乳品货架期的加速实验

 

　　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微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及组织状态的改变(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老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 , SI)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;Centrolene? S 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、3 5、4 0 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测试室中。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: 0.3? m - 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, 从而放大了样品在测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,SI)。SI 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。

　　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 SI 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 ?m, 当粒子直径大于 50?m 时布朗运动不明显, 微粒愈小、温度愈高, 布朗运动愈激烈。牛奶经 20MPa 压力均质后粒径分布在 0.1~0.2?m, 在货架期内因脂肪颗粒聚集而导致粒径分布 0.05~ 2?m, 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SI 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。

　  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 SIt= 0.062t - 1.382, R2= 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 SI25℃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 SIt 与 SI25℃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。

　　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 SIt=0.062t -1.382 , R2= 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。