紫薯對煉乳流變及質構特性的影響

周頔，徐升，孫艷輝，董藝凝，楊嚴俊

1(滁州學院 生物與食品工程學院，安徽省熱敏性物料加工工程技術中心，安徽 滁州，239000)2(安徽達諾乳業有限公司，安徽 滁州，239000)3(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

調制煉乳是以生乳和(或)乳制品為主料，添加或不添加蔗糖、食品添加劑和營養強化劑，添加輔料，經加工制成的黏稠狀產品，賦予了煉乳口味、功能更多的可能性。作為一種優良的乳品工業原料，調制煉乳已被廣泛應用到糖果、烘焙食品等行業中，對終產品質量的改良、風味的提升和口感的改善起到至關重要的作用[1]。然而當前國內仍以中低檔次產品為主填補市場空缺[2]，在消費升級的大趨勢下，煉乳口味、功能過于單一化，不能緊跟消費者功能性、營養性、個性化的消費理念。

國外學者率先開展了一些特色調制煉乳的研發工作[3-4]。如KALININA等[5]針對乳糖不耐受人群開發低乳糖水解煉乳，通過黏性指數指導產品開發及貯藏；KALYANKAR等[6]添加不同功能成分制作煉乳，開發適宜運動員，康復者或老年人等人群的特色食品。國內學者和煉乳生產商也嘗試開發調制煉乳，如國內煉乳市場龍頭企業熊貓乳業申請并授權焦糖煉乳，該煉乳具有濃郁的焦香味且口感滑順、細膩濃稠[7]；于法周[8]將魚油添加于煉乳中，克服了現有技術中魚腥味重和魚油及煉乳混合后發黃變黑的問題，賦予煉乳功能性。然而目前調制煉乳的研究主要集中在添加物對煉乳感官品質和功能性的影響，對添加物處理后煉乳流變性、質構特性的變化規律研究還很少，而這些變化可直觀反映煉乳體系穩定性的變化，對實際生產有重要指導意義。

紫薯粉是以淀粉為主要成分的一類食品，近年來在國內乃至國際市場上非常走俏，除了因為紫薯富含花色苷、多糖、黃酮等多種功能性成分，還因紫薯色澤誘人且具有獨特風味[9-10]。將紫薯粉添加至食品中探究其對產品物性影響的研究已有一些報道[11-12]，然而將紫薯添加于煉乳中，探索其對煉乳體系穩定性和食用品質影響的研究還未見報道。

本研究以開發新型調制煉乳為目標，將紫薯粉添加至煉乳中，研究不同紫薯粉添加量對煉乳流變性、質構特性及微觀結構的影響，以期從食品物性角度為新型調制煉乳的研發與應用提供一定的研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂乳粉，伊利乳業有限責任公司產品；紫薯粉，亳州市寶豐生物科技有限公司產品；蔗糖、乳糖，蘇州美高美生物科技有限公司產品；單硬脂酸甘油酯，廣州市佳力士食品有限公司產品。

1.2 儀器與設備

DHR-2流變儀，美國TA公司；TA.XTplus物性測試儀，英國Stable Micro System公司；JSM-6510V型掃描電鏡，日本電子株式會社；手持式高速分散器，寧波新芝生物科技有限公司；旋轉蒸發器，予華儀器有限責任公司。

1.3 方法

1.3.1 紫薯煉乳工藝流程

(1)主料溶解：取全脂乳粉30 g溶解于50 g水中，在溫度為80 ℃的水浴鍋中恒溫攪拌30 min，使全脂乳粉混合均勻。

(2)加入輔料：在混合均勻的全脂純牛奶中加入白砂糖44 g、單硬脂酸甘油酯0.4 g、不同質量的紫薯粉，在80 ℃的水浴鍋中恒溫攪拌30 min，使所有物料混合均勻。紫薯粉添加量按照其占終產品的含量(%)選取5個梯度，分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%。

(3)均質：將混合液用高速攪拌器(12 000 r/min)攪拌5次，每次30 s。

(4)真空濃縮：將均質后的混合液進行真空濃縮，濃縮至終產品質量為100 g。

(5)冷卻：紫薯煉乳濃縮完成后進行水浴梯度冷卻，邊攪拌邊冷卻至30 ℃。

(6)結晶：加入0.02 g乳糖作為晶種，攪拌濃縮液，靜置排氣泡、結晶、密封4 h得成品。

1.3.2 紫薯粉主要成分分析

參照國標方法，測定紫薯粉中淀粉、蛋白質、脂肪、粗纖維等主要組成成分的含量。

1.3.3 流變特性的測定

(1)靜態流動性能測試

選用40 mm平板夾具，25 ℃條件下采用Flow Ramp模式使剪切速率從0.1～300 s-1遞增，記錄測試過程中紫薯煉乳黏度隨剪切速率變化的關系[13]。采用Power Law模型對測試數據點進行回歸擬合，擬合系數R2表示模型擬合精度[14]。Power Law模型方程式為(1)：

σ=K×γn

(1)

式中：σ，剪切應力，Pa·s；K，稠度系數；γ，剪切速率，s-1；n，流動特性指數。

(2)觸變性能測定

選用40 mm平板夾具，25 ℃下使剪切速率從0.1～300 s-1遞增，再從300～0.1 s-1遞減，記錄測試過程中煉乳的應力隨剪切速率變化的關系[13]。

(3)動態黏彈性測定

在樣品線性黏彈性范圍內，選用40 mm平板夾具，應力設置為0.5%，25 ℃條件下在0.1～10 Hz的進行頻率掃描測定，記錄煉乳儲能模量和損耗模量隨頻率變化的關系，得到黏性和彈性之間的轉化趨勢[15]。

每組煉乳樣品流變特性的測定平行測試3次，記錄并分析數據。

1.3.4 質構特性的測定

將制備好的不同濃度的紫薯煉乳密封后放置于20 ℃下，每隔1個月開罐取出測試質構指標。探頭型號AB/E圓柱型塑料探頭，直徑45 mm。測試前、中、后速分別為1.0、1.0、1.0 mm/s、壓縮深度為15 mm、觸發類型為Auto-5 g。每組煉乳樣品平行測定6次，記錄并分析數據[16]。

1.3.5 微觀組織結構的觀察

將煉乳樣品用戊二醛溶液固定10 h，再用磷酸緩沖液清洗3次、每次10 min，乙醇梯度脫水，CO2臨界點干燥后噴金，掃描電鏡觀察和拍照[17]。

1.3.6 感官評價方法

感官評定小組由15名專業人員組成，評定小組從紫薯煉乳的滋味與氣味、組織狀態和色澤3個方面進行描述性評價，評價標準見表1。對紫薯煉乳的感官評價描述與其他指標數據綜合進行分析。

表1 紫薯煉乳感官評價表Table 1 Sensory evaluation of purple potato condensed milk

1.4 數據統計與分析

利用Origin 8.5軟件處理試驗數據并作圖，利用SPSS V17.0軟件對數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 紫薯粉主要成分分析

由表2可知，紫薯粉主要成分為淀粉，含量為70.82%。紫薯粉中淀粉的存在可能會對煉乳體系的流變和質構特性產生一定的影響。此外，紫薯粉還含有少量蛋白質、粗纖維和還原糖等成分。

表2 紫薯粉的主要成分Table 2 The main composition of purple potato flour

2.2 靜態流動性分析

由圖1可知，隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳的黏度顯著增大。結合感官發現，紫薯粉添加量低于2.0%時，煉乳初始黏度值低于6.2 Pa·s，此時產品感官評價優良，黏度適中；紫薯粉添加量達到2.5%時，初始黏度值高于6.2 Pa·s，品嘗煉乳后牙齒有殘留感，感官評分下降，但仍在可接受范圍內。經測試，所用紫薯粉含70%的淀粉，其成糊溫度為74 ℃。因此，將紫薯粉加入主料中后，經歷80 ℃、30 min的熱處理會使紫薯淀粉發生一定程度的糊化，由此使得煉乳體系分子間相互作用增強、體系黏度增大。此外，紫薯粉的添加減少了煉乳體系水分的相對含量，而水分含量又直接影響著體系的黏度。

由圖1還可知，煉乳隨剪切速率的增加在整個測試范圍內表現出2種不同的流動行為。剪切速率較低時，樣品表現為剪切增稠特性；隨著剪切速率的進一步增大，煉乳表現出剪切變稀的假塑性行為，這在LIU等[18]學者研究的溶液也出現類似現象。

圖1 紫薯煉乳黏度隨剪切速率的變化規律Fig.1 The variation of purple potato condensed milk viscosity with shear rate

KJ?NIKSEN等和SILVA等[19-20]研究認為一定速率的剪切流動會增加分子鏈間連結的概率，從而導致溶液黏度的增加；在低剪切速率時，紫薯煉乳剪切增稠行為的出現可能是由于體系中聚合物鏈的纏結性增強或內部發生了聚合，而隨著剪切速率的增大，煉乳中聚合物鏈之間的作用力減弱，體系表現出一般聚合物溶液所具有的剪切變稀行為。

分析數據后，采用Power Law方程對曲線數據點進行擬合，擬合情況見表3。回歸系數(R2)為適合性指數，R2值越接近1，代表該模型越適合描述樣品的流動性；稠度系數K和流動特性指數n是經驗常數，K值越大，樣品越黏稠；n值小于 1，表示樣品為假塑性流體，且n值偏離1的程度越大，表明樣品假塑性程度越大[21-22]。

由表3可知，五組不同梯度樣品選用Power Law模型所得的R2值均很高，因此能很好地擬合實驗數據。隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳體系的K值不斷增加、n值不斷減小，這表明煉乳體系具有更強的假塑性、更易剪切稀化。一方面，紫薯粉含有70%的淀粉及少量纖維素、蛋白質，這些物質可能與煉乳中原有物質分子相互纏結，增加了體系中分子鏈節的順向性，因此表現出流動愈加困難但穩定性高的流體行為。另一方面，紫薯粉本身為假塑性流體，加入到煉乳中使得體系的假塑性流體特征增強。結合感官發現，紫薯粉添加量低于2.0%時，煉乳黏度適中，口感順滑；添加量高于2.0%后，煉乳略濃稠，傾倒煉乳時難度略微增大。

表3 煉乳體系Power Law方程擬合參數Table 3 Power Law parameters for condensed milk system

2.3 觸變性分析

圖2為添加不同含量紫薯粉后煉乳體系的觸變特性圖。由圖2可知，所有紫薯煉乳體系均具有觸變環，表現出一定的觸變性；隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳觸變環面積呈增大趨勢。紫薯粉添加量小于2.0% 時，觸變環面積變化有增大趨勢但并不顯著；添加量達2.0%時，觸變環面積顯著增大至9 962 Pa/s。

觸變環面積越小，意味著觸變性越弱，表明樣品在停止應力作用后重建粒子間破壞的構造越快，流變學穩定性越高，食品加工應用中意味著樣品阻止垂掛、沉淀等現象的能力愈強[23]。紫薯煉乳觸變環面積的增大，一方面可能與體系顆粒間的摩擦和碰撞概率有關，另一方面與紫薯粉濃度有直接關系，劉蒙等[24]研究發現糊化后的紫薯淀粉濃度越大，其形成的觸變環面積越大。觸變性結果結合貯藏期煉乳質構變化情況可知，紫薯粉添加量低于2.0%、觸變環面積小于10 000 Pa/s時，紫薯煉乳在5個月、20 ℃的貯藏條件下無沉淀、品質穩定；紫薯粉添加量提高至2.5%時，煉乳貯藏5個月后依然無沉淀出現，但涂抹和傾倒的難度明顯增大。因此實際加工中要注意控制紫薯粉的添加量及溶解溫度并監測煉乳在更長貯藏期內的品質變化規律。

圖2 紫薯煉乳剪切應力隨剪切速率的變化曲線Fig.2 Curve of shear stress with shear rate incondensed milk of purple potato

2.4 黏彈性分析

儲能模量(G′)代表能量儲存而可恢復的彈性性質，損耗模量(G″)代表能量消耗的黏性性質，通過黏彈性指標的測定可有效反映煉乳的加工特性[25]。由圖3和圖4可知，隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳的G′和G″均不斷增加，這表明煉乳的類固體性質和類液體性質均不斷增強，這在紫薯酸奶的研究中也出現類似現象[26]。彈性成分的增強可能是由于紫薯粉中的淀粉、蛋白質等物質通過吸附力和水分子結合且體系中固態物質含量相對增多共同導致，黏性成分的增強可能是由于紫薯淀粉發生糊化以及蛋白質等成分吸水使得體系中黏性物質濃縮共同導致[27]。結合感官發現，G′和G″的增加會使紫薯煉乳致密感增強，在口腔內不經咀嚼而分散開的程度減弱，但含有2.5%紫薯粉的紫薯煉乳仍口感細膩順滑，質地均勻。此時，在角頻率65 rad/s的振蕩下，紫薯煉乳的G′值為525 Pa、G″值為511 Pa。

對比圖3和圖4還可知，隨著角頻率增大，紫薯粉添加量低于1.5%時，煉乳的G′始終小于G″，此時煉乳體系以黏性為主，表現出流體特征；紫薯粉添加量為1.5%時，角頻率高于2.5 rad/s后，紫薯煉乳的G′開始大于G″，表明煉乳體系以彈性為主，表現出固體的特征。這可能是由于隨著紫薯粉添加量的提高，糊化后的紫薯淀粉使得體系內部黏結力更強，結構更加致密，分子間的纏結力增強[28]。因此，紫薯粉添加量低于1.5%時，煉乳可展現更好的流動性和延展性，適宜作為涂抹型產品直接食用，或作為食品加工原料用于乳飲料、酸奶等溶液型或半固態食品中。紫薯粉添加量高于1.5%時，煉乳呈現出一定的塑性且黏稠度顯著增強，可作為乳類加工原料應用于面包、糖果等固態食品中，為產品提供營養價值和一定的黏結力。

圖3 煉乳儲能模量隨角頻率變化曲線Fig.3 Curve of storage modulus with angular frequency of condensed milk

圖4 煉乳損耗模量隨角頻率變化曲線Fig.4 Curve of loss modulus with angular frequency of condensed milk

2.5 質構分析

煉乳在貯藏期內變稠是常見的質構變化現象。由圖5可知，隨貯藏時間的增加，不同紫薯粉添加量的煉乳濃稠度均有增大趨勢。

圖5 紫薯粉對煉乳貯藏過程中濃稠度的影響Fig.5 Effects of purple potato powder on consistency of condensed milk during storage注：同一條曲線上小寫字母不同者表示差異顯著。下同。

結合感官發現，紫薯粉添加量低于2.0%時，經歷5個月、20 ℃貯藏，紫薯煉乳濃稠度雖有增大趨勢，但整體口感順滑、無沉淀、濃稠度適宜；紫薯粉添加量為2.5%的紫薯煉乳在第5個月時，濃稠度顯著增大，達到328 g·s，口感上出現“偏硬” “濃稠度大” “有固體特征”的感受。

黏性指數反映測試探頭向上提升樣品時所做的功，數值越大代表涂抹或傾倒阻力越大。圖6表明隨貯藏時間的增加，紫薯粉添加量低于2.0%時，煉乳黏性指數有增大趨勢，但涂抹性優良、易于傾倒；紫薯粉添加量為2.5%的煉乳貯藏4個月時，黏性指數顯著增大，達到84.2 g·s，此時煉乳涂抹和傾倒難度明顯增大，更適宜作為工業原料用在糖果等塑性食品中。

圖6 紫薯粉對煉乳貯藏過程中黏性指數的影響Fig.6 Effects of purple potato powder on cohesion index ofcondensed milk during storage

質構數據表明，紫薯粉添加量低于2.5%時，紫薯煉乳在5個月、20 ℃的貯藏條件下濃稠度和黏性指數均較穩定；紫薯粉添加量達到2.5%時，在20 ℃下貯藏4個月后，煉乳會明顯變稠、傾倒及涂抹難度明顯增大，不適宜作為涂抹型產品。

2.6 微觀結構的測定

圖7為不同紫薯粉添加量的煉乳在5 000倍下的電鏡掃描圖片。由圖7可知，紫薯粉添加量為0.5%時，紫薯煉乳的表面有明顯的皺褶、粗糙感強且分布著大小不一的不均勻孔隙；添加量達1.0%時，表面皺褶度明顯改善但仍分布著大小不一、數量較多的小孔隙；添加量達1.5%時，表面趨于光滑且孔隙數量適當減少；添加量達2.5%時，煉乳表面較光滑、致密度高、孔隙數量少。一般情況下，煉乳的微觀結構越致密，其硬度、咀嚼性、黏性越大，這與前面的流變及質構分析結果相吻合。

煉乳中因添加了紫薯粉，使得體系中淀粉含量相應提高，淀粉在過量水分存在的條件下受熱，可充分潤脹，這種潤脹通常伴有淀粉顆粒的吸水、顆粒體積的膨大等過程[29-30]。隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳體系中淀粉含量增大，不斷增多的糊化紫薯淀粉顆粒膨脹力發揮作用，使得體系形成更加致密的網絡結構，從而使煉乳出現硬度和黏性增強、固態特征顯現的流動行為。

圖7 煉乳體系電鏡掃描圖Fig.7 Scanning electron microscope images of condensed milk system

3 結論

紫薯煉乳表現為假塑性流體，在低剪切速率下表現為剪切增稠行為，在高剪切速率下表現為剪切變稀行為，且其流動行為符合流變學的Power Law模型。觸變測試表明，紫薯煉乳具有一定的觸變性，且隨著紫薯粉添加量的提高，煉乳觸變性越強；紫薯粉添加量高于1.5%后觸變環面積顯著增大，紫薯煉乳的貯藏穩定性下降。動態黏彈性測試表明紫薯粉添加量高于1.5%時，煉乳的儲能模量G′開始大于損耗模量G″，此時煉乳體系表現出固體的特征。質構分析表明，不同紫薯含量的煉乳在貯藏期內均會發生濃稠度增大、黏性指數增大的現象。微觀組織結構也可以看出，紫薯粉的添加可使煉乳內部結構更加致密平滑。綜合考慮可知，紫薯粉添加量小于1.5%時，紫薯煉乳的質構、組織結構和流變行為更適宜涂抹、調配的加工處理，且在20 ℃下貯藏5個月穩定性良好；紫薯粉添加量大于1.5%時，紫薯煉乳的質地較硬、口感致密，流變行為偏固態，更適宜應用于塑性食品或固態食品的加工中。