乳制品及特殊膳食中理化分析检测方案

【技术】乳品货架期的加速实验 点击上方蓝字，关注我们------汇集各行业顶尖配方研发 食品的货架期是指在推荐储存的条件下，保证产品安全，能够达到需要的风味、化学、物理和微生物学特性，并满足产品标签上规定的营养素指标的时间。适宜长的货架期对产品的储存、分销和消费具有重要作用。准确地预测和计算产品在具体的条件下的货架期，能够为产品的储存、分销策略制定提供有效的依据，为通过产品配方和加工技术的改进来探索进一步延长货架期的可能性提供参考。对于不同食品，实际储存分销情况也不同，尤其在测算储存时间较长的产品时，往往需要凭借可缩短预测时间和进程的处理，即通过加速试验技术，获得所需的试验数据。货架期加速试验(accelerated shelf - life testing， ASLT)是指可基于比产品实际货架期显著缩短的时间内获得的试验数据对产品稳定性进行评价的方法。 食品货架期加速试验的原理主要基于食品体系的化学、物理、生物化学或微生物指标的变化过程，对产品货架期内品质起决定性的主导因素作为加速因子。加速试验的前提是通过改变储存的环境条件，在短时间内加速对产品品质影响至关重要的物理或化学的变质过程，模拟自然条件下商品品质的变化，从而预测其货架期与实际储存运销环境之间的关系。该方法的前提和关键为假设影响货架期的品质变化过程在正常与加速储存条件下具有一定的一致性 和较高的相关系。如果在加速条件下，另外一个变质过程占主导地位，那么将不能得到基于该加速因子的预测模型。在乳制品货架期的加速试验研究和预测中，通常通过提高储存温度来实现融化脂肪的相变及其溶解特性、无定形碳水化合物的结晶、具有不同活化能的化学反应速率变化、水分活度增加、蛋白质变性和气体溶解度的降低等品质特性的加速变化，建立相应商品的货架期的变化模型和计算。 乳制品由于产品形式多样，不同产品货架期的限制因素也不同，因此，不同产品需要要同的方法来评价其货架期。冰晶的形成和脂肪酸败为冰淇淋货架期的限制因素，吸潮导致的结块和脂肪氧化酸败引起的不良风味为奶粉货架期的限制因素，乳清析出、脂肪氧化酸败及霉菌等生长为酸奶和果粒酸奶货架期的限制因素，脂肪氧化酸败为黄油货架期的限制因素，脂肪氧化酸败、乳糖结晶和微生物生长为干酪货架期的限制因素。巴氏杀菌乳货架期的限制因素为微生物腐败引起的变质，其货架期的快速预测方法也已经建立。储存温度对其货架期的影响至关重要，细菌繁殖与储存温度间的关系对巴氏杀菌乳的卫生学质量影响已经建立了数学模型，近年来，描述多种乳品中存在的生物生长与其毒素产生的数学模型也已经建立。因此，巴氏杀菌乳的货架期加速试验可以通过提高存储温度以提高微生物的生长速度来实现。超高温灭菌处理使得灭菌乳体系中的微生物数量达到商业无菌水平，因此，微生物腐败引起的产品变质不是其货架期的限制因素，其限制因素主要为一些嗜冷菌产生的耐热酶引起的酶促反应、蛋白质胶凝体系的老化化组织状态的改变(主要为脂肪上浮)。 目前，通过控制原料乳的质量及改变酪蛋白的磷酸化反应可以解决耐热酶和蛋白质的胶凝疑化对其货架期的影响。由于超高温灭菌乳货架期长，一般为6~8个月，目前，对牛乳体系稳定效果的考察方法主要以观察法、粒径分布法和离心法为主。其中，实时观察法和粒径分布法耗时、周期长，离心法检测精度不够高、只能定性而不能定量评价体系的稳定效果。基于反射物理模型的稳定分析仪(Quick Scan or Turbiscan) 可用于快速检测乳液体系的失稳现象(如聚集、絮凝、浮油及沉淀)，尤其对于不透明及浓度较高的体系亦适用，已广泛应用于研究乳浊液的稳定性和浓缩胶体的分散性，其稳定动力学参数(stability index ， Sl)直观反映体系稳定性，并可用于样品间稳定性的直观比较。利用体系背散射光随时间的变化率可评价其货架期，多样品分析离心分离法(multi- sample analytical centrifugation) 亦可用于乳液的加速稳定测试，该方法的原理与测定样品背散光方法类似，差异仅在离心条件下测定体系背散色光的变化，因此，可缩短测定时间。而有关超高温灭菌乳货架期的评价的加速试验的研究鲜见报道。前期的试验结果表明，均质可减小乳脂肪的粒径，减缓其上浮速率；添加适量的乳化剂可抑制乳脂肪球的聚集，亦可达到类似的效果。但乳脂肪与乳浆间的密度差客观存在，前者的上浮现象不可避免，并且随着温度的升高脂肪上浮的速率增加。为此，本文选择乳脂肪上浮导致的组织状态改变作为超高温灭菌乳货架期的加速因子，于室温及高于室温的系列温度条件下，采用基于近红外发射光谱的背散射光稳定分析仪的 SI 为评价指标考察超高温灭菌乳的稳定效果，并结合温度对体系黏度的影响，研究不同温度条件下超高温灭菌乳的稳定效果的变化情况。本文将温度作为加速试验条件并与 T ur biscan 测定稳定性技术和基于黏度测定的动力学分析手段相结合，建立起评价超高温灭菌乳加速试验的动力学模型，并用于其货架期的快速测定。 1试验材料和方法 1.1材料与仪器 新鲜牛奶，光明乳业股份有限公司；J-卡拉胶，美国 CPKelco 公司； Dimodon HP-C分子蒸馏单甘酯，丹麦 Danisco (上海)公司；蔗糖酯 SE-15，杭州瑞霖化工有限公司；CentroleneOS 改性大豆磷脂，美国中央大豆有限公司； TurbiscanLab 稳定分析仪，法国 Formulaction 公司； TAAR-G2 型流变仪，美国 TA公司。 1.2试验设计 前期的试验结果表明，随着温度的升高，脂肪上浮的速率增加，超高温灭菌乳体系的SI增加，意味着其体系的稳定性减弱。因此，分别测定20、25、30、35、40和45℃条件下样品的SI。每个观察点重复测定3次。 1.3样品制备 样品在生产条件下制备。将约1000kg的生鲜牛乳加热至75~80℃，利用水粉混合器，分别110kg的J-卡拉胶、215kg的蔗糖酯 SE-15、310kg 的分子蒸馏单甘酯及 110kg 的改性大豆磷脂溶解于牛奶中，60r#min-1转速下搅拌 10min，经胶体磨处理，并冷却后与 4000kg的生鲜牛奶混合后搅拌5min，将其加热至(65)℃后经2级均质(1级均质压力 20MPa， 2级均质压力5MPa)处理，再经超高温瞬时灭菌(137℃，3~4s)后无菌灌装，产品包装形式为 250 ml/盒的利乐包，即为样品。 1.1.4超高温灭菌乳稳定性的测定 待测样品装在一个圆柱形的玻璃玻试室中。仪器采用脉冲近红外光源(K=880nm)，两个同步光学探测器分别探测透过样品的透射光和被样品反射的反射光(偏离入射光135处)，采用扫描模式进行测量，以样品测试室底部为坐标的0点，光学探测头从低于样品测试室底部的2mm处起沿样品测试室向上扫描，最大高度为55 mm， 每40微米高度采集一次透射光和反射光数据。透射光和反射光强度以%表示，其含义是相对标准样品(Latex suspension： 0.3pm-10%silicone oil) 的光通量的百分比。对于透明体系，选取透射光的透过率(T，%)为指标，不透明体系则选取背散射光的反射率(BS，%)为指标，牛奶属于不透明体系，其稳定性评价指标为 BS。扫描曲线给出了不同扫描时间透射光和反射光随样品高度的变化关系。以样品初始 BS 为对照，不同观察时间的BS 与之的差值(即变化率， $BS)反映其体系的变化，从而放大了样品在则定时间内微观特征变化。稳定分析仪给出的评价指标是样品观察时间内背散射光的平均变化率，也称稳定动力学参数(stability index，Sl)。 Sl 与体系稳定性呈负相关，SI值越小，体系越稳定，SI值越大，体系越不稳定。 测试样品的添加量为 20.0ml，样品在样品测试室中所占高度约为 45.0mm。采用多次扫描模式进行测量，设定每个样品的扫描时间为 12h，扫描间隔为20min。数据分析与处理利用Turbiscan Lab 稳定分析仪的 TLAb EXPERT 软件采集数据并用 Turbiscan Easysoft软件进行数据分析；采用 Origin 715 Pro 进行数据拟合和制图。 2结果与讨论 2.1不同温度条件下超高温灭菌乳的稳定性按1.4节方法分别测定了20、25、30、35、40及45℃超高温灭菌乳样品的 SI， 结果见图1。 图1 超高温灭菌乳稳定动力学参数随温度的变化Fig.1 Change of UHT cow milk SI w ith storage t emperature朗迪森科技 由图1可见，25℃条件下的样品的 SI 与20℃条件下的SI 相当，当温度处于25~40℃时，SI随温度的变化呈线性增加，说明体系的稳定性随温度的升高而降低，但是，当温度升高至45℃时，其 Sl 反而下降，意味着体系的稳定性提高，其有可能因体系的布朗运动剧烈而造成的。作布朗运动的粒子非常微小，直径约 0.1~10 um， 当粒子直径大于50um时布朗运动不明显，微粒愈小、温度愈高，布朗运动运激烈。牛奶经20MPa 压力均质后粒径分布在0.1~0.2um， 在货架期内因脂肪颗粒聚集而导致粒径分布 0.05~ 2um，仍属布朗粒子范畴。温度升高引起布朗运动加强，降低了脂肪球的上浮迁移速率，进而表现为SI 下降。 2.2超高温灭菌乳加速试验的动力学曲线的建立 当温度从25℃增加至40℃时，SI随温度的增加呈线性趋势。为了进一步研究这段温度区间内Sl随温度的变化情况，建立评价超高温灭菌乳货架期的加速试验条件，补测 27.5、32.5、37.5℃条件下的 SI， 并结合25、30、35和40℃条件下的SI 作图并进行线性拟合，结果见图3。 图3 超高温灭菌乳加速试验的动力学曲线 朗迪森科技 Fig 3 SI of UHT cow milk as a funct ion of temperature 由图3可知超高温灭菌乳的 SI 在25~40℃温度区间内呈线性增加的趋势，说明在此温度范围内，其稳定性随温度的增加呈线性下降，其方程为 Sl= 0.062t - 1.382， R=0.990。加速比(acceleratedratio， AR)定义为在加速条件下的反应速率与常规储存条件下的比值。由于25℃与超高温灭菌乳实际的储存条件相接近，因此，选择 Sl25c的测量值作为基准，超高温灭菌乳的AR可定义为在特定加速试验条件下的 Sl与Sl2sc比值。根据此动力学方程，可以计算出加速试验的AR.据此方法，35℃条件下的 AR 为 3.6，即在此条件下的货架期若为1个月，则25℃室温条件下的货架期约为3.6个月；37.5℃条件下的 AR 为 4.3，即在此条件下的货架期若为1个月，则25℃室温条件下实际的货架期约为4.3个月；40℃条件下的AR 为 5.0，即在此条件下的货架期若为1个月，则25℃室温条件下实际的货架期约为5.0个月。为了验证模型预测的准确性，将样品放置于25、35、37.5和40℃，相对湿度75%的恒温恒湿箱内，每隔3天取样1次，进行组织状态观察。以剪开样品包装并观察其顶部浮油情况，将样品倒出后包装顶部内壁没有脂肪层黏附为组织状态良好的判定依据。感官实验的结果见表1。 表1 不同温度条件下超高温灭菌乳的货架期 Table 1Shelf-life of UHT cow milk at differentstorage temperature Storage tem perature/℃ Shelf life/d AR 250 207 350 34 37.5 46 40 0 42 朗朗科技 从表1可以看出，随着温度的升高，超高温灭菌乳的货架期逐渐缩短。35、37.5和40℃储存温度下的加速比AR'分别为3.4、4.6和4.9，与基于脂肪球迁移速率随温度升高而建立的数学模型得到的 AR 相接近。因此，基于脂肪球迁移速率随温度的变化，利用稳定分析仪及建立的数学模型可以快速预测超高温灭菌乳稳定性。 3结论 本文基于 Stokes 定律研究超高温灭菌乳体系中脂肪球的上浮速率，采用稳定性分析仪测定不同温度条件下的 SI， 构建评价超高温灭菌货架期加速试验的数学模型。试验结果表明，SI在25~40℃温度范围内呈线性增加的趋势，说明在此温度范围内，其稳定性随温度的增加呈线性下降，其方程为 Sl=0.062t-1.382，R=0.990。根据此模型，可以计算出加速试验的加速比并可用于评价超高温灭菌乳并预测其货架期。 (来自化工学报)