莼菜煉乳的配方優(yōu)化

賈小麗 陳加展 劉 蘭 董藝凝

(1.滁州學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.雅客食品(滁州)有限公司，安徽 滁州 239000；3.福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

煉乳是一種經(jīng)過濃縮而形成的乳制品，其加工工藝是將乳品經(jīng)過加熱殺菌，然后溶入一定比例的糖，經(jīng)濃縮除去部分水分而得到產(chǎn)品。根據(jù)煉乳的含糖量不同，可分為甜煉乳、淡煉乳、調(diào)制煉乳等；按照原料乳中是否含有脂肪，可分為全脂煉乳和脫脂煉乳；甜煉乳是向牛乳中加入16%左右的蔗糖，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去原體積60%左右的水分，使得最終體積占原體積40%的乳制品。經(jīng)過濃縮得到的煉乳有較高的糖分，滲透壓提高，具有一定的抑菌效果，從而延長產(chǎn)品的保藏期[1]。

莼菜(Brasenia schreberi)又名馬蹄菜、湖菜，是一種多年生草本植物，多生長于溫暖的河流，在我國主要生長于江蘇太湖、浙江西湖及湖北省。莼菜干重含有蛋白質(zhì)24.7%—36.5%，糖類2.54%—8.65%，富含大量的Ca、Fe、Zn等礦物質(zhì)元素，其中莼菜富集微量元素鋅的功能尤為顯著，被譽為植物“鋅王”，是一種純天然的補鋅野菜。莼菜中還含有多種氨基酸和微量元素，其中以谷氨酸、天門冬氨酸、亮氨酸含量尤為豐富。常食用可以清熱、降火、消除水腫，還有促進(jìn)排毒等保健作用。莼菜粘液含有豐富的可溶性多糖和蛋白質(zhì)等物質(zhì)，具有一定的抗癌活性[2]。

本研究將莼菜提取的粘液加入到甜煉乳生產(chǎn)中，研發(fā)一款煉乳新產(chǎn)品；利用莼菜粘液來改善甜煉乳的品質(zhì)，且保留天然植物的保健功效，提高產(chǎn)品的營養(yǎng)價值，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

全脂奶粉、莼菜、蔗糖、乳糖；YRE-301旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、TA.XTplus型物性測試儀、JL-1166型激光粒度分布測試儀等。

1.2 實驗方法

1.2.1 生產(chǎn)工藝

(1)莼菜粘液的制備：取莼菜若干，用清水沖洗，置于榨汁機運轉(zhuǎn)1 min，過三層紗布備用；

(2)甜煉乳的制備：

①原料乳預(yù)熱殺菌：稱取14.3g全脂奶粉，加入實驗中設(shè)定的莼菜粘液添加量和水(保證總體積為100mL，主要是根據(jù)牛奶中水的比例推算)置于95℃水浴鍋中，加熱10min。

②溶糖階段：加入實驗中設(shè)定的蔗糖添加量至已預(yù)熱殺菌的牛奶中，攪拌均勻，使之充分溶解，預(yù)熱5min之后取出。

③濃縮階段：將預(yù)熱殺菌處理得到的牛奶和蔗糖的混合液冷卻至57℃左右，然后倒入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的燒瓶中，使得樣液浸沒于恒溫55℃的水浴鍋中，濃縮30min。

④冷卻階段：經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)所得到的產(chǎn)品用涼水沖洗，迅速降溫至20℃左右。

⑤結(jié)晶階段：經(jīng)過冷卻后的產(chǎn)品加入實驗設(shè)定的乳糖添加量，攪拌15min。然后置于冰箱中冷卻結(jié)晶8 h,得到最終的產(chǎn)品。

1.2.2 單因素實驗

(1)因素一：莼菜粘液添加量

取全脂奶粉14.3g，量取以煉乳終體積為基準(zhǔn)的5%、7.5%、10%、12.5%、15%作為莼菜粘液的添加量，加入相應(yīng)的水(保證粘液和水的體積為100mL)，經(jīng)過95℃水浴加熱10min后，均加入20%的蔗糖水浴加熱5min；在相同的濃縮溫度下濃縮相同時間，再加入0.04%的乳糖，攪拌15min冷卻結(jié)晶。測定最終成品莼菜煉乳的粘度和粒度，然后通過比較得出最佳水平的莼菜粘液添加量。

(2)因素二：蔗糖添加量

取全脂奶粉14.3 g和10%的莼菜粘液，然后加入相應(yīng)的水(保證粘液和水的體積為100mL)，經(jīng)過95℃水浴加熱10min后，分別加入以樣液初體積為基準(zhǔn)的10%、15%、20%、25%、30%作為蔗糖的添加量，置于水浴中繼續(xù)加熱5min；在相同的濃縮溫度下濃縮相同時間，再加入0.04%的乳糖，攪拌15min冷卻結(jié)晶。測定最終成品莼菜煉乳的粘度和粒度，然后通過比較得出最佳水平的蔗糖添加量。

(3)因素三：乳糖添加量

取全脂奶粉14.3g和10%的莼菜粘液，然后加入相應(yīng)的水(保證粘液和水的體積為100mL)，經(jīng)過95℃水浴加熱10 min后，均加入20%的蔗糖水浴加熱5min。在相同的濃縮溫度下濃縮相同時間，最后分別加入以煉乳終體積為基準(zhǔn)的0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%作為乳糖的添加量，攪拌15min冷卻結(jié)晶。測量最終成品莼菜煉乳的粘度和粒度，然后通過比較得出最佳水平的乳糖添加量。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

利用上述單因素實驗得出的每個因素的最佳水平，作為響應(yīng)面優(yōu)化實驗設(shè)計的中心點。運用軟件Design-Experter8.0.6設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面優(yōu)化實驗，以莼菜煉乳的粘度和粒度作為響應(yīng)值，確定各個因素在協(xié)同效果時的水平[3]。三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化實驗各個因素的具體水平，見表1。

表1 實驗因素具體水平(Specific level of experimental factors)

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素最佳水平的確定

2.1.1 莼菜粘液添加量的確定

圖1 莼菜粘液添加量與煉乳粘度的關(guān)系Fig1 Relationship between the amount of Brasenia schreberi mucus added and the viscosity of condensed milk

圖2 莼菜粘液添加量與煉乳粒度的關(guān)系Fig2 Relationship between the amount of Brasenia schreberi mucus added and the particle size of condensed milk

當(dāng)蔗糖添加量為20%，乳糖添加量為0.04%時，分析莼菜粘液添加量對甜煉乳品質(zhì)的影響。由圖1可知，當(dāng)莼菜粘液小于10%時，隨著莼菜粘液添加量的增加，煉乳粘度下降[4]，可能是由于莼菜粘液中含有部分熱水溶的水性多糖，在煉乳在95 ℃預(yù)熱過程中發(fā)生溶解，使粘度下降。當(dāng)莼菜粘液從10%增加到15%，莼菜煉乳的粘度經(jīng)歷先上升后下降的過程。當(dāng)處于12.5%時所對應(yīng)的煉乳粘度最大，可能是由于莼菜粘液中水溶性多糖和堿溶性多糖存在一個特定的比例，比例適當(dāng)時粘度最大，大于或小于這一比例時，粘度都會有所下降。

由圖2可知：當(dāng)莼菜粘液小于7.5%時，隨著莼菜粘液添加量的增加，粒度大小呈增長趨勢，這可能由于莼菜粘液含量增多，導(dǎo)致產(chǎn)品中含有的雜質(zhì)增多，使煉乳的粒度增大[5]；當(dāng)莼菜粘液由7.5%增長到10%時，呈現(xiàn)下降趨勢，可能由于乳糖和煉乳發(fā)生了較好的融合，形成的晶核數(shù)量合適，從而產(chǎn)品的粒度有所下降；當(dāng)繼續(xù)增大莼菜粘液的添加量時，煉乳的粒度呈現(xiàn)增長的趨勢，主要是由于莼菜粘液增多，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去大量水分，得到粘液較多的終產(chǎn)品，使加入的乳糖未能與粘液發(fā)生較好的融合，以至于煉乳未能快速短時間內(nèi)形成晶狀，而是后期自發(fā)結(jié)晶或結(jié)塊，因此，導(dǎo)致粒度增大，顆粒感增加。結(jié)合上述分析，最終取得莼菜粘液添加量12.5%作為響應(yīng)面優(yōu)化實驗的中心點，主要由于加入12.5%的莼菜粘液時，煉乳的粘度最大。根據(jù)資料顯示，粒度小于10μm時，舌感細(xì)膩，不會出現(xiàn)粉狀或砂感，因此，在合適的粒度范圍內(nèi)。

2.1.2 蔗糖添加量的確定

圖3 蔗糖添加量與煉乳粘度的關(guān)系Fig3 Relationship between the amount of sucrose added and the viscosity of condensed milk

圖4 蔗糖添加量與煉乳粒度的關(guān)系Fig4 Relationship between the amount of sucroseadded and the particle size of condensed milk

當(dāng)莼菜粘液添加量10%，乳糖添加量為0.04%時，分析蔗糖添加量對甜煉乳品質(zhì)的影響。由上頁圖3可知，當(dāng)蔗糖添加量由10%增加到25%時，煉乳的粘度呈現(xiàn)一個上升的趨勢，直到增加到一個最大值10.9g，這可能是由于加入的蔗糖充分溶解在液態(tài)乳中，使自由水的含量減少，除去相同體積的水，蔗糖含量越高得到的最終產(chǎn)品粘度越高；而當(dāng)蔗糖含量持續(xù)增加，成品煉乳的粘度又開始下降，可能是由于蔗糖含量高到一定程度時，在煉乳冷卻結(jié)晶的階段，蔗糖也隨之發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，不能完全溶解，從而導(dǎo)致粘度下降。

由圖4可知，當(dāng)蔗糖添加量從10%增加到20%時，產(chǎn)品的粒度呈現(xiàn)下降趨勢，這個階段可能由于添加的蔗糖完全溶解，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)所得到的成品煉乳粒度較小；當(dāng)蔗糖添加量由20%增加到30%時，粒度也隨之逐漸增大，可能是由于冷卻結(jié)晶過程中，蔗糖晶體重新析出，導(dǎo)致煉乳的粒度增大、顆粒感增加。或由于成品中糖分含量較高，自由水含量減少，所以，使乳糖未能很好地發(fā)揮作用，從而導(dǎo)致煉乳的粒度增大，顆粒感增加。結(jié)合上述分析，最終取得蔗糖添加量25%作為響應(yīng)面優(yōu)化實驗的中心點。主要由于加入25%蔗糖時，煉乳的粘度最大，而且粒度小于10μm，在舌感細(xì)膩范圍內(nèi)。

2.1.3 乳糖添加量的確定

圖5 乳糖添加量與煉乳粘度的關(guān)系Fig5 The relationship between the amount of lactose added and the viscosity of condensed milk

圖6 乳糖添加量與煉乳粒度的關(guān)系Fig6 The relationship between the amount of lactose added and the particle size of condensed milk

當(dāng)莼菜粘液添加量為10%、蔗糖添加量為20%時，分析乳糖添加量對甜煉乳品質(zhì)的影響。由圖5可知，當(dāng)乳糖從0.02%增加到0.03%時，煉乳的粘度隨之增加，由于乳糖添加量較少，形成的晶核數(shù)量不足，煉乳最終會自發(fā)冷卻結(jié)晶、結(jié)塊，所以，粘度增加；當(dāng)乳糖添加量繼續(xù)增加，從0.03%增加到0.04%時，所對應(yīng)的成品煉乳的粘度呈現(xiàn)下降的趨勢，這可能是由于形成的晶核數(shù)目較為合理，煉乳在攪拌過程中迅速形成晶狀，粘度有所下降；乳糖添加量持續(xù)增加，煉乳的粘度又隨之增加，這可能是由于乳糖添加較多時，形成了大量的晶核，而煉乳已經(jīng)快速結(jié)晶，但仍然剩余部分晶核，所以，產(chǎn)品自發(fā)進(jìn)行結(jié)晶結(jié)塊現(xiàn)象，使得粘度增加。

由圖6可知，當(dāng)乳糖添加量由0.02%增加到0.03%時，粒度稍許增加，這可能是由于乳糖添加量較少，形成的晶核數(shù)量不足，煉乳最終會自發(fā)冷卻結(jié)晶，所以粒度增大；而當(dāng)乳糖添加量由0.03%增加到0.04%時，粒度降低到最小值4.12μm，這可能由于形成的晶核數(shù)目較為合適，煉乳在攪拌過程中迅速形成晶狀；而當(dāng)乳糖添加量繼續(xù)增加時，煉乳的粒度又呈現(xiàn)增大的狀態(tài)，這可能是由于乳糖添加量增多，煉乳已經(jīng)快速結(jié)晶，但仍然剩余部分晶核，所以，導(dǎo)致煉乳的粒度增加。綜合上述分析，最終選取乳糖添加量為0.03%作為響應(yīng)面優(yōu)化實驗的中心點，主要由于該點時煉乳的粘度最高，雖然在該組中煉乳的粒度最大為5.31μm，仍在舌感細(xì)膩范圍內(nèi)。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗改善甜煉乳的品質(zhì)

2.2.1 響應(yīng)面優(yōu)化實驗設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)對單因素實驗的分析，得出每個因素的最佳水平，作為響應(yīng)面優(yōu)化實驗的中心點，設(shè)計出三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化實驗[6]。具體各個因素的水平如表1、表2所示。其中表1中A表示莼菜粘液添加量12.5%、A-表示10%、A+表示15%；B表示蔗糖添加量25%、B-表示20%、B+表示30%；C表示乳糖添加量0.03%、C-表示0.02%、C+表示0.04%；結(jié)合表1和表2進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實驗，測得莼菜煉乳的粘度和粒度，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗設(shè)計(Response surface experiment design)

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實驗結(jié)果分析

根據(jù)上述響應(yīng)面優(yōu)化實驗得出的結(jié)果[7]，利用Design-Expert8.0.6處理數(shù)據(jù)，分析后得到的二次回歸模型如下：

(1)粘度=+9.62+0.11 * A+0.63 * B+0.16 * C-0.035* A * B+0.34 * A * C-0.038 * B * C-0.18* A2-0.71* B2-0.19 * C2

表3 粘度的回歸方程方差分析結(jié)果(Regression equation analysis of variance)

由表3粘度回歸方程方差分析的結(jié)果可以得出，粘度模型P值小于0.01，失擬性檢驗結(jié)果不顯著(P=0.838 3>0.05)，在此回歸模型中，決定系數(shù)R2=0.967 8，模型校正決定系數(shù)Radj2=0.926 3，可以說明該回歸模型擬合度較好，二次方程模型可靠，可用于分析和篩選出莼菜煉乳的最佳配方。其中一次項AC和二次項B2對粘度的影響極顯著的，所以說明莼菜粘液添加量與乳糖添加量對莼菜煉乳粘度的影響有顯著的交互作用。此外還能從上表中得出影響煉乳粘度的排序為B(蔗糖添加量)>C(乳糖添加量)>A(莼菜粘液添加量)。

最終得到的三個變量對煉乳粘度影響的相應(yīng)響應(yīng)曲面圖，如圖7所示。

圖7 各因素交互作用與粘度的響應(yīng)面Fig 7 Response surface of interaction between factors and viscosity

(2)粒度=+5.52+0.071* A+0.17 * B-0.20* C-0.16 * A * B+1.01 * A * C-0.28 * B * C+0.068 * A2+0.83 * B2+0.50 * C2

表 4 粒度的回歸方程方差分析結(jié)果(Granular regression equation analysis of variance results)

由表4粒度回歸方程方差分析的結(jié)果可以得出：粒度模型P值小于0.000 1，失擬性檢驗結(jié)果不顯著(P=0.670 6>0.05)，在此回歸模型中，決定系數(shù)R2=0.986 8，模型校正決定系數(shù)Radj2=0.969 8，可以說明該回歸模型擬合度較好，二次方程模型可靠，可用于分析和篩選出莼菜煉乳的最佳配方。其中一次項AC和BC，二次項 B2和C2對粒度的影響極顯著的，可以說明莼菜粘液添加量和乳糖添加量、蔗糖添加量和乳糖添加量對莼菜煉乳粒度的影響有顯著的交互作用，此外還能從上表中得出影響煉乳粒度的排序為C(乳糖添加量)> B(蔗糖添加量)>A(莼菜粘液添加量)。

最終得到的三個變量對煉乳粒度影響的相應(yīng)響應(yīng)曲面圖，如圖8所示。

圖8 各因素交互作用與粒度的響應(yīng)面Fig 8 Response surface of interaction between factors and granularity

2.2.3 優(yōu)化參數(shù)及模型的驗證

根據(jù)響應(yīng)面分析軟件Design-Expert8.0.6分析，以粘度作為說明煉乳品質(zhì)的指標(biāo)，得出莼菜粘液添加量為15%、蔗糖添加量為30%、乳糖添加量為0.04%時，莼菜煉乳的生產(chǎn)工藝最佳。所對應(yīng)的最終產(chǎn)品莼菜煉乳的理論粘度為9.77g，理論粒度為5.66μm。按照響應(yīng)面優(yōu)化實驗得出的各因素水平進(jìn)行驗證實驗，測得的實際莼菜煉乳粘度為9.56g，粒度為5.93μm，可以看出理論值和實際值差異較小，所以，說明響應(yīng)面優(yōu)化實驗得出的最終結(jié)果具有可靠性和參考價值。

根據(jù)響應(yīng)面分析軟件Design-Expert8.0.6分析，以粒度作為說明煉乳品質(zhì)的指標(biāo)，得出莼菜粘液添加量為10%、蔗糖添加量為20%、乳糖添加量為0.04%時，莼菜煉乳的生產(chǎn)工藝最佳。所對應(yīng)的最終產(chǎn)品莼菜煉乳的理論粘度為9.73g，理論粒度為5.58μm。按照響應(yīng)面優(yōu)化實驗得出的各因素水平進(jìn)行驗證實驗，測得的實際莼菜煉乳粘度為9.63g，粒度為5.08μm，可以看出理論值和實際值差異較小，所以，說明響應(yīng)面優(yōu)化實驗得出的最終結(jié)果具有可靠性和參考價值。

3 結(jié)論

本文考察了莼菜煉乳的加工工藝，以莼菜煉乳的品質(zhì)作為篩選指標(biāo)，測定產(chǎn)品的粘度和粒度。根據(jù)上述響應(yīng)面優(yōu)化實驗結(jié)果分析可以看出，粒度模型比粘度模型更為顯著，最終選定莼菜粘液添加量為10%、蔗糖添加量為20%、乳糖添加量為0.04%，在這一條件下得到煉乳的粘度為9.63g，粒度為5.08μm。經(jīng)過該實驗得出的莼菜煉乳具有良好的品質(zhì)，而且能很好地拓寬莼菜的應(yīng)用領(lǐng)域，增加煉乳的附加值，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟價值，更好地適應(yīng)市場的多元化需求。