初始脂肪含量對超高溫滅菌牛奶貯存品質變化及貨架期的影響

習鴻杰,宋利君,鄧玉明,李澤鵬,盧立新*,曾科

1(江南大學 機械工程學院,江蘇 無錫,214122)2(江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫,214122) 3(內蒙古乳業技術研究院有限責任公司,內蒙古 呼和浩特,010100)

超高溫滅菌(ultra high temperature sterilized,UHT)牛奶味道醇厚,營養豐富且貨架期長,深受消費者喜愛。但在貯存過程中,UHT牛奶中營養物質極易受到光、熱、氧氣、微生物等影響而發生物理和化學變化,產生多種風味物質,影響UHT牛奶的口感、營養及安全[1]。多年來UHT牛奶貯存品質變化影響因素及產品貨架期是國內外研究的重點。

配方是影響UHT牛奶貯存過程中品質變化的基礎與重要因素之一。DONALD MUIR[2]分析UHT牛奶中脂肪含量與不飽和脂肪酸構成對其降解的影響,發現兩者占比對牛奶保質具有正向影響;KONING等[3]研究不同熱處理與初始脂肪含量對牛奶品質變化的影響,脂肪含量會影響牛奶的黏度從而影響熱量的傳遞;PELLEGRINO[4]研究不同初始脂肪含量UHT牛奶貯存過程中乳果糖含量、呋喃堿水平和乳清蛋白變性指標的變化。貨架期是UHT牛奶貯存過程中關注的另一重要指標,其中溫度、光照是影響UHT牛奶貨架期的關鍵因素。王延麗[5]研究UHT牛奶在37、20 ℃貯存下酸度、黏度、蛋白水解度、酒精穩定性、熱穩定性的變化,并建立了相關指標與貨架期的關系;任龍梅[6]通過分析溫度、光照對UHT牛奶貯存期內脂質氧化、感官品質以及黏度的影響,建立相應的貨架期預測模型;RICHARDS等[7]進行UHT牛奶的多元加速貨架期試驗,通過生存分析確定貨架期結束的截止點以實現多變量到單變量貨架期研究的降維。

總體上,目前UHT牛奶貨架期研究大都針對某一種配方確定的產品,研究所得的貨架期預測模型具有局限性。本文針對不同初始脂肪含量的UHT牛奶,進行非光照貯存下品質變化研究,以褐變指數、蛋白水解度、羰基含量為理化指標,同時結合感官評價,確定牛奶貨架期評價的特征指標,建立基于貯存溫度、初始脂肪含量影響的UHT牛奶貨架期預測模型,為不同配方牛奶的貯存質量分析及貨架期預測提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

樣品為某品牌公司最新生產、不同初始脂肪含量的無菌紙盒裝UHT(殺菌條件:137 ℃,4 s)牛奶。樣品編號與主要成分見表1。

表1 試驗產品基本信息Table 1 Basic information of test products table

無水乙醇、鄰苯二胺、三氯乙酸、四硼酸鈉、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、鄰苯二甲醛(o-phthalaldehyde,OPA)、1,4-二巰基蘇糖醇(1,4-dimercaptothreitol,DTT)、甘氨酸標準品,國藥集團化學試劑有限公司;蛋白質羰基含量檢測試劑盒 SolarbioBC1270(50T/24S),北京索萊寶科技有限公司。

1.2 儀器與設備

RQH-350人工氣候箱,上海右一儀器有限公司;XW-80A微型旋渦混合儀,上海滬西分析儀器廠有限公司;DK-S22恒溫水浴鍋,上海精宏試驗設備有限公司;UV-1800紫外分光光度計,日本島津國際貿易公司;RJ-TDL-50A低速臺式大容量離心機,無錫市瑞江分析儀器有限公司;CR-400色差儀,日本柯尼卡美能達公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 取樣貯存

試驗設計采用全面設計法,參考國內外研究及牛奶日常使用、貯存條件及企業需求將3種盒裝UHT牛奶放入23、30、37 ℃條件下恒溫無光照貯存,3個月內每隔10 d對樣品進行色差、羰基、蛋白水解度測試以及感官評價。整個取樣過程在提前紫外殺菌2 h的密閉紫外試驗臺進行,取樣方式為原產品包裝即時取。

1.3.2 測試方法

1.3.2.1 褐變指數

選擇100 mL的燒杯作為牛奶樣品的盛放容器,將樣品倒入燒杯中。在避光環境下將色差儀儀器探頭伸入杯內牛奶中進行測量,讀數L、a、b值,樣品的褐變指數(browning index,BI)計算如公式(1)、公式(2)所示:

(1)

(2)

1.3.2.2 羰基

參考MARRUGO-PADILLA等[8]關于測試牛奶中羰基含量方法,羰基與2,4-二硝基苯肼反應生成紅色2,4-二硝基苯腙,在370 nm處有特征吸收峰,通過紫外分光光度計測得其含量。

1.3.2.3 蛋白水解度

參考孫琦等[9]的方法,對試樣進行離心提取蛋白后,與配制的OPA溶液混合,運用甘氨酸制作標曲進行讀數。

OPA試劑配制:將3.81 g四硼酸鈉和100 mg SDS溶解于70 mL去離子水中,溶解完全;將80 mg OPA溶解在2 mL無水乙醇中,溶解完全后加入之前溶液中,并用去離子水轉移;將88 mg DTT加入到上述溶液中,去離子水沖洗轉移;將上述溶液用去離子水定容到100 mL,避光保存,現配現用。

牛奶樣品處理與測定:取10 mL牛奶在5 000 r/min離心20 min除去脂肪,取2 mL上清液加入離心管中,加入2 mL 12%(質量分數)三氯乙酸,12 000 r/min離心20 min,取上清液400 μL,加3 mL OPA 試劑使混合物反應2 min后在340 nm處測吸光度值。

甘氨酸標準曲線的測定:配制一系列濃度梯度的甘氨酸標準品溶液,除不需要離心外操作與上述相同,340 nm處測吸光度值,并繪制標準曲線,擬合公式y=0.404 1x+0.028 9,(R2=0.999 6),可用于樣品濃度測定。

1.3.2.4 感官評價

依據GB/T 16291.1—2012《感官分析 選拔、培訓與管理評價員一般導則 第1部分:優選評價員》進行培訓,來自江南大學訓練有素的15名小組成員參與評價。大量研究表明氣味和味道屬性很大程度上決定了消費者對牛奶的喜好程度,故設置感官評分總分100分,氣味、味道和外觀分別占比40%、40%和20%[10]。

采用表2中的牛奶感官評價描述與屬性評估與新鮮牛奶差異性,每個描述詞分別代表最直接的感官屬性,在感官量表上使用1～9分對超高溫滅菌牛奶進行評估。其中,1分代表惡劣的屬性很強或好的屬性很弱,9分代表沒有惡劣的屬性或好的屬性很強。在感官測試前1 d準備感官測定的樣品,并在5 ℃下保存,于測試前2 h置于室溫環境。

表2 牛奶感官評價描述與屬性Table 2 Description and attribute table of sensory evaluation of milk

當消費者對樣品進行感官評分后,按公式(3)計算消費者不接受比例:

(3)

式中:C,消費者不接受比例,%;NS,消費者接受該牛奶樣品的人數;N,消費者測試總人數。

參考HOUGH等[11]生存分析的數學方法,當接受比例的幾何平均值達到50%時,確定為計算牛奶樣品貨架期終點,此時的感官評價總分為牛奶貨架期終點感官總分。

2 結果與分析

2.1 貯存過程中樣品褐變指數變化

貯存溫度、初始脂肪含量對UHT牛奶褐變指數變化影響如圖1所示。

a-37 ℃;b-30 ℃;c-23 ℃圖1 初始不飽和脂肪酸含量、溫度對貯存期間牛奶褐變指數的影響Fig.1 Effects of initial fat content and temperature on browning index of milk during storage period

常溫下褐變指數變化較為緩慢,在30、37 ℃條件下褐變指數變化顯著;褐變指數隨著貯存溫度、初始脂肪含量提高而增加。這一趨勢與KARLSSON等[12]、SUNDS等[13]的研究結果一致。這主要是由于牛奶在貯存過程中發生了美拉德反應,中間階段產物與氨基化合物進行醛基-氨基反應,最終生成棕色甚至是黑色的大分子物質類黑素,致使奶體顏色發生顯著變化,感官品質顯著下降。

2.2 貯存過程中樣品羰基含量變化

牛奶中的羰基主要是由于牛奶蛋白在加工貯存過程中發生氧化修飾,如堿性氨基酸殘基的羰基化而生成的[14],羰基含量越高,則表示牛奶中蛋白氧化程度越嚴重,而蛋白質氧化會導致蛋白質消化率和營養價值的降低[15],影響牛奶整體品質。不同初始脂肪含量UHT牛奶于不同溫度貯存下的羰基含量變化如圖2所示。貯存過程中各樣品羰基含量總體呈上升趨勢,且反應速率與貯存溫度呈正相關,這與谷文[16]的研究結果一致,不同初始脂肪含量的樣品間反應速率并沒有呈現規律性。這主要是由于貯存期間包裝內頂空O2與奶體中的蛋白質結合發生氧化反應而生成羰基化合物,但其本身并不穩定,很快與其他物質結合進一步形成氧化產物。

a-37 ℃;b-30 ℃;c-23 ℃圖2 初始不飽和脂肪酸含量、溫度對牛奶貯存期間羰基含量變化的影響Fig.2 Effects of initial fat content and temperature on carbonyl content of milk during storage

2.3 貯存過程中樣品蛋白水解度變化

貯存過程中牛奶中的蛋白酶、纖溶酶等會降解牛奶中的蛋白質,產生游離氨基酸[17],游離氨基酸互相結合形成苦肽,這會導致牛奶中產生苦味并伴隨絮狀物析出[18],通過測定游離氨基酸含量可反映牛奶蛋白水解程度[19]。溫度對不同初始脂肪含量UHT牛奶貯存過程中蛋白水解度變化影響見圖3?？傮w上,貯存期間樣品蛋白水解度呈上升趨勢,且與貯存溫度呈正相關。

a-37 ℃;b-30 ℃;c-23 ℃圖3 初始不飽和脂肪酸含量、溫度對貯存期間牛奶蛋白水解度變化的影響Fig.3 Effects of initial fat content and temperature on proteolysis degree of milk during storage

2.4 貯存過程中感官品質變化

已有大量研究表明,綜合感官評分能反映牛奶品質變化,同時也是衡量牛奶貨架期終點的重要指標[20]。不同初始脂肪含量UHT牛奶于不同溫度貯存下的感官評分結果如圖4所示?？傮w上,貯存期間內各樣品的感官評分呈下降趨勢,貯存溫度越高,感官品質下降速率越快。同時結合消費者可接受度比例,在37 ℃條件下,GM牛奶、UM牛奶、DM牛奶、TM牛奶的貨架期終點分別為70、70、80、80 d。

a-37 ℃;b-30 ℃;c-23 ℃圖4 溫度對貯存期間牛奶感官評分變化的影響Fig.4 Effect of different temperature on sensory score of milk during storage

進一步分析新鮮試樣與變質試樣的各感官風味差異(圖5),奶粉味、蒸煮味、寡淡奶味、組織狀態對牛奶劣變呈弱相關性,顏色對牛奶劣變呈強相關性,表明新鮮牛奶與變質牛奶在顏色上有顯著差異,這直接影響了消費者對產品的可接受度。

圖5 UHT牛奶感官風味輪廓圖Fig.5 Sensory flavor profile of each UHT milk

2.5 基于初始脂肪含量影響的UHT牛奶貨架期模型

2.5.1 不同貯存條件下各指標間相關性分析

試樣在23、30、37 ℃貯存條件下指標間Pearson相關系數見表3。不同貯存溫度、不同初始脂肪含量試樣的感官評分與各指標相關系數均大于0.9,其中褐變指數與感官評分的相關系數均大于0.95。參考感官評價結果,影響感官評分下降的主要因素是色澤分數的變化,而牛奶中羰基所呈現的氧化風味及蛋白水解度呈現的苦味分數下降幅度不大,同時,在相關性分析中,感官評分的變化與褐變指數呈現最大相關性,反映褐變指數的顏色指標在感官評分中對于新鮮與變質牛奶差別顯著,因此將褐變指數作為UHT牛奶貨架期預測的關鍵指標。同時感官評價發現,樣品不可接受時褐變指數均大于9.0,這也與SAHOO等[21]的研究結果接近。故將褐變指數9.0作為本研究UHT牛奶貯存貨架期終點。

表3 不同貯存條件下指標間Pearson相關系數Table 3 Pearson correlation coefficient between indexes of each milk stored at different temperatures

2.5.2 基于初始脂肪含量影響的包裝貨架期模型

綜合試驗結果與已有成果表明牛奶色澤變化導致的褐變指數變化符合零級動力學[22]。為此,考慮溫度[23]、初始脂肪含量等綜合影響建立褐變指數變化動力學模型[24]。如公式(4)～公式(6)所示:

(4)

(5)

(6)

同時,獲得不同樣品活化能Ea和指前因子A0值(表4)。

進一步建立基于褐變指數控制的UHT牛奶貨架期預測模型如公式(7)所示:

(7)

式中:SL,基于褐變指數預測的UHT牛奶貨架期,d;BI,產品貨架期終點褐變指數;BI0,產品初始褐變指數。

2.5.3 包裝貨架期模型驗證

樣品貨架期的預測值和實際值結果見表5,兩者的相對誤差均不大于10%。

表5 貨架期預測模型的可靠性驗證Table 5 Reliability verification of shelf-life prediction model

3 結論

在無光照貯存時,溫度、初始脂肪含量對UHT牛奶的褐變指數、蛋白水解度和羰基含量、感官評分等變化影響較為顯著,其中褐變指數與感官評分的相關性最為密切;利用褐變指數建立基于初始脂肪含量、溫度影響的UHT牛奶貨架期預測模型,并通過產品實際貯存驗證模型的有效性,該模型可作為UHT牛奶貨架期預測的有效途徑。