离心泵和螺杆泵不同温度输送对稀奶油品质的影响

陈智杰

（乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海 200436）

稀奶油是全脂牛乳经离心分离后得到的含脂量较高的产品，其脂肪含量为35%～45%[1]，在冰淇淋、烘焙制品和作为其他乳品配料中均发挥着重要的作用[2]。随着乳品行业和茶饮行业的发展，市场上仍占据主导地位的植脂奶油产品与消费者对天然食品的追求相悖[3]，而天然动物来源的稀奶油因其独特的香气和不含反式脂肪酸的优势，使稀奶油的研究和生产工艺优化成为乳制品企业重要的发展战略[4]。

通常，鲜乳来源的稀奶油经过热乳分离后，直接使用稀奶油杀菌器对其进行杀菌，但由于乳品工厂的产能匹配问题，实际生产中分离出的稀奶油经冷却后，先送入生奶油缸暂存，待杀菌器就绪后再泵送至稀奶油杀菌器杀菌[5]。稀奶油是非牛顿流体，在流动过程中其表观黏度随剪切应力的增大而减小[6]，是典型的假塑性流体[7]。稀奶油在打发之前，属于水包油型（O/W）乳状液[8]，搅打时的剪切作用会使空气进入，在这个过程中，乳清蛋白和乳脂球膜吸附于脂肪球上，然后形成一个局部晶体网络[9]，聚结的脂肪结晶网络使搅打稀奶油形成膨胀的稳定质构[10]。因此在生产稀奶油时，剪切作用对其质构、打发性和风味有重要影响[11]。

乳制品生产通常使用离心泵、转子泵和螺杆泵。离心泵通过叶轮旋转，将吸入的物料甩至叶轮外沿并加速，通过泵管道输送出去，这种输送方式的输送效率高，但对物料产生的剪切力较大。转子泵是容积式泵的一种形式，通过旋转的转子在一侧形成低压，使液体连续吸入，并在另一侧排出液体，适合用于输送小流量的黏性液体，且对物料产生的剪切力较低[12]。螺杆泵通过泵轴旋转，螺旋叶片将物料逐级推出直至出口，流量较大但是扬程较低，剪切力很小，甚至可以运输颗粒[13]。

本实验研究使用不同泵在不同温度下输送对超高温（ultra-high temperature，UHT）杀菌稀奶油黏度、酸度、pH值、打发性、硬度、粒径、脂肪酸组成和微观结构等的影响，为工厂改进天然乳脂来源稀奶油的生产工艺提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜稀奶油 光明乳业华东中心工厂。

尼罗红、异硫氰酸荧光素 北京索莱宝生物科技有限公司；标准NaOH溶液（0.1 mol/L）、酚酞指示剂国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

管式UHT杀菌机 丹麦APV公司；TA.XT Plus质构测试仪 英国Stable Micro System公司；Mastersizer 3000激光粒度分析仪 英国Malvern Panalytical公司；DV-Ⅲ黏度计 美国Brookfield公司；FE20实验室pH计 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；电动搅打器 广东东菱电器公司。

1.3 方法

1.3.1 稀奶油泵送预处理

分别将稀奶油在10、60 ℃条件下送入管式UHT杀菌机，分别使用离心泵和螺杆泵对稀奶油进行输送。UHT杀菌参数为120 ℃、4 s，杀菌后的稀奶油在超净台内无菌灌装。分别将处理后的样品标记为：10 ℃使用离心泵（10L组）、10 ℃使用螺杆泵（10R组）、60 ℃使用离心泵（60L组）和60 ℃使用螺杆泵（60R组），以泵送前的样品为对照组。

1.3.2 表观黏度、酸度及pH值测定

稀奶油的表观黏度使用黏度计测定，使用一号转子，温度控制在（10.0±0.5） ℃，剪切速率1 000 r/min[14]。

酸度根据GB 5009.239—2016《食品安全国家标准 食品酸度的测定》所述奶油酸度的测定方法进行测定，准确称取10 g稀奶油样品，加入20 mL水，加入2 mL酚酞指示剂混匀，使用标准NaOH溶液滴定至溶液呈微红色，整个过程应尽快完成[15]。酸度按式（1）计算。

式中：c为标准NaOH溶液浓度/（mol/L）；V2为滴定消耗的标准NaOH溶液体积/mL；V0为空白实验消耗的标准NaOH溶液体积/mL；m为试样质量/g。

稀奶油的pH值使用自动pH计在室温下进行测定，待数据稳定后读数。

1.3.3 粒径测定

使用激光粒度分析仪测定稀奶油粒径跨度，样品分散在去离子水中，牛乳脂肪和去离子水的折射率分别设定为1.460和1.330[16]，跨度越小说明分布越集中，粒径跨度按式（2）计算。

式中：Dv（10）为前10%颗粒的粒径/μm；Dv（50）为前50%颗粒的粒径/μm；Dv（90）为前90%颗粒的粒径/μm。D[4,3]为体积平均粒径/μm，该值与Dv（50）越接近，表明颗粒形状越规则、粒度分布越集中[17]。

1.3.4 稀奶油的打发率测定

将200 g冷藏的稀奶油在4 ℃条件下以120 r/min的转速进行打发，以稀奶油能够形成坚挺锥形为搅打终点，其打发率按式（3）计算[18]。

式中：m0为同体积未搅打稀奶油的质量/g；m1为同体积搅打后稀奶油的质量/g。

1.3.5 搅打稀奶油的硬度测定

使用质构仪测定打发后稀奶油的质构，使用HDP/SR探头测定，测试前、测试中探头速率3 mm/s，测试后回程速率5 mm/s，测试距离55 mm，探头到底部回弹，测定打发稀奶油硬度[19]。

1.3.6 稀奶油的微观结构观察

根据李扬等[20]的方法，观察打发前后稀奶油的微观结构。配制0.02 g/100 mL尼罗红和0.02 g/100 mL异硫氰酸荧光素溶液，充分溶解后避光低温保存。取200 mL稀奶油，加入尼罗红和异硫氰酸荧光素溶液各2 mL，充分搅拌混匀后为打发前染色样品；经4 ℃、120 r/min打发后为打发后染色样品。使用荧光共聚焦扫描显微镜，100×目镜观察样品脂肪和蛋白微观结构，激发光源为氩灯，激发波长为488 nm，接收波长分别为：尼罗红595～648 nm，异硫氰酸荧光素500～536 nm。

1.3.7 稀奶油脂肪酸组成测定

根据GB 5009.168—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪酸的测定》[21]，使用气相色谱法对稀奶油中45 种脂肪酸成分进行分析。

1.4 数据处理

使用Excel 2016与Origin Pro 2021软件进行绘图和制表，使用SPSS 22软件对实验数据进行单因素方差分析，并使用Exponent软件对质构数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 稀奶油表观黏度、酸度和pH值

观察经不同实验条件杀菌后得到的各组稀奶油外观状态，10L组稀奶油上层有析出的脂肪，这可能是由于在10 ℃条件下，稀奶油经过离心泵输送后，其中结晶状态的脂肪承受过高的剪切力，无法维持稳定的乳液体系，导致脂肪球部分聚集上浮，其余组别外观并无明显差异。由表1可知，稀奶油在打发前属于水包油型乳状液，其表观黏度较低，其中10L组稀奶油明显更低，这可能是因为其脂肪部分聚集上浮，导致黏度大幅降低。这与傅礼玮等[22]的研究相似。泵的输送和温度的差别对稀奶油的酸度和pH值影响不大，4 组均无明显变化。这说明经过泵的输送，脂肪的上浮不会导致其酸度下降，也不会使脂肪大量分解产生脂肪酸，可滴定酸和总酸的含量变化很小。

表1 稀奶油在不同温度下经离心泵和螺杆泵输送后的黏度、酸度和pH值Table 1 Viscosity, acidity and pH value of whipped cream pumped by centrifugal and screw pumps at different temperatures

2.2 稀奶油粒径分析

由图1和表2可知，稀奶油的粒度集中在1～8 μm。经过泵送杀菌后，60L组稀奶油的粒径分布最为集中，10R、60R组次之，而10L组稀奶油的粒径分布最分散，这也与粒径跨度结果相吻合。根据Dv（10）、Dv（50）、Dv（90）和D[4,3]，10L组稀奶油的粒径显著大于其他组别，D[4,3]约为7 μm，说明在低温下稀奶油经过离心泵输送后无法耐受过高的剪切力而发生脂肪聚结，低温下的结晶脂肪液滴间的界面膜被打破[23]，导致脂肪发生部分聚结，颗粒形状变得不均匀、大小不均一。60L组稀奶油的粒径分布最集中，其D[4,3]仅为3.562 μm，且跨度最小，这表示在60 ℃条件下使用离心泵输送稀奶油不仅对粒度没有负面影响，反而可使稀奶油更均匀[24]，这可能是因为在高温条件下，稀奶油流体更耐受剪切，而不像在低温状态下发生脂肪聚结。

图1 稀奶油在不同温度下经离心泵和螺杆泵输送后的粒径体积密度和体积累积Fig.1 Particle size volume distribution and volume accumulation of whipped cream pumped by centrifugal and screw pumps at different temperatures

表2 稀奶油在不同温度下经离心泵和螺杆泵输送后的粒径Table 2 Particle size of whipped cream pumped by centrifugal and screw pumps at different temperatures

2.3 稀奶油打发率与打发后的硬度

稀奶油打发时，空气进入奶油中形成气泡，后被破碎成小气泡并逐步与脂肪球形成稳定的网状联结结构[25]。由图2可知，10L组稀奶油无论经过多长时间的搅打，均已无法打发，金燕[26]的研究中也汇报了类似的结果。10R组稀奶油的打发率最低，但打发后奶油的硬度最高。对比10R和60R组稀奶油，虽然在粒径上二者无明显差异，但60R组更高的打发率说明稀奶油中脂肪球更易相互联结而裹入气泡，形成良好、稳定的稀奶油质构。而10R组稀奶油的硬度较高，则可能是因为在脂肪含量相同的情况下，更低的打发率和较少的空气含量使稀奶油硬度偏高。

图2 稀奶油打发率（A）和硬度（B）Fig.2 Whipping rate (A) and hardness (B) of whipped cream

2.4 稀奶油微观结构

由图3可知，10R组与未经过处理的对照组稀奶油，在打发前被尼罗红染色的脂肪球明显少于在60 ℃条件下经过泵输送的60R和60L组稀奶油。10 ℃经泵输送的稀奶油脂肪球大而疏，60 ℃经泵输送的稀奶油脂肪球小而密，这与脂肪的聚结和结块析出有显著的相关性，也印证了王筠钠等[27]提到的脂肪球聚结理论。打发后，未经处理的对照组稀奶油的脂肪球直径相对于其他3 组来说较小，这说明泵的输送会造成一定程度的脂肪球聚结，使脂肪球直径变大。打发后，60R和60L组的脂肪球大小和分布都更加均匀，说明稀奶油在60 ℃经过2 种泵的输送后更利于后续的打发[28]。

图3 打发前后稀奶油脂肪球微观结构Fig.3 Microstructure of fat globules in cream before and after whipping

2.5 稀奶油脂肪酸组成

稀奶油中的乳脂含有许多对人体有益的成分，包括共轭亚油酸、神经鞘磷脂、甾醇和脂溶性维生素等[29]。根据脂肪酸测定结果，未经处理时，稀奶油脂肪酸总量为39.9 g/100 g；经过泵的输送和杀菌，稀奶油的脂肪酸含量均有不同程度的降低，10L、60L、10R和60R组的脂肪酸总量分别为（38.1±0.5）、（39.2±0.4）、（39.4±0.3）、（39.7±0.3） g/100 g。其中10L组脂肪含量显著低于其他组别，这显然是由于其部分脂肪发生了析出上浮。

由表3可知，稀奶油的脂肪酸组成中含量最高的是C14、C16和C18的长链脂肪酸。经过泵的输送和杀菌后，稀奶油的饱和脂肪酸比例均有相似程度的升高，而不饱和脂肪酸比例均降低，其中主要体现在单不饱和脂肪酸比例的降低，这说明稀奶油经过热处理后，部分脂肪酸发生氧化，而不饱和脂肪酸的氧化速率高于饱和脂肪酸[30]。经过不同工艺处理的稀奶油脂肪酸组成差别不明显，因此造成其脂肪析出和打发率的差异主要源自其物理变化，即因温度和剪切力造成的脂肪球聚结和乳脂析出。

表3 稀奶油脂肪酸组成Table 3 Fatty acid composition of whipped cream %

3 结 论

稀奶油分别在10、60 ℃条件下经过离心泵和螺杆泵的输送，进行120 ℃、4 s的杀菌。其中，10L组稀奶油脂肪发生了聚结、析出现象，稀奶油黏度显著低于其余组别，并且无法被打发；10L组稀奶油粒径最大，最不均匀，其余组别粒径接近，而60L组稀奶油粒径最均匀；10R组打发率最低但打发后硬度最高，而60R和60L组打发率和硬度接近；不同组稀奶油脂肪酸成分没有显著差异，而微观结构的差别显示，60 ℃经过泵输送的稀奶油脂肪球小而密，这说明低温状态下的稀奶油易受剪切而聚结，从而使脂肪析出、影响稀奶油质量。因此在生产中，低温状态下的稀奶油应尽可能避免剪切力对其品质的影响，输送泵可选用转子泵、螺杆泵等；温度升高可使稀奶油更耐剪切，离心泵的输送可能使其脂肪球分布更均匀，对打发性和稀奶油品质没有显著影响。