熱輻氣動干燥法快速測定牛奶中總固體和水分

趙 敏，周 聰*

（中國熱帶農業科學院分析測試中心，海南省熱帶果蔬產品質量安全重點實驗室，海南 ?？?571101）

熱輻氣動干燥法快速測定牛奶中總固體和水分

趙 敏，周 聰*

（中國熱帶農業科學院分析測試中心，海南省熱帶果蔬產品質量安全重點實驗室，海南 ?？?571101）

利用圓盤自動進樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀研究快速測定牛奶中總固體和水分含量的方法。分別對加熱溫度、加熱時間及溫度平衡時間進行實驗，以烘箱法（標準法）為對照，不斷優化實驗條件，并測定了多份牛奶樣品中總固體和水分的含量。結果表明：用本方法和烘箱法測定相同樣品中總固體和水分含量的準確度和精確度結果一致，而烘箱法需耗時約3.5 h，本方法只需2.0 min完成，大大提高了分析效率。

熱輻氣動干燥；牛奶；總固體；水分

牛奶營養豐富，富含脂肪、蛋白質、乳糖、多種維生素和礦物質等，與人們生活息息相關。就牛奶的質量分析而言，牛奶由水分和總固體組成，總固體包括脂肪和非脂乳固體兩部分，兩者均為生乳食品安全國家標準的重要質量指標[1]，而非脂乳固體是由總固體含量值減去脂肪含量值而得，因此總固體含量是牛奶質量評價的重要檢測項目。

有關牛奶中總固體和水分含量的測定方法有烘箱法[2-3]、微波法[4]、水分測定儀法[5]、紅外光譜[6-9]、牛奶成分分析儀法[10]、激光法[11]、聲學法[12]、光度法[13]等，其中烘箱法為國家標準法。

隨著生活水平的提高，牛奶產品由于營養豐富全面而受到消費者青睞[14]，走進千家萬戶，然而，在利益的驅動下，牛奶產品質量安全不容樂觀[15-19]，鮮牛奶兌水摻淀粉、豆漿、碳酸氫鈉、食鹽等[20-23]現象時有發生。為確保收購奶源的質量，國內通常用比重計檢測牛奶的相對密度和總固體來檢驗是否摻水，而比重法靈敏度和精確度較低，難以滿足市場對牛奶質量的評價要求。近紅外光譜測量法，設備昂貴，不適合我國國情為解決簡便、快速、準確測定鮮牛奶中總固體和水分含量的問題。牛奶樣品中富含脂肪、蛋白質、乳糖等成分，受熱后凝聚黏結，結構緊密，水蒸氣難以釋放，使國家標準烘箱法的干燥時間大大延長（需要數小時）。烘箱體積較大，加上能耗高等因素，制約了該法在生產上的實際應用效果。為簡便、快速、準確測定鮮牛奶中總固體和水分含量，本實驗開展了熱輻氣動干燥法快速測定牛奶中總固體和水分含量的研究，旨在為牛奶生產企業提供一種快速準確的測定新方法。

1 材料與方法

1.1 材料

多品牌牛奶 市購。

1.2 儀器與設備

AE200型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；圓盤自動進樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀（專利號：ZL201220563310.0）、樣品溫度快速平衡儀（專利號：ZL200920150141.6）、高溫燒杯夾取器（專利號：ZL201020165887.7）。

1.3 方法

1.3.1 儀器參數優化

圓盤自動進樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀上設有自動程序控制面板，可設置加熱溫度、時間、加熱速度和電機速度等實驗參數，樣品溫度快速平衡儀可設置溫度的平衡時間，不同實驗參數條件下所得到的分析結果可能不同，因此開展儀器條件的優化。

1.3.1.1 加熱溫度

對同一牛奶樣品分別稱取7 份，每份3 次重復，各2.500 0 g，設定干燥時間為60 s，分別測定200～260 ℃的溫度區間條件下牛奶樣品中總固體含量，探討最佳加熱溫度。

1.3.1.2 加熱時間

對同一牛奶樣品分別稱取7 份，每份3 次重復，各2.500 0 g，在確定最佳加熱溫度的前提條件下，分別測定30～90 s的加熱時間條件下牛奶樣品中總固體含量，探討最佳加熱時間。

1.3.1.3 溫度平衡時間

剛干燥后的小燒杯樣品仍然保持著較高的溫度，只有待小燒杯樣品的溫度恢復至常溫狀態，方可進行稱量。傳統的燒杯樣品溫度平衡方法是將小燒杯樣品放入干燥器中自然平衡，但需要較長的時間（大于30 min），難于滿足快速檢測的需要。為解決小燒杯樣品溫度快速平衡的問題，本研究采用樣品溫度快速平衡儀的方法，為此進行樣品溫度平衡實驗，探討相關的實驗條件。對同一牛奶樣品分別稱取7 份，每份3 次重復，各2.500 0 g，在確定最佳加熱溫度和時間的前提下，分別測定10～60 s的溫度平衡加熱時間條件下牛奶樣品中總固體含量，探討最佳溫度平衡加熱時間。

1.3.2 與國標方法比較

在實驗優選的最佳儀器參數（加熱溫度、加熱時間和溫度平衡時間）條件下，以國家標準方法[2]為對照進行方法比對實驗，對同一牛奶樣品，設計本實驗法和國家標準方法各12 個重復測定，測試本實驗方法的相關技術指標，并對測定結果進行顯著性測驗（t檢驗），以驗證實驗方法的可靠性。

1.3.3 樣品測試

于超市隨機購買6 種不同品牌的牛奶產品，每種牛奶樣品稱取3 份，在確定的最佳儀器參數條件下測試市售牛奶樣品中總固體和水分，結果計算參照國家標準[2]。

2 結果與分析

2.1 加熱溫度優選

在圓盤自動進樣熱輻箱式膠乳樣品干燥儀的調節功能中，加熱速度和電機速度是以儀器運轉的平穩性為基準調節的，設定后可相對固定，對干燥效果影響較小。因此，本研究中先將2 項指標調節固定，再分別實驗不同的加熱溫度和加熱時間條件。

圖 1 不同加熱溫度對總固體測定結果的影響Fig.1 Effects of temperature on determination results of total solid content

如圖1所示，加熱溫度為220、230、240 ℃所測定總固體含量結果較為穩定，結果分別為：13.50%、13.51%和13.47%。超過240 ℃后，因碳化損失，總固體含量會逐漸降低。因此，結合能耗最低，最佳的加熱溫度設定為230 ℃。

圖 2 不同加熱時間對總固體測定結果的影響Fig.2 Effects of heating on determination results of total solid content

2.2 加熱時間的確定如圖2所示，加熱時間為50～70 s后測定結果穩定，但隨著時間的延長，70 s后有機物質被碳化，結果呈略降低的趨勢。因此，最佳的加熱時間設定為60 s。

2.3 溫度平衡時間的確定

圖 3 溫度平衡時間對總固體含量測定結果的影響Fig.3 Effect of temperature equilibrium time on determination results of total solid content

如圖3所示，溫度平衡時間不夠時，測定結果偏低，溫度平衡時間達到40 s后測定結果較為穩定。在溫度平衡時間40、50、60 s時所測得總固體含量分別為：13.31%、13.30%和13.32%。因此，最佳的溫度平衡時間為50 s。

2.4 方法比對

采用相同的牛奶樣品，稱量2 組，每組各12 個樣，分別進行本方法和國家標準烘箱法測定。烘箱法的平均值為13.23%，相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）為0.22%；本方法的平均值為13.24%，RSD為0.25%。結果表明：2 組數據平均值進行差異顯著性測驗（t檢驗），檢驗結果：t=0.812 4＜t0.05（11）= 2.179，P為0.95，兩者無顯著性差異。因此，本方法可作為測定牛奶總固體含量的方法之一。

2.5 樣品的測試

本方法測定結果表明（表1）：所測得結果精密度較高，總固體結果RSD小于0.4%，水分含量結果的RSD小于0.05%，測定結果穩定可靠。

表 1 幾種鮮奶樣品中總固體和水分含量測定結果（n=3）Table 1 Total solid and water contents in fresh milk samples determined by the developed method (n=3）

3 結論與討論

實驗結果表明，加熱溫度不足時所測總固體含量的結果偏高，在220～240 ℃溫度范圍內結果穩定，之后隨溫度增加而降低。產生這一現象的原因是，溫度不足時樣品未被完全干燥，溫度過高時，部分樣品被碳化，有機物質揮發損失，因此實驗中必須嚴格控制加熱溫度。所述的加熱溫度是熱輻氣動干燥儀上的儀器顯示溫度（理論值），不是實際的干燥箱內的溫度，不同儀器在生產過程中，其熱電偶傳感器的安裝位置可能有所偏差，所反映的儀器加熱溫度未必完全一致，因此，使用新開箱的干燥儀器做實驗時需要做初步實驗給予確認。

樣品溫度平衡是重量法分析的主要環節之一，平衡的目的是使高溫樣品降低到常溫狀態，以減少實驗誤差。通常情況下樣品放置在干燥器內平衡，其目的是為了避免部分樣品吸潮影響測定結果，但需要較長的平衡時間，難于滿足快速檢測的需要。本研究采用溫度平衡儀進行樣品平衡實驗，其原理是借助離心力和散熱片的作用，使高溫樣品的熱量迅速分散，樣品溫度得以快速降溫，達到常溫狀態。經過實驗，在固定樣品盤轉速的條件下，溫度平衡時間達到40 s后測定結果較為穩定，表明牛奶樣品在短時間的平衡溫度條件下，測定結果未受吸潮的影響。分析原因，主要是牛奶樣品中富含脂肪和蛋白質，雖然牛奶中也含有大量的吸潮物質（糖），但干燥后，脂肪和蛋白質在高溫的作用下，在樣品的表面凝聚形成結構致密且具有一定張力的保護膜，避免了樣品中吸潮物質與空氣接觸而吸潮的現象。

此外，評價一個分析方法可靠性時，通常采用標準物質測定、加標回收率實驗和方法比對等。本研究采用與國家標準方法的比對實驗，結果表明，2種方法的測定結果無顯著性差異，方法穩定可靠，而且本方法能夠在2 min內完成一個樣品的分析測試。

通過實驗分析，優化得到最佳加熱溫度、加熱時間及溫度平衡時間的條件分別為230 ℃、60 s和50 s。用本方法和烘箱法測定相同樣品中總固體和水分含量的準確度和精確度結果一致，而烘箱法需耗時約3.5h，本方法只需2.0min完成，大大提高了分析效率。實驗各項技術指標均符合分析要求，建立了一種簡便、快速、穩定可靠的鮮牛奶總固體和水分含量測定的新方法。

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Rapid Determination of Total Solids and Water in Milk by Hot Radiation Pneumatic Drying Method

ZHAO Min, ZHOU Cong*
(Hainan Provincial Key Laboratory of Quality and Safety for Tropical Fruits and Vegetables, Analysis and Testing Center, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101, China)

A latex sample drying apparatus with a hot radiation box for automatically injecting samples by discs is applied for the rapid determination of total solids and water content in milk. Important experimental conditions, such as temperature, heating time and temperature equilibration method, were optimized using an oven drying method (a standard method) as control for the determination of total solids and water contents in various milk samples. The results showed that the same accuracy and precision were achieved for the determination of total solids and water contents in one sample by the proposed method and oven drying method. The drying time required for oven drying method was 3.5 hours, compared to only 2.0 minutes for our method as a more efficient method. Therefore, a novel, simple, rapid, stable and reliable method to determine total solids and water contents in fresh milk has been established.

hot radiation pneumatic drying apparatus; milk; total solids; water contents

TS252.7

A

1002-6630（2015）02-0142-03

10.7506/spkx1002-6630-201502027

2014-06-16

海南省自然科學基金項目（314096）

趙敏（1982—），女，研究實習員，碩士，研究方向為儀器分析和食品質量安全。E-mail：zmhb313@163.com

*通信作者：周聰（1965—），男，研究員，學士，研究方向為儀器分析與農產品質量安全。E-mail：zhouc888@163.com