基于Arrhenius模型预测无乳糖超高温乳的货架期

贾凌云,胡志和,程凯丽,赵旭飞,肖厚栋,丁新宇

(天津商业大学天津市食品生物技术重点实验室,天津 300134)

由于牛奶中的蛋白质、碳水化合物、脂质及矿物质等营养成分均衡,因此,在人类日常饮食中占有重要地位。其中,超高温灭菌乳(UHT乳)由于其杀菌彻底,保质期长等特点成为我国消费奶制品的主要形式之一。随着人们对乳糖不耐症的关注越来越高,无乳糖UHT乳也逐渐受到人们的欢迎[1]。目前,市场上透明袋装的UHT乳受到消费者的青睐,其包装简单具有软、薄、透明度高等特点,保质期一般在1～3个月。市场上超高温灭菌(UHT)乳是采用138 ℃、4 s的加工工艺,能够达到商业无菌水平。因此,微生物已经不是UHT乳变质的主要原因。大量资料表明,UHT乳的保质期主要与其感官特性的变化有关,而在加工及储藏过程中具有热稳定性的酶[2]所产生的氧化反应[3]、蛋白质水解[4,5]、脂肪水解[6]、美拉德反应[7-12]等是导致UHT乳感官品质发生变化的主要原因。氧化反应及美拉德反应等会造成牛乳中营养物质的损失,造成牛奶的变色[13-14]及蒸煮、焦香等味道的产生[15-16],而蛋白质水解及脂肪水解则会产生游离氨基酸、脂肪酸,形成异味或异味的前体物[17-18]。因此,UHT乳的感官品质是UHT乳保质期最直接的判断标准。

目前,UHT乳货架期模型的建立一般采用检测UHT乳的乳蛋白水解度、脂肪水解度、酒精稳定性等[19-23]理化指标间接预测货架期,不能准确判断UHT乳的感官品质变化。随着现代感官检测技术的发展,利用电子眼、电子鼻、电子舌技术,对食品的色泽、滋味、气味进行检测,不仅能够准确模拟人类对食物的感官感受,还能够避免因主观因素造成的实验误差。目前,国内外已有人利用电子鼻、电子舌技术建立青稞格瓦斯[24]、苹果[25]等产品的货架期预测模型。但是综合利用电子眼、电子鼻和电子舌技术,结合货架期加速实验(ASLT),建立无乳糖UHT乳货架期预测模型的研究较少。

本研究利用电子鼻、电子舌、电子眼技术检测感官指标变化,结合阿伦尼乌斯公式(Arrhenius)建立无乳糖UHT乳货架期预测模型,为无乳糖UHT乳的生产和销售提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

海河简单包装(透明塑料袋)纯牛奶(保质期45 d) 天津海河乳业有限公司;乳糖酶(活力4000 U/g) 天津海河乳业有限公司。

IRIS VA400电子眼、HeraclesⅡ电子鼻、Astree电子舌 法国Alpha M.O.S公司;JWO-UHT20T实验型超高温杀菌机 上海积自动化设备有限公司;Bayer LactoMonitor乳糖检测仪 美国拜安捷公司。

1.2 实验方法

1.2.1 无乳糖UHT乳的制备 实验采用先杀菌后加乳糖酶水解工艺进行实验[26],在无菌条件下,将138 ℃、4 s下杀菌制作的UHT乳冷却至常温后,添加乳糖酶400 U/Kg,25 ℃下水解8 h,得到无乳糖UHT乳。有研究表明,UHT乳货架期试验温度应置于37 ℃以下[27],故而本试验采用37、27、4 ℃贮藏。

1.2.2 不同贮藏温度对无乳糖UHT乳感官指标的影响 将置于37、27、4 ℃下避光贮存的无乳糖UHT乳每3 d使用电子眼、电子鼻、电子舌检测一次色泽、气味、滋味的变化。

1.2.3 测定方法

1.2.3.1 乳中乳糖含量检测 使用Bayer Lacto Monitor乳糖检测仪每隔1 h检测乳中乳糖的残留量。每个样品重复三次,取平均值。

1.2.3.2 电子眼的测定 将样品倒入透明培养皿中,使用黑色背景板在校准过的IRIS VA400电子眼中进行拍照,每个样品重复四次。使用Alpha Soft V14.2进行图片处理及数据分析。

1.2.3.3 电子鼻的测定 精确称取(7.0±0.005) g样品于30 mL顶空瓶中,使用Heracles Ⅱ电子鼻进行检测,检测参数为50 ℃下孵化20 min振荡速度为500 r/min。进样量5000 μL,注射速度125 μL/s,进样口温度为200 ℃、压力10 kPa、流速30 mL/min、注射时间45 s。每个样品重复四次,用Alpha Soft V14.2进行数据处理。

1.2.3.4 电子舌的测定 将无乳糖UHT乳的乳样置于Astree电子舌专用测试杯中,采用PKS(通用型)、CPS(通用型)、AHS(酸)、CTS(咸)、NMS(鲜)、ANS(甜)、SCS(苦)七根传感器进行滋味的检测,每个样品重复四次。使用Alpha Soft V14.2进行数据处理。

1.2.4 无乳糖UHT乳货架期预测 利用电子眼、电子舌、电子鼻测定得到的感官数据,结合阿伦尼乌斯公式模型构建无乳糖UHT乳货架期模型,并进行验证。

1.3 数据处理

使用Origin 8.0及Excel软件进行图表数据处理分析,使用Alpha Soft V 14.2进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 无乳糖超高温灭菌乳色泽的变化

图1A为37 ℃下避光贮存的无乳糖UHT乳色泽变化。在实验条件范围内,贮存1～24 d,无乳糖UHT乳中4095号(白色)为主色号(占比均大于85%);在24～60 d,无乳糖UHT乳色泽发生显著变化(P<0.05),4094(黄白色)色号成为主色号(占比均大于50%)。另外,在贮存42 d时,产生4077(淡黄粉色)色号(占比为42.58%),但在随后的贮存期间(42～60 d),该色号逐渐减小。

当无乳糖UHT乳在27 ℃下避光贮存时(图1B),到贮存33 d,4095色号为主色号(占比均大于90%),之后,色泽发生显著变化;在贮存36～42 d时,4094色号与4095色号在色泽中的占比相差不大;在45～60 d,4094色号成为主色号(占比大于75%)。当无乳糖UHT乳在4 ℃下避光贮存时(图1C),4095(白色)色号在贮存的60 d里无显著变化。

图1 无乳糖UHT乳色泽随贮存时间变化

无乳糖UHT乳随贮存时间增长,色泽逐渐加深的现象,可能与无乳糖UHT奶在贮存过程中缓慢进行美拉德反应[14]以及脂肪及蛋白质水解有一定的关系。温度提高,乳糖水解为葡萄糖、半乳糖均会促进美拉德反应的进行[28],造成颜色越来越深。而UHT乳中具有热稳定的脂肪酶[29]及蛋白酶[28]水解脂肪及蛋白质对UHT乳的色泽也存在影响。比较可知,低温贮存有助于牛奶颜色的保持。

图2为不同贮存温度下的无乳糖UHT乳色泽主色号4095(白色)在牛乳中的占比与贮存时间的关系。随贮存时间的增长,4095色号在牛乳中的占比逐渐下降。其中,37 ℃下贮存的无乳糖UHT乳中4095色号占比下降速率最快,贮存24 d时,4095色号的占比由96.83%降至80.23%;贮存27 d时,4095色号占比骤然下降至32.32%;至贮存42 d时,4095色号占比已降至0%。27 ℃下贮存的无乳糖UHT乳,贮存33 d时,4095色号占比为89.71%,36 d时,4095色号占比骤降为57.12%,到贮存60 d时,4095色号占比已降为1.94%。4 ℃贮存的无乳糖UHT乳4095色号占比下降速率最慢,贮存期间,4095色号占比在93.62%～83.8%之间,色号占比未出现骤降现象。故而随着贮存温度的升高,4095色号占比下降速率加快。因此,4095色号可作为限制性因子之一,用于建立Arrhenius模型。

图2 不同贮存温度下无乳糖UHT乳4095色号的变化

2.2 无乳糖超高温灭菌奶滋味的变化

滋味是由多种基本滋味混合而成,包括苦味、甜味、鲜味、咸味、酸味等基本滋味。为保证贮存初期五种基本滋味数据的准确性,取贮存1～3 d乳的滋味信号强度的平均值作为无乳糖UHT乳五种基本滋味的初始强度。随着贮存时间的增加(图3A),不同贮存温度下的无乳糖UHT乳中的苦味逐渐增加,37 ℃下贮存的无乳糖UHT乳在贮存24 d及之后的苦味与贮存1～3 d的苦味存在显著性差异(P<0.05);27 ℃下贮存的无乳糖UHT乳在贮存27 d及之后的苦味与贮存1～3 d的苦味存在显著性差异(P<0.05);而4 ℃下贮存的无乳糖UHT乳中的苦味随然随着贮存时间的增加有所增长,但没有显著性差异(P>0.05)。这与无乳糖UHT乳中残留的耐热性蛋白酶能水解蛋白质形成具有苦味的短肽及氨基酸有关,且随着贮藏温度的升高,蛋白酶活性增加,苦味增加速率越快[4]。

不同贮存温度的无乳糖UHT乳随贮存时间的增加咸味逐渐增强(图3B),37 ℃下贮存的无乳糖UHT乳中的咸味增长速率最大,到贮存21 d及之后,咸味已经与贮存1～3 d的无乳糖UHT乳中的咸味存在显著性差异(P<0.05);27 ℃下贮存的无乳糖UHT乳在36 d及之后,咸味与1～3 d乳的咸味开始出现显著性差异性(P<0.05);而4 ℃下贮存的无乳糖UHT乳中的咸味则在贮存期间没有显著性差异(P>0.05)。咸味的变化可能与牛乳中的氯化物等离子有一定的关系[30],但具体原因还需进一步研究。

随着贮存时间的增加,甜味的信号强度逐渐降低(图3C),贮存24 d及之后,37 ℃下贮存的无乳糖UHT乳的甜味与1～3 d乳的甜味强度出现显著性差异(P<0.05);27 ℃下贮存的无乳糖UHT乳中的甜味在贮存36 d及之后与1～3 d乳的甜味产生显著性差异(P<0.05);而4 ℃下贮存的无乳糖UHT乳中的甜味在贮存期间没有显著性差异(P>0.05)。这是由于牛乳中的甜味不仅与牛乳中的葡萄糖、乳糖有关,还与牛乳中甜味的游离氨基酸有关。

不同温度(37、27、4 ℃)下贮存的无乳糖UHT乳的鲜味强度随贮存时间变化见图3D中。37 ℃下贮存的无乳糖UHT乳在21 d及之后鲜味强度与贮存1～3 d乳的鲜味强度存在显著性差异(P<0.05);27 ℃下贮存的无乳糖UHT乳在36 d及之后与贮存1～3 d乳的鲜味强度存在显著性差异(P<0.05);而4 ℃下贮存的无乳糖UHT乳的鲜味强度在贮存期间没有显著变化(P>0.05)。鲜味与牛乳中谷氨酸、天冬氨酸等味觉氨基酸的含量有关[31],谷氨酸、天冬氨酸的含量越高,鲜味强度越高。

图3 不同贮存温度下无乳糖超高温灭菌乳气味变化

不同温度(37、27、4 ℃)下贮存的无乳糖UHT乳的酸味强度随贮存期间的变化见图3E。37 ℃下贮存的无乳糖UHT乳在贮存18 d及之后与贮存1～3 d乳的酸味强度存在显著性差异(P<0.05);27 ℃下贮存的无乳糖UHT乳在贮存24 d及之后与贮存1～3 d乳的酸味强度存在显著性差异(P<0.05);4 ℃下贮存的无乳糖UHT乳的酸度强度在贮存期间没有显著性变化(P>0.05)。酸味的产生与牛奶中耐热性脂肪酶分解脂肪有关,其最适反应温度在30～50 ℃之间[32],故而37 ℃下贮藏的UHT乳酸味最早出现显著性差异的原因[31]。

2.3 无乳糖超高温灭菌乳气味的变化

UHT乳的气味主要由乳品中的蛋白质、脂肪、乳糖等物质降解及相互反应生成的酸类、醛类、醇类、酯类以及芳香类化合物组成[33],UHT乳中影响牛乳气味的物质较多,反应较为复杂。早在1980年H T Badings[34]等已经发现有58种化学物质对UHT乳的气味有影响。王万厚[35]等对UHT乳中挥发性成分的检测更高达74种,逐个分析较为困难,故而采用主成分分析(PCA)的方式对不同贮存温度和时间的无乳糖UHT乳进行分析。由图4～图6分别为37、27、4 ℃下贮存的无乳糖UHT乳气味的PCA图,由Alpha Soft V14.2系统分析处理的PCA图中,当主成分1与主成分2之和大于80%,且识别指数小于80时,表明图中样品之间不存在显著性差异,而由图4～6可知,3个图中的识别指数分别为-55、-18、-83,均小于80,故不同贮存温度下的无乳糖UHT乳在60 d的贮存期中气味没有显著性差异。贮藏期中气味没有显著性差异的原因还需进一步研究。

图4 37 ℃贮存的无乳糖超高温灭菌乳气味变化PCA图

图5 27 ℃贮存的无乳糖超高温灭菌乳气味变化PCA

图6 4 ℃贮存的无乳糖超高温灭菌乳气味变化PCA

2.4 基于Arrhenius模型无乳糖超高温灭菌奶货架期模型建立

通过对不同贮存温度下无乳糖UHT乳中4095色号占比的倒数,苦味强度、咸味强度、甜味强度、鲜味强度、酸味强度的对数与贮存时间,采用Arrhenius一级反应方程进行拟合,即

A=A0ekt

式(1)

式中:A:食品贮存t天时的品质;A0:食品的初始品质;k：食品变化速率常数;t：食品贮存天数,d。

式(1)取对数,可得式(2)

lnA=lnA0+kt

式(2)

将不同温度下,贮存不同时间的无乳糖UHT奶的色泽、苦味、咸味、鲜味、甜味、酸味等指标带入式(2),通过图2、图3拟合曲线,绘制图形(图7),可计算出不同温度下各指标的k值,同时,通过相关系数(R值)选择利用Arrhenius公式建立预测模型的限制性因子。

图7 不同贮存温度下色泽、滋味与贮存时间的关系

根据图7,拟合一级反应公式,所得方程、k值和相关系数(R2)见表1,不同贮存温度下贮存时间与无乳糖UHT乳中4095色号占比的倒数、苦味强度、咸味强度的对数使用一级反应方程式拟合的R2较为稳定。图7A中37、4 ℃贮存温度下色泽与贮存时间之间的关系具有较高的相关性(R2>0.9);而贮存温度为27 ℃时,色泽与贮存时间所拟合的一级反应方程的R2为0.75。而无乳糖UHT乳中苦味强度、咸味强度的对数与贮存时间之间拟合的一级反应方程中的R2均大于0.9,具有很高的相关性(图7B、图7C);无乳糖UHT乳中鲜味、甜味、酸味强度的对数与贮存时间之间拟合的一级反应方程的R2不稳定,不适合作为无乳糖UHT乳保质期预测模型的限制因子。图8为无乳糖UHT乳中酸、甜、苦、咸、鲜五种滋味在电子舌模拟人体滋味受体得到的滋味感受强度,12为感受强度最高,0为感受强度最低。由图8可知,相对于其他滋味,苦味在电子舌的感受中最为强烈,故而,选择苦味的变化作为滋味的代表。

表1 不同贮存温度下色泽及滋味强度与贮存时间的关系

图8 不同贮存时间和温度下无乳糖UHT乳滋味雷达图

阿伦尼乌斯经验公式即化学反应速率指数定律,能够反应化学反应速率与温度的变化关系,故可通过对Arrhenius公式的分析得到温度与食品变化的速率常数k。

式(3)

式中:k:食品变化速率常数;k0:指前因子;Ea:活化能,J/mol;R:气体常数,3.814 J/mol;T:开氏温度,K。

以T与lnk做线性关系,即可求到Ea与k0的值。带入公式(2)中从而求得理论上的贮存时间。

将通过色泽、苦味方程得到的不同温度下的k取对数作为纵坐标,以贮存开氏度的倒数为横坐标,做图(图9、图10),根据斜率和截距可得到Ea、k0(表2),以1～3 d得色泽、苦味的平均值为A0,即得到色泽的动力学模型为:

表2 色泽及滋味为限制因子得到的Ea与k0的值

图9 色泽变化的阿伦尼乌斯曲线

图10 苦味强度变化的阿伦尼乌斯曲线

式(4)

苦味的动力学模型为:

式(5)

2.5 货架期模型的验证

分别以色泽、苦味为限制因子,利用Arrhenius公式构建得到的货架期模型(式4和式5),通过计算在37、27 ℃下得货架期并与实际货架期相比较(表3)。以色泽为限制因子,在37、27 ℃下得到的预测货架期与实际检测得到的货架期之间的相对误差分别为0%、6.1%。以苦味为限制因子,在37、27 ℃下得到的预测货架期与实际检测得到的货架期之间的相对误差分别为9.5%、12.5%。以色泽及苦味为限制因子建立的货架期模型相对误差较小,均能够有效的预测无乳糖UHT乳在4～37 ℃下的货架期。以色泽、苦味为限制因子的货架期模型计算4 ℃下贮存的无乳糖UHT乳的货架期,分别为88、71 d。两者相差较大,这表明色泽的品质受贮存温度的影响较大,当贮存温度较低时,滋味的品质变化会快于色泽品质的变化。因此,选择以苦味为限制因子的货架期模型为最终货架期模型。

表3 货架期模型验证

3 结论

采用电子鼻、电子舌、电子眼检测简单包装无乳糖UHT,在4～37 ℃之间贮藏时,其滋味及色泽随着贮存时间的增长而发生显著性变化(P<0.05),气味无显著性的变化(P>0.05)。综合感官指标并结合ASLT加速实验,构建简单包装无乳糖UHT乳的货架期模型,以苦味为限制因子,用阿伦尼乌斯公式(Arrhenius)拟合无乳糖UHT乳货架期模型为;利用该公式预测在4 ℃下避光贮存的简单包装无乳糖UHT乳货架期为71 d。