穩定劑對滅菌型乳酸菌飲料穩定性影響的研究

孫志巖，郝金偉，張志娟，何衛加，趙晶

（1.東北農業大學黑龍江省綠色食品科學研究院，哈爾濱150028；2.黑龍江東方學院，哈爾濱150066；3.丹尼斯克（中國）投資有限公司上海310000）

0 引 言

乳酸菌飲料主要是以鮮乳或再制乳為原料，殺菌之后接種乳酸菌類物質發酵而成的。滅菌型乳酸菌飲料不僅具有豐富的營養物質和獨特的風味，而且還具有調節腸道菌群、改善便秘和腹瀉的作用，受到廣大消費者的喜愛，目前銷售量也在不斷地上升[1]。但是滅菌型乳酸菌飲料在銷售和存儲過程中常出現分層、沉淀等問題，給銷售帶來了許多的不變，產生這一問題的原因是滅菌型乳酸菌飲料的pH值一般在3.8～4.2，而牛乳中的乳蛋白有80%是等電點為4.6的酪蛋白，使滅菌型乳酸菌飲料處于不穩定狀態，因此控制飲料的p H值是至關重要的[2-3]。適合且適當的穩定劑可以提高滅菌型乳酸菌飲料的穩定性，本試驗主要是在滅菌型乳酸菌飲料中加入果膠（Pectin888）、海藻酸丙二醇酯（PGA）、大豆多糖（SSPS）來研究單獨添加單一穩定劑對滅菌型乳酸菌飲料的pH值、黏度、離心沉淀率、lumi斜率、粒徑分布的影響，進而研究其穩定性，并采用響應面方法進行復配，得出最佳的復配方案，為以后研究滅菌型乳酸菌飲料的穩定性提供一些參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

脫脂奶粉，雀巢（中國）有限公司；蔗糖，市售；副干酪乳桿菌（Lactobacillusparacasei）、Pectin888，丹尼斯克（中國）有限公司；PGA，鄭州豫龍食品有限公司；SSPS，上海百奧特植物蛋白科技有限公司。

SG 2 pH計，分析天平上海梅特勒-托利多儀器有限公司；M BL25高速剪切機，上楚業生物科技（上海）有限公司；SHP-160生化培養箱、TD 5G離心機，金壇市盛藍儀器制造有限公司；APV-1000型均質機，丹麥APV公司；微型UHT殺菌機，上海沃迪實驗設備；M astersizer3000激光粒度分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；V ISCO黏度計，愛拓中國分公司；LumiSizer，上海順虞科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 滅菌型乳酸菌飲料的工藝流程

（1）發酵凝乳的制備[4]

（2）飲料的調配

1.2.2 穩定劑的單因素試驗

以滅菌型乳酸菌飲料的pH、黏度、離心沉淀率、Lumi斜率、粒徑分布為試驗指標，研究Pectin888、PGA、SSPS的添加量對滅菌型乳酸菌飲料穩定性的影響，篩選出最佳條件，進行后續研究。表1為3種穩定劑的不同添加量。

表1 各穩定劑的添加量

1.2.3 穩定劑的響應面優化試驗

穩定劑之間的復配可以減少穩定劑的用量，還能避免單一穩定劑添加過量而影響其飲料的風味，考慮到飲料的口感和成本對各穩定劑進行復配[5]。本文以Pectin888（A）、PGA（B）、SSPS（C）為自變量，以黏度、Lumi斜率為響應值，通過響應面優化方法得到最佳穩定劑復配方案，試驗方法見表2。

表2 響應面因素水平編碼表

1.2.4 穩定性的測定方法

1.2.4.1 酸度測定

使用手持式pH計直接測定滅菌型乳酸菌飲料的酸度。

1.2.4.2 黏度測定

將飲料倒入50 m L燒杯，使用LVI號轉子，設置黏度計為25℃，60 rpm下進行測定。

1.2.4.3 離心沉淀率測定

在離心管（60 m L，質量m1）中加入定量樣品（質量m0），4 000 rpm下離心15 min，將上清液棄去得m2，以離心沉淀率公式：

離心沉淀率=(m2-m1)/m0×100%[6]

1.2.4.4 Lumi測定

Lumisizer分析儀是通過高速離心使飲料中的蛋白質分子在重力或離心力的作用下發生懸浮或者沉淀，再利用紅外照射，得到一個Lumi測定的結果圖，該圖輸出的數據為Lumi斜率，即透光率變化率。滅菌型乳酸菌飲料的穩定性可由Lumi斜率來反映，斜率越大，透光率變化越快，飲料的穩定性越差；反之亦然。測試條件：在25℃，4 000 r/min下保持42 min。

1.2.4.5 粒徑測定

利用M astersize2000激光衍射粒度分析儀測定滅菌型乳酸菌飲料的粒徑，該儀器可以直接輸出粒徑分布曲線和粒徑分布圖。測試條件為：25℃，2 200 r/min。

1.2.5 數據統計與分析

使用O rigin85對實驗數據進行處理，并制作曲線圖，最后使用Design Expert8.0.5.0軟件對Box-Behnken設計試驗結果進行回歸方差分析[7]。

2 結果與分析

2.1 穩定劑的單因素試驗分析

2.1.1 Pectin888對飲料穩定性的影響

（1）Pectin888對飲料pH的影響如圖1所示。

圖1 Pectin888對飲料pH的影響

由圖1可知，隨著Pectin888添加量的增加，滅菌型乳酸菌飲料的p H逐漸下降，當添加量為0.4%～0.5%時，p H下降速度變緩。這是因為Pectin888屬陰離子多糖，在乳酸菌飲料中與帶正電荷的酪蛋白相互吸引并結合，形成酪蛋白-果膠復合物，進而穩定酪蛋白；隨著Pectin888添加量的增加，陰離子含量逐漸增多，從而使越來越多的果膠分子被吸附在酪蛋白膠體表面，使飲料的總p H下降。

（2）Pectin888對飲料黏度和離心沉淀率的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨著Pectin888添加量的增加，滅菌型乳酸菌飲料的黏度逐漸上升，離心沉淀率逐漸下降，可見蛋白質分子的沉降速度與飲料中膠粒的密度呈正比，與飲料的黏度呈反比。Pectin888添加量從0.4%升到0.5%時，飲料的黏度急劇上升，離心沉淀率緩慢下降，主要是因為Pectin888與酪蛋白之間靜電相互作用，吸附周圍的酪蛋白，高濃度的Pectin888可以使酪蛋白達到飽和吸附，使蛋白質膠體分子之間產生空間位阻，進而增加飲料的穩定性，又因為Pectin888屬于多糖，增加其用量黏度會有顯著的增加[8]。

圖2 Pectin888對飲料黏度和離心沉淀率的影響

（3）Pectin888對飲料Lumi斜率的影響如圖3所示。

由圖3可知，滅菌型乳酸菌飲料中的蛋白質分子在分離過程中，隨著Pectin888添加量的增加，透光率變化率逐漸減小，沉淀與懸浮分離的速度逐漸變慢，Lumi斜率逐漸減小。由此可見，隨著Pectin888的增加，滅菌型乳酸菌飲料越來越穩定。

（4）Pectin888對飲料粒徑的影響如圖4所示。粒徑分布的分析結果見表3。

圖4 Pectin888對飲料粒徑分布的影響

表3 粒徑分布的結果分析

由圖4和表3可知，滅菌型乳酸菌飲料中加入Pectin888可以使粒徑分布的比較均勻，隨著Pectin888添加量的增加，d(0.1)、d(0.5)、d(0.9)的粒徑雖然在逐漸減小，但是變化不大，進而說明Pectin888對飲料的粒徑沒有太大的影響。綜合以上結果可見，隨著Pectin888添加量的增加，飲料體系的p H、離心沉淀率、Lumi斜率逐漸減小，黏度逐漸增加，粒徑分布變化不大，飲料的穩定性越來越好。當添加量為0.4%和0.5%時，各因素的該變量不是很大，從節省原料角度應該，最佳的添加量為0.4%。

2.1.2 PGA對飲料穩定性的影響

（1）PGA對飲料pH的影響如圖5所示。

圖5 PGA對飲料pH的影響

由圖5可知，隨著PGA添加量的增加，滅菌型乳酸菌飲料的p H呈先下降再平穩最后上升的趨勢。PGA在水溶液中帶負電，可以吸附周圍的酪蛋白分子，形成一種黏稠的膠體；當添加量超過0.4%時，PGA將會破壞PGA與酪蛋白的相互作用，使pH開始上升[9]。

（2）PGA對飲料黏度和離心沉淀率的影響如圖6所示。

圖6 PGA對飲料黏度和離心沉淀率的影響

由圖6可知，隨著PGA添加量的增加，滅菌型乳酸菌飲料的黏度逐漸增加，添加量從0.3%增至0.5%范圍內，黏度變化較大。主要原因是因為PGA大部分被羧基酯化，而且還具有親水和親油基團，增加了PGA的空間體積，既可以與脂肪球結合，防止脂肪上浮；又可以與酪蛋白形成一種復合體，防止酪蛋白發生沉淀，同時使飲料內部的分子結構排列更加緊密，三維網狀結構更加穩定，進而提高飲料的黏度，使其穩定性增加。PGA具有較強的抗鹽性，即使電解質的濃度很高也不會發生鹽析，并且也不會與鈣離子和鈉離子發生反應，降低飲料的沉淀率。

（3）PGA對飲料Lumi斜率的影響如圖7所示。

圖7 PGA對飲料的Lumi斜率的影響

由圖7可知，滅菌型乳酸菌飲料中的蛋白質分子在在分離過程中，隨著PGA添加量的增加，透光率變化逐漸減小，沉淀與懸浮分的速度逐漸變慢，Lumi斜率逐漸減小。由此可見，隨著PGA添加量的增加，滅菌型乳酸菌飲料越來越穩定。

（4）PGA對飲料粒徑的影響如圖8所示。粒徑分布的分析結果見表4。

圖8 PGA對飲料粒徑分布的影響

表4 粒徑分布的結果分析

由圖8和表4可知，試驗1和2的粒徑分布基本一致，分子粒徑相對較小，此時最為穩定；試驗5的粒徑分布較散漫，90%的分子粒徑已經達到了26.963，分子粒徑較大，此時的飲料很不穩定。由此看來，從粒徑分布角度來看，試驗2分布較為合理，其主要原因可能是：PGA添加過量，酪蛋白吸附的PGA分子量增加，膠粒體積增加，靜電排斥作用不足以使各蛋白質分子穩定存在，一些蛋白質分子最終聚集在一起，使得大粒徑分子增加。因此，PGA的最佳添加量為0.2%。

2.1.3 SSPS對飲料穩定性的影響

（1）SSPS對飲料p H的影響如圖9所示。

由圖9可知，隨著SSPS添加量的增加，產品p H值逐漸上升，但是整體變化量并不顯著。

（2）SSPS對飲料黏度和離心沉淀率的影響如圖10所示。

圖9 SSPS對飲料pH的影響

圖10 SSPS對飲料黏度和離心沉淀率的影響

由圖10可知，隨著SSPS添加量的增加，滅菌型乳酸菌飲料的黏度逐漸增加，變化范圍是：1.82～2.20，可見變化不大，主要是因為SSPS分子結構近似球形，水溶液的黏度較低，且不受鹽類物質影響，且具有良好的熱穩定性，適用于制備較低黏度的滅菌型乳酸菌飲料；SSPS中的中性多糖側鏈是其主要的穩定作用，可以通過靜電作用吸附酪蛋白，這樣就能產生空間阻力，是蛋白質不能聚集而沉淀下來，即使在極低的pH環境下也可以使飲料保持穩定[10]。

（3）SSPS對飲料Lumi斜率的影響如圖11所示。

圖11 SSPS對飲料Lumi斜率的影響

由圖11可知，在飲料中的蛋白質分子分離過程中的前2 000 s內，隨著SSPS添加量的增加，透光率變化率逐漸減小，沉淀與懸浮分離速度逐漸減慢，Lumi斜率逐漸小；2 000 s以后，5個試驗的Lumi斜率基本不變，可能是在該階段酪蛋白已經完全沉淀，隨著SSPS的繼續添加，飲料穩定性基本無變化。

（4）SSPS對飲料粒徑的影響

SSPS對飲料粒徑的影響如圖12所示。粒徑分布的結果分析見表5。

圖12 SSPS對飲料粒徑分布的影響

表5 粒徑分布的結果分析

由圖12和表5可知，隨著SSPS添加量的增加，粒徑分布變化不大，可見SSPS對滅菌型乳酸菌飲料的粒徑分布沒有影響。

2.2 響應面試驗結果分析

在單因素試驗的基礎上，以Pectin888、PGA、SSPS的添加量為自變量，Lumi試驗的斜率和黏度為響應值，做3因素3水平的響應面分析試驗，做3次平行。表6為試驗結果。

表6 響應面試驗結果

2.2.1 穩定劑對飲料Lumi斜率的影響

使用Design-Exper8.0.5.0處理數據，得到穩定劑對滅菌型乳酸菌飲料Lumi斜率的影響的回歸方程：Y1=0.26-0.069A-0.071B+7.050E-003C+0.098AB+3.425E-003AC+0.030BC+0.065A2+0.029B2-0.013C2。由表7可知，該模型F值為23.01，說明該試驗的擬合較好；P＜0.01，表示該模型具有極顯著性，可以進行響應值的預測。校正后修復系數R2Adj=0.9253，說明有92.53%的響應值變化可以被模型解釋，相關系數R2=0.9673，說明Lumi試驗斜率與預測值非常接近，擬合程度較高，可以用來分析預測滅菌型乳酸菌飲料的穩定性。從表7中還可以看到，A項、B項均、AB項達到極顯著水平，各穩定劑對Lumi斜率的影響程度為：A＞B＞C，即Pectin888＞PGA＞SSPS。

圖13 Pectin888、PGA、SSPS對飲料Lumi斜率的影響

由圖13中（a）可知，當PGA為固定值，隨著Pectin888的增加，Lumi斜率逐漸減小；當Pectin888為固定值，隨著PGA的增加，Lumi斜率先減小后增大，可見Pectin888與PGA添加量過低或過高都會使飲料的穩定性降低，Pectin888與PGA的交互作用顯著。由圖13中（b）和（c）可知，Pectin888與SSPS的交互作用、PGA

表7 Lumi斜率回歸模型及方差分析

與SSPS的交互作用對Lumi斜率的影響都比較弱，說明Pectin888和SSPS、PGA和SSPS穩定劑復合對飲料的穩定性沒有太大的影響。由回歸模型得出響應面試驗的最優條件為：Pectin888添加量為0.20%，PGA添加量為0.15%，SSPS添加量為0.17%時，Lumi斜率最小，為0.1853。

2.2.2 穩定劑對黏度的影響

使用Design-Exper8.0.5.0處理數據，得出穩定劑對滅菌型乳酸菌飲料黏度影響的回歸方程：Y2=10.20+1.69A+2.33B+0.46C+1.25AB+0.63AC+0.40BC-0.088A2+0.91B2-0.088C2。P＜0.01，表示該模型極顯著，可以進行響應值的預測。校正后修復系數R2Adj=0.9442，說明有94.42%的響應值變化可以被模型解釋，相關系數R2=0.9756，說明飲料的黏度與預測值非常接近，擬合程度較高，可以用來分析預測滅菌型乳酸菌飲料的穩定性及黏度大小。從表8中還可以看到，A項、B

表8 方差及回歸系數分析表

項、AB項、B2項均達到極顯著水平，可以看出各因素對黏度的影響程度為：B＞A＞C，即PGA＞Pectin888＞SSPS。

由圖14中（a）可知，當Pectin888為固定值時，隨著PGA增加，黏度逐漸增大；當PGA為固定值時，隨著Pectin888增加，黏度逐漸增大，可見Pectin888與PGA的交互作用顯著。由圖14中（b）和（c）可知，Pectin888與SSPS的交互作用、PGA與SSPS的交互作用對飲料黏度的影響都比較弱，說明Pectin888和SSPS、PGA和SSPS穩定劑復合對飲料的穩定性沒有太大的影響。由回歸模型得出響應面試驗的最佳提取條件為：Pectin888添加量為0.25%，PGA添加量為0.15%，SSPS添加量為0.25%時，黏度最高為18.04×10-3Pa·s。

2.2.3 最終優化參數的確定及驗證

圖14 Pectin888、PGA、SSPS對飲料黏度的影響

表9 使用Design Expert8.0.5.0設置RSM優化中的自變量和相應函數

該試驗主要是讓3種穩定劑進行復配，使滅菌型乳酸菌飲料的Lumi斜率最小的同時使飲料的黏度最佳。由上述響應面分析可知，Lumi斜率最小與黏度適宜的工藝條件并不一樣，因此使用Design-Exper8.0.5.0的數據優化程序，通過組合得到的數據，最終確定出最佳的條件。對參數進行以下的設定，見表9。

根據響應面模型及表9的設定條件可以得到最優的方案為：Pectin888為0.25%、PGA為0.15%、SSPS為0.19%時，預測的滅菌型乳酸菌飲料的Lumi斜率為0.2985，黏度為16.03×10-3Pa·s。對該條件進行驗證，得到滅菌型乳酸菌飲料的Lumi斜率為0.2985±0.002，黏度為(16.04±0.13)×10-3Pa·s，與回歸方程的預測值基本一致，驗證了試驗的合理性。

3 結 論

本文研究了Pectin88、PGA、SSPS 3種穩定劑單獨使用和復合使用對滅菌型乳酸菌飲料穩定性的影響。當Pectin88添加量為0.5%時p H值最小，黏度相對較大，離心沉淀率、Lumi斜率、粒徑分布相對達到最小值；PGA添加量在0.2%時，穩定性相對較好；SSPS添加量對Lumi斜率和粒徑基本沒有影響，隨著添加量的增加離心沉淀率逐漸減小，說明飲料的穩定性增加。使用響應面的復配優化結果為：Pectin888為0.25%、PGA為0.15%、SSPS為0.19%時，滅菌型乳酸菌飲料的Lumi斜率為0.2985±0.002，黏度為(16.04±0.13)×10-3Pa·s。該試驗為研究滅菌型乳酸菌飲料提供了一些理論依據。