谷物牛乳稳定性研究

杭 锋，任 璐，孟令洁，龚广予，王荫榆，郭本恒

（光明乳业股份有限公司技术中心，乳业生物技术国家重点实验室，上海200072）

谷物牛乳稳定性研究

杭 锋，任 璐，孟令洁，龚广予，王荫榆，郭本恒*

（光明乳业股份有限公司技术中心，乳业生物技术国家重点实验室，上海200072）

为了研究不同胶体对谷物牛乳稳定性及其货架期的影响，以超高温灭菌纯牛乳为对照，利用Malvern粒度仪测定了花生牛乳与黑米牛乳的粒径分布，并基于物理反射模型的背散射光检测技术分别研究了结冷胶和微晶纤维素对两者的稳定效果。实验结果表明，谷物牛乳较纯牛乳的粒径分布明显地增加了谷物微粒所形成的峰，其中，花生微粒的粒径主要分布于20～500μm，而黑米微粒则介于1.7～200μm；花生牛乳与黑米牛乳的SI分别为0.17和1.11，颗粒沉降速率分别为0.23mm/h和6.13mm/h。因此，结冷胶悬浮颗粒的能力较MCC更强，更适合于谷物牛乳体系的悬浮。

谷物牛乳，花生，黑米，稳定性，沉淀

随着健康意识的觉醒，谷物牛乳以其低胆固醇、低乳糖和高膳食纤维含量而备受关注。牛乳体系一般是由蛋白质、脂肪、糖类等营养物质组成的一种乳状液体系，脂肪以脂肪球形式并借助表面活性物质（蛋白质和脂类物质）分散于其中。牛乳体系的粒径分布呈典型“双峰”状，粒径小于3μm的组分主要为乳脂肪球，而大于3μm的组分则为非脂乳固体［1］。悬浮液则是不溶性固体粒子（如不溶性蛋白质、淀粉和纤维等）悬浮于水相中，比重较大的粒子能够随时间推移而聚集并形成沉淀。谷物牛乳体系为典型的悬浮液，经粉碎得到的谷物微粒粒径要远大于脂肪球和非脂乳固体的粒径，且分布不如牛乳体系均一。此外，谷物微粒吸水膨胀会加重其分层、沉淀等现象。改进谷物粉碎方式和均质虽可降低谷物微粒的粒径，是提高谷物牛乳稳定性的手段之一，但前两者方法均很难将其稳定性提高至牛乳水平，尤其对长货架期要求的谷物牛乳，稳定性是其货架期的最主要限制因素［1］。要解决这一问题，需加入合适乳化剂、增稠剂使产品稳定。目前，对牛乳体系稳定效果的考察主要以观察法和离心法为主，这两种方法检测精度不够高，只能定性而不能定量评价其对体系的稳定效果［2］。基于反射物理模型的稳定分析仪（QuickScan or TurbiscanⓇ）已广泛应用于研究乳浊液的稳定性和浓缩胶体的分散性［1，3-7］，利用牛乳背散射光随时间的变化率亦可评价其货架期［7-8］。本文以超高温灭菌纯牛乳为对照，利用近红外发射光谱的背散射光稳定动力学参数（Stability Index，SI）来比较结冷胶（Gellan Gum）和微晶纤维素（Microcrystalline Cellulose，MCC）分别对花生牛乳和黑米牛乳的稳定效果并进行货架期评价，希望能够为其他谷物牛乳的研究提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

生鲜牛乳、超高温灭菌乳 光明乳业股份有限公司；Dimodon HP-C分子蒸馏单甘酯 丹麦Danisco（上海）公司；蔗糖酯SE-15 杭州瑞霖化工有限公司；HM-B结冷胶，微晶纤维素。

KA T25高速组织分散机 德国IKA公司；APV 1000型高压均质机 丹麦APV公司；Turbiscan Lab稳定分析仪 法国 Formulaction公司；Mastersizer Hydro2000 Mu型激光粒度仪 英国Malvern公司；TP37SE型超高温杀菌机 日本Powerpoint International公司。

1.2 样品制备

1.2.1 黑米牛乳的制备 利用高速组织分散机将50g的黑米粉（过0.125mm滤网）分散于75～80℃热水中，8000r/min搅拌10min后，置于90℃水浴保温30min，使其淀粉充分糊化。

将1.0kg的生鲜牛奶加热至75～80℃，利用高速组织分散机分别将18g的MCC、3g蔗糖酯SE-15和3g单甘酯溶解于牛奶中，8000r/min搅拌10min后，与1.3kg的生鲜牛奶和黑米浆混合，用水补齐至6kg后搅拌5min，将其加热至65±2℃后经2级均质（1级均质压力5MPa，2级均质压力15MPa），经超高温瞬时灭菌（137℃，3～4s）后灌装，样品以备后续实验使用。

1.2.2 花生牛乳的制备 将筛选好炒至八分熟的无皮花生仁240g用水淘洗干净，除去杂质，放入pH为7.5～8.5的弱碱液中浸泡12h（进行软化处理），弃有色浸泡液后用水洗净。用磨浆机将花生仁粉碎，磨浆热水温度为80～90℃，磨浆热水用量约为花生仁重量的20倍，滤网为0.3mm。分离出的花生渣经磨浆机反复磨浆2～3次，将多次滤液合并混匀即为花生乳液，最后将滤渣经均质后加入至花生乳液中。

将1.0kg的生鲜牛奶加热至75～80℃，利用高速组织分散机分别将7.2g结冷胶、3g蔗糖酯SE-15和3g单甘酯溶解于牛奶中，8000r/min搅拌10min后，与1.3kg的生鲜牛奶和花生乳液混合，用水补齐至6kg后搅拌5min，将其加热至65±2℃后经2级均质（1级均质压力5MPa，2级均质压力15MPa），经超高温瞬时灭菌（137℃，3～4s）后灌装，样品以备后续实验使用。

1.3 粒径分布的测定

样品的粒径分布采用Mastersizer Hydro2000 Mu型激光粒度仪测定，样品需经自来水稀释至合适浓度［1］。具体参数设置如下：颗粒折射率：1.500；颗粒吸收率：0.001；相对折射率：1.449；分散剂（水）折射率：1.330。

1.4 谷物牛乳稳定性的测定

超高温灭菌纯牛乳和谷物牛乳的稳定性测定方法见参考文献［7，9］。稳定分析仪给出的评价指标是超高温灭菌乳观察时间内背散射光的平均变化率（ΔBS，%），ΔBS与体系稳定性呈负相关，体系越稳定，ΔBS值越小，体系越不稳定，则 ΔBS值越大。ΔBS能直观反映体系局部的不稳定现象，但不能量化比较多个的不稳定程度。经Turbiscan Easysoft软件处理，将ΔBS微积分处理后转换为观察时间内的平均背散射光变化率，并用稳定动力学（Stability Index，SI）表示，因此，SI亦与体系稳定性呈负相关。

1.5 数据分析与处理

利用 TurbiscanLab稳定分析仪的 TLAb EXPERT 1.23软件采集数据，并用Turbiscan Easysoft软件进行数据分析。

2 结果与讨论

2.1 谷物牛乳粒径的测定

利用Mastersizer Hydro2000 Mu型激光粒度仪分别测定了超高温灭菌纯牛乳、花生牛乳和黑米牛乳的粒径，3者粒径分布见图1。

图1 灭菌纯牛乳与谷物牛乳粒径分布

由图1可见，超高温灭菌纯牛乳的粒径分布呈典型“双峰”状，其中，粒径分布介于0.03～0.4μm之间的为酪蛋白粒子，介于0.4～10μm主要为脂肪球及非脂乳固体［1］，且没有大于10μm的粒子。对花生牛乳而言，磨浆后的花生仁粒径分布于2.5～10μm和20～500μm两个范围区间内，其中，粒径分布于2.5～10μm的粒子数目百分比较少，绝大部分介于20～500μm内，这主要与所采用的滤网孔径为300μm有关。较花生牛乳而言，黑米谷物牛乳体系的粒径发生了明显的变化，粉碎的黑米颗粒的粒径分布在约1.7～200μm间，但不具备牛乳酪蛋白、脂肪球及非脂乳固体所形成典型的“双峰”粒径分布，MCC可包埋0.2～2.0μm的粒子［10］，而消失的“双峰”粒径分布正好介于其中，对于这一点有待于进一步验证。

2.2 谷物牛乳稳定性的测定

利用TURBISCAN LAB稳定分析仪按方法1.4分别测定了超高温灭菌乳、黑米谷物牛乳及花生谷物牛乳的稳定性，Turbiscan Easysoft软件进行数据处理，得到三者的稳定动力学参数，结果见图2。

图2 灭菌纯牛乳与谷物牛乳稳定性比较

由图2可见，超高温灭菌乳的SI介于花生牛乳和黑米牛乳之间，三者的 SI分别为0.69、0.17和1.11。从粒径分布角度而言，纯牛乳的粒径最小而稳定性较差，这是由于纯牛乳未添加任何乳化剂，均质破碎后的乳脂肪球随着时间推移发生聚集［11］，并产生浮油现象，从而降低了体系的SI［7］。为了分析浮油对SI的影响，分别测定了超高温灭菌纯乳、花生牛乳和黑米牛乳体系的脂肪浮油速率，结果见表1。

由表1可见，货架期为6个月的灭菌纯牛乳的浮油速率为0.09mm/h，略高于花生牛乳，且灭菌纯牛乳在观察时间内的浮油时间为10.4h，而花生牛乳仅为7.0h（数据未给出），因此，较谷物牛乳沉淀所导致的不稳定现象，浮油是导致灭菌纯牛乳SI低于花生牛乳的原因。黑米牛乳的脂肪迁移速率虽为0.16mm/h，但迁移发生的时间最晚且最短，这也很有可能与MCC包埋脂肪球有关。此外，也可以判断花生牛乳体系较灭菌纯牛乳更为稳定，并据此预测其货架期可达到6个月的要求。

表1 灭菌乳与谷物牛乳浮油速率比较

对于谷物牛乳而言，由于谷物颗粒较大，易发生沉淀现象［1］。结合图1和图2可以发现，花生牛乳中的花生颗粒粒径主要分布于20～500μm，而黑米牛乳的黑米颗粒粒径介于1.7～200μm间，理论上讲，黑米牛乳体系较花生谷物牛乳体系更易稳定。但是，由于两者体系所选择的胶体不同（乳化体系相同），黑米牛乳体系选择了MCC对其颗粒进行悬浮，花生谷物牛乳体系则选择了结冷胶进行悬浮，据此推论，结冷胶悬浮颗粒的能力较MCC更强。

2.3 谷物牛乳粒子沉降速率的测定

谷物微粒的沉降速率遵循Stokes定律［1］，见式（1）。

式中：V为迁移速率；ρP为谷物微粒的密度，此处以 1.16g/cm3计［1］；ρL为乳浆的密度，此处以1.030g/cm3计［7］；d为谷物微粒的粒径；g为重力加速度，此处以9.8m/s2计；μ为体系的粘度。根据此公式，V与谷物颗粒的 d2、（ρP-ρL）成正比，与 μ成反比。

谷物颗粒的比重较乳浆密度大，因此，存在谷物微粒沉降的问题。为了进一步确定结冷胶与MCC对微粒的悬浮效果，利用Turbiscan Lab稳定分析仪的TLAb EXPERT 1.23软件分析了两个体系中的粒子沉降速率，结果见图3。

图3 花生（A）与黑米（B）谷物牛乳沉降速率比较

由图3可见，在12h的观察时间内，花生牛乳中的花生颗粒从开始即发生沉淀，0～1.41h内的沉降速率方程为y=0.23mm/h×t（r2=0.67），此后，沉降速率又逐渐降低；而黑米牛乳中的黑米颗粒在2h即发生沉降，在2～8h内的沉降速率方程为y=6.13mm/h ×t（r2=0.99），此后沉降速率逐渐降低。较结冷胶稳定的花生牛乳体系，MCC悬浮的黑米牛乳体系在观察时间内发生速率远大于花生谷物牛乳，进一步说明了结冷胶悬浮颗粒的能力比MCC强。

HM-B结冷胶为高酰基结冷胶，其可依靠O-乙酰取代基中的甲基和O-甘油酰取代基中的羟基之间形成的C-O共价键双螺旋结构并盘曲折叠形成复杂的三维网络结构［12］，并将粒子包裹其中而达到悬浮粒子的效果。而MCC形成网状结构的原理在于借助自身的斥力以及缠绕于其表面羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）的COO-间静电斥力而形成的复杂三维网络结构［13］，因此，在网络结构的孔径大小方面可能存在差异，可做进一步研究。

3 结论

花生牛乳和黑米牛乳由于其中增加了谷物成分，其粒径分布较纯牛乳体系发生明显变化，其中，花生颗粒的粒径要远大于黑米颗粒的粒径。粒径较大的谷物颗粒导致整个体系更易发生沉淀现象。基于物理反射模型的背散射光检测技术可以测定牛乳体系的稳定动力学参数，并分析体系粒子上浮和沉淀的速率，据此原理可以快速判断体系的稳定性。结冷胶和MCC是食品工业常用的具悬浮粒子能力的胶体，通过比较结冷胶对花生牛乳和MCC对黑米牛乳体系的稳定性发现，两者的SI分别为0.17和1.11，花生牛乳体系的沉降速率为0.23mm/h，而黑米牛乳体系的沉降速率为6.13mm/h，因此，结冷胶悬浮颗粒的能力较MCC更强，更适合于谷物牛乳体系的悬浮。

［1］Durand A，Franks G V，Hosken R W.Particle sizes and stability of UHT bovine，cereal and grain milks［J］.Food Hydrocolloids，2003，17（5）：671-678.

［2］赵谋明，林伟锋，胡坤，等.多糖对大豆蛋白在水相介质中乳化特性的影响研究［J］.食品工业科技，2002，23（6）：31-34.

［3］Sceni P，Wagner J R.Study on sodium caseinate foam stability by multiple light scattering［J］.Food Science and Technology International，2007，13：461-468.

［4］Mengual O，Meunier G，Cayre I，et al.TURBISCAN MA 2000：multiple light scattering measurement for concentrated emulsion and suspension instability analysis［J］.Talanta，1999，50：445-456.

［5］Grotenhuis E，Remco T，Kruif C G.Phase Stability of Concentrated Dairy Products［J］.Journal of Dairy Science，2003，86：764-769.

［6］Vanderghem C，Danthine S，Blecker C，et al.Effect of proteose-peptone addition on some physico- chemical characteristics of recombined dairy creams［J］.International Dairy Journal，2007，17：889-895.

［7］杭锋，郭本恒，任璐，等.基于混料设计优化超高温灭菌乳复配乳化剂［J］.化工学报，2009，60（4）：984-989.

［8］Durand A，Hosken RW.Effects of homogenisation on the stability of a model soy food emulsion.Proceedings of the 27th Australasian Chemical Engineering Conference，1999：746-752.

［9］杭锋，孟令洁，任璐，等.粘度对超高温灭菌乳中脂肪球上浮的影响［J］.乳业科学与技术，2009（1）：10-13.

［10］Zeug A，Zimmermann J，Röder B，et al.Microcrystalline cellulose as a carrier for hydrophobic photosensitizers in water［J］.Photochemicalamp; PhotobiologicalSciences，2002，1：198-203.

［11］Dickinson E，Stainsby G.Emulsion stability in advances in emulsions and foams［ M］.London：Elsevier Applied Science，1988.

［12］Matsukawa S，Watanabe T.Gelation mechanism and network structure of mixed solution of low-and high-acyl gellan studied by dynamic viscoelasticity，CD and NMR measurements［J］.Food Hydrocolloids，2007，21（8）：1355-1361.

［13］Ragnar E k，Newton J M.Rheology of microcrystalline cellulose-Carboxymethylcellulose gels［J］.Pharmaceutical Research，1998，15（4）：509-512.

Study on the stabilities of cereals milk

HANG Feng，REN Lu，MENG Ling-jie，GONG Guang-yu，WANG Yin-yu，GUO Ben-heng*
（State Key Laboratory of Dairy Biotechnology，Technology Center，Bright Dairy and Food Co.，Ltd.，Shanghai 200072，China）

The influences of gels to the stabilities and shelf-life of formulated cereals milk were studied.The particle size distribution of peanut and black kerneled rice milk were determined by light scattering techniques with a Malvern Mastersizer Hydro2000 Mu，whereas，the stabilities of the samples suspended by gellan gum and microcrystalline cellulose，respectively，were measured by Turbiscan Lab.The results indicated that the milled peanut particle size distribution mainly located 20～500μm，which was bigger than black kerneled rice’microbes ranged in 1.7～200μm.The stabilities index of peanut milk and black kerneled rice milk were 0.17 and 1.11，while the sinking velocities were 0.23mm/h and 6.13mm/h，respectively.Therefore，the suspension capability of gellan gum were greater than MCC，meaning gellan gum were suitable for stabilizing formulated cereals milk.

cereals milk；peanut；black kerneled rice；stability；sediment

TS210.1

A

1002-0306（2011）01-0075-04

2009-11-12 *通讯联系人

杭锋（1982-），男，硕士，研究方向：乳品科学与技术。

国家“十一五”科技支撑计划（2006BAD04A06）。