褐色乳酸菌饮料稳定体系的优化

王光强， 杨婧媛， 夏永军， 艾连中

上海理工大学医疗器械与食品学院， 上海 200093



褐色乳酸菌饮料稳定体系的优化

王光强， 杨婧媛， 夏永军， 艾连中*

上海理工大学医疗器械与食品学院， 上海 200093

为探究褐色乳酸菌饮料的体系稳定性，通过单因素和正交试验证明了葡萄糖添加量、褐变时间和发酵时间对乳酸菌饮料稳定性的影响较小；而基料添加量(蛋白质含量)、饮料pH和均质压力对稳定性的影响较大。获得褐色乳酸菌饮料最优稳定体系参数为：葡萄糖添加量80 g，褐变时间2 h，发酵时间72 h，基料添加量200 g，饮料pH 3.7，均质压力200 MPa。研究结果不仅优化了褐色乳酸菌饮料的制作工艺，而且降低了稳定剂的添加量，降低了生产成本。

褐色乳酸菌饮料； 稳定性； 工艺； 正交实验

乳酸菌饮料，以乳或乳制品为主要原料通过乳酸菌发酵后制得，后调入果酱、甜味剂、谷物等，可以赋予乳酸菌饮料丰富的微量元素、糖类、蛋白质、矿物质及各种维生素。与牛奶相比，乳酸菌饮料中的原料在乳酸菌作用下可脱去异味，使之具有独特、柔和的酸味和爽口的乳香味，并有一定的粘度，口感舒适，层次丰富，深受消费者欢迎。其中还含有大量乳酸，可促进消化、降低人体肠道pH，抑制腐败菌生长繁殖，促进肠道蠕动[1]。乳酸菌饮料因口感柔和、有助于消化和吸收，尤其适合老人和儿童饮用。但乳酸菌饮料是一种不稳定的多相体系，稳定性较差，易出现沉淀、分层、浑浊等现象，严重影响产品质量和外观。在褐色乳酸菌饮料加工过程中，热处理通常在90 min以上，且发酵周期较长，易导致乳蛋白变性而影响稳定性。与普通酸性饮料相比，其对稳定性的要求更高[2-3]。

活性乳酸菌饮料中存在的大量继续产酸的乳酸菌，导致保质期内产品pH不断下降，使饮料中的酪蛋白处于高度不稳定状态，形成一种不稳定的多相体系，容易发生凝集沉淀，从而影响产品稳定性[4]。处理不稳定性的常用方法是均质处理和加入稳定剂以提高饮料粘度[3]。本研究选取褐色乳酸菌饮料生产工艺中的葡萄糖添加量、褐变时间、发酵时间、基料添加量(蛋白质含量)、饮料pH和均质压力6个因素，首先采用单因素试验考察各因素对乳酸菌饮料稳定性的影响，分析各因素对稳定性造成影响的原因，并评价各因素对稳定性的影响大小，然后通过正交实验，分析了6种因素不同参数组合对褐色乳酸菌饮料稳定性的影响，最终实现在不添加稳定剂的情况下，获得褐色乳酸菌饮料最优稳定体系参数，实现不含稳定剂的褐色乳酸菌饮料生产。本研究不仅优化了褐色乳酸菌饮料的制作工艺，而且降低了稳定剂的添加量，降低了生产成本。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌种与试剂

选用菌种为副干酪乳杆菌Lpc-37，来源于丹麦丹尼斯克有限公司；脱脂奶粉(蛋白质34 %，脂肪0.8 %)购于新西兰；葡萄糖、白砂糖与柠檬酸等均为食用级原料。

1.1.2 主要试验设备

APV 1000均质机(丹麦APV公司)；MASTERSIZER 2000粒径分析仪(法国MAXWELL公司)；TDL-40B冷冻离心机(瑞士Metrohm公司)；IKA-RW20高速搅拌机(德国IKA公司)。

1.2 方法

1.2.1 褐色乳酸菌饮料制作工艺流程

按照图1所示工艺流程制作褐色乳酸菌。

图1 褐色乳酸菌饮料制作工艺流程图

1.2.2 褐色乳酸菌饮料稳定性检测方法

通过测定饮料体系的粒径分析、离心沉淀分析和感官评价其稳定性。激光衍射粒径分析是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以在光束遇到颗粒阻挡时，一部分光会发生散射现象。颗粒大小不同散射角不同，因此散射光的强弱可间接反映颗粒粒径的区别。将饮料用吸管缓慢加入到烧杯中，使溶液折光率在10%～20%内，利用粒径分析仪进行测量。选取结果中粒径D(0.9)/μm。粒径分析仪参数设置[5]：遮光度10% ～20% ，分散溶剂：水。

离心沉淀检测[6]：将饮料加入离心管中，在4 ℃，4 000 r/min下离心15 min，沉淀率s= (m3-m1) / (m2-m1)。m1：离心管重量(g)；m2：试管及饮料的总重量(g)；m3：试管和沉淀的总重量(g)。每个样品测3个平行。

感官分析评定[7]：一周后，观察饮料的分层、沉淀情况。分层、沉淀越少表示稳定性越好，反之越差。

1.2.3 单因素试验设计

根据褐色乳酸菌饮料的工艺流程，选取葡萄糖添加量、褐变时间、发酵时间、基料添加量(蛋白质含量)、饮料pH以及均质压力做单因素试验，分别考察各因素变化对饮料稳定性的影响。具体试验设计见表1。

表1 单因素试验设计

1.2.4 正交试验设计

根据单因素试验分析结果，选择其中三个因素(均质压力、基料添加量和饮料pH)进行正交试验。通过正交试验，获得使两个考察指标(粒径和沉淀率)数值达到最小的水平组合。具体详见结果与讨论。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 葡萄糖添加量对褐色乳酸菌饮料稳定性的影响

实验所得褐色乳酸菌饮料的离心沉淀率与粒径大小分析如图2所示。从图2可知，粒径与沉淀率随葡萄糖添加量的增加呈下降趋势。感官分析显示，随葡萄糖添加量增加，饮料的上层水析出量也在逐渐较少，添加60 g与80 g葡萄糖时的饮料基本无水析出，趋于稳定。这是由于葡萄糖分子的羟基和羧基与蛋白质粒子的亲和性高，有良好的分散作用。其次，葡萄糖能使酪蛋白表面形成糖膜，提高了酪蛋白与分散介质的亲和性，同时提高了乳饮料的粘度，使酪蛋白均匀稳定的分散在乳饮料中，形成悬浊液而不发生沉淀[8]。在乳酸菌长时间的发酵过程中，也会产生大量胞外多糖，有利于饮料的稳定。而等量的葡萄糖不能完全阻止蛋白质颗粒间的相互吸附凝聚[9]。本研究选择最佳葡萄糖添加量为80 g。

2.1.2 褐变时间对褐色乳酸菌饮料稳定性的影响

美拉德反应是氨基化合物和还原糖或其他羰基化合物之间发生的反应，包括缩合、脱水、降解、裂解、聚合等一系列反应，反应生成的羧酸类、酮类、吡喃、吡咯、吡啶等化合物，是食品香味的主要来源之一[10]。从图3可知，加热1 h ～3 h，粒径与沉淀率的变化趋势较小，较为稳定。感官分析显示，褐变时间主要对饮料的颜色产生较大的影响，随加热时间延长，饮料颜色加深。褐变时间2 h的饮料颜色较为适宜。

图2 葡萄糖添加量对乳酸菌饮料粒径与沉淀率的影响

2.1.3 发酵时间对褐色乳酸菌饮料稳定性的影响

发酵时间对褐色乳酸菌饮料的粒径和沉淀率的影响见图4。从图4可知，在发酵的前72 h内，粒径大小和沉淀率均在下降，而在发酵的72 h ～120 h内，粒径大小和沉淀率则趋于平稳。这是由于发酵初期，微生物处于对数生长期，而此时蛋白水解酶的活性最强，另外干酪乳杆菌在水解乳糖的过程中还有着较强的蛋白水解活性，牛奶中大量蛋白质被水解为氨基酸，饮料的颗粒也随之减小[11]；随着发酵时间达到72 h以后，发酵乳酸性增加，蛋白水解酶的活性受到抑制，蛋白质水解减慢，饮料的颗粒大小也趋于稳定，所以选择最佳发酵时间为72 h。

2.1.4 基料添加量对褐色乳酸菌饮料稳定性的影响

基料添加量(蛋白质含量)对饮料粒径和沉淀率的影响如图5所示。从图5可知，随着基料添加量增加，饮料体系的离心沉淀率逐渐上升，而粒径大小则变化不大。这是由于随着蛋白质添加量的增加，饮料中的固形物含量逐渐增加，使得稳定性变差，但当添加量达到1.3 %以后，体系的粘度增加，稳定性也较好。从感官分析角度看，基本都无分层现象。但从节约成本的基础上考虑，当基料添加量(蛋白质含量)为1.3 %最为合适，此时的添加量为250 g。

2.1.5 饮料pH对褐色乳酸菌饮料稳定性的影响

有机酸是生产乳酸菌饮料常用的原料之一，其目的是为改善饮料风味，与糖一起赋予饮料爽口的酸甜口味，同时还具有一定的抑菌作用。pH对褐色乳酸菌饮料的影响较大，如图6所示。在pH 3.5～3.7间，饮料的离心沉淀率无太大变化；在pH 3.7～3.9间，沉淀率和粒径明显上升。此外，从感官观察来看，随pH增加，饮料无水析出，pH 3.7以后开始析出水层，且逐渐增多。这是因为酪蛋白的等电点pI为4.6[12]，在加入柠檬酸后，pH下降，当接近酪蛋白的等电点时，会由于重力作用使其沉淀从而使乳酸菌饮料的稳定性遭到破坏[13]，所以出现粒径和沉淀率都呈上升趋势，故最佳饮料pH选为3.7。

2.1.6 均质压力对褐色乳酸菌饮料稳定性的影响

均质压力对饮料粒径和沉淀率的影响如图7所示。由图7可知，均质压力改变的情况下，对褐色乳酸菌饮料的稳定性影响较大。随着均质压力从0增加到200 MPa，乳酸菌饮料体系的粒径与沉淀率均在下降，而200 MPa之后，粒径与沉淀率变化不大，趋于稳定。由斯托克斯定律可知，乳蛋白质粒子半径越小，乳酸菌饮料粘度越大，乳酸菌饮料沉淀速度越慢，饮料的稳定性越好[14]。这是因为乳酸菌饮料中含有许多蛋白质微粒和脂肪球，它们的颗粒大小直接影响饮料的稳定性。均质压力过低时，蛋白质粒子过大，容易沉降影响稳定性。此外，从感官观察来看，随均质压力增加，饮料开始有水析出，当均质压力达到100 MPa后，趋于稳定无水析出。结合沉淀率、粒径大小和感官，可以看出，压力超过200 Mpa时稳定性良好。因此，综合考虑，选择最佳均质压力条件为200 MPa。

由上述分析可知，葡萄糖添加量、褐变时间和发酵时间对褐色乳酸菌饮料的稳定性影响较小，而对于其颜色有较大的影响，而基料添加量、pH与均质压力等条件的改变，对褐色乳酸菌体系的稳定性有较大影响较。因此，选择基料添加量、饮料pH和均质压力进行正交实验，以获得一个无稳定添加剂的最优稳定体系。

2.2 正交试验结果

根据单因素试验分析结果，选择均质压力、基料添加量和饮料pH进行正交试验。采用正交表L9(34)，试验设计如表2所示。考察指标粒径和沉淀率的正交试验结果如表3、4所示。

表2 因素水平表

由表3可知，蛋白质含量、饮料pH和均质压力都对样品饮料的离心沉淀率有影响。极差分析结果表示，饮料pH在三个因素中影响最大，基料添加量(蛋白质含量)其次，均质压力对离心沉淀率的影响最小，最佳工艺条件组合为A2B1C2。

由表4的沉淀率分析结果可知，蛋白质含量、饮料pH和均质压力都对样品饮料的粒径有影响。由极差分析可知，均质压力在三个因素中影响最大，饮料pH其次，蛋白质含量对粒径的影响最小，最佳工艺条件组合为A2B1C1。

按正交实验优化条件所制得的饮料，从感官上来看，基本都无分层现象。综合离心沉淀率、粒径大小和感官的结果，虽然正交实验所测得沉淀率和粒径选择出最优的工艺参数不同，但因饮料pH 3.6和3.7对粒径和离心沉淀率的影响都基本相同，从节约柠檬酸添加成本的角度，选择A2B1C2。即均质压力200 MPa，基料添加量(蛋白质含量)200 g，饮料pH为3.7。

表3 粒径分析的正交试验结果

表4 沉淀率分析的正交试验结果

3 结论

褐色乳酸菌饮料是一种多相不稳定体系，可主要通过对制备工艺中基料添加量(蛋白质含量)、饮料pH和均质压力的控制，获取有利于饮料稳定性的参数，达到在无稳定剂添加的情况下的稳定体系。本文通过单因素和正交试验，获得褐色乳酸菌饮料最优稳定体系参数为：葡萄糖添加量80 g，褐变时间2 h，发酵时间72 h，基料添加量(蛋白质含量)200 g，饮料pH 3.7，均质压力200 MPa。

与其它相关研究报道相比[3-5, 11]，本文研究结果不仅优化了褐色乳酸菌饮料的制作工艺，而且降低了稳定剂的添加量，降低了生产成本。

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[14] 周光宏编．乳酸菌饮料的加工工艺[M]．北京：中国农业大学出版社，2002．

Optimization of stability system of brownLactobacillusbeverage

WANG Guang-qiang, YANG Jing-yuan, XIA Yong-jun, AI Lian-zhong

School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

In order to explore the stability of brownLactobacillusbeverage, effects of glucose addition, browning time and fermentation time on the stability of brownLactobacillusbeverage were investigated. The results demonstrated that these above factors had little influence on the stability of brownLactobacillusbeverage, but the addition of base material, pH value of the beverage and homogenization pressure had great impacts on it by single factor experiment and orthogonal experiment. The optimal stability parameters of brownLactobacillusbeverage were as follows: 80 g of glucose, 2 h of browning, 72 h of fermentation, 200 g of base material, 3.7 of pH value and 200 MPa of homogenization pressure. The results showed that the production process of brownLactobacillusbeverage was not only optimized, but the dosage of stabilizer and cost of production were also reduced.

brownLactobacillusbeverage; stability; process; orthogonal experiment

上海市国际科技合作基金项目(编号：14390711700)；国家自然科学基金青年科学基金项目(编号：31401670)。

王光强(1985～)，男，讲师，博士。研究方向：食品微生物，饮料。E-mail: 1015wanggq@163.com。

*通讯作者: 艾连中，教授，博导。E-mail: ailianzhong@163.com。