牦牛乳清固體飲料的配方設計及優化

馬 燕,王 萍,梁 琪,*,高瑞平,宋雪梅

(1.甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省功能乳品工程實驗室,甘肅蘭州 730070)

乳清是生產干酪或干酪素時產生的副產物,保留了牛乳中約20%的蛋白質[1]。牦牛乳是營養價值極高且稀缺的國內高端乳源,其蛋白質及礦物質含量與普通牛乳存在差異[2-3]。李亞茹等[4]研究指出牦牛乳中β-乳球蛋白、血清白蛋白的含量均顯著高于普通牛乳。

據統計,按生產1噸干酪排出約9噸乳清廢液計算,地球每年有上億噸乳清需要處理。乳業發達國家已經具備較強的乳清處理能力,荷蘭的處理量高達95%,德國和美國達70%。與上述國家相比我國乳清液處理能力相對落后[5-6]。目前,國內外制備乳清粉主要采用噴霧干燥技術,進風口溫度在100 ℃以上[7-8]。α-乳白蛋白和β-乳球蛋白的失活溫度為63和74 ℃,失活后會影響乳清粉以及與乳清粉相關的嬰幼兒食品的營養功能特性。在自然狀態下,乳清蛋白中的巰基(-SH)具有活性,低pH(2.5～3.5),使得蛋白質的疏水性增強,-SH暴露,并與二硫鍵(S-S)反應導致熱凝聚[9-10]。

本研究利用減壓旋轉蒸發(45 ℃)和真空冷凍(-55～40 ℃)兩種控溫濃縮干燥技術結合制取乳清粉,區別于噴霧干燥制粉工藝,溫度控制在保留乳清蛋白活性的范圍內。擬生產的乳清片狀固體飲料在崩解劑的作用下,迅速溶解于水中,產生大量二氧化碳泡沫,飲入口中產生汽水般舒暢感。旨在促進乳清液回收利用以及產品研發創新,為工業化生產應用提供重要支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清液 甘肅省功能乳品工程實驗室甜干酪生產中排出的副產物,紗布粗濾,于-18 ℃冷凍保藏備用;碳酸氫鈉、酒石酸、聚乙二醇6000、阿斯巴甜(食品級)、乳糖 國產分析純。

RE-52AA旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;SCIENTZ-10ND冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司;DW-86L386立式超低溫保存箱 青島海爾特種電器有限公司;FR224CN分析天平 奧豪斯儀器(常州)有限公司;SDP-O小型手動壓片機 江蘇天誠機械;雷磁PHS-25/2F實驗室臺式酸度pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 固體飲料的工藝流程 制備乳清粉→乳清粉與輔料計量混合→研磨→粉末混合直壓→乳清飲料片

制備乳清粉時,需要注意濃縮液體量不宜過多,否則會在濃縮過程中出現大量泡沫,給操作帶來困難。其次濃縮濃度不能太高,否則在凍干后會出現粘壁現象,影響粉的品質和得率。研磨后,將乳清粉與輔料調配成的混料需攪拌均勻,否則會對飲料片崩解時間產生影響。

1.2.2 乳清粉的制備

1.2.2.1 制備過程 乳清液-18 ℃取出解凍,稱取約100 g,45 ℃旋轉蒸發至原液1/2,稱重記為W1,轉移至-55 ℃真空冷凍干燥,獲得乳清粉,稱重記為W2。

1.2.2.2 乳清粉得率計算

式中:W1濃縮液重量;W2凍干粉重量。

1.2.3 固體飲料的質量測定

1.2.3.1 崩解時間測定 參照《藥典》(2015版)四部0921。約45 ℃200 mL的溫熱水加入250 mL的燒杯,放入1片飲料片,計時。待片劑周圍氣體停止逸出,無聚集的顆粒殘存時停止計時,記錄數據,重復三次。

1.2.3.2 pH測定 測過崩解時間的料液進行攪拌后,用酸度計測定其pH,記錄數據。

1.2.3.3 發泡量測定 約45 ℃2 mL的溫熱水加入25 mL具塞刻度試管,放入1片飲料片,觀察發泡量,讀出泡沫到達的最大體積,記錄數據,重復三次。

1.2.3.4 感官評價 評分小組由15人組成,采用盲樣評定法對飲料片崩解后料液的口感、色澤、香氣進行評分。利用感官加權計算最終得分。感官評價設計見表1。

表1 乳清飲料片感官評價標準Table 1 Sensory evaluation criteria for whey beverageTablets

1.2.4 固體飲料的配方研究

1.2.4.1 單因素實驗 試驗選擇酒石酸為酸源,碳酸氫鈉為堿源,聚乙二醇6000為被膜劑,阿斯巴甜為甜味劑,乳糖為稀釋劑[11-12]。

設置崩解劑質量分數和酸堿配比為40%和2∶1,10%的聚乙二醇6000,5%的阿斯巴甜,選擇乳清粉添加量為20%、25%、30%、35%、40%,選用乳糖作為稀釋劑,考察不同的乳清粉添加量對固體飲料崩解時間、發泡量、pH、感官評分的影響;設置25%乳清粉,10%聚乙二醇6000,5%阿斯巴甜,20%乳糖,40%崩解劑,選擇崩解劑中酒石酸與碳酸氫鈉的酸堿比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2,考察崩解劑不同酸堿比對飲料pH和發泡量影響;設置25%乳清粉,10%聚乙二醇6000,5%阿斯巴甜,崩解劑中酒石酸和碳酸氫鈉的比例為1.5∶1,崩解劑添加量為25%、30%、35%、40%、45%,乳糖添加量根據崩解劑量進行調整,考察崩解劑添加量對飲料片的崩解時間和發泡量的影響；設置25%乳清粉,45%崩解劑(酸堿比1.5∶1),5%阿斯巴甜,選擇聚乙二醇6000添加量為6%、7%、8%、9%、10%,考察聚乙二醇6000添加量對飲料片崩解時間及外觀狀態的影響。

1.2.4.2 正交試驗 根據單因素實驗結果,40%～45%崩解劑(酒石酸和碳酸氫鈉酸堿比1∶1～2∶1),選取酒石酸添加量為22%、23%、24%,對應的碳酸氫鈉添加量為19%、20%、21%。參照《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》(GB 2760-2014),選取阿斯巴甜添加量為1%、3%、5%,以感官加權總分為評價指標做L9(34)正交試驗,主要考慮阿斯巴甜的甜味感和酒石酸的酸味感的協調性,以及酒石酸和碳酸氫鈉釋放二氧化碳溶于水中引起的氣泡刺激感,達到調配口感的目的,設計見表2。

表2 L9(34)正交試驗設計Table 2 L9(34) orthogonal test design

1.2.4.3 Box-Behnken響應面優化試驗 乳清粉添加量(X1)、酸堿配比(X2)、崩解劑添加量(X3)、阿斯巴甜添加量(X4)作為本試驗需要優化的四個因素,以感官加權總分(Y)為響應值應用Box-Behnken 設計一個四因素三水平的試驗,對乳清飲料片配方進行優化,試驗因素及水平編碼見表3。

表3 Box-Behnken響應面試驗設計Table 3 Box-Behnken response surface test design

1.3 數據處理

采用Design-Expert 8.0.6軟件進行Box-Behnken響應面試驗設計及數據處理,Excel的SUMPRODUCT函數計算感官加權總分,Origin 2018軟件進行繪圖,ANOVA進行顯著性分析,最終確定乳清飲料片的最佳工藝配方。

2 結果與分析

2.1 乳清粉得率

采取先濃縮后凍干的方法制粉,先除去大量的水分,以濃縮后的乳清液為基準,計算濃縮后的乳清粉得率,牦牛乳清粉得率為49.34%±0.33%。乳清中含有α-乳白蛋白和β-乳球蛋白,本研究控制旋轉蒸發溫度為45 ℃,真空冷凍干燥溫度為-55～40 ℃,低于乳清蛋白失活溫度[13-15]。

2.2 單因素實驗結果

2.2.1 乳清粉添加量對固體飲料品質的影響 乳清粉添加量對固體飲料品質的影響,結果見圖1。

圖1 牦牛乳清粉添加量對飲料片品質的影響Fig.1 Effect of the addition amount of yak whey powder on the quality of beverageTablets

參照市場對固體飲料崩解時間,以及參閱《藥典》固體片劑的崩解時間的要求,崩解時間控制在120 s內[16-18]。本試驗預設乳清粉為20%～40%,與崩解時間的關系見圖1a。當乳清粉為20%～30%時,崩解時間從55 s增至105 s,隨著乳清粉量的繼續增多,崩解時間增長,超出要求。飲料的品質與發泡量、pH和感官評價密切相關,由圖1b、1d、1c可知,當乳清粉為20%～30%時,發泡量在12～14 mL,料液的pH在6.40左右,感官評分高于3,飲料酸甜適中,具有氣泡感。綜合考慮,本試驗預選乳清粉為20%～30%。

2.2.2 崩解劑酸堿比對固體飲料發泡量和料液pH的影響 由表4可知,酸堿比為1∶1及2∶1之間時,飲料片的發泡量無顯著性差異(P>0.05),酸堿比為2∶1與3∶1之間時,飲料片的發泡量呈現顯著性差異(P<0.05)。此外,為防止低酸加劇乳清蛋白熱凝聚,控制pH為6.4～7.0之間,符合牦牛乳生理pH[19-22]。綜合考慮,本試驗預選酸堿配比范圍在1∶1～2∶1之間。

表4 堿酸比對飲料片發泡量和料液pH的影響Table 4 Effect of alkali acide ratio on foaming amount of beverageTablets and pH value of liquid

2.2.3 崩解劑添加量對固體飲料崩解時間和發泡量的影響 由圖2崩解時間可知,當崩解劑為25%～35%時,崩解時間從152降至120 s,隨著崩解劑量的增加,崩解時間逐漸降低。崩解效果與發泡量具有密切關系,由圖2發泡量可知,當崩解劑在35%～45%時,發泡量均大于8 mL。綜合考慮,本試驗預選崩解劑的添加量為40%～45%。

圖2 崩解劑添加量對飲料片崩解時間和發泡量的影響Fig.2 Effect of the amount of disintegrant added on the disintegration time limit and foaming amount of beverageTablets

2.2.4 聚乙二醇6000添加量對固體飲料品質的影響 按GB 2760-2014規定,聚乙二醇6000添加量為6%、7%、8%、9%、10%,再控制配方中剩余組分的含量,進行試驗。根據固體飲料(GB/T 29602-2013)標準,觀察飲料片外觀狀態,并測定其崩解時間,作為確定聚乙二醇6000添加量對飲料片品質影響的指標。由表5可知,6%與7%之間飲料片崩解時間無顯著性差異(P>0.05),7%、8%、9%、10%之間飲料片的崩解時間呈現顯著性差異(P<0.05)。從崩解效果來看,隨著聚乙二醇6000量的增加,崩解時間顯著性增長(P<0.05),添加量大于9%時,崩解時間大于120 s,添加量為6%～8%,崩解時間控制在120 s內。從成片效果來看,添加量8%時,成片后表面光滑平整,富有光澤。綜合考慮,本試驗預選聚乙二醇6000添加量為8%。

表5 聚乙二醇6000添加量對飲料片品質的影響Table 5 Effect of the amount of polyethylene glycol 6000 on the quality of beverageTablets

2.3 正交試驗結果

正交試驗的結果見表6。由表6可知,A、B、C、D四個因素的主次關系為:A>D>C>B,即對乳清飲料片口感影響最重要的因素是阿斯巴甜的添加量,接下來依次是乳清粉,酒石酸和碳酸氫鈉添加量。最優水平組合是A2B2C3D3,即阿斯巴甜的添加量為3%,碳酸氫鈉添加量20%,酒石酸添加量24%(酸堿配比為1.2∶1),乳清粉添加量為30%。其中阿斯巴甜、酒石酸和碳酸氫鈉分別符合GB 2760-2014蛋白飲料中甜味劑、酸度調節劑用量要求。從縱向水平口感分值來看,有多個分值過于接近,口感調配還需要提高,故選取阿斯巴甜2.5%、3%、3.5%,乳清粉25%、28%、30%,崩解劑酸堿配比1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1對配方進一步優化。

表6 L9(34)正交試驗結果Table 6 L9(34)orthogonal test results

2.4 Box-Behnken響應面優化試驗結果

2.4.1 統計分析和模型擬合 依據表7,用Expert-Design8.0.6軟件對自變量X1、X2、X3、X4進行擬合,得出響應值對各自變量的多元二次響應面回歸方程:

表7 Box-Behnken響應面分析試驗結果Table 7 Box-Behnken response surface analysis test results

表8 回歸模型的ANOVA分析Table 8 ANOVA analysis of regression models

從ANOVA分析結果可知,各因素對飲料片感官質量加權總分影響極顯著的是X1、X3、X4,即乳清粉、阿斯巴甜和崩解劑添加量(P<0.001),乳清粉添加量同酸堿配比的交互作用對飲料片感官質量加權評分影響顯著(P<0.05)。因素X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4、X3X4對飲料片感官質量加權評分影響不顯著(P>0.05)。

2.4.2 響應面交互作用分析 通過對二維等高線圖和三維響應面的觀察可以預測出各變量交互作用的顯著性,等高線圖的形狀和響應曲面坡度作為判斷指標。當呈現圓形時,以及曲面坡度幾乎平緩時,可判斷為具有不顯著影響;當曲面坡度較大時,對最高點進行分析后,可獲知選擇區域內存在研究所需的最優值[23-25]。

由圖3a可知,乳清粉添加量和酸堿配比的等高線形狀為橢圓形,表明乳清粉添加量和酸堿配比的交互作用對飲料片的感官品質影響達到顯著水平。飲料片感官加權總分隨乳清粉添加量和酸堿比的升高而呈現先上升后下降的趨勢,而其中酸堿比的上升以及下降趨勢過于平緩,乳清粉添加量對飲料片感官加權總分的影響比酸堿比更加顯著。當乳清粉添加量在28%～29%之間時,飲料片的感官品質最好。

圖3 二維等高線及三維響應面圖Fig.3 Two-dimensional contour line and three-dimensional response surface

由圖3b可知,乳清粉添加量和崩解劑添加量的等高線近似為圓形,表明乳清粉添加量和崩解劑添加量的交互作用對飲料片的感官品質無顯著影響。飲料片感官加權總分隨乳清粉和崩解劑添加量的升高而呈現先上升后下降的趨勢,乳清粉添加量對飲料片感官加權總分的影響比崩解劑添加量更加顯著。固定乳清粉添加量,飲料片感官加權總分隨崩解劑添加量的升高呈現較明顯趨勢,崩解劑添加量對飲料片感官加權總分影響顯著。當崩解劑添加量在43%～44%之間時,飲料片的感官品質最好。

由圖3c可知,乳清粉添加量和阿斯巴甜添加量的等高線近似為圓形,表明乳清粉添加量和阿斯巴甜添加量的交互作用對飲料片的感官品質無顯著影響。飲料片感官加權總分隨乳清粉總體上呈現上升的趨勢,乳清粉添加量對飲料片感官加權總分的影響比阿斯巴甜添加量更加顯著。固定乳清粉添加量,飲料片感官加權總分隨阿斯巴甜添加量的升高呈現先上升后下降的趨勢,表明阿斯巴甜添加量對飲料片感官加權總分影響顯著。當阿斯巴甜添加量在2.70%～3.00%之間時,飲料片的感官品質最好。

由圖3d可知,酸堿比和崩解劑添加量的等高線近似為圓形,表明酸堿比和崩解劑添加量的交互作用對飲料片的感官品質無顯著影響。飲料片感官加權總分隨酸堿比和崩解劑添加量的升高而呈現先上升后下降的趨勢,而其中酸堿比的上升以及下降趨勢過于平緩,崩解劑添加量對飲料片感官加權總分的影響顯著。

2.4.3 驗證試驗 對回歸模型進行優化分析后,確定了乳清固體飲料配方的最佳工藝條件為:28.75%乳清粉,43.75%崩解劑,酸堿比為1.24∶1,2.75%阿斯巴甜,8%的聚乙二醇6000,感官加權總分為4.04。進行三次重復驗證試驗后,測得飲料片感官加權總分為4.06±0.11,與Box-Behnken響應面優化預測的結果基本一致,故用Box-Behnken響應面分析方法獲得飲料配方的工藝條件真實,具有實際應用價值。

2.5 固體飲料質量檢測結果

按照最佳工藝制得的飲料片,兩平面圓形,表面光滑平整富有光澤。規格約0.50 g/片,直徑約為10 mm,攜帶方便。約45 ℃的水沖泡,適宜品嘗飲用,料液pH為6.42,崩解時間<120 s,發泡量>8 mL,遇水能夠崩解并產生大量氣體,具有透亮的乳白色,怡人的香氣,口感清爽,良好的飲用愉悅感,固體飲料及沖飲狀態。

圖4 固體飲料片及其沖泡狀態Fig.4 Solid beverageTablets and their brewed drink status注:a中左上角為固體飲料片,右下角為飲料片 沖泡崩解過程;b為崩解完全后的狀態。

3 結論

本研究設計了不同于噴霧干燥制取乳清粉的工藝,45 ℃旋轉蒸發,-55 ℃真空凍干。通過單因素試驗、L9(34)正交試驗和Box-Behnken響應面優化,確定飲料的最佳工藝配方:28.75%的乳清粉,43.75%的崩解劑,酸堿比為1.24∶1,2.75%的阿斯巴甜,8%聚乙二醇6000。加工溫度及pH控制在維持α-乳白蛋白和β-乳球蛋白活性范圍內。新產品牦牛乳清固體飲料,規格約0.50 g/片,直徑約為10 mm,方便攜帶,色澤清透,香味愉悅,口感舒爽,是一種具有廣闊開發前景的產品。