藍柑風味糖漿貨架期預測模型的建立與評價

姚宇晨，毋思敏, ，蘇曉霞，楊 釗,，王 寶,3，卞 祺，徐光輝，鐘紹強，蒙 軍,

（1.中糧營養健康研究院有限公司，老年營養食品研究北京市工程實驗室，營養健康與食品安全北京市重點實驗室，北京 102209；2.中糧崇左糖業有限公司，廣西崇左 532200；3.中糧糖業控股股份有限公司，農業部糖料與番茄質量安全控制重點實驗室，國家糖料加工技術研發專業中心，中糧糖業控股股份有限公司博士后科研工作站，新疆昌吉 831100）

風味糖漿是以白砂糖為基礎原料，通過添加風味、顏色和酸度調節物質等輔料而形成的具有各種特定風味的復配糖漿，作為主要原料被廣泛應用于咖啡、酒品調制和奶茶等現制飲品中，具有十分廣闊的應用前景[1]。藍柑風味糖漿呈明亮的寶石藍色，具有蔗糖的純正清甜口感、復合柑橘類水果風味，可以應用至氣泡水、雞尾酒、果汁等產品中，在提升飲品口感口味飽滿度和豐富度的同時，顯著提升蔗糖產品附加值[2?3]。

在風味糖漿產品開發與生產中，微生物穩定性、理化和感官特性是必須考慮的質量和安全因素[4?5]。貨架期實驗是產品形態或配方不斷升級階段預測食品品質變化的重要工具，通過綜合考慮上述因素并建立貨架期模型，可以起到對食品質量的實時動態管理和控制作用[6?7]。經現有研究顯示，目前關于糖漿類產品的貨架期預測模型報道較少，但糖漿的保質期通常在數月至數年不等，因此在其長期儲藏過程中，探究關鍵指標變化對下游應用起到至關重要的作用。另外，由于藍柑風味糖漿含糖量高，在熱加工過程中可能產生大量的糠醛（furfural，F）和羥甲基糠醛（5-hydroxymethyl-furfural，HMF）[8]，上述兩種物質在達到一定劑量時會對人體產生危害，研究顯示過量的糠醛和HMF會對肝臟、腎臟、心臟等器官產生不良影響，還可能刺激眼黏膜、上呼吸道黏膜等部位[9]，因此本實驗對糠醛和羥甲基糠醛的含量變化情況進行了監控，將糠醛和羥甲基糠醛含量檢測列為本次糖漿貨架期實驗過程中的重要品質指標之一。

本文以藍柑風味糖漿為研究對象，運用一級反應動力學模型，結合Arrhenius方程[10]，通過對該產品在不同貯藏溫度下感官評分、可溶性固形物含量、pH、還原糖含量、羥甲基糠醛含量、菌落總數、大腸菌群、酵母菌、霉菌的變化規律分析，建立品質變化動力學模型。本研究可為風味糖漿的貨架期預測及貯藏提供參考，為糖漿類產品的設計開發和品質控制提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

液體蔗糖 中糧崇左糖業有限公司；食品級檸檬酸 廣州冠球化工有限公司；乙腈、乙酸鈉、氯化鈉 浙江一諾生物科技有限公司；水、食用色素、食用香精 均為食品級，市售，在20 ℃室溫下保存。

ME204電子分析天平 美國Mettler公司；PHS-25臺式數顯pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司；SPX-250B-Z生化培養箱 上海博訊實業有限公司；DK-S24電熱恒溫水浴鍋 上海森信實驗儀器有限公司；DHG-9240電熱鼓風干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；WZZ 2S自動旋光儀 上海儀電物理光學儀器有限公司；MASTER-53a手持錘度計 日本ATAGO公司；UV-2800紫外可見分光光度計尤尼柯上海儀器有限公司；RCT basic加熱磁力攪拌器 德國IKA公司；TSQ Quantum XLS氣相色譜-串聯四級桿質譜聯用儀 賽默飛世爾科技公司；LC-1260高效液相色譜儀 美國安捷倫公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 配方及工藝流程 以液體蔗糖（質量分數為67.0%±0.5%）為原料，經除雜過濾，脫色脫鹽脫味處理后，得到透明澄清、口感清甜的糖漿基料，向其中添加0.05%食品級檸檬酸溶液、食用香精、食用色素進行混合熬煮調配，經殺菌、冷卻、罐裝密封制成藍柑風味糖漿終產品。工藝流程如圖1所示。

圖1 藍柑風味糖漿工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of blue mandarin flavor syrup

操作要點：

除雜過濾：采用正壓過濾設備和0.45 μm濾膜對液體蔗糖原料進行過濾，收集好濾液。

脫色脫鹽脫味：第一步采用活性炭粉末對除雜過濾后的液體蔗糖進行吸附脫色，收集濾液，第二步采用離子交換系統對糖漿進行脫色脫鹽脫味處理，獲得口感清甜純正、無任何異味的過濾糖漿。

調配：在糖漿基料中添加0.05%的食品級檸檬酸溶液并混合均勻，70 ℃恒溫熬煮50 min，快速冷卻后向其中添加0.01%~0.1%食用香精（混合柑橘類）、0.01%~0.05%食用色素（檸檬黃、亮藍）調配混合。

除菌過濾：采用正壓過濾設備和0.22 μm除菌濾膜對調配好的糖漿進行過濾，得到無菌藍柑風味糖漿成品。

1.2.2 風味糖漿的指標測定 本實驗以藍柑風味糖漿為研究對象，以其儲藏過程中的感官評價、可溶性固形物含量、pH、還原糖含量、糠醛和羥甲基糠醛含量、微生物變化為監測指標，通過對有效時間點指標數據的考察，得到藍柑風味糖漿的貨架期預測模型。

1.2.2.1 藍柑風味糖漿的感官評價 由12名經驗豐富的評價員組成的評價小組執行，他們的視覺、嗅覺、味覺以及觸覺等符合感官基本能力的要求，并經過專門的感官方法培訓與考核。通過感官評價工作，明確了風味糖漿儲存過程中變化較大的指標，包括顏色、掛壁程度、透明度、主要特征風味、甜味、酸味6項感官指標，同時，形成了風味糖漿感官評價標準，具體感官得分標準見表1，其中特征風味在感官總分中的權重占最高。分別對27和37 ℃貯藏條件下，處于0、30、60、90 d不同貯藏天數的藍柑風味糖漿進行感官評價，各項指標得分求和后得到感官總分，總分介于0分（完全變質）~100分（完全新鮮）之間，基于前期實驗中對不同藍柑風味糖漿樣品的測定，當樣品感官評分低于80分時，達到50%的評價員表述為不可接受。因此，將低于80分者視為感官質量不合格產品。

表1 風味糖漿感官評價標準（分）Table 1 Sensory evaluation criteria of flavor syrup (score)

1.2.2.2 理化指標的測定 根據配方準備樣品，分別對27、37 ℃貯藏條件下，處于0、30、60、90 d不同貯藏天數的藍柑風味糖漿進行指標檢測，根據GB/T 12143《食品安全國家標準飲料通用分析方法》中規定的方法檢測可溶性固形物含量；根據GB 5009.8-2016《食品安全國家標準食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》中規定的方法檢測pH；根據GB/T 10786-2006《食品安全國家標準罐頭食品的檢驗方法》中規定的方法還原糖含量。

1.2.2.3 糠醛和羥甲基糠醛危害物的測定 采用氣相色譜三重四級桿質譜（GC-MS/MS）方法在27、37 ℃貯藏條件下，分別在0、30、60、90 d時測定樣品中危害物糠醛和羥甲基糠醛的含量[11?12]，定量分析方法如下：

稱取試樣5 g于50 mL離心管中，加入20 mL乙腈（含1%乙酸）提取液、2 g乙酸鈉和2 g氯化鈉充分渦旋2 min，將離心管超聲提取20 min，提取過程用冰袋降溫。超聲結束后加入1 g無水硫酸鎂，快速劇烈振搖2 min，6000 r/min再次離心5 min，取上清液1 mL于10 mL離心管中，加入40 mg C18、10 mg PSA和100 mg無水硫酸鎂，振搖3 min，6000 r/min離心3 min，取離心后上清液過0.22 μm PTFE濾膜。

色譜檢測條件：色譜柱極性WAX石英毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），100 ℃保持1 min，以20 ℃/min升至150 ℃，5 ℃/min升至300 ℃，運行時間5 min，載氣為高純氦氣，純度≥99.999%，流速1.0 mL/min，不分流進樣，樣品進樣量1.0 μL，進樣口溫度280 ℃。

質譜檢測條件：EI電離方式，電子能量70 eV，離子源溫度230℃，四級桿溫度150 ℃，GC-MS接口溫度280 ℃，離子監測模式（SIM）。

1.2.2.4 微生物測定 根據配方準備檢測樣品，根據GB/T 4789.2-2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗菌落總數測定》、GB 4789.3-2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗大腸菌群計數》和GB 4789.15-2016《食品安全國家標準食品微生物學檢驗霉菌和酵母計數》根據中的方法，在27、37 ℃貯藏條件下，分別在0、30、60、90 d時對樣品菌落總數、大腸菌群數、酵母菌數和霉菌數進行測定。

1.2.3 風味糖漿貨架期預測模型的建立

1.2.3.1 動力學模型的建立 動力學模型在食品工程類問題的應用最為頻繁，由于其能體現產品在貯藏過程中的品質指標變化與時間的關系而受到廣泛關注。在食品加工和貯藏過程中，大多數與食品質量有關的品質變化都遵循零級或一級反應的動力學規律[13?15]，零級和一級反應動力學方程分別為式（1）和式（2）：

式中：B為樣品貯藏至第t d時品質指標值；B0為樣品的初始品質指標值；k為樣品品質指標變化速率常數；t為樣品的貯藏時間，d。

分別得到零級和一級回歸方程后，再根據方程的回歸系數確定適合本實驗的動力學模型。

1.2.3.2 Arrhenius方程的建立 Arrhenius方程可以反映產品品質指標變化速率常數k與熱力學溫度T之間的關系[16?17]。由動力學方程計算得到不同溫度下品質指標速率常數k后，代入Arrhenius方程K=k0e(Ea/RT)的對數形式，式（3）：

式中：k0為指前因子（又稱頻率因子）；Ea為活化能，J/mol；T為絕對溫度，單位為K；R為氣體常數，8.3144 J/（mol·K）。

以lnk對1/T作圖可擬合出斜率為-Ea/R的直線，Y軸截距為lnk0的線性方程，再由斜率可求得表觀活化能Ea，由截距可得指前因子k0。

1.2.3.3 貨架期預測模型的建立 將反應動力學模型和Arrhenius方程結合，根據樣品貯藏時品質指標限制和時間的確定，從而進行產品貨架期的理論預測[18?20]。最終，形成貨架期一級動力學預測模型和零級動力學預測模型，分別見公式（4）、（5）：

式中：SL為貨架期，d。

1.3 數據處理

利用Origin 9.0軟件對實驗數據進行擬合并繪制結果曲線，用SPSS 22.0和Excel 2013進行實驗數據的后處理與分析。

2 結果與分析

2.1 藍柑風味糖漿在模擬貯藏條件下的指標變化情況

2.1.1 不同貯藏時間藍柑風味糖漿的感官評價分析在貯藏期間，由于各種物理、化學和微生物作用的影響，藍柑風味糖漿的品質會逐漸發生劣變，達到消費者感官拒絕的程度，因此，可以根據藍柑風味糖漿的感官得分來確定其感官貨架期的終點。

藍柑風味糖漿在不同溫度儲藏過程中的感官得分變化結果，如圖2所示。初始狀態的糖漿樣品評分為95分，隨著貯藏時間的延長，不同溫度條件下貯藏的樣品感官品質呈下降趨勢。在27 ℃儲藏時，樣品的感官評價總分下降速度比37 ℃時的評分變化相對緩慢，貯藏90 d時仍高于90分，未達到80分的可接受臨界值。隨貯藏溫度的增加，感官得分下降速率略有加快，因此，降低貯藏溫度能適當延長藍柑風味糖漿的貨架期。在本次貨架期實驗過程中，藍柑風味糖漿的感官得分下降的主要原因包括顏色明顯加深、掛壁程度增強，整體風味略有減弱。

圖2 藍柑風味糖漿在不同溫度儲藏過程中感官得分的變化Fig.2 Changes of sensory evaluation scores of blue mandarin flavor syrup at different storage temperatures

2.1.2 不同貯藏時間藍柑風味糖漿可溶性固形物含量變化分析 樣品在不同溫度條件下可溶性固形物含量的變化情況，如圖3所示。貯藏初期，藍柑風味糖漿的可溶性固形物含量為67.64%，隨保存時間的延長逐漸升高但保持相對穩定，在貨架期實驗內維持在67%~70%。分析原因可能是酸性條件下蔗糖轉化反應持續進行，一分子蔗糖生成一分子葡萄糖和一分子果糖，還原糖含量增加導致固形物含量增加，此現象的發生更有利于糖漿的質量穩定，糖漿體系內游離水含量減少，水分活度降低，一定程度上抑制微生物生長[21?22]。

圖3 藍柑風味糖漿在不同溫度儲藏過程中可溶性固形物的變化Fig.3 Changes of soluble solid content of blue mandarin flavor syrup at different storage temperatures

2.1.3 不同貯藏時間藍柑風味糖漿pH變化分析圖4為在不同溫度條件下藍柑風味糖漿pH的變化情況。pH在保存過程中略有降低，因配方中添加檸檬酸導致蔗糖轉化反應持續發生，還原糖含量增加，在貨架期實驗終點pH≥2.8，低pH環境下呈味物質合成速度變緩[23?24]，綜合pH對感官品質的影響，下降幅度較小，人的味覺很難感知酸度變化[25]。

圖4 藍柑風味糖漿在不同溫度儲藏過程中pH的變化Fig.4 Changes of pH of blue mandarin flavor syrup at different storage temperatures

2.1.4 不同貯藏時間藍柑風味糖漿還原糖含量變化分析 如圖5所示，糖漿的還原糖含量在貯藏期間持續升高，上升趨勢明顯，即糖漿轉化率持續增高，呈現先快速增長后逐漸變緩的趨勢，符合還原糖隨時間轉化的規律，且由于溫度對還原糖含量的影響較大，溫度越高，蔗糖轉化程度越高，糖漿的還原糖含量越高，27 ℃下還原糖含量的增長速度比37 ℃下的明顯變緩，且含量顯著低于37 ℃。結合微生物和感官評價結果看，還原糖含量升高對產品整體質量影響較小，僅表現為甜度稍有提高[26]。

圖5 藍柑風味糖漿在不同溫度儲藏過程中還原糖含量的變化Fig.5 Changes of reduced sugar content of blue mandarin flavor syrup at different storage temperatures

2.1.5 不同貯藏時間藍柑風味糖漿糠醛含量變化分析 從保質期實驗結果來看，如圖6所示，糠醛含量在37 ℃條件下貯藏時間三個月時為0.3 mg/kg，遠低于《食品添加劑手冊》對糖漿中糠醛限量的要求（≤30 mg/kg），因此不作為本次貨架期預測實驗的有效指標。

圖6 藍柑風味糖漿在不同溫度儲藏過程中糠醛含量的變化Fig.6 Changes of furfural content of blue mandarin flavor syrup at different storage temperatures

2.1.6 不同貯藏時間藍柑風味糖漿羥甲基糠醛含量變化分析 羥甲基糠醛的產生途徑有兩個，主要來源是己糖分解和美拉德反應產生的副產物[27]，目前被認為是一種潛在的影響人體健康的化合物，當前暫未有明確標準規定其限量，由于蜂蜜與糖漿食品體系結構相似，因此以《GB/T 18932.18-2003蜂蜜中羥甲基糠醛測定標準》作為參考，含量不得超過40 mg/kg，因通常貨架期短于商品的保質期，因此選擇35 mg/kg為本產品貨架期終點。如圖7所示，隨時間的延長，羥甲基糠醛含量不斷升高，60 d時藍柑風味糖漿羥甲基糠醛含量為30.9 mg/kg，90 d時為51.35 mg/kg，因此羥甲基糠醛含量可以作為貨架期預測模型的重要指標之一。

圖7 藍柑風味糖漿在不同溫度儲藏過程中HMF含量的變化Fig.7 Changes of HMF content of blue mandarin flavor syrup at different storage temperatures

2.1.7 不同貯藏時間藍柑風味糖漿微生物指標變化的結果分析 由微生物指標檢測結果可知，在不同的貯藏溫度下，藍柑風味糖漿的菌落總數、大腸菌群、酵母菌和霉菌數隨貯藏時間的增加速度始終保持穩定，原因可能是本產品糖漿質量分數為67.0%±0.5%，當糖漿濃度大于60 g/100 mL時，高濃度糖液形成高滲透壓，使微生物細胞原生質脫水收縮，發生生理干燥抑制其生命活動，尤其酵母菌和霉菌有耐高滲透壓特性，在溶液中生長受阻[28]。由于在本次貨架期實驗內微生物指標均≤10 CFU/mL，符合《GB 17325-2015食品安全國家標準食品工業用濃縮液（汁、漿）》中微生物限量規定，標準中規定大腸菌群須≤102CFU/mL，霉菌和酵母須≤102CFU/mL，因此微生物指標不作為本次貨架期預測的關鍵指標。

2.2 藍柑風味糖漿貨架期模型的建立

2.2.1 藍柑風味糖漿品質動力學模型建立 運用零級反應動力學方程（1）和一級反應動力學方程（2），分別對藍柑風味糖漿的感官得分、可溶性固形物含量、pH、還原糖含量、羥甲基糠醛含量這5個品質指標在不同溫度下的參數進行回歸分析，得到零級和一級動力學模型相關參數，即反應速率常數k和回歸系數R2，如表2所示[29?30]。

表2 藍柑風味糖漿在不同貯藏溫度下品質變化的動力學模型參數Table 2 Dynamic model parameters of quality changes of blue mandarin flavor syrup at different storage temperatures

方程的回歸系數R2都處于0.676~0.999之間，其中pH、羥甲基糠醛含量與方程的相關性顯著。R2越大表明指標參數與方程之間的擬合度越高，零級反應動力學方程的回歸系數∑R2>一級反應動力學方程回歸系數∑R2，表明在藍柑風味糖漿的貯藏過程中品質變化更符合零級動力學模型的擬合趨勢。因此，繼續選用零級動力學模型參與貨架期預測模型的運算。

2.2.2 藍柑風味糖漿貨架期預測模型的建立 運用零級反應動力學模型和Arrhenius方程的結合，將不同溫度下藍柑風味糖漿零級反應動力學模型中反應速率常數k進行擬合，利用公式（3）得到不同品質參數的反應活化能Ea和指前因子k0。

根據圖8方程的斜率和截距，可求出Ea=2.54×104J/（mol·K）和k0=47.88，代入公式（4）得到藍柑風味糖漿感官品質的貨架期預測模型：

圖8 貯藏溫度對感官品質變化速率常數k的影響Fig.8 Effect of storage temperature on rate constant k of change of sensory quality

根據圖9方程的斜率和截距，可求出Ea=1.77×104J/（mol·K）和k0=21.56，代入公式（4）得到藍柑風味糖漿可溶性固形物含量的貨架期預測模型：

圖9 貯藏溫度對可溶性固形物含量變化速率常數k的影響Fig.9 Effect of storage temperature on rate constant k of change of soluble solid content

根據圖10方程的斜率和截距，可求出Ea=7.38×103J/（mol·K）和k0=0.02，代入公式（4）得到藍柑風味糖漿pH的貨架期預測模型：

圖10 貯藏溫度對pH變化速率常數k的影響Fig.10 Effect of storage temperature on rate constant k of change of pH

根據圖11方程的斜率和截距，可求出Ea=9.49×104J/（mol·K）和k0=8.80×1013，代入公式（4）得到藍柑風味糖漿還原糖含量的貨架期預測模型：

圖11 貯藏溫度對還原糖含量變化速率常數k的影響Fig.11 Effect of storage temperature on rate constant k of change in reducing sugar content

根據圖12方程的斜率和截距，可求出Ea=1.35×105J/（mol·K）和k0=3.00×1022，代入公式（4）得到藍柑風味糖漿羥甲基糠醛含量的貨架期預測模型：

圖12 貯藏溫度對羥甲基糠醛含量變化速率常數k的影響Fig.12 Effect of storage temperature on rate constant k of change in HMF content

2.3 藍柑風味糖漿貨架期模型的應用

根據藍柑風味糖漿各品質參數的貨架期預測方程，在明確貯藏溫度、樣品初始狀態和最終狀態的情況下，即可對樣品進行貨架期的預測。以感官得分為80分、可溶性固形物含量為80%、pH為2、還原糖含量為100%、羥甲基糠醛含量為35 mg/kg時作為藍柑風味糖漿貨架期的終點。糖漿類產品通常為常溫保存食品，雖然理論上貯藏條件為陰涼干燥，溫度范圍在0~25 ℃，但通常由于地域環境差異貯藏溫度上限會升高至30 ℃左右。為進一步驗證建立的貨架期預測模型的可行性，選擇溫度點為4 ℃和20 ℃的貯藏條件進行驗證，結果見表3。

表3 藍柑風味糖漿貨架壽命的預測值Table 3 Predicted value of shelf life of blue mandarin flavor syrup

在保證藍柑風味糖漿產品基本檢測指標合格的前提下，利用各品質指標預測相應的貨架期，選擇預測的最小值作為產品理論貨架期。在4 ℃冷藏條件下，藍柑風味糖漿的理論貨架期約為48個月。在20 ℃室溫條件下，藍柑風味糖漿的理論貨架期約為24個月。

3 結論

本文通過對藍柑風味糖漿貯藏過程的品質變化貨架期實驗，研究了在不同貯藏溫度條件下感官和理化特性的變化規律，并建立相應的貨架期預測動力學模型。實驗結果顯示，隨著貯藏時間的增加，藍柑風味糖漿的感官評分、pH均有一定程度的下降，可溶性固形物含量、還原糖含量和羥甲基糠醛含量的變化方向則呈現升高趨勢。較低的溫度條件有利于藍柑風味糖漿的保質保藏，對還原糖含量和羥甲基糠醛含量的上升有明顯的延緩作用。經零級和一級動力學方程擬合度的相關運算，發現藍柑風味糖漿各品質指標的變化較符合一級反應動力學模型的變化規律，結合Arrhenius方程，獲得了有效的貨架期預測方法，其中，利用感官評分和pH所建模型的貨架期預測天數最短，因此，這兩項指標可以作為藍柑風味糖漿的限制性指標進行重點關注。對不同溫度貯藏條件下的糖漿貨架期進行快速預測，能夠為此類糖漿產品的品質控制環節及工業化生產提供技術支持。