唐曉姝，范大明,2,*，胡博，陳雪梅，閆博文，趙建新,，張灝,

1(江南大學(xué) 國家功能食品工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫，214122) 2(乳品生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，光明股份有限公司，上海，200436) 3(江南大學(xué) 食品學(xué)院，食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫，214122) 4(江蘇省食品安全與質(zhì)量控制協(xié)作創(chuàng)新中心,江蘇 無錫，214122)

牛乳加熱一直是乳制品工業(yè)的關(guān)鍵工藝。商業(yè)加工中的熱處理會對乳成分產(chǎn)生大量的理化變化[1-3]。在乳制品加工中，牛乳的熱處理是必不可少的工序。加熱能夠增加產(chǎn)品的貨架期并提升產(chǎn)品的安全性，但傳統(tǒng)方法也會導(dǎo)致牛乳蛋白和鈣的流失，如高溫瞬時(shí)滅菌乳(UHT乳)中加熱會增加發(fā)生蛋白凝聚的可能[4]?？紤]到國內(nèi)產(chǎn)奶戶眾多、分散，生鮮乳質(zhì)量不佳等問題，針對牛乳的熱處理研究也十分緊迫，而微波作為典型的快速升溫手段，可能會基于牛乳中鈣離子的高介電感應(yīng)特性，在微波場下會振動干預(yù)酪蛋白磷酸基團(tuán)與金屬離子的相互作用，進(jìn)而阻礙蛋白凝聚，并且間接UHT加熱處理可以使大約65%的乳清蛋白變性，而蒸汽噴蒸等直接加熱處理就少得多，只有大約35%[5]。所以，作為典型的直接加熱方式，基于微波場的殺菌新技術(shù)開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

牛奶(光明純牛奶，滅菌乳，250 mL，保質(zhì)期6個(gè)月)；氯化鈣(CaCl2)，乳酸鈣，乳鈣，分析級；水，蒸餾水或超純水。

電子天平，北京賽多利斯天平有限公司；分析天平，德國Sartorius儀器公司；MultiSYNTH微波單模多模合成儀，意大利Milestone公司；熱電偶溫度計(jì)，德國FLUKE公司； HAAKE不銹鋼油浴AC200，Thermo Scientific公司；BT-9300H激光粒度分布儀，丹東市百特儀器有限公司；BT-600型循環(huán)分散泵，丹東市百特儀器有限公司；磁力攪拌器，德國IKA公司；IKA實(shí)驗(yàn)室攪拌器，德國IKA公司；FOSS MilkoScanFT1多功能牛乳分析儀，丹麥福斯公司；熱風(fēng)干燥箱，德國BINDER公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鈣強(qiáng)化牛奶的制備

經(jīng)文獻(xiàn)查詢，參考高品鈣鐵鋅牛奶及其制備方法(專利號：CN 103651846 A)中的鈣添加含量，選定鈣濃度梯度為1、1.25、1.5、1.75、2 mg/g(空白奶)。每次制備100 g鈣-牛乳復(fù)合體系，體系中添加的氯化鈣、乳酸鈣、乳鈣質(zhì)量如表1所示。

表1 100 g鈣-牛乳復(fù)合體系氯化鈣、乳酸鈣、乳鈣添加量Table 1 The additive amount of calcium chloride, calcium lactate,milk calcium in calcium-fortified milk

1.2.2 快速傳導(dǎo)加熱方法

稱取50 g空白樣品于石英燒杯中，置于195 ℃(溫度經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)確定)油浴中，加熱時(shí)保持?jǐn)嚢杵鏖_啟(45 kr/min)，使樣品受熱均勻穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)快速傳熱，控制時(shí)間在3 min以內(nèi)，將牛乳升溫至指定溫度，并使用光線探針檢測樣品內(nèi)部溫度，實(shí)時(shí)記錄體系溫度，畫出溫度曲線作為微波加熱條件設(shè)定的參考溫度曲線。為使樣品溫度不再繼續(xù)升高，處理完應(yīng)馬上將樣品置于冰浴中冷卻。

1.2.3 微波加熱方法

稱取4 g樣品于內(nèi)徑1.2 cm的石英試管內(nèi)，試管套于不產(chǎn)生電磁吸收的聚酯套管內(nèi)，置于微波合成儀腔體樣品池內(nèi)，進(jìn)行微波單模處理，微波頻率2.45 GHz。系統(tǒng)可通過紅外溫度探頭實(shí)時(shí)探測試管溫度。微波合成儀通過調(diào)節(jié)樣品池的振動頻率來保證樣品接受輻射的均勻性和溫度分布的均衡，消除輻射不均勻帶來的誤差，設(shè)置振動頻率10%。設(shè)定程序控制分步加熱，時(shí)間與加熱條件根據(jù)快速傳導(dǎo)加熱方式得到的溫度曲線確定。當(dāng)樣品溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后立即停止微波加熱。為使樣品溫度不再繼續(xù)升高，處理完應(yīng)馬上將樣品置于冰浴中冷卻。

1.2.4 牛乳成分分析方法

分析對比快速傳導(dǎo)加熱方式與微波加熱方式處理后鈣-牛乳復(fù)合體系的的組分差異，使用牛奶分析儀進(jìn)行牛乳成分分析。將快速傳導(dǎo)加熱及微波加熱處理后的樣品各取40 mL于燒杯中，進(jìn)行成分分析并記錄數(shù)據(jù)。待測成分包括脂肪含量、粗蛋白質(zhì)含量、真蛋白質(zhì)含量、乳糖含量、非乳脂固體含量、總固形物含量。

1.2.5 粒徑分析方法

對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行粒徑分析。儀器選用BT-9300H激光粒度分布儀，配合BT-600型循環(huán)分散泵使用。待測樣品包括空白組、經(jīng)熱傳導(dǎo)方式加熱處理的牛奶樣品和經(jīng)微波加熱處理的牛奶樣品。測試前將樣品置于(20±1)℃保持 30 min使樣品溫度恒定，且所有樣品未經(jīng)任何稀釋處理。將適量樣品加入以水為分散介質(zhì)的樣品池中，開啟超聲波進(jìn)行分散，在轉(zhuǎn)速為320 r/min的條件下測定，得粒徑分布圖。每個(gè)樣品重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 加熱方式對鈣強(qiáng)化牛乳的組分、熱穩(wěn)定性的影響

2.1.1 微波加熱與快速傳導(dǎo)加熱曲線的比較

微波在對物料進(jìn)行加熱的過程中，微波的熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)同時(shí)作用于物料，為了更好的研究微波對物料的加熱以何種效應(yīng)對物料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，本實(shí)驗(yàn)采用快速油浴加熱與微波的快速升溫過程進(jìn)行擬合，考察微波對鈣-牛乳復(fù)合體系的非熱效應(yīng)；同時(shí)，將快速加熱的樣品同微波加熱得到的牛乳樣品進(jìn)行比較，考察不同加熱方式對鈣-牛乳復(fù)合體系組分的影響。(快速傳導(dǎo)升溫曲線——195 ℃，155 s；微波加熱升溫曲線——72 W-15 s，39 W-50 s，33 W-45 s，31 W-45 s)。

預(yù)實(shí)驗(yàn)表明，195 ℃下油浴得到的快速升溫速率適宜，故本實(shí)驗(yàn)采用MultiSYNTH微波合成儀微波程序控溫(程序?yàn)椋?2 W-15 s，39 W-50 s，33 W-45 s，31 W-45 s)模擬快速傳導(dǎo)，使微波與快速傳導(dǎo)加熱的各階段升溫速率相同，如圖1所示。

圖1 空白組快速傳導(dǎo)加熱和微波擬合曲線Fig.1 Rapid heating and fitting curves of microwave heating of blank milk

運(yùn)用Corrcoef函數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出其復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.998 2(0≤R2≤1)，由此可知，快速傳導(dǎo)加熱模型與微波處理過程擬合度很高，達(dá)到了很好的模擬效果。微波、快速傳導(dǎo)的平均加熱速率分別為 0.46 、0.46 ℃/s。

2.1.2 不同加熱方式對鈣強(qiáng)化牛乳組分的影響

圖2為乳鈣-牛乳體系通過不同升溫方式加熱到45 ℃和95 ℃時(shí)各組分的變化。由圖2可以看出，在45 ℃時(shí)，脂肪、粗蛋白、真蛋白、乳糖、非乳脂固體、總固形物和冰點(diǎn)在微波加熱和快速傳導(dǎo)加熱方式下各組分含量基本相同。在95 ℃、快速傳導(dǎo)加熱方式下，各組分含量均高于在微波加熱方式下的各組分含量。由此可看出，快速傳導(dǎo)加熱方式下的組分不穩(wěn)定而微波加熱穩(wěn)定。說明熱處理到高溫后，微波加熱對牛乳體系組分的影響不大且比較穩(wěn)定，但從增加牛乳營養(yǎng)組分層面考慮，快速傳導(dǎo)加熱方式優(yōu)于微波加熱方式。

圖2 乳鈣加熱到45 ℃和95 ℃的各組分變化Fig.2 Composition changes of milk calcium heated to 45 ℃ and 95 ℃

2.1.3 不同加熱方式對牛乳熱穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，95 ℃下微波加熱處理與快速傳導(dǎo)加熱處理的1.5 mg/g乳鈣-牛乳復(fù)合體系粒徑分布曲線未出現(xiàn)明顯差異，大體分布在0.1～1 μm。說明微波場下不同加熱方式對牛乳體系熱穩(wěn)定性影響較小。以下實(shí)驗(yàn)選用微波加熱方式。

圖3 乳鈣用不同加熱方式達(dá)到95 ℃的粒度變化Fig.3 Particle size distribution of milk calcium-milk after heating to 95 ℃ using different methods

2.1.4 微波加熱過程中牛乳的熱穩(wěn)定性

由表2看出，空白牛乳經(jīng)相同微波條件加熱處理至不同溫度的樣品粒徑發(fā)生了明顯變化。以乳鈣-牛乳體系為例，伴隨著熱處理程度的增加，牛乳體系的粒徑分布向大顆粒偏移，微波加熱至95 ℃的牛乳粒徑只有14.51%達(dá)到了10～100 μm。原因可能是因?yàn)樵?5 ℃時(shí)牛奶蛋白發(fā)生聚集比較嚴(yán)重，有大量沉淀位于容器底部或黏著在杯壁上，取樣不均勻所致。為更好開展分析，以下研究以處理至95 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，考察微波場下不同鈣存在形式、不同鈣濃度以及不同加熱方式對牛乳熱穩(wěn)定性的影響。

2.2 不同鈣存在形式對牛乳的組分、熱穩(wěn)定性的影響

2.2.1 不同鈣存在形式對牛乳組分的影響

將經(jīng)不同鈣源強(qiáng)化的牛奶體系進(jìn)行微波加熱處理，鈣濃度選取1.50 mg/g，保留加熱至95℃的樣品，利用牛奶分析儀進(jìn)行組分測定。得出數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，微波加熱處理后，不同鈣存在形式對1.5 mg/g鈣-牛乳復(fù)合體系的組分有一定影響。其中，乳鈣體系中各組分含量穩(wěn)定，且相比乳酸鈣、氯化鈣2種添加方式，脂肪、乳糖含量較高。

表3 不同鈣源的組分變化Table 3 Changes in composition of systems prepared using different calcium sources

2.2.2 不同鈣存在形式對牛乳熱穩(wěn)定性的影響

圖4為乳鈣、乳酸鈣和氯化鈣-牛乳體系加熱至95 ℃時(shí)的粒徑分布。乳鈣-牛乳體系的粒子主要集中在0.1～1 μm，其中粒徑為0.82 μm的粒子最多，在1.0～100 μm的粒子分布較少，超過100 μm的粒子幾乎沒有。而在乳酸鈣和氯化鈣-牛乳體系粒徑分布中，0.1～1 μm的粒子分布幾乎沒有，大部分集中在10～340 μm，小部分分布在1.0～10 μm。說明乳鈣對牛乳體系的熱穩(wěn)定性的影響較小，牛奶中無蛋白質(zhì)凝固沉淀，相比之下，CaCl2、乳酸鈣對牛乳體系的熱穩(wěn)定性的影響較大，形成大顆粒較多，絮凝嚴(yán)重。

圖4 不同鈣源在95 ℃的粒度變化Fig.4 Particle size distribution after heating at 95 ℃ for different calcium forms

采用乳鈣可使乳的組織結(jié)構(gòu)更加均勻；由于其具有的緩沖效應(yīng)，使體系pH值保持穩(wěn)定[6]，從而使添加乳鈣對牛乳體系熱穩(wěn)定性的影響較小。而加入氯化鈣、乳酸鈣后，由于鈣離子處于離子態(tài)，打破了體系原有的鹽類平衡：αs1-酪蛋白與游離金屬離子發(fā)生吸附，膠體磷酸鈣溶解，酪蛋白失去其靜電荷而發(fā)生凝集作用，脂肪不斷發(fā)生聚合形成的較大脂肪顆粒以及蛋白質(zhì)、鈣質(zhì)沉淀后聚合形成較大顆粒。這充分說明氯化鈣/乳酸鈣-牛乳復(fù)合體系熱穩(wěn)定性較差，內(nèi)部不斷發(fā)生聚合，細(xì)小脂肪粒和酪蛋白顆粒逐步聚合形成較多大顆粒，絮凝較嚴(yán)重[7]。因此以下實(shí)驗(yàn)選取乳鈣的添加方式。

2.3 不同鈣濃度對牛乳的組分、熱穩(wěn)定性的影響

2.3.1 不同鈣濃度對牛乳組分的影響

選用乳鈣強(qiáng)化方式進(jìn)行研究，由表4可知，微波加熱95 ℃處理后，不同鈣濃度對牛乳復(fù)合體系的脂肪含量、乳糖含量影響較大，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。對其蛋白質(zhì)含量、冰點(diǎn)等指標(biāo)影響較小。

表4 不同強(qiáng)化濃度牛乳體系的組分變化Table 4 Effect of concentration of milk calcium on the microwave-induced changes of the composition of the milk system

綜合表4的數(shù)據(jù)分析，在不同溫度下，乳鈣-牛乳復(fù)合體系中鈣添加量在1.50～1.75 mg/g時(shí)，脂肪、粗蛋白、真蛋白、乳糖、非乳脂固體等組分含量均處于最高值。

2.3.2 不同鈣濃度對牛乳熱穩(wěn)定性的影響

分別加熱1.00、1.25、1.5、1.75、2.00 mg/g的乳鈣-牛乳至95℃，復(fù)合體系的粒徑基本分布在0.1～1 μm，呈現(xiàn)一致性。說明微波場下不同鈣濃度對牛乳體系熱穩(wěn)定性基本無影響，且牛乳體系大顆粒分布較少，無凝固沉淀。

3 結(jié)論

熱處理牛乳至適口溫度或者高溫，微波加熱對牛乳體系組分的影響不大且比較穩(wěn)定，如果從增加牛乳營養(yǎng)組分層面考慮，快速傳導(dǎo)加熱方式優(yōu)于微波加熱方式；但微波加熱方式較快速傳導(dǎo)加熱方式更加簡單、方便，若復(fù)熱乳品，微波加熱方式是極佳的選擇。

在微波加熱至95 ℃時(shí)，添加乳鈣，其中鈣含量在1.50～1.75 mg/g時(shí)，牛乳體系熱穩(wěn)定性較好，且脂肪、粗蛋白、真蛋白、乳糖、非乳脂固體等組分含量較高。

4 展望

在快節(jié)奏的現(xiàn)代生活中，復(fù)熱液態(tài)奶的品質(zhì)是消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)。微波作為典型的快速復(fù)熱手段，其加熱后的使用安全性一直備受爭議。通過該研究可以實(shí)現(xiàn)對液態(tài)食品微波加熱過程的客觀描述，為牛乳加工中熱處理強(qiáng)度及加熱方式的選擇提供理論指導(dǎo)。此外，還可為分析微波場下鈣引發(fā)的牛乳蛋白聚合過程干預(yù)機(jī)制的研究提供理論依據(jù)，進(jìn)而為開發(fā)微波殺菌技術(shù)奠定基礎(chǔ)，解決牛乳間接熱加工中出現(xiàn)的粘壁、結(jié)焦等相關(guān)技術(shù)問題，對工業(yè)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。