香蕉乳飲料穩定性研究及工藝條件優化

郭慧青

（北京三元食品股份有限公司，北京 100076）

香蕉乳飲料是指以新鮮牛乳為原料，加入水、白砂糖、甜煉乳、穩定劑及香蕉漿等輔料，經配料、均質、殺菌和灌裝等工藝制成的配制型中性含乳飲料[1]。香蕉乳飲料融合牛奶與香蕉的雙重營養，風味突出、奶香濃郁，深受消費者喜愛，市場前景廣闊。但由于牛奶本身及所添加香蕉漿的性質，產品在保存過程中容易發生變化，較易產生穩定性方面的問題，而此類產品大部分又有較長的保質期要求。因此，如何保持產品在貨架期中的穩定性成了產品研發部門和生產部門必須解決的問題。

香蕉乳飲料是由生牛乳、香蕉漿、水、白砂糖、甜煉乳及穩定劑等組成的一種宏觀不穩定分散體系，其中既有乳蛋白膠體及香蕉漿粗纖維形成的懸浮液，又有糖、鹽等形成的真溶液[2]。復雜的組成成分使其較易在產品保存期內出現沉淀、絮凝及脂肪上浮等不穩定現象。本試驗采用的穩定性分析是基于多重光散射原理，以近紅外發射光譜的透射光和背散射光隨時間的變化率，得到的穩定性動力學指數系數TSI為評價指標，研究了穩定劑添加量、均質壓力、均質溫度對香蕉乳飲料穩定性的影響，優化得到穩定性較優的工藝參數，為該類型產品工業化生產與研究提供了理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生鮮牛乳，北京三元食品股份有限公司；香蕉漿，自制；復合穩定劑，北京三元食品股份有限公司；白砂糖，廣西鳳糖生化股份有限公司；甜煉乳，青島雀巢有限公司。

1.2 儀器與設備

RW20DZM高速攪拌機，德國IKA公司；APV-2000高壓均質機，德國APV公司；立式壓力蒸汽滅菌鍋，上海三申醫療器械有限公司；Turbiscan Tower穩定性分析儀，Formulation公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

白砂糖、復配穩定劑、水（70～80 ℃）→高速攪拌（15～20 min）→加入香蕉漿→高速攪拌（≥ 10 min）→生牛乳、甜煉乳→高速攪拌（≥10 min）→均質→UHT滅菌（137 ℃∕4 s）→冷卻→無菌灌裝→成品。

1.3.2 穩定性分析

Turbiscan Tower穩定性分析儀是由1個脈沖式的近紅外光源（波長880 nm）和2個同步的檢測器組成，透射光檢測器是用于研究透明清澈的產品，以透過率（T，%）為指標，背散射光檢測器是用于研究高濃度的產品，以背散射光的反射率（BS，%）為指標。測量探頭收集透射光和背散射光數據，在55 mm長度上每40 μm掃描一次，得到的圖形在濃度上和粒子直徑上表征了樣品的均勻性，編輯其測量次數，然后沿著樣品不斷重復掃描，從而得到一張表征樣品穩定性或不穩定性的指紋圖譜。分析儀能得到背散射光通量BS和透射光通量T相對時間的變化曲線、分層厚度隨時間的變化曲線、粒子遷移速度相對時間的曲線、顆粒平均遷移速度、顆粒平均粒徑對時間變化關系曲線或顆粒濃度對時間的變化關系曲線。綜合以上功能Turbiscan軟件能得到樣品的穩定性動力學指數系數TSI，TSI與體系穩定性呈負關系，TSI值越大，體系越不穩定。

1.3.3 操作要點

（1）穩定劑添加量的確定。試驗復配穩定劑在2.0～4.0 g/L添加量下產品的穩定性。

（2）均質壓力的確定。不同的均質壓力對產品的穩定性有著不同的影響，在10～30 MPa范圍內進行均質，觀察產品穩定性。

（3）均質溫度的確定。產品的穩定性不僅與均質壓力有關，與均質溫度也有關，在50～70 ℃進行均質，檢測其對產品的穩定性的影響。

（4）參數設置。待測樣品放置于一個圓柱形的玻璃測試室中，樣品的添加量20 mL。采用多次掃描模式進行測量，樣品的掃描時間24 h，掃描間隔 30 min，樣品室的溫度為10 ℃。

1.3.4 數據分析與處理

通過正交試驗設計，利用Turbiscan Tower穩定性分析儀檢測產品穩定性并采集穩定性數據，進行極差和方差分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 穩定劑添加量對產品穩定性的影響

香蕉乳飲料的乳固形物含量較低（蛋白質含量≥1.4%），乳脂肪積聚上浮、乳蛋白或香蕉漿粗纖維下沉是需要解決的主要問題。穩定劑加入后，經高剪切力（高速攪拌或過均質機）作用分散，可與水以氫鍵形成有效的三維網絡結構，防止不溶顆粒的沉降和脂肪顆粒重聚而達到穩定的效果。此款穩定劑存在時形成的連續相具有剪切稀變的特點，在起到良好穩定作用的同時避免了黏度增加對口感造成的影響[3]。

本試驗使用穩定性分析儀測定產品在均質壓力為20 MP，均質溫度為60 ℃時穩定劑添加量分別為2.0 g/L、2.5 g/L、3.0 g/L、3.5 g/L及4.0 g/L時的TSI值，結果見圖1。

圖1 穩定劑添加量對TSI的影響

由圖1可知，穩定劑添加量在2.0～3.5 g/L時，隨著穩定劑添加量的增加，穩定性系數越來越小，即穩定性越來越好，但穩定劑添加量從3.5 g/L增加到4.0 g/L時，穩定性系數不降反增，過量的穩定劑分子間相互作用，形成弱凝膠，使產品出現析水，反而影響穩定性。綜合生產成本考慮，穩定劑可選擇3.0～4.0 g/L。

2.1.2 均質壓力對產品穩定性的影響

根據斯托克斯定律（Stockes Law），沉降速度與顆粒直徑的平方成正比，粒子直徑愈大，沉降越快，反之越慢[4]。均質可以有效減小產品的平均粒徑分布，顯著提高產品穩定性。本試驗在穩定劑添加量 3.0 g/L，均質溫度60 ℃時，測定均質壓力為10 MPa、 14 MPa、18 MPa、22 MPa、26 MPa和30 MPa時的TSI值，結果見圖2。

圖2 均值壓力對TSI的影響

由圖2可知，均質壓力在10～22 MPa時，隨著均質壓力的增加，TSI值逐漸減小；均質壓力在22～26 MPa時，TSI的變化不明顯；均質壓力在 26 MPa增加到30 MPa過程中，隨著均值壓力的增加，TSI值呈上升趨勢，這主要是因為均質壓力較低時，料液粒子過大，容易沉降影響穩定性；均質壓力過高，料液粒子過小，其吸附作用增強而凝聚，亦會降低穩定性。為了得到較小的TSI值保持產品良好的穩定性，結合實際生產的難易程度，產品的均質壓力可選擇18～26 MPa。

2.1.3 均質溫度對產品穩定性的影響

均質效果不僅與均質壓力有關，與均質溫度也有關，過高溫度下均質，可能引起蛋白質變性，過低溫度下均質乳化劑、穩定劑溶解不充分，乳化能力下降亦會影響產品穩定性。乳制品加工的均質溫度一般在60～65 ℃，低于55 ℃或溫度過高都會影響均質效果[5]。本試驗在穩定劑添加量3.0 g/L，均質壓力為20 MPa時，測定均質溫度50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃和70 ℃時的TSI值，結果見圖3。

圖3 均質溫度對TSI的影響

由圖3可知，在50～65 ℃時，隨均質溫度的增加，TSI值逐漸減小；在50～60 ℃時，TSI減小趨勢明顯；均質溫度在60～65 ℃時，TSI變化并不明顯，均質溫度在65～70 ℃時，TSI甚至出現小幅增加。綜合可知，香蕉乳飲料合適的均質溫度在60～70 ℃。

2.2 正交試驗分析3因素對產品穩定性的影響

根據單因素試驗結果，選取A穩定劑添加量、B均值壓力和C均質溫度3個因素，在單因素試驗的基礎上采用L9(34)的正交試驗，正交試驗因素水平見表1，試驗結果見表2。

表1 L9(34)正交因素水平表

表2 L9(34)正交試驗結果

由表2可知，3種因素對產品穩定性影響大小順序為A＞B＞C，最優工藝條件為A2B3C1。由表3可知，穩定劑添加量對產品穩定性影響差異顯著 （P＜0.05），均質壓力對產品穩定性影響差異顯著（P＜0.05），均質溫度在60～70 ℃時，對產品穩定性影響較小。考慮到適當提高均質溫度可增強乳化劑的乳化性和提高穩定劑的分散性，最終最優組合選擇A2B3C2，驗證試驗結果得到在A2B3C2水平下，其透射光/背散射光參比譜圖及整體動力學不穩定性見圖4、圖5，TSI為0.22。

表3 L9(34)正交試驗結果方差分析

圖4 透射光、背散射光參比譜圖

圖5 產品動力學不穩定性（整體）

由Turbiscan多重光散射法測試原理可知，如果顆粒粒徑小于600 nm，背散射光強度隨時間延長逐漸增加；如果顆粒粒徑大于600 nm，背散射光強度隨時間延長逐漸減小，左側和右側背散射光強度的變化與顆粒的遷移（沉淀、上浮或澄清）有關。

由圖4和圖5可知，圖譜的左邊部分代表樣品池的底部，右邊部分代表樣品池的頂部，中間部分代表樣品池的中間。圖譜左邊背散射光光強值在增加，表明底部的濃度在增加，樣品中較重的物質在向樣品池的底部移動。即發生了蛋白質等粒子的沉淀；圖譜的右邊，即樣品池的頂部，背散射光光強值也在增加，說明頂部的濃度也在增加，樣品中比較輕的物質在向樣品池的頂部移動，即發生了脂肪的上浮。但底部和頂部的光強值變化的并不大，樣品的沉淀和浮油并不明顯。圖譜的中間部分線條重合性較好，可以判斷樣品未發生顆粒的團聚和絮凝，樣品穩定性較好。經驗證試驗，在此條件下，香蕉乳飲料稠度適中，細膩均一，基本無沉淀，僅有少量脂肪上浮，屬正常范圍，穩定效果良好，可在保質期內安全 儲存。

3 結論

通過單因素分析及正交試驗獲知，穩定劑添加量和均質壓力對香蕉乳飲料穩定性的影響較顯著，均質溫度影響相對較小。香蕉乳飲料的最佳工藝參數為穩定劑添加量3.5 g/L、均質壓力26 MPa、均質溫度65 ℃，此時通過穩定性分析儀檢測，產品穩定性指數系數TSI最小，即產品穩定性最好。