超聲波處理對鮮牛乳均質(zhì)效果的影響

付 麗，趙 艷，申曉琳，胡曉波

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450046)

鮮牛乳中脂肪球較大，直徑為0.1-15 μm[1]，分布不均勻，在貯藏和運(yùn)輸過程中會逐漸上浮，表面形成分層現(xiàn)象，嚴(yán)重影響牛乳的品質(zhì)和口感[2]。目前，有效的均質(zhì)處理可減少分層現(xiàn)象[3]，通過高壓產(chǎn)生的剪切、撞擊和空穴作用[4]，將乳脂肪球粒直徑破碎細(xì)化至1 μm以下，達(dá)到抑制脂肪球上浮和分層的目的。但高壓均質(zhì)能耗大，機(jī)器磨損嚴(yán)重[5]。因此，對于一種新的能替代高壓均質(zhì)的鮮牛乳均質(zhì)方法的探索一直是關(guān)注的熱點(diǎn)。

高強(qiáng)度超聲技術(shù)在食品中的應(yīng)用是目前最廣泛的先進(jìn)技術(shù)之一[6]，利用超聲波在液體中的空化作用及物理作用來達(dá)到均質(zhì)效果[7-8]。閆坤等[9]與劉立靜等[10]研究提出，超聲波處理鮮牛乳可以達(dá)到高壓均質(zhì)的效果；Thimyphuc等[11]研究結(jié)果與高壓均質(zhì)相比，超聲波處理可以將牛乳脂肪球粉碎細(xì)化為粒徑更小的顆粒，均質(zhì)效果更好；陳春明等[12]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可有效規(guī)避高壓均質(zhì)產(chǎn)生的能耗大、機(jī)器磨損嚴(yán)重等問題。目前，超聲波與其它均質(zhì)工藝相比優(yōu)勢較多[13-14]。

本試驗(yàn)以鮮牛乳為研究對象，在頻率為20-25 kHZ的條件下研究不同超聲功率、超聲溫度、超聲時間對牛乳的均質(zhì)效果，確定牛乳超聲均質(zhì)適宜的工藝條件；通過L9(33)正交試驗(yàn)對超聲均質(zhì)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，探尋出一種牛乳超聲波均質(zhì)方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮牛乳購于河南省鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)好芭芭乳業(yè)有限公司；異戊醇、濃硫酸等分析純購于華豐試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

超聲波細(xì)胞破碎器(JY96-IIN型，寧波新芝微生物科技股份有限公司)，臺式乳脂離心機(jī)(TLW5R型，湖南赫西儀器裝備有限公司)，低速離心機(jī)(TDZ4-WS型，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司)，紫外可見分光光度計(BlueStarB型，北京萊伯泰科儀器股份有限公司)，電子分析天平(FA224型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 乳樣處理

將鮮牛乳用四層干凈的紗布過濾至無可見雜質(zhì)，過濾后的鮮乳在63 ℃下預(yù)殺菌5min，置于0-4 ℃冰箱備用。

1.3.2 鮮牛乳高壓均質(zhì)操作

將鮮牛乳預(yù)熱至65 ℃后于高壓均質(zhì)機(jī)中均質(zhì)，一級均質(zhì)壓力為17-21 MPa，二級均質(zhì)壓力為2-5 MPa。均質(zhì)后的乳盛于試劑瓶中，用冷水迅速冷卻至室溫。

1.3.3 不同超聲處理對鮮牛乳均質(zhì)效果的研究

(1)不同超聲功率對鮮牛乳均質(zhì)效果的研究

將處理好的乳樣放于超聲波細(xì)胞破碎儀的燒杯內(nèi)，頻率為20-25 kHZ，采用6均質(zhì)探頭，探頭插入牛乳液面下約3 cm，處理時間2 S，間歇1 S，超聲溫度為50℃，超聲時間為20 min，超聲功率分別為300 W、400 W、500 W。均質(zhì)后的牛乳置于試劑瓶中，用冷水冷卻至室溫后放于0-4 ℃冷藏備用，測定牛乳穩(wěn)定系數(shù)、油脂吸出率、均質(zhì)指數(shù)，研究不同超聲功率對牛乳的均質(zhì)效果。

(2)不同超聲時間對牛乳均質(zhì)效果的研究

在溫度為50℃，功率為400 W的情況下，超聲時間分別為10 min、20 min、30 min時對牛乳進(jìn)行均質(zhì)處理。其他處理同上，研究不同超聲時間對牛乳的均質(zhì)效果。

(3)不同超聲溫度對牛乳均質(zhì)效果的研究

在超聲功率為400 W，超聲時間為20 min的情況下，超聲溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃時對牛乳進(jìn)行均質(zhì)處理。其他同上，研究不同超聲溫度對牛乳的均質(zhì)效果。

1.3.4 牛乳超聲均質(zhì)工藝條件的優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以溫度、功率、時間為影響因素，以穩(wěn)定系數(shù)、油脂析出率為測定指標(biāo)，進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn)，優(yōu)化出牛乳超聲均質(zhì)的最適工藝條件，因素水平見表1。

表1 因素水平表

1.3.5 檢測指標(biāo)

(1)穩(wěn)定系數(shù)測定 參照姚春杰[15]等的方法并稍做修改。取均質(zhì)后的乳樣0.5 mL，用蒸餾水稀釋100倍后置于50 mL試管中，搖勻，在780 nm下測定其吸光度值A(chǔ)1；另取10 mL均質(zhì)后的乳樣置于離心管中，3600 r/min離心5 min，棄上層油脂，取中間層清液0.5 mL，稀釋100倍后置于50 mL試管中，在780 nm下測定其吸光度值A(chǔ)2。按公式(1)計算穩(wěn)定系數(shù)R。牛乳離心后與離心前的吸光度越接近，R值越接近于1，表明其穩(wěn)定性越高。

(1)

(2)油脂析出率測定 參照謝秉鏘[16]等的方法并稍做修改。在離心管中加入乳樣10 mL，3000 r/min離心10 min，取上部脂肪浮層，稱其質(zhì)量，按公式(2)計算油脂析出率。

(2)

(3)均質(zhì)指數(shù)測定(HI) 參照馬勇等[17]和Ertugay等[18]的方法并稍做修改。取0-4 ℃冷藏48 h的乳樣，取出試劑瓶，測定上部十分之一層和下層十分之九層牛乳的含脂率。由于物理原因，靜置一段時間后，牛乳體系中的脂肪會有所上浮，則上層牛乳的含脂率大于下層，尤其是上部十分之一層處乳樣的乳脂肪含量多于下部十分之九層處。未經(jīng)均質(zhì)的牛乳，脂肪球顆粒大，容易聚集和上浮，牛乳均質(zhì)指數(shù)較大；均質(zhì)后牛乳體系中乳脂肪被破碎成小顆粒，分散于牛乳體系中，則均質(zhì)指數(shù)較小。牛乳含脂率的測定依照GB5009.6-2016[19]中的蓋勃法進(jìn)行。最后按公式(3)計算均質(zhì)指數(shù)。

(3)

1.3.6 數(shù)據(jù)處理與分析

每個試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，圖表采用Sigmaplot13.0繪制，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS Statistics 20.0 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行顯著性分析，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同超聲處理對牛乳均質(zhì)效果的研究

2.1.1 不同超聲功率對牛乳均質(zhì)效果的影響

不同超聲功率對牛乳穩(wěn)定系數(shù)的影響，見圖1。

由圖1可見，空白組牛乳未經(jīng)均質(zhì)處理，牛乳體系極不穩(wěn)定，穩(wěn)定系數(shù)僅為0.03，脂肪上浮明顯。高壓均質(zhì)組牛乳的穩(wěn)定系數(shù)顯著提高(P<0.01)，為0.79，其原因是在高壓均質(zhì)的剪切、撞擊、空化作用下，牛乳達(dá)到更為穩(wěn)定均一的狀態(tài)。超聲處理組牛乳的穩(wěn)定系數(shù)顯著高于空白組且差異極顯著(P<0.01)，其原因是超聲波處理具有強(qiáng)烈的機(jī)械振動與空化作用，在牛乳中產(chǎn)生許多小氣泡，氣泡破裂時使乳脂肪球粉碎細(xì)化從而達(dá)到均質(zhì)的作用。超聲處理組中，隨著超聲功率的增加，牛乳的穩(wěn)定系數(shù)呈先上升后下降的趨勢(P<0.05)。當(dāng)超聲處理功率為300 W時，由于超聲功率較低，對牛乳的均質(zhì)效果顯著差于高壓均質(zhì)組(P<0.05)；當(dāng)超聲處理功率為400 W時，牛乳的穩(wěn)定系數(shù)為0.81，均質(zhì)效果稍優(yōu)于高壓均質(zhì)組，這與Ertugay[20]等研究得出的450 W超聲處理10min達(dá)到很好的效果的結(jié)論不太一致，原因可能是牛乳來源地不同且牛乳組成也不同，導(dǎo)致均質(zhì)處理時工藝條件上存在差異；當(dāng)超聲功率達(dá)到500W時，由于超聲處理強(qiáng)度過大，導(dǎo)致牛乳體系不穩(wěn)定而使均質(zhì)效果變差。

圖1 不同超聲功率對牛乳穩(wěn)定系數(shù)的影響

不同超聲功率對牛乳油脂析出率的影響，見圖2。

圖2 不同超聲功率對牛乳油脂析出率的影響

由圖2可見，超聲處理組和高壓均質(zhì)組與空白組相比，牛乳的油脂析出率明顯降低(P<0.01)。原因是牛乳經(jīng)超聲處理和高壓均質(zhì)后脂肪球被破碎均勻分散在牛乳體系中，可明顯減少脂肪上浮，減少油脂析出。高壓均質(zhì)組牛乳的油脂析出率為0.15%；超聲處理組中功率為400 W時，油脂析出率最低為0.24%，稍高于高壓均質(zhì)組(P>0.05)；超聲功率為300 W和500 W時均質(zhì)效果均顯著差于高壓均質(zhì)組，這與圖1的結(jié)果是一致的。

不同超聲功率對牛乳均質(zhì)指數(shù)的影響見圖3。

圖3 不同超聲功率對牛乳均質(zhì)指數(shù)的影響

由圖3可見，高壓均質(zhì)組和超聲波處理組牛乳的均質(zhì)指數(shù)均小于20%，顯著低于與空白組(P<0.01)，說明超聲波處理和高壓均質(zhì)均能使脂肪球破碎而均勻分散于牛乳體系中，減少脂肪上浮。高壓均質(zhì)組牛乳的均質(zhì)指數(shù)為5.30%；超聲處理組中，隨著超聲功率的增加，牛乳均質(zhì)指數(shù)呈不斷下降的趨勢，其中400 W時牛乳的均質(zhì)指數(shù)為7.20%，高于高壓均質(zhì)組(P>0.05)；當(dāng)超聲波率為500 W時，牛乳的均質(zhì)指數(shù)降為5.09%，與高壓均質(zhì)組(P>0.05)，且均質(zhì)效果稍優(yōu)于高壓均質(zhì)組。說明超聲功率為400-500 W時，均質(zhì)效果與高壓均質(zhì)組比較接近，這與Ertugay[20]等研究的在450 W條件下超聲處理均質(zhì)效果的結(jié)論基本一致。

2.1.2 不同超聲時間對牛乳均質(zhì)效果的影響

不同超聲時間對牛乳穩(wěn)定系數(shù)的影響，見圖4。

圖4 不同超聲時間對牛乳穩(wěn)定系數(shù)的影響

由圖4可見，高壓均質(zhì)組和超聲處理組牛乳的穩(wěn)定系數(shù)顯著高于空白組(P<0.01)。高壓均質(zhì)組牛乳的穩(wěn)定系數(shù)為0.79。超聲處理時間為10 min時，牛乳的穩(wěn)定系數(shù)為0.34，顯著低于高壓均質(zhì)組(P<0.01)，說明超聲處理10min時，牛乳中脂肪球沒有被充分破碎細(xì)化，均質(zhì)效果不理想；超聲處理時間為20min和30 min時，穩(wěn)定系數(shù)分別為0.79和0.81，均與高壓均質(zhì)組(P>0.05)。其中，超聲處理時間為20 min時，牛乳的穩(wěn)定系數(shù)與高壓均質(zhì)組相同，說明超聲處理時間為20 min時，可達(dá)到高壓均質(zhì)的均質(zhì)效果，這與姜雪[21]等研究的適宜超聲處理時間為20 min結(jié)論一致。

不同超聲時間對牛乳油脂析出率的影響，見圖5。

圖5 不同超聲時間對牛乳油脂析出率的影響

由圖5可見，超聲處理組和高壓均質(zhì)組牛乳的油脂析出率均顯著低于空白組(P<0.01),表明超聲處理和高壓均質(zhì)都能破碎細(xì)化脂肪球，減少脂肪上浮。高壓均質(zhì)組牛乳油脂析出率為0.15%。超聲處理10 min時，牛乳的油脂析出率為1.67%，顯著高于高壓均質(zhì)組(P<0.01)；超聲處理20 min和30 min時，牛乳的油脂析出率分別為0.33%和0.14%，均與高壓均質(zhì)組(P>0.05)，且隨著超聲時間的增加，均質(zhì)效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)超聲處理30 min時，牛乳的油脂析出率略低于高壓均質(zhì)組。

不同超聲時間對牛乳均質(zhì)指數(shù)的影響，見圖6。

由圖6可見，超聲處理組與高壓均質(zhì)組牛乳的均質(zhì)指數(shù)顯著低于空白組(P<0.01)。超聲處理組與高壓均質(zhì)組牛乳的均質(zhì)指數(shù)均小于20%，其中高壓均質(zhì)組均質(zhì)指數(shù)為5.30%；超聲處理10 min時，牛乳的均質(zhì)指數(shù)最高(P<0.05)，為17.69%，顯著高于高壓均質(zhì)組(P<0.05)；超聲處理20 min時，牛乳的均質(zhì)指數(shù)為5.67%，超聲處理30 min時，均質(zhì)指數(shù)為4.75%，兩者與高壓均質(zhì)組(P>0.05)，說明超聲處理20 min時，牛乳均質(zhì)效果較好，超聲處理30 min時，均質(zhì)效果稍優(yōu)于高壓均質(zhì)組。這與圖4和圖5分析結(jié)果一致。

圖6 不同超聲時間對牛乳均質(zhì)指數(shù)的影響

2.1.3 不同超聲溫度對牛乳均質(zhì)效果的影響

不同超聲溫度對牛乳穩(wěn)定系數(shù)的影響，見圖7。

由圖7可見，與空白組相比，超聲處理組與高壓均質(zhì)組牛乳的穩(wěn)定系數(shù)顯著提高(P<0.01)。高壓均質(zhì)組牛乳的穩(wěn)定系數(shù)為0.79；超聲處理組中，隨著超聲處理溫度的增加，牛乳的穩(wěn)定系數(shù)呈先上升后下降的趨勢(P<0.05)，其中超聲處理溫度為50 ℃時，牛乳的穩(wěn)定系數(shù)最高為0.81，稍高于高壓均質(zhì)組牛乳的穩(wěn)定系數(shù)(P>0.05)，說明采用50 ℃的超聲處理時對牛乳具有較好的均質(zhì)作用，脂肪球破碎細(xì)化程度好，牛乳體系穩(wěn)定，這與姜雪[21]等研究得到的超聲溫度在50 ℃以內(nèi)，隨超聲溫度的增加，其均質(zhì)效果較好，超過該溫度限值后，溫度越高效果越差的結(jié)論是一致的。

圖7 不同超聲溫度對牛乳穩(wěn)定系數(shù)的影響

不同超聲溫度對牛乳油脂析出率的影響，見圖8。

由圖8可見，空白組牛乳的油脂析出率最高(P<0.01)，為2.52%。高壓均質(zhì)組牛乳的油脂析出率為0.15%，超聲處理組牛乳的油脂析出率均高于高壓均質(zhì)組，其中超聲溫度為50 ℃時，牛乳油脂析出率為0.31%，與高壓均質(zhì)組牛乳的油脂析出率差異不顯著(P>0.05)，說明超聲溫度為50 ℃為宜，與圖7分析結(jié)果一致。

圖8 不同超聲溫度對牛乳油脂析出率的影響

不同超聲溫度對牛乳均質(zhì)指數(shù)的影響，見圖9。

圖9 不同超聲溫度對牛乳均質(zhì)指數(shù)的影響

由圖9可見，與空白組相比，超聲處理組和高壓均質(zhì)組牛乳均質(zhì)指數(shù)顯著降低(P<0.01)。高壓均質(zhì)組牛乳均質(zhì)指數(shù)為5.30%，50 ℃超聲組牛乳均質(zhì)指數(shù)為5.12%(P>0.05)，且超聲處理組乳樣的均質(zhì)指數(shù)稍低于高壓均質(zhì)組。說明超聲溫度為50 ℃時，乳脂肪球膜軟化處于溶融狀態(tài)，在超聲處理下能達(dá)到很好的均質(zhì)效果。

2.2 牛乳超聲均質(zhì)工藝條件的優(yōu)化

牛乳超聲均質(zhì)工藝條件優(yōu)化的正交試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析見表2和表3。

由表2可知，針對超聲處理牛乳的穩(wěn)定系數(shù)指標(biāo)而言，超聲功率、時間、溫度三個因素中超聲時間是影響均質(zhì)效果主要因素，其次為超聲溫度，而超聲功率影響最小。通過極差分析得出最適的超聲均質(zhì)工藝條件為A2B3C2，即超聲功率為450 W，超聲時間為25 min，超聲溫度為55 ℃。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析表(穩(wěn)定系數(shù))

由表3可得，針對超聲處理牛乳的油脂析出率指標(biāo)而言，超聲功率、時間、溫度三個因素中超聲時間是影響均質(zhì)效果的主要因素，其次為超聲溫度，超聲功率影響最小。通過極差分析得出最適的超聲均質(zhì)工藝條件為A2B2C3，即超聲功率為450 W，超聲時間為20 min，超聲溫度為60 ℃。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析表(油脂析出率)

從節(jié)能角度講，超聲功率450 W，超聲時間25 min，超聲溫度55 ℃的超聲工藝條件更符合實(shí)際生產(chǎn)。牛乳均質(zhì)效果如圖10所示。

圖10 顯微鏡觀察牛乳均質(zhì)的效果(×1000)

3 結(jié)論

本試驗(yàn)在頻率20-25 kHZ條件下，采用不同超聲功率、超聲時間、超聲溫度對牛乳進(jìn)行均質(zhì)效果研究，并與空白組和高壓均質(zhì)對照組進(jìn)行比較，得出適宜的超聲功率400 W，超聲時間20 min，超聲溫度50 ℃時，牛乳的穩(wěn)定系數(shù)、油脂析出率及均質(zhì)質(zhì)數(shù)與高壓均質(zhì)組均無顯著差異(P>0.05)。經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化得出最適的牛乳超聲均質(zhì)的工藝條件為：在超聲頻率20-25 kHZ的情況下，采用6均質(zhì)探頭，探頭插入牛乳液面下約3cm，超聲處理時間2 S，間歇1 S，功率450 W，總時間為25 min，溫度為55 ℃時對牛乳進(jìn)行均質(zhì)處理，可達(dá)到高壓均質(zhì)效果，是一種比較理想的牛乳均質(zhì)方法。