剪切力對濃縮乳體系穩(wěn)定性的影響

白茹，樊夢原，于聲波，董和謙，陳云

（內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司，呼和浩特011517）

0 引言

中國乳業(yè)常年存在“北奶南運(yùn)、北奶西運(yùn)”的區(qū)域性及季節(jié)性供需矛盾，生產(chǎn)濃縮乳及相關(guān)產(chǎn)業(yè)是調(diào)節(jié)此矛盾的有效手段。

市售商業(yè)化濃縮乳，大部分選擇-18℃貯藏，冷凍狀態(tài)，無法直接食用，需解凍，經(jīng)過乳制品常規(guī)工藝處理，制備最終產(chǎn)品。乳液粒徑大小及粒徑分布都會影響牛乳蛋白的解凍性、穩(wěn)定性及產(chǎn)品的感官性狀等[1-2]。穩(wěn)定性分析儀能觀測試驗(yàn)樣品3個月后的穩(wěn)定狀態(tài)[3]。動態(tài)穩(wěn)定性分析儀得出的澄清指數(shù)，表征樣品發(fā)生沉降、浮離、聚集、凝聚、結(jié)合現(xiàn)象的變化情況。澄清指數(shù)值越大，樣品體系越不穩(wěn)定；反之，越穩(wěn)定。試驗(yàn)主要采用高剪切混合器解凍冷凍濃縮乳，采用動態(tài)穩(wěn)定性分析儀觀測樣品穩(wěn)定性，探索應(yīng)用粒徑分析法判斷其體系穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

LA 960激光粒度儀，日本堀場；LUMiSizerpm X 65穩(wěn)定性分析儀，德國LUM；切割機(jī)314，德國馬格瑞特；高剪切混合器，英國Silverpmson；DK-8AK恒溫水浴鍋，上海恒科學(xué)有限公司；冷凍濃縮乳，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

用切割機(jī)將冷凍濃縮乳破碎至粒徑≤6 cm；將處理好的樣品加適量純凈水，用高剪切混合器轉(zhuǎn)速、恒溫水箱，攪拌、混合、加熱，過程參數(shù)按照下述的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)定。

1.2.2 轉(zhuǎn)速對乳粒徑和穩(wěn)定性影響

將高剪切混合器處理時(shí)間設(shè)定為10 min，樣品不加熱，轉(zhuǎn)速分別選取4 000，5 000，6 000，7 000，8 000，10 000，12 000和14 000 r/min，以未經(jīng)高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，進(jìn)行粒徑和穩(wěn)定性的檢測。

1.2.3 處理時(shí)間對乳粒徑和穩(wěn)定性影響

將高剪切混合器轉(zhuǎn)速設(shè)定為14 000 r/min，樣品不加熱，時(shí)間分別選取5，10，15和20 min，以未經(jīng)高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，進(jìn)行粒徑和穩(wěn)定性的檢測。

1.2.4 溫度對乳粒徑和穩(wěn)定性影響

將高剪切混合器轉(zhuǎn)速設(shè)定為14 000 r/min，時(shí)間10 min，溫度分別選取50，60，70和80℃，以未經(jīng)高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，進(jìn)行粒徑和穩(wěn)定性的檢測。

1.2.5 工藝條件優(yōu)化

在高剪切混合器的轉(zhuǎn)速、處理時(shí)間、溫度對濃縮乳粒徑和穩(wěn)定性影響單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出最佳轉(zhuǎn)速、處理壓力、時(shí)間，進(jìn)行正交試驗(yàn)，以未經(jīng)高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，對高剪切混合器處理后的樣品和空白對照組進(jìn)行粒徑和穩(wěn)定性的測定。

1.2.6 粒徑和穩(wěn)定性測定

按1.2.2～1.2.5處理樣品，采用粒度儀和穩(wěn)定性分析儀檢測。檢測前先將樣品搖勻。

LA 960激光粒徑儀的相關(guān)參數(shù)：折射率為1.60，分散劑為水。

LUMiSizerpm X 65穩(wěn)定性分析儀的相關(guān)參數(shù)：樣品進(jìn)樣量2.0 mL，離子轉(zhuǎn)速4 000 r/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 高剪切混合器轉(zhuǎn)速對濃縮乳粒徑和穩(wěn)定性影響

2.1.1 高剪切混合器轉(zhuǎn)速對濃縮乳粒徑影響

高剪切混合器處理時(shí)間為10 min，室溫條件，采用不同轉(zhuǎn)速，每個轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)重復(fù)3次。在高剪切處理后，樣品在室溫條件下靜置10 min后，使用粒徑分析儀檢測粒徑大小及粒徑分布，得出每個樣品粒徑分布的十分位數(shù)（10%處及90%處）、四分位數(shù)（25%處及75%處）以及中位數(shù)（50%）、并對每個樣品的粒徑求算數(shù)平均值。

如表1所示，濃縮乳體系的平均粒徑與高剪切混合器的轉(zhuǎn)速呈明顯的負(fù)相關(guān)，即隨著轉(zhuǎn)速的增加，濃縮乳體系的平均粒徑顯著減小，并且這一趨勢在試驗(yàn)包含的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)沒有改變。剪切力越大，對脂肪球破碎程度就越大，脂肪球的尺寸會大幅減少[4]，同時(shí)據(jù)Walstra P報(bào)道[5]，乳中的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜9%通常不會發(fā)生均質(zhì)簇集作用，而冷凍濃縮乳解凍后的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過5%，故隨著高剪切混合器轉(zhuǎn)速增大，濃縮乳粒徑越來越小。因此，高剪切混合器處理時(shí)間為10 min，在不加熱情況下，轉(zhuǎn)速14 000 r/min時(shí)的粒徑最小。

表1 不同轉(zhuǎn)速處理10 min后對冷凍濃縮乳粒徑的影響

另外，從粒徑分布的角度分析，無論轉(zhuǎn)速高低，所有樣品的粒徑均值都大于粒徑中位數(shù)，這說明濃縮乳樣品解凍后的粒徑分布呈明顯的縮乳體系的粒徑整體均值起主要影響；而在均值左側(cè)的數(shù)據(jù)量較多、分布較緊湊，不屬于對粒徑整體均值的主要貢獻(xiàn)因子。針對濃縮乳體系，可知影響分布的大絕對值數(shù)據(jù)，對應(yīng)的是濃縮乳中的脂肪成分，此成分受高剪切影響非常顯著，剪切力越大，脂肪球破碎程度就越大，粒徑越小，又因?yàn)橹颈旧硎橇椒植贾凶钪匾囊蜃樱拾盐贞P(guān)鍵因素-剪切力，控制關(guān)鍵因子-脂肪粒徑，對調(diào)控濃縮乳整體粒徑有重要作用。

2.1.2 高剪切混合器轉(zhuǎn)速對濃縮乳穩(wěn)定性影響

在2.1.1樣品同等條件處理下，用動態(tài)穩(wěn)定性分析儀檢測。轉(zhuǎn)速對濃縮乳穩(wěn)定性影響如圖1所示，對澄清指數(shù)和轉(zhuǎn)速值進(jìn)行分析擬合，擬合方程為y=-0.0087x＋0.7316，R2=0.9058，趨勢線的R2越接近1，其可靠性越高，轉(zhuǎn)速與體系穩(wěn)定性呈明顯的正相關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速增大，澄清指數(shù)逐漸降低，體系穩(wěn)定性越來越好；其中轉(zhuǎn)速從5 000 r/min改為6 000 r/min時(shí)，圖1斜率最大，澄清指數(shù)下降最快，同時(shí)圖1平均粒徑也減小最快。

圖1 不同轉(zhuǎn)速處理10 min后對穩(wěn)定性的影響

在使用高剪切混合器過程中，將冷凍濃縮乳的脂肪球在強(qiáng)有力的機(jī)械作用下破碎成小的脂肪球，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。故高剪切混合器處理時(shí)間為10 min，在不加熱情況下，轉(zhuǎn)速為14 000 r/min時(shí)，穩(wěn)定性最好。

2.2 高剪切混合器處理時(shí)間對濃縮乳粒徑和穩(wěn)定性影響

2.2.1 高剪切混合器處理時(shí)間對濃縮乳粒徑影響

高剪切混合器轉(zhuǎn)速設(shè)定為14 000 r/min，不加熱，采用不同時(shí)間，每個時(shí)間處理重復(fù)3次，處理完畢后靜置10 min后，使用粒徑分析儀檢測粒徑大小及分布，得出每個樣品粒徑分布的十分位數(shù)（10%處和90%處）、四分位數(shù)（25%處和75%處）及中位數(shù)（50%）并對每個樣品的粒徑求算數(shù)平均值。

如表2所示，濃縮乳的平均粒徑與高剪切混合器處理時(shí)間呈明顯的負(fù)相關(guān)，即隨著時(shí)間延長，濃縮乳體系的平均粒徑顯著減小，但是長時(shí)間的機(jī)械處理，會破壞解凍后溶液的水乳體系，可造成脂肪上浮；攪拌時(shí)間15 min時(shí)，表面會出現(xiàn)一層脂肪，并隨著時(shí)間延長，脂肪厚度增加，故選擇高剪切混合器處理時(shí)間10 min。另外，從粒徑分布的角度分析，即使更改時(shí)間，所有樣品的粒徑均值均大于粒徑中位數(shù)，具體分析結(jié)果同2.1.1。

表2 不同處理時(shí)間轉(zhuǎn)速14 000 r/min對冷凍濃縮乳粒徑的影響

2.2.2 高剪切混合器處理時(shí)間對濃縮乳穩(wěn)定性影響

在2.2.1樣品同等條件處理下，用動態(tài)穩(wěn)定性分析儀檢測。高剪切混合器處理時(shí)間對濃縮乳穩(wěn)定性影響如圖2所示，對澄清指數(shù)和時(shí)間值進(jìn)行分析擬合，擬合方程為y=-0.006x＋0.7195，R2=0.9428，時(shí)間與體系穩(wěn)定性呈明顯的正相關(guān)，隨著時(shí)間延長，澄清指數(shù)逐漸降低，穩(wěn)定性越來越好。高剪切混合器處理時(shí)間越長，脂肪球破碎的粒徑會越小越均勻，故高剪切混合器轉(zhuǎn)速14 000 r/min時(shí)，在不加熱情況下，處理時(shí)間20 min穩(wěn)定性最好。

圖2 不同處理時(shí)間轉(zhuǎn)速14 000 r/min對穩(wěn)定性的影響

2.3 高剪切混合器處理溫度對濃縮乳粒徑和穩(wěn)定性影響

2.3.1 高剪切混合器處理溫度對濃縮乳粒徑影響

高剪切混合器轉(zhuǎn)速設(shè)定為14 000 r/min，時(shí)間10 min，采用不同溫度，每個溫度處理重復(fù)3次，處理完畢后靜置10 min后，使用粒徑分析儀檢測粒徑大小及分布，得出每個樣品粒徑分布的十分位數(shù)（10%處和90%處）、四分位數(shù)（25%處和75%處）及中位數(shù)（50%）并對每個樣品的粒徑求算數(shù)平均值。

如表3所示，濃縮乳的平均粒徑與高剪切混合器處理溫度呈明顯的正相關(guān)，即隨著溫度降低，濃縮乳體系的平均粒徑顯著減小。一般以牛奶為原料的產(chǎn)品，牛奶的均質(zhì)溫度一般為50～70℃，50℃是牛奶有效均質(zhì)的最低溫度，均質(zhì)溫度過高，不利于蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性，牛奶中熱敏性成分在加熱至72℃以上會有一定損失[6]。故冷凍濃縮乳溶解溫度建議設(shè)定為50℃。

表3 轉(zhuǎn)速14 000 r/min在不同溫度處理10 min后對冷凍濃縮乳粒徑的影響

另外，從粒徑分布角度分析，即使改變溫度，所有樣品的粒徑均值均大于粒徑中位數(shù)，具體分析結(jié)果同2.1.1。在溫度升高至80℃時(shí)，整體粒徑均變化較大。VESSILIOS等采用沉降場流份化法得到在加熱溫度50～125℃時(shí)全脂牛乳的脂肪球直徑隨著加熱溫度升高而增大的研究結(jié)果一致[7]；發(fā)生這一現(xiàn)象主要是由于高溫下變性的乳清蛋白會附著在脂肪球膜上并且形成二硫鍵[8-9]，從而使外觀上看起來脂肪球直徑變大。

2.3.2 高剪切混合器處理溫度對濃縮乳穩(wěn)定性影響

在2.3.1樣品同等條件處理下，用動態(tài)穩(wěn)定性分析儀檢測。高剪切混合器處理溫度對濃縮乳穩(wěn)定性影響如圖3所示，對澄清指數(shù)和溫度值進(jìn)行分析擬合，擬合方程為y=0.0049x-0.0583，R2=0.9826，溫度與體系穩(wěn)定性呈明顯的正相關(guān)，隨著溫度的降低，澄清指數(shù)逐漸降低，穩(wěn)定性越來越好。牛乳的穩(wěn)定性與粒徑大小有關(guān)，最穩(wěn)定的體系脂肪球粒徑一般較小[10]。故高剪切混合器轉(zhuǎn)速14 000 r/min時(shí)，時(shí)間10 min，采用溫度50℃穩(wěn)定性最好。

圖3 轉(zhuǎn)速14 000 r/min在不同溫度處理10 min后對穩(wěn)定性的影響

2.3.3 高剪切混合器處理工藝條件優(yōu)化

綜合轉(zhuǎn)速、時(shí)間、溫度的單因素實(shí)驗(yàn)，選擇三者作為影響因素，選用L9（33）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個處理重復(fù)3次，取平均值，以未經(jīng)高剪切混合器處理的樣品作為空白對照，進(jìn)行粒徑和穩(wěn)定性的測定。因素水平設(shè)置如表4所示；粒徑結(jié)果及方差分析如表5和表6所示；穩(wěn)定性結(jié)果及方差分析見表7和表8所示。

表4 L9（33）因素水平

表6 正交實(shí)驗(yàn)粒徑值結(jié)果方差分析

表8 正交實(shí)驗(yàn)澄清指數(shù)值結(jié)果方差分析

由表5和表7中平均粒徑、澄清指數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析k值可知，最優(yōu)工藝組合為A3B2C1，即轉(zhuǎn)速14 000 r/min，時(shí)間10 min，溫度50℃。分析R值可知，3個因素對粒徑作用影響的大小依次為：轉(zhuǎn)速＞時(shí)間＞溫度，且轉(zhuǎn)速因素對于粒徑有顯著性影響。在此最優(yōu)工藝組合條件下對冷凍濃縮乳解凍后粒徑和澄清指數(shù)結(jié)果分別為4.661μm，0.108，空白樣的粒徑和穩(wěn)定性結(jié)果為266.134μm和0.729，粒徑和穩(wěn)定性均為最佳值。

表5 高剪切混合器處理樣品最優(yōu)工藝參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表7 高剪切混合器處理樣品最優(yōu)工藝參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

單因素實(shí)驗(yàn)中，高剪切混合器處理時(shí)間恒定，不加熱，隨著轉(zhuǎn)速升高，平均粒徑、澄清指數(shù)逐漸減小，證明體系穩(wěn)定性提升；高剪切混合器轉(zhuǎn)速恒定，不加熱，隨著時(shí)間延長，平均粒徑、澄清指數(shù)逐漸減小，證明體系穩(wěn)定性提升。但攪拌時(shí)間15 min時(shí)，體系表面出現(xiàn)脂肪層，并隨著時(shí)間的延長，脂肪上浮趨勢更加明顯，脂肪層厚度增加，故不建議攪拌過長時(shí)間；高剪切混合器轉(zhuǎn)速、時(shí)間恒定，隨著溫度的降低，平均粒徑、澄清指數(shù)均逐漸變小，但是在實(shí)際應(yīng)用中，原料的下一步工藝為均質(zhì)，均質(zhì)溫度過高，不利于蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性，故冷凍濃縮乳溶解溫度建議設(shè)定為50℃。高剪切混合器處理工藝的正交優(yōu)化條件為A3B2C1，即轉(zhuǎn)速14 000 r/min，時(shí)間10 min，溫度50℃。

本研究采用高剪切混合器解凍冷凍濃縮乳，起到很好的均質(zhì)、乳化、解凍、分散、懸浮、破碎等作用，同時(shí)解凍時(shí)間短，組織狀態(tài)較均勻，無上浮沉淀現(xiàn)象；冷凍濃縮乳解凍，高剪切混合器參數(shù)最優(yōu)選取轉(zhuǎn)速14 000 r/min，10 min，50℃；同時(shí)在高剪切混合器不同轉(zhuǎn)速、處理時(shí)間、處理溫度下，粒度儀和動態(tài)穩(wěn)定性結(jié)果一致，可用粒徑分析法判斷其體系穩(wěn)定性。