褐色乳酸菌飲料穩定體系的優化

王光強， 楊婧媛， 夏永軍， 艾連中

上海理工大學醫療器械與食品學院， 上海 200093

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褐色乳酸菌飲料穩定體系的優化

王光強， 楊婧媛， 夏永軍， 艾連中*

上海理工大學醫療器械與食品學院， 上海 200093

為探究褐色乳酸菌飲料的體系穩定性，通過單因素和正交試驗證明了葡萄糖添加量、褐變時間和發酵時間對乳酸菌飲料穩定性的影響較小；而基料添加量(蛋白質含量)、飲料pH和均質壓力對穩定性的影響較大。獲得褐色乳酸菌飲料最優穩定體系參數為：葡萄糖添加量80 g，褐變時間2 h，發酵時間72 h，基料添加量200 g，飲料pH 3.7，均質壓力200 MPa。研究結果不僅優化了褐色乳酸菌飲料的制作工藝，而且降低了穩定劑的添加量，降低了生產成本。

褐色乳酸菌飲料； 穩定性； 工藝； 正交實驗

乳酸菌飲料，以乳或乳制品為主要原料通過乳酸菌發酵后制得，后調入果醬、甜味劑、谷物等，可以賦予乳酸菌飲料豐富的微量元素、糖類、蛋白質、礦物質及各種維生素。與牛奶相比，乳酸菌飲料中的原料在乳酸菌作用下可脫去異味，使之具有獨特、柔和的酸味和爽口的乳香味，并有一定的粘度，口感舒適，層次豐富，深受消費者歡迎。其中還含有大量乳酸，可促進消化、降低人體腸道pH，抑制腐敗菌生長繁殖，促進腸道蠕動[1]。乳酸菌飲料因口感柔和、有助于消化和吸收，尤其適合老人和兒童飲用。但乳酸菌飲料是一種不穩定的多相體系，穩定性較差，易出現沉淀、分層、渾濁等現象，嚴重影響產品質量和外觀。在褐色乳酸菌飲料加工過程中，熱處理通常在90 min以上，且發酵周期較長，易導致乳蛋白變性而影響穩定性。與普通酸性飲料相比，其對穩定性的要求更高[2-3]。

活性乳酸菌飲料中存在的大量繼續產酸的乳酸菌，導致保質期內產品pH不斷下降，使飲料中的酪蛋白處于高度不穩定狀態，形成一種不穩定的多相體系，容易發生凝集沉淀，從而影響產品穩定性[4]。處理不穩定性的常用方法是均質處理和加入穩定劑以提高飲料粘度[3]。本研究選取褐色乳酸菌飲料生產工藝中的葡萄糖添加量、褐變時間、發酵時間、基料添加量(蛋白質含量)、飲料pH和均質壓力6個因素，首先采用單因素試驗考察各因素對乳酸菌飲料穩定性的影響，分析各因素對穩定性造成影響的原因，并評價各因素對穩定性的影響大小，然后通過正交實驗，分析了6種因素不同參數組合對褐色乳酸菌飲料穩定性的影響，最終實現在不添加穩定劑的情況下，獲得褐色乳酸菌飲料最優穩定體系參數，實現不含穩定劑的褐色乳酸菌飲料生產。本研究不僅優化了褐色乳酸菌飲料的制作工藝，而且降低了穩定劑的添加量，降低了生產成本。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種與試劑

選用菌種為副干酪乳桿菌Lpc-37，來源于丹麥丹尼斯克有限公司；脫脂奶粉(蛋白質34 %，脂肪0.8 %)購于新西蘭；葡萄糖、白砂糖與檸檬酸等均為食用級原料。

1.1.2 主要試驗設備

APV 1000均質機(丹麥APV公司)；MASTERSIZER 2000粒徑分析儀(法國MAXWELL公司)；TDL-40B冷凍離心機(瑞士Metrohm公司)；IKA-RW20高速攪拌機(德國IKA公司)。

1.2 方法

1.2.1 褐色乳酸菌飲料制作工藝流程

按照圖1所示工藝流程制作褐色乳酸菌。

圖1 褐色乳酸菌飲料制作工藝流程圖

1.2.2 褐色乳酸菌飲料穩定性檢測方法

通過測定飲料體系的粒徑分析、離心沉淀分析和感官評價其穩定性。激光衍射粒徑分析是根據顆粒能使激光產生散射這一物理現象測試粒度分布。由于激光具有很好的單色性和極強的方向性，所以在光束遇到顆粒阻擋時，一部分光會發生散射現象。顆粒大小不同散射角不同，因此散射光的強弱可間接反映顆粒粒徑的區別。將飲料用吸管緩慢加入到燒杯中，使溶液折光率在10%～20%內，利用粒徑分析儀進行測量。選取結果中粒徑D(0.9)/μm。粒徑分析儀參數設置[5]：遮光度10% ～20% ，分散溶劑：水。

離心沉淀檢測[6]：將飲料加入離心管中，在4 ℃，4 000 r/min下離心15 min，沉淀率s= (m3-m1) / (m2-m1)。m1：離心管重量(g)；m2：試管及飲料的總重量(g)；m3：試管和沉淀的總重量(g)。每個樣品測3個平行。

感官分析評定[7]：一周后，觀察飲料的分層、沉淀情況。分層、沉淀越少表示穩定性越好，反之越差。

1.2.3 單因素試驗設計

根據褐色乳酸菌飲料的工藝流程，選取葡萄糖添加量、褐變時間、發酵時間、基料添加量(蛋白質含量)、飲料pH以及均質壓力做單因素試驗，分別考察各因素變化對飲料穩定性的影響。具體試驗設計見表1。

表1 單因素試驗設計

1.2.4 正交試驗設計

根據單因素試驗分析結果，選擇其中三個因素(均質壓力、基料添加量和飲料pH)進行正交試驗。通過正交試驗，獲得使兩個考察指標(粒徑和沉淀率)數值達到最小的水平組合。具體詳見結果與討論。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 葡萄糖添加量對褐色乳酸菌飲料穩定性的影響

實驗所得褐色乳酸菌飲料的離心沉淀率與粒徑大小分析如圖2所示。從圖2可知，粒徑與沉淀率隨葡萄糖添加量的增加呈下降趨勢。感官分析顯示，隨葡萄糖添加量增加，飲料的上層水析出量也在逐漸較少，添加60 g與80 g葡萄糖時的飲料基本無水析出，趨于穩定。這是由于葡萄糖分子的羥基和羧基與蛋白質粒子的親和性高，有良好的分散作用。其次，葡萄糖能使酪蛋白表面形成糖膜，提高了酪蛋白與分散介質的親和性，同時提高了乳飲料的粘度，使酪蛋白均勻穩定的分散在乳飲料中，形成懸濁液而不發生沉淀[8]。在乳酸菌長時間的發酵過程中，也會產生大量胞外多糖，有利于飲料的穩定。而等量的葡萄糖不能完全阻止蛋白質顆粒間的相互吸附凝聚[9]。本研究選擇最佳葡萄糖添加量為80 g。

2.1.2 褐變時間對褐色乳酸菌飲料穩定性的影響

美拉德反應是氨基化合物和還原糖或其他羰基化合物之間發生的反應，包括縮合、脫水、降解、裂解、聚合等一系列反應，反應生成的羧酸類、酮類、吡喃、吡咯、吡啶等化合物，是食品香味的主要來源之一[10]。從圖3可知，加熱1 h ～3 h，粒徑與沉淀率的變化趨勢較小，較為穩定。感官分析顯示，褐變時間主要對飲料的顏色產生較大的影響，隨加熱時間延長，飲料顏色加深。褐變時間2 h的飲料顏色較為適宜。

圖2 葡萄糖添加量對乳酸菌飲料粒徑與沉淀率的影響

2.1.3 發酵時間對褐色乳酸菌飲料穩定性的影響

發酵時間對褐色乳酸菌飲料的粒徑和沉淀率的影響見圖4。從圖4可知，在發酵的前72 h內，粒徑大小和沉淀率均在下降，而在發酵的72 h ～120 h內，粒徑大小和沉淀率則趨于平穩。這是由于發酵初期，微生物處于對數生長期，而此時蛋白水解酶的活性最強，另外干酪乳桿菌在水解乳糖的過程中還有著較強的蛋白水解活性，牛奶中大量蛋白質被水解為氨基酸，飲料的顆粒也隨之減小[11]；隨著發酵時間達到72 h以后，發酵乳酸性增加，蛋白水解酶的活性受到抑制，蛋白質水解減慢，飲料的顆粒大小也趨于穩定，所以選擇最佳發酵時間為72 h。

2.1.4 基料添加量對褐色乳酸菌飲料穩定性的影響

基料添加量(蛋白質含量)對飲料粒徑和沉淀率的影響如圖5所示。從圖5可知，隨著基料添加量增加，飲料體系的離心沉淀率逐漸上升，而粒徑大小則變化不大。這是由于隨著蛋白質添加量的增加，飲料中的固形物含量逐漸增加，使得穩定性變差，但當添加量達到1.3 %以后，體系的粘度增加，穩定性也較好。從感官分析角度看，基本都無分層現象。但從節約成本的基礎上考慮，當基料添加量(蛋白質含量)為1.3 %最為合適，此時的添加量為250 g。

2.1.5 飲料pH對褐色乳酸菌飲料穩定性的影響

有機酸是生產乳酸菌飲料常用的原料之一，其目的是為改善飲料風味，與糖一起賦予飲料爽口的酸甜口味，同時還具有一定的抑菌作用。pH對褐色乳酸菌飲料的影響較大，如圖6所示。在pH 3.5～3.7間，飲料的離心沉淀率無太大變化；在pH 3.7～3.9間，沉淀率和粒徑明顯上升。此外，從感官觀察來看，隨pH增加，飲料無水析出，pH 3.7以后開始析出水層，且逐漸增多。這是因為酪蛋白的等電點pI為4.6[12]，在加入檸檬酸后，pH下降，當接近酪蛋白的等電點時，會由于重力作用使其沉淀從而使乳酸菌飲料的穩定性遭到破壞[13]，所以出現粒徑和沉淀率都呈上升趨勢，故最佳飲料pH選為3.7。

2.1.6 均質壓力對褐色乳酸菌飲料穩定性的影響

均質壓力對飲料粒徑和沉淀率的影響如圖7所示。由圖7可知，均質壓力改變的情況下，對褐色乳酸菌飲料的穩定性影響較大。隨著均質壓力從0增加到200 MPa，乳酸菌飲料體系的粒徑與沉淀率均在下降，而200 MPa之后，粒徑與沉淀率變化不大，趨于穩定。由斯托克斯定律可知，乳蛋白質粒子半徑越小，乳酸菌飲料粘度越大，乳酸菌飲料沉淀速度越慢，飲料的穩定性越好[14]。這是因為乳酸菌飲料中含有許多蛋白質微粒和脂肪球，它們的顆粒大小直接影響飲料的穩定性。均質壓力過低時，蛋白質粒子過大，容易沉降影響穩定性。此外，從感官觀察來看，隨均質壓力增加，飲料開始有水析出，當均質壓力達到100 MPa后，趨于穩定無水析出。結合沉淀率、粒徑大小和感官，可以看出，壓力超過200 Mpa時穩定性良好。因此，綜合考慮，選擇最佳均質壓力條件為200 MPa。

由上述分析可知，葡萄糖添加量、褐變時間和發酵時間對褐色乳酸菌飲料的穩定性影響較小，而對于其顏色有較大的影響，而基料添加量、pH與均質壓力等條件的改變，對褐色乳酸菌體系的穩定性有較大影響較。因此，選擇基料添加量、飲料pH和均質壓力進行正交實驗，以獲得一個無穩定添加劑的最優穩定體系。

2.2 正交試驗結果

根據單因素試驗分析結果，選擇均質壓力、基料添加量和飲料pH進行正交試驗。采用正交表L9(34)，試驗設計如表2所示。考察指標粒徑和沉淀率的正交試驗結果如表3、4所示。

表2 因素水平表

由表3可知，蛋白質含量、飲料pH和均質壓力都對樣品飲料的離心沉淀率有影響。極差分析結果表示，飲料pH在三個因素中影響最大，基料添加量(蛋白質含量)其次，均質壓力對離心沉淀率的影響最小，最佳工藝條件組合為A2B1C2。

由表4的沉淀率分析結果可知，蛋白質含量、飲料pH和均質壓力都對樣品飲料的粒徑有影響。由極差分析可知，均質壓力在三個因素中影響最大，飲料pH其次，蛋白質含量對粒徑的影響最小，最佳工藝條件組合為A2B1C1。

按正交實驗優化條件所制得的飲料，從感官上來看，基本都無分層現象。綜合離心沉淀率、粒徑大小和感官的結果，雖然正交實驗所測得沉淀率和粒徑選擇出最優的工藝參數不同，但因飲料pH 3.6和3.7對粒徑和離心沉淀率的影響都基本相同，從節約檸檬酸添加成本的角度，選擇A2B1C2。即均質壓力200 MPa，基料添加量(蛋白質含量)200 g，飲料pH為3.7。

表3 粒徑分析的正交試驗結果

表4 沉淀率分析的正交試驗結果

3 結論

褐色乳酸菌飲料是一種多相不穩定體系，可主要通過對制備工藝中基料添加量(蛋白質含量)、飲料pH和均質壓力的控制，獲取有利于飲料穩定性的參數，達到在無穩定劑添加的情況下的穩定體系。本文通過單因素和正交試驗，獲得褐色乳酸菌飲料最優穩定體系參數為：葡萄糖添加量80 g，褐變時間2 h，發酵時間72 h，基料添加量(蛋白質含量)200 g，飲料pH 3.7，均質壓力200 MPa。

與其它相關研究報道相比[3-5, 11]，本文研究結果不僅優化了褐色乳酸菌飲料的制作工藝，而且降低了穩定劑的添加量，降低了生產成本。

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Optimization of stability system of brownLactobacillusbeverage

WANG Guang-qiang, YANG Jing-yuan, XIA Yong-jun, AI Lian-zhong

School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

In order to explore the stability of brownLactobacillusbeverage, effects of glucose addition, browning time and fermentation time on the stability of brownLactobacillusbeverage were investigated. The results demonstrated that these above factors had little influence on the stability of brownLactobacillusbeverage, but the addition of base material, pH value of the beverage and homogenization pressure had great impacts on it by single factor experiment and orthogonal experiment. The optimal stability parameters of brownLactobacillusbeverage were as follows: 80 g of glucose, 2 h of browning, 72 h of fermentation, 200 g of base material, 3.7 of pH value and 200 MPa of homogenization pressure. The results showed that the production process of brownLactobacillusbeverage was not only optimized, but the dosage of stabilizer and cost of production were also reduced.

brownLactobacillusbeverage; stability; process; orthogonal experiment

上海市國際科技合作基金項目(編號：14390711700)；國家自然科學基金青年科學基金項目(編號：31401670)。

王光強(1985～)，男，講師，博士。研究方向：食品微生物，飲料。E-mail: 1015wanggq@163.com。

*通訊作者: 艾連中，教授，博導。E-mail: ailianzhong@163.com。