顆粒型燕麥牛乳飲品配方及工藝優(yōu)化

于 鵬

（乳業(yè)生物技術(shù)國家重點實驗室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436）

燕麥富含β-葡聚糖、蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸、多肽等營養(yǎng)成分，這些成分帶來的營養(yǎng)效用，如防治由高血脂引起的心腦血管疾病、調(diào)節(jié)脂質(zhì)與血糖代謝、抗氧化等已經(jīng)得到廣泛認證[1-3]。目前常見的燕麥類產(chǎn)品主要以速食燕麥為主，對燕麥的綜合利用程度有限，市面上的燕麥乳飲品也較單一，多以燕麥風味為賣點，或于原料中加入少許燕麥粉[4-6]。英敏特2020年推出了一系列關(guān)于健康趨勢的市場調(diào)研報告，4月份關(guān)于牛乳和乳飲料的報告顯示，隨著養(yǎng)生群體年輕化的趨勢，越來越多消費者在購買食品時更側(cè)重于原料的應用及營養(yǎng)配比[7]。因此，設(shè)計一款以燕麥為主要原料的飲品，將完整谷物顆粒與牛乳相結(jié)合，開發(fā)營養(yǎng)均衡、食用方便的燕麥飲品將具有良好的市場前景。設(shè)計面臨的問題在于牛乳密度較小，燕麥很容易下沉，消費者的品嘗體驗及觀感不佳。如果僅以燕麥顆粒懸浮為考慮因素，又容易導致產(chǎn)品質(zhì)地較厚、口感較差的問題。因此為解決燕麥下沉等問題，本研究從配方對穩(wěn)定劑進行篩選，并從實際生產(chǎn)出發(fā)，優(yōu)化工藝參數(shù)，避免生產(chǎn)過程中體系穩(wěn)定性受到影響，以得到性狀穩(wěn)定、口感較好的燕麥牛乳產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生牛乳 光明乳業(yè)牧場；稀奶油 光明乳業(yè)股份有限公司；燕麥粉及燕麥顆粒 綠莊園有限公司；白砂糖 廣西上上糖業(yè)有限公司；結(jié)冷膠 斯比凱可（中國）有限公司；羧甲基纖維素鈉、微晶纖維素富曼實（上海）商貿(mào)有限公司；蔗糖脂肪酸酯 杭州瑞霖化工有限公司；單、雙硬脂酸甘油酯 廣州美晨科技實業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

旋轉(zhuǎn)黏度儀 美國博力飛公司； EBA 270離心機德國Hettich科學儀器公司；UHT殺菌設(shè)備 德國GEA公司；Panda Plus 2000高壓均質(zhì)機 德國APV公司；灌裝設(shè)備 唯綠包裝（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 顆粒型燕麥牛乳的制備

1.3.1.1 基本配方

鮮牛乳70%（均為質(zhì)量分數(shù)）、白砂糖5%、燕麥粉1%、燕麥粒3%、蔗糖脂肪酸酯0.05%、單、雙硬脂酸甘油酯0.05%、穩(wěn)定劑，用水補充至100%。

1.3.1.2 工藝流程

顆粒型燕麥牛乳工藝流程如圖1所示。

1.3.2 指標測定

1.3.2.1 黏度測定

取過濾掉燕麥顆粒的樣品，使用Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度儀2號轉(zhuǎn)子測定黏度（mPa·s）。

1.3.2.2 穩(wěn)定性測定

以離心沉淀率來判斷穩(wěn)定性，具體方法為：取過濾掉燕麥顆粒的樣品10 mL，4 000 r/min離心20 min，取沉淀物稱質(zhì)量。離心沉淀率按下式[9]計算。

1.3.2.3 感官評定

由20 位專業(yè)感官評定成員對顆粒型燕麥牛乳進行感官特征評價，主要包括外觀狀態(tài)、口感、組織狀態(tài)等幾方面，感官評價標準如表1所示。

表1 顆粒型燕麥牛乳感官評價標準[10]Table 1 Criteria for sensory evaluation of milk drink added with whole oat kernels[10]

1.3.3 實驗設(shè)計

1.3.3.1 復配穩(wěn)定劑配方的確定

單因素試驗：分別將結(jié)冷膠、卡拉膠、羧甲基纖維素鈉、微晶纖維素和變性淀粉以不同比例（在體系中的質(zhì)量分數(shù)）分別添加，通過離心沉淀率、黏度和感官評分討論其較佳添加量。其中結(jié)冷膠的添加量分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%；卡拉膠的添加量分別為0.010%、0.015%、0.020%、0.025%、0.030%；羧甲基纖維素的添加量分別為0.010%、0.015%、0.020%、0.025%、0.030%；微晶纖維素的添加量分別為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%；變性淀粉的添加量分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%。

正交試驗：在單因素試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，以離心沉淀率為判斷指標，設(shè)計正交試驗，優(yōu)化復配穩(wěn)定劑配方。

1.3.3.2 顆粒型燕麥牛乳制備工藝參數(shù)優(yōu)化

分別更改配料溫度、水合時間、均質(zhì)壓力和灌裝溫度4 個工藝點參數(shù)，進行單因素試驗，同時其他工藝點參數(shù)如工藝流程所示，以離心沉淀率判斷參數(shù)更改對于顆粒型燕麥牛乳穩(wěn)定性的影響，并考察對黏度造成的影響。

配料溫度單因素試驗：考慮到產(chǎn)品配料中的其他原料以及結(jié)冷膠的化膠溫度，分別將配料缸的溫度升高到30、40、50、60、70 ℃，在不同溫度下投入物料后保溫攪拌15 min，比較終產(chǎn)品的離心沉淀率和黏度，考察其穩(wěn)定性。

水合時間單因素試驗：以40 ℃投入物料后，水合時間分別保持10、20、30、40、50 min，攪拌15 min，比較終產(chǎn)品的離心沉淀率和黏度，考察其穩(wěn)定性。

均質(zhì)壓力單因素試驗：將配料后的物料均質(zhì)，選取不同的均質(zhì)壓力，分別為20、25、30、35、40 MPa，比較終產(chǎn)品的離心沉淀率和黏度，考察其穩(wěn)定性。

灌裝溫度單因素試驗：根據(jù)工廠實際操作情況，考察5、10、15、20、25 ℃不同灌裝溫度下樣品的穩(wěn)定性。

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，設(shè)計正交試驗，得到顆粒型燕麥牛乳制備工藝參數(shù)最佳組合。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗均重復3 次，采用Excel及SPSS數(shù)理統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，利用Desigh Expert 7.16和SAS 9.0.2軟件進行實驗設(shè)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定劑單因素試驗結(jié)果

表2 不同穩(wěn)定劑及添加量對顆粒型燕麥牛乳體系穩(wěn)定性的影響Table 2 Effects of stabilizer type and concentration on stability of milk drink added with whole oat kernels

考慮到顆粒型燕麥飲品體系的特殊性，應在保持燕麥顆粒懸浮性的同時兼具良好口感。不同添加量的穩(wěn)定劑對于樣品的黏度、質(zhì)地影響各不相同，結(jié)冷膠、卡拉膠及變性淀粉，這幾種穩(wěn)定劑的凝膠效果較好，穩(wěn)定性較強[11-13]；微晶纖維素和羧甲基纖維素鈉對于貨架期內(nèi)的脂肪上浮、體系分層等具有良好的改善作用[14-16]。因此通過單因素試驗討論不同穩(wěn)定劑對顆粒型燕麥牛乳體系穩(wěn)定性的影響。

由表2可知，首先以離心沉淀率作為穩(wěn)定劑添加量的判斷標準，結(jié)冷膠、變性淀粉及卡拉膠都是較佳的選擇，同時從黏度和感官評分的角度考慮，變性淀粉和卡拉膠都容易造成產(chǎn)品黏度過高，口感欠佳，導致感官評分較低，黏度過高也會造成生產(chǎn)過程中物料損耗大、體系穩(wěn)定性受損、管道結(jié)焦等實際問題。因此在衡量離心沉淀率、黏度和感官評分3 項指標之后選擇結(jié)冷膠作為最佳穩(wěn)定劑。隨著結(jié)冷膠添加量的增加，顆粒型燕麥牛乳體系離心沉淀率呈現(xiàn)下降趨勢，當結(jié)冷膠添加量超過0.06%時，離心沉淀率幾乎不再變化。從離心沉淀率和成本角度考量，結(jié)冷膠添加量0.06%比較適合，從感官評分角度考量，結(jié)冷膠添加量0.04%時評分更高，因此需要進一步進行優(yōu)化，來判斷結(jié)冷膠的較佳添加量。

2.2 復配穩(wěn)定劑配方正交試驗優(yōu)化結(jié)果

綜合考慮離心沉淀率、黏度及感官評分，變性淀粉對黏度影響較大，導致口感較差，感官評分低，因此考慮將結(jié)冷膠、羧甲基纖維素鈉、微晶纖維素及卡拉膠進行一定比例的復配，這4 種穩(wěn)定劑具有良好的相容性，在降低離心沉淀率的同時可以提升產(chǎn)品口感。

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇飲料中常用的具有穩(wěn)定及乳化作用的卡拉膠、羧甲基纖維素鈉和微晶纖維素與結(jié)冷膠復配，以離心沉淀率為指標進行分析，設(shè)計正交試驗。

表3 穩(wěn)定劑配方正交試驗因素水平Table 3 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for orthogonal array design for the optimization of stabilizer formulation

由表3～4可知，各因素對顆粒型燕麥牛乳離心沉淀率的影響主次順序為A（微晶纖維素添加量）＞B（卡拉膠添加量）＞C（羧甲基纖維素鈉添加量）＞D（結(jié)冷膠添加量），最優(yōu)組合為A1B3C3D3，即結(jié)冷膠添加量0.04%、卡拉膠添加量0.020%、羧甲基纖維素鈉添加量0.020%、微晶纖維素添加量0.20%。按照最優(yōu)組合復配使用后得到的產(chǎn)品離心沉淀率為3.02%，黏度為28 mPa·s，感官評分為7.6 分。

表4 穩(wěn)定劑配方正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal array design with experimental values of centrifugal sedimentation rate for the optimization of stabilizer formulation

2.3 顆粒型燕麥牛乳制備工藝參數(shù)單因素試驗結(jié)果

影響含有燕麥顆粒的牛乳穩(wěn)定性的因素除配方外，另一個重要因素則是工藝。由于起到主要作用的結(jié)冷膠的凝膠過程是其分子由無規(guī)則卷曲轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾p螺旋結(jié)構(gòu)，繼而形成連續(xù)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過程。當溫度達到72 ℃時，結(jié)冷膠溶液會形成柔軟、具有彈性的凝膠，隨著溫度上升，結(jié)冷膠溶液的黏度會迅速下降，而溫度降低后又恢復到原來的黏度[17]。在生產(chǎn)線加熱-降溫的過程中，結(jié)冷膠的添加量如果較高，隨著剪切速率增加，黏度的損失非常明顯。生產(chǎn)線上高速持續(xù)的剪切力在一定程度上破壞了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導致其高效的懸浮性下降，本研究進一步討論如何通過工藝優(yōu)化保證產(chǎn)品的口感及穩(wěn)定性。

考慮到結(jié)冷膠的上述特性以及配方中燕麥粉和其他穩(wěn)定劑的特性，配料溫度及水合時間均會對產(chǎn)品的穩(wěn)定性有重要影響[18]。另一方面，工廠的生產(chǎn)線大多幾條產(chǎn)品共線使用，很難更改現(xiàn)有設(shè)備的泵送壓力，只能在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進行參數(shù)調(diào)試來實現(xiàn)工藝優(yōu)化。因此，分別從配料溫度、水合時間、均質(zhì)壓力和灌裝溫度4 個方面進行討論。

2.3.1 配料溫度對顆粒型燕麥牛乳穩(wěn)定性的影響

由圖2可知，配料溫度從30 ℃升高至70 ℃時，產(chǎn)品的黏度為20～23 mPa·s，配料溫度對黏度的影響較小。當配料溫度提高時，產(chǎn)品離心沉淀率也隨之升高，特別是當配料溫度超過50 ℃后，離心沉淀率明顯上升，說明配料溫度過高，產(chǎn)品的穩(wěn)定性隨之下降，在可操作的范圍內(nèi)，30～50 ℃為較佳配料溫度。

2.3.2 水合時間對顆粒型燕麥牛乳穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，隨著水合時間延長，產(chǎn)品黏度有上升趨勢，當水合時間從30 min延長到50 min時，黏度幾乎不變，離心沉淀率變化也較小，說明水合30 min即可達到較好的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.3 均質(zhì)壓力對顆粒型燕麥牛乳穩(wěn)定性的影響

由于燕麥類產(chǎn)品中燕麥粉和復配穩(wěn)定劑的加入，考慮以提升均質(zhì)壓力來改善混合液的粒徑分布，從而改善終產(chǎn)品的穩(wěn)定性[19-20]。

由圖4可知，隨著均質(zhì)壓力升高，產(chǎn)品離心沉淀率明顯下降，說明均質(zhì)壓力對穩(wěn)定性影響很大，均質(zhì)壓力越大，產(chǎn)品的穩(wěn)定性越好。當均質(zhì)壓力升高到35 MPa，隨著壓力繼續(xù)升高，產(chǎn)品離心沉淀率幾乎無變化。均質(zhì)壓力對黏度的影響很小，壓力升高的過程中，產(chǎn)品黏度變化較小。

2.3.4 灌裝溫度對顆粒型燕麥牛乳穩(wěn)定性的影響

由圖5可知，灌裝溫度升高，產(chǎn)品離心沉淀率也隨之升高，說明灌裝溫度越低，越有利于產(chǎn)品的穩(wěn)定性。且灌裝溫度對產(chǎn)品黏度幾乎沒有影響，可見較適灌裝溫度為5 ℃。

2.4 顆粒型燕麥牛乳制備工藝優(yōu)化結(jié)果

表5 顆粒型燕麥牛乳制備工藝正交試驗因素水平表Table 5 Coded levels and corresponding actual levels of independent variables used for orthogonal array design for the optimization of processing conditions

表6 顆粒型燕麥牛乳制備工藝正交試驗結(jié)果Table 6 Orthogonal array design with experimental values of centrifugal sedimentation rate for the optimization of processing conditions

由表5～6可知，各因素對顆粒型燕麥牛乳穩(wěn)定性的影響主次順序為A（配料溫度）＞D（灌裝溫度）＞B（水合時間）＞C（均質(zhì)壓力），即配料溫度是影響離心沉淀率的敏感因素。最優(yōu)組合為A3B3C1D3，對應的配料溫度為50 ℃、水合時間為40 min、均質(zhì)壓力為30 MPa、灌裝溫度為15 ℃。此工藝參數(shù)組合下得到的顆粒型燕麥牛乳離心沉淀率最低，為1.43%，黏度為23 mPa·s，感官評分為7.92 分。

3 結(jié) 論

從配方和工藝兩方面對顆粒型燕麥牛乳的穩(wěn)定性進行研究。以離心沉淀率和感官評分作為評價指標，分析不同穩(wěn)定劑對于顆粒型燕麥牛乳穩(wěn)定性的影響，在單因素試驗基礎(chǔ)上，將結(jié)冷膠、卡拉膠、微晶纖維素和羧甲基纖維素鈉進行復配，通過正交試驗得到復配最佳比例為結(jié)冷膠添加量0.04%、卡拉膠添加量0.020%、羧甲基纖維素鈉添加量0.020%、微晶纖維素添加量0.20%。為減少生產(chǎn)線剪切力對黏度的影響，造成穩(wěn)定體系被破壞，在設(shè)備可調(diào)整參數(shù)的范圍內(nèi)，從配料溫度、水合時間、均質(zhì)壓力、灌裝溫度4 個影響體系穩(wěn)定性的工藝點討論，選取較佳參數(shù)，通過正交試驗得到最佳參數(shù)組合為配料溫度50 ℃、水合時間40 min、均質(zhì)壓力30 MPa、灌裝溫度15 ℃，此條件下得到的顆粒型燕麥牛乳顆粒懸浮均勻、口感細膩、質(zhì)地均一，品質(zhì)較好。