再制馬蘇里拉干酪的玻璃化轉變測定及狀態圖研究

李紅娟，秦愛榮，劉婷婷，李丹，李媛，李洪波，于景華*

1(天津科技大學 食品科學與工程學院，天津，300457)2(妙可藍多(天津)食品科技有限公司，天津，300462)

食品絕大部分是由生物大分子構成的非晶態聚合物，因此都存在玻璃化轉變狀態[1]。玻璃化轉變理論可以很好地解釋諸如冷凍、干燥、擠壓、焙烤等食品加工貯藏過程中某些食品品質的變化[2]。脫水和冷凍食品基質中經常顯示出典型無定形聚合物轉變，都是可以借助玻璃化轉變溫度來解釋的物理化學或生化變化[3]。目前，玻璃化轉變已經廣泛地應用在水果、蔬菜、干燥谷物、粉末狀食品的貯藏及加工穩定性分析中。食物的穩定性受成分、玻璃化、貯存溫度和相對濕度的影響。如果固體食品的儲存溫度高于該食品中相關成分的玻璃轉化溫度(glass transition temperature,Tg)，其物理化學性質就可能發生變化。通過測定食品的Tg，構建出該食品的狀態圖，能夠對食品的貯藏穩定性進行預測，并為該產品的適宜加工原料和工藝提供參考[4]。

再制干酪是在原制干酪、乳化鹽和其他乳成分的存在下，將配料混合，通過加熱和混合乳化，形成的質地均勻的產品，由于存在加熱工藝，可以延長干酪保質期。再制干酪除了對原制干酪的風味和質構進行改善外，還能夠一定程度上解決原制干酪貯藏條件嚴格，保質期較短的問題。目前再制干酪可在3～6個月儲藏期內保持較好的食用品質[5]。再制干酪也是我國干酪發展的主要品類，但是目前對于再制干酪加工和儲藏過程的物理化學基礎研究并不深入,而建立再制干酪狀態圖，能夠為我們深入了解干酪貯藏加工性質提供理論基礎。因此，本文研究測定了再制馬蘇里拉干酪玻璃轉變溫度曲線、凍結曲線、最大凍結濃縮狀態等，建立再制馬蘇里拉干酪的狀態圖。為評價其貯藏穩定性、加工適宜性提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗所用原料：原制馬蘇里拉奶酪(恒天然貿易有限公司，新西蘭)，蛋白含量23 g/100 g，脂肪含量23 g/100 g，Na含量 393 mg/100 g；酪蛋白(北京銀河路貿易有限公司)，蛋白質含量82 g/100g，水分含量9.9 g/100 g；黃油(內蒙古華琳食品有限公司)，脂肪含量99.8 g/100g。

實驗所用試劑：LiCl、NaCl、NaNO2、P2O5、KNO3,凱瑪特(天津)化工科技有限公司；醋酸鉀、K2CO3、Mg(NO3)2·6H2O, 天津索羅門生物科技有限公司；MgCl2·6H2O，天津優化生物科技有限公司；KCl，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；檸檬酸鈉、Na4P2O7, 均為食品級，河南萬邦實業有限公司。化學試劑除標明外，其余均為分析純。

1.2 儀器與設備

DSC 204 F1型差示掃描量熱儀,德國NETZSCH公司；MARS 60動態流變儀,德國HAAKE公司；LRH-250F型恒溫試驗箱,深圳市澳德瑪電子科技有限公司；Lab-1B-50E真空冷凍干燥機,北京博醫康實驗儀器有限公司；GZX-9240MBE電熱鼓風干燥箱,上海博迅實業有限公司；ZJR-5干酪融化鍋,無錫意凱自動化技術有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 再制馬蘇里拉干酪的制備

將原制馬蘇里拉干酪切碎，加入黃油、酪蛋白等其他原料，將原料放入干酪融化鍋中，調整融化鍋攪拌槳轉速為600 r/min，升溫至85 ℃，加入乳化鹽(檸檬酸鈉、焦磷酸鈉)水溶液(乳化鹽預先溶解在熱水中)，調整轉速至250 r/min，真空設為-600 kPa，攪拌3～5 min，真空恢復默認值，溫度降到40 ℃，然后從融化鍋中取出再制干酪，冷卻成型。再制干酪進行真空包裝，置于4 ℃冰箱貯藏。再制干酪成品中脂肪含量為21.3 g/100 g，蛋白含量為15.2 g/100 g，水分含量為62.0 g/100 g。

1.3.2 等溫吸附曲線的測定

再制干酪樣品含水率測定采用直接干燥法，110 ℃烘箱里干燥24 h，直至恒重。將再制干酪切割成0.5 cm×0.5 cm×0.5 cm的干酪丁，將樣品置于-40 ℃冷凍，然后進行凍干。凍干溫度-50 ℃，凍干時間16 h，凍干機壓力70 Pa。凍干樣品研磨成粉末，置于底部裝有P2O5粉末的干燥器，干燥14 d，使其達到近似完全干燥。稱取干酪粉末(0.5±0.01) g于培養皿中，迅速將其放置在9個不同相對濕度(0.12～0.94)的干燥器中[6]，以獲得0.12～0.94不同水分活度的樣品。然后再將干燥器放在25 ℃的恒溫箱中平衡14 d。aw>0.94的樣品很難由水分平衡得到，需要將提前計算好的加水量加到對應的培養皿中，放在干燥器中平衡的時間與其他的樣品保持一致[7-8]。達到平衡的樣品，測定其平衡水分含量，采用Guggenheim-Anderson-de Boer(GAB)模型對等溫吸附的數據進行擬合，模型方程如公式(1)所示：

(1)

式中:Mw,物料的平衡干基含水率，g/g；aw,物料的水分活度；Xm,單分子層吸附飽和干基含水率，g/g；C、K,熱力學比例常數(方程參數)。

1.3.3 含非凍結水樣品及含凍結水樣品制備

含非凍結水樣品制備：含非凍結水干酪樣品由1.3.2方法制備，即干酪完全干燥后，放置于不同水分活度的干燥器中。含非凍結水的再制干酪水分含量為0.008～0.068 g/g(aw為0.12～0.61)。

含凍結水樣品制備：當樣品水分含量高于0.068時，樣品熱流曲線出現水熔融峰，一般被認為是含有凍結水樣品，含凍結水樣品制備是將完全干燥后樣品通過計算直接加入相應水分含量的蒸餾水，水分含量在0.23～0.78 g/g之間。

1.3.4 動態流變儀測量含非凍結水樣品

由于干酪中含有大量蛋白質和脂肪及其眾多聚合物，導致在水分含量極低的干酪樣品的差示掃描量熱議(differential scanning calorimeter,DSC)熱流圖出現多而雜亂的熔融峰，不易對干酪玻璃化轉變過程做出明確判斷，因此采用動態流變儀分析測量此類樣品的玻璃化轉變溫度，具體方法為：將每個樣品稱量(0.3±0.01) g，用模具壓片，直徑與流變儀加熱底座一致，控制每次壓片時間在30 s，將壓成片的樣品放在樣品臺上，用直徑為20 mm的轉子以恒力(30 N)壓縮，以3 ℃/min的速度對樣品進行熱掃描，溫度范圍在20～100 ℃。在10～80 ℃范圍內，以3 ℃/min的速率對樣品進行熱掃描，記錄樣品法向力。得到法向力-溫度的動態流變儀RA曲線。由于法向力下降開始于試樣底部溫度達到Tg的點，所以力開始下降的溫度可以視為試樣的Tg[9]。測量3次結果，取平均值。

1.3.5 DSC測量含凍結水樣品

首先用DSC掃描程序對樣品熱流曲線進行檢測繪制，得出到玻璃化轉變發生的溫度區間。熱流曲線采用二次掃描法。初步掃描程序為：樣品從室溫以5 ℃/min降至-60 ℃，保持10 min，然后再以5 ℃/min從-60 ℃升至40 ℃。第2步掃描(退火)程序為：樣品從室溫以5 ℃/min降至-60 ℃，再以5 ℃/min升至熔融溫度(melting temperature,Tm)(-1 ℃)，保持20 min；然后以5 ℃/min降至-60 ℃，再以5 ℃/min升至60 ℃[10]。確定最終的樣品溫度參數Tm′和凍結溫度(frozen temperature,TF)。

1.3.6 數據的擬合和處理

不同水分含量干酪樣品玻璃化轉變溫度可以采用Gordon-Taylor 方程來擬合，如公式(2)所示：

(2)

式中:W1,固形物濕基質量分數，g/g；W2,濕基含水率，g/g；Tg,混合物的玻璃化轉變溫度，℃；Tg1,固體的玻璃化轉變溫度，℃；Tg2,水的玻璃化轉變溫度，為135 ℃；K,Gordon-Taylor參數。

不同水分含量的干酪粉對應的TF用Clausius-Clapeyron 方程擬合,如公式(3)所示：

(3)

1.4 數據統計與分析

本實驗中樣品指標均重復3次，并計算平均值。繪圖及非線性回歸分析采用Origin 9.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 干酪的吸附等溫線

本實驗中再制干酪的濕基含水率為0.62 g/g。圖1為干酪樣品在25 ℃的吸附等溫線，為典型的“J”型曲線，對數據進行擬合后得到相關系數和模型參數見表1。從R2可知，實驗數據擬合程度較好。表1列出了其他蛋白的Xm、模型參數以及相關系數[11]。在低水分活度時，干酪中含有的水能與某些化合物的極性基團結合，主要是NH3+和COO—蛋白質基團，還包括一些礦物鹽的結晶水，即結合水，較難除去，屬于非凍結水[12]。aw為0.2～0.6是曲線的線性部分，對應的是氫鍵較弱的附加水層或多分子層，說明隨著aw的增加，自由水越來越多[13]。aw>0.6時水分為孔隙中凝結的水，此階段干酪吸附的干基含水率明顯增大，這種水可以溶解可溶性元素(特別是礦物鹽)，可以作為酶和微生物等生物制劑的載體[14]。

圖1 干酪的吸附等溫線(25 ℃)Fig.1 Adsorption isotherm of cheese (25 ℃)

2.2 含非凍結水干酪樣品的玻璃化轉變

由于干酪中含有大量蛋白質和脂肪及其他物質，導致在水分含量極低的干酪樣品的DSC熱流圖出現多而雜亂的熔融峰，結果如圖2所示，不易進行干酪玻璃化轉變分析及判斷，因此用熱流變儀分析測量此類樣品的玻璃化轉變溫度，結果如圖3。

表1 吸附實驗數據的模型擬合Table 1 Model fitting of adsorption experimental data

圖2 含有非凍結水干酪樣品的 DSC 熱流圖Fig.2 DSC heat flow diagram of cheese samples containing non-frozen water

圖3 含有非凍結水干酪樣品的動態流變儀測試Fig.3 Dynamic rheometer analysis for cheese samples containing non-frozen water

表2 含有非凍結水干酪樣品的玻璃化轉變溫度Table 2 Glass transition temperature containing of cheese samples non-frozen water

食品的玻璃化轉變溫度一般來說與食品中溶質的成分、食品總分子量和食品的含水率相關[15]。由表2可知，隨著濕基含水率從0.008 g/g增大到0.068 g/g，干酪的Tg從71.2 ℃降低至20.6 ℃。隨著含水率增大，干酪樣品玻璃化轉變溫度逐漸減小，這主要由于水的塑化作用引起。水是最基礎的塑化劑，水塑化是低摩爾質量碳水化合物、低聚糖、多糖和蛋白質的典型特征，含水量增加可導致分子自由體積增大，局部黏度降低，同時增加分子遷移率[16-17]。

2.3 含凍結水干酪樣品的玻璃化轉變與凍結點

由DSC熱流曲線(圖4)測量得到含有凍結水、濕基含水率0.40 g/g的干酪初始凍結溫度TF(-5.3 ℃)和凍結終點溫度Tm′(-16.4 ℃)，最后升溫階段如圖4所示，TF定義為冰融化過程吸熱峰的峰值溫度，即凍結溫度，最大凍結濃縮過程的Tm′是冰晶熔融吸熱曲線的基線與吸熱曲線左邊的交點而得到[18]。TF與食品的種類和食品中的可凍結水的含量有關，隨凍結水含量的增加而增加。采用Clausius-Clapeyron模型對不同水分含量的干酪粉的凍結溫度進行擬合，得到擬合參數E=0.049 45，通過E值可估算干酪中總固形物的分子量364.01，根據文獻報道，初乳清蛋白E值為0.054 7[16]。

圖5為含有凍結水干酪樣品玻璃化轉變溫度測量DSC熱流圖，干酪樣品的玻璃化轉變過程主要有轉變初始點Tgi、轉變中點Tg、拐點Tgm及終點Tge。

圖4 含有凍結水的干酪典型 DSC 熱流圖(濕基含水率 0.40 g/g)Fig.4 Typical DSC heat flow diagram of chese samles containing frozen water

圖5 含有凍結水的干酪 DSC 熱流圖的玻璃化轉變溫度測量(濕基含水率0.40 g/g)Fig.5 Glass transition temperature measurement of the DSC heat flow chart of chese samples containing frozen water

由表3實驗結果可知，Tm′隨著固形物質量分數增加而降低，當固形物濕基質量分數大于50%時，Tm′接近于常數，故固形物濕基質量分數在50%～77%時，最大凍結濃縮狀態的Tm′平均值是-27.4 ℃。

表3 含有凍結水干酪的玻璃化轉變溫度與凍結點Table 3 Glass transition temperature and freezing point of cheese samples containing frozen water

2.4 狀態圖

狀態圖代表了食物的不同狀態，它是水或固體含量以及溫度的函數，為產品的配方、加工、包裝、儲存提供了重要的信息[19]，根據狀態圖對食物進行貯藏能夠避免食品從玻璃狀態轉化到橡膠狀態，從而使得食品可以保存較長時間[18,20]。圖7為本文通過實驗數據最終建立的再制干酪狀態圖，該圖包含了干酪樣品的玻璃化轉變溫度曲線(D-G)、凍結曲線(A-M)及最大凍結濃縮狀態的玻璃化轉變溫度曲線，其中凍結曲線、凍結溫度與固形物質量分數曲線是由Clausius-Clapeyron方程模擬得出。圖中的M點對應的凍結終點溫度Tm′，為-27.4 ℃。根據計算可得干酪固形物濕基質量分數Xs′值為79%，此時Xs值對應非凍結水含水率，即0.21 g/g。利用Gordon-Taylor方程對玻璃化轉變溫度同含水率進行分析描述，并進行非線性擬合，得到GT方程。參數Tg1和K分別為75.02 ℃和4.20。參考其他文獻的K值，酪蛋白為4.97，初乳清粉為7.89，大豆蛋白為4.22，干酪的K值更接近酪蛋白，這跟干酪的成分有直接關系[21]。GT方程擬合得到的完全干燥干酪樣品玻璃化轉變溫度75.02 ℃，實驗測得干燥干酪粉的玻璃化轉變溫度Tgm為80 ℃，差異小于5 ℃，擬合值基本符合實際測量值。

食品玻璃轉化溫度測定的意義在于將食品貯藏溫度降低至玻璃轉化溫度以下時，能夠最大程度地減少食品在貯藏過程中發生的品質劣變，Tg′即為凍結食品在貯藏過程中不發生質量變化的溫度最高點。但是由于實際貯藏條件及成本所限，只能在盡量接近Tg′的溫度下貯藏樣品[22-23]。再制干酪最大凍結濃縮狀態的玻璃化轉變溫度Tg′確定，在固形物濕基質量分數Xs′=79%的情況下，從M點做垂線，與玻璃化轉變溫度曲線DG相交，交點N即為干酪最大凍結濃縮狀態的玻璃化轉變溫度Tg′，為-35.5 ℃。

曲線A-M為凍結曲線;曲線D-G為玻璃轉變溫度曲線圖6 干酪的狀態圖Fig.6 Status diagram of cheese

3 結論

本研究采用差示掃描量熱儀作為熱分析手段，動態流變分析作為機械分析手段，測量并分析繪制再制干酪的凍結曲線、最大凍結濃縮條件和玻璃化轉變曲線和凍結曲線，構建再制奶酪的狀態圖，通過試驗和分析得到以下結論：

(1)再制干酪水分吸附等溫線呈典型“J”型曲線，GAB模型能夠較好的對再制干酪的吸附等溫線進行擬合。由凍結曲線、最大凍結濃縮條件和玻璃化轉變線組成再制干酪的初步狀態圖。Gordon-Taylor方程、Clausius-Clapeyron方程能較好地擬合干酪的玻璃化轉變線和凍結曲線。

(2)再制干酪玻璃轉化溫度同含水率呈負相關，隨含水率增加而降低：含有非凍結水干酪樣品隨著濕基含水率從0.008 g/g增大到0.068 g/g，干酪樣品的玻璃轉化溫度從71.2 ℃降低至20.6 ℃；含有凍結水干酪隨著濕基含水率從0.22 g/g增大到0.77 g/g，干酪樣品的玻璃轉化溫度從-19.7 ℃降低至-29.7 ℃，GT模型能夠有效預測不同含水率下的玻璃轉化溫度。

(3)通過再制干酪狀態圖可知，再制干酪最大凍結濃縮狀態的玻璃轉化溫度為-35.5 ℃，玻璃轉化溫度較低，-18 ℃的冷凍貯存方式仍高于其最大凍結濃縮狀態的玻璃轉化溫度，在-18 ℃下貯存仍然會發生品質劣變。

再制干酪的最大凍結濃縮融化溫度Tm′和玻璃化溫度Tg′分別為-27.4 ℃和-35.5 ℃，這2個溫度對于干酪樣品的貯藏具有重要的指導意義。雖然，目前大部分干酪貯存條件都不能夠降低到-35.5 ℃，但是在干酪加工工業中，研究者可以通過調整基礎配方或加工工藝，在不影響品質的基礎上盡量提高再制干酪的玻璃轉化溫度，保證干酪在貯藏過程中能夠維持良好的品質。同時，再制干酪的狀態圖對確定最適的再制干酪的貯藏條件和加工條件以及對以后進行常溫再制干酪的研究具有很重要的意義，在再制干酪加工中，通過狀態圖分析能夠有效判斷食品穩態及亞穩態，對樣品的貯藏期進行有效預測判斷。下一步實驗中將結合干酪狀態圖及方程，對不同干酪樣品進行貨架期預測，并結合實際產品質量檢測，建立再制干酪貨架期模型，為再制干酪加工貯藏提供更有價值的理論指導。