影响生鲜马乳热稳定性因素的研究

苗 森,王 璐,王小标,祁 天,赵志威,武 运,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830052;2.新疆农业大学科学技术学院,新疆乌鲁木齐 830052)

影响生鲜马乳热稳定性因素的研究

苗 森1,王 璐2,王小标1,祁 天1,赵志威1,武 运1,*

(1.新疆农业大学食品科学与药学学院,新疆乌鲁木齐 830052;2.新疆农业大学科学技术学院,新疆乌鲁木齐 830052)

本文以生鲜马乳为研究对象,采用热凝固时间法(HCT)测定了不同温度、pH、Ca2+、干酪素以及螯合剂对生鲜马乳热稳定性的影响。结果表明:随着加热温度的升高、Ca2+浓度的增加会导致生鲜马乳的热稳定性不同程度的降低,磷酸二氢钠浓度的增加对生鲜马乳的热稳定性影响不显著,磷酸氢二钠浓度的增加会导致生鲜马乳的热稳定性不同程度的增高,pH、柠檬酸三钠和干酪素对生鲜马乳影响显著。通过二次回归旋转组合模型得到pH、柠檬酸三钠和干酪素对生鲜马乳热稳定性作用的最佳组合范围是pH6.71～6.83,柠檬酸三钠浓度0.34～0.44 g/L,干酪素浓度3.29～3.68 g/L。结论:优化了生鲜马乳最适加工的热稳定的范围,确保马乳制品良好的品质,为马乳制品的加工企业提供指导,具有较高的应用前景。

生鲜马乳,热稳定性,二次回归旋转组合设计

生鲜马乳含有的丰富营养物质以及人体所必需的脂肪酸及氨基酸,是磷和钙的比例最接近母乳的乳品[1]。其蛋白质含量高,对于修补人体组织、促进生长发育、调节生理机能、增加抵抗力和供给热能具有一定的作用,马乳制品也深受草原牧民的喜爱[2]。生鲜马乳的稳定性会影响其产品的稳定性,而乳制品质量的重要体现就是其稳定性[3]。热稳定性作为生鲜马乳最重要的加工特性之一,对其制品的品质起着至关重要的影响[4]。生鲜马乳与生鲜牛乳不同,在加热时会产生明显的分层现象。不论是生产酸马乳产品的杀菌处理,还是对要饮用或保存的生鲜马乳进行煮沸、巴氏杀菌等方式进行处理,这些处理对生鲜马乳的营养成分以及制品的品质均有一定的影响。目前关于马乳制品的研究很多,但是关于生鲜马乳的研究较少[5]。通过研究加热温度、pH以及螯合剂对生鲜马乳的影响,确定生鲜马乳最适热稳定性的范围,为马乳制品的加工以及品质提高提供理论依据。为了确保马乳制品良好的食用品质,对生鲜马乳稳定性进行研究具有重要的实际应用意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

生鲜马乳:实验用生鲜马乳来自新疆伊犁昭苏马场乳用马所产的生鲜乳,采样后立刻在-40℃冷冻保存;无水氯化钙(分析纯):天津市东丽区李明庄工业区;干酪素(食品级):甘肃省华安生物制品公司;磷酸二氢钠(分析纯):天津市光复科技发展有限公司;磷酸氢二钠(分析纯):天津市凯通化学试剂有限公司;柠檬酸三钠(分析纯):天津市福晟化学试剂厂。

梅特勒-托利多实验室pH计(FE20) 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;HH-S数显恒温油浴锅 金坛市医疗器械厂;恒温磁力搅拌器 上海恒科学仪器有限公司;FA2204B电子天平 上海精科天美科学仪器有限公司;DDJ-10多功能电子计时器 上海中迪电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 热稳定性实验 采用Fox热凝固时间法[6](HCT值)进行测定。将1 mL的生鲜马乳放入试管中,敞口置于140 ℃预热的恒温油浴锅中加热,用秒表记录开始加热到乳样出现沉淀挂壁所用的时间,即HCT值,每组实验重复3次,求平均值,即得HCT值。

1.2.2 温度对生鲜马乳热稳定性的影响 用0.1 mol/L的HCl 0.1 mol/L的NaOH将待测生鲜马乳样品的pH调至6.7,采用恒温油浴锅分别测定生鲜马乳样品在100、105、110、115、120、125、130、135、140 ℃的HCT值。

1.2.3 pH对生鲜马乳热稳定性的影响 用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH将待测生鲜马乳样品的pH分别调至6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0,分别测定乳样在140 ℃时的HCT值。

1.2.4 Ca2+对生鲜马乳热稳定性的影响 将待测生鲜马乳样品的pH调至6.7,添加CaCl2配制成Ca2+浓度分别为0、0.4、0.6、0.8、1.0 g/L的乳样,分别测定乳样在140 ℃时的HCT值。

1.2.5 干酪素对生鲜马乳热稳定性的影响 将待测生鲜马乳样品的pH调至6.7,添加干酪素配制成干酪素浓度分别为0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.0 g/L的乳样,分别测定乳样在140 ℃时的HCT值。

1.2.6 螯合剂对生鲜马乳热稳定性的影响 将待测生鲜马乳样品的pH调至6.7,添加柠檬酸三钠配制成柠檬酸三钠浓度分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 g/L的乳样,分别测定乳样的pH和其在140 ℃时的HCT值。

将待测生鲜马乳样品的pH调至6.7,添加磷酸二氢钠配制成磷酸二氢钠浓度分别为0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0 g/L的乳样,分别测定乳样的pH和其在140 ℃时的HCT值。

将待测生鲜马乳样品的pH调至6.7,添加磷酸氢二钠配制成磷酸氢二钠浓度分别为0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0 g/L的乳样,分别测定乳样的pH和其在140 ℃时的HCT值。

1.2.7 生鲜马乳的热稳定性的优化 综合单因素实验结果选取对生鲜马乳热稳定性影响最大的三个因素pH、干酪素浓度、柠檬酸三钠浓度,利用DPSv14.50进行二次回归旋转组合对生鲜马乳的热稳定性进行优化,因素水平表见表1。

表1 二次回归旋转组合实验因素水平表

1.2.8 数据处理 使用Excel2007和DPSv14.50软件通过二次回归旋转组合设计优化生鲜马乳的热稳定性,建立模型分析。

2 结果与分析

2.1 温度对生鲜马乳热稳定性的影响分析结果

由图1可知,在100～140 ℃的范围内随着温度的升高,生鲜马乳的HCT值显著减小(p<0.01),100 ℃的HCT值为62 s,140 ℃的HCT值为41 s。随着温度的升高生鲜马乳的热稳定性降低。温度对生鲜马乳的热稳定性的影响较大,乳中的酪蛋白在高温处理下变性沉淀,同时乳清蛋白变性吸附在酪蛋白胶粒上从而改变了胶粒的稳定性,可能是由于温度的升高破坏了氢键,改变了体系的疏水性导致生鲜马乳蛋白质体系发生变化,从而热稳定性降低[7-8]。

图1 温度对生鲜马乳热稳定性的影响Fig.1 The influence of temperature to thethermal stability of the fresh mare’s milk

2.2 pH对生鲜马乳热稳定性的影响分析结果

由图2可知,随着生鲜马乳pH的增加,其HCT值显著上升(p<0.01),在pH为6.7时HCT值为41 s达到最大值;当pH大于6.7时,随着pH的继续增加,生鲜马乳的HCT值显著下降(p<0.05)。HCT值下降的原因可能是由于生鲜马乳中的酪蛋白是两性电解质,pH的变化会影响其酪蛋白和乳清蛋白的相互作用从而影响生鲜马乳的热稳定性,由此可见pH是影响生鲜马乳热稳定性的一个重要因素[9]。由于pH对生鲜马乳的热稳定性影响显著,选择此因素作为优化实验因素。

图2 pH对生鲜马乳热稳定性的影响Fig.2 The influence of pH to thethermal stability of the fresh mare’s milk

2.3 Ca2+对生鲜马乳热稳定性的影响分析结果

由图3可知,Ca2+浓度在0～1 g/L的范围内升高会导致生鲜马乳的热稳定性显著降低(p<0.05)。可能是生鲜马乳中Ca2+离子会与磷酸盐或柠檬酸盐相结合,形成的磷酸钙与酪蛋白会结合成一种酪蛋白聚合体,从而降低了生鲜马乳中可溶性酪蛋白的含量导致生鲜马乳热稳定性降低[10-11]。由于添加Ca2+会导致生鲜马乳的热稳定性逐渐降低,不采用Ca2+浓度作为优化因素。

图3 Ca2+对生鲜马乳热稳定性的影响Fig.3 The influence of Ca2+ to thethermal stability of the fresh mare’s milk

2.4 干酪素对生鲜马乳热稳定性的影响分析结果

由图4可知,当干酪素的浓度为0～3.5 g/L时,生鲜马乳HCT值显著上升(p<0.01);当干酪素的浓度增加到3.5 g/L时生鲜马乳的HCT值为64 s达到最高;当干酪素浓度为3.5～5 g/L时,生鲜马乳的HCT值显著下降(p<0.01)。添加干酪素改变了生鲜马乳中原有酪蛋白和乳清蛋白的比例关系。生鲜马乳的HCT值下降可能是由于干酪素浓度过高破坏了生鲜马乳自身体系的稳定[12]。由于干酪素的浓度对生鲜马乳的热稳定性影响显著,选择此因素作为优化实验因素。

图4 干酪素对生鲜马乳热稳定性的影响Fig.4 The influence of casein to thethermal stability of the fresh mare’s milk

2.5 螯合剂对生鲜马乳热稳定性的影响分析结果

由图5可知,当柠檬酸三钠浓度为0～0.4 g/L时,生鲜马乳HCT值显著上升(p<0.01);当柠檬酸三钠的浓度增加到0.4 g/L时生鲜马乳的HCT值为71 s达到最高;当柠檬酸三钠浓度为0.5～1 g/L时,随着柠檬酸三钠浓度的继续增加,生鲜马乳的HCT值显著下降(p<0.01)。随着柠檬酸三钠浓度的增加生鲜马乳的pH逐渐上升。柠檬酸三钠能有效的螯合生鲜马乳中的游离Ca2+,从而增加生鲜马乳的热稳定性[13]。由于柠檬酸三钠浓度的增加,pH明显增大从而又降低了生鲜马乳的热稳定性[14]。由于柠檬酸三钠的浓度对生鲜马乳的热稳定性影响显著,选择此因素作为优化实验因素。

图5 柠檬酸三钠对生鲜马乳热稳定性的影响Fig.5 The influence of trisodium citrate to thethermal stability of the fresh mare’s milk

由图6可知,随着磷酸二氢钠浓度的增加,对生鲜马乳的热稳定性影响不显著(p>0.05),其HCT值在42～44 s之间上下波动,而生鲜马乳的pH明显下降。磷酸二氢钠是酸性磷酸盐,水解呈弱酸性,虽然磷酸盐能螯合生鲜马乳中的游离Ca2+,但磷酸二氢钠浓度的增加使生鲜马乳的pH明显降低[15-16]。由于磷酸二氢钠浓度的增加对生鲜马乳的热稳定性影响不显著,不作为优化的因素。

图6 磷酸二氢钠对生鲜马乳热稳定性的影响Fig.6 The influence of sodium hydrogen phosphateto the thermal stability of the fresh mare’s milk

由图7可知,当磷酸氢二钠浓度为0～0.3 g/L时,生鲜马乳HCT时间变化显著(p<0.05);当磷酸氢二钠浓度为0.3～0.9 g/L时,生鲜马乳HCT时间变化不显著(p>0.05);当磷酸氢二钠浓度为0.9～1 g/L时,生鲜马乳HCT值显著上升(p<0.01)。随着磷酸氢二钠浓度的增加生鲜马乳的pH呈逐渐上升的趋势。磷酸氢二钠浓度的增加明显提高了生鲜马乳的热稳定性。可能是磷酸氢二钠是碱性磷酸盐,磷酸盐能螯合生鲜马乳中的游离Ca2+的同时能够在乳液体系中释放OH-,使pH增加,从而在0～1 g/L的范围内生鲜马乳的热稳定性明显增大[17-18]。由于在研究的条件范围内酸氢二钠浓度为0.3～0.9 g/L时,生鲜马乳HCT时间变化不显著,所以不选择该因素作为优化实验因素。

图7 磷酸氢二钠对生鲜马乳热稳定性的影响Fig.7 The influence of disodium hydrogen phosphateto the thermal stability of the fresh mare’s milk

2.6 生鲜马乳热稳定性的优化结果

综合单因素实验结果,选取对生鲜马乳热稳定性影响较大的3个因素(pH、干酪素、柠檬酸三钠)作为回归旋转因素,采用二次回归旋转模型进行优化。

2.6.1 二次回归旋转组合实验结果 通过DPSv14.50对上述结果(表2),计算各项回归系数,得到生鲜马乳热凝固时间与pH、柠檬酸三钠和干酪素3因子的数学回归模型:

Y=63.13449+6.61003X1-0.56913X2+1.37127X3-10.16386X12-8.92643X22-4.86056X32+2.75000X1X2-0.25000X1X3-1.25000X2X3。

2.6.2 显著性分析及优化模型 对上述方程中的多项式进行显著性分析结果见表3。

由表3可以得到回归方程的失拟性检验F1=3.32881F0.01(9,13)=4.19极显著,证明模型的预测值和实际值吻合,模型成立。X1(pH的一次交互项)、X12(pH的二次交互项)、X22(柠檬酸三钠的二次交互项)、X32(干酪素的二次交互项)、X1X2(pH与柠檬酸三钠的交互项)都极显著。X2(柠檬酸三钠的一次交互项)、X3(干酪素的一次交互项)、X1X3(pH与干酪素的交互项)、X2X3(柠檬酸三钠与干酪素的交互项)不显著。只有一组交互项显著的原因可能是由于三个因素的取值范围较窄而造成的[19]。

对回归系数显著性检验,在α=0.10显著水平剔除不显著项后,优化的回归方程:

Y=63.13449+6.61003X1+1.37127X3-10.16386X12-8.92643X22-4.86056X32+2.75000X1X2。

表2 二次回归旋转组合实验因素水平表

pH、柠檬酸三钠浓度和干酪素浓度的相关系数R2=0.9839,回归模型的拟合度能较好的拟合出热凝固时间(HCT)与各因素之间的关系,其他因素的误差占1.61%,因此可以用该模型进行分析。

2.6.3 单因素效应分析 由图8可知,pH、柠檬酸三钠和干酪素的添加量对生鲜马乳的HCT值影响趋势都是先增大后减小,pH和柠檬酸三钠的添加量对生鲜马乳HCT值的影响趋势接近。柠檬酸三钠是一种碱性螯合剂,它的添加会影响生鲜马乳的pH从而进一步影响生鲜马乳的热稳定性,所以应该控制柠檬酸三钠添加量来提高生鲜马乳的热稳定性[20]。

表3 实验结果方差分析表

注:
注:**p<0.01,表示差异极显著;* 0.010.05,表示差异不显著。

表4 大于49.39的17个方案中各个因子频率表

图8 单因素效应分析Fig.8 The effect analysis to single factor

2.6.4 双因素效应分析 回归方程中只有pH和柠檬酸三钠的交互作用显著,对其交互效应进行分析:

由图9可知,pH与柠檬酸三钠对生鲜马乳的热稳定性均有影响。当柠檬酸三钠的添加量恒定不变时,随着pH的升高HCT值先升高后下降;当pH恒定不变时,随着柠檬酸三钠的浓度增大HCT值也呈现先升高后下降的趋势。

图9 pH与柠檬酸三钠效应分析图Fig.9 Effect analysis to pH and trisodium citrate

2.6.5 回归方程模拟寻优 根据取得的回归方程,通过DPSv14.50进行频率分析法模拟寻优,得到结果如下:

由表4可知,HCT值大于49.39 s的方案有17个,在95%的置信区间内HCT值大于49.39 s的优化结果是:pH6.71～6.83,柠檬酸三钠浓度0.34～0.44 g/L,干酪素浓度3.29～3.68 g/L,在该条件下生鲜马乳的HCT值范围是为50～66 s。

3 结论

随着加热温度的升高生鲜马乳的热稳定性逐渐降低;pH的增加会导致生鲜马乳的热稳定性先升高再降低;Ca2+浓度的增加会使生鲜马乳的热稳定性逐渐降低;干酪素浓度的增加使生鲜马乳的热稳定性呈先升高再降低的趋势;柠檬酸三钠浓度的增加会使生鲜马乳的热稳定性先升高再降低;磷酸氢二钠浓度的增加使生鲜马乳的热稳定性逐渐升高;磷酸二氢钠浓度对生鲜马乳的热稳定性影响不显著。pH、柠檬酸三钠和干酪素三个因素对生鲜马乳热稳定性作用的最佳条件范围是pH6.71～6.83,柠檬酸三钠浓度0.34～0.44 g/L,干酪素浓度3.29～3.68 g/L,在该条件下生鲜马乳的HCT值范围是为50～66 s。

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Research of the influence factors of thermal stability of Fresh Mare’s Milk

MIAO Sen1,WANG Lu2,WANG Xiao-biao1,QI Tian1,ZHAO Zhi-wei1,WU Yun1,*

(1.College of Food Science and Pharmaceutical Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.College of Science and Technology,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

The objective of the study is to analyze the effects of different temperature,pH,Ca2+,casein and chelating agent on the thermal stability of fresh mare’s milk,using heat coagulation time method(HCT). The results showed that when the temperature and concentration of Ca2+increased,the thermal stability of fresh mare’s milk was degraded to varying degrees. Increasing the concentration of disodium hydrogen phosphate resulted in varying degrees of increasing of the thermal stability of fresh mare’s milk. The thermal stability were significantly influenced by pH,trisodium citrate and casein,but was not significantly influenced by sodium dihydrogen phosphate. Through the quadratic regression rotation composition design,the optimized combined range were pH of 6.71～6.83,the concentration of trisodium citrate of 0.34～0.44 g/L,the concentration of casein of 3.29～3.68 g/L. The results of the study could provide reference for mare’s milk processing enterprises to ensure good quality of mare’s milk products.

Fresh Mare’s Milk;thermal stability;design of quadratic regression rotation composition

2014-10-27

苗森(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：食品生物技术，E-mail:1303699251@qq.com。

*通讯作者:武运(1965-)，女，硕士，教授，从事食品生物技术与食品安全研究，E-mail：wuyunster@sina.com。

国家科技部“十二五”科技支撑项目子课题(2012BAD44B01-05)；新疆维吾尔自治区重大专项子课题(201130101-4(2)-2)。

TS252.1

B

1002-0306(2015)15-0213-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.036