蔡佳昂，盧立新,2,*，盧莉璟,2，潘 嘹,2

（1.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

食品貨架期定義為在特定環(huán)境下可以保證食品質(zhì)量和商業(yè)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(fā)生酸敗，在預(yù)測其貨架期時須考慮氧化劣變的影響[1-2]。正常的脂質(zhì)氧化途徑非常復(fù)雜，脂肪消耗氧氣生成初級氧化產(chǎn)物過氧化物，進(jìn)一步分解成醛、酮、酸等小分子物質(zhì)，影響產(chǎn)品營養(yǎng)價值與商用價值[3-4]，現(xiàn)有研究認(rèn)同該氧化進(jìn)程符合自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)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(fù)合軟包裝膜[8]，復(fù)合包裝膜透氧性一般高于金屬材料，更易造成包裝內(nèi)頂空氧氣含量增加，進(jìn)而增加氧化反應(yīng)物濃度，加速產(chǎn)品氧化，從而縮短貨架期[9]。軟包裝頂空氧氣動態(tài)變化除了受包裝滲透進(jìn)入氧氣的影響之外，還受產(chǎn)品消耗氧氣的影響，同時，軟包裝滲透氧氣和脂質(zhì)產(chǎn)品的氧化速率和氧化進(jìn)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(chǎn)品消耗氧三者相互關(guān)聯(lián)影響。

目前在定義全脂奶粉氧化酸敗時常使用初級氧化產(chǎn)物過氧化值（peroxide value，POV）、維生素含量、感官特性等指標(biāo)[12-14]，預(yù)測氧化貨架期時一般基于POV，但該指標(biāo)測定方法繁瑣且滴定過程容易受主觀影響，導(dǎo)致測定結(jié)果準(zhǔn)確性不足[15]。耗氧量是跟蹤脂質(zhì)氧化程度的較佳指標(biāo)[16]，可表征整個脂質(zhì)氧化過程。Brown[17]已證明，乳制品的氧化風(fēng)味強(qiáng)度隨耗氧量的增加而增加。因此，監(jiān)測包裝內(nèi)頂空氧氣氣體濃度的變化可以判斷產(chǎn)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(chǎn)物表征其氧化進(jìn)程，并利用化學(xué)動力學(xué)模型預(yù)測產(chǎn)品貨架期，對奶粉氧化消耗物氧氣的相關(guān)研究較少，且未建立包裝頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)、包裝滲透氧、產(chǎn)品消耗氧三者的關(guān)聯(lián)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?jǐn)?shù)變化建立的全脂奶粉貨架期預(yù)測模型。

本實驗通過測定非滲透包裝全脂奶粉的氧化指標(biāo)，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(biāo)分析確定奶粉耗氧量閾值（mO2,max）。在此基礎(chǔ)上，評估包裝材料滲透性，建立滲透包裝頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)變化模型，該模型還考慮產(chǎn)品質(zhì)量、頂空體積和初始氧氣含量對頂空氧氣水平的影響，并進(jìn)一步基于頂空氧氣變化模型獲得包裝產(chǎn)品消耗氧氣總量的預(yù)測模型，用以預(yù)測產(chǎn)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(chǎn)于2021年3月。

無水乙醚、無水乙醇、氨水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

RE100-Pro減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 美國賽洛捷克儀器公司；SHK-III循環(huán)水式多用真空泵 鄭州科泰實驗設(shè)備有限公司；恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設(shè)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(tǒng)確定全脂奶粉兩個自身氧化指標(biāo)：kO2和mO2,max。kO2用以表征產(chǎn)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(zhì)量，單位為mg/（gg dg Pa），mO2,max則為產(chǎn)品達(dá)到貨架期時每克奶粉消耗的氧氣質(zhì)量，單位為mg/g。

將約30 g奶粉轉(zhuǎn)移到100 mL棕色玻璃瓶中，并用鋁質(zhì)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?jǐn)?shù)、POV并進(jìn)行感官評價。

1.3.2 建立全脂奶粉貨架期預(yù)測模型的理論方法

測定密封容器中裝有干燥產(chǎn)品的頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)是評估干燥產(chǎn)品氧化穩(wěn)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(dá)到mO2,max時的貯藏時間，擬通過預(yù)測包裝頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)變化來快速準(zhǔn)確預(yù)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(jié)合目前市售產(chǎn)品用復(fù)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(fù)合膜制作包裝袋。該包裝膜透氧系數(shù)為3.89h 10－8mol/（m2g dg Pa），同時制備尺寸0.08 mh 0.13 m的PET/PE復(fù)合膜密封袋。將硅膠墊粘合在復(fù)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(chǎn)品置于（45f 1）℃的恒溫箱中，每7 d測定包裝頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)并進(jìn)行感官評價，貯藏35 d。采用平行試樣3 件。

1.3.4 包裝內(nèi)頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)測定

為減少采樣時空氣傳質(zhì)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差，使用硅膠墊對測定點進(jìn)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?jǐn)?shù)，每次測定前用大氣進(jìn)行校準(zhǔn)。

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(biāo)準(zhǔn) 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(xùn)，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(biāo)準(zhǔn)如表1所示，將感官評分2.5設(shè)置為閾值[20]。

表1 感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory evaluation criteria

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

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

2 結(jié)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)變化與貯藏時間之間近乎為線性關(guān)系，高氧環(huán)境中奶粉氧化速率幾乎不受氧氣體積分?jǐn)?shù)影響，與Lai等[20]研究結(jié)果類似。在貯藏后期，頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)下降速率受到頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)變化表征產(chǎn)品氧化進(jìn)程時，宜采用物質(zhì)的量或質(zhì)量進(jìn)行分析，所得數(shù)據(jù)具有更好的適用性。實驗所得的氧氣體積分?jǐn)?shù)YO2依據(jù)理想氣體定律可換算為氧氣物質(zhì)的量nO2，再依據(jù)摩爾質(zhì)量MO2換算為氧氣質(zhì)量mO2。

將圖1中全脂奶粉頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(xiàn)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(zhì)量變化量dmO2來擬合確定[21]，如公式（3）所示。

式中：dmO2為氧氣質(zhì)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(zhì)量/g。

包裝頂空氧氣質(zhì)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(biāo)將作為表征全脂奶粉自身氧化速率的參數(shù)，用于后續(xù)貨架期預(yù)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(zhì)氧化過程中產(chǎn)生的主要初級氧化產(chǎn)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(dá)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(xiàn)一定的上升趨勢。與其他研究結(jié)果類似，POV存在一些波動，總體上呈現(xiàn)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(nèi)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(dá)到貨架期，這與Kulchan等[28]研究的全脂奶粉貨架期相近。結(jié)合POV的變化趨勢（圖4），POV在42 d時達(dá)到最高值，符合產(chǎn)品在達(dá)到峰值POV之前就已被視為異常這一研究結(jié)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(chǎn)物POV分析結(jié)果，可確定當(dāng)達(dá)到感官評價閾值和POV閾值時所對應(yīng)的單位質(zhì)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(dá)到閾值，此時初級氧化產(chǎn)物POV在2.455～2.922 meq/kg之間，頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)區(qū)間為18.93%～18.47%。為便于后續(xù)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(shè)28～35 d這一時間段以同樣速率消耗頂空氧氣生成氧化產(chǎn)物POV，通過比例法預(yù)估當(dāng)POV達(dá)到2.688 meq/kg時，棕色瓶頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)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(yù)測參數(shù)。

2.2 全脂奶粉貨架期預(yù)測模型的建立

2.2.1 包裝頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)預(yù)測模型

包裝頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，主要因為產(chǎn)品氧化反應(yīng)的耗氧作用以及由包裝內(nèi)外存在氧氣壓差導(dǎo)致的氧氣滲透。Witik等[21]研究兩個傳質(zhì)過程并建立了軟包裝咖啡頂空的氧分壓動態(tài)模型，本研究在該研究基礎(chǔ)上建立軟包裝全脂奶粉頂空的氧氣體積分?jǐn)?shù)動態(tài)模型和產(chǎn)品貨架期預(yù)測模型。

奶粉耗氧作用。全脂奶粉在時間dt消耗的氧氣質(zhì)量與其自身kO2和此時頂空氧分壓相關(guān)，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(zhì)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(zhì)量/g。

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

式中：mO2,滲透為包裝氧氣滲透質(zhì)量/mg；dt為貯藏時間/d；K為包裝材料透氧系數(shù)/（mol/（m2g dg Pa））；A為包裝滲透總面積/m2；pO2,atm為環(huán)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(jìn)一步將上述氧氣質(zhì)量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為體積分?jǐn)?shù)，如公式（6）所示。

式中：YO2為包裝內(nèi)頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)/%；YO2,atm為貯藏環(huán)境氧氣體積分?jǐn)?shù)/%；patm為貯藏環(huán)境氣體總壓/Pa；YO2（tn－1）為tn－1時刻包裝內(nèi)頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)/%；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(zhì)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(yù)測模型

進(jìn)一步依據(jù)mO2,max預(yù)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?jǐn)?shù)的前提下，全脂奶粉包裝貨架期可通過公式（7）預(yù)測，即當(dāng)全脂奶粉達(dá)到貨架期時，每克產(chǎn)品消耗的氧氣質(zhì)量總和達(dá)到閾值。

式中：mO2,max為產(chǎn)品達(dá)到貨架期時每克奶粉消耗的氧氣質(zhì)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(yù)測模型的驗證

圖6為頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)預(yù)測值與實測值之間的關(guān)系。頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)相似下降趨勢，貯藏前期頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)下降速率快，貯藏后期頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)變化趨于平緩。實測值整體低于預(yù)測值，兩者最大相對偏差為2.78%（R2＝0.89）。說明該動態(tài)頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)預(yù)測模型可靠。

圖6 復(fù)合膜包裝頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)的預(yù)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(nèi)的全脂奶粉mO2,max為0.04147 mg/g，根據(jù)建立的貨架期預(yù)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(xiàn)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(nèi)。依據(jù)測得的實際頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)計算得到在貯藏33 d試樣消耗氧氣質(zhì)量接近mO2,max，以此判斷實際貨架期為33 d，預(yù)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?jǐn)?shù)變化快速預(yù)測奶粉貨架期是有效的。

圖7 復(fù)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(jié)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(yù)測成為一個復(fù)雜的過程。本研究提出基于頂空氧氣體積分?jǐn)?shù)快速預(yù)測全脂奶粉氧化進(jìn)程及其貨架期的方法，首先對全脂奶粉自身氧化特性進(jìn)行表征，根據(jù)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?jǐn)?shù)、包裝氧氣滲透性能、產(chǎn)品奶粉氧化特性三者關(guān)于時間的微分函數(shù)，并進(jìn)一步獲得產(chǎn)品消耗氧氣總質(zhì)量模型，以此預(yù)測產(chǎn)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(yù)測貨架期，其預(yù)測貨架期與實驗實測結(jié)果相對偏差小于10%。