基于包裝內頂空氧氣濃度變化的奶粉貨架期預測

蔡佳昂，盧立新,2,*，盧莉璟,2，潘 嘹,2

（1.江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

食品貨架期定義為在特定環境下可以保證食品質量和商業價值的最長時間。全脂奶粉含有大量脂肪，極易受氧氣影響發生酸敗，在預測其貨架期時須考慮氧化劣變的影響[1-2]。正常的脂質氧化途徑非常復雜，脂肪消耗氧氣生成初級氧化產物過氧化物，進一步分解成醛、酮、酸等小分子物質，影響產品營養價值與商用價值[3-4]，現有研究認同該氧化進程符合自由基鏈式反應機理[5-6]，并受溫度、氧氣和底物類型影響[7]。

為保證全脂奶粉較長的貨架期，包裝材料一般采用金屬材料和復合軟包裝膜[8]，復合包裝膜透氧性一般高于金屬材料，更易造成包裝內頂空氧氣含量增加，進而增加氧化反應物濃度，加速產品氧化，從而縮短貨架期[9]。軟包裝頂空氧氣動態變化除了受包裝滲透進入氧氣的影響之外，還受產品消耗氧氣的影響，同時，軟包裝滲透氧氣和脂質產品的氧化速率和氧化進程很大程度上取決于可利用的包裝頂空氧氣濃度[10-11]，因此頂空氧氣濃度、包裝滲透氧和產品消耗氧三者相互關聯影響。

目前在定義全脂奶粉氧化酸敗時常使用初級氧化產物過氧化值（peroxide value，POV）、維生素含量、感官特性等指標[12-14]，預測氧化貨架期時一般基于POV，但該指標測定方法繁瑣且滴定過程容易受主觀影響，導致測定結果準確性不足[15]。耗氧量是跟蹤脂質氧化程度的較佳指標[16]，可表征整個脂質氧化過程。Brown[17]已證明，乳制品的氧化風味強度隨耗氧量的增加而增加。因此，監測包裝內頂空氧氣氣體濃度的變化可以判斷產品消耗氧氣總量并推測其氧化程度。

目前研究主要集中在使用奶粉多級氧化產物表征其氧化進程，并利用化學動力學模型預測產品貨架期，對奶粉氧化消耗物氧氣的相關研究較少，且未建立包裝頂空氧氣體積分數、包裝滲透氧、產品消耗氧三者的關聯模型，對奶粉耗氧量貨架期閾值的研究尚不完善，缺少基于頂空氧氣體積分數變化建立的全脂奶粉貨架期預測模型。

本實驗通過測定非滲透包裝全脂奶粉的氧化指標，以相對耗氧率（kO2）表征全脂奶粉氧化特性，綜合多個氧化指標分析確定奶粉耗氧量閾值（mO2,max）。在此基礎上，評估包裝材料滲透性，建立滲透包裝頂空氧氣體積分數變化模型，該模型還考慮產品質量、頂空體積和初始氧氣含量對頂空氧氣水平的影響，并進一步基于頂空氧氣變化模型獲得包裝產品消耗氧氣總量的預測模型，用以預測產品貨架期。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

全脂奶粉為市售，生產于2021年3月。

無水乙醚、無水乙醇、氨水（質量分數25%～28%）、石油醚（沸程30～60 ℃）、三氯甲烷、冰醋酸、硫代硫酸鈉、碘化鉀、可溶性淀粉 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

RE100-Pro減壓旋轉蒸發儀 美國賽洛捷克儀器公司；SHK-III循環水式多用真空泵 鄭州科泰實驗設備有限公司；恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司；GS3W頂空分析儀 英國希仕代-伊利諾斯儀器公司；RQH-350人工氣候箱 上海右一儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 確定全脂奶粉自身氧化特性的貯藏方案

采用非滲透包裝系統確定全脂奶粉兩個自身氧化指標：kO2和mO2,max。kO2用以表征產品氧化速率，即在一定氣壓條件下每克奶粉每天消耗的氧氣質量，單位為mg/（gg dg Pa），mO2,max則為產品達到貨架期時每克奶粉消耗的氧氣質量，單位為mg/g。

將約30 g奶粉轉移到100 mL棕色玻璃瓶中，并用鋁質壓蓋密封，頂空體積為37.5 mL。在（45f 1）℃下貯存112 d，分別在貯藏第7、14、21、28、35、42、49、63、91、112天取樣，每次取樣3 瓶，測定試樣的頂空氧氣體積分數、POV并進行感官評價。

1.3.2 建立全脂奶粉貨架期預測模型的理論方法

測定密封容器中裝有干燥產品的頂空氧氣體積分數是評估干燥產品氧化穩定性的一種方法。本研究中全脂奶粉的貨架期是指在一定貯藏條件下消耗氧氣總量達到mO2,max時的貯藏時間，擬通過預測包裝頂空氧氣體積分數變化來快速準確預測全脂奶粉貨架期[18]。

1.3.3 全脂奶粉貨架期驗證實驗的貯藏方案

結合目前市售產品用復合包裝膜，本實驗采用80 μm厚的聚對苯二甲酸乙二脂/聚乙烯（polyethylene terephthalate/polyethylene，PET/PE）復合膜制作包裝袋。該包裝膜透氧系數為3.89h 10－8mol/（m2g dg Pa），同時制備尺寸0.08 mh 0.13 m的PET/PE復合膜密封袋。將硅膠墊粘合在復合袋外表面，每個袋裝40 g全脂奶粉（頂空體積為53 cm3、包裝面積為0.0208 m2）。將包裝產品置于（45f 1）℃的恒溫箱中，每7 d測定包裝頂空氧氣體積分數并進行感官評價，貯藏35 d。采用平行試樣3 件。

1.3.4 包裝內頂空氧氣體積分數測定

為減少采樣時空氣傳質導致的數據偏差，使用硅膠墊對測定點進行密封。使用帶有0.22 μm過濾器的針管采樣器抽取氣體，采樣器連接到GS3W頂空分析儀測定氣體體積分數，每次測定前用大氣進行校準。

1.3.5 過氧化值測定

采用堿性乙醚提取脂肪，試樣POV參考GB 5009.227 2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》[19]中的硫代硫酸鈉滴定法測定。

1.3.6 感官評價

評價小組共6 名成員，提前接受培訓，每次評價時為評估人員提供對照樣品（新鮮粉末）和測試樣品（貯藏粉末）。使用5 分法來評估樣品間的感官差異，評價標準如表1所示，將感官評分2.5設置為閾值[20]。

表1 感官評價標準Table 1 Sensory evaluation criteria

1.4 數據處理與分析

用Origin 8軟件繪制實驗數據圖像。使用Matlab R2020a軟件建立貨架期預測模型，并采用curving fitting tool工具箱進行擬合分析。使用相對誤差δ和擬合優度R2對所建模型進行準確性分析，δ和R2的計算分別如公式（1）、（2）所示。

2 結果與分析

2.1 全脂奶粉自身氧化特性

2.1.1 奶粉頂空氧氣體積分數變化及相對耗氧率

45 ℃高溫加速氧化貯藏的30 g全脂奶粉在非滲透棕色玻璃罐中頂空氧氣的變化趨勢如圖1所示，在貯藏前期，氧氣體積分數變化與貯藏時間之間近乎為線性關系，高氧環境中奶粉氧化速率幾乎不受氧氣體積分數影響，與Lai等[20]研究結果類似。在貯藏后期，頂空氧氣體積分數下降速率受到頂空氧氣體積分數減小的影響而有些許減緩。

圖1 非滲透包裝全脂奶粉頂空氧氣體積分數的變化Fig.1 Change in headspace oxygen content of non-permeable packaged whole milk powder during accelerated storage

由于氣體沒有固定的形狀和體積，因此基于頂空氧氣體積分數變化表征產品氧化進程時，宜采用物質的量或質量進行分析，所得數據具有更好的適用性。實驗所得的氧氣體積分數YO2依據理想氣體定律可換算為氧氣物質的量nO2，再依據摩爾質量MO2換算為氧氣質量mO2。

將圖1中全脂奶粉頂空氧氣體積分數按上述方法換算得到其消耗的氧氣總量，即能夠獲得耗氧量的累加趨勢（圖2）。同頂空氧氣體積分數變化速率趨勢相似，耗氧量累加速率在減緩，即全脂奶粉的耗氧率在貯藏后期呈現明顯下降的趨勢，前21 d平均耗氧率為1.45h 10－3mg/（gg d），貯藏后期最后21 d的平均耗氧率為8.47h 10－4mg/（gg d），下降了約41.59%。

圖2 非滲透包裝全脂奶粉耗氧量的變化Fig.2 Change in oxygen consumption of non-permeable packaged whole milk powder during accelerated storage

貯藏過程中，包裝頂空氧含量逐漸下降，并使頂空氧分壓下降，全脂奶粉氧化速率也隨之降低。為此引入kO2，以表征不同頂空氧分壓條件下奶粉的氧化速率。kO2可用時間變化量dt期間氧氣質量變化量dmO2來擬合確定[21]，如公式（3）所示。

式中：dmO2為氧氣質量變化量/mg；dt為貯藏時間延長量/d；kO2為奶粉相對耗氧率/（mg/（gg dg Pa））；pO2為頂空氧分壓/Pa；m為全脂奶粉質量/g。

包裝頂空氧氣質量在氧分壓影響下隨貯藏時間的變化趨勢如圖3所示。該模型擬合度高（R2＝0.99），擬合確定kO2為6.28h 10－8mg/（gg dg Pa），該氧化指標將作為表征全脂奶粉自身氧化速率的參數，用于后續貨架期預測。

圖3 全脂奶粉相對耗氧率擬合曲線Fig.3 Fitting curve of relative oxygen consumption rate of whole milk powder as a function of storage time

2.1.2 奶粉過氧化值變化

過氧化物是脂質氧化過程中產生的主要初級氧化產物[22]。圖4顯示試樣初始POV為0.79 meq/kg，這符合Lloyd等[23]對新鮮脂肪（油脂POV＜1 meq/kg）的定義。在貯藏前21 d全脂奶粉的POV緩慢上升，在21 d后POV急速上升，并在42 d時達到最大值3.36 meq/kg，42～49 d POV急劇下降，下降幅度約56.7%，并在后期維持在低水平，在貯藏第91～112天之間又呈現一定的上升趨勢。與其他研究結果類似，POV存在一些波動，總體上呈現先升高后降低趨勢[24-25]，這是因為過氧化物隨著貯藏時間延長其分解速率高于生成速率[26]。

圖4 非滲透包裝全脂奶粉POV變化趨勢Fig.4 Trend of peroxidation value of non-permeable packaged whole milk powder during storage

2.1.3 奶粉感官評分變化

一般情況下新鮮奶粉的味道很淡，帶有一定乳制品的香甜味。奶粉常見的異味有酸味、澀味、蒸煮味、缺乏新鮮度、腐臭和哈敗味[27]。如圖5所示，全脂奶粉的感官評分在較長時間內明顯增加，圖中虛線為不可接受的感官評價閾值，試樣在貯藏時間28～35 d這一時間段已超過感官評分閾值2.5，即達到貨架期，這與Kulchan等[28]研究的全脂奶粉貨架期相近。結合POV的變化趨勢（圖4），POV在42 d時達到最高值，符合產品在達到峰值POV之前就已被視為異常這一研究結論[29]。

圖5 非滲透包裝全脂奶粉感官評分的變化Fig.5 Changes in sensory evaluation score of non-permeable packaging whole milk powder during storage

2.1.4 奶粉耗氧量閾值的確定

綜合感官評價和主要氧化產物POV分析結果，可確定當達到感官評價閾值和POV閾值時所對應的單位質量全脂奶粉mO2,max。

在非滲透包裝高溫加速氧化貯藏實驗中，試樣感官評分在28～35 d這一時間段達到閾值，此時初級氧化產物POV在2.455～2.922 meq/kg之間，頂空氧氣體積分數區間為18.93%～18.47%。為便于后續探究，取該時間段的POV平均值2.688 meq/kg作為POV閾值，這與Cesa等[30]研究的全脂奶粉的POV閾值（2.6 meq/kg）相近。假設28～35 d這一時間段以同樣速率消耗頂空氧氣生成氧化產物POV，通過比例法預估當POV達到2.688 meq/kg時，棕色瓶頂空氧氣體積分數為18.70%，這一時間段總共消耗氧氣1.2442 mg，計算得到mO2,max為0.04147 mg/g，以此作為貨架期的預測參數。

2.2 全脂奶粉貨架期預測模型的建立

2.2.1 包裝頂空氧氣體積分數預測模型

包裝頂空氧氣體積分數發生變化，主要因為產品氧化反應的耗氧作用以及由包裝內外存在氧氣壓差導致的氧氣滲透。Witik等[21]研究兩個傳質過程并建立了軟包裝咖啡頂空的氧分壓動態模型，本研究在該研究基礎上建立軟包裝全脂奶粉頂空的氧氣體積分數動態模型和產品貨架期預測模型。

奶粉耗氧作用。全脂奶粉在時間dt消耗的氧氣質量與其自身kO2和此時頂空氧分壓相關，則全脂奶粉耗氧量可用公式（4）表示。

式中：mO2,消耗為全脂奶粉氧氣消耗質量/m g；dt為貯藏時間/d；kO2為全脂奶粉的相對耗氧率/（mg/（gg dg Pa））；pO2（tn－1）為tn－1時刻包裝頂空氧分壓/Pa；m為全脂奶粉質量/g。

包裝氧氣滲透。根據Fick定律，包裝在時間dt滲透的氧氣質量與包裝透氧性能、滲透面積和此時頂空氧分壓差相關，則滲透氧質量可用式（5）表示。

式中：mO2,滲透為包裝氧氣滲透質量/mg；dt為貯藏時間/d；K為包裝材料透氧系數/（mol/（m2g dg Pa））；A為包裝滲透總面積/m2；pO2,atm為環境氧氣分壓/Pa；pO2（tn－1）為tn－1時刻包裝頂空氧分壓/Pa。

為便于分析，進一步將上述氧氣質量指標轉化為體積分數，如公式（6）所示。

式中：YO2為包裝內頂空氧氣體積分數/%；YO2,atm為貯藏環境氧氣體積分數/%；patm為貯藏環境氣體總壓/Pa；YO2（tn－1）為tn－1時刻包裝內頂空氧氣體積分數/%；pHS為包裝頂空氣體總壓/Pa；VO2為該貯藏溫度下氧氣摩爾體積/（L/mol）；MO2為氧氣摩爾質量/（g/mol）；VHS為包裝頂空體積/mL。

2.2.2 全脂奶粉包裝貨架期預測模型

進一步依據mO2,max預測軟包裝全脂奶粉的貨架期。在已知多個t時刻頂空氧氣體積分數的前提下，全脂奶粉包裝貨架期可通過公式（7）預測，即當全脂奶粉達到貨架期時，每克產品消耗的氧氣質量總和達到閾值。

式中：mO2,max為產品達到貨架期時每克奶粉消耗的氧氣質量/mg；SL為全脂奶粉包裝貨架期/d。

2.3 全脂奶粉包裝貨架期預測模型的驗證

圖6為頂空氧氣體積分數預測值與實測值之間的關系。頂空氧氣體積分數呈現相似下降趨勢，貯藏前期頂空氧氣體積分數下降速率快，貯藏后期頂空氧氣體積分數變化趨于平緩。實測值整體低于預測值，兩者最大相對偏差為2.78%（R2＝0.89）。說明該動態頂空氧氣體積分數預測模型可靠。

圖6 復合膜包裝頂空氧氣體積分數的預測值與實測值Fig.6 Good agreement between predicted and measured values of headspace oxygen concentration in osmotic packaging

已知包裝在PET/PE 袋內的全脂奶粉mO2,max為0.04147 mg/g，根據建立的貨架期預測模型得出全脂奶粉貨架期為31 d。

如圖7所示，28 d時奶粉已出現同新鮮奶粉稍有差異（感官評分超過2）的味道，35 d時奶粉感官評分超過閾值2.5，因此確定貨架期在28～35 d這一時間段內。依據測得的實際頂空氧氣體積分數計算得到在貯藏33 d試樣消耗氧氣質量接近mO2,max，以此判斷實際貨架期為33 d，預測貨架期與實際貨架期相近，相對偏差為6.06%。因此，基于包裝頂空氧氣體積分數變化快速預測奶粉貨架期是有效的。

圖7 復合膜包裝全脂奶粉感官評分的變化Fig.7 Changes in sensory evaluation score of osmotic film packaged whole milk powder

3 結論

全脂奶粉的貨架期會受到多種因素的影響，這使得貨架期預測成為一個復雜的過程。本研究提出基于頂空氧氣體積分數快速預測全脂奶粉氧化進程及其貨架期的方法，首先對全脂奶粉自身氧化特性進行表征，根據感官評分以及已有研究確定其POV閾值為2.688 meq/kg，mO2,max為0.04147 mg/g。其次，建立包裝頂空氧氣體積分數、包裝氧氣滲透性能、產品奶粉氧化特性三者關于時間的微分函數，并進一步獲得產品消耗氧氣總質量模型，以此預測產品貨架期。最后基于45 ℃ PET/PE袋裝全脂奶粉加速氧化實驗，驗證預測貨架期，其預測貨架期與實驗實測結果相對偏差小于10%。