基于Arrhenius模型預(yù)測無乳糖超高溫乳的貨架期

賈凌云,胡志和,程凱麗,趙旭飛,肖厚棟,丁新宇

(天津商業(yè)大學(xué)天津市食品生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300134)

由于牛奶中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)及礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分均衡,因此,在人類日常飲食中占有重要地位。其中,超高溫滅菌乳(UHT乳)由于其殺菌徹底,保質(zhì)期長等特點(diǎn)成為我國消費(fèi)奶制品的主要形式之一。隨著人們對乳糖不耐癥的關(guān)注越來越高,無乳糖UHT乳也逐漸受到人們的歡迎[1]。目前,市場上透明袋裝的UHT乳受到消費(fèi)者的青睞,其包裝簡單具有軟、薄、透明度高等特點(diǎn),保質(zhì)期一般在1～3個月。市場上超高溫滅菌(UHT)乳是采用138 ℃、4 s的加工工藝,能夠達(dá)到商業(yè)無菌水平。因此,微生物已經(jīng)不是UHT乳變質(zhì)的主要原因。大量資料表明,UHT乳的保質(zhì)期主要與其感官特性的變化有關(guān),而在加工及儲藏過程中具有熱穩(wěn)定性的酶[2]所產(chǎn)生的氧化反應(yīng)[3]、蛋白質(zhì)水解[4,5]、脂肪水解[6]、美拉德反應(yīng)[7-12]等是導(dǎo)致UHT乳感官品質(zhì)發(fā)生變化的主要原因。氧化反應(yīng)及美拉德反應(yīng)等會造成牛乳中營養(yǎng)物質(zhì)的損失,造成牛奶的變色[13-14]及蒸煮、焦香等味道的產(chǎn)生[15-16],而蛋白質(zhì)水解及脂肪水解則會產(chǎn)生游離氨基酸、脂肪酸,形成異味或異味的前體物[17-18]。因此,UHT乳的感官品質(zhì)是UHT乳保質(zhì)期最直接的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

目前,UHT乳貨架期模型的建立一般采用檢測UHT乳的乳蛋白水解度、脂肪水解度、酒精穩(wěn)定性等[19-23]理化指標(biāo)間接預(yù)測貨架期,不能準(zhǔn)確判斷UHT乳的感官品質(zhì)變化。隨著現(xiàn)代感官檢測技術(shù)的發(fā)展,利用電子眼、電子鼻、電子舌技術(shù),對食品的色澤、滋味、氣味進(jìn)行檢測,不僅能夠準(zhǔn)確模擬人類對食物的感官感受,還能夠避免因主觀因素造成的實(shí)驗(yàn)誤差。目前,國內(nèi)外已有人利用電子鼻、電子舌技術(shù)建立青稞格瓦斯[24]、蘋果[25]等產(chǎn)品的貨架期預(yù)測模型。但是綜合利用電子眼、電子鼻和電子舌技術(shù),結(jié)合貨架期加速實(shí)驗(yàn)(ASLT),建立無乳糖UHT乳貨架期預(yù)測模型的研究較少。

本研究利用電子鼻、電子舌、電子眼技術(shù)檢測感官指標(biāo)變化,結(jié)合阿倫尼烏斯公式(Arrhenius)建立無乳糖UHT乳貨架期預(yù)測模型,為無乳糖UHT乳的生產(chǎn)和銷售提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海河簡單包裝(透明塑料袋)純牛奶(保質(zhì)期45 d) 天津海河乳業(yè)有限公司;乳糖酶(活力4000 U/g) 天津海河乳業(yè)有限公司。

IRIS VA400電子眼、HeraclesⅡ電子鼻、Astree電子舌 法國Alpha M.O.S公司;JWO-UHT20T實(shí)驗(yàn)型超高溫殺菌機(jī) 上海積自動化設(shè)備有限公司;Bayer LactoMonitor乳糖檢測儀 美國拜安捷公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 無乳糖UHT乳的制備 實(shí)驗(yàn)采用先殺菌后加乳糖酶水解工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[26],在無菌條件下,將138 ℃、4 s下殺菌制作的UHT乳冷卻至常溫后,添加乳糖酶400 U/Kg,25 ℃下水解8 h,得到無乳糖UHT乳。有研究表明,UHT乳貨架期試驗(yàn)溫度應(yīng)置于37 ℃以下[27],故而本試驗(yàn)采用37、27、4 ℃貯藏。

1.2.2 不同貯藏溫度對無乳糖UHT乳感官指標(biāo)的影響 將置于37、27、4 ℃下避光貯存的無乳糖UHT乳每3 d使用電子眼、電子鼻、電子舌檢測一次色澤、氣味、滋味的變化。

1.2.3 測定方法

1.2.3.1 乳中乳糖含量檢測 使用Bayer Lacto Monitor乳糖檢測儀每隔1 h檢測乳中乳糖的殘留量。每個樣品重復(fù)三次,取平均值。

1.2.3.2 電子眼的測定 將樣品倒入透明培養(yǎng)皿中,使用黑色背景板在校準(zhǔn)過的IRIS VA400電子眼中進(jìn)行拍照,每個樣品重復(fù)四次。使用Alpha Soft V14.2進(jìn)行圖片處理及數(shù)據(jù)分析。

1.2.3.3 電子鼻的測定 精確稱取(7.0±0.005) g樣品于30 mL頂空瓶中,使用Heracles Ⅱ電子鼻進(jìn)行檢測,檢測參數(shù)為50 ℃下孵化20 min振蕩速度為500 r/min。進(jìn)樣量5000 μL,注射速度125 μL/s,進(jìn)樣口溫度為200 ℃、壓力10 kPa、流速30 mL/min、注射時間45 s。每個樣品重復(fù)四次,用Alpha Soft V14.2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2.3.4 電子舌的測定 將無乳糖UHT乳的乳樣置于Astree電子舌專用測試杯中,采用PKS(通用型)、CPS(通用型)、AHS(酸)、CTS(咸)、NMS(鮮)、ANS(甜)、SCS(苦)七根傳感器進(jìn)行滋味的檢測,每個樣品重復(fù)四次。使用Alpha Soft V14.2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2.4 無乳糖UHT乳貨架期預(yù)測 利用電子眼、電子舌、電子鼻測定得到的感官數(shù)據(jù),結(jié)合阿倫尼烏斯公式模型構(gòu)建無乳糖UHT乳貨架期模型,并進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 8.0及Excel軟件進(jìn)行圖表數(shù)據(jù)處理分析,使用Alpha Soft V 14.2進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 無乳糖超高溫滅菌乳色澤的變化

圖1A為37 ℃下避光貯存的無乳糖UHT乳色澤變化。在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),貯存1～24 d,無乳糖UHT乳中4095號(白色)為主色號(占比均大于85%);在24～60 d,無乳糖UHT乳色澤發(fā)生顯著變化(P<0.05),4094(黃白色)色號成為主色號(占比均大于50%)。另外,在貯存42 d時,產(chǎn)生4077(淡黃粉色)色號(占比為42.58%),但在隨后的貯存期間(42～60 d),該色號逐漸減小。

當(dāng)無乳糖UHT乳在27 ℃下避光貯存時(圖1B),到貯存33 d,4095色號為主色號(占比均大于90%),之后,色澤發(fā)生顯著變化;在貯存36～42 d時,4094色號與4095色號在色澤中的占比相差不大;在45～60 d,4094色號成為主色號(占比大于75%)。當(dāng)無乳糖UHT乳在4 ℃下避光貯存時(圖1C),4095(白色)色號在貯存的60 d里無顯著變化。

圖1 無乳糖UHT乳色澤隨貯存時間變化

無乳糖UHT乳隨貯存時間增長,色澤逐漸加深的現(xiàn)象,可能與無乳糖UHT奶在貯存過程中緩慢進(jìn)行美拉德反應(yīng)[14]以及脂肪及蛋白質(zhì)水解有一定的關(guān)系。溫度提高,乳糖水解為葡萄糖、半乳糖均會促進(jìn)美拉德反應(yīng)的進(jìn)行[28],造成顏色越來越深。而UHT乳中具有熱穩(wěn)定的脂肪酶[29]及蛋白酶[28]水解脂肪及蛋白質(zhì)對UHT乳的色澤也存在影響。比較可知,低溫貯存有助于牛奶顏色的保持。

圖2為不同貯存溫度下的無乳糖UHT乳色澤主色號4095(白色)在牛乳中的占比與貯存時間的關(guān)系。隨貯存時間的增長,4095色號在牛乳中的占比逐漸下降。其中,37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中4095色號占比下降速率最快,貯存24 d時,4095色號的占比由96.83%降至80.23%;貯存27 d時,4095色號占比驟然下降至32.32%;至貯存42 d時,4095色號占比已降至0%。27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳,貯存33 d時,4095色號占比為89.71%,36 d時,4095色號占比驟降為57.12%,到貯存60 d時,4095色號占比已降為1.94%。4 ℃貯存的無乳糖UHT乳4095色號占比下降速率最慢,貯存期間,4095色號占比在93.62%～83.8%之間,色號占比未出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。故而隨著貯存溫度的升高,4095色號占比下降速率加快。因此,4095色號可作為限制性因子之一,用于建立Arrhenius模型。

圖2 不同貯存溫度下無乳糖UHT乳4095色號的變化

2.2 無乳糖超高溫滅菌奶滋味的變化

滋味是由多種基本滋味混合而成,包括苦味、甜味、鮮味、咸味、酸味等基本滋味。為保證貯存初期五種基本滋味數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,取貯存1～3 d乳的滋味信號強(qiáng)度的平均值作為無乳糖UHT乳五種基本滋味的初始強(qiáng)度。隨著貯存時間的增加(圖3A),不同貯存溫度下的無乳糖UHT乳中的苦味逐漸增加,37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存24 d及之后的苦味與貯存1～3 d的苦味存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存27 d及之后的苦味與貯存1～3 d的苦味存在顯著性差異(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的苦味隨然隨著貯存時間的增加有所增長,但沒有顯著性差異(P>0.05)。這與無乳糖UHT乳中殘留的耐熱性蛋白酶能水解蛋白質(zhì)形成具有苦味的短肽及氨基酸有關(guān),且隨著貯藏溫度的升高,蛋白酶活性增加,苦味增加速率越快[4]。

不同貯存溫度的無乳糖UHT乳隨貯存時間的增加咸味逐漸增強(qiáng)(圖3B),37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的咸味增長速率最大,到貯存21 d及之后,咸味已經(jīng)與貯存1～3 d的無乳糖UHT乳中的咸味存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在36 d及之后,咸味與1～3 d乳的咸味開始出現(xiàn)顯著性差異性(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的咸味則在貯存期間沒有顯著性差異(P>0.05)。咸味的變化可能與牛乳中的氯化物等離子有一定的關(guān)系[30],但具體原因還需進(jìn)一步研究。

隨著貯存時間的增加,甜味的信號強(qiáng)度逐漸降低(圖3C),貯存24 d及之后,37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的甜味與1～3 d乳的甜味強(qiáng)度出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的甜味在貯存36 d及之后與1～3 d乳的甜味產(chǎn)生顯著性差異(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的甜味在貯存期間沒有顯著性差異(P>0.05)。這是由于牛乳中的甜味不僅與牛乳中的葡萄糖、乳糖有關(guān),還與牛乳中甜味的游離氨基酸有關(guān)。

不同溫度(37、27、4 ℃)下貯存的無乳糖UHT乳的鮮味強(qiáng)度隨貯存時間變化見圖3D中。37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在21 d及之后鮮味強(qiáng)度與貯存1～3 d乳的鮮味強(qiáng)度存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在36 d及之后與貯存1～3 d乳的鮮味強(qiáng)度存在顯著性差異(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的鮮味強(qiáng)度在貯存期間沒有顯著變化(P>0.05)。鮮味與牛乳中谷氨酸、天冬氨酸等味覺氨基酸的含量有關(guān)[31],谷氨酸、天冬氨酸的含量越高,鮮味強(qiáng)度越高。

圖3 不同貯存溫度下無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化

不同溫度(37、27、4 ℃)下貯存的無乳糖UHT乳的酸味強(qiáng)度隨貯存期間的變化見圖3E。37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存18 d及之后與貯存1～3 d乳的酸味強(qiáng)度存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存24 d及之后與貯存1～3 d乳的酸味強(qiáng)度存在顯著性差異(P<0.05);4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的酸度強(qiáng)度在貯存期間沒有顯著性變化(P>0.05)。酸味的產(chǎn)生與牛奶中耐熱性脂肪酶分解脂肪有關(guān),其最適反應(yīng)溫度在30～50 ℃之間[32],故而37 ℃下貯藏的UHT乳酸味最早出現(xiàn)顯著性差異的原因[31]。

2.3 無乳糖超高溫滅菌乳氣味的變化

UHT乳的氣味主要由乳品中的蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖等物質(zhì)降解及相互反應(yīng)生成的酸類、醛類、醇類、酯類以及芳香類化合物組成[33],UHT乳中影響牛乳氣味的物質(zhì)較多,反應(yīng)較為復(fù)雜。早在1980年H T Badings[34]等已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有58種化學(xué)物質(zhì)對UHT乳的氣味有影響。王萬厚[35]等對UHT乳中揮發(fā)性成分的檢測更高達(dá)74種,逐個分析較為困難,故而采用主成分分析(PCA)的方式對不同貯存溫度和時間的無乳糖UHT乳進(jìn)行分析。由圖4～圖6分別為37、27、4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳氣味的PCA圖,由Alpha Soft V14.2系統(tǒng)分析處理的PCA圖中,當(dāng)主成分1與主成分2之和大于80%,且識別指數(shù)小于80時,表明圖中樣品之間不存在顯著性差異,而由圖4～6可知,3個圖中的識別指數(shù)分別為-55、-18、-83,均小于80,故不同貯存溫度下的無乳糖UHT乳在60 d的貯存期中氣味沒有顯著性差異。貯藏期中氣味沒有顯著性差異的原因還需進(jìn)一步研究。

圖4 37 ℃貯存的無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化PCA圖

圖5 27 ℃貯存的無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化PCA

圖6 4 ℃貯存的無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化PCA

2.4 基于Arrhenius模型無乳糖超高溫滅菌奶貨架期模型建立

通過對不同貯存溫度下無乳糖UHT乳中4095色號占比的倒數(shù),苦味強(qiáng)度、咸味強(qiáng)度、甜味強(qiáng)度、鮮味強(qiáng)度、酸味強(qiáng)度的對數(shù)與貯存時間,采用Arrhenius一級反應(yīng)方程進(jìn)行擬合,即

A=A0ekt

式(1)

式中:A:食品貯存t天時的品質(zhì);A0:食品的初始品質(zhì);k：食品變化速率常數(shù);t：食品貯存天數(shù),d。

式(1)取對數(shù),可得式(2)

lnA=lnA0+kt

式(2)

將不同溫度下,貯存不同時間的無乳糖UHT奶的色澤、苦味、咸味、鮮味、甜味、酸味等指標(biāo)帶入式(2),通過圖2、圖3擬合曲線,繪制圖形(圖7),可計算出不同溫度下各指標(biāo)的k值,同時,通過相關(guān)系數(shù)(R值)選擇利用Arrhenius公式建立預(yù)測模型的限制性因子。

圖7 不同貯存溫度下色澤、滋味與貯存時間的關(guān)系

根據(jù)圖7,擬合一級反應(yīng)公式,所得方程、k值和相關(guān)系數(shù)(R2)見表1,不同貯存溫度下貯存時間與無乳糖UHT乳中4095色號占比的倒數(shù)、苦味強(qiáng)度、咸味強(qiáng)度的對數(shù)使用一級反應(yīng)方程式擬合的R2較為穩(wěn)定。圖7A中37、4 ℃貯存溫度下色澤與貯存時間之間的關(guān)系具有較高的相關(guān)性(R2>0.9);而貯存溫度為27 ℃時,色澤與貯存時間所擬合的一級反應(yīng)方程的R2為0.75。而無乳糖UHT乳中苦味強(qiáng)度、咸味強(qiáng)度的對數(shù)與貯存時間之間擬合的一級反應(yīng)方程中的R2均大于0.9,具有很高的相關(guān)性(圖7B、圖7C);無乳糖UHT乳中鮮味、甜味、酸味強(qiáng)度的對數(shù)與貯存時間之間擬合的一級反應(yīng)方程的R2不穩(wěn)定,不適合作為無乳糖UHT乳保質(zhì)期預(yù)測模型的限制因子。圖8為無乳糖UHT乳中酸、甜、苦、咸、鮮五種滋味在電子舌模擬人體滋味受體得到的滋味感受強(qiáng)度,12為感受強(qiáng)度最高,0為感受強(qiáng)度最低。由圖8可知,相對于其他滋味,苦味在電子舌的感受中最為強(qiáng)烈,故而,選擇苦味的變化作為滋味的代表。

表1 不同貯存溫度下色澤及滋味強(qiáng)度與貯存時間的關(guān)系

圖8 不同貯存時間和溫度下無乳糖UHT乳滋味雷達(dá)圖

阿倫尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式即化學(xué)反應(yīng)速率指數(shù)定律,能夠反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)速率與溫度的變化關(guān)系,故可通過對Arrhenius公式的分析得到溫度與食品變化的速率常數(shù)k。

式(3)

式中:k:食品變化速率常數(shù);k0:指前因子;Ea:活化能,J/mol;R:氣體常數(shù),3.814 J/mol;T:開氏溫度,K。

以T與lnk做線性關(guān)系,即可求到Ea與k0的值。帶入公式(2)中從而求得理論上的貯存時間。

將通過色澤、苦味方程得到的不同溫度下的k取對數(shù)作為縱坐標(biāo),以貯存開氏度的倒數(shù)為橫坐標(biāo),做圖(圖9、圖10),根據(jù)斜率和截距可得到Ea、k0(表2),以1～3 d得色澤、苦味的平均值為A0,即得到色澤的動力學(xué)模型為:

表2 色澤及滋味為限制因子得到的Ea與k0的值

圖9 色澤變化的阿倫尼烏斯曲線

圖10 苦味強(qiáng)度變化的阿倫尼烏斯曲線

式(4)

苦味的動力學(xué)模型為:

式(5)

2.5 貨架期模型的驗(yàn)證

分別以色澤、苦味為限制因子,利用Arrhenius公式構(gòu)建得到的貨架期模型(式4和式5),通過計算在37、27 ℃下得貨架期并與實(shí)際貨架期相比較(表3)。以色澤為限制因子,在37、27 ℃下得到的預(yù)測貨架期與實(shí)際檢測得到的貨架期之間的相對誤差分別為0%、6.1%。以苦味為限制因子,在37、27 ℃下得到的預(yù)測貨架期與實(shí)際檢測得到的貨架期之間的相對誤差分別為9.5%、12.5%。以色澤及苦味為限制因子建立的貨架期模型相對誤差較小,均能夠有效的預(yù)測無乳糖UHT乳在4～37 ℃下的貨架期。以色澤、苦味為限制因子的貨架期模型計算4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的貨架期,分別為88、71 d。兩者相差較大,這表明色澤的品質(zhì)受貯存溫度的影響較大,當(dāng)貯存溫度較低時,滋味的品質(zhì)變化會快于色澤品質(zhì)的變化。因此,選擇以苦味為限制因子的貨架期模型為最終貨架期模型。

表3 貨架期模型驗(yàn)證

3 結(jié)論

采用電子鼻、電子舌、電子眼檢測簡單包裝無乳糖UHT,在4～37 ℃之間貯藏時,其滋味及色澤隨著貯存時間的增長而發(fā)生顯著性變化(P<0.05),氣味無顯著性的變化(P>0.05)。綜合感官指標(biāo)并結(jié)合ASLT加速實(shí)驗(yàn),構(gòu)建簡單包裝無乳糖UHT乳的貨架期模型,以苦味為限制因子,用阿倫尼烏斯公式(Arrhenius)擬合無乳糖UHT乳貨架期模型為;利用該公式預(yù)測在4 ℃下避光貯存的簡單包裝無乳糖UHT乳貨架期為71 d。