響應面法優化乳化劑對奶茶乳層析出指數的影響

周洋，舒欣怡，劉海情，葉田

（宏勝飲料集團有限公司，杭州 311200）

0 引 言

奶茶作為一種時尚的街飲在人群中收到歡迎，兼具營養、健康的概念，為人們帶來美的享受。牛奶含有豐富的蛋白質、氨基酸、礦物質等，被稱為理想的天然食品，茶葉中含有豐富的多酚類，咖啡堿，氨基酸，維生素及十幾種礦物質營養元素，與牛奶結合形成獨特的風味與口感，是社交常備的茶飲，但是將奶茶商業化，作為更加便利的飲品需要解決常溫貯藏過程中帶來的穩定體系的問題，常見問題為貯藏過程中產生的沉淀、絮凝、分層、乳脂析出等現象，超高溫滅菌后的體系穩定性則是影響其貨架期的最主要因素[1]。

由于奶茶中的乳蛋白易與紅茶中的茶多酚類化合物的羥基形成氫鍵，產生絡合的不溶物質，乳脂肪上浮形成乳層析出，脂肪上浮造成的乳層析出是影響消費者感官的重要因素，但一般的乳狀液都是具有熱力學不穩定特性的，粒子的數目、大小及空間排列都會隨著時間的延長而改變，乳品中的酪蛋白可以吸附在乳脂肪表層，控制脂肪球的凝聚，但完全依賴蛋白是不夠的[2-5]。為使奶茶在貯藏期內保持穩定性，需要加入適量的乳化劑降低界面能，乳化劑通常具有比蛋白質更高的表面活性，具有更強的降低油水界面張力的能力。理論上講，乳化劑按其特性分為親水性和親油性，親水性乳化劑是水溶的，可以擴展到水和油體系的界面處，將剝離的脂肪球包圍，形成界面膜，降低脂肪的的聚集作用；親油性的乳化劑擴展到水，油的界面處，對脂肪有較強的脂肪結合力，可以降低親水乳化劑的界面膜在熱能、機械等外力作用下易脫離脂肪球表面的特性，復合形成穩定的界面膜。同時可以利用乳化劑分子內的親水基團和憎水基團，當它與脂肪共存時可提供更高的貯藏穩定性，其分子向著油水表面定向吸附，降低表面張力，從而防止脂肪上浮，達到穩定體系的效果[6-9]。

在實際應用中，常將多種乳化劑復配使用，以達到最佳的乳化效果[10]，楊洋等人的結果表明，飲料中添加復配乳化劑后，能夠有效控制其脂肪上浮效果，穩定性良好[11]。本文主要研究4種乳化劑復配，獲得最優組合，旨在探求一種較少乳層析出的方案，以減少奶茶在常溫條件下貯藏的乳層析出。響應面法是一種廣泛應用的試驗優化方法[12-13]，它采用合理的試驗設計，利用較少的試驗次數，快速有效的確定多種因子的最佳試驗條件，對試驗進行全面的研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂奶粉，脫脂奶粉，新西蘭恒天然有限公司；單、雙甘油脂肪酸酯，聚甘油脂肪酸酯，廣州美晨科技實業有限公司；硬脂酰乳酸鈉，凱瑞食品配料(杭州)有限公司；蔗糖脂肪酸酯，上海欣融食品原料有限公司；琥珀酸單甘油脂，上海羚躍實業有限公司；分子蒸餾單甘酯，理研食品株式會社；稀奶油，雀巢（中國）有限公司；紅茶葉，福建欽心茶葉有限公司；乳酸菌鏈球菌素，洛陽奇泓生物有限公司；砂糖，中糧糖業有限公司。

1.2 儀器與設備

IKA EUROSTAR 60 DIGITAL攪拌器，德國IKA；APV1000高壓均質機，斯必克流體有限公司；Schwerzenbach S40綜合測試儀p H計，梅特勒-托利多有限公司；MS8001S電子天平，瑞士梅特勒-托利多；KJELTEC 8100凱氏定氮儀，福斯分析儀器公司；管式超高溫瞬時殺菌機UHT，日本POWERPOINT國際公司。

1.3 樣品的制備及處理

1.3.1 奶茶的制備

奶茶選用全脂乳粉、脫脂乳粉、紅茶葉作為主要原料制作而成，簡要流程如下。

90～95℃熱水萃取紅茶葉→65～75℃熱水分散乳化劑和乳粉→白砂糖、定容水→混合、定容、殺菌、灌裝

操作要點：

（1）茶湯提取。茶葉提取溫度保持在90～95℃范圍內，冷卻過濾，減少沉淀。

（2）乳化劑溶解。乳化劑和奶粉混合，保持在65～75℃，防止溶解不充分導致的乳化不充分。

（3）均質。均質壓力20～25 MPa，將料液充分混合。

（4）殺菌。高溫瞬時殺菌，充分殺菌，防止飲料染菌。

（5）冷卻。冷卻后常溫貯藏。

1.4 實驗方法

1.4.1 乳層析出的測定

乳液析出的測定方法參考Moschakis等的方法改進[14]，將新制備好的奶茶置于PET瓶中，放置室溫條件下，30 d后進行奶茶穩定性測定并記錄。乳析穩定性采用乳層析出指數（creaming index,CI）表示，公式如下：

HS為析出層的高度/cm;HT為比色管中奶茶的高度/cm。

1.4.2 微生物指標檢驗

微生物檢驗指標應符合GB/T 21733茶飲料[15]。

1.4.3 茶多酚的測定

茶多酚的測定參照杜淑霞的方法進行測定[16]。

1.4.4 添加量優化試驗

（1）乳化劑的篩選。

以乳層析出為檢測指標，選取6種乳化劑按照1.3.1制備奶茶樣品，觀察每種乳化劑的乳化效果。試驗方法見表1所示。

表1 單因素乳化劑水平

（2）單因素試驗。

優選其中4種穩定性較好的乳化劑復配，加入到奶茶中，測定乳層的析出。

單、雙甘油脂肪酸酯添加量：聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯添加量分別為0.05%，考察單、雙甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，0.1%），對乳層析出的影響。

聚甘油脂肪酸酯添加量：單、雙甘油脂肪酸酯添加量、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯添加量0.05%，考察聚甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），對乳層析出的影響。

硬脂酰乳酸鈉添加量：單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯添加量分別為0.05%，考察單、雙甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），對乳層析出的影響。

蔗糖脂肪酸酯添加量：單、雙甘油脂肪酸酯添加量、硬脂酰乳酸鈉、聚甘油脂肪酸酯添加量0.05%，考察聚甘油脂肪酸酯的添加量為（0.01%，0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%，0.07%，0.08%，0.09%，1.0%），對乳層析出的影響。

（3）響應面法優化試驗。

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken中心組合設計原理，以單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯添加量為考察因素，奶茶乳層析出（Y），為響應面，運用Design Expert 11軟件采用4因素3水平的響應面優化，建立數學模型，以獲得奶茶乳化體系的最佳組合添加量，響應面試驗因素與水平見表2。

表2 乳化劑配方優化響應面試驗因素與水平

2 結果與分析

2.1 單一乳化劑對奶茶乳層析出的影響

飲料中乳化劑種類和添加量的篩選對乳化體系的穩定性有明顯的影響[17]。合理的選擇乳化劑可以提供正向的穩定趨勢，相反則會破壞穩定性體系。

由圖1可以看出，6種乳化劑隨著添加量的增加，乳化體系穩定性越好，而當乳化劑超過臨界值時，又發生不穩定現象。這主要是因為單一一種乳化劑添加量低時，形成的界面膜不夠緊密，乳化不夠充分，導致脂肪析出；而當添加量過多時，乳化劑自身出現分離，乳脂析出增加，這與屠幼英等人的研究結果一致[3]。其中琥珀酸單甘油脂、分子蒸餾單甘酯，這兩種乳化劑在單因素乳化劑水平實驗中，乳層析出率整體高于其他4種穩定劑，說明此乳化劑不適用于此穩定體系，并且在添加量0.2%時，高于初始值，這是由于乳化劑添加量超過一定劑量后，破壞了乳化體系穩定性[18]，水油界面平衡被破壞，形成脂肪析出。而添加了聚甘油脂肪酸單、雙甘油脂肪酸酯和硬脂酰乳酸鈉的乳層析出指數明顯較低，說明這3種乳化劑能夠明顯提高乳液體系的穩定性，這與之前的研究報道一致[19-20]。

圖1 單一乳化劑對奶茶乳層析出的影響

2.2 單因素試驗結果與分析

2.2.1 單、雙甘油脂肪酸酯添加量對乳層析出指數的影響

奶茶體系中，為了得到較好的乳化效果，需要復配使用乳化劑，乳化劑是具有親水基團和憎水集團的表面活性物質，其可以在改善乳脂分布的情況下，使其均勻分布于整個體系中，降低乳脂上浮，穩定乳狀液，同時添加4種穩定劑都出現乳層析出先降低再增加的形式。

圖2中可以看出，乳層析出指數隨單、雙甘油脂肪酸酯添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時乳層析出指數達到最低，故單、雙甘油脂肪酸酯的添加量影響成品的乳層析出指數，最佳單、雙甘油脂肪酸酯添加量為0.03%。

圖2 單、雙甘油脂肪酸酯添加量對乳層析出指數的影響

2.2.2 聚甘油脂肪酸酯添加量對乳層析出指數的影響

圖3中可以看出，乳層析出指數隨聚甘油脂肪酸酯添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時乳層析出指數達到最低，故聚甘油脂肪酸酯的添加量影響成品的乳層析出指數，最佳聚甘油脂肪酸酯添加量為0.03%。

圖3 聚甘油脂肪酸酯添加量對乳層析出指數的影響

2.2.3 硬脂酰乳酸鈉添加量對乳層析出指數的影響

圖4中可以看出，乳層析出指數隨硬脂酰乳酸鈉添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時乳層析出指數達到最低，故硬脂酰乳酸鈉的添加量影響成品的乳層析出指數，最佳硬脂酰乳酸鈉添加量為0.03%。

圖4 硬脂酰乳酸鈉添加量對乳層析出指數的影響

2.2.4 蔗糖脂肪酸酯添加量對乳層析出指數的影響

圖5中可以看出，乳層析出指數隨蔗糖脂肪酸酯添加量的增加先減少后升高，在添加量為0.03%時乳層析出指數達到最低，故蔗糖脂肪酸酯的添加量影響成品的乳層析出指數，最佳蔗糖脂肪酸酯添加量為0.03%

圖5 蔗糖脂肪酸酯添加量對乳層析出指數的影響

實驗發現，單因素實驗整體乳層析出率低于單一一種乳化劑的乳層析出，這與烏雪巖等人的結果一致，表明復配的乳化劑可以有效的減少乳層的析出。單一的親水性乳化劑與脂肪球形成的界面膜[17]，在外力作用下，很容易脫離脂肪球，出現脂肪聚集，乳層析出現象，而親油的乳化劑，可以擴展到水、油界面，包裹分離的脂肪球，因此適當的復配可以取得較好的乳化效果。

在一定的復配乳化劑使用范圍內，隨著添加量的增加，乳化效果越好，當乳化劑完全覆蓋了界面[20]，反而造成體系的不穩定，出現了脂肪的上浮,因此單因素實驗可以獲得此條件下，最佳乳化劑配比。

2.3 響應面優化試驗結果

對奶茶乳化劑添加量組合優化試驗設計及結果見表3所示。

利用Design-expert 11軟件對表進行數據分析，得到乳層析出指數Y與自變量A,B,C,D的二次回歸方程式為：Y=2.33+0.1667A+0.6833B+0.5417C+1.33D-0.6AB-0.45AC-0.35AD-0.05BD-0.875CD+0.8292A2+1.23B2+1.09C2+1.74D2對此模型進行方差分析，結果如表3所示。

表3 Box-Behnken試驗設計及結果

由圖表4分析可得模型P值＜0.0001，說明該模型極顯著。而失擬項P值為0.2887＞0.05，無失擬因素存在，不顯著，說明所得方程與實際擬合中非正常誤差所占比例小，該模型與實際情況吻合度較大，可用該回歸方程代替試驗真實點對實驗結果進行分析，否則可能是有的因素沒有考慮到。因素B、C、D對結果影響顯著（P＜0.05）。4個單因素影響乳層析出的影響順序為D＞B＞C＞A,即蔗糖脂肪酸酯的添加量對乳層析出的影響最為顯著。同時復相關系數R2=0.9468，表明預測效果較佳，可用該模型對奶茶的乳化劑配方組合添加量進行分析和預測。

表4 Box-Behnken試驗方差分析

由表5可知，模型的R2為0.9468，說明該模型可以解釋94.68%的復配乳化劑添加量組合的乳層析出變化。R2=0.8847和R2=0.9468值較接近，由此說明該模型與實際預測值在可行區間內，該模型與實際情況擬合較好，可用該模型對不同條件下的乳層析出進行預測。

表5 模型可信度分析表

（續表4）

2.4 多因素交互作用響應面分析

各因素交互作用響應面分析結果如圖6所示。6張圖交互結果較為一致，隨著各交互因素添加量的增加，乳層析出指數都呈現先減小再增加的趨勢。總體而言，乳層析出變化幅度不大。經過軟件分析可得最佳乳化工藝為單、雙甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸鈉0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，乳層析出指數最低可達到1.592‰。

由圖6可以看出6個響應面均為開口向上的凸型曲面，說明響應值（乳層析出）存在極小值，在選定的條件范圍內，乳層析出的極小值位于兩坐標軸編碼的中間區域，回歸方程的響應值（乳層析出）對其中因素水平變化而變化的趨勢和極小值點都與表4分析結果相似。

圖6 各因素交互作用對奶茶乳層析出指數影響的響應面

2.5 最佳工藝的驗證

為了對響應面預測得出的最佳乳化體系參數進行驗證，同時為方便實際操作對以上結果進行優化，按照單、雙甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸鈉0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，此條件下的奶茶乳層析出指數為1.58‰，與預測值較接近，說明響應面法優化的結果可信度較大。

2.6 產品理化指標的測定

2.6.1 奶茶感官指標

該產品為棕褐色或棕褐色微紅，色澤均勻一致，無分層、絮凝現象，具有濃郁的奶香及醇厚的茶感，口感順滑。

2.6.2 奶茶蛋白質、脂肪檢測

蛋白質含量：2%，脂肪含量：2.1%，茶多酚含量：800 mg/kg，微生物指標符合GB/T21733。

3 結論

奶茶體系中，單一使用乳化劑單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯時，不如復配使用多種乳化劑的效果好。復配使用乳化劑時，最佳的添加量可以獲得更好的乳化性，較少的乳層析出，對體系的穩定性有增效的效果。

經響應面優化得出的單、雙甘油脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、硬脂酰乳酸鈉、蔗糖脂肪酸酯的最佳乳化方案為單、雙甘油脂肪酸酯0.031%、聚甘油脂肪酸酯0.036%、硬脂酰乳酸鈉0.028%、蔗糖脂肪酸酯0.028%，可以獲得較佳的工藝參數，此條件下的奶茶乳層析出指數為1.58‰，與預測值較接近，說明響應面法優化的結果可信度較大。有效的減少了試驗操作的盲目性，為實際生產提供了理論依據。