工艺优化对长保质期酸奶稳定性的改善

杨畅，李洪亮，李树森，李星岩，季慧苹，高飞*

内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司（呼和浩特 011500）

长保质期酸奶在货架期内储存和运输过程中的稳定性尤为重要[1-2]，衡量这一稳定性的重要指标之一就是持水力。持水能力越强，体系的稳定性越好[3]。研究表明，酸奶生产中多种添加剂如果胶、海藻酸丙二醇酯（PGA）和变性淀粉羟丙基二淀粉磷酸酯（Hydroxypropyl distarch phosphate，HPDSP）等的添加可以有效提高体系的持水力，降低酸奶的乳清析出，提升酸奶体系的稳定性[4-6]。

酸奶凝胶持水力的测定方法一般为离心法[7-9]，即通过离心作用将酸奶体系中的乳清和水离出，计算离心沉淀率来表征体系的持水能力。这一方法可用来模拟酸奶体系受到外界作用力时的稳定性，但储存环境温度对体系稳定性的影响却缺乏相应的测定方法。

差示扫描量热法（Differential scanning calorimetry，DSC）是一种在程序控制温度下，通过建立样品与参比物之间功率差和温度的关系，来分析体系热效应的技术手段[10]。此方法因其具有样品需求量少、成本低、简便快速的特点[8]而被广泛应用于医药[11]、材料[12]、生物[13]及食品[14]等领域。通过测定酸奶体系中凝胶与水结合的热差焓变值，可以表征酸奶受到环境温度影响时的持水能力变化情况。

试验以DSC作为样品热分析的方法来表征体系受到外界温度影响时持水能力的变化情况；同时，试验也通过离心的方式对体系受到外力作用时的持水能力进行测定，并将二者的测定结果进行比较和分析。在此基础上，通过响应面法重点研究果胶、PGA、羟丙基二淀粉磷酸酯3种添加剂的工艺优化对体系稳定性的改善。以期为提高长保质期酸奶在储存和运输过程中的稳定性提供一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料

白砂糖（青岛日昇昌食品配料有限公司）；果胶（美国CP Kelco公司）；羟丙基二淀粉磷酸酯：泰莱贸易（上海）有限公司；PGA（江西百盈生物技术有限公司）。试验中用到的原辅料均为食品级。

1.1.2 试验仪器

APV-1000均质机（德国APV公司）；DSC 3差示扫描量热仪（瑞士Mettler公司）；XS 204分析天平（瑞士Mettler公司）；CT 6 E日立台式离心机（长沙科美分析仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 长保质期酸奶生产工艺

长保质期酸奶生产工艺[15]流程见图1，终产品以1 kg计。图1中的配料阶段的添加剂为果胶、PGA及HPDSP中的一种或几种，其他工艺过程均执行现行国家标准。

图1 长保质期酸奶工艺流程图

1.2.2 离心法测定体系持水力

准确称取10.0 g样品，装入离心管中，离心机的转速设定为4 000 r/min，离心时间设定为5 min，持水率以WHC（Water Holding Capacity）表示，WHC按式（1）计算。

式中：m0为离心管的质量，g；m1为离心后样品和离心管的总质量，g；m2为样品质量，g。

1.2.3 差式扫描量热法测定体系持水力

准确称取5.0～10.0 mg样品置于40 μL无定位针的铝坩埚中，仪器初始测量温度设定为30 ℃，测量结束温度设定为150 ℃，加热速率定为10 ℃/min。使用N2作为气体保护氛围，流量设定为50 mL/min。

1.2.4 响应面法优化添加剂的复配工艺

为了研究不同添加剂的复配工艺对酸乳凝胶产品稳定性的影响，试验采用响应面法[16]（Response Surface Method，RSM）对各稳定剂复配工艺进行优化（终产品以1 kg计），试验数据由Design-Expert 8.0.6软件分析处理。试验设计采用旋转中心组合设计模块（CCRD）的方式，对果胶、PGA、HPDSP的用量配比进行优化，以离心持水率和热差焓变值作为衡量标准，试验因素水平编码表见表1。

表1 添加剂配比响应面试验因素及水平编码表

2 结果与讨论

2.1 无添加剂时酸乳凝胶体系的稳定性分析

试验设计的空白对照组为不添加任何稳定剂。在对照组条件下，对体系的离心持水力和热差焓变值进行分析，热差分析图谱见图2。

由图2分析可知，ΔH为1 193.21 J/g，热稳定性一般；对样品进行离心分析，WHC为86.11%±0.87%，WHC低于90%，持水能力一般。由于长保质期酸奶需经过长时间的储存，热差焓变值需≥1 500 J/g，WHC需≥90%，才能确保产品在保质期内的品质。因此，不添加任何稳定剂的酸乳凝胶长时间存放产品品质不能得到保证。

图2 不添加稳定剂时体系的热差图谱

2.2 不同添加剂单一使用时体系的稳定性分析

2.2.1 果胶对酸乳凝胶体系稳定性的影响

不同添加量的果胶对体系稳定性影响见图3。随着果胶添加量的上升，体系的热差焓变值和离心持水力均呈现先上升后下降的趋势，这主要是因为果胶可通过静电相互作用附着在酸乳酪蛋白凝胶网络结构的表面，达到提高热稳定性、增强持水能力的目的[17]；但果胶添加量超过1.5 g/kg，其多余的负电荷无法与酪蛋白的正电荷中和，自身出现静电排斥作用，造成对凝胶网络结构的空间挤压作用，导致水分子从网络结构中析出，热稳定性和持水能力均出现降低的趋势。

2.2.2 海藻酸丙二醇酯（PGA）对酸乳凝胶体系稳定性的影响

不同添加量的PGA对体系稳定性影响见图4。随着PGA添加量的上升，体系的热差焓变值和离心持水力均呈现先上升后下降的趋势，这是因为随着PGA含量的增加，其对酪蛋白凝胶网络结构的保护作用逐渐加强，体系的稳定性逐渐提高，但当PGA的添加量大于1.0 g/kg时，PGA之间容易出现团聚结块的现象[18]，由此导致受热后水分子易于从网络结构的孔隙中蒸发，热稳定性下降。

图3 果胶添加量对体系稳定性的影响

图4 海藻酸丙二醇酯添加量对体系稳定性的影响

2.2.3 羟丙基二淀粉磷酸酯（HPDSP）对酸乳凝胶体系稳定性的影响

不同添加量的HPDSP对体系稳定性影响见图5。随着HPDSP添加量的上升，体系的热差焓变值和离心持水力均呈现先上升后下降的趋势，这是因为HPDSP具有很好的溶胀性能，其吸附在酪蛋白凝胶的表面，可形成酪蛋白-多糖的复合物胶粒，通过氢键的作用与水分子形成更加稳定的水化层[19]，从而提高体系的热稳定性和持水能力。当HPDSP的用量达到18 g/kg时，体系中与酪蛋白结合的HPDSP达到饱和，此时由于HPDSP的分子量较大，对酪蛋白凝胶网络结构形成挤压作用，导致体系热稳定性和持水能力均出现降低趋势。

总体而言，3种添加剂果胶、PGA及HPDSP单独添加，对体系热稳定性和持水能力的影响均呈现出先增强后减弱的趋势，但对三者复配使用时对体系稳定性的影响程度及因素之间的交互影响作用尚不明确，仍需通过响应面法优化试验加以研究。

2.3 响应面法对添加剂复配的工艺优化

2.3.1 响应面试验设计方案及结果

3个需要优化的工艺参数分别为果胶、PGA和HPDSP添加量，以热差焓变值和离心持水力作为模型优化的2个变量，17组独立试验的结果见表2，其中有5个中心点。

图5 羟丙基二淀粉磷酸酯添加量对体系稳定性的影响

表2 Box-Behnken模型试验设计方案及结果

2.3.2 响应面回归统计分析结果

对试验结果进行回归拟合，分别以离心持水力WHC和热差焓变值ΔH作为响应值，得到的斜率与各因素之间关系的方程为：

回归统计分析的结果分别见表3和表4。

此回归模型的p＜0.000 1，极显著，其决定系数R2=0.992 1；失拟项p＞0.1，不显著项，说明此模型拟合度较好，方法可靠。由表3可知，此模型一次项A、B、C均为极显著；二次项A2和B2为极显著，C2显著；交互项AB、AC为极显著，说明果胶与PGA和HPDSP交互作用均极为显著，但PGA与HPDSP之间的相互作用不显著。

对模型各项分别进行F检验，p＜0.05定为显著项，以“*”表示，p＜0.01为极显著项，以“**”表示，p＞0.1为不显著。此回归模型F检验的p＜0.000 1，为极显著项，其决定系数R2=0.988 1。失拟项p＞0.1，为不显著项，说明此模型拟合度较好，方法可靠。由表3可知，此模型一次项A、B、C均为极显著；二次项A2和B2为极显著，C2不显著；交互项AC、BC为极显著，说明HPDSP与果胶和PGA交互作用均极为显著，但果胶与PGA之间的相互作用则为不显著。

表3 响应值为WHC的回归统计分析结果

表4 响应值为ΔH的回归统计分析结果

2.3.3 响应面因素交互的2D和3D图像分析

2.3.3.1 响应值为WHC的因素交互图像分析

观察3个因素交互作用的响应面图形和等高线图形（图6～图8），结果发现每两个因素的响应面图中均有一个最佳交互水平。

从图5可知，响应曲面的开口向下，说明果胶和PGA之间的复配有交互作用，固定果胶的添加量，PGA对体系WHC的影响呈现先增大后减小的趋势；固定PGA的添加量，果胶的影响也呈现先增大后减小的趋势。等高线图中，沿A轴方向的线密度略高于沿B轴方向的线密度，说明果胶添加量的影响比PGA的影响略大。

从图7可知，响应曲面的开口向下，说明果胶和HPDSP之间的复配有交互作用，固定果胶的添加量，HPDSP对体系WHC的影响呈现逐渐减小的趋势；固定HPDSP的添加量，果胶的影响呈现先增大后减小的趋势。等高线图中，沿A轴方向的线密度明显高于沿C轴方向的线密度，说明果胶添加量的影响比HPDSP的影响更大。

从图8可知，响应曲面的开口向下，说明HPDSP和PGA之间的复配有交互作用，固定PGA的添加量，HPDSP对体系WHC的影响呈现逐渐减小的趋势；固定HPDSP的添加量，PGA的影响呈现先增大后减小的趋势。等高线图中，沿B轴方向的线密度明显高于沿C轴方向的线密度，说明PGA添加量的影响比HPDSP的影响更大。

图6 响应值为WHC时果胶和PGA之间的等高线图及响应面图

图7 响应值为WHC时果胶和HPDSP之间的等高线图及响应面图

图8 响应值为WHC时HPDSP和PGA之间的等高线图及响应面图

2.3.3.2 响应值为ΔH的因素交互图像分析

观察3个因素交互作用的响应面图形和等高线图形（图9～图11），结果发现每两个因素的响应面图中均有一个最佳交互水平。

由图9可知，响应曲面的开口向下，说明果胶和PGA之间的复配有交互作用，固定果胶的添加量，PGA对体系ΔH的影响呈现先增大后减小的趋势；固定PGA的添加量，果胶的影响也呈现先增大后减小的趋势。等高线图中，沿A轴方向的线密度略高于沿B轴方向的线密度，说明果胶添加量的影响比PGA的影响略大。

由图10可知，响应曲面的开口向下，说明果胶和HPDSP之间的复配有交互作用，固定果胶的添加量，HPDSP对体系ΔH的影响呈现逐渐减小的趋势；固定HPDSP的添加量，果胶的影响呈现先增大后减小的趋势。等高线图中，沿A轴方向的线密度明显高于沿C轴方向的线密度，说明果胶添加量的影响比HPDSP的影响更大。

由图11可知，响应曲面的开口向下，说明HPDSP和PGA之间的复配有交互作用，固定PGA的添加量，HPDSP对体系ΔH的影响呈现逐渐减小的趋势；固定HPDSP的添加量，PGA的影响呈现先增大后减小的趋势。等高线图中，沿B轴方向的线密度明显高于沿C轴方向的线密度，说明PGA添加量的影响比HPDSP的影响更大。

图9 响应值为ΔH时果胶和PGA之间的等高线图及响应面图

图10 响应值为ΔH时果胶和HPDSP之间的等高线图及响应面图

图11 响应值为ΔH时HPDSP和PGA之间的等高线图及响应面图

由响应面的试验结果得出：当果胶添加量为1.2 g，PGA的添加量为0.96 g，HPDSP的添加量为14.14 g时，试验结果最佳，WHC可达到101.538%，ΔH为2 143.62 J/g。

2.3.4 响应面法优化添加剂配比的验证试验

根据响应面法给出的最优工艺条件进行三次独立验证试验，得到体系的WHC值为99.87%±0.12%，ΔH值为2 131.11±2.98 J/g。与响应面法得到的拟合结果较为接近，说明响应面法能对试验结果起到很好的预测作用，响应面法得到的最优工艺条件与实际验证结果具有很好的相符性。

3 结论

试验采用离心法和热分析法分别对体系的持水能力进行测定，以此来表征不同添加剂的复配优化对体系稳定性的影响。之后在单因素试验的基础上，采用响应面法对不同添加剂的添加量进行工艺优化，响应面法得到的最佳工艺条件为：果胶添加量1.2 g/kg，PGA的添加量0.96 g/kg，HPDSP的添加量14.14 g/kg。在此条件下，体系的持水能力WHC最大，可达101.538%，热差焓变值ΔH也最大，可达2 143.62 J/g，体系的稳定性最好。实际验证时，体系持水力和热差焓变值均与预测值较为接近，说明该方法是一种较好的工艺优化方法，可为工业化生产提供一定的指导意义。