基于Arrhenius模型預測無乳糖超高溫乳的貨架期

賈凌云,胡志和,程凱麗,趙旭飛,肖厚棟,丁新宇

(天津商業(yè)大學天津市食品生物技術(shù)重點實驗室,天津 300134)

由于牛奶中的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)及礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分均衡,因此,在人類日常飲食中占有重要地位。其中,超高溫滅菌乳(UHT乳)由于其殺菌徹底,保質(zhì)期長等特點成為我國消費奶制品的主要形式之一。隨著人們對乳糖不耐癥的關(guān)注越來越高,無乳糖UHT乳也逐漸受到人們的歡迎[1]。目前,市場上透明袋裝的UHT乳受到消費者的青睞,其包裝簡單具有軟、薄、透明度高等特點,保質(zhì)期一般在1～3個月。市場上超高溫滅菌(UHT)乳是采用138 ℃、4 s的加工工藝,能夠達到商業(yè)無菌水平。因此,微生物已經(jīng)不是UHT乳變質(zhì)的主要原因。大量資料表明,UHT乳的保質(zhì)期主要與其感官特性的變化有關(guān),而在加工及儲藏過程中具有熱穩(wěn)定性的酶[2]所產(chǎn)生的氧化反應(yīng)[3]、蛋白質(zhì)水解[4,5]、脂肪水解[6]、美拉德反應(yīng)[7-12]等是導致UHT乳感官品質(zhì)發(fā)生變化的主要原因。氧化反應(yīng)及美拉德反應(yīng)等會造成牛乳中營養(yǎng)物質(zhì)的損失,造成牛奶的變色[13-14]及蒸煮、焦香等味道的產(chǎn)生[15-16],而蛋白質(zhì)水解及脂肪水解則會產(chǎn)生游離氨基酸、脂肪酸,形成異味或異味的前體物[17-18]。因此,UHT乳的感官品質(zhì)是UHT乳保質(zhì)期最直接的判斷標準。

目前,UHT乳貨架期模型的建立一般采用檢測UHT乳的乳蛋白水解度、脂肪水解度、酒精穩(wěn)定性等[19-23]理化指標間接預測貨架期,不能準確判斷UHT乳的感官品質(zhì)變化。隨著現(xiàn)代感官檢測技術(shù)的發(fā)展,利用電子眼、電子鼻、電子舌技術(shù),對食品的色澤、滋味、氣味進行檢測,不僅能夠準確模擬人類對食物的感官感受,還能夠避免因主觀因素造成的實驗誤差。目前,國內(nèi)外已有人利用電子鼻、電子舌技術(shù)建立青稞格瓦斯[24]、蘋果[25]等產(chǎn)品的貨架期預測模型。但是綜合利用電子眼、電子鼻和電子舌技術(shù),結(jié)合貨架期加速實驗(ASLT),建立無乳糖UHT乳貨架期預測模型的研究較少。

本研究利用電子鼻、電子舌、電子眼技術(shù)檢測感官指標變化,結(jié)合阿倫尼烏斯公式(Arrhenius)建立無乳糖UHT乳貨架期預測模型,為無乳糖UHT乳的生產(chǎn)和銷售提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

海河簡單包裝(透明塑料袋)純牛奶(保質(zhì)期45 d) 天津海河乳業(yè)有限公司;乳糖酶(活力4000 U/g) 天津海河乳業(yè)有限公司。

IRIS VA400電子眼、HeraclesⅡ電子鼻、Astree電子舌 法國Alpha M.O.S公司;JWO-UHT20T實驗型超高溫殺菌機 上海積自動化設(shè)備有限公司;Bayer LactoMonitor乳糖檢測儀 美國拜安捷公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 無乳糖UHT乳的制備 實驗采用先殺菌后加乳糖酶水解工藝進行實驗[26],在無菌條件下,將138 ℃、4 s下殺菌制作的UHT乳冷卻至常溫后,添加乳糖酶400 U/Kg,25 ℃下水解8 h,得到無乳糖UHT乳。有研究表明,UHT乳貨架期試驗溫度應(yīng)置于37 ℃以下[27],故而本試驗采用37、27、4 ℃貯藏。

1.2.2 不同貯藏溫度對無乳糖UHT乳感官指標的影響 將置于37、27、4 ℃下避光貯存的無乳糖UHT乳每3 d使用電子眼、電子鼻、電子舌檢測一次色澤、氣味、滋味的變化。

1.2.3 測定方法

1.2.3.1 乳中乳糖含量檢測 使用Bayer Lacto Monitor乳糖檢測儀每隔1 h檢測乳中乳糖的殘留量。每個樣品重復三次,取平均值。

1.2.3.2 電子眼的測定 將樣品倒入透明培養(yǎng)皿中,使用黑色背景板在校準過的IRIS VA400電子眼中進行拍照,每個樣品重復四次。使用Alpha Soft V14.2進行圖片處理及數(shù)據(jù)分析。

1.2.3.3 電子鼻的測定 精確稱取(7.0±0.005) g樣品于30 mL頂空瓶中,使用Heracles Ⅱ電子鼻進行檢測,檢測參數(shù)為50 ℃下孵化20 min振蕩速度為500 r/min。進樣量5000 μL,注射速度125 μL/s,進樣口溫度為200 ℃、壓力10 kPa、流速30 mL/min、注射時間45 s。每個樣品重復四次,用Alpha Soft V14.2進行數(shù)據(jù)處理。

1.2.3.4 電子舌的測定 將無乳糖UHT乳的乳樣置于Astree電子舌專用測試杯中,采用PKS(通用型)、CPS(通用型)、AHS(酸)、CTS(咸)、NMS(鮮)、ANS(甜)、SCS(苦)七根傳感器進行滋味的檢測,每個樣品重復四次。使用Alpha Soft V14.2進行數(shù)據(jù)處理。

1.2.4 無乳糖UHT乳貨架期預測 利用電子眼、電子舌、電子鼻測定得到的感官數(shù)據(jù),結(jié)合阿倫尼烏斯公式模型構(gòu)建無乳糖UHT乳貨架期模型,并進行驗證。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Origin 8.0及Excel軟件進行圖表數(shù)據(jù)處理分析,使用Alpha Soft V 14.2進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 無乳糖超高溫滅菌乳色澤的變化

圖1A為37 ℃下避光貯存的無乳糖UHT乳色澤變化。在實驗條件范圍內(nèi),貯存1～24 d,無乳糖UHT乳中4095號(白色)為主色號(占比均大于85%);在24～60 d,無乳糖UHT乳色澤發(fā)生顯著變化(P<0.05),4094(黃白色)色號成為主色號(占比均大于50%)。另外,在貯存42 d時,產(chǎn)生4077(淡黃粉色)色號(占比為42.58%),但在隨后的貯存期間(42～60 d),該色號逐漸減小。

當無乳糖UHT乳在27 ℃下避光貯存時(圖1B),到貯存33 d,4095色號為主色號(占比均大于90%),之后,色澤發(fā)生顯著變化;在貯存36～42 d時,4094色號與4095色號在色澤中的占比相差不大;在45～60 d,4094色號成為主色號(占比大于75%)。當無乳糖UHT乳在4 ℃下避光貯存時(圖1C),4095(白色)色號在貯存的60 d里無顯著變化。

圖1 無乳糖UHT乳色澤隨貯存時間變化

無乳糖UHT乳隨貯存時間增長,色澤逐漸加深的現(xiàn)象,可能與無乳糖UHT奶在貯存過程中緩慢進行美拉德反應(yīng)[14]以及脂肪及蛋白質(zhì)水解有一定的關(guān)系。溫度提高,乳糖水解為葡萄糖、半乳糖均會促進美拉德反應(yīng)的進行[28],造成顏色越來越深。而UHT乳中具有熱穩(wěn)定的脂肪酶[29]及蛋白酶[28]水解脂肪及蛋白質(zhì)對UHT乳的色澤也存在影響。比較可知,低溫貯存有助于牛奶顏色的保持。

圖2為不同貯存溫度下的無乳糖UHT乳色澤主色號4095(白色)在牛乳中的占比與貯存時間的關(guān)系。隨貯存時間的增長,4095色號在牛乳中的占比逐漸下降。其中,37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中4095色號占比下降速率最快,貯存24 d時,4095色號的占比由96.83%降至80.23%;貯存27 d時,4095色號占比驟然下降至32.32%;至貯存42 d時,4095色號占比已降至0%。27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳,貯存33 d時,4095色號占比為89.71%,36 d時,4095色號占比驟降為57.12%,到貯存60 d時,4095色號占比已降為1.94%。4 ℃貯存的無乳糖UHT乳4095色號占比下降速率最慢,貯存期間,4095色號占比在93.62%～83.8%之間,色號占比未出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。故而隨著貯存溫度的升高,4095色號占比下降速率加快。因此,4095色號可作為限制性因子之一,用于建立Arrhenius模型。

圖2 不同貯存溫度下無乳糖UHT乳4095色號的變化

2.2 無乳糖超高溫滅菌奶滋味的變化

滋味是由多種基本滋味混合而成,包括苦味、甜味、鮮味、咸味、酸味等基本滋味。為保證貯存初期五種基本滋味數(shù)據(jù)的準確性,取貯存1～3 d乳的滋味信號強度的平均值作為無乳糖UHT乳五種基本滋味的初始強度。隨著貯存時間的增加(圖3A),不同貯存溫度下的無乳糖UHT乳中的苦味逐漸增加,37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存24 d及之后的苦味與貯存1～3 d的苦味存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存27 d及之后的苦味與貯存1～3 d的苦味存在顯著性差異(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的苦味隨然隨著貯存時間的增加有所增長,但沒有顯著性差異(P>0.05)。這與無乳糖UHT乳中殘留的耐熱性蛋白酶能水解蛋白質(zhì)形成具有苦味的短肽及氨基酸有關(guān),且隨著貯藏溫度的升高,蛋白酶活性增加,苦味增加速率越快[4]。

不同貯存溫度的無乳糖UHT乳隨貯存時間的增加咸味逐漸增強(圖3B),37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的咸味增長速率最大,到貯存21 d及之后,咸味已經(jīng)與貯存1～3 d的無乳糖UHT乳中的咸味存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在36 d及之后,咸味與1～3 d乳的咸味開始出現(xiàn)顯著性差異性(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的咸味則在貯存期間沒有顯著性差異(P>0.05)。咸味的變化可能與牛乳中的氯化物等離子有一定的關(guān)系[30],但具體原因還需進一步研究。

隨著貯存時間的增加,甜味的信號強度逐漸降低(圖3C),貯存24 d及之后,37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的甜味與1～3 d乳的甜味強度出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的甜味在貯存36 d及之后與1～3 d乳的甜味產(chǎn)生顯著性差異(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳中的甜味在貯存期間沒有顯著性差異(P>0.05)。這是由于牛乳中的甜味不僅與牛乳中的葡萄糖、乳糖有關(guān),還與牛乳中甜味的游離氨基酸有關(guān)。

不同溫度(37、27、4 ℃)下貯存的無乳糖UHT乳的鮮味強度隨貯存時間變化見圖3D中。37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在21 d及之后鮮味強度與貯存1～3 d乳的鮮味強度存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在36 d及之后與貯存1～3 d乳的鮮味強度存在顯著性差異(P<0.05);而4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的鮮味強度在貯存期間沒有顯著變化(P>0.05)。鮮味與牛乳中谷氨酸、天冬氨酸等味覺氨基酸的含量有關(guān)[31],谷氨酸、天冬氨酸的含量越高,鮮味強度越高。

圖3 不同貯存溫度下無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化

不同溫度(37、27、4 ℃)下貯存的無乳糖UHT乳的酸味強度隨貯存期間的變化見圖3E。37 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存18 d及之后與貯存1～3 d乳的酸味強度存在顯著性差異(P<0.05);27 ℃下貯存的無乳糖UHT乳在貯存24 d及之后與貯存1～3 d乳的酸味強度存在顯著性差異(P<0.05);4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的酸度強度在貯存期間沒有顯著性變化(P>0.05)。酸味的產(chǎn)生與牛奶中耐熱性脂肪酶分解脂肪有關(guān),其最適反應(yīng)溫度在30～50 ℃之間[32],故而37 ℃下貯藏的UHT乳酸味最早出現(xiàn)顯著性差異的原因[31]。

2.3 無乳糖超高溫滅菌乳氣味的變化

UHT乳的氣味主要由乳品中的蛋白質(zhì)、脂肪、乳糖等物質(zhì)降解及相互反應(yīng)生成的酸類、醛類、醇類、酯類以及芳香類化合物組成[33],UHT乳中影響牛乳氣味的物質(zhì)較多,反應(yīng)較為復雜。早在1980年H T Badings[34]等已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有58種化學物質(zhì)對UHT乳的氣味有影響。王萬厚[35]等對UHT乳中揮發(fā)性成分的檢測更高達74種,逐個分析較為困難,故而采用主成分分析(PCA)的方式對不同貯存溫度和時間的無乳糖UHT乳進行分析。由圖4～圖6分別為37、27、4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳氣味的PCA圖,由Alpha Soft V14.2系統(tǒng)分析處理的PCA圖中,當主成分1與主成分2之和大于80%,且識別指數(shù)小于80時,表明圖中樣品之間不存在顯著性差異,而由圖4～6可知,3個圖中的識別指數(shù)分別為-55、-18、-83,均小于80,故不同貯存溫度下的無乳糖UHT乳在60 d的貯存期中氣味沒有顯著性差異。貯藏期中氣味沒有顯著性差異的原因還需進一步研究。

圖4 37 ℃貯存的無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化PCA圖

圖5 27 ℃貯存的無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化PCA

圖6 4 ℃貯存的無乳糖超高溫滅菌乳氣味變化PCA

2.4 基于Arrhenius模型無乳糖超高溫滅菌奶貨架期模型建立

通過對不同貯存溫度下無乳糖UHT乳中4095色號占比的倒數(shù),苦味強度、咸味強度、甜味強度、鮮味強度、酸味強度的對數(shù)與貯存時間,采用Arrhenius一級反應(yīng)方程進行擬合,即

A=A0ekt

式(1)

式中:A:食品貯存t天時的品質(zhì);A0:食品的初始品質(zhì);k：食品變化速率常數(shù);t：食品貯存天數(shù),d。

式(1)取對數(shù),可得式(2)

lnA=lnA0+kt

式(2)

將不同溫度下,貯存不同時間的無乳糖UHT奶的色澤、苦味、咸味、鮮味、甜味、酸味等指標帶入式(2),通過圖2、圖3擬合曲線,繪制圖形(圖7),可計算出不同溫度下各指標的k值,同時,通過相關(guān)系數(shù)(R值)選擇利用Arrhenius公式建立預測模型的限制性因子。

圖7 不同貯存溫度下色澤、滋味與貯存時間的關(guān)系

根據(jù)圖7,擬合一級反應(yīng)公式,所得方程、k值和相關(guān)系數(shù)(R2)見表1,不同貯存溫度下貯存時間與無乳糖UHT乳中4095色號占比的倒數(shù)、苦味強度、咸味強度的對數(shù)使用一級反應(yīng)方程式擬合的R2較為穩(wěn)定。圖7A中37、4 ℃貯存溫度下色澤與貯存時間之間的關(guān)系具有較高的相關(guān)性(R2>0.9);而貯存溫度為27 ℃時,色澤與貯存時間所擬合的一級反應(yīng)方程的R2為0.75。而無乳糖UHT乳中苦味強度、咸味強度的對數(shù)與貯存時間之間擬合的一級反應(yīng)方程中的R2均大于0.9,具有很高的相關(guān)性(圖7B、圖7C);無乳糖UHT乳中鮮味、甜味、酸味強度的對數(shù)與貯存時間之間擬合的一級反應(yīng)方程的R2不穩(wěn)定,不適合作為無乳糖UHT乳保質(zhì)期預測模型的限制因子。圖8為無乳糖UHT乳中酸、甜、苦、咸、鮮五種滋味在電子舌模擬人體滋味受體得到的滋味感受強度,12為感受強度最高,0為感受強度最低。由圖8可知,相對于其他滋味,苦味在電子舌的感受中最為強烈,故而,選擇苦味的變化作為滋味的代表。

表1 不同貯存溫度下色澤及滋味強度與貯存時間的關(guān)系

圖8 不同貯存時間和溫度下無乳糖UHT乳滋味雷達圖

阿倫尼烏斯經(jīng)驗公式即化學反應(yīng)速率指數(shù)定律,能夠反應(yīng)化學反應(yīng)速率與溫度的變化關(guān)系,故可通過對Arrhenius公式的分析得到溫度與食品變化的速率常數(shù)k。

式(3)

式中:k:食品變化速率常數(shù);k0:指前因子;Ea:活化能,J/mol;R:氣體常數(shù),3.814 J/mol;T:開氏溫度,K。

以T與lnk做線性關(guān)系,即可求到Ea與k0的值。帶入公式(2)中從而求得理論上的貯存時間。

將通過色澤、苦味方程得到的不同溫度下的k取對數(shù)作為縱坐標,以貯存開氏度的倒數(shù)為橫坐標,做圖(圖9、圖10),根據(jù)斜率和截距可得到Ea、k0(表2),以1～3 d得色澤、苦味的平均值為A0,即得到色澤的動力學模型為:

表2 色澤及滋味為限制因子得到的Ea與k0的值

圖9 色澤變化的阿倫尼烏斯曲線

圖10 苦味強度變化的阿倫尼烏斯曲線

式(4)

苦味的動力學模型為:

式(5)

2.5 貨架期模型的驗證

分別以色澤、苦味為限制因子,利用Arrhenius公式構(gòu)建得到的貨架期模型(式4和式5),通過計算在37、27 ℃下得貨架期并與實際貨架期相比較(表3)。以色澤為限制因子,在37、27 ℃下得到的預測貨架期與實際檢測得到的貨架期之間的相對誤差分別為0%、6.1%。以苦味為限制因子,在37、27 ℃下得到的預測貨架期與實際檢測得到的貨架期之間的相對誤差分別為9.5%、12.5%。以色澤及苦味為限制因子建立的貨架期模型相對誤差較小,均能夠有效的預測無乳糖UHT乳在4～37 ℃下的貨架期。以色澤、苦味為限制因子的貨架期模型計算4 ℃下貯存的無乳糖UHT乳的貨架期,分別為88、71 d。兩者相差較大,這表明色澤的品質(zhì)受貯存溫度的影響較大,當貯存溫度較低時,滋味的品質(zhì)變化會快于色澤品質(zhì)的變化。因此,選擇以苦味為限制因子的貨架期模型為最終貨架期模型。

表3 貨架期模型驗證

3 結(jié)論

采用電子鼻、電子舌、電子眼檢測簡單包裝無乳糖UHT,在4～37 ℃之間貯藏時,其滋味及色澤隨著貯存時間的增長而發(fā)生顯著性變化(P<0.05),氣味無顯著性的變化(P>0.05)。綜合感官指標并結(jié)合ASLT加速實驗,構(gòu)建簡單包裝無乳糖UHT乳的貨架期模型,以苦味為限制因子,用阿倫尼烏斯公式(Arrhenius)擬合無乳糖UHT乳貨架期模型為;利用該公式預測在4 ℃下避光貯存的簡單包裝無乳糖UHT乳貨架期為71 d。