牦牛乳清固体饮料的配方设计及优化

马 燕,王 萍,梁 琪,*,高瑞平,宋雪梅

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070; 2.甘肃省功能乳品工程实验室,甘肃兰州 730070)

乳清是生产干酪或干酪素时产生的副产物,保留了牛乳中约20%的蛋白质[1]。牦牛乳是营养价值极高且稀缺的国内高端乳源,其蛋白质及矿物质含量与普通牛乳存在差异[2-3]。李亚茹等[4]研究指出牦牛乳中β-乳球蛋白、血清白蛋白的含量均显著高于普通牛乳。

据统计,按生产1吨干酪排出约9吨乳清废液计算,地球每年有上亿吨乳清需要处理。乳业发达国家已经具备较强的乳清处理能力,荷兰的处理量高达95%,德国和美国达70%。与上述国家相比我国乳清液处理能力相对落后[5-6]。目前,国内外制备乳清粉主要采用喷雾干燥技术,进风口温度在100 ℃以上[7-8]。α-乳白蛋白和β-乳球蛋白的失活温度为63和74 ℃,失活后会影响乳清粉以及与乳清粉相关的婴幼儿食品的营养功能特性。在自然状态下,乳清蛋白中的巯基(-SH)具有活性,低pH(2.5～3.5),使得蛋白质的疏水性增强,-SH暴露,并与二硫键(S-S)反应导致热凝聚[9-10]。

本研究利用减压旋转蒸发(45 ℃)和真空冷冻(-55～40 ℃)两种控温浓缩干燥技术结合制取乳清粉,区别于喷雾干燥制粉工艺,温度控制在保留乳清蛋白活性的范围内。拟生产的乳清片状固体饮料在崩解剂的作用下,迅速溶解于水中,产生大量二氧化碳泡沫,饮入口中产生汽水般舒畅感。旨在促进乳清液回收利用以及产品研发创新,为工业化生产应用提供重要支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

乳清液 甘肃省功能乳品工程实验室甜干酪生产中排出的副产物,纱布粗滤,于-18 ℃冷冻保藏备用;碳酸氢钠、酒石酸、聚乙二醇6000、阿斯巴甜(食品级)、乳糖 国产分析纯。

RE-52AA旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;SCIENTZ-10ND冷冻干燥机 宁波新芝生物科技股份有限公司;DW-86L386立式超低温保存箱 青岛海尔特种电器有限公司;FR224CN分析天平 奥豪斯仪器(常州)有限公司;SDP-O小型手动压片机 江苏天诚机械;雷磁PHS-25/2F实验室台式酸度pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 固体饮料的工艺流程 制备乳清粉→乳清粉与辅料计量混合→研磨→粉末混合直压→乳清饮料片

制备乳清粉时,需要注意浓缩液体量不宜过多,否则会在浓缩过程中出现大量泡沫,给操作带来困难。其次浓缩浓度不能太高,否则在冻干后会出现粘壁现象,影响粉的品质和得率。研磨后,将乳清粉与辅料调配成的混料需搅拌均匀,否则会对饮料片崩解时间产生影响。

1.2.2 乳清粉的制备

1.2.2.1 制备过程 乳清液-18 ℃取出解冻,称取约100 g,45 ℃旋转蒸发至原液1/2,称重记为W1,转移至-55 ℃真空冷冻干燥,获得乳清粉,称重记为W2。

1.2.2.2 乳清粉得率计算

式中:W1浓缩液重量;W2冻干粉重量。

1.2.3 固体饮料的质量测定

1.2.3.1 崩解时间测定 参照《药典》(2015版)四部0921。约45 ℃200 mL的温热水加入250 mL的烧杯,放入1片饮料片,计时。待片剂周围气体停止逸出,无聚集的颗粒残存时停止计时,记录数据,重复三次。

1.2.3.2 pH测定 测过崩解时间的料液进行搅拌后,用酸度计测定其pH,记录数据。

1.2.3.3 发泡量测定 约45 ℃2 mL的温热水加入25 mL具塞刻度试管,放入1片饮料片,观察发泡量,读出泡沫到达的最大体积,记录数据,重复三次。

1.2.3.4 感官评价 评分小组由15人组成,采用盲样评定法对饮料片崩解后料液的口感、色泽、香气进行评分。利用感官加权计算最终得分。感官评价设计见表1。

表1 乳清饮料片感官评价标准Table 1 Sensory evaluation criteria for whey beverageTablets

1.2.4 固体饮料的配方研究

1.2.4.1 单因素实验 试验选择酒石酸为酸源,碳酸氢钠为碱源,聚乙二醇6000为被膜剂,阿斯巴甜为甜味剂,乳糖为稀释剂[11-12]。

设置崩解剂质量分数和酸碱配比为40%和2∶1,10%的聚乙二醇6000,5%的阿斯巴甜,选择乳清粉添加量为20%、25%、30%、35%、40%,选用乳糖作为稀释剂,考察不同的乳清粉添加量对固体饮料崩解时间、发泡量、pH、感官评分的影响;设置25%乳清粉,10%聚乙二醇6000,5%阿斯巴甜,20%乳糖,40%崩解剂,选择崩解剂中酒石酸与碳酸氢钠的酸碱比为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2,考察崩解剂不同酸碱比对饮料pH和发泡量影响;设置25%乳清粉,10%聚乙二醇6000,5%阿斯巴甜,崩解剂中酒石酸和碳酸氢钠的比例为1.5∶1,崩解剂添加量为25%、30%、35%、40%、45%,乳糖添加量根据崩解剂量进行调整,考察崩解剂添加量对饮料片的崩解时间和发泡量的影响；设置25%乳清粉,45%崩解剂(酸碱比1.5∶1),5%阿斯巴甜,选择聚乙二醇6000添加量为6%、7%、8%、9%、10%,考察聚乙二醇6000添加量对饮料片崩解时间及外观状态的影响。

1.2.4.2 正交试验 根据单因素实验结果,40%～45%崩解剂(酒石酸和碳酸氢钠酸碱比1∶1～2∶1),选取酒石酸添加量为22%、23%、24%,对应的碳酸氢钠添加量为19%、20%、21%。参照《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》(GB 2760-2014),选取阿斯巴甜添加量为1%、3%、5%,以感官加权总分为评价指标做L9(34)正交试验,主要考虑阿斯巴甜的甜味感和酒石酸的酸味感的协调性,以及酒石酸和碳酸氢钠释放二氧化碳溶于水中引起的气泡刺激感,达到调配口感的目的,设计见表2。

表2 L9(34)正交试验设计Table 2 L9(34) orthogonal test design

1.2.4.3 Box-Behnken响应面优化试验 乳清粉添加量(X1)、酸碱配比(X2)、崩解剂添加量(X3)、阿斯巴甜添加量(X4)作为本试验需要优化的四个因素,以感官加权总分(Y)为响应值应用Box-Behnken 设计一个四因素三水平的试验,对乳清饮料片配方进行优化,试验因素及水平编码见表3。

表3 Box-Behnken响应面试验设计Table 3 Box-Behnken response surface test design

1.3 数据处理

采用Design-Expert 8.0.6软件进行Box-Behnken响应面试验设计及数据处理,Excel的SUMPRODUCT函数计算感官加权总分,Origin 2018软件进行绘图,ANOVA进行显著性分析,最终确定乳清饮料片的最佳工艺配方。

2 结果与分析

2.1 乳清粉得率

采取先浓缩后冻干的方法制粉,先除去大量的水分,以浓缩后的乳清液为基准,计算浓缩后的乳清粉得率,牦牛乳清粉得率为49.34%±0.33%。乳清中含有α-乳白蛋白和β-乳球蛋白,本研究控制旋转蒸发温度为45 ℃,真空冷冻干燥温度为-55～40 ℃,低于乳清蛋白失活温度[13-15]。

2.2 单因素实验结果

2.2.1 乳清粉添加量对固体饮料品质的影响 乳清粉添加量对固体饮料品质的影响,结果见图1。

图1 牦牛乳清粉添加量对饮料片品质的影响Fig.1 Effect of the addition amount of yak whey powder on the quality of beverageTablets

参照市场对固体饮料崩解时间,以及参阅《药典》固体片剂的崩解时间的要求,崩解时间控制在120 s内[16-18]。本试验预设乳清粉为20%～40%,与崩解时间的关系见图1a。当乳清粉为20%～30%时,崩解时间从55 s增至105 s,随着乳清粉量的继续增多,崩解时间增长,超出要求。饮料的品质与发泡量、pH和感官评价密切相关,由图1b、1d、1c可知,当乳清粉为20%～30%时,发泡量在12～14 mL,料液的pH在6.40左右,感官评分高于3,饮料酸甜适中,具有气泡感。综合考虑,本试验预选乳清粉为20%～30%。

2.2.2 崩解剂酸碱比对固体饮料发泡量和料液pH的影响 由表4可知,酸碱比为1∶1及2∶1之间时,饮料片的发泡量无显著性差异(P>0.05),酸碱比为2∶1与3∶1之间时,饮料片的发泡量呈现显著性差异(P<0.05)。此外,为防止低酸加剧乳清蛋白热凝聚,控制pH为6.4～7.0之间,符合牦牛乳生理pH[19-22]。综合考虑,本试验预选酸碱配比范围在1∶1～2∶1之间。

表4 碱酸比对饮料片发泡量和料液pH的影响Table 4 Effect of alkali acide ratio on foaming amount of beverageTablets and pH value of liquid

2.2.3 崩解剂添加量对固体饮料崩解时间和发泡量的影响 由图2崩解时间可知,当崩解剂为25%～35%时,崩解时间从152降至120 s,随着崩解剂量的增加,崩解时间逐渐降低。崩解效果与发泡量具有密切关系,由图2发泡量可知,当崩解剂在35%～45%时,发泡量均大于8 mL。综合考虑,本试验预选崩解剂的添加量为40%～45%。

图2 崩解剂添加量对饮料片崩解时间和发泡量的影响Fig.2 Effect of the amount of disintegrant added on the disintegration time limit and foaming amount of beverageTablets

2.2.4 聚乙二醇6000添加量对固体饮料品质的影响 按GB 2760-2014规定,聚乙二醇6000添加量为6%、7%、8%、9%、10%,再控制配方中剩余组分的含量,进行试验。根据固体饮料(GB/T 29602-2013)标准,观察饮料片外观状态,并测定其崩解时间,作为确定聚乙二醇6000添加量对饮料片品质影响的指标。由表5可知,6%与7%之间饮料片崩解时间无显著性差异(P>0.05),7%、8%、9%、10%之间饮料片的崩解时间呈现显著性差异(P<0.05)。从崩解效果来看,随着聚乙二醇6000量的增加,崩解时间显著性增长(P<0.05),添加量大于9%时,崩解时间大于120 s,添加量为6%～8%,崩解时间控制在120 s内。从成片效果来看,添加量8%时,成片后表面光滑平整,富有光泽。综合考虑,本试验预选聚乙二醇6000添加量为8%。

表5 聚乙二醇6000添加量对饮料片品质的影响Table 5 Effect of the amount of polyethylene glycol 6000 on the quality of beverageTablets

2.3 正交试验结果

正交试验的结果见表6。由表6可知,A、B、C、D四个因素的主次关系为:A>D>C>B,即对乳清饮料片口感影响最重要的因素是阿斯巴甜的添加量,接下来依次是乳清粉,酒石酸和碳酸氢钠添加量。最优水平组合是A2B2C3D3,即阿斯巴甜的添加量为3%,碳酸氢钠添加量20%,酒石酸添加量24%(酸碱配比为1.2∶1),乳清粉添加量为30%。其中阿斯巴甜、酒石酸和碳酸氢钠分别符合GB 2760-2014蛋白饮料中甜味剂、酸度调节剂用量要求。从纵向水平口感分值来看,有多个分值过于接近,口感调配还需要提高,故选取阿斯巴甜2.5%、3%、3.5%,乳清粉25%、28%、30%,崩解剂酸碱配比1.1∶1、1.2∶1、1.3∶1对配方进一步优化。

表6 L9(34)正交试验结果Table 6 L9(34)orthogonal test results

2.4 Box-Behnken响应面优化试验结果

2.4.1 统计分析和模型拟合 依据表7,用Expert-Design8.0.6软件对自变量X1、X2、X3、X4进行拟合,得出响应值对各自变量的多元二次响应面回归方程:

表7 Box-Behnken响应面分析试验结果Table 7 Box-Behnken response surface analysis test results

表8 回归模型的ANOVA分析Table 8 ANOVA analysis of regression models

从ANOVA分析结果可知,各因素对饮料片感官质量加权总分影响极显著的是X1、X3、X4,即乳清粉、阿斯巴甜和崩解剂添加量(P<0.001),乳清粉添加量同酸碱配比的交互作用对饮料片感官质量加权评分影响显著(P<0.05)。因素X2、X1X3、X1X4、X2X3、X2X4、X3X4对饮料片感官质量加权评分影响不显著(P>0.05)。

2.4.2 响应面交互作用分析 通过对二维等高线图和三维响应面的观察可以预测出各变量交互作用的显著性,等高线图的形状和响应曲面坡度作为判断指标。当呈现圆形时,以及曲面坡度几乎平缓时,可判断为具有不显著影响;当曲面坡度较大时,对最高点进行分析后,可获知选择区域内存在研究所需的最优值[23-25]。

由图3a可知,乳清粉添加量和酸碱配比的等高线形状为椭圆形,表明乳清粉添加量和酸碱配比的交互作用对饮料片的感官品质影响达到显著水平。饮料片感官加权总分随乳清粉添加量和酸碱比的升高而呈现先上升后下降的趋势,而其中酸碱比的上升以及下降趋势过于平缓,乳清粉添加量对饮料片感官加权总分的影响比酸碱比更加显著。当乳清粉添加量在28%～29%之间时,饮料片的感官品质最好。

图3 二维等高线及三维响应面图Fig.3 Two-dimensional contour line and three-dimensional response surface

由图3b可知,乳清粉添加量和崩解剂添加量的等高线近似为圆形,表明乳清粉添加量和崩解剂添加量的交互作用对饮料片的感官品质无显著影响。饮料片感官加权总分随乳清粉和崩解剂添加量的升高而呈现先上升后下降的趋势,乳清粉添加量对饮料片感官加权总分的影响比崩解剂添加量更加显著。固定乳清粉添加量,饮料片感官加权总分随崩解剂添加量的升高呈现较明显趋势,崩解剂添加量对饮料片感官加权总分影响显著。当崩解剂添加量在43%～44%之间时,饮料片的感官品质最好。

由图3c可知,乳清粉添加量和阿斯巴甜添加量的等高线近似为圆形,表明乳清粉添加量和阿斯巴甜添加量的交互作用对饮料片的感官品质无显著影响。饮料片感官加权总分随乳清粉总体上呈现上升的趋势,乳清粉添加量对饮料片感官加权总分的影响比阿斯巴甜添加量更加显著。固定乳清粉添加量,饮料片感官加权总分随阿斯巴甜添加量的升高呈现先上升后下降的趋势,表明阿斯巴甜添加量对饮料片感官加权总分影响显著。当阿斯巴甜添加量在2.70%～3.00%之间时,饮料片的感官品质最好。

由图3d可知,酸碱比和崩解剂添加量的等高线近似为圆形,表明酸碱比和崩解剂添加量的交互作用对饮料片的感官品质无显著影响。饮料片感官加权总分随酸碱比和崩解剂添加量的升高而呈现先上升后下降的趋势,而其中酸碱比的上升以及下降趋势过于平缓,崩解剂添加量对饮料片感官加权总分的影响显著。

2.4.3 验证试验 对回归模型进行优化分析后,确定了乳清固体饮料配方的最佳工艺条件为:28.75%乳清粉,43.75%崩解剂,酸碱比为1.24∶1,2.75%阿斯巴甜,8%的聚乙二醇6000,感官加权总分为4.04。进行三次重复验证试验后,测得饮料片感官加权总分为4.06±0.11,与Box-Behnken响应面优化预测的结果基本一致,故用Box-Behnken响应面分析方法获得饮料配方的工艺条件真实,具有实际应用价值。

2.5 固体饮料质量检测结果

按照最佳工艺制得的饮料片,两平面圆形,表面光滑平整富有光泽。规格约0.50 g/片,直径约为10 mm,携带方便。约45 ℃的水冲泡,适宜品尝饮用,料液pH为6.42,崩解时间<120 s,发泡量>8 mL,遇水能够崩解并产生大量气体,具有透亮的乳白色,怡人的香气,口感清爽,良好的饮用愉悦感,固体饮料及冲饮状态。

图4 固体饮料片及其冲泡状态Fig.4 Solid beverageTablets and their brewed drink status注:a中左上角为固体饮料片,右下角为饮料片 冲泡崩解过程;b为崩解完全后的状态。

3 结论

本研究设计了不同于喷雾干燥制取乳清粉的工艺,45 ℃旋转蒸发,-55 ℃真空冻干。通过单因素试验、L9(34)正交试验和Box-Behnken响应面优化,确定饮料的最佳工艺配方:28.75%的乳清粉,43.75%的崩解剂,酸碱比为1.24∶1,2.75%的阿斯巴甜,8%聚乙二醇6000。加工温度及pH控制在维持α-乳白蛋白和β-乳球蛋白活性范围内。新产品牦牛乳清固体饮料,规格约0.50 g/片,直径约为10 mm,方便携带,色泽清透,香味愉悦,口感舒爽,是一种具有广阔开发前景的产品。