐渐沉积在管底。从图13可以看出,初始时样品的粒子分布都很均匀,随着离心时间的增加,透光率曲线渐渐开始发生变化,具体表现为底部的透光率比上部的透光率稍大,说明样品中的粒子少量向上移动,但变化程度较小。表明产品的离心稳定性较好,预测在货架期内具有良好的稳定性。

图12 稳定性分析图谱Fig.12 Chromatograms of stability analysis注:横坐标表示样品管的位置: 左侧为样品管顶部,右侧为样品管底部。

图13 不稳定系数随时间变化情况Fig.13 Changes of the instability index with time

2.6.2 不同温度下产品货架期稳定性状态 由表8的观察结果可知,在10周的货架稳定性实验中,4 ℃冰箱和25 ℃常温两个条件下,样品的稳定性整体表现良好,仅出现轻微的析水、脂肪上浮和沉淀情况。37 ℃烘箱中的样品在留样观察的第2～3周出现轻微的析水、脂肪上浮和沉淀,在第6周时开始出现较严重的脂肪上浮,在第9周时开始出现较多的沉淀。

表8 抹茶牛奶饮料的货架稳定性Table 8 Stability of matcha milk beverage

2.6.3 不同温度下产品货架期感官评价 图14的感官评价结果表明,在10周的货架期内,随着留样时间的增加,37 ℃烘箱条件下的样品比常温放置样品的感官评分下降更快,4 ℃冰箱条件下样品的感官评分下降最慢。第10周时,冰箱样品的整体感官评价优于常温和烘箱样品。烘箱样品的色泽由最初的鲜绿色变为暗绿色,茶香味减弱较明显,常温样品仍保持较好的色泽和茶香味。从组织状态和口感的评分来看,烘箱和常温样品的差异较小。总体来讲,根据37 ℃烘箱中样品的稳定性观察和口感品评结果,可以大致推算出产品可以满足6个月的常温保质期。

图14 不同条件下样品的感官评价结果Fig.14 Sensory evaluation results of samples under different conditions

纵观国内外市场上的抹茶牛奶饮品,包装主要是无菌砖、玻璃瓶和PET瓶,保质期多为6～9个月,产品在货架期内仍存在沉淀、脂肪上浮、颜色变化等问题,口感及稳定性并不理想。本实验得到的方案能较好地解决上述问题,产品在货架期内感官和理化指标的稳定性均有良好表现。

3 结论

采用模糊数学法对3款抹茶原料和冲调温度进行感官评定,选取了Ⅰ号样品为试验原料,选择20 ℃作为抹茶粉冲调温度。在单因素实验设计的基础上进行三因素三水平的Box-Behnken响应面实验,建立了响应值和各因素之间的数学模型,依据模型确定抹茶牛奶饮料的最佳配方:全脂奶粉的添加量为4%,脱脂奶粉的添加量为3.1%,白砂糖添加量6.16%,抹茶添加量0.81%,复配增稠稳定剂添加量0.19%,稀奶油添加量0.5%,此时感官评分为85.1分。模型分析和响应面分析表明,该模型回归方程极显著,对实验拟合较好,对于抹茶牛奶饮料配方的优化有一定的参考价值。最后对饮料进行超高温杀菌,微生物检验和理化指标检验结果均符合标准。稳定性检测和口感品评结果表明,产品配方设计可以满足6个月货架期的需求。