莼菜炼乳的配方优化

贾小丽 陈加展 刘 兰 董艺凝

(1.滁州学院 生物与食品工程学院，安徽 滁州 239000；2.雅客食品(滁州)有限公司，安徽 滁州 239000；3.福建农林大学 食品科学学院，福建 福州 350002)

炼乳是一种经过浓缩而形成的乳制品，其加工工艺是将乳品经过加热杀菌，然后溶入一定比例的糖，经浓缩除去部分水分而得到产品。根据炼乳的含糖量不同，可分为甜炼乳、淡炼乳、调制炼乳等；按照原料乳中是否含有脂肪，可分为全脂炼乳和脱脂炼乳；甜炼乳是向牛乳中加入16%左右的蔗糖，利用旋转蒸发仪除去原体积60%左右的水分，使得最终体积占原体积40%的乳制品。经过浓缩得到的炼乳有较高的糖分，渗透压提高，具有一定的抑菌效果，从而延长产品的保藏期[1]。

莼菜(Brasenia schreberi)又名马蹄菜、湖菜，是一种多年生草本植物，多生长于温暖的河流，在我国主要生长于江苏太湖、浙江西湖及湖北省。莼菜干重含有蛋白质24.7%—36.5%，糖类2.54%—8.65%，富含大量的Ca、Fe、Zn等矿物质元素，其中莼菜富集微量元素锌的功能尤为显著，被誉为植物“锌王”，是一种纯天然的补锌野菜。莼菜中还含有多种氨基酸和微量元素，其中以谷氨酸、天门冬氨酸、亮氨酸含量尤为丰富。常食用可以清热、降火、消除水肿，还有促进排毒等保健作用。莼菜粘液含有丰富的可溶性多糖和蛋白质等物质，具有一定的抗癌活性[2]。

本研究将莼菜提取的粘液加入到甜炼乳生产中，研发一款炼乳新产品；利用莼菜粘液来改善甜炼乳的品质，且保留天然植物的保健功效，提高产品的营养价值，产生明显的经济效益和社会效益。

1 材料与方法

1.1 原料与设备

全脂奶粉、莼菜、蔗糖、乳糖；YRE-301旋转蒸发仪、TA.XTplus型物性测试仪、JL-1166型激光粒度分布测试仪等。

1.2 实验方法

1.2.1 生产工艺

(1)莼菜粘液的制备：取莼菜若干，用清水冲洗，置于榨汁机运转1 min，过三层纱布备用；

(2)甜炼乳的制备：

①原料乳预热杀菌：称取14.3g全脂奶粉，加入实验中设定的莼菜粘液添加量和水(保证总体积为100mL，主要是根据牛奶中水的比例推算)置于95℃水浴锅中，加热10min。

②溶糖阶段：加入实验中设定的蔗糖添加量至已预热杀菌的牛奶中，搅拌均匀，使之充分溶解，预热5min之后取出。

③浓缩阶段：将预热杀菌处理得到的牛奶和蔗糖的混合液冷却至57℃左右，然后倒入旋转蒸发仪的烧瓶中，使得样液浸没于恒温55℃的水浴锅中，浓缩30min。

④冷却阶段：经过旋转蒸发所得到的产品用凉水冲洗，迅速降温至20℃左右。

⑤结晶阶段：经过冷却后的产品加入实验设定的乳糖添加量，搅拌15min。然后置于冰箱中冷却结晶8 h,得到最终的产品。

1.2.2 单因素实验

(1)因素一：莼菜粘液添加量

取全脂奶粉14.3g，量取以炼乳终体积为基准的5%、7.5%、10%、12.5%、15%作为莼菜粘液的添加量，加入相应的水(保证粘液和水的体积为100mL)，经过95℃水浴加热10min后，均加入20%的蔗糖水浴加热5min；在相同的浓缩温度下浓缩相同时间，再加入0.04%的乳糖，搅拌15min冷却结晶。测定最终成品莼菜炼乳的粘度和粒度，然后通过比较得出最佳水平的莼菜粘液添加量。

(2)因素二：蔗糖添加量

取全脂奶粉14.3 g和10%的莼菜粘液，然后加入相应的水(保证粘液和水的体积为100mL)，经过95℃水浴加热10min后，分别加入以样液初体积为基准的10%、15%、20%、25%、30%作为蔗糖的添加量，置于水浴中继续加热5min；在相同的浓缩温度下浓缩相同时间，再加入0.04%的乳糖，搅拌15min冷却结晶。测定最终成品莼菜炼乳的粘度和粒度，然后通过比较得出最佳水平的蔗糖添加量。

(3)因素三：乳糖添加量

取全脂奶粉14.3g和10%的莼菜粘液，然后加入相应的水(保证粘液和水的体积为100mL)，经过95℃水浴加热10 min后，均加入20%的蔗糖水浴加热5min。在相同的浓缩温度下浓缩相同时间，最后分别加入以炼乳终体积为基准的0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%作为乳糖的添加量，搅拌15min冷却结晶。测量最终成品莼菜炼乳的粘度和粒度，然后通过比较得出最佳水平的乳糖添加量。

1.2.3 响应面优化实验

利用上述单因素实验得出的每个因素的最佳水平，作为响应面优化实验设计的中心点。运用软件Design-Experter8.0.6设计三因素三水平响应面优化实验，以莼菜炼乳的粘度和粒度作为响应值，确定各个因素在协同效果时的水平[3]。三因素三水平的响应面优化实验各个因素的具体水平，见表1。

表1 实验因素具体水平(Specific level of experimental factors)

2 结果与分析

2.1 单因素最佳水平的确定

2.1.1 莼菜粘液添加量的确定

图1 莼菜粘液添加量与炼乳粘度的关系Fig1 Relationship between the amount of Brasenia schreberi mucus added and the viscosity of condensed milk

图2 莼菜粘液添加量与炼乳粒度的关系Fig2 Relationship between the amount of Brasenia schreberi mucus added and the particle size of condensed milk

当蔗糖添加量为20%，乳糖添加量为0.04%时，分析莼菜粘液添加量对甜炼乳品质的影响。由图1可知，当莼菜粘液小于10%时，随着莼菜粘液添加量的增加，炼乳粘度下降[4]，可能是由于莼菜粘液中含有部分热水溶的水性多糖，在炼乳在95 ℃预热过程中发生溶解，使粘度下降。当莼菜粘液从10%增加到15%，莼菜炼乳的粘度经历先上升后下降的过程。当处于12.5%时所对应的炼乳粘度最大，可能是由于莼菜粘液中水溶性多糖和碱溶性多糖存在一个特定的比例，比例适当时粘度最大，大于或小于这一比例时，粘度都会有所下降。

由图2可知：当莼菜粘液小于7.5%时，随着莼菜粘液添加量的增加，粒度大小呈增长趋势，这可能由于莼菜粘液含量增多，导致产品中含有的杂质增多，使炼乳的粒度增大[5]；当莼菜粘液由7.5%增长到10%时，呈现下降趋势，可能由于乳糖和炼乳发生了较好的融合，形成的晶核数量合适，从而产品的粒度有所下降；当继续增大莼菜粘液的添加量时，炼乳的粒度呈现增长的趋势，主要是由于莼菜粘液增多，经过旋转蒸发除去大量水分，得到粘液较多的终产品，使加入的乳糖未能与粘液发生较好的融合，以至于炼乳未能快速短时间内形成晶状，而是后期自发结晶或结块，因此，导致粒度增大，颗粒感增加。结合上述分析，最终取得莼菜粘液添加量12.5%作为响应面优化实验的中心点，主要由于加入12.5%的莼菜粘液时，炼乳的粘度最大。根据资料显示，粒度小于10μm时，舌感细腻，不会出现粉状或砂感，因此，在合适的粒度范围内。

2.1.2 蔗糖添加量的确定

图3 蔗糖添加量与炼乳粘度的关系Fig3 Relationship between the amount of sucrose added and the viscosity of condensed milk

图4 蔗糖添加量与炼乳粒度的关系Fig4 Relationship between the amount of sucroseadded and the particle size of condensed milk

当莼菜粘液添加量10%，乳糖添加量为0.04%时，分析蔗糖添加量对甜炼乳品质的影响。由上页图3可知，当蔗糖添加量由10%增加到25%时，炼乳的粘度呈现一个上升的趋势，直到增加到一个最大值10.9g，这可能是由于加入的蔗糖充分溶解在液态乳中，使自由水的含量减少，除去相同体积的水，蔗糖含量越高得到的最终产品粘度越高；而当蔗糖含量持续增加，成品炼乳的粘度又开始下降，可能是由于蔗糖含量高到一定程度时，在炼乳冷却结晶的阶段，蔗糖也随之发生结晶现象，不能完全溶解，从而导致粘度下降。

由图4可知，当蔗糖添加量从10%增加到20%时，产品的粒度呈现下降趋势，这个阶段可能由于添加的蔗糖完全溶解，经过旋转蒸发所得到的成品炼乳粒度较小；当蔗糖添加量由20%增加到30%时，粒度也随之逐渐增大，可能是由于冷却结晶过程中，蔗糖晶体重新析出，导致炼乳的粒度增大、颗粒感增加。或由于成品中糖分含量较高，自由水含量减少，所以，使乳糖未能很好地发挥作用，从而导致炼乳的粒度增大，颗粒感增加。结合上述分析，最终取得蔗糖添加量25%作为响应面优化实验的中心点。主要由于加入25%蔗糖时，炼乳的粘度最大，而且粒度小于10μm，在舌感细腻范围内。

2.1.3 乳糖添加量的确定

图5 乳糖添加量与炼乳粘度的关系Fig5 The relationship between the amount of lactose added and the viscosity of condensed milk

图6 乳糖添加量与炼乳粒度的关系Fig6 The relationship between the amount of lactose added and the particle size of condensed milk

当莼菜粘液添加量为10%、蔗糖添加量为20%时，分析乳糖添加量对甜炼乳品质的影响。由图5可知，当乳糖从0.02%增加到0.03%时，炼乳的粘度随之增加，由于乳糖添加量较少，形成的晶核数量不足，炼乳最终会自发冷却结晶、结块，所以，粘度增加；当乳糖添加量继续增加，从0.03%增加到0.04%时，所对应的成品炼乳的粘度呈现下降的趋势，这可能是由于形成的晶核数目较为合理，炼乳在搅拌过程中迅速形成晶状，粘度有所下降；乳糖添加量持续增加，炼乳的粘度又随之增加，这可能是由于乳糖添加较多时，形成了大量的晶核，而炼乳已经快速结晶，但仍然剩余部分晶核，所以，产品自发进行结晶结块现象，使得粘度增加。

由图6可知，当乳糖添加量由0.02%增加到0.03%时，粒度稍许增加，这可能是由于乳糖添加量较少，形成的晶核数量不足，炼乳最终会自发冷却结晶，所以粒度增大；而当乳糖添加量由0.03%增加到0.04%时，粒度降低到最小值4.12μm，这可能由于形成的晶核数目较为合适，炼乳在搅拌过程中迅速形成晶状；而当乳糖添加量继续增加时，炼乳的粒度又呈现增大的状态，这可能是由于乳糖添加量增多，炼乳已经快速结晶，但仍然剩余部分晶核，所以，导致炼乳的粒度增加。综合上述分析，最终选取乳糖添加量为0.03%作为响应面优化实验的中心点，主要由于该点时炼乳的粘度最高，虽然在该组中炼乳的粒度最大为5.31μm，仍在舌感细腻范围内。

2.2 响应面优化实验改善甜炼乳的品质

2.2.1 响应面优化实验设计及结果

根据对单因素实验的分析，得出每个因素的最佳水平，作为响应面优化实验的中心点，设计出三因素三水平的响应面优化实验[6]。具体各个因素的水平如表1、表2所示。其中表1中A表示莼菜粘液添加量12.5%、A-表示10%、A+表示15%；B表示蔗糖添加量25%、B-表示20%、B+表示30%；C表示乳糖添加量0.03%、C-表示0.02%、C+表示0.04%；结合表1和表2进行响应面优化实验，测得莼菜炼乳的粘度和粒度，结果见表2。

表2 响应面优化实验设计(Response surface experiment design)

2.2.2 响应面优化实验结果分析

根据上述响应面优化实验得出的结果[7]，利用Design-Expert8.0.6处理数据，分析后得到的二次回归模型如下：

(1)粘度=+9.62+0.11 * A+0.63 * B+0.16 * C-0.035* A * B+0.34 * A * C-0.038 * B * C-0.18* A2-0.71* B2-0.19 * C2

表3 粘度的回归方程方差分析结果(Regression equation analysis of variance)

由表3粘度回归方程方差分析的结果可以得出，粘度模型P值小于0.01，失拟性检验结果不显著(P=0.838 3>0.05)，在此回归模型中，决定系数R2=0.967 8，模型校正决定系数Radj2=0.926 3，可以说明该回归模型拟合度较好，二次方程模型可靠，可用于分析和筛选出莼菜炼乳的最佳配方。其中一次项AC和二次项B2对粘度的影响极显著的，所以说明莼菜粘液添加量与乳糖添加量对莼菜炼乳粘度的影响有显著的交互作用。此外还能从上表中得出影响炼乳粘度的排序为B(蔗糖添加量)>C(乳糖添加量)>A(莼菜粘液添加量)。

最终得到的三个变量对炼乳粘度影响的相应响应曲面图，如图7所示。

图7 各因素交互作用与粘度的响应面Fig 7 Response surface of interaction between factors and viscosity

(2)粒度=+5.52+0.071* A+0.17 * B-0.20* C-0.16 * A * B+1.01 * A * C-0.28 * B * C+0.068 * A2+0.83 * B2+0.50 * C2

表 4 粒度的回归方程方差分析结果(Granular regression equation analysis of variance results)

由表4粒度回归方程方差分析的结果可以得出：粒度模型P值小于0.000 1，失拟性检验结果不显著(P=0.670 6>0.05)，在此回归模型中，决定系数R2=0.986 8，模型校正决定系数Radj2=0.969 8，可以说明该回归模型拟合度较好，二次方程模型可靠，可用于分析和筛选出莼菜炼乳的最佳配方。其中一次项AC和BC，二次项 B2和C2对粒度的影响极显著的，可以说明莼菜粘液添加量和乳糖添加量、蔗糖添加量和乳糖添加量对莼菜炼乳粒度的影响有显著的交互作用，此外还能从上表中得出影响炼乳粒度的排序为C(乳糖添加量)> B(蔗糖添加量)>A(莼菜粘液添加量)。

最终得到的三个变量对炼乳粒度影响的相应响应曲面图，如图8所示。

图8 各因素交互作用与粒度的响应面Fig 8 Response surface of interaction between factors and granularity

2.2.3 优化参数及模型的验证

根据响应面分析软件Design-Expert8.0.6分析，以粘度作为说明炼乳品质的指标，得出莼菜粘液添加量为15%、蔗糖添加量为30%、乳糖添加量为0.04%时，莼菜炼乳的生产工艺最佳。所对应的最终产品莼菜炼乳的理论粘度为9.77g，理论粒度为5.66μm。按照响应面优化实验得出的各因素水平进行验证实验，测得的实际莼菜炼乳粘度为9.56g，粒度为5.93μm，可以看出理论值和实际值差异较小，所以，说明响应面优化实验得出的最终结果具有可靠性和参考价值。

根据响应面分析软件Design-Expert8.0.6分析，以粒度作为说明炼乳品质的指标，得出莼菜粘液添加量为10%、蔗糖添加量为20%、乳糖添加量为0.04%时，莼菜炼乳的生产工艺最佳。所对应的最终产品莼菜炼乳的理论粘度为9.73g，理论粒度为5.58μm。按照响应面优化实验得出的各因素水平进行验证实验，测得的实际莼菜炼乳粘度为9.63g，粒度为5.08μm，可以看出理论值和实际值差异较小，所以，说明响应面优化实验得出的最终结果具有可靠性和参考价值。

3 结论

本文考察了莼菜炼乳的加工工艺，以莼菜炼乳的品质作为筛选指标，测定产品的粘度和粒度。根据上述响应面优化实验结果分析可以看出，粒度模型比粘度模型更为显著，最终选定莼菜粘液添加量为10%、蔗糖添加量为20%、乳糖添加量为0.04%，在这一条件下得到炼乳的粘度为9.63g，粒度为5.08μm。经过该实验得出的莼菜炼乳具有良好的品质，而且能很好地拓宽莼菜的应用领域，增加炼乳的附加值，创造更高的经济价值，更好地适应市场的多元化需求。