響應(yīng)面法優(yōu)化低脂新鮮干酪加工工藝

李彤，崔利敏，李玲玉，任敏，宗學(xué)醒

內(nèi)蒙古蒙牛乳業(yè)（集團）股份有限公司（呼和浩特 011500）

干酪，英文稱“Cheese”，是一種發(fā)明及食用歷史均非常悠久的食品，不僅在中亞、歐洲各國有著廣泛的食用基礎(chǔ)，也是蒙古族、哈薩克族等許多邊疆少數(shù)民族的傳統(tǒng)食品。近年來，干酪產(chǎn)品的國內(nèi)市場規(guī)模日漸擴大，《2022年全球及中國奶酪行業(yè)生產(chǎn)消費現(xiàn)狀及奶酪行業(yè)發(fā)展趨勢分析》顯示，2021年我國干酪產(chǎn)品的表觀需求量達(dá)到32.93萬 t[1]。隨著健康意識的增強，干酪含有的較高脂肪又讓消費者望而生畏。然而，單純依靠使用低脂乳作為原料會導(dǎo)致低脂干酪存在質(zhì)地干硬、風(fēng)味不足等缺點[2-3]。添加適宜的脂肪替代物有助于低脂干酪品質(zhì)的改善。

1 材料與方法

1.1 材料

原料乳（內(nèi)蒙古蒙牛奶酪有限責(zé)任公司）。要求無抗、煮沸無結(jié)塊、有純正乳香味、酒精試驗呈陰性，2~6 ℃冷藏儲運。

CHY-MAX M凝乳酶（丹麥科·漢森有限公司）。2~6 ℃冷藏儲運。

FD-DVS R-704直投式干酪發(fā)酵劑（丹麥科·漢森有限公司），由乳酸乳球菌乳酸亞種和乳酸乳球菌乳脂亞種組成。-18 ℃及以下冷凍儲運。

HI-CAP100辛烯基琥珀酸淀粉酯[國民淀粉工業(yè)（上海）有限公司]，由蠟質(zhì)玉米淀粉制得。

1.2 儀器與設(shè)備

高剪切分散機（上海歐河機械設(shè)備有限公司，型號OuHo A30）；干酪槽及干酪網(wǎng)刀（實驗室自制）；真空包裝機（蘇州康鳴包裝設(shè)備有限公司，型號260B）；數(shù)顯pH計（梅特勒-托利多儀器有限公司，型號Seven Excellence S400-Micro）；物性分析儀（英國Stable Micro Systems公司，型號TA-XT2）；紫外可見光分光光度儀（上海天美科學(xué)儀器有限公司，型號UV1000）。

1.3 試驗方法

1.3.1 新鮮干酪制備工藝流程

1) 工藝流程：生牛乳→脫脂→標(biāo)準(zhǔn)化→加入脂肪替代物→均質(zhì)→殺菌→降溫→加入發(fā)酵劑→恒溫發(fā)酵→加入凝乳酶→加入氯化鈣→恒溫凝乳→切割、升溫排乳清→沖洗→包裝→冷藏保存。

2) 工藝要點：生牛乳使用凈乳機進(jìn)行預(yù)處理后升溫，使用離心分離設(shè)備分離稀奶油，將試驗用低脂生牛乳的脂肪含量標(biāo)準(zhǔn)化至1.5%（w/w）。標(biāo)準(zhǔn)化后的原料乳升溫至45 ℃左右，在高剪切條件下加入脂肪替代物，攪拌混勻10 min后升溫至65 ℃進(jìn)行均質(zhì)。之后對料液進(jìn)行殺菌。殺菌后立即冷卻，加入直投式發(fā)酵劑，攪拌混勻后于32 ℃恒溫發(fā)酵，進(jìn)行預(yù)酸化。發(fā)酵20 min后，將凝乳酶和氯化鈣分別使用無菌水稀釋至10%溶液后加入料液中。攪拌混勻后繼續(xù)恒溫凝乳，期間避免振動干酪槽以免影響凝乳效果。待料液pH降至切割點終時使用干酪刀將凝乳切割成1 cm3左右的立方體小塊，靜置30 min后在1 h內(nèi)緩慢勻速升溫至53~57 ℃，期間緩慢攪拌促進(jìn)乳清排出。之后分別使用22 ℃，4 ℃無菌水清洗15 min以除去殘留的乳糖避免產(chǎn)品過度酸化。成品低脂新鮮干酪真空包裝后置于2~6 ℃下冷藏保存。

1.3.2 感官評定

1) 測定標(biāo)準(zhǔn)：參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY 478—2002軟質(zhì)干酪》[4]設(shè)置評價指標(biāo)，見表1。

表1 新鮮干酪感官評價細(xì)則

2) 環(huán)境及人員要求：由10位評價員組成的感官評價小組進(jìn)行。應(yīng)在無異常氣味、無噪音、有正常自然光的評價室內(nèi)進(jìn)行。評價員應(yīng)具有乳制品相關(guān)的專業(yè)知識背景并通過感官評價能力測試，應(yīng)身體健康、客觀公正。

3) 分?jǐn)?shù)計算方式：在全部評分中去除一個最高分和一個最低分后取平均分作為單項最終得分。單項分?jǐn)?shù)出具后，以不同權(quán)重計算加權(quán)后作為總體感官分?jǐn)?shù)，滿分為10分。

1.3.3 凝乳特性測定

1.3.3.1 凝乳效果評分

對各項凝乳特性指標(biāo)按表2所示的細(xì)則分別評分，計算總和作為總體的凝乳效果評分。評分在60分以下視為不可接受；80分以上視為優(yōu)秀。

1.3.3.2 凝乳狀態(tài)評價

1) 環(huán)境及人員要求：見1.3.2小節(jié)。

2) 分?jǐn)?shù)計算方式：在全部評分中去除一個最高分和一個最低分后取平均分作為最終得分。

1.3.3.3 凝乳強度的測定[5]

1) 測試方法：采用單軸壓縮法使用物性分析儀檢測干酪的斷裂應(yīng)力σf以表示凝乳強度。使用直徑20 mm、高25 mm的中空不銹鋼圓柱形模具從干酪上取樣，每次取樣從同一塊干酪的不同位置留取5個樣品，取樣部位應(yīng)隨機分散；取樣后的樣品應(yīng)在2~6 ℃冰箱中至少冷藏60 min后再進(jìn)行檢測。

2) 測試條件：測試探頭為平底柱型，直徑35 mm；下降速度1 mm/s；壓縮程度80%。由于在測試過程中有少量乳清析出，能夠降低干酪與測試平臺間的摩擦力，故不需要額外涂抹潤滑劑。

應(yīng)力σt、Hencky應(yīng)變εH分別按式（1）和（2）計算。

式中：F(t)為下壓過程中施加的力；A(t)為樣品截面面積；A0為初始截面面積；H(t)為樣品下壓過程中的高度；H0為樣品初始高度。

斷裂應(yīng)力由Hencky應(yīng)變-應(yīng)力曲線（如圖1所示）得到，即為曲線最高點的應(yīng)力。

1.3.3.4 乳清吸光度（A）的測定[6]

使用可見分光光度儀在λ=500 nm處測定干酪制作過程中排除乳清的吸光度，即為乳清吸光度（A）。

1.3.3.5 凝乳時間的測定

從向料液中加入凝乳酶起開始計時，至檢測到凝乳的pH達(dá)到可進(jìn)行切割為止的時間即為凝乳時間。使用計時器進(jìn)行測定。

1.3.3.6 凝乳得率的測定

以成品新鮮干酪質(zhì)量與完成配料后料液總質(zhì)量的比值作為凝乳得率，按式（3）計算。

1.3.4 單因素試驗

選取辛烯基琥珀酸淀粉酯作為脂肪替代物，分別以脂肪替代物添加量、氯化鈣添加量、一級均質(zhì)壓力（二級均質(zhì)壓力固定為5 MPa）、切割pH為變量進(jìn)行單因素試驗，依據(jù)感官評分對低脂奶酪品質(zhì)進(jìn)行評價。

1.3.5 響應(yīng)面曲線試驗

采用Design-Expert 12軟件依據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理，以低脂新鮮干酪的凝乳效果評分為響應(yīng)值進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)曲面試驗。

2 結(jié)果及分析

2.1 單因素試驗

試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 單因素試驗結(jié)果

加入脂肪替代物后低脂干酪的感官評分顯著上升（P＜0.05），且感官評分與辛烯基琥珀酸淀粉酯的添加量呈正相關(guān)。辛烯基琥珀酸淀粉酯（Octenyl Succiniate anhydrate starch，OSAS）是一種既包含親水性基團又包含親油性基團的“兩親物質(zhì)”，加入干酪后能夠起到類似穩(wěn)定劑的作用。Tesch等[7]研究了OSAS穩(wěn)定乳化液的機理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)淀粉的親水端與親油端能分別深入水相和油相中，淀粉的多糖長鏈在兩相界面形成韌性很大的界面膜，提供強大的內(nèi)聚力，從而提升干酪的硬度及整體口感。還有研究表明，OSAS的微觀結(jié)構(gòu)大小比較接近脂肪球，能夠嵌入酪蛋白網(wǎng)絡(luò)的間隙當(dāng)中，在排乳清時得以留存下來，使整個體系獲得較高的穩(wěn)定性。張建強[8]研究發(fā)現(xiàn)，OSAS在干酪凝乳塊中的留存利用率高達(dá)92%左右。

低脂干酪的感官評分隨氯化鈣添加量的增加呈先上升后下降的趨勢，并在添加量為0.02%時達(dá)到最大值。當(dāng)氯化鈣添加量增加至0.03%時評分員普遍反映干酪偏硬，且有異常的苦味，感官評分顯著降低。這與Rashid等[9]研究氯化鈣對Ricotta干酪的影響時觀察的現(xiàn)象相同。李小華等[10]在研究中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氯化鈣添加量較多時干酪外層還會出現(xiàn)一層硬皮，使得含水量提升。

隨一級均質(zhì)壓力的增加，低脂干酪的感官評分同樣呈先增加后降低的趨勢，并在均質(zhì)壓力35 MPa時達(dá)到最大值。Rowney等[11]研究發(fā)現(xiàn)，均質(zhì)后酪蛋白能夠在吸附于脂肪球表面后形成原蛋白—蛋白鍵，從而增加蛋白基質(zhì)的強度，使低脂干酪的組織狀態(tài)得到提升。

隨凝乳pH上升，感官評分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在pH為4.6時達(dá)到最大值。酪蛋白的等電點為4.6~4.7。切割pH過低會導(dǎo)致干酪偏酸，同時酪蛋白膠束會發(fā)生水解并隨乳清排出，使得低脂干酪的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不佳，蛋白質(zhì)含量下降[12]。

2.2 響應(yīng)面試驗

2.2.1 響應(yīng)面試驗因素水平選取

根據(jù)單因素試驗結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面試驗因素水平選取，編碼及選取水平如表3所示。

表3 響應(yīng)面試驗因素編碼及水平

2.2.2 回歸方程擬合

響應(yīng)面試驗設(shè)計及試驗結(jié)果如表4所示。進(jìn)行AONVA分析，建立響應(yīng)值凝乳效果評分與A、B、C、D四因素的數(shù)學(xué)回歸模型，得到的回歸方程：

表4 響應(yīng)面試驗設(shè)計及試驗結(jié)果

2.2.3 各因素間交互作用分析

表5 響應(yīng)面試驗方差分析

由整體方差分析可知，模型的F值為20.12且P＜ 0.01，說明建立的模型具有統(tǒng)計學(xué)意義。失擬項的F值為1.58且P＞0.05，說明模型的擬合效果較好。模型的R2值為0.969 1，代表相應(yīng)值變化的96%以上來源于試驗設(shè)計選定的A、B、C、D四因素。因素A、B、C、D、AB、AC、AD、A2、C2對響應(yīng)值凝乳效果評分在0.01水平顯著，因素BC在水平0.05顯著，說明選定的試驗因素對凝乳效果評分既有一次的線性影響，也有二次方影響，且部分因素間存在交互效應(yīng)。

A、B、C、D四因素間兩兩交互作用的響應(yīng)面曲線圖如圖3所示。

2.2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化低脂新鮮干酪加工工藝

對擬合方程求解，得到理論的最佳凝乳條件：脂肪替代物添加量2.43%、氯化鈣添加量0.02%、一級均質(zhì)壓力31.07 MPa、切割pH 4.6，此時的理論凝乳效果評分為87.60分。采用修正條件（脂肪替代物添加量2.4%、氧化鈣添加量0.02%、一級均質(zhì)壓力30 MPa、切割pH 4.6）進(jìn)行驗證試驗，測得低脂干酪的凝乳效果評分87.17±0.73分，與理論值基本一致，且符合產(chǎn)品要求。

3 結(jié)論

以辛烯基琥珀酸淀粉酯質(zhì)作為脂肪替代物生產(chǎn)低脂新鮮干酪的最佳工藝：脂肪替代物添加量2.4%、氯化鈣添加量0.02%、一級均質(zhì)壓力30 MPa、二級均質(zhì)壓力5 MPa、切割pH 4.6。