復合磷酸鹽螯合劑對超高壓處理的駱駝乳品質的影響

張萌萌,趙靜雅,雙全

(內蒙古農業大學 食品科學與工程學院, 內蒙古 呼和浩特, 010018)

駱駝乳富含多種生物活性成分,具有極高的營養價值和功能特性,因此被譽為“沙漠中的白金”。駱駝乳含有多種人體必需氨基酸、維生素和礦物質,不飽和脂肪酸比例也較高[1]。駱駝乳中的乳鐵蛋白具有抗炎抑菌、抗腫瘤、抗病毒等多重功效,乳清蛋白能夠增加血清胰島素的濃度,降低血糖和血脂水平、降低自由基含量,提高傷口組織中羥脯氨酸、促炎細胞因子和β-防御素的含量。臨床試驗表明,駱駝乳也可有效緩解糖尿病并發癥、高血壓、黃疸、胃腸道疾病、肺炎等疾病[2-3]。隨著科技的進步和國民保健意識的增強,新鮮、健康的駱駝乳已然成為開發的熱點。

目前,食品工業上常用巴氏殺菌、超高溫瞬時殺菌等熱力殺菌法對鮮乳殺菌,但是熱處理后的鮮乳會產生“蒸煮味”、損失部分營養物質。而超高壓處理是一種非熱食品的處理方法,能夠最高程度地保留食品原有的風味和減少營養價值的損耗。但超高壓處理后的駱駝乳中的αS1、αS2、β-酪蛋白均屬于疏水蛋白質,包埋在酪蛋白膠束內部的磷酸基因和疏水性的位點暴露在表面,容易與Ca2+形成沉淀[4]。此外,駱駝的凝乳酶相較于牛凝乳酶包含2個額外的正電荷,易與乳中蛋白質結合產生凝乳現象[5]。楊舒雅等[6]和OMAR等[7]學者研究表明,加入磷酸鹽可以提高乳粉的蛋白熱穩定性及沖調性,改善乳制品的感官特性等。因此,在駱駝乳中添加螯合劑可解決超高壓駱駝乳凝乳的問題,使駱駝乳以均勻、細膩的液體存在。

復合磷酸鹽可充分利用不同螯合劑組合產生的協同效應,降低單一螯合劑的劑量和成本,以改善單一螯合劑產生的味道并提高經濟效益。本研究確定復合磷酸鹽螯合劑的種類和比例,再利用適宜的超高壓技術處理加入復合磷酸鹽螯合劑后的駱駝乳,分析其理化指標、流變學特性和感官風味等品質特性,為超高壓處理技術應用于駱駝乳產品的生產、加工和利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

駱駝乳,內蒙古阿拉善游牧天地牧業發展有限公司。

焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉,天津市登峰化學試劑廠;NaH2PO4,天津市科密歐化學試劑公司;Na2HPO4、NaOH、無水乙醇、酚酞,國藥集團化學試劑有限公司;結晶紫中性紅膽鹽瓊脂培養基,北京陸橋技術股份有限公司;5-磺基水楊酸,天津市致遠化學試劑有限公司;抗壞血酸,天津市天新精細化工開發中心。

1.2 儀器與設備

HPP600 MPa/30 L超高壓設備,包頭科發高壓科技有限公司;FE28-Standard pH計,上海梅特勒-托利多儀器有限公司;RS6000流變儀,美國哈克公司;WSC-S色差儀,上海儀電物理光學儀器有限公司;TM4000 plus臺式掃描電子顯微鏡,日本HITACHI公司;UV752N紫外分光光度計,上海佑科儀器儀表有限公司;SA-402B電子舌,日本Insent公司;PEN3電子鼻,德國AIRSENSE公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 復合螯合劑的選擇

以GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》為參考,將焦磷酸鈉、檸檬酸鈉和Na2HPO4加入駱駝乳中后,在500 MPa,20 min進行超高壓處理。依據表1,對超高壓駱駝乳的色澤、滋味和氣味及組織狀態進行感官打分。評定高壓處理后駱駝乳的感官評分指標,以感官評分為選擇標準,選出能改善超高壓駱駝乳感官性狀的3種螯合劑,確定3種螯合劑的最佳添加量。以其最佳添加量的二分之一混合復配,根據感官評分確定復合螯合劑的種類及最終的添加量。

表1 感官評分表Table 1 Sensory evaluation scale

1.3.2 超高壓處理駱駝乳的工藝優化

在駱駝乳中加入復合磷酸鹽螯合劑進行超高壓處理,根據壓力和保壓時間單因素結果確定超高壓處理駱駝乳的最優處理后,以菌落總數致死率為評價指標,采用正交試驗確定最佳的超高壓處理條件。

處理壓力設置為400、450、500、550、600 MPa 5個水平,每個壓力梯度設3個平行。將保壓時間設置為20 min,測定經不同超高壓壓力處理后駱駝乳微生物數量的變化。

將處理時間設置為16、18、20、22、24 min 5個水平,每個時間梯度設3個平行。處理壓力設置為450 MPa,測定經不同超高壓保壓時間駱駝乳中微生物的變化。

1.3.3 滴定酸度和pH的測定

參照GB 5009.239—2016《食品安全國家標準 食品酸度的測定》中的酚酞指示劑法測定滴定酸度,使用pH計測定其pH值。

1.3.4 流變學特性

使用流變儀檢測樣品隨著剪切時間的變化其表觀黏度的變化情況。在20 ℃的恒溫條件下,轉速為30 r/min,在120 s內每隔6 s測定一次樣品的表觀黏度。

參照王松松等[8]的方法測定超高壓駱駝乳的觸變特性和應變掃描。

1.3.5 滋味、風味的測定

將超高壓處理前后的駱駝乳樣品用去離子水稀釋3倍,離心除脂,用脫脂棉過濾脂肪,得到澄清的樣品后,采用電子舌測定樣品的酸味、甜味、苦味、澀味、鮮味、咸味、豐度、回味-A和回味-B。

根據夏亞男等[9]的方法稍作修改,在室溫條件下,量取10 mL樣品于燒杯中,采用電子鼻對樣品進行測定。將電子鼻參數設置為清洗時間120 s,進樣時間10 s,測定時間120 s,取116、117、118 s處的數據進行分析。

1.4 數據處理與分析

本研究實驗數據采用SPSS 26.0對數據進行統計學分析,以平均數±標準偏差的形式表示(n=3),采用Excel 2019和Origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 磷酸鹽螯合劑種類和比例的選擇

不同濃度磷酸鹽螯合劑對超高壓駱駝乳感官評分結果如表2所示。與未添加磷酸鹽螯合劑的駱駝乳相比,加入三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉的超高壓駱駝乳色澤、滋味和氣味上的感官差異不顯著,在組織狀態評分上與未添加螯合劑超高壓駱駝乳有顯著差異,這說明這3種螯合劑的加入能改善超高壓處理駱駝乳的凝乳問題。這可能是因為磷酸鹽可替代Ca2+與鮮駱駝乳中酪蛋白的結合而減少電荷的屏蔽和膠束排斥力,形成了結構更穩定的鈣磷酸鹽,高壓沒能破壞新形成的結構,所以駱駝乳以細膩的液體狀態存在。當焦磷酸鈉和三聚磷酸鈉的添加量超過0.14%(質量分數,下同)時,超高壓駱駝乳的液體較稀,口感酸澀,所以感官評分較低。而加入六偏磷酸鈉的超高壓駱駝乳的滋味評分則隨著其添加濃度的增加而升高。當焦磷酸鈉添加量超過0.12%(質量分數,下同)后,此時的駱駝乳無凝塊,超高壓駱駝乳的組織狀態評分均在20分以上。六偏磷酸鈉的添加量為0.2%(質量分數,下同)時,超高壓駱駝乳中無凝塊。因此,焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉及六偏磷酸鈉的最佳添加量分別為0.14%、0.14%和0.2%。

表2 不同濃度磷酸鹽螯合劑對超高壓駱駝乳感官評分Table 2 Different concentrations of phosphate chelating agent on the sensory score of ultra-high pressure camel milk

不同食品添加劑組合產生的“添加劑”或“倍增效應”具有協同效應[10],還需在不影響食品風味和組織狀態情況下盡可能少的添加在食物中,因此將焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉和六偏磷酸鈉等以其最佳添加量的1/2的量進行兩兩混合復配。結果如表3所示,以0.07%焦磷酸鈉和0.1%六偏磷酸鈉(均為質量分數,下同)的比例加入駱駝乳,此時超高壓駱駝乳的色澤勻稱,醇香濃厚,穩定且均勻,無凝塊和脂肪上浮的現象,經超高壓處理后其色澤、滋味、組織狀態的感官評分均高于添加其他復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳。因此,最終確定添加量以0.07% 焦磷酸鈉和0.1%六偏磷酸鈉的比例為最佳超高壓駱駝乳復合磷酸鹽螯合劑。

表3 不同復合螯合劑磷酸鹽對超高壓駱駝乳感官評分的影響Table 3 Effects of different compound chelating agents phosphates on the sensory score of ultra-high pressure camel milk

2.2 超高壓處理駱駝乳工藝優化

磷酸鹽螯合劑還能影響蛋白質與水的結合能力,提高乳化性。但是對于復合磷酸鹽螯合劑是否影響殺菌的效果尚未可知。因此,對加入磷酸鹽螯合劑的駱駝乳的微生物數量進行檢測,并進一步優化其工藝。

在保壓時間為20 min不變的條件下,測定不同超高壓處理壓力對駱駝乳中微生物數量的影響。由表4可知,隨著壓力的升高,超高壓駱駝乳中的菌落總數逐漸減少。當處理壓力為450 MPa時,駱駝乳中的大腸桿菌全部被殺死,致死率達到了100%,這說明超高壓處理技術對大腸桿菌具有較強的殺傷力。

表4 不同超高壓處理的壓力對駱駝乳中微生物數量的影響Table 4 Effects of different ultra-high-pressure treatments with pressures on microorganism quantity in camel milk

當超高壓壓力為550 MPa時,駱駝乳菌落總數<100 CFU/mL,菌落總數致死率達到了99.98%,殺菌效果較為顯著。

壓力條件為450 MPa不變的情況下,測定不同超高壓處理時間對駝乳微生物數量的影響。由表5可知,駝乳在450 MPa的壓力下處理16 min后,未被檢測出大腸桿菌且隨著超高壓處理時間的延長,駝乳中的菌落總數逐漸減少。當保壓時間達到22 min后,隨著保壓時間的延長,超高壓駱駝乳的菌落總數致死率基本不變。這說明在處理壓力不變,改變保壓時間的情況下,僅通過延長保壓時間并不能增加殺菌效率。不同的微生物壓力閾值有所不同,只有當超高壓處理的壓力達到微生物壓力閾值,延長保壓時間才能明顯減少微生物的數量[11]。

表5 450 MPa下不同超高壓處理時間對駱駝乳中 微生物數量的影響Table 5 Effects of different ultra-high-pressure treatment times on microorganism quantity in camel milk under 450 MPa

根據壓力、時間單因素試驗結果,以壓力為450、500、550 MPa,保壓時間為18、20、22 min,進行雙因素、三水平正交試驗[12],測定超高壓駱駝乳的菌落總數,以確定超高壓處理駱駝乳的最佳殺菌條件。超高壓處理駱駝乳的處理條件優化的正交試驗結果,如表6所示。最優工藝參數是在550 MPa的壓力下處理22 min,在此條件下處理后的駱駝乳菌落總數致死率最高,殺菌效果最好。

表6 超高壓處理駱駝乳處理條件的菌落總數致死率Table 6 Orthogonal test results of treatment conditions for camel milk treated with ultra-high pressure

2.3 滴定酸度和pH的測定

加入復合磷酸鹽螯合劑和未加入復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳,未處理駱駝乳的pH值為(6.45±0.10),未加入復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的pH值為(6.51±0.08),加復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳,經超高壓處理后pH值為(6.89±0.10),經超高壓處理后其pH值升高,這可能是由于復合磷酸鹽螯合劑的加入改變了駱駝乳的酪蛋白膠束結構,形成的磷酸鈉酪蛋白復合物減少了蛋白質之間的相互作用,削弱了酪蛋白膠束的內部結構,壓力的作用使酪蛋白磷酸鈣溶解,最終pH值升高。夏遠景[13]研究表明,pH值的增加可能與溶液中羥基含量、蛋白質的凝聚及酸堿性基團暴露有關。

加復合磷酸鹽螯合劑和未加復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳,未處理駱駝乳的酸度為(17.67±0.13) °T,未加入復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的酸度為(17.23±0.18) °T,加入復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳酸度值為(16.67±0.58) °T,與未處理駱駝乳相比,其酸度有所下降,可能因為復合磷酸鹽螯合劑的Na+與酪蛋白膠束中的Ca2+相互置換形成磷酸鈉酪蛋白復合物,或是由于高壓處理后乳中CO2、檸檬酸鹽含量降低,乳中原有的酸性蛋白質的結構發生變化,從而導致駱駝乳酸度降低[14]。

2.4 流變學特性

測定乳的黏度能夠反映出乳液品質的好壞及乳液內部結構在乳品加工中的變化。超高壓處理前后駱駝乳表觀黏度的變化如圖1所示。未加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的表觀黏度值高于未處理駱駝乳和加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳,且其黏度隨著剪切時間的延長逐漸降低,這可能是因為高壓破壞了蛋白質之間靜電相互作用、氫鍵和疏水相互作用的穩定性,由此引起蛋白質二、三、四級結構的不穩定,導致乳中蛋白質產生解離、伸展和重新凝聚。超高壓對蛋白質結構影響還與蛋白質的種類有關,超高壓處理后駱駝奶中的α-la蛋白質變性率達到65%[15],這可能是黏度升高的主要原因。未處理駱駝乳表觀黏度為(1±0.000 1) mPa·s,加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的表觀黏度值為(3.7±0.001) mPa·s,雖然加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的表觀黏度高于未處理駱駝乳,但二者在感官上差異不顯著。AYYASH 等[16]提出,聚磷酸鹽和焦磷酸鹽能改變牛奶中酪蛋白膠體顆粒與鈣的結合,螯合酪蛋白中的Ca2+后形成酪蛋白酸-鈣磷酸鹽復合物,連接更加穩定。同樣也可能是由于加入復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳中蛋白質原有的穩定結構被破壞,而高壓未能破壞蛋白質新形成的穩定結構,仍有部分游離的膠束在高壓作用下發生了凝聚,所以黏度值有所增加。

圖1 超高壓處理前后駱駝乳表觀黏度的變化Fig.1 Changes of apparent viscosity of camel milk before and after ultrahigh pressure treatment

觸變性是指在機械作用下攪動分散體系時,隨著時間的變化分散體系黏度或剪切力發生變化的一種流變現象。觸變性流體的典型特征是,升速剪切曲線和降速剪切曲線會形成觸變環,上曲線和下曲線圍成的面積為觸變性黏度,面積的大小代表經外力作用后體系黏度變化的大小,面積越大則說明,黏度變化越大[17-18]。由圖2可知,未加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳剪切應力隨著剪切速率的增加而增加,隨著其減小而減小,最終上升曲線和下降曲線形成了大面積的觸變環,而其他2個樣品均未出現觸變環,這說明高壓使未加復合磷酸鹽螯合劑駝乳的黏彈性和觸變性流體增加,與未處理駱駝乳相比,其質地結構發生了改變,而加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的剪切應力與未處理駱駝乳相近,這說明加入復合磷酸鹽螯合劑可解決超高壓處理后駱駝乳的凝乳問題。

物料在受到力的作用時會發生2種形變,一種是彈性形變(用G′來表示),一種是黏性形變(用G″來表示)。當G′>G″時,彈性形變大于黏性形變,物料呈現固態特性,反之,物料呈現液體特性[19]。如圖3所示,未加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的初始G′>G″,但隨著應變的增大,G′、G″快速下降且G′

圖3 超高壓處理前后駱駝乳應變掃描的變化Fig.3 Changes of camel milk strain scanning before and after ultrahigh pressure treatment

2.5 滋味、風味的測定

以加復合磷酸鹽螯合劑和未加復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳作為對照組,檢測經超高壓處理前后滋味的變化如圖4所示。在駱駝乳中加入復合磷酸鹽螯合劑后,其酸味、澀回味及豐度值等下降,甜味、咸味和鮮味值增加。加復合磷酸鹽螯合劑駱駝乳的酸味、苦回味、澀回味均低于未加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳,這說明駱駝乳中加復合磷酸鹽螯合劑可以降低部分不佳風味。

圖4 超高壓處理前后駱駝乳滋味的變化Fig.4 Flavor changes of camel milk before and after ultra-high-pressure treatment

氨基酸和肽是食品風味形成過程中重要的前體物質,經超高壓處理后駱駝乳的滋味發生變化,這可能是由于超高壓處理促進了氨基酸的釋放,提高肽的活性,從而使食品的滋味發生變化。加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳的酸味、苦味和澀味值均低于未處理駱駝乳及未加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳,這說明復合磷酸鹽螯合劑的加入改善了駱駝乳及超高壓駱駝乳的風味。董薇[20]的研究表明,鈉鹽能提高甜味、鮮味及咸味,還能抑制酸味,此結論與本實驗結果一致。

加復合磷酸鹽螯合劑和未加復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳,經超高壓處理前后氣味的變化如圖5所示。加入復合磷酸鹽螯合劑后的駱駝乳,其芳香類物質、氨類、短鏈烷烴類和長鏈烷烴的響應值上升,氮氧化合物、氫化物、甲基類和無機硫化物、萜類物質等傳感器響應值下降,復合磷酸鹽螯合劑的加入降低了駱駝乳氮氧化合物、氫化物及甲基類等芳香成分的含量,增加了乳中苯類、氨類與短鏈烷烴等芳香成分。加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳氮氧化合物、甲基類及無機硫化物、萜類物質等傳感器的響應值均比加復合磷酸鹽螯合劑駱駝乳高。與新鮮駱駝乳相比,未加復合磷酸鹽螯合劑超高壓駱駝乳中的氮氧化合物、甲基類、無機硫化物、萜類物質和長鏈烷烴等物質濃度略高。這說明超高壓處理能增加駝乳中氮氧化合物、硫化物、醇類、醛酮類及芳香族化合物的含量,豐富駱駝乳的氣味。食品中的脂類物質和蛋白質等物

圖5 超高壓處理前后駱駝乳氣味的變化Fig.5 Odor changes of camel milk before and after ultra-high-pressure treatment注:W1C,對芳香類物質敏感;W5S,對氮氧化合物敏感;W3C,對芳香類化合物、氨類敏感;W6S,對氫化物敏感;W5C,對短鏈烷烴類、芳香類化合物敏感;W1S,對甲基類敏感;W1W,對無機硫化物、萜類物質敏感;W2S,對醇類、醛酮類敏感;W2W,對有機硫化物敏感;W3S,對 長鏈烷烴敏感。

質與風味物質之間存在相互作用,食品中蛋白質本身幾乎沒有風味,但是蛋白質會與風味物質之間作用改變產品的風味[21]。超高壓處理駱駝乳,會引起乳中酪蛋白及其他蛋白質結構發生改變,這種改變能引起駱駝乳原有風味的改變[22]。

3 結論

本論文以超高壓處理的駱駝乳為原料,以感官評分為指標,篩選出0.07%焦磷酸鈉和0.1%六偏磷酸鈉組成的復合磷酸鹽螯合劑對駱駝乳風味影響較小。通過單因素實驗、正交實驗優化確定加入復合磷酸鹽后,超高壓駱駝乳最佳條件為:550 MPa的壓力下處理22 min,在此條件下處理后的駱駝乳殺菌效果最好,且加入復合磷酸鹽螯合劑不會影響殺菌效果。加復合磷酸鹽螯合劑的駱駝乳,經超高壓處理后其pH值升高,酸度降低。加復合磷酸鹽螯合劑的超高壓駱駝乳的表觀黏度下降了0.56 Pa·s,此時駱駝乳的黏度與未處理駱駝乳黏度相近。復合磷酸鹽螯合劑的加入還可中和了駱駝乳的酸味、澀回味及豐度值,增加了甜味、咸味和鮮味值。因此,加入復合磷酸鹽螯合劑可改善超高壓處理的駱駝乳的穩定性和風味。本實驗的研究可為超高壓處理技術應用于駱駝乳產品的生產、加工和利用提供理論依據。