碳酸水保藏生牛乳及其去除效果的研究

俞 佳,劉會平,李委紅,王 宇,劉少娟

(天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

碳酸水保藏生牛乳及其去除效果的研究

俞 佳,劉會平*,李委紅,王 宇,劉少娟

(天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

以添加不同量碳酸水的生牛乳(4 ℃)為研究對象,檢測其冷藏期的理化指標及菌落總數,并進行碳酸水去除實驗,探索一種延長生牛乳冷藏保存期的方法。結果表明:添加碳酸水可延緩生乳的酸敗,且溶解的CO2濃度越高,抑菌作用越顯著;在碳酸水去除實驗中,CO2濃度為41.47 mmol/L的生乳在55 ℃、-0.085～-0.095 MPa條件下旋蒸15 min后,其水分含量、CO2含量及熱穩定性可恢復到對照組水平。碳酸水不會對生牛乳的理化性質造成影響且易去除,因此,可以采用添加碳酸水的方法延長生牛乳的冷藏保存期。

生牛乳,碳酸水,保存,去除效果

牛乳富含脂肪、蛋白質、乳糖、維生素和礦物質等營養物質,其特殊的營養價值對人類健康具有重要作用,是膳食中的完美食品[1-2]。營養豐富且配比合理的牛乳不僅有益于人類健康,也是適宜于各類腐敗菌和病原微生物生長繁殖的天然培養基[3]。牛乳還易受周圍環境的影響,因此,其極易被微生物污染,從而導致腐敗變質。

生乳的保鮮問題一直是國內外乳品界的難題,也是長期以來的研究熱點。目前,常用的生鮮牛乳保藏方法主要還是低溫冷藏,輔助保鮮方法還有物理保鮮技術(超高壓、超聲波、微波、輻射等)、生物保鮮技術(乳過氧化物酶體系、Nisin、溶菌酶等)、化學保鮮技術(防腐劑)等[4-7]。CO2能降低乳中的酶活性,抑制絕大多數微生物增殖,可防止乳品的氧化腐敗現象[8-9]。CO2保鮮技術在蔬菜、糧食、肉制品等中的應用已比較成熟,能有效保證產品品質,延長貨架期,但該技術在乳品中的應用研究較少[10]。新型的CO2保鮮技術可以更好地發揮保鮮作用,延長多種乳制品的貨架期[11]。但將CO2直接充入生乳中,存在著充氣量難控制、混合不均勻、易起泡和溢出、氣體浪費嚴重和達不到預期保鮮效果等問題,且整個加工過程需要在較高壓力環境下進行,給工業化生產帶來諸多不便。目前,還沒有關于利用碳酸水以延長生乳低溫保存期的研究,因此,本文考慮將CO2先溶解于水中,再與生牛乳混合,以解決控制CO2添加量和保鮮效果的難題,并驗證碳酸水的去除對原料乳理化指標的影響,為生乳保鮮新技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生牛奶 天津市塘沽奶場;二氧化碳 食品級,天津圣楠氣體有限公司;硫酸(化學純)、氫氧化鉀(化學純)、乙醇(分析純)、乙醚(分析純)、氯化鈉(分析純) 天津市化學試劑一廠;無水碳酸鈉、石油醚、氨水 分析純,天津市北方天醫化學試劑廠;平板計數瓊脂培養基 北京奧博星生物技術有限責任公司。

TM703-1型碳酸飲料現調機 鹽城市天馬食品(機械)有限公司;電熱鼓風干燥箱 天津市天宇實驗儀器有限公司;PHS-3C型數顯pH計 上海今邁儀器儀表有限公司;AB204-N型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;K9840型自動凱氏定氮儀 濟南海能儀器有限公司;HES-26型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科學儀器有限公司;旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;DSC-60A型差式量熱掃描儀 日本島津公司;YXQ-LS-50S型立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海博訊實業有限公司醫療設備廠;SW-CJ-IBu型超凈工作臺 蘇州安泰空氣技術有限公司;HH.BII型電熱恒溫培養箱 天津市中環實驗電爐有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 碳酸水制備與添加 現調機的CO2氣瓶壓力外表設置為75～80 psi,即0.517～0.552 MPa。查GB/T 10792-2008中碳酸氣吸收系數表得知:在0.50 MPa、4 ℃的條件下,CO2氣體的吸收倍數為8.74倍。計算得現調機所制的碳酸水中CO2濃度為390.2 mmol/L,則碳酸水與生乳的體積比例用下式計算:

式(1)

式中:C:不同生乳混合液中CO2濃度,mmol/L;V1:碳酸水體積,mL;V2:牛奶體積,mL。

由式(1)可計算得出不同濃度生乳混合液中V1∶V2的理論值,計算得:CO2濃度為10 mmol/L的生乳混合液中碳酸水與生乳的體積比為1∶38,20 mmol/L濃度混合液中為2∶37,30 mmol/L濃度混合液中為1∶12,40 mmol/L濃度混合液中為4∶35,50 mmol/L濃度混合液中為5∶34。按上述比例添加碳酸水即得所需CO2濃度的生乳混合液,用1.2.3中方法驗證混合液中CO2濃度。

1.2.2 硫酸標準溶液的配制 參照GB/T 601-2002進行硫酸標準溶液的配制和標定。按下列公式計算1 mL硫酸標準溶液相當于CO2的克數X。

式(2)

式中:W:碳酸鈉的質量,g;V1:滴定時消耗硫酸溶液的總體積,mL;V2:滴定至酚酞變色時消耗硫酸溶液的體積,mL;0.415,碳酸鈉換算成CO2的系數(CO2/Na2CO3=44/105=0.415)。

1.2.3 樣品中CO2含量的測定 取三個潔凈的空試管,分別加入10、10、5 mL的5 mol/L KOH溶液,再加50 mL水,振蕩混勻,用插有玻璃導管的膠塞如圖1連接[12]。取來樣品瓶,打開瓶蓋,立即連接膠塞,置于50 ℃水浴中,開啟真空泵運行20 min左右,至CO2全部逸出為止。然后拆卸裝置,將試管中的吸收液合并于500 mL錐形瓶中,用水多次沖洗導管和試管,洗液亦收集進錐形瓶,加酚酞指示劑3～5滴,用標定的硫酸標準溶液滴定至無色,再加甲基橙指示液3～5滴,繼續滴定至橙色終點。并作空白實驗(取5 mol/L KOH溶液25 mL,加水150 mL,振蕩混勻)。

圖1 CO2測定裝置 Fig.1 The equipment of testing carbon dioxide

按照式(3)進行計算即可得樣品中CO2的含量Y。

式(3)

式中:Y,樣品中CO2的含量,mmol/L;V1,吸收液滴定中消耗硫酸溶液的總體積,mL;V2,吸收液滴定中至酚酞變色時消耗硫酸溶液的總體積,mL;V3,試劑空白滴定中消耗硫酸溶液的總體積,mL;V4,試劑空白滴定中至酚酞變色時消耗硫酸溶液的總體積,mL;X,1 mL 硫酸標準溶液相當于CO2的質量,g;W,樣品用量,mL。

1.2.4 生乳酸化實驗 取一份未處理的生乳作為對照,向其余生乳中添加不同量碳酸水,使之形成不同CO2濃度(10、20、30、40、50 mmol/L)的生乳混合液,并按照1.2.3分別測定CO2含量。以碳酸水處理當天為第1 d,每天定時取樣(4 ℃,密封保存)并測定其蛋白質(凱氏定氮法)、脂肪(參照GB 5413.3-2010)、pH(pH計法)、酸度(參照GB 5413.34-2010)和相對密度(參照GB 5413.33-2010),以檢測生乳的保存質量。

1.2.5 菌落總數 參照GB 4789.2-2010進行檢測。

1.2.6 去除實驗 乳品加工廠中為了標準化,一般用閃蒸來減少原料乳中的水分和氣體,碳酸水的添加增加了原料乳的水分含量,同樣可以用閃蒸來去除多余水分。為盡量模擬閃蒸負壓低溫的條件,在實驗室條件下用旋轉蒸發儀進行實驗。

對CO2濃度為41.47 mmol/L的混合乳分別進行不同時間(1、2、5、8、10、15、20、25、30、35 min)的旋轉蒸發(55 ℃,-0.085～-0.095 MPa)處理,然后檢測其水分、CO2含量等指標。

1.2.7 差式熱量掃描分析(DSC) 用移液槍吸取3.5 μL左右的樣品,盛于島津液體坩堝中,準確稱量樣品質量(精確到0.0001 g),邊緣壓緊后,以氮氣為保護氣,流量45 mL/min,空液體坩堝為參比,掃描速度為5 ℃/min,氣溫范圍25～150 ℃。

1.3 數據分析

使用SPSS Statistics 19軟件進行差異性顯著分析(p<0.05),利用Excel軟件進行數據處理及繪圖。

2 結果與討論

2.1 理化性質檢測結果

經過多次測量取平均值得新鮮生乳中CO2濃度為(1.98±0.02) mmol/L,各生乳混合液的實際CO2濃度依次為11.37、21.56、30.99、41.47、51.04 mmol/L。

2.1.1 蛋白質含量 牛奶中的蛋白質是完全的蛋白質,含有人體所需的必需氨基酸,其消化率可達到90%～94%,許多國家把乳蛋白作為衡量牛奶質量的一個標準[13-14]。由圖2可知,處理組中添加了不同量的碳酸水,由于水的稀釋,蛋白質百分含量略有不同程度的下降,且碳酸水添加越多,蛋白質百分含量越低。當添加CO2濃度達到41.47 mmol/L的碳酸水時,蛋白質百分含量仍高于2.9%,而51.04 mmol/L碳酸水添加組的蛋白質含量為2.89%,略低于2.9%。在貯存期間,各組乳中蛋白質含量都有所下降,除51.04 mmol/L處理外,其余處理組下降程度相比對照組低。在4 d內,對照組與11.37 mmol/L和21.56 mmol/L組無顯著差異(p>0.05),第5 d開始有顯著差異(p<0.05)。添加碳酸水對貯存過程中乳的蛋白質含量的下降有抑制作用,這主要是因為碳酸水抑制了乳中腐敗微生物的生長,減緩了微生物分解蛋白質的速度。

圖2 對照組與處理組生乳貯存期間的蛋白質含量變化Fig.2 The changes of protein in raw and carbonated milk during storage

2.1.2 脂肪含量 牛乳的脂肪含量一般為3%～5%,脂肪含量會影響乳的加工性能,乳脂肪的氧化變質會影響奶品的營養品質、完整性和安全性[15-16]。由圖3可看出,由于碳酸水的稀釋作用,各處理組脂肪百分含量也略有不同程度的降低,但仍高于3.1%。在貯存期間,處理組脂肪含量隨時間的推移也有所下降,但下降趨勢相比對照組較緩,且碳酸水添加量越多,下降越緩。第5 d時,對照組顯著(p<0.05)低于各處理組。說明添加碳酸水對貯存期乳的脂肪含量下降有抑制作用,可以推測,碳酸水可以抑制乳中脂肪酶的活性。

圖3 對照組與處理組生乳貯存期間的脂肪含量變化Fig.3 The changes of fat in raw and carbonated milk during storage

2.1.3 相對密度 牛乳中的相對密度可以用來衡量牛乳的內在質量和衛生質量[17],GB19301-2010中規定生乳相對密度不低于1.027。由圖4可知,各組生乳在貯存期間,相對密度隨時間的推移有波動,但變化不大。總的來說,添加一定量碳酸水對乳有稀釋作用,但在正常范圍內,當碳酸水添加量較多,即CO2濃度達到51.04 mmol/L時,生乳相對密度接近1.027。

圖4 對照組與處理組生乳貯存期間的相對密度變化Fig.4 The changes of specific gravity in raw and carbonated milk during storage

2.1.4 pH 根據對4 ℃下貯存期內各組pH的監測,發現各組生乳的pH均呈下降趨勢,但處理組pH下降比對照組平緩,且碳酸水添加越多,pH下降越平緩,第6 d時對照組顯著(p<0.05)低于其他組。在貯存期,腐敗微生物的生長引起生乳的酸敗,使其pH下降,而碳酸水對乳的酸敗有明顯的抑制作用。

圖5 對照組與處理組生乳貯存期間的pH變化Fig.5 The changes of pH in raw and carbonated milk during storage

2.1.5 滴定酸度 正常新鮮牛乳呈微酸性,中華人民共和國國家標準GB19301-2010中對生鮮牛乳的酸度值規定為12～18 °T[18]。由圖6可知,在4 ℃貯存期間,對照組生乳酸度顯著上升,第7 d時,對照組顯著(p<0.05)高于其他組。而處理組中隨著CO2濃度的增加,酸度上升趨勢平緩,51.04 mmol/L組酸度基本不變。說明碳酸水可有效抑制乳的酸度上升,而且CO2濃度越大,抑制作用越明顯。

2.1.6 菌落總數 菌落總數是評價生乳新鮮度和可使用性,保證乳品安全的最重要的微生物指標。由圖7可得,碳酸水的添加對4 ℃下生乳中細菌總數影響較大,明顯抑制了細菌總數的增加。以菌落總數對數值6.3 lgCFU/mL(GB 19301-2010)為參照,對照組的安全保存期為36 h,而處理組隨著CO2含量的增加,保存期依次為42、48、54、72、72 h,乳中CO2濃度為41.47 mmol/L和51.04 mmol/L時可以使原料乳的保質期延長一倍。添加碳酸水能延長生乳冷藏保存期,且碳酸水添加越多,貯存過程中菌落總數增殖越慢。但是,與國外可將生乳保質期延長至6～9 d相比[19],本實驗延長保質期的時間相對較短,可能是由于已經過了碳酸水作用的最佳時間—遲滯期,微生物在生乳擠出到運送到實驗地點的時間內增殖迅速。

圖7 對照組與處理組生乳貯存期間的菌落總數對數值變化Fig.7 The lgN changes of total aerobic bacteria in raw and carbonated milk during storage

2.1.7 煮沸實驗結果 煮沸實驗可以從感官上判定生鮮牛乳的品質。由表1清晰可見,添加碳酸水對貯藏在 4 ℃下生鮮牛乳的煮沸實驗結果影響較大。對照組生乳貯存到第5 d煮沸實驗即有凝結現象,此時,蛋白質的結構發生改變,生乳酸敗變質,不再呈均勻的乳狀液,而是呈絮狀、顆粒狀析出聚集,表明牛乳蛋白的穩定體系已經被破壞。而添加了碳酸水的處理組,都在第7 d才出現凝結現象,說明碳酸水的添加可有效延長生乳的冷藏保存期。

表1 對照組與處理組生乳貯存期間的煮沸實驗Table 1 The results of boiling test in raw and carbonated milk during storage

注：(-)表示陰性,無凝結或絮狀沉淀,穩定性好;(+)表示陽性,有凝結或絮狀沉淀,穩定性差。

2.2 去除實驗

由2.1可知,CO2濃度越高碳酸水對生乳的保鮮效果越好,但較多碳酸水的加入會在一定程度上影響其理化指標。因此,選擇添加碳酸水至混合乳的CO2含量為40 mmol/L作為最佳添加量,并進行進一步的旋蒸實驗。

2.2.1 水分含量檢測結果 由表2可直觀地看到,對照組生乳水分含量為87.5%,處理組為89.1%,各旋蒸組生乳水分含量隨著旋蒸時間的增加而下降,旋蒸15 min時,水分含量為87.6%,與對照組無顯著差異(p>0.05)。可見,實驗室條件下的負壓旋蒸可以模擬乳品工廠中的閃蒸,且旋蒸15 min即可去除由于添加碳酸水所增加的水分,恢復到原始生牛乳的狀態。

表2 對照組、處理組、旋蒸組生乳的水分含量Table 2 Moisture contents of raw,carbonated and evaporated milk

注：標注不同字母表示數據有顯著性差異(p<0.05)，表3同。

2.2.2 CO2含量檢測結果 由表3可直觀看到,對照組生乳CO2含量為1.98 mmol/L,處理組為41.47 mmol/L,而各旋蒸組生乳CO2含量隨著旋蒸時間的增加而下降,旋蒸15 min組與對照組無顯著差異(p>0.05)。

表3 對照組、處理組、旋蒸組生乳的CO2含量Table 3 CO2 contents of raw,carbonated and evaporated milk

2.2.3 DSC檢測結果 從前文分析可知,負壓旋蒸到15 min時的狀態與對照組很接近,因此選擇對照組、41.47 mmol/L處理組、旋蒸15 min組進行差式量熱掃描實驗,用差式量熱掃描法研究熱穩定性。如圖8為各組DSC掃描圖。

圖8 對照組、處理組、旋蒸15 min組的差式熱量掃描圖Fig.8 DSC analysis of raw,carbonated and evaporated milk注:(A)對照組生乳,(B)處理組生乳,(C)旋蒸15 min組生乳。

由圖8和表4可以看出,三組生乳的DSC掃描圖和熱分析數據基本相同。對照組與處理組相變起始溫度基本相同,但峰值溫度、終止溫度、熱量變化差別比較大,說明添加碳酸水使生乳熱變性質改變。而對照組與旋蒸組在相變溫度、峰值溫度、終止溫度和焓變各個方面都很接近,說明旋蒸15 min已經使處理組生乳基本恢復到了對照乳水平。

表4 對照組、處理組、旋蒸15 min組的DSC熱分析數據Table 4 DSC analysis of raw，carbonated and evaporated milk

3 結論

在本實驗中,添加碳酸水對生乳理化性質略有影響,但各指標基本在國家標準范圍內。碳酸水的添加對生乳中多種微生物均有抑制作用,減緩了生乳的酸敗,且抑制作用與生乳混合液的CO2濃度呈正相關。綜合考慮經濟效益與保存效果,選擇碳酸水添加至CO2含量為40 mmol/L作為保存生乳品質的最佳添加量,此添加量可有效延長生乳的保鮮時間。在碳酸水去除實驗中,41.47 mmol/L組生乳在55 ℃、-0.085～-0.095 MPa條件下旋蒸15 min后可恢復到對照組水平,且不會對生牛乳的理化性質造成影響。因此,采用添加碳酸水的方法延長生牛乳的冷藏保存期具有可行性。

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Study on the preservation effect of carbonated water on milk and the removal of carbonated water from raw milk

YU Jia,LIU Hui-ping*,LI Wei-hong,WANG Yu,LIU Shao-juan

(College of Food Engineering and Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457,China)

This study aimed to explore a method that could prolong the cold storage shelf life of raw milk. The aerobic plate count,physical and chemical indicators of the raw milk(4 ℃)which were added different amount of carbonated water were detected in refrigeration. In addition,carbonated water was removed by rotary evaporation. The results showed that the addition of carbonated water could delay the spoilage of milk,and the higher consistence of CO2dissolved,the more obvious inhibition effects were. In the carbonate water removal experiment,the water content,CO2content and thermal stability of the milk of 41.47 mmol/L group which was rotated and evaporated for 15 min in 55 ℃,-0.085～-0.095 MPa could restore to the control group. Carbonated water could be removed easily and had no impact on the physical and chemical properties of raw milk. Therefore,adding carbonated water can be used to extend the refrigerated shelf life of raw milk.

raw milk;carbonated water;preservation;removal effect

2016-12-29

俞佳(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：動物資源開發與功能食品，E-mail：tiantian881221@163.com。

*通訊作者:劉會平(1964-)，男，博士，教授，研究方向：動物資源開發與功能食品，E-mail：liuhuiping111@163.com。

天津市科委項目(13KQZZNC0664)。

TS252.2+6

A

1002-0306(2017)15-0020-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.005