基于LUMiSizer分析椰果酸性乳饮料稳定性

冯伟,秦禹,黄银,赵慧娟,余长发,王涛,张昊,王韧*

1(江南大学,粮食发酵工艺与技术国家工程实验室,江苏 无锡,214122) 2(江南大学 食品学院,江苏 无锡,214122) 3(福建省泉州喜多多食品有限公司,福建 泉州,362000)

果粒酸性乳饮料风味独特、品种繁多,深受消费者的青睐,例如蒙牛真果粒、美汁源果粒奶优等。但目前市售产品多以小颗粒果肉为主,鲜有大果粒产品。此外,市售常温酸性乳饮料多以复合纸质或聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)塑料瓶包装,保质期较短(6～9个月)。因此,研发长保质期大果粒酸性乳饮料可以满足消费者多样化的需求,产品市场前景广阔。

解决加工及贮藏过程中蛋白沉淀、乳清析出和脂肪分层等问题,是酸性乳饮料研发的关键[1-2]。研究表明,添加缓冲盐可以有效降低酸性乳饮料中游离态的钙离子,减少其与蛋白质的结合,进而提升产品稳定性[3-4]。添加稳定剂,例如羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulose sodium,CMC),可以维持牛乳中酪蛋白胶束的分散状态,进而减少产品沉淀和分层现象的产生[1,5-6]。此外,各种乳化剂,例如单甘酯、丙二醇酯、蔗糖脂肪酸酯等,也常被用来提升产品的乳化稳定性,防止储藏过程中脂肪上浮形成油圈[7]。

酸性乳饮料的稳定性分析常采用离心法。德国全功能稳定性分析仪LUMiSizer就是利用粒子移动受重力或离心力驱使的原理并结合光学近红外检测理论,以微处理控制的光谱离心机快速表征沉降、漂浮或凝聚等分离现象,并通过连续记录样品透光率的动态变化来表征液体的稳定程度[8-9]。该仪器能快速模拟乳化体系的货架稳定性[9-11],具有操作简便、重复性好等特点。

本文借助LUMiSizer稳定性分析仪,对影响产品稳定性的稳定剂、缓冲盐和乳化剂配方进行优化,以期开发出一款长保质期大果粒酸性乳饮料罐头产品。

1 材料与方法

1.1 实验材料

新西兰全脂乳粉、脱脂乳粉,恒天然商贸(上海)有限公司；白砂糖,中粮糖业有限公司；食品级FL100型、FH9型、FVH9-I型、FVH9-II型CMC,常熟威怡科技有限公司；食品级蔗糖脂肪酸酯(HLB值15)、单硬脂酸甘油酯(HLB值5),上海欣融食品原料有限公司；三聚磷酸钠,山东丰泰化工有限公司；柠檬酸钠,潍坊英轩实业有限公司；1.5 cm3规格大椰果粒,泉州喜多多食品有限公司。

1.2 仪器与设备

LUMiSizer稳定性分析仪,罗姆(江苏)仪器有限公司；GYB60-6S高压均质机,上海东华高压均质机厂；AX2202ZH/E电子天平,奥豪斯仪器(常州)有限公司；NDJ-8S数字式黏度计,德卡精密量仪(深圳)有限公司；WB2000-M数显式搅拌器,艾卡(广州)仪器设备有限公司。

1.3 工艺流程与操作要点

1.3.1 罐装酸性乳饮料制备工艺流程

罐装大果粒酸性乳饮料的制备工艺流程如图1所示。

图1 罐装调配型大果粒酸性乳饮料制备工艺流程图Fig.1 The process flow diagram of canned milk beverage with nata-de-coco

1.3.2 罐装酸性乳饮料制备操作要点

主要分为溶粉、溶胶、调酸以及灭菌过程。溶粉：将乳粉投入55 ℃热水中搅拌均匀,静置水合30 min以上备用；溶胶：将白砂糖与CMC、乳化剂混匀后,投入65 ℃热水中搅拌溶解至均匀无颗粒,再冷却备用；调酸：将缓冲盐与酸液提前混匀溶解完全后再缓慢加入混合体系中；杀菌：提前将汤汁升温至98 ℃,保温50 min后再灌装封盖,沸水杀菌60 min,最后冷却至35 ℃以下。

1.4 实验方法

1.4.1 椰果酸性乳饮料稳定性测定

采用LUMiSizer稳定性分析仪测定样品稳定性。取乳液约1.8 mL注射进光径为2 mm的聚碳酸酯(polycarbonate,PC)材质试管底部,平放至仪器中。仪器参数设置如下：扫描光频865 nm,离心转速4 000 r/min,扫描光强1倍,温度25 ℃,扫描间隔30 s/次,扫描次数510次,扫描时间4.25 h。测定结果表示为不稳定系数和澄清图谱,不稳定系数越低,说明稳定性越好,货架期越长[10]。

1.4.2 稳定剂CMC筛选实验

以不稳定系数和黏度为指标,研究不同CMC型号(FL100,FH9,FVH9-Ⅰ,FVH9-Ⅱ)和添加量(0.4%～0.8%,质量分数)对产品稳定性及黏度的影响,确定CMC的型号及最佳添加量。

1.4.3 缓冲盐筛选实验

以不稳定系数为指标,在相同CMC添加量的基础上,添加三聚磷酸钠和柠檬酸钠,研究单一缓冲盐用量及2种缓冲盐的复配比例对产品稳定性的影响,确定缓冲盐的最佳添加量及复配比例。

1.4.4 乳化剂筛选实验

以不稳定系数为指标,在相同CMC、缓冲盐添加量的基础上,添加单甘脂和蔗糖脂肪酸酯,在总乳化剂添加量为0.1%的条件下,研究2种乳化剂复配比例对产品稳定性的影响,确定乳化剂的复配比例。

1.4.5 产品稳定性观察

根据优化后的配方制作椰果酸性乳饮料,并将产品在常温条件下静置存放12个月,定期观察产品析水、沉淀情况。

1.4.6 数据统计分析

数据以平均值±标准差表示,采用SPSS 21.0对平均值进行单因素ANOVA分析,P<0.05差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 市售酸性乳饮料的稳定性和黏度分析

选取4款具有代表性的市售酸性乳饮料,分别为伊利优酸乳、小洋人妙恋、娃哈哈营养快线和蒙牛酸酸乳,进行稳定性和黏度分析,结果如图2所示。市售4款酸性乳饮料产品的不稳定系数均<0.1,黏度为20～30 mPa·S,娃哈哈营养快线产品的黏度最高,为27.4 mPa·S。

图2 四种市售酸性乳饮料产品的不稳定系数与黏度Fig.2 The instability index and viscosity of four commercial products

2.2 稳定剂CMC的筛选

采用4款不同型号CMC(黏度和取代度见表1)制作椰果酸性乳饮料,CMC的添加量为0.4%～0.8%,测得产品的不稳定系数和黏度如图3所示。

表1 四款市售CMC的黏度Table 1 The viscosity of commercial CMC stabilizers

由图3-a可知,随着CMC添加量的增加,产品不稳定系数显著降低(P<0.05),表明产品稳定性越来越高。当FH9添加量为0.7%～0.8%、FVH9-Ⅰ添加量为0.6%～0.8%、FVH9-Ⅱ添加量为0.5%～0.8%时,产品的不稳定系数均<0.1；但是FL100在所考察的添加量下,不稳定系数均>0.1。在相同添加量条件下,不同型号CMC制备的产品的不稳定系数具有显著差异,FVH9-Ⅱ具有最小的不稳定系数,这可能与CMC的黏度有关,FVH9-Ⅱ的黏度最高(表1),相同添加量下,对应产品的黏度也较高(图3-b),所以产品稳定性最好。李静[12]采用不同黏度CMC制作酸性乳饮料,发现黏度越高,产品的沉降速率越低,产品稳定性越好,与本文研究结果相一致。

a-不稳定系数；b-黏度图3 不同型号CMC及添加量对椰果酸性乳饮料产品稳定性和黏度的影响Fig.3 The effect of CMC on stability and viscosity of acidic milk beverage with nata-de-coco注：小写字母代表同一系列下具有显著性差异(P<0.05),大写字母代表不同系列间具有显著性差异(P<0.05)

考虑到具有一定的口感稠厚度是酸性乳饮料产品的重要特征,同时结合前文分析的市售酸性乳饮料产品黏度分布区间(20～30 mPa·S),因此本文选择0.5%添加量的FVH9-Ⅱ型号CMC作为稳定剂,进行后续的优化研究。

2.3 缓冲盐的筛选

在添加0.5% FVH9-Ⅱ型号CMC的基础上,分别添加三聚磷酸钠和柠檬酸钠缓冲盐制作椰果酸性乳饮料,产品的不稳定系数如图4-a所示。随着2种缓冲盐质量分数的增加,产品不稳定性系数均呈现出先减小后增加的趋势。李党国和田芬等[13-14]的研究表明,三聚磷酸钠与柠檬酸钠作为钙螯合盐均可以提高酸性乳饮料的稳定性,但添加量过高会破坏体系稳定性,与本文研究结果相一致。此外,三聚磷酸钠对产品稳定性的影响要显著大于柠檬酸钠,当三聚磷酸钠添加量为0.02%时,产品的不稳定系数达到最小值(0.046),而柠檬酸钠添加量为0.02%～0.04%时,产品的不稳定系数变化差异不显著,因此初步确定缓冲盐的添加量为0.02%。

a-单一缓冲盐；b-复配缓冲盐图4 单一和复配缓冲盐对酸性乳饮料产品稳定性的影响Fig.4 The effect of the single and compound buffer salts on stability of acidic milk beverage

研究表明,不同缓冲盐复配更有利于提高产品的稳定性[14-16]。因此,在总添加量为0.02%的条件下,将三聚磷酸钠与柠檬酸钠分别以6∶0、5∶1、4∶2、3∶3、2∶4、1∶5、0∶6(质量分数)进行复配,制得产品的不稳定系数如图4-b所示。当三聚磷酸钠与柠檬酸钠的复配比为2∶4时,产品不稳定性系数最小,为0.035。这可能与缓冲盐复配后的螯合能力有关[14-16],在该比例下具有较强的钙离子螯合能力,更有利于体系的稳定。因此本文选择0.02%添加量的三聚磷酸钠/柠檬酸钠(2∶4)复配缓冲盐,进行后续的优化研究。

2.4 乳化剂的筛选

在添加0.5% FVH9-Ⅱ型号CMC及0.02%复配缓冲盐(三聚磷酸钠∶柠檬酸钠=2∶4)的基础上,添加0.1%的复配乳化剂(蔗糖脂肪酸酯/单甘脂)制作椰果酸性乳饮料,2种乳化剂的复配比分别为5∶0、4∶1、3∶2、2∶3、1∶4、0∶5(质量分数),即亲水疏水平衡值(hydrophile-lipophile balance number,HLB)为5～15时,产品的不稳定系数如图5所示。乳化剂复配比对产品的不稳定系数影响显著,当蔗糖脂肪酸酯/单甘脂的复配比为1∶4时,产品的不稳定系数达到最低值,为0.023,表明此时产品稳定性最好。乳饮料作为水包油型(O/W)乳化体系,通常认为适合的乳化剂HLB值在8～10[17]。本研究,2种乳化剂按1∶4复配后,其HLB值为7,稍微偏低。虽然单甘脂自身HLB值(3～5)较低,是一种油包水型乳化剂,但其以水合物形式存在于分散相中,可以起到水包油型乳化剂的作用,具有一种较高的虚假HLB值[18]。李罗飞等[19]也发现,当蔗糖酯与单甘脂复配乳化剂的HLB值介于4.20～10.68时,红树莓调配型酸性乳饮料均具有较好的乳化稳定性。

图5 乳化剂不同复配比例对酸性乳饮料产品稳定性的影响Fig.5 The effect of the compound emulsifiers in different ratio on stability of acidic milk beverage

2.5 优化配方的验证试验

综上所述,优化后的椰果酸性乳饮料复配稳定剂

配方如下：0.5% FVH9-Ⅱ型号CMC、0.02%复配缓冲盐(三聚磷酸钠/柠檬酸钠=2∶4)以及0.1%复配乳化剂(蔗糖脂肪酸酯/单甘脂=1∶4)。在此条件下制备椰果酸性乳饮料,测定LUM图谱,结果如图6所示。在108～130 mm位置(样品管装样高度到样品管底部),绿色区域代表酪蛋白胶束的沉降,红色区域代表脂肪上浮,可见使用该优化配方制作的椰果酸性乳饮料产品(图6-b)体系均匀,沉淀量与透光率(脂肪上浮)均不明显,产品稳定性好,且整体优于市售优酸乳样品(图6-a)。

a-市售优酸乳产品；b-椰果酸性乳饮料样品图6 市售产品和优化后的椰果酸性乳饮料样品的LUM图谱Fig.6 The LUM fingerprints of the commercial products and acidic milk beverage with nata-de-coco

2.6 储藏稳定性

将在优化条件下制备的椰果酸性乳饮料产品放置在室温下储藏1年,定期观察样品的浮油、析水和沉淀情况,结果如图7所示。在12个月的货架期内,产品无明显沉淀,仅出现轻微的脂肪上浮现象,整体稳定性良好。

图7 常温放置不同时间的椰果酸性乳饮料样品Fig.7 The acidic milk beverage with nata-de-coco stored at normal temperature for different times

3 结论

本文利用LUMiSizer稳定性分析仪对大果粒椰果酸性乳饮料罐头产品的稳定性配方进行了优化,获得优化配方如下：0.5% FVH9-Ⅱ型号CMC,0.02%复配缓冲盐[m(三聚磷酸钠)∶m(柠檬酸钠)=2∶4]以及0.1%的复配乳化剂(蔗糖脂肪酸酯∶单甘脂=1∶4)。采用该配方制备的椰果酸性乳饮料产品在12个月货架期内稳定性较好,可以满足酸性乳饮料罐头产品长保质期的需求。本研究可为酸性乳饮料产品稳定性配方的开发提供借鉴参考。