工藝優化對長保質期酸奶穩定性的改善

楊暢，李洪亮，李樹森，李星巖，季慧蘋，高飛*

內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司（呼和浩特 011500）

長保質期酸奶在貨架期內儲存和運輸過程中的穩定性尤為重要[1-2]，衡量這一穩定性的重要指標之一就是持水力。持水能力越強，體系的穩定性越好[3]。研究表明，酸奶生產中多種添加劑如果膠、海藻酸丙二醇酯（PGA）和變性淀粉羥丙基二淀粉磷酸酯（Hydroxypropyl distarch phosphate，HPDSP）等的添加可以有效提高體系的持水力，降低酸奶的乳清析出，提升酸奶體系的穩定性[4-6]。

酸奶凝膠持水力的測定方法一般為離心法[7-9]，即通過離心作用將酸奶體系中的乳清和水離出，計算離心沉淀率來表征體系的持水能力。這一方法可用來模擬酸奶體系受到外界作用力時的穩定性，但儲存環境溫度對體系穩定性的影響卻缺乏相應的測定方法。

差示掃描量熱法（Differential scanning calorimetry，DSC）是一種在程序控制溫度下，通過建立樣品與參比物之間功率差和溫度的關系，來分析體系熱效應的技術手段[10]。此方法因其具有樣品需求量少、成本低、簡便快速的特點[8]而被廣泛應用于醫藥[11]、材料[12]、生物[13]及食品[14]等領域。通過測定酸奶體系中凝膠與水結合的熱差焓變值，可以表征酸奶受到環境溫度影響時的持水能力變化情況。

試驗以DSC作為樣品熱分析的方法來表征體系受到外界溫度影響時持水能力的變化情況；同時，試驗也通過離心的方式對體系受到外力作用時的持水能力進行測定，并將二者的測定結果進行比較和分析。在此基礎上，通過響應面法重點研究果膠、PGA、羥丙基二淀粉磷酸酯3種添加劑的工藝優化對體系穩定性的改善。以期為提高長保質期酸奶在儲存和運輸過程中的穩定性提供一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

白砂糖（青島日昇昌食品配料有限公司）；果膠（美國CP Kelco公司）；羥丙基二淀粉磷酸酯：泰萊貿易（上海）有限公司；PGA（江西百盈生物技術有限公司）。試驗中用到的原輔料均為食品級。

1.1.2 試驗儀器

APV-1000均質機（德國APV公司）；DSC 3差示掃描量熱儀（瑞士Mettler公司）；XS 204分析天平（瑞士Mettler公司）；CT 6 E日立臺式離心機（長沙科美分析儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 長保質期酸奶生產工藝

長保質期酸奶生產工藝[15]流程見圖1，終產品以1 kg計。圖1中的配料階段的添加劑為果膠、PGA及HPDSP中的一種或幾種，其他工藝過程均執行現行國家標準。

圖1 長保質期酸奶工藝流程圖

1.2.2 離心法測定體系持水力

準確稱取10.0 g樣品，裝入離心管中，離心機的轉速設定為4 000 r/min，離心時間設定為5 min，持水率以WHC（Water Holding Capacity）表示，WHC按式（1）計算。

式中：m0為離心管的質量，g；m1為離心后樣品和離心管的總質量，g；m2為樣品質量，g。

1.2.3 差式掃描量熱法測定體系持水力

準確稱取5.0～10.0 mg樣品置于40 μL無定位針的鋁坩堝中，儀器初始測量溫度設定為30 ℃，測量結束溫度設定為150 ℃，加熱速率定為10 ℃/min。使用N2作為氣體保護氛圍，流量設定為50 mL/min。

1.2.4 響應面法優化添加劑的復配工藝

為了研究不同添加劑的復配工藝對酸乳凝膠產品穩定性的影響，試驗采用響應面法[16]（Response Surface Method，RSM）對各穩定劑復配工藝進行優化（終產品以1 kg計），試驗數據由Design-Expert 8.0.6軟件分析處理。試驗設計采用旋轉中心組合設計模塊（CCRD）的方式，對果膠、PGA、HPDSP的用量配比進行優化，以離心持水率和熱差焓變值作為衡量標準，試驗因素水平編碼表見表1。

表1 添加劑配比響應面試驗因素及水平編碼表

2 結果與討論

2.1 無添加劑時酸乳凝膠體系的穩定性分析

試驗設計的空白對照組為不添加任何穩定劑。在對照組條件下，對體系的離心持水力和熱差焓變值進行分析，熱差分析圖譜見圖2。

由圖2分析可知，ΔH為1 193.21 J/g，熱穩定性一般；對樣品進行離心分析，WHC為86.11%±0.87%，WHC低于90%，持水能力一般。由于長保質期酸奶需經過長時間的儲存，熱差焓變值需≥1 500 J/g，WHC需≥90%，才能確保產品在保質期內的品質。因此，不添加任何穩定劑的酸乳凝膠長時間存放產品品質不能得到保證。

圖2 不添加穩定劑時體系的熱差圖譜

2.2 不同添加劑單一使用時體系的穩定性分析

2.2.1 果膠對酸乳凝膠體系穩定性的影響

不同添加量的果膠對體系穩定性影響見圖3。隨著果膠添加量的上升，體系的熱差焓變值和離心持水力均呈現先上升后下降的趨勢，這主要是因為果膠可通過靜電相互作用附著在酸乳酪蛋白凝膠網絡結構的表面，達到提高熱穩定性、增強持水能力的目的[17]；但果膠添加量超過1.5 g/kg，其多余的負電荷無法與酪蛋白的正電荷中和，自身出現靜電排斥作用，造成對凝膠網絡結構的空間擠壓作用，導致水分子從網絡結構中析出，熱穩定性和持水能力均出現降低的趨勢。

2.2.2 海藻酸丙二醇酯（PGA）對酸乳凝膠體系穩定性的影響

不同添加量的PGA對體系穩定性影響見圖4。隨著PGA添加量的上升，體系的熱差焓變值和離心持水力均呈現先上升后下降的趨勢，這是因為隨著PGA含量的增加，其對酪蛋白凝膠網絡結構的保護作用逐漸加強，體系的穩定性逐漸提高，但當PGA的添加量大于1.0 g/kg時，PGA之間容易出現團聚結塊的現象[18]，由此導致受熱后水分子易于從網絡結構的孔隙中蒸發，熱穩定性下降。

圖3 果膠添加量對體系穩定性的影響

圖4 海藻酸丙二醇酯添加量對體系穩定性的影響

2.2.3 羥丙基二淀粉磷酸酯（HPDSP）對酸乳凝膠體系穩定性的影響

不同添加量的HPDSP對體系穩定性影響見圖5。隨著HPDSP添加量的上升，體系的熱差焓變值和離心持水力均呈現先上升后下降的趨勢，這是因為HPDSP具有很好的溶脹性能，其吸附在酪蛋白凝膠的表面，可形成酪蛋白-多糖的復合物膠粒，通過氫鍵的作用與水分子形成更加穩定的水化層[19]，從而提高體系的熱穩定性和持水能力。當HPDSP的用量達到18 g/kg時，體系中與酪蛋白結合的HPDSP達到飽和，此時由于HPDSP的分子量較大，對酪蛋白凝膠網絡結構形成擠壓作用，導致體系熱穩定性和持水能力均出現降低趨勢。

總體而言，3種添加劑果膠、PGA及HPDSP單獨添加，對體系熱穩定性和持水能力的影響均呈現出先增強后減弱的趨勢，但對三者復配使用時對體系穩定性的影響程度及因素之間的交互影響作用尚不明確，仍需通過響應面法優化試驗加以研究。

2.3 響應面法對添加劑復配的工藝優化

2.3.1 響應面試驗設計方案及結果

3個需要優化的工藝參數分別為果膠、PGA和HPDSP添加量，以熱差焓變值和離心持水力作為模型優化的2個變量，17組獨立試驗的結果見表2，其中有5個中心點。

圖5 羥丙基二淀粉磷酸酯添加量對體系穩定性的影響

表2 Box-Behnken模型試驗設計方案及結果

2.3.2 響應面回歸統計分析結果

對試驗結果進行回歸擬合，分別以離心持水力WHC和熱差焓變值ΔH作為響應值，得到的斜率與各因素之間關系的方程為：

回歸統計分析的結果分別見表3和表4。

此回歸模型的p＜0.000 1，極顯著，其決定系數R2=0.992 1；失擬項p＞0.1，不顯著項，說明此模型擬合度較好，方法可靠。由表3可知，此模型一次項A、B、C均為極顯著；二次項A2和B2為極顯著，C2顯著；交互項AB、AC為極顯著，說明果膠與PGA和HPDSP交互作用均極為顯著，但PGA與HPDSP之間的相互作用不顯著。

對模型各項分別進行F檢驗，p＜0.05定為顯著項，以“*”表示，p＜0.01為極顯著項，以“**”表示，p＞0.1為不顯著。此回歸模型F檢驗的p＜0.000 1，為極顯著項，其決定系數R2=0.988 1。失擬項p＞0.1，為不顯著項，說明此模型擬合度較好，方法可靠。由表3可知，此模型一次項A、B、C均為極顯著；二次項A2和B2為極顯著，C2不顯著；交互項AC、BC為極顯著，說明HPDSP與果膠和PGA交互作用均極為顯著，但果膠與PGA之間的相互作用則為不顯著。

表3 響應值為WHC的回歸統計分析結果

表4 響應值為ΔH的回歸統計分析結果

2.3.3 響應面因素交互的2D和3D圖像分析

2.3.3.1 響應值為WHC的因素交互圖像分析

觀察3個因素交互作用的響應面圖形和等高線圖形（圖6～圖8），結果發現每兩個因素的響應面圖中均有一個最佳交互水平。

從圖5可知，響應曲面的開口向下，說明果膠和PGA之間的復配有交互作用，固定果膠的添加量，PGA對體系WHC的影響呈現先增大后減小的趨勢；固定PGA的添加量，果膠的影響也呈現先增大后減小的趨勢。等高線圖中，沿A軸方向的線密度略高于沿B軸方向的線密度，說明果膠添加量的影響比PGA的影響略大。

從圖7可知，響應曲面的開口向下，說明果膠和HPDSP之間的復配有交互作用，固定果膠的添加量，HPDSP對體系WHC的影響呈現逐漸減小的趨勢；固定HPDSP的添加量，果膠的影響呈現先增大后減小的趨勢。等高線圖中，沿A軸方向的線密度明顯高于沿C軸方向的線密度，說明果膠添加量的影響比HPDSP的影響更大。

從圖8可知，響應曲面的開口向下，說明HPDSP和PGA之間的復配有交互作用，固定PGA的添加量，HPDSP對體系WHC的影響呈現逐漸減小的趨勢；固定HPDSP的添加量，PGA的影響呈現先增大后減小的趨勢。等高線圖中，沿B軸方向的線密度明顯高于沿C軸方向的線密度，說明PGA添加量的影響比HPDSP的影響更大。

圖6 響應值為WHC時果膠和PGA之間的等高線圖及響應面圖

圖7 響應值為WHC時果膠和HPDSP之間的等高線圖及響應面圖

圖8 響應值為WHC時HPDSP和PGA之間的等高線圖及響應面圖

2.3.3.2 響應值為ΔH的因素交互圖像分析

觀察3個因素交互作用的響應面圖形和等高線圖形（圖9～圖11），結果發現每兩個因素的響應面圖中均有一個最佳交互水平。

由圖9可知，響應曲面的開口向下，說明果膠和PGA之間的復配有交互作用，固定果膠的添加量，PGA對體系ΔH的影響呈現先增大后減小的趨勢；固定PGA的添加量，果膠的影響也呈現先增大后減小的趨勢。等高線圖中，沿A軸方向的線密度略高于沿B軸方向的線密度，說明果膠添加量的影響比PGA的影響略大。

由圖10可知，響應曲面的開口向下，說明果膠和HPDSP之間的復配有交互作用，固定果膠的添加量，HPDSP對體系ΔH的影響呈現逐漸減小的趨勢；固定HPDSP的添加量，果膠的影響呈現先增大后減小的趨勢。等高線圖中，沿A軸方向的線密度明顯高于沿C軸方向的線密度，說明果膠添加量的影響比HPDSP的影響更大。

由圖11可知，響應曲面的開口向下，說明HPDSP和PGA之間的復配有交互作用，固定PGA的添加量，HPDSP對體系ΔH的影響呈現逐漸減小的趨勢；固定HPDSP的添加量，PGA的影響呈現先增大后減小的趨勢。等高線圖中，沿B軸方向的線密度明顯高于沿C軸方向的線密度，說明PGA添加量的影響比HPDSP的影響更大。

圖9 響應值為ΔH時果膠和PGA之間的等高線圖及響應面圖

圖10 響應值為ΔH時果膠和HPDSP之間的等高線圖及響應面圖

圖11 響應值為ΔH時HPDSP和PGA之間的等高線圖及響應面圖

由響應面的試驗結果得出：當果膠添加量為1.2 g，PGA的添加量為0.96 g，HPDSP的添加量為14.14 g時，試驗結果最佳，WHC可達到101.538%，ΔH為2 143.62 J/g。

2.3.4 響應面法優化添加劑配比的驗證試驗

根據響應面法給出的最優工藝條件進行三次獨立驗證試驗，得到體系的WHC值為99.87%±0.12%，ΔH值為2 131.11±2.98 J/g。與響應面法得到的擬合結果較為接近，說明響應面法能對試驗結果起到很好的預測作用，響應面法得到的最優工藝條件與實際驗證結果具有很好的相符性。

3 結論

試驗采用離心法和熱分析法分別對體系的持水能力進行測定，以此來表征不同添加劑的復配優化對體系穩定性的影響。之后在單因素試驗的基礎上，采用響應面法對不同添加劑的添加量進行工藝優化，響應面法得到的最佳工藝條件為：果膠添加量1.2 g/kg，PGA的添加量0.96 g/kg，HPDSP的添加量14.14 g/kg。在此條件下，體系的持水能力WHC最大，可達101.538%，熱差焓變值ΔH也最大，可達2 143.62 J/g，體系的穩定性最好。實際驗證時，體系持水力和熱差焓變值均與預測值較為接近，說明該方法是一種較好的工藝優化方法，可為工業化生產提供一定的指導意義。