响应面法优化乳化剂对奶茶乳层析出指数的影响

周洋，舒欣怡，刘海情，叶田

（宏胜饮料集团有限公司，杭州 311200）

0 引 言

奶茶作为一种时尚的街饮在人群中收到欢迎，兼具营养、健康的概念，为人们带来美的享受。牛奶含有丰富的蛋白质、氨基酸、矿物质等，被称为理想的天然食品，茶叶中含有丰富的多酚类，咖啡碱，氨基酸，维生素及十几种矿物质营养元素，与牛奶结合形成独特的风味与口感，是社交常备的茶饮，但是将奶茶商业化，作为更加便利的饮品需要解决常温贮藏过程中带来的稳定体系的问题，常见问题为贮藏过程中产生的沉淀、絮凝、分层、乳脂析出等现象，超高温灭菌后的体系稳定性则是影响其货架期的最主要因素[1]。

由于奶茶中的乳蛋白易与红茶中的茶多酚类化合物的羟基形成氢键，产生络合的不溶物质，乳脂肪上浮形成乳层析出，脂肪上浮造成的乳层析出是影响消费者感官的重要因素，但一般的乳状液都是具有热力学不稳定特性的，粒子的数目、大小及空间排列都会随着时间的延长而改变，乳品中的酪蛋白可以吸附在乳脂肪表层，控制脂肪球的凝聚，但完全依赖蛋白是不够的[2-5]。为使奶茶在贮藏期内保持稳定性，需要加入适量的乳化剂降低界面能，乳化剂通常具有比蛋白质更高的表面活性，具有更强的降低油水界面张力的能力。理论上讲，乳化剂按其特性分为亲水性和亲油性，亲水性乳化剂是水溶的，可以扩展到水和油体系的界面处，将剥离的脂肪球包围，形成界面膜，降低脂肪的的聚集作用；亲油性的乳化剂扩展到水，油的界面处，对脂肪有较强的脂肪结合力，可以降低亲水乳化剂的界面膜在热能、机械等外力作用下易脱离脂肪球表面的特性，复合形成稳定的界面膜。同时可以利用乳化剂分子内的亲水基团和憎水基团，当它与脂肪共存时可提供更高的贮藏稳定性，其分子向着油水表面定向吸附，降低表面张力，从而防止脂肪上浮，达到稳定体系的效果[6-9]。

在实际应用中，常将多种乳化剂复配使用，以达到最佳的乳化效果[10]，杨洋等人的结果表明，饮料中添加复配乳化剂后，能够有效控制其脂肪上浮效果，稳定性良好[11]。本文主要研究4种乳化剂复配，获得最优组合，旨在探求一种较少乳层析出的方案，以减少奶茶在常温条件下贮藏的乳层析出。响应面法是一种广泛应用的试验优化方法[12-13]，它采用合理的试验设计，利用较少的试验次数，快速有效的确定多种因子的最佳试验条件，对试验进行全面的研究。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

全脂奶粉，脱脂奶粉，新西兰恒天然有限公司；单、双甘油脂肪酸酯，聚甘油脂肪酸酯，广州美晨科技实业有限公司；硬脂酰乳酸钠，凯瑞食品配料(杭州)有限公司；蔗糖脂肪酸酯，上海欣融食品原料有限公司；琥珀酸单甘油脂，上海羚跃实业有限公司；分子蒸馏单甘酯，理研食品株式会社；稀奶油，雀巢（中国）有限公司；红茶叶，福建钦心茶叶有限公司；乳酸菌链球菌素，洛阳奇泓生物有限公司；砂糖，中粮糖业有限公司。

1.2 仪器与设备

IKA EUROSTAR 60 DIGITAL搅拌器，德国IKA；APV1000高压均质机，斯必克流体有限公司；Schwerzenbach S40综合测试仪p H计，梅特勒-托利多有限公司；MS8001S电子天平，瑞士梅特勒-托利多；KJELTEC 8100凯氏定氮仪，福斯分析仪器公司；管式超高温瞬时杀菌机UHT，日本POWERPOINT国际公司。

1.3 样品的制备及处理

1.3.1 奶茶的制备

奶茶选用全脂乳粉、脱脂乳粉、红茶叶作为主要原料制作而成，简要流程如下。

90～95℃热水萃取红茶叶→65～75℃热水分散乳化剂和乳粉→白砂糖、定容水→混合、定容、杀菌、灌装

操作要点：

（1）茶汤提取。茶叶提取温度保持在90～95℃范围内，冷却过滤，减少沉淀。

（2）乳化剂溶解。乳化剂和奶粉混合，保持在65～75℃，防止溶解不充分导致的乳化不充分。

（3）均质。均质压力20～25 MPa，将料液充分混合。

（4）杀菌。高温瞬时杀菌，充分杀菌，防止饮料染菌。

（5）冷却。冷却后常温贮藏。

1.4 实验方法

1.4.1 乳层析出的测定

乳液析出的测定方法参考Moschakis等的方法改进[14]，将新制备好的奶茶置于PET瓶中，放置室温条件下，30 d后进行奶茶稳定性测定并记录。乳析稳定性采用乳层析出指数（creaming index,CI）表示，公式如下：

HS为析出层的高度/cm;HT为比色管中奶茶的高度/cm。

1.4.2 微生物指标检验

微生物检验指标应符合GB/T 21733茶饮料[15]。

1.4.3 茶多酚的测定

茶多酚的测定参照杜淑霞的方法进行测定[16]。

1.4.4 添加量优化试验

（1）乳化剂的筛选。

以乳层析出为检测指标，选取6种乳化剂按照1.3.1制备奶茶样品，观察每种乳化剂的乳化效果。试验方法见表1所示。

表1 单因素乳化剂水平

（2）单因素试验。

优选其中4种稳定性较好的乳化剂复配，加入到奶茶中，测定乳层的析出。

单、双甘油脂肪酸酯添加量：聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸钠、蔗糖脂肪酸酯添加量分别为0.05%，考察单、双甘油脂肪酸酯的添加量为（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，0.1%），对乳层析出的影响。

聚甘油脂肪酸酯添加量：单、双甘油脂肪酸酯添加量、硬脂酰乳酸钠、蔗糖脂肪酸酯添加量0.05%，考察聚甘油脂肪酸酯的添加量为（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），对乳层析出的影响。

硬脂酰乳酸钠添加量：单、双甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯添加量分别为0.05%，考察单、双甘油脂肪酸酯的添加量为（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），对乳层析出的影响。

蔗糖脂肪酸酯添加量：单、双甘油脂肪酸酯添加量、硬脂酰乳酸钠、聚甘油脂肪酸酯添加量0.05%，考察聚甘油脂肪酸酯的添加量为（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），对乳层析出的影响。

（3）响应面法优化试验。

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken中心组合设计原理，以单、双甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸钠、蔗糖脂肪酸酯添加量为考察因素，奶茶乳层析出（Y），为响应面，运用Design Expert 11软件采用4因素3水平的响应面优化，建立数学模型，以获得奶茶乳化体系的最佳组合添加量，响应面试验因素与水平见表2。

表2 乳化剂配方优化响应面试验因素与水平

2 结果与分析

2.1 单一乳化剂对奶茶乳层析出的影响

饮料中乳化剂种类和添加量的筛选对乳化体系的稳定性有明显的影响[17]。合理的选择乳化剂可以提供正向的稳定趋势，相反则会破坏稳定性体系。

由图1可以看出，6种乳化剂随着添加量的增加，乳化体系稳定性越好，而当乳化剂超过临界值时，又发生不稳定现象。这主要是因为单一一种乳化剂添加量低时，形成的界面膜不够紧密，乳化不够充分，导致脂肪析出；而当添加量过多时，乳化剂自身出现分离，乳脂析出增加，这与屠幼英等人的研究结果一致[3]。其中琥珀酸单甘油脂、分子蒸馏单甘酯，这两种乳化剂在单因素乳化剂水平实验中，乳层析出率整体高于其他4种稳定剂，说明此乳化剂不适用于此稳定体系，并且在添加量0.2%时，高于初始值，这是由于乳化剂添加量超过一定剂量后，破坏了乳化体系稳定性[18]，水油界面平衡被破坏，形成脂肪析出。而添加了聚甘油脂肪酸单、双甘油脂肪酸酯和硬脂酰乳酸钠的乳层析出指数明显较低，说明这3种乳化剂能够明显提高乳液体系的稳定性，这与之前的研究报道一致[19-20]。

图1 单一乳化剂对奶茶乳层析出的影响

2.2 单因素试验结果与分析

2.2.1 单、双甘油脂肪酸酯添加量对乳层析出指数的影响

奶茶体系中，为了得到较好的乳化效果，需要复配使用乳化剂，乳化剂是具有亲水基团和憎水集团的表面活性物质，其可以在改善乳脂分布的情况下，使其均匀分布于整个体系中，降低乳脂上浮，稳定乳状液，同时添加4种稳定剂都出现乳层析出先降低再增加的形式。

图2中可以看出，乳层析出指数随单、双甘油脂肪酸酯添加量的增加先减少后升高，在添加量为0.03%时乳层析出指数达到最低，故单、双甘油脂肪酸酯的添加量影响成品的乳层析出指数，最佳单、双甘油脂肪酸酯添加量为0.03%。

图2 单、双甘油脂肪酸酯添加量对乳层析出指数的影响

2.2.2 聚甘油脂肪酸酯添加量对乳层析出指数的影响

图3中可以看出，乳层析出指数随聚甘油脂肪酸酯添加量的增加先减少后升高，在添加量为0.03%时乳层析出指数达到最低，故聚甘油脂肪酸酯的添加量影响成品的乳层析出指数，最佳聚甘油脂肪酸酯添加量为0.03%。

图3 聚甘油脂肪酸酯添加量对乳层析出指数的影响

2.2.3 硬脂酰乳酸钠添加量对乳层析出指数的影响

图4中可以看出，乳层析出指数随硬脂酰乳酸钠添加量的增加先减少后升高，在添加量为0.03%时乳层析出指数达到最低，故硬脂酰乳酸钠的添加量影响成品的乳层析出指数，最佳硬脂酰乳酸钠添加量为0.03%。

图4 硬脂酰乳酸钠添加量对乳层析出指数的影响

2.2.4 蔗糖脂肪酸酯添加量对乳层析出指数的影响

图5中可以看出，乳层析出指数随蔗糖脂肪酸酯添加量的增加先减少后升高，在添加量为0.03%时乳层析出指数达到最低，故蔗糖脂肪酸酯的添加量影响成品的乳层析出指数，最佳蔗糖脂肪酸酯添加量为0.03%

图5 蔗糖脂肪酸酯添加量对乳层析出指数的影响

实验发现，单因素实验整体乳层析出率低于单一一种乳化剂的乳层析出，这与乌雪岩等人的结果一致，表明复配的乳化剂可以有效的减少乳层的析出。单一的亲水性乳化剂与脂肪球形成的界面膜[17]，在外力作用下，很容易脱离脂肪球，出现脂肪聚集，乳层析出现象，而亲油的乳化剂，可以扩展到水、油界面，包裹分离的脂肪球，因此适当的复配可以取得较好的乳化效果。

在一定的复配乳化剂使用范围内，随着添加量的增加，乳化效果越好，当乳化剂完全覆盖了界面[20]，反而造成体系的不稳定，出现了脂肪的上浮,因此单因素实验可以获得此条件下，最佳乳化剂配比。

2.3 响应面优化试验结果

对奶茶乳化剂添加量组合优化试验设计及结果见表3所示。

利用Design-expert 11软件对表进行数据分析，得到乳层析出指数Y与自变量A,B,C,D的二次回归方程式为：Y=2.33+0.1667A+0.6833B+0.5417C+1.33D-0.6AB-0.45AC-0.35AD-0.05BD-0.875CD+0.8292A2+1.23B2+1.09C2+1.74D2对此模型进行方差分析，结果如表3所示。

表3 Box-Behnken试验设计及结果

由图表4分析可得模型P值＜0.0001，说明该模型极显著。而失拟项P值为0.2887＞0.05，无失拟因素存在，不显著，说明所得方程与实际拟合中非正常误差所占比例小，该模型与实际情况吻合度较大，可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进行分析，否则可能是有的因素没有考虑到。因素B、C、D对结果影响显著（P＜0.05）。4个单因素影响乳层析出的影响顺序为D＞B＞C＞A,即蔗糖脂肪酸酯的添加量对乳层析出的影响最为显著。同时复相关系数R2=0.9468，表明预测效果较佳，可用该模型对奶茶的乳化剂配方组合添加量进行分析和预测。

表4 Box-Behnken试验方差分析

由表5可知，模型的R2为0.9468，说明该模型可以解释94.68%的复配乳化剂添加量组合的乳层析出变化。R2=0.8847和R2=0.9468值较接近，由此说明该模型与实际预测值在可行区间内，该模型与实际情况拟合较好，可用该模型对不同条件下的乳层析出进行预测。

表5 模型可信度分析表

（续表4）

2.4 多因素交互作用响应面分析

各因素交互作用响应面分析结果如图6所示。6张图交互结果较为一致，随着各交互因素添加量的增加，乳层析出指数都呈现先减小再增加的趋势。总体而言，乳层析出变化幅度不大。经过软件分析可得最佳乳化工艺为单、双甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸钠0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，乳层析出指数最低可达到1.592‰。

由图6可以看出6个响应面均为开口向上的凸型曲面，说明响应值（乳层析出）存在极小值，在选定的条件范围内，乳层析出的极小值位于两坐标轴编码的中间区域，回归方程的响应值（乳层析出）对其中因素水平变化而变化的趋势和极小值点都与表4分析结果相似。

图6 各因素交互作用对奶茶乳层析出指数影响的响应面

2.5 最佳工艺的验证

为了对响应面预测得出的最佳乳化体系参数进行验证，同时为方便实际操作对以上结果进行优化，按照单、双甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸钠0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，此条件下的奶茶乳层析出指数为1.58‰，与预测值较接近，说明响应面法优化的结果可信度较大。

2.6 产品理化指标的测定

2.6.1 奶茶感官指标

该产品为棕褐色或棕褐色微红，色泽均匀一致，无分层、絮凝现象，具有浓郁的奶香及醇厚的茶感，口感顺滑。

2.6.2 奶茶蛋白质、脂肪检测

蛋白质含量：2%，脂肪含量：2.1%，茶多酚含量：800 mg/kg，微生物指标符合GB/T21733。

3 结论

奶茶体系中，单一使用乳化剂单、双甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸钠、蔗糖脂肪酸酯时，不如复配使用多种乳化剂的效果好。复配使用乳化剂时，最佳的添加量可以获得更好的乳化性，较少的乳层析出，对体系的稳定性有增效的效果。

经响应面优化得出的单、双甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸钠、蔗糖脂肪酸酯的最佳乳化方案为单、双甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸钠0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，可以获得较佳的工艺参数，此条件下的奶茶乳层析出指数为1.58‰，与预测值较接近，说明响应面法优化的结果可信度较大。有效的减少了试验操作的盲目性，为实际生产提供了理论依据。