紫薯對煉乳流變及質(zhì)構(gòu)特性的影響

周頔，徐升，孫艷輝，董藝凝，楊嚴俊

1(滁州學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，安徽省熱敏性物料加工工程技術(shù)中心，安徽 滁州，239000)2(安徽達諾乳業(yè)有限公司，安徽 滁州，239000)3(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

調(diào)制煉乳是以生乳和(或)乳制品為主料，添加或不添加蔗糖、食品添加劑和營養(yǎng)強化劑，添加輔料，經(jīng)加工制成的黏稠狀產(chǎn)品，賦予了煉乳口味、功能更多的可能性。作為一種優(yōu)良的乳品工業(yè)原料，調(diào)制煉乳已被廣泛應(yīng)用到糖果、烘焙食品等行業(yè)中，對終產(chǎn)品質(zhì)量的改良、風(fēng)味的提升和口感的改善起到至關(guān)重要的作用[1]。然而當前國內(nèi)仍以中低檔次產(chǎn)品為主填補市場空缺[2]，在消費升級的大趨勢下，煉乳口味、功能過于單一化，不能緊跟消費者功能性、營養(yǎng)性、個性化的消費理念。

國外學(xué)者率先開展了一些特色調(diào)制煉乳的研發(fā)工作[3-4]。如KALININA等[5]針對乳糖不耐受人群開發(fā)低乳糖水解煉乳，通過黏性指數(shù)指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)及貯藏；KALYANKAR等[6]添加不同功能成分制作煉乳，開發(fā)適宜運動員，康復(fù)者或老年人等人群的特色食品。國內(nèi)學(xué)者和煉乳生產(chǎn)商也嘗試開發(fā)調(diào)制煉乳，如國內(nèi)煉乳市場龍頭企業(yè)熊貓乳業(yè)申請并授權(quán)焦糖煉乳，該煉乳具有濃郁的焦香味且口感滑順、細膩濃稠[7]；于法周[8]將魚油添加于煉乳中，克服了現(xiàn)有技術(shù)中魚腥味重和魚油及煉乳混合后發(fā)黃變黑的問題，賦予煉乳功能性。然而目前調(diào)制煉乳的研究主要集中在添加物對煉乳感官品質(zhì)和功能性的影響，對添加物處理后煉乳流變性、質(zhì)構(gòu)特性的變化規(guī)律研究還很少，而這些變化可直觀反映煉乳體系穩(wěn)定性的變化，對實際生產(chǎn)有重要指導(dǎo)意義。

紫薯粉是以淀粉為主要成分的一類食品，近年來在國內(nèi)乃至國際市場上非常走俏，除了因為紫薯富含花色苷、多糖、黃酮等多種功能性成分，還因紫薯色澤誘人且具有獨特風(fēng)味[9-10]。將紫薯粉添加至食品中探究其對產(chǎn)品物性影響的研究已有一些報道[11-12]，然而將紫薯添加于煉乳中，探索其對煉乳體系穩(wěn)定性和食用品質(zhì)影響的研究還未見報道。

本研究以開發(fā)新型調(diào)制煉乳為目標，將紫薯粉添加至煉乳中，研究不同紫薯粉添加量對煉乳流變性、質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響，以期從食品物性角度為新型調(diào)制煉乳的研發(fā)與應(yīng)用提供一定的研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂乳粉，伊利乳業(yè)有限責(zé)任公司產(chǎn)品；紫薯粉，亳州市寶豐生物科技有限公司產(chǎn)品；蔗糖、乳糖，蘇州美高美生物科技有限公司產(chǎn)品；單硬脂酸甘油酯，廣州市佳力士食品有限公司產(chǎn)品。

1.2 儀器與設(shè)備

DHR-2流變儀，美國TA公司；TA.XTplus物性測試儀，英國Stable Micro System公司；JSM-6510V型掃描電鏡，日本電子株式會社；手持式高速分散器，寧波新芝生物科技有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，予華儀器有限責(zé)任公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯煉乳工藝流程

(1)主料溶解：取全脂乳粉30 g溶解于50 g水中，在溫度為80 ℃的水浴鍋中恒溫攪拌30 min，使全脂乳粉混合均勻。

(2)加入輔料：在混合均勻的全脂純牛奶中加入白砂糖44 g、單硬脂酸甘油酯0.4 g、不同質(zhì)量的紫薯粉，在80 ℃的水浴鍋中恒溫攪拌30 min，使所有物料混合均勻。紫薯粉添加量按照其占終產(chǎn)品的含量(%)選取5個梯度，分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%。

(3)均質(zhì)：將混合液用高速攪拌器(12 000 r/min)攪拌5次，每次30 s。

(4)真空濃縮：將均質(zhì)后的混合液進行真空濃縮，濃縮至終產(chǎn)品質(zhì)量為100 g。

(5)冷卻：紫薯煉乳濃縮完成后進行水浴梯度冷卻，邊攪拌邊冷卻至30 ℃。

(6)結(jié)晶：加入0.02 g乳糖作為晶種，攪拌濃縮液，靜置排氣泡、結(jié)晶、密封4 h得成品。

1.3.2 紫薯粉主要成分分析

參照國標方法，測定紫薯粉中淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維等主要組成成分的含量。

1.3.3 流變特性的測定

(1)靜態(tài)流動性能測試

選用40 mm平板夾具，25 ℃條件下采用Flow Ramp模式使剪切速率從0.1～300 s-1遞增，記錄測試過程中紫薯煉乳黏度隨剪切速率變化的關(guān)系[13]。采用Power Law模型對測試數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，擬合系數(shù)R2表示模型擬合精度[14]。Power Law模型方程式為(1)：

σ=K×γn

(1)

式中：σ，剪切應(yīng)力，Pa·s；K，稠度系數(shù)；γ，剪切速率，s-1；n，流動特性指數(shù)。

(2)觸變性能測定

選用40 mm平板夾具，25 ℃下使剪切速率從0.1～300 s-1遞增，再從300～0.1 s-1遞減，記錄測試過程中煉乳的應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系[13]。

(3)動態(tài)黏彈性測定

在樣品線性黏彈性范圍內(nèi)，選用40 mm平板夾具，應(yīng)力設(shè)置為0.5%，25 ℃條件下在0.1～10 Hz的進行頻率掃描測定，記錄煉乳儲能模量和損耗模量隨頻率變化的關(guān)系，得到黏性和彈性之間的轉(zhuǎn)化趨勢[15]。

每組煉乳樣品流變特性的測定平行測試3次，記錄并分析數(shù)據(jù)。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性的測定

將制備好的不同濃度的紫薯煉乳密封后放置于20 ℃下，每隔1個月開罐取出測試質(zhì)構(gòu)指標。探頭型號AB/E圓柱型塑料探頭，直徑45 mm。測試前、中、后速分別為1.0、1.0、1.0 mm/s、壓縮深度為15 mm、觸發(fā)類型為Auto-5 g。每組煉乳樣品平行測定6次，記錄并分析數(shù)據(jù)[16]。

1.3.5 微觀組織結(jié)構(gòu)的觀察

將煉乳樣品用戊二醛溶液固定10 h，再用磷酸緩沖液清洗3次、每次10 min，乙醇梯度脫水，CO2臨界點干燥后噴金，掃描電鏡觀察和拍照[17]。

1.3.6 感官評價方法

感官評定小組由15名專業(yè)人員組成，評定小組從紫薯煉乳的滋味與氣味、組織狀態(tài)和色澤3個方面進行描述性評價，評價標準見表1。對紫薯煉乳的感官評價描述與其他指標數(shù)據(jù)綜合進行分析。

表1 紫薯煉乳感官評價表Table 1 Sensory evaluation of purple potato condensed milk

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用Origin 8.5軟件處理試驗數(shù)據(jù)并作圖，利用SPSS V17.0軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫薯粉主要成分分析

由表2可知，紫薯粉主要成分為淀粉，含量為70.82%。紫薯粉中淀粉的存在可能會對煉乳體系的流變和質(zhì)構(gòu)特性產(chǎn)生一定的影響。此外，紫薯粉還含有少量蛋白質(zhì)、粗纖維和還原糖等成分。

表2 紫薯粉的主要成分Table 2 The main composition of purple potato flour

2.2 靜態(tài)流動性分析

由圖1可知，隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳的黏度顯著增大。結(jié)合感官發(fā)現(xiàn)，紫薯粉添加量低于2.0%時，煉乳初始黏度值低于6.2 Pa·s，此時產(chǎn)品感官評價優(yōu)良，黏度適中；紫薯粉添加量達到2.5%時，初始黏度值高于6.2 Pa·s，品嘗煉乳后牙齒有殘留感，感官評分下降，但仍在可接受范圍內(nèi)。經(jīng)測試，所用紫薯粉含70%的淀粉，其成糊溫度為74 ℃。因此，將紫薯粉加入主料中后，經(jīng)歷80 ℃、30 min的熱處理會使紫薯淀粉發(fā)生一定程度的糊化，由此使得煉乳體系分子間相互作用增強、體系黏度增大。此外，紫薯粉的添加減少了煉乳體系水分的相對含量，而水分含量又直接影響著體系的黏度。

由圖1還可知，煉乳隨剪切速率的增加在整個測試范圍內(nèi)表現(xiàn)出2種不同的流動行為。剪切速率較低時，樣品表現(xiàn)為剪切增稠特性；隨著剪切速率的進一步增大，煉乳表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性行為，這在LIU等[18]學(xué)者研究的溶液也出現(xiàn)類似現(xiàn)象。

圖1 紫薯煉乳黏度隨剪切速率的變化規(guī)律Fig.1 The variation of purple potato condensed milk viscosity with shear rate

KJ?NIKSEN等和SILVA等[19-20]研究認為一定速率的剪切流動會增加分子鏈間連結(jié)的概率，從而導(dǎo)致溶液黏度的增加；在低剪切速率時，紫薯煉乳剪切增稠行為的出現(xiàn)可能是由于體系中聚合物鏈的纏結(jié)性增強或內(nèi)部發(fā)生了聚合，而隨著剪切速率的增大，煉乳中聚合物鏈之間的作用力減弱，體系表現(xiàn)出一般聚合物溶液所具有的剪切變稀行為。

分析數(shù)據(jù)后，采用Power Law方程對曲線數(shù)據(jù)點進行擬合，擬合情況見表3?；貧w系數(shù)(R2)為適合性指數(shù)，R2值越接近1，代表該模型越適合描述樣品的流動性；稠度系數(shù)K和流動特性指數(shù)n是經(jīng)驗常數(shù)，K值越大，樣品越黏稠；n值小于 1，表示樣品為假塑性流體，且n值偏離1的程度越大，表明樣品假塑性程度越大[21-22]。

由表3可知，五組不同梯度樣品選用Power Law模型所得的R2值均很高，因此能很好地擬合實驗數(shù)據(jù)。隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳體系的K值不斷增加、n值不斷減小，這表明煉乳體系具有更強的假塑性、更易剪切稀化。一方面，紫薯粉含有70%的淀粉及少量纖維素、蛋白質(zhì)，這些物質(zhì)可能與煉乳中原有物質(zhì)分子相互纏結(jié)，增加了體系中分子鏈節(jié)的順向性，因此表現(xiàn)出流動愈加困難但穩(wěn)定性高的流體行為。另一方面，紫薯粉本身為假塑性流體，加入到煉乳中使得體系的假塑性流體特征增強。結(jié)合感官發(fā)現(xiàn)，紫薯粉添加量低于2.0%時，煉乳黏度適中，口感順滑；添加量高于2.0%后，煉乳略濃稠，傾倒煉乳時難度略微增大。

表3 煉乳體系Power Law方程擬合參數(shù)Table 3 Power Law parameters for condensed milk system

2.3 觸變性分析

圖2為添加不同含量紫薯粉后煉乳體系的觸變特性圖。由圖2可知，所有紫薯煉乳體系均具有觸變環(huán)，表現(xiàn)出一定的觸變性；隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳觸變環(huán)面積呈增大趨勢。紫薯粉添加量小于2.0% 時，觸變環(huán)面積變化有增大趨勢但并不顯著；添加量達2.0%時，觸變環(huán)面積顯著增大至9 962 Pa/s。

觸變環(huán)面積越小，意味著觸變性越弱，表明樣品在停止應(yīng)力作用后重建粒子間破壞的構(gòu)造越快，流變學(xué)穩(wěn)定性越高，食品加工應(yīng)用中意味著樣品阻止垂掛、沉淀等現(xiàn)象的能力愈強[23]。紫薯煉乳觸變環(huán)面積的增大，一方面可能與體系顆粒間的摩擦和碰撞概率有關(guān)，另一方面與紫薯粉濃度有直接關(guān)系，劉蒙等[24]研究發(fā)現(xiàn)糊化后的紫薯淀粉濃度越大，其形成的觸變環(huán)面積越大。觸變性結(jié)果結(jié)合貯藏期煉乳質(zhì)構(gòu)變化情況可知，紫薯粉添加量低于2.0%、觸變環(huán)面積小于10 000 Pa/s時，紫薯煉乳在5個月、20 ℃的貯藏條件下無沉淀、品質(zhì)穩(wěn)定；紫薯粉添加量提高至2.5%時，煉乳貯藏5個月后依然無沉淀出現(xiàn)，但涂抹和傾倒的難度明顯增大。因此實際加工中要注意控制紫薯粉的添加量及溶解溫度并監(jiān)測煉乳在更長貯藏期內(nèi)的品質(zhì)變化規(guī)律。

圖2 紫薯煉乳剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.2 Curve of shear stress with shear rate incondensed milk of purple potato

2.4 黏彈性分析

儲能模量(G′)代表能量儲存而可恢復(fù)的彈性性質(zhì)，損耗模量(G″)代表能量消耗的黏性性質(zhì)，通過黏彈性指標的測定可有效反映煉乳的加工特性[25]。由圖3和圖4可知，隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳的G′和G″均不斷增加，這表明煉乳的類固體性質(zhì)和類液體性質(zhì)均不斷增強，這在紫薯酸奶的研究中也出現(xiàn)類似現(xiàn)象[26]。彈性成分的增強可能是由于紫薯粉中的淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì)通過吸附力和水分子結(jié)合且體系中固態(tài)物質(zhì)含量相對增多共同導(dǎo)致，黏性成分的增強可能是由于紫薯淀粉發(fā)生糊化以及蛋白質(zhì)等成分吸水使得體系中黏性物質(zhì)濃縮共同導(dǎo)致[27]。結(jié)合感官發(fā)現(xiàn)，G′和G″的增加會使紫薯煉乳致密感增強，在口腔內(nèi)不經(jīng)咀嚼而分散開的程度減弱，但含有2.5%紫薯粉的紫薯煉乳仍口感細膩順滑，質(zhì)地均勻。此時，在角頻率65 rad/s的振蕩下，紫薯煉乳的G′值為525 Pa、G″值為511 Pa。

對比圖3和圖4還可知，隨著角頻率增大，紫薯粉添加量低于1.5%時，煉乳的G′始終小于G″，此時煉乳體系以黏性為主，表現(xiàn)出流體特征；紫薯粉添加量為1.5%時，角頻率高于2.5 rad/s后，紫薯煉乳的G′開始大于G″，表明煉乳體系以彈性為主，表現(xiàn)出固體的特征。這可能是由于隨著紫薯粉添加量的提高，糊化后的紫薯淀粉使得體系內(nèi)部黏結(jié)力更強，結(jié)構(gòu)更加致密，分子間的纏結(jié)力增強[28]。因此，紫薯粉添加量低于1.5%時，煉乳可展現(xiàn)更好的流動性和延展性，適宜作為涂抹型產(chǎn)品直接食用，或作為食品加工原料用于乳飲料、酸奶等溶液型或半固態(tài)食品中。紫薯粉添加量高于1.5%時，煉乳呈現(xiàn)出一定的塑性且黏稠度顯著增強，可作為乳類加工原料應(yīng)用于面包、糖果等固態(tài)食品中，為產(chǎn)品提供營養(yǎng)價值和一定的黏結(jié)力。

圖3 煉乳儲能模量隨角頻率變化曲線Fig.3 Curve of storage modulus with angular frequency of condensed milk

圖4 煉乳損耗模量隨角頻率變化曲線Fig.4 Curve of loss modulus with angular frequency of condensed milk

2.5 質(zhì)構(gòu)分析

煉乳在貯藏期內(nèi)變稠是常見的質(zhì)構(gòu)變化現(xiàn)象。由圖5可知，隨貯藏時間的增加，不同紫薯粉添加量的煉乳濃稠度均有增大趨勢。

圖5 紫薯粉對煉乳貯藏過程中濃稠度的影響Fig.5 Effects of purple potato powder on consistency of condensed milk during storage注：同一條曲線上小寫字母不同者表示差異顯著。下同。

結(jié)合感官發(fā)現(xiàn)，紫薯粉添加量低于2.0%時，經(jīng)歷5個月、20 ℃貯藏，紫薯煉乳濃稠度雖有增大趨勢，但整體口感順滑、無沉淀、濃稠度適宜；紫薯粉添加量為2.5%的紫薯煉乳在第5個月時，濃稠度顯著增大，達到328 g·s，口感上出現(xiàn)“偏硬” “濃稠度大” “有固體特征”的感受。

黏性指數(shù)反映測試探頭向上提升樣品時所做的功，數(shù)值越大代表涂抹或傾倒阻力越大。圖6表明隨貯藏時間的增加，紫薯粉添加量低于2.0%時，煉乳黏性指數(shù)有增大趨勢，但涂抹性優(yōu)良、易于傾倒；紫薯粉添加量為2.5%的煉乳貯藏4個月時，黏性指數(shù)顯著增大，達到84.2 g·s，此時煉乳涂抹和傾倒難度明顯增大，更適宜作為工業(yè)原料用在糖果等塑性食品中。

圖6 紫薯粉對煉乳貯藏過程中黏性指數(shù)的影響Fig.6 Effects of purple potato powder on cohesion index ofcondensed milk during storage

質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)表明，紫薯粉添加量低于2.5%時，紫薯煉乳在5個月、20 ℃的貯藏條件下濃稠度和黏性指數(shù)均較穩(wěn)定；紫薯粉添加量達到2.5%時，在20 ℃下貯藏4個月后，煉乳會明顯變稠、傾倒及涂抹難度明顯增大，不適宜作為涂抹型產(chǎn)品。

2.6 微觀結(jié)構(gòu)的測定

圖7為不同紫薯粉添加量的煉乳在5 000倍下的電鏡掃描圖片。由圖7可知，紫薯粉添加量為0.5%時，紫薯煉乳的表面有明顯的皺褶、粗糙感強且分布著大小不一的不均勻孔隙；添加量達1.0%時，表面皺褶度明顯改善但仍分布著大小不一、數(shù)量較多的小孔隙；添加量達1.5%時，表面趨于光滑且孔隙數(shù)量適當減少；添加量達2.5%時，煉乳表面較光滑、致密度高、孔隙數(shù)量少。一般情況下，煉乳的微觀結(jié)構(gòu)越致密，其硬度、咀嚼性、黏性越大，這與前面的流變及質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果相吻合。

煉乳中因添加了紫薯粉，使得體系中淀粉含量相應(yīng)提高，淀粉在過量水分存在的條件下受熱，可充分潤脹，這種潤脹通常伴有淀粉顆粒的吸水、顆粒體積的膨大等過程[29-30]。隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳體系中淀粉含量增大，不斷增多的糊化紫薯淀粉顆粒膨脹力發(fā)揮作用，使得體系形成更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使煉乳出現(xiàn)硬度和黏性增強、固態(tài)特征顯現(xiàn)的流動行為。

圖7 煉乳體系電鏡掃描圖Fig.7 Scanning electron microscope images of condensed milk system

3 結(jié)論

紫薯煉乳表現(xiàn)為假塑性流體，在低剪切速率下表現(xiàn)為剪切增稠行為，在高剪切速率下表現(xiàn)為剪切變稀行為，且其流動行為符合流變學(xué)的Power Law模型。觸變測試表明，紫薯煉乳具有一定的觸變性，且隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳觸變性越強；紫薯粉添加量高于1.5%后觸變環(huán)面積顯著增大，紫薯煉乳的貯藏穩(wěn)定性下降。動態(tài)黏彈性測試表明紫薯粉添加量高于1.5%時，煉乳的儲能模量G′開始大于損耗模量G″，此時煉乳體系表現(xiàn)出固體的特征。質(zhì)構(gòu)分析表明，不同紫薯含量的煉乳在貯藏期內(nèi)均會發(fā)生濃稠度增大、黏性指數(shù)增大的現(xiàn)象。微觀組織結(jié)構(gòu)也可以看出，紫薯粉的添加可使煉乳內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密平滑。綜合考慮可知，紫薯粉添加量小于1.5%時，紫薯煉乳的質(zhì)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)和流變行為更適宜涂抹、調(diào)配的加工處理，且在20 ℃下貯藏5個月穩(wěn)定性良好；紫薯粉添加量大于1.5%時，紫薯煉乳的質(zhì)地較硬、口感致密，流變行為偏固態(tài)，更適宜應(yīng)用于塑性食品或固態(tài)食品的加工中。