抹茶牛奶飲料配方優化

劉 媛,賈志磊,李啟明,*,劉絨梅,段雪梅,丁 順,陳 龍

(1.新希望乳業股份有限公司,四川成都 610011;2.新希望乳業股份有限公司,乳品營養與功能四川省重點實驗室,四川成都 610011)

抹茶起源于中國隋唐,相比普通綠茶粉,抹茶粉對原料、工藝有著更嚴格的要求,而且生產更加費時費力[1]。為了保證茶葉的鮮亮和鮮嫩,茶葉采摘前20 d必須搭蓋棚架進行覆蓋遮陽[2]。研究表明,遮陽措施會直接影響茶葉的香氣和品質[3-4]。抹茶具有原質、原色、原味、清香、清口,略帶青草氣,最大限度的保留茶葉中所有的活性物質等特點[6]。抹茶顆粒的細度比普通綠茶粉要細2～20倍[5,7]。因此,抹茶顆粒能夠很好的在水中懸浮,長時間不沉淀。抹茶中含有的咖啡堿和L-茶氨酸的含量分別是普通綠茶的2倍和4倍[8-10]。抹茶中含有的茶多酚能保護和修復抗氧化系統,增強機體免疫力,預防癌癥,抵抗衰老[11]。另外,抹茶還具有改善視力、預防齲齒和高血壓、降血脂等功效[5,12]。抹茶被廣泛應用于食品、飲料、保健品和化妝品等諸多領域[13-14],深受消費者追捧。

抹茶牛奶飲料結合了抹茶和牛奶的雙重營養特性,良好的風味和翠綠的色澤,在街邊即飲店深受消費者喜愛。但工業化生產工序中,如浸提、高溫殺菌、熱灌裝容易造成多酚物質和葉綠素的破壞,易出現褐變導致營養流失[15]。在高溫和光線照射下,葉綠素分子結構中的鎂原子被氫等原子取代,進一步形成褐色物質[16]。此外,茶多酚及其氧化物的羥基與咖啡因的羰基通過氫鍵結合形成大分子化合物而產生沉淀。從而導致產品在貨架期內出現變色和穩定性差等問題[17]。

本試驗采用抹茶和奶粉為主要原料,依據王國宇等[1]模糊數學分析法對不同抹茶原料的沖調工藝和風味進行篩選。通過單因素和響應面試驗對抹茶牛奶飲料配方進行研究,并結合穩定性試驗,為抹茶牛奶飲料產品工業化生產,提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

抹茶Ⅰ號樣(XXW-605) 茗葉食品(上海)有限公司;抹茶Ⅱ號樣(XXW-617) 怡程食品(上海)有限公司;抹茶Ⅲ號樣(XXW-621) 成都志合恒達商貿有限公司;全脂奶粉、脫脂奶粉 新西蘭恒天然集團;稀奶油 雀巢有限公司;復配增稠穩定劑XXW-219(微晶纖維素、單,雙甘油脂肪酸酯、結冷膠、羧甲基纖維素鈉) 丹尼斯克(中國)有限公司;葉綠素銅鈉鹽 食品級，德樂食品飲品配料(上海)有限公司;食用鹽、白砂糖、磷酸氫二鈉、維生素C、葡萄糖酸鋅 市售。

AR1140/C分析天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;JA5002電子天平 上海浦春計量儀器有限公司;RW20攪拌槳 艾卡(廣州)儀器設備有限公司;UPT-Ⅱ-10T純水機 深圳市優普特科技有限公司;NS2002H均質機 基伊埃技術設備(上海)有限公司;FE20 pH計 梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司;TF-AS1超高溫殺菌機 上海沃迪科技有限公司;SPX-150BSH-Ⅱ生化培養箱 上海新苗醫療器械制造有限公司;LUMiSizer612穩定性分析儀 德國LUMi公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 抹茶牛奶飲料制作工藝流程

1.2.2 關鍵操作點 20% RO水調節至一定溫度,加入一定量的抹茶粉,0.01%的維生素C,0.005%的葉綠素銅鈉鹽和0.012%的葡萄糖酸鋅,充分攪拌分散,浸泡30 min,調節茶湯pH至7.0,200目過濾。50% RO水升溫至50 ℃,攪拌溶解一定量的奶粉,靜置水合30 min,水合完成后升溫至55～60 ℃,高剪溶解一定量的白砂糖和穩定劑以及0.01%的食鹽,加入一定量的稀奶油。茶湯與奶粉溶液攪拌混勻,定容,調節pH至7.0。經均質(18～20 MPa,60～65 ℃),超高溫殺菌(139 ℃,4 s),無菌灌裝。

1.2.3 抹茶原料篩選 不同抹茶所呈現的茶湯色澤、風味直接影響著產品的品質,篩選合適的抹茶原料極其重要。GB/T 34778《抹茶》中對抹茶感官品質進行了分級,本試驗選用三款原料,參考王國宇等[1]模糊數學法,選定10名食品專業感官品評從業人員作為評定小組,對抹茶的香氣、色澤、口感、形態4個因素感官評定[21],感官評價標準見表1。

表1 抹茶感官評價標準Table 1 Sensory evaluation standard of matcha

1.2.4 抹茶粉沖調溫度篩選 抹茶粉的沖調溫度和工藝直接影響著茶湯風味和色澤,甚至影響產品貨架期穩定性。本實驗選用不同溫度(20、40、60、80 ℃)的RO水沖調抹茶粉,抹茶粉與水的質量比為1∶20,通過感官品評表1和穩定性觀察,確定抹茶沖調溫度。

1.2.5 單因素實驗

1.2.5.1 全脂和脫脂奶粉添加比對飲料感官評價的影響 為保證飲料的蛋白含量為2.0 g/100 g,全脂奶粉的添加量為1%、2%、3%、4%和5%時,脫脂奶粉的加入量為5.2%、4.5%、3.8%、3.1%和2.4%。全脂和脫脂奶粉添加比為1∶5.2、2∶4.5、3∶3.8、4∶3.1、5∶2.4,白砂糖添加量6%,抹茶添加量0.8%,稀奶油添加量0.5%,復配增稠穩定劑添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.2 白砂糖添加量對飲料感官評價的影響 添加不同量的白砂糖(2%、4%、6%、8%、10%),全脂和脫脂奶粉添加比為4∶3.1,蛋白含量為2.0 g/100 g,抹茶添加量0.8%,稀奶油添加量0.5%,復配增稠穩定劑添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.3 抹茶添加量對飲料感官評價的影響 添加不同量的抹茶(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%),全脂和脫脂奶粉添加比為4∶3.1,蛋白含量為2.0 g/100 g,白砂糖添加量6%,稀奶油添加量0.5%,復配增稠穩定劑添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.4 稀奶油添加量對飲料感官評價的影響 添加不同量的稀奶油(0.10%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%),全脂和脫脂奶粉添加比為4∶3.1,蛋白含量為2.0 g/100 g,白砂糖添加量6%,抹茶添加量0.8%,復配增稠穩定劑添加量0.2%,pH7.0。

1.2.5.5 復配增稠穩定劑添加量對飲料感官評價的影響 添加不同量的復配增稠穩定劑(0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%),全脂和脫脂奶粉添加比為4∶3.1,蛋白含量為2.0 g/100 g,白砂糖添加量6%,抹茶添加量0.8%,稀奶油添加量0.5%,pH7.0。

1.2.6 響應面試驗 在單因素實驗的基礎上,根據飲料配方設計的蛋白質和脂肪的含量,確定全脂奶粉和脫脂奶粉添加比和稀奶油添加量,對其余3個因素利用響應面分析法對飲料感官評價進行進一步的優化。根據Box-Behnken試驗設計原理[22],選取白砂糖添加量(A)、抹茶添加量(B)、復配增稠穩定劑添加量(C)3個因素為自變量,以感官評價分數為響應值(Y),進行3因素3水平的響應面試驗分析,試驗因素與水平設計見表2。

表2 響應面因素與水平表Table 2 Factors and levels of response surface

1.2.7 飲料感官品評標準 10位食品專業感官品評員分別對飲料組織狀態(20分)、色澤(20分)、氣味(20分)、口感(20分)和喜愛度(20分)進行打分,感官評價標準如表3。

表3 抹茶牛奶飲料感官評價標準Table 3 Sensory evaluation standards of matcha milk beverage

1.2.8 產品質量指標 利用最優配方制作抹茶牛奶飲料，將其采用139 ℃，超高溫殺菌4 s進行相關指標測定。

1.2.8.1 蛋白質測定測定 凱氏定氮法測定產品中蛋白質含量,平行測定3次,取平均值。

1.2.8.2 pH測定 在室溫下,將pH計校正后,在20 ℃下測定樣品的pH,平行測定3次,取平均值。

1.2.8.3 固形物測定 在室溫下,先對手持式糖度計進行調零,測定樣品的固形物含量,平行測定3次,取平均值。

1.2.8.4 菌落總數及大腸桿菌測定 分別按照GB 4789.2-2016 菌落總數、GB 4789.3-2016 大腸菌群計數進行測定。

1.2.8.5 穩定性檢測 抹茶牛奶飲料采用139 ℃ 4 s超高溫殺菌,將制作好的樣品在常溫25 ℃下保存24 h后,使用Lumisizer穩定性分析儀分析測試產品的狀態,測定參數為溫度25 ℃,離心速度4000 r/min,照射光源為870 nm,每15 s獲取一次數據，得到透射圖。通過得到的透射圖來分析樣品的穩定性。在4 ℃冰箱、25 ℃常溫和37 ℃烘箱分別各放置30瓶樣品,每周進行一次穩定性觀察,并隨機抽取3瓶樣品進行品評。

1.3 數據處理

采用Origin 8.0進行單因素實驗數據的處理并作圖,Design Expert 8.0.6軟件設計響應面實驗方案并進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 抹茶原料篩選

3款抹茶原料的感官評定結果如表4,表中的數值表示選擇相應等級的人數。通過歸一化處理得到3款抹茶樣品的模糊矩陣結果如下:

表4 三款抹茶樣品的感官評級Table 4 Sensory evaluation of three types of matcha samples

依據模糊變換原理:B=P×Rj,其中P為權重集,R為模糊矩陣;分別對三款抹茶原料進行綜合評價。

如Ⅰ號樣品為:

同理:B2=(0.24,0.28,0.48);B3=(0.24,0.22,0.54),對于結果排列分別為差、中、好,根據最大隸屬度原則,3款抹茶原料等級都屬于好。但由于Ⅰ號樣品峰值(0.66)最高,Ⅲ號樣品(0.54)次之,Ⅱ號樣品(0.48)最低,所以三個抹茶樣品優劣順序依次為B1>B3>B2,因此本試驗選用Ⅰ號抹茶樣品為原料。

2.2 抹茶沖調溫度篩選

選用Ⅰ號抹茶原料,RO水在不同溫度下(20、40、60、80 ℃)用于沖泡茶粉,感官評定結果見表5。依據模糊變換原理:B20 ℃=(0.16,0.32,0.52);B40 ℃=(0.26,0.32,0.42);B60 ℃=(0.34,0.38,0.28);B80 ℃=(0.36,0.48,0.16)。對于結果排列分別為差、中、好,根據最大隸屬度原則,20和40 ℃的評價結果屬于好,60和80 ℃評價結果屬于中,四個不同溫度下的感官評定結果好壞順序依次為B20 ℃>B40 ℃>B80 ℃>B60 ℃,因此本實驗選用20 ℃沖調抹茶粉。

表5 抹茶粉沖調溫度的感官評價Table 5 Sensory evaluation of different mixing temperature of matcha powder

2.3 單因素實驗結果

2.3.1 全脂和脫脂奶粉添加比對飲料感官評價的影響 由圖1可以看出,隨著全脂和脫脂奶粉添加比逐漸增大,整體感官評分逐漸增加,當添加比為3∶3.8時，對飲料感觀評分無顯著影響。當添加比超過4∶3.1時,整體感官評分開始下降。奶粉的添加量不足時,飲料的茶香味重,而奶香味不足。奶粉添加過量,飲料的奶香過于醇厚,茶香不明顯[23]。適宜的比例使飲料的奶香和茶香融合,香味醇厚。因此,確定最佳的全脂和脫脂奶粉添加比為4∶3.1。

圖1 全脂和脫脂奶粉添加比對飲料感官評分的影響Fig.1 Effect of whole-to-skimmed milk powder ratio on beverage sensory evaluation

2.3.2 白砂糖添加量對飲料感官評價的影響 由圖2可知,隨著白砂糖添加量的增大,整體感官評分逐漸增大,當添加量超過6%時,感官評分逐漸降低。白砂糖添加量較低時會導致飲料的甜味不足,香味無法充分釋放,飽滿度欠缺。白砂糖添加過量,飲料甜味過甜,口感甜膩[23]。本實驗中,隨著白砂糖添加量的增加,飲料感官評分變化明顯,故仍需通過下一步響應曲面法進行優化,暫選白砂糖添加量區間為4%～8%。

圖2 白砂糖添加量對飲料感官評分的影響Fig.2 Effect of sugar content on beverage sensory evaluation

2.3.3 抹茶添加量對飲料感官評價的影響 從圖3可以看出,隨著抹茶添加量的逐漸增加,整體感官評分呈現增加趨勢,當添加量超過0.8%時,感官評分開始下降。抹茶的添加量主要影響飲料的色澤和茶香味,添加量不足時,飲料的顏色較淺,且茶香味較弱,添加過量時,飲料的茶香味濃郁,奶香味不明顯[23]。因此,需通過響應面法進行下一步的優化,暫選抹茶的添加量為0.6%～1.0%。

圖3 抹茶添加量對飲料感官評分的影響Fig.3 Effect of matcha content on beverage sensory evaluation

2.3.4 稀奶油添加量對飲料感官評價的影響 由圖4可知,隨著稀奶油添加量的增加,飲料的感官評分增加，當稀奶油的添加量為0.5%時達到最高感官評分,添加量大于0.5%對飲料感官評分影響不明顯。稀奶油的添加使飲料的口感細膩順滑,奶味醇香。綜合考慮成本等因素,確定適宜的稀奶油添加量為0.5%。

圖4 稀奶油添加量對飲料感官評分的影響Fig.4 Effect of dilute cream content on beverage sensory evaluation

2.3.5 復配增稠穩定劑添加量對飲料感官評價的影響 從圖5可以看出,隨著穩定劑添加量逐漸增加,感官評分呈遞增趨勢,當穩定劑添加量達到0.2%時,感官評分最大,之后評分開始明顯下降。復配增稠穩定劑的添加量對飲料的順滑度、稠厚度以及整體風味的飽滿度等方面影響明顯[24]。因此,復配增稠穩定劑的添加量仍需進一步優化確定,暫選添加量為0.15%～0.25%。

圖5 復配增稠穩定劑添加量對飲料感官評分的影響Fig.5 Effect of complex thickening stabilizer content on beverage sensory evaluation

2.4 抹茶牛奶飲料制作配方的響應優化

2.4.1 模型方程建立與顯著性檢驗 根據單因素實驗的結果,白砂糖、抹茶及復配增稠穩定劑的添加量對飲料感官評價影響明顯。因此,選用響應面分析法對抹茶牛奶飲料的制作工藝進行進一步優化。試驗設計方案及結果見表6。

表6 響應面分析及結果Table 6 Results of response surfaces experiments

通過響應曲面法以感官評分(Y)為響應值,以白砂糖添加量(A)、抹茶添加量(B)、復配增稠穩定劑添加量(C)為自變量,對試驗結果進行線性擬合分析,得到各變量方差分析如表7所示。得到擬合方程Y=85.70+1.70A+0.90B-2.80C-1.05AB+1.45AC+1.55BC-8.48A2-5.77B2-7.68C2。

表7 回歸方差分析表Table 7 Analysis of results of regression and variance

2.4.2 交互作用影響結果 從圖6～圖11中可直觀看出，各因素之間的交互作用均呈現先上升后下降的拋物線型關系，說明兩兩交互均對產品的感官評分有較大的影響。

圖6 白砂糖和抹茶的交互項響應面圖Fig.6 Response surface of sugar and matcha

圖7 白砂糖和抹茶的等高線圖Fig.7 Contour lines of sugar and matcha

圖8 白砂糖和復配增稠穩定劑的交互項響應面圖Fig.8 Response surface of sugar and complex thickening stabilizer

圖9 白砂糖和復配增稠劑的等高線圖Fig.9 Contour lines of sugar and complex thickening stabilizer

圖10 抹茶和復配增稠穩定劑的交互項響應面圖Fig.10 Response surface of matcha and complex thickening stabilizer

圖11 抹茶和復配增稠穩定劑的等高線圖Fig.11 Contour lines of complex thickening stabilizer and matcha

通過回歸模型的分析,以感官評分為評價指標,白砂糖、抹茶、復配增稠穩定劑的最適添加量分別為:6.16%、0.81%、0.19%。在此條件下,模型預測的感官評分為86.0分。為了檢驗響應曲面的可行性,對分析得到的最優添加進行試驗驗證,進行3組平行試驗,得到感官評價平均值為85.1分,相對偏差為1.08%,實際值與理論值基本相符,說明模型對抹茶牛奶飲料的制作工藝的優化可靠可行,具有一定的實用價值。

2.5 產品理化指標及微生物檢測結果

在139 ℃ 4 s的條件下進行超高溫殺菌,檢驗理化及微生物指標。抹茶牛奶飲料中菌落總數和大腸菌群符合GB 7101-2015《食品安全國家標準 飲料》。抹茶牛奶飲料的固形物含量為12.5%,pH為6.85。蛋白質含量為2.0 g/100 g,符合GB/T 21732-2008《含乳飲料》國家標準。此外,與市售同類產品對比發現,本產品的蛋白質含量要高于同類產品,與現有科研文獻對比,葛云等[23]研制的抹茶液體奶茶,蛋白質含量約為1.6 g/100 g;王國宇等[1]研制的抹茶奶茶固體飲料,蛋白質含量10.3 g/100 g。本研究的液體抹茶牛奶飲料風味飽滿且穩定性較好。

2.6 產品感官評定及穩定性檢測結果

2.6.1 產品的穩定性狀態檢測 對樣品進行Lumisizer穩定性分析,圖譜結果與不穩定系數結果分別見圖12和圖13。樣品管水平放置在儀器中(管頂在中心,管底在外側),在離心作用下,樣品中的沉淀逐漸沉積在管底。從圖13可以看出,初始時樣品的粒子分布都很均勻,隨著離心時間的增加,透光率曲線漸漸開始發生變化,具體表現為底部的透光率比上部的透光率稍大,說明樣品中的粒子少量向上移動,但變化程度較小。表明產品的離心穩定性較好,預測在貨架期內具有良好的穩定性。

圖12 穩定性分析圖譜Fig.12 Chromatograms of stability analysis注:橫坐標表示樣品管的位置: 左側為樣品管頂部,右側為樣品管底部。

圖13 不穩定系數隨時間變化情況Fig.13 Changes of the instability index with time

2.6.2 不同溫度下產品貨架期穩定性狀態 由表8的觀察結果可知,在10周的貨架穩定性實驗中,4 ℃冰箱和25 ℃常溫兩個條件下,樣品的穩定性整體表現良好,僅出現輕微的析水、脂肪上浮和沉淀情況。37 ℃烘箱中的樣品在留樣觀察的第2～3周出現輕微的析水、脂肪上浮和沉淀,在第6周時開始出現較嚴重的脂肪上浮,在第9周時開始出現較多的沉淀。

表8 抹茶牛奶飲料的貨架穩定性Table 8 Stability of matcha milk beverage

2.6.3 不同溫度下產品貨架期感官評價 圖14的感官評價結果表明,在10周的貨架期內,隨著留樣時間的增加,37 ℃烘箱條件下的樣品比常溫放置樣品的感官評分下降更快,4 ℃冰箱條件下樣品的感官評分下降最慢。第10周時,冰箱樣品的整體感官評價優于常溫和烘箱樣品。烘箱樣品的色澤由最初的鮮綠色變為暗綠色,茶香味減弱較明顯,常溫樣品仍保持較好的色澤和茶香味。從組織狀態和口感的評分來看,烘箱和常溫樣品的差異較小?？傮w來講,根據37 ℃烘箱中樣品的穩定性觀察和口感品評結果,可以大致推算出產品可以滿足6個月的常溫保質期。

圖14 不同條件下樣品的感官評價結果Fig.14 Sensory evaluation results of samples under different conditions

縱觀國內外市場上的抹茶牛奶飲品,包裝主要是無菌磚、玻璃瓶和PET瓶,保質期多為6～9個月,產品在貨架期內仍存在沉淀、脂肪上浮、顏色變化等問題,口感及穩定性并不理想。本實驗得到的方案能較好地解決上述問題,產品在貨架期內感官和理化指標的穩定性均有良好表現。

3 結論

采用模糊數學法對3款抹茶原料和沖調溫度進行感官評定,選取了Ⅰ號樣品為試驗原料,選擇20 ℃作為抹茶粉沖調溫度。在單因素實驗設計的基礎上進行三因素三水平的Box-Behnken響應面實驗,建立了響應值和各因素之間的數學模型,依據模型確定抹茶牛奶飲料的最佳配方:全脂奶粉的添加量為4%,脫脂奶粉的添加量為3.1%,白砂糖添加量6.16%,抹茶添加量0.81%,復配增稠穩定劑添加量0.19%,稀奶油添加量0.5%,此時感官評分為85.1分。模型分析和響應面分析表明,該模型回歸方程極顯著,對實驗擬合較好,對于抹茶牛奶飲料配方的優化有一定的參考價值。最后對飲料進行超高溫殺菌,微生物檢驗和理化指標檢驗結果均符合標準。穩定性檢測和口感品評結果表明,產品配方設計可以滿足6個月貨架期的需求。