碳酸水保藏生牛乳及其去除效果的研究

俞 佳,刘会平,李委红,王 宇,刘少娟

(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

碳酸水保藏生牛乳及其去除效果的研究

俞 佳,刘会平*,李委红,王 宇,刘少娟

(天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

以添加不同量碳酸水的生牛乳(4 ℃)为研究对象,检测其冷藏期的理化指标及菌落总数,并进行碳酸水去除实验,探索一种延长生牛乳冷藏保存期的方法。结果表明:添加碳酸水可延缓生乳的酸败,且溶解的CO2浓度越高,抑菌作用越显著;在碳酸水去除实验中,CO2浓度为41.47 mmol/L的生乳在55 ℃、-0.085～-0.095 MPa条件下旋蒸15 min后,其水分含量、CO2含量及热稳定性可恢复到对照组水平。碳酸水不会对生牛乳的理化性质造成影响且易去除,因此,可以采用添加碳酸水的方法延长生牛乳的冷藏保存期。

生牛乳,碳酸水,保存,去除效果

牛乳富含脂肪、蛋白质、乳糖、维生素和矿物质等营养物质,其特殊的营养价值对人类健康具有重要作用,是膳食中的完美食品[1-2]。营养丰富且配比合理的牛乳不仅有益于人类健康,也是适宜于各类腐败菌和病原微生物生长繁殖的天然培养基[3]。牛乳还易受周围环境的影响,因此,其极易被微生物污染,从而导致腐败变质。

生乳的保鲜问题一直是国内外乳品界的难题,也是长期以来的研究热点。目前,常用的生鲜牛乳保藏方法主要还是低温冷藏,辅助保鲜方法还有物理保鲜技术(超高压、超声波、微波、辐射等)、生物保鲜技术(乳过氧化物酶体系、Nisin、溶菌酶等)、化学保鲜技术(防腐剂)等[4-7]。CO2能降低乳中的酶活性,抑制绝大多数微生物增殖,可防止乳品的氧化腐败现象[8-9]。CO2保鲜技术在蔬菜、粮食、肉制品等中的应用已比较成熟,能有效保证产品品质,延长货架期,但该技术在乳品中的应用研究较少[10]。新型的CO2保鲜技术可以更好地发挥保鲜作用,延长多种乳制品的货架期[11]。但将CO2直接充入生乳中,存在着充气量难控制、混合不均匀、易起泡和溢出、气体浪费严重和达不到预期保鲜效果等问题,且整个加工过程需要在较高压力环境下进行,给工业化生产带来诸多不便。目前,还没有关于利用碳酸水以延长生乳低温保存期的研究,因此,本文考虑将CO2先溶解于水中,再与生牛乳混合,以解决控制CO2添加量和保鲜效果的难题,并验证碳酸水的去除对原料乳理化指标的影响,为生乳保鲜新技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

生牛奶 天津市塘沽奶场;二氧化碳 食品级,天津圣楠气体有限公司;硫酸(化学纯)、氢氧化钾(化学纯)、乙醇(分析纯)、乙醚(分析纯)、氯化钠(分析纯) 天津市化学试剂一厂;无水碳酸钠、石油醚、氨水 分析纯,天津市北方天医化学试剂厂;平板计数琼脂培养基 北京奥博星生物技术有限责任公司。

TM703-1型碳酸饮料现调机 盐城市天马食品(机械)有限公司;电热鼓风干燥箱 天津市天宇实验仪器有限公司;PHS-3C型数显pH计 上海今迈仪器仪表有限公司;AB204-N型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;K9840型自动凯氏定氮仪 济南海能仪器有限公司;HES-26型电热恒温水浴锅 上海一恒科学仪器有限公司;旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;DSC-60A型差式量热扫描仪 日本岛津公司;YXQ-LS-50S型立式压力蒸汽灭菌锅 上海博讯实业有限公司医疗设备厂;SW-CJ-IBu型超净工作台 苏州安泰空气技术有限公司;HH.BII型电热恒温培养箱 天津市中环实验电炉有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 碳酸水制备与添加 现调机的CO2气瓶压力外表设置为75～80 psi,即0.517～0.552 MPa。查GB/T 10792-2008中碳酸气吸收系数表得知:在0.50 MPa、4 ℃的条件下,CO2气体的吸收倍数为8.74倍。计算得现调机所制的碳酸水中CO2浓度为390.2 mmol/L,则碳酸水与生乳的体积比例用下式计算:

式(1)

式中:C:不同生乳混合液中CO2浓度,mmol/L;V1:碳酸水体积,mL;V2:牛奶体积,mL。

由式(1)可计算得出不同浓度生乳混合液中V1∶V2的理论值,计算得:CO2浓度为10 mmol/L的生乳混合液中碳酸水与生乳的体积比为1∶38,20 mmol/L浓度混合液中为2∶37,30 mmol/L浓度混合液中为1∶12,40 mmol/L浓度混合液中为4∶35,50 mmol/L浓度混合液中为5∶34。按上述比例添加碳酸水即得所需CO2浓度的生乳混合液,用1.2.3中方法验证混合液中CO2浓度。

1.2.2 硫酸标准溶液的配制 参照GB/T 601-2002进行硫酸标准溶液的配制和标定。按下列公式计算1 mL硫酸标准溶液相当于CO2的克数X。

式(2)

式中:W:碳酸钠的质量,g;V1:滴定时消耗硫酸溶液的总体积,mL;V2:滴定至酚酞变色时消耗硫酸溶液的体积,mL;0.415,碳酸钠换算成CO2的系数(CO2/Na2CO3=44/105=0.415)。

1.2.3 样品中CO2含量的测定 取三个洁净的空试管,分别加入10、10、5 mL的5 mol/L KOH溶液,再加50 mL水,振荡混匀,用插有玻璃导管的胶塞如图1连接[12]。取来样品瓶,打开瓶盖,立即连接胶塞,置于50 ℃水浴中,开启真空泵运行20 min左右,至CO2全部逸出为止。然后拆卸装置,将试管中的吸收液合并于500 mL锥形瓶中,用水多次冲洗导管和试管,洗液亦收集进锥形瓶,加酚酞指示剂3～5滴,用标定的硫酸标准溶液滴定至无色,再加甲基橙指示液3～5滴,继续滴定至橙色终点。并作空白实验(取5 mol/L KOH溶液25 mL,加水150 mL,振荡混匀)。

图1 CO2测定装置 Fig.1 The equipment of testing carbon dioxide

按照式(3)进行计算即可得样品中CO2的含量Y。

式(3)

式中:Y,样品中CO2的含量,mmol/L;V1,吸收液滴定中消耗硫酸溶液的总体积,mL;V2,吸收液滴定中至酚酞变色时消耗硫酸溶液的总体积,mL;V3,试剂空白滴定中消耗硫酸溶液的总体积,mL;V4,试剂空白滴定中至酚酞变色时消耗硫酸溶液的总体积,mL;X,1 mL 硫酸标准溶液相当于CO2的质量,g;W,样品用量,mL。

1.2.4 生乳酸化实验 取一份未处理的生乳作为对照,向其余生乳中添加不同量碳酸水,使之形成不同CO2浓度(10、20、30、40、50 mmol/L)的生乳混合液,并按照1.2.3分别测定CO2含量。以碳酸水处理当天为第1 d,每天定时取样(4 ℃,密封保存)并测定其蛋白质(凯氏定氮法)、脂肪(参照GB 5413.3-2010)、pH(pH计法)、酸度(参照GB 5413.34-2010)和相对密度(参照GB 5413.33-2010),以检测生乳的保存质量。

1.2.5 菌落总数 参照GB 4789.2-2010进行检测。

1.2.6 去除实验 乳品加工厂中为了标准化,一般用闪蒸来减少原料乳中的水分和气体,碳酸水的添加增加了原料乳的水分含量,同样可以用闪蒸来去除多余水分。为尽量模拟闪蒸负压低温的条件,在实验室条件下用旋转蒸发仪进行实验。

对CO2浓度为41.47 mmol/L的混合乳分别进行不同时间(1、2、5、8、10、15、20、25、30、35 min)的旋转蒸发(55 ℃,-0.085～-0.095 MPa)处理,然后检测其水分、CO2含量等指标。

1.2.7 差式热量扫描分析(DSC) 用移液枪吸取3.5 μL左右的样品,盛于岛津液体坩埚中,准确称量样品质量(精确到0.0001 g),边缘压紧后,以氮气为保护气,流量45 mL/min,空液体坩埚为参比,扫描速度为5 ℃/min,气温范围25～150 ℃。

1.3 数据分析

使用SPSS Statistics 19软件进行差异性显著分析(p<0.05),利用Excel软件进行数据处理及绘图。

2 结果与讨论

2.1 理化性质检测结果

经过多次测量取平均值得新鲜生乳中CO2浓度为(1.98±0.02) mmol/L,各生乳混合液的实际CO2浓度依次为11.37、21.56、30.99、41.47、51.04 mmol/L。

2.1.1 蛋白质含量 牛奶中的蛋白质是完全的蛋白质,含有人体所需的必需氨基酸,其消化率可达到90%～94%,许多国家把乳蛋白作为衡量牛奶质量的一个标准[13-14]。由图2可知,处理组中添加了不同量的碳酸水,由于水的稀释,蛋白质百分含量略有不同程度的下降,且碳酸水添加越多,蛋白质百分含量越低。当添加CO2浓度达到41.47 mmol/L的碳酸水时,蛋白质百分含量仍高于2.9%,而51.04 mmol/L碳酸水添加组的蛋白质含量为2.89%,略低于2.9%。在贮存期间,各组乳中蛋白质含量都有所下降,除51.04 mmol/L处理外,其余处理组下降程度相比对照组低。在4 d内,对照组与11.37 mmol/L和21.56 mmol/L组无显著差异(p>0.05),第5 d开始有显著差异(p<0.05)。添加碳酸水对贮存过程中乳的蛋白质含量的下降有抑制作用,这主要是因为碳酸水抑制了乳中腐败微生物的生长,减缓了微生物分解蛋白质的速度。

图2 对照组与处理组生乳贮存期间的蛋白质含量变化Fig.2 The changes of protein in raw and carbonated milk during storage

2.1.2 脂肪含量 牛乳的脂肪含量一般为3%～5%,脂肪含量会影响乳的加工性能,乳脂肪的氧化变质会影响奶品的营养品质、完整性和安全性[15-16]。由图3可看出,由于碳酸水的稀释作用,各处理组脂肪百分含量也略有不同程度的降低,但仍高于3.1%。在贮存期间,处理组脂肪含量随时间的推移也有所下降,但下降趋势相比对照组较缓,且碳酸水添加量越多,下降越缓。第5 d时,对照组显著(p<0.05)低于各处理组。说明添加碳酸水对贮存期乳的脂肪含量下降有抑制作用,可以推测,碳酸水可以抑制乳中脂肪酶的活性。

图3 对照组与处理组生乳贮存期间的脂肪含量变化Fig.3 The changes of fat in raw and carbonated milk during storage

2.1.3 相对密度 牛乳中的相对密度可以用来衡量牛乳的内在质量和卫生质量[17],GB19301-2010中规定生乳相对密度不低于1.027。由图4可知,各组生乳在贮存期间,相对密度随时间的推移有波动,但变化不大。总的来说,添加一定量碳酸水对乳有稀释作用,但在正常范围内,当碳酸水添加量较多,即CO2浓度达到51.04 mmol/L时,生乳相对密度接近1.027。

图4 对照组与处理组生乳贮存期间的相对密度变化Fig.4 The changes of specific gravity in raw and carbonated milk during storage

2.1.4 pH 根据对4 ℃下贮存期内各组pH的监测,发现各组生乳的pH均呈下降趋势,但处理组pH下降比对照组平缓,且碳酸水添加越多,pH下降越平缓,第6 d时对照组显著(p<0.05)低于其他组。在贮存期,腐败微生物的生长引起生乳的酸败,使其pH下降,而碳酸水对乳的酸败有明显的抑制作用。

图5 对照组与处理组生乳贮存期间的pH变化Fig.5 The changes of pH in raw and carbonated milk during storage

2.1.5 滴定酸度 正常新鲜牛乳呈微酸性,中华人民共和国国家标准GB19301-2010中对生鲜牛乳的酸度值规定为12～18 °T[18]。由图6可知,在4 ℃贮存期间,对照组生乳酸度显著上升,第7 d时,对照组显著(p<0.05)高于其他组。而处理组中随着CO2浓度的增加,酸度上升趋势平缓,51.04 mmol/L组酸度基本不变。说明碳酸水可有效抑制乳的酸度上升,而且CO2浓度越大,抑制作用越明显。

2.1.6 菌落总数 菌落总数是评价生乳新鲜度和可使用性,保证乳品安全的最重要的微生物指标。由图7可得,碳酸水的添加对4 ℃下生乳中细菌总数影响较大,明显抑制了细菌总数的增加。以菌落总数对数值6.3 lgCFU/mL(GB 19301-2010)为参照,对照组的安全保存期为36 h,而处理组随着CO2含量的增加,保存期依次为42、48、54、72、72 h,乳中CO2浓度为41.47 mmol/L和51.04 mmol/L时可以使原料乳的保质期延长一倍。添加碳酸水能延长生乳冷藏保存期,且碳酸水添加越多,贮存过程中菌落总数增殖越慢。但是,与国外可将生乳保质期延长至6～9 d相比[19],本实验延长保质期的时间相对较短,可能是由于已经过了碳酸水作用的最佳时间—迟滞期,微生物在生乳挤出到运送到实验地点的时间内增殖迅速。

图7 对照组与处理组生乳贮存期间的菌落总数对数值变化Fig.7 The lgN changes of total aerobic bacteria in raw and carbonated milk during storage

2.1.7 煮沸实验结果 煮沸实验可以从感官上判定生鲜牛乳的品质。由表1清晰可见,添加碳酸水对贮藏在 4 ℃下生鲜牛乳的煮沸实验结果影响较大。对照组生乳贮存到第5 d煮沸实验即有凝结现象,此时,蛋白质的结构发生改变,生乳酸败变质,不再呈均匀的乳状液,而是呈絮状、颗粒状析出聚集,表明牛乳蛋白的稳定体系已经被破坏。而添加了碳酸水的处理组,都在第7 d才出现凝结现象,说明碳酸水的添加可有效延长生乳的冷藏保存期。

表1 对照组与处理组生乳贮存期间的煮沸实验Table 1 The results of boiling test in raw and carbonated milk during storage

注：(-)表示阴性,无凝结或絮状沉淀,稳定性好;(+)表示阳性,有凝结或絮状沉淀,稳定性差。

2.2 去除实验

由2.1可知,CO2浓度越高碳酸水对生乳的保鲜效果越好,但较多碳酸水的加入会在一定程度上影响其理化指标。因此,选择添加碳酸水至混合乳的CO2含量为40 mmol/L作为最佳添加量,并进行进一步的旋蒸实验。

2.2.1 水分含量检测结果 由表2可直观地看到,对照组生乳水分含量为87.5%,处理组为89.1%,各旋蒸组生乳水分含量随着旋蒸时间的增加而下降,旋蒸15 min时,水分含量为87.6%,与对照组无显著差异(p>0.05)。可见,实验室条件下的负压旋蒸可以模拟乳品工厂中的闪蒸,且旋蒸15 min即可去除由于添加碳酸水所增加的水分,恢复到原始生牛乳的状态。

表2 对照组、处理组、旋蒸组生乳的水分含量Table 2 Moisture contents of raw,carbonated and evaporated milk

注：标注不同字母表示数据有显著性差异(p<0.05)，表3同。

2.2.2 CO2含量检测结果 由表3可直观看到,对照组生乳CO2含量为1.98 mmol/L,处理组为41.47 mmol/L,而各旋蒸组生乳CO2含量随着旋蒸时间的增加而下降,旋蒸15 min组与对照组无显著差异(p>0.05)。

表3 对照组、处理组、旋蒸组生乳的CO2含量Table 3 CO2 contents of raw,carbonated and evaporated milk

2.2.3 DSC检测结果 从前文分析可知,负压旋蒸到15 min时的状态与对照组很接近,因此选择对照组、41.47 mmol/L处理组、旋蒸15 min组进行差式量热扫描实验,用差式量热扫描法研究热稳定性。如图8为各组DSC扫描图。

图8 对照组、处理组、旋蒸15 min组的差式热量扫描图Fig.8 DSC analysis of raw,carbonated and evaporated milk注:(A)对照组生乳,(B)处理组生乳,(C)旋蒸15 min组生乳。

由图8和表4可以看出,三组生乳的DSC扫描图和热分析数据基本相同。对照组与处理组相变起始温度基本相同,但峰值温度、终止温度、热量变化差别比较大,说明添加碳酸水使生乳热变性质改变。而对照组与旋蒸组在相变温度、峰值温度、终止温度和焓变各个方面都很接近,说明旋蒸15 min已经使处理组生乳基本恢复到了对照乳水平。

表4 对照组、处理组、旋蒸15 min组的DSC热分析数据Table 4 DSC analysis of raw，carbonated and evaporated milk

3 结论

在本实验中,添加碳酸水对生乳理化性质略有影响,但各指标基本在国家标准范围内。碳酸水的添加对生乳中多种微生物均有抑制作用,减缓了生乳的酸败,且抑制作用与生乳混合液的CO2浓度呈正相关。综合考虑经济效益与保存效果,选择碳酸水添加至CO2含量为40 mmol/L作为保存生乳品质的最佳添加量,此添加量可有效延长生乳的保鲜时间。在碳酸水去除实验中,41.47 mmol/L组生乳在55 ℃、-0.085～-0.095 MPa条件下旋蒸15 min后可恢复到对照组水平,且不会对生牛乳的理化性质造成影响。因此,采用添加碳酸水的方法延长生牛乳的冷藏保存期具有可行性。

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Study on the preservation effect of carbonated water on milk and the removal of carbonated water from raw milk

YU Jia,LIU Hui-ping*,LI Wei-hong,WANG Yu,LIU Shao-juan

(College of Food Engineering and Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457,China)

This study aimed to explore a method that could prolong the cold storage shelf life of raw milk. The aerobic plate count,physical and chemical indicators of the raw milk(4 ℃)which were added different amount of carbonated water were detected in refrigeration. In addition,carbonated water was removed by rotary evaporation. The results showed that the addition of carbonated water could delay the spoilage of milk,and the higher consistence of CO2dissolved,the more obvious inhibition effects were. In the carbonate water removal experiment,the water content,CO2content and thermal stability of the milk of 41.47 mmol/L group which was rotated and evaporated for 15 min in 55 ℃,-0.085～-0.095 MPa could restore to the control group. Carbonated water could be removed easily and had no impact on the physical and chemical properties of raw milk. Therefore,adding carbonated water can be used to extend the refrigerated shelf life of raw milk.

raw milk;carbonated water;preservation;removal effect

2016-12-29

俞佳(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：动物资源开发与功能食品，E-mail：tiantian881221@163.com。

*通讯作者:刘会平(1964-)，男，博士，教授，研究方向：动物资源开发与功能食品，E-mail：liuhuiping111@163.com。

天津市科委项目(13KQZZNC0664)。

TS252.2+6

A

1002-0306(2017)15-0020-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.005