剪切力對濃縮乳體系穩定性的影響

白茹，樊夢原，于聲波，董和謙，陳云

（內蒙古蒙牛乳業（集團）股份有限公司，呼和浩特011517）

0 引言

中國乳業常年存在“北奶南運、北奶西運”的區域性及季節性供需矛盾，生產濃縮乳及相關產業是調節此矛盾的有效手段。

市售商業化濃縮乳，大部分選擇-18℃貯藏，冷凍狀態，無法直接食用，需解凍，經過乳制品常規工藝處理，制備最終產品。乳液粒徑大小及粒徑分布都會影響牛乳蛋白的解凍性、穩定性及產品的感官性狀等[1-2]。穩定性分析儀能觀測試驗樣品3個月后的穩定狀態[3]。動態穩定性分析儀得出的澄清指數，表征樣品發生沉降、浮離、聚集、凝聚、結合現象的變化情況。澄清指數值越大，樣品體系越不穩定；反之，越穩定。試驗主要采用高剪切混合器解凍冷凍濃縮乳，采用動態穩定性分析儀觀測樣品穩定性，探索應用粒徑分析法判斷其體系穩定性。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

LA 960激光粒度儀，日本堀場；LUMiSizerpm X 65穩定性分析儀，德國LUM；切割機314，德國馬格瑞特；高剪切混合器，英國Silverpmson；DK-8AK恒溫水浴鍋，上海恒科學有限公司；冷凍濃縮乳，實驗室自制。

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

用切割機將冷凍濃縮乳破碎至粒徑≤6 cm；將處理好的樣品加適量純凈水，用高剪切混合器轉速、恒溫水箱，攪拌、混合、加熱，過程參數按照下述的實驗方法設定。

1.2.2 轉速對乳粒徑和穩定性影響

將高剪切混合器處理時間設定為10 min，樣品不加熱，轉速分別選取4 000，5 000，6 000，7 000，8 000，10 000，12 000和14 000 r/min，以未經高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，進行粒徑和穩定性的檢測。

1.2.3 處理時間對乳粒徑和穩定性影響

將高剪切混合器轉速設定為14 000 r/min，樣品不加熱，時間分別選取5，10，15和20 min，以未經高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，進行粒徑和穩定性的檢測。

1.2.4 溫度對乳粒徑和穩定性影響

將高剪切混合器轉速設定為14 000 r/min，時間10 min，溫度分別選取50，60，70和80℃，以未經高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，進行粒徑和穩定性的檢測。

1.2.5 工藝條件優化

在高剪切混合器的轉速、處理時間、溫度對濃縮乳粒徑和穩定性影響單因素試驗的基礎上，優選出最佳轉速、處理壓力、時間，進行正交試驗，以未經高剪切混合器處理的冷凍濃縮乳作為空白對照組，對高剪切混合器處理后的樣品和空白對照組進行粒徑和穩定性的測定。

1.2.6 粒徑和穩定性測定

按1.2.2～1.2.5處理樣品，采用粒度儀和穩定性分析儀檢測。檢測前先將樣品搖勻。

LA 960激光粒徑儀的相關參數：折射率為1.60，分散劑為水。

LUMiSizerpm X 65穩定性分析儀的相關參數：樣品進樣量2.0 mL，離子轉速4 000 r/min。

2 結果與分析

2.1 高剪切混合器轉速對濃縮乳粒徑和穩定性影響

2.1.1 高剪切混合器轉速對濃縮乳粒徑影響

高剪切混合器處理時間為10 min，室溫條件，采用不同轉速，每個轉速下試驗重復3次。在高剪切處理后，樣品在室溫條件下靜置10 min后，使用粒徑分析儀檢測粒徑大小及粒徑分布，得出每個樣品粒徑分布的十分位數（10%處及90%處）、四分位數（25%處及75%處）以及中位數（50%）、并對每個樣品的粒徑求算數平均值。

如表1所示，濃縮乳體系的平均粒徑與高剪切混合器的轉速呈明顯的負相關，即隨著轉速的增加，濃縮乳體系的平均粒徑顯著減小，并且這一趨勢在試驗包含的轉速范圍內沒有改變。剪切力越大，對脂肪球破碎程度就越大，脂肪球的尺寸會大幅減少[4]，同時據Walstra P報道[5]，乳中的脂肪質量分數＜9%通常不會發生均質簇集作用，而冷凍濃縮乳解凍后的脂肪質量分數一般不超過5%，故隨著高剪切混合器轉速增大，濃縮乳粒徑越來越小。因此，高剪切混合器處理時間為10 min，在不加熱情況下，轉速14 000 r/min時的粒徑最小。

表1 不同轉速處理10 min后對冷凍濃縮乳粒徑的影響

另外，從粒徑分布的角度分析，無論轉速高低，所有樣品的粒徑均值都大于粒徑中位數，這說明濃縮乳樣品解凍后的粒徑分布呈明顯的縮乳體系的粒徑整體均值起主要影響；而在均值左側的數據量較多、分布較緊湊，不屬于對粒徑整體均值的主要貢獻因子。針對濃縮乳體系，可知影響分布的大絕對值數據，對應的是濃縮乳中的脂肪成分，此成分受高剪切影響非常顯著，剪切力越大，脂肪球破碎程度就越大，粒徑越小，又因為脂肪本身是粒徑分布中最重要的因子，故把握關鍵因素-剪切力，控制關鍵因子-脂肪粒徑，對調控濃縮乳整體粒徑有重要作用。

2.1.2 高剪切混合器轉速對濃縮乳穩定性影響

在2.1.1樣品同等條件處理下，用動態穩定性分析儀檢測。轉速對濃縮乳穩定性影響如圖1所示，對澄清指數和轉速值進行分析擬合，擬合方程為y=-0.0087x＋0.7316，R2=0.9058，趨勢線的R2越接近1，其可靠性越高，轉速與體系穩定性呈明顯的正相關，隨著轉速增大，澄清指數逐漸降低，體系穩定性越來越好；其中轉速從5 000 r/min改為6 000 r/min時，圖1斜率最大，澄清指數下降最快，同時圖1平均粒徑也減小最快。

圖1 不同轉速處理10 min后對穩定性的影響

在使用高剪切混合器過程中，將冷凍濃縮乳的脂肪球在強有力的機械作用下破碎成小的脂肪球，提高產品的穩定性。故高剪切混合器處理時間為10 min，在不加熱情況下，轉速為14 000 r/min時，穩定性最好。

2.2 高剪切混合器處理時間對濃縮乳粒徑和穩定性影響

2.2.1 高剪切混合器處理時間對濃縮乳粒徑影響

高剪切混合器轉速設定為14 000 r/min，不加熱，采用不同時間，每個時間處理重復3次，處理完畢后靜置10 min后，使用粒徑分析儀檢測粒徑大小及分布，得出每個樣品粒徑分布的十分位數（10%處和90%處）、四分位數（25%處和75%處）及中位數（50%）并對每個樣品的粒徑求算數平均值。

如表2所示，濃縮乳的平均粒徑與高剪切混合器處理時間呈明顯的負相關，即隨著時間延長，濃縮乳體系的平均粒徑顯著減小，但是長時間的機械處理，會破壞解凍后溶液的水乳體系，可造成脂肪上浮；攪拌時間15 min時，表面會出現一層脂肪，并隨著時間延長，脂肪厚度增加，故選擇高剪切混合器處理時間10 min。另外，從粒徑分布的角度分析，即使更改時間，所有樣品的粒徑均值均大于粒徑中位數，具體分析結果同2.1.1。

表2 不同處理時間轉速14 000 r/min對冷凍濃縮乳粒徑的影響

2.2.2 高剪切混合器處理時間對濃縮乳穩定性影響

在2.2.1樣品同等條件處理下，用動態穩定性分析儀檢測。高剪切混合器處理時間對濃縮乳穩定性影響如圖2所示，對澄清指數和時間值進行分析擬合，擬合方程為y=-0.006x＋0.7195，R2=0.9428，時間與體系穩定性呈明顯的正相關，隨著時間延長，澄清指數逐漸降低，穩定性越來越好。高剪切混合器處理時間越長，脂肪球破碎的粒徑會越小越均勻，故高剪切混合器轉速14 000 r/min時，在不加熱情況下，處理時間20 min穩定性最好。

圖2 不同處理時間轉速14 000 r/min對穩定性的影響

2.3 高剪切混合器處理溫度對濃縮乳粒徑和穩定性影響

2.3.1 高剪切混合器處理溫度對濃縮乳粒徑影響

高剪切混合器轉速設定為14 000 r/min，時間10 min，采用不同溫度，每個溫度處理重復3次，處理完畢后靜置10 min后，使用粒徑分析儀檢測粒徑大小及分布，得出每個樣品粒徑分布的十分位數（10%處和90%處）、四分位數（25%處和75%處）及中位數（50%）并對每個樣品的粒徑求算數平均值。

如表3所示，濃縮乳的平均粒徑與高剪切混合器處理溫度呈明顯的正相關，即隨著溫度降低，濃縮乳體系的平均粒徑顯著減小。一般以牛奶為原料的產品，牛奶的均質溫度一般為50～70℃，50℃是牛奶有效均質的最低溫度，均質溫度過高，不利于蛋白質的熱穩定性，牛奶中熱敏性成分在加熱至72℃以上會有一定損失[6]。故冷凍濃縮乳溶解溫度建議設定為50℃。

表3 轉速14 000 r/min在不同溫度處理10 min后對冷凍濃縮乳粒徑的影響

另外，從粒徑分布角度分析，即使改變溫度，所有樣品的粒徑均值均大于粒徑中位數，具體分析結果同2.1.1。在溫度升高至80℃時，整體粒徑均變化較大。VESSILIOS等采用沉降場流份化法得到在加熱溫度50～125℃時全脂牛乳的脂肪球直徑隨著加熱溫度升高而增大的研究結果一致[7]；發生這一現象主要是由于高溫下變性的乳清蛋白會附著在脂肪球膜上并且形成二硫鍵[8-9]，從而使外觀上看起來脂肪球直徑變大。

2.3.2 高剪切混合器處理溫度對濃縮乳穩定性影響

在2.3.1樣品同等條件處理下，用動態穩定性分析儀檢測。高剪切混合器處理溫度對濃縮乳穩定性影響如圖3所示，對澄清指數和溫度值進行分析擬合，擬合方程為y=0.0049x-0.0583，R2=0.9826，溫度與體系穩定性呈明顯的正相關，隨著溫度的降低，澄清指數逐漸降低，穩定性越來越好。牛乳的穩定性與粒徑大小有關，最穩定的體系脂肪球粒徑一般較小[10]。故高剪切混合器轉速14 000 r/min時，時間10 min，采用溫度50℃穩定性最好。

圖3 轉速14 000 r/min在不同溫度處理10 min后對穩定性的影響

2.3.3 高剪切混合器處理工藝條件優化

綜合轉速、時間、溫度的單因素實驗，選擇三者作為影響因素，選用L9（33）正交表進行試驗設計，每個處理重復3次，取平均值，以未經高剪切混合器處理的樣品作為空白對照，進行粒徑和穩定性的測定。因素水平設置如表4所示；粒徑結果及方差分析如表5和表6所示；穩定性結果及方差分析見表7和表8所示。

表4 L9（33）因素水平

表6 正交實驗粒徑值結果方差分析

表8 正交實驗澄清指數值結果方差分析

由表5和表7中平均粒徑、澄清指數的相關數據，分析k值可知，最優工藝組合為A3B2C1，即轉速14 000 r/min，時間10 min，溫度50℃。分析R值可知，3個因素對粒徑作用影響的大小依次為：轉速＞時間＞溫度，且轉速因素對于粒徑有顯著性影響。在此最優工藝組合條件下對冷凍濃縮乳解凍后粒徑和澄清指數結果分別為4.661μm，0.108，空白樣的粒徑和穩定性結果為266.134μm和0.729，粒徑和穩定性均為最佳值。

表5 高剪切混合器處理樣品最優工藝參數正交實驗結果

表7 高剪切混合器處理樣品最優工藝參數正交實驗結果

3 結論

單因素實驗中，高剪切混合器處理時間恒定，不加熱，隨著轉速升高，平均粒徑、澄清指數逐漸減小，證明體系穩定性提升；高剪切混合器轉速恒定，不加熱，隨著時間延長，平均粒徑、澄清指數逐漸減小，證明體系穩定性提升。但攪拌時間15 min時，體系表面出現脂肪層，并隨著時間的延長，脂肪上浮趨勢更加明顯，脂肪層厚度增加，故不建議攪拌過長時間；高剪切混合器轉速、時間恒定，隨著溫度的降低，平均粒徑、澄清指數均逐漸變小，但是在實際應用中，原料的下一步工藝為均質，均質溫度過高，不利于蛋白質的熱穩定性，故冷凍濃縮乳溶解溫度建議設定為50℃。高剪切混合器處理工藝的正交優化條件為A3B2C1，即轉速14 000 r/min，時間10 min，溫度50℃。

本研究采用高剪切混合器解凍冷凍濃縮乳，起到很好的均質、乳化、解凍、分散、懸浮、破碎等作用，同時解凍時間短，組織狀態較均勻，無上浮沉淀現象；冷凍濃縮乳解凍，高剪切混合器參數最優選取轉速14 000 r/min，10 min，50℃；同時在高剪切混合器不同轉速、處理時間、處理溫度下，粒度儀和動態穩定性結果一致，可用粒徑分析法判斷其體系穩定性。