引用本文
周兵, 刘天舒, 穆硕, 王鹏杰, 沈清武, 罗洁. 利用光谱学方法解析具备高“奶油感”发酵乳的关键质构特征[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(4): 1194-1198.
ZHOU Bing, LIU Tian-shu, MU Shuo, WANG Peng-jie, SHEN Qing-wu, LUO Jie. Using Spectroscopy Methods to Analyze the Key Textural Characteristics of Fermented Milk With High Creaminess Intensity[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(4): 1194-1198.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1194-05  
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利用光谱学方法解析具备高“奶油感”发酵乳的关键质构特征
周兵1, 刘天舒2, 穆硕2, 王鹏杰2, 沈清武1, 罗洁1,2,*
1.湖南农业大学食品科学技术学院湖南省发酵食品工程技术研究中心, 湖南 长沙 410128
2.中国农业大学食品科学与营养工程学院教育部功能乳品实验室, 北京 100083
*通讯作者 e-mail: luojie@hunau.edu.cn

作者简介: 周兵, 1996年生, 湖南农业大学食品科学技术学院硕士研究生 e-mail: zb11020711@163.com

收稿日期: 2020-03-27 修订日期: 2020-07-30
基金: 国家自然科学基金青年科学基金项目(31901717)资助
摘要

“奶油感”是最受消费者喜好的发酵乳感官属性, 反映令人愉悦的特征。 为开发无添加但“奶油感”增强型的发酵乳, 首先必须明确具备高“奶油感”发酵乳的质构特征。 目前关于发酵乳“奶油感”的定义和评价标准尚未统一, 关键质构特征尚不清晰。 前人研究表明, 发酵乳的凝胶网络形成过程及强度、 稳定性和表观黏度可能是影响发酵乳感官感知的主要因素。 该研究采用多种光谱学手段, 解析具有不同强度“奶油感”发酵乳的关键质构特征。 以经描述型感官评价得到的五种具备不同“奶油感”强度的发酵乳为研究对象, 通过多散斑扩散光谱技术测定发酵乳凝胶网络的形成过程及凝胶强度, 通过多重光散射技术来研究发酵乳的稳定性, 再辅以流变学分析发酵乳的表观黏度。 首先采用多散斑扩散波光谱技术研究具有不同强度“奶油感”发酵乳凝胶过程粒子均方位移的变化, 结果显示凝胶的弹性指数突变时间按“奶油感”由弱到强分别为108, 115, 106, 132和143 min, 表明发酵乳形成凝胶的时间基本呈逐渐增加趋势; 凝胶时间的增加可能是因为酪蛋白充分重排聚集形成了更均匀的凝胶网络, 从而增强了“奶油感”的感知; 弹性指数的终点值代表发酵乳的凝胶强度, 结果显示凝胶强度处于适中水平的发酵乳“奶油感”较强。 接着利用多重光散射技术评价了发酵乳的稳定性, “奶油感”由弱到强的发酵乳稳定性动力学指数分别为2.2, 2.1, 1.9, 2.0和1.4, 表明发酵乳稳定性与发酵乳“奶油感”的感知强度呈正相关。 最后利用流变学方法测定了发酵乳的表观黏度, “奶油感”由弱到强的发酵乳表观黏度分别为(0.362±0.016), (0.271±0.013), (0.251±0.021), (0.479±0.031)和(0.343±0.024) Pa·s, 表明发酵乳的表观黏度和“奶油感”感知强度不存在相关性。 发酵乳的凝胶时间及凝胶稳定性与“奶油感”的感知密切相关。 研究为明确发酵乳“奶油感”的关键质构、 开发“奶油感”增强型的发酵乳制品提供理论依据。

关键词: 发酵乳; 奶油感; 多散斑扩散波光谱; 多重光散射光谱; 质构特征
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Using Spectroscopy Methods to Analyze the Key Textural Characteristics of Fermented Milk With High Creaminess Intensity
ZHOU Bing1, LIU Tian-shu2, MU Shuo2, WANG Peng-jie2, SHEN Qing-wu1, LUO Jie1,2,*
1. Hunan Agricultural University, College of Food Science and Technology, Hunan Provincial Research Center of Engineering and Technology for Fermented Food, Changsha 410128, China
2. China Agricultural University, Key Laboratory of Functional Dairy, Beijing 100083, China
*Corresponding author
Abstract

Creaminess is one of the most favorite sensory properites of fermented milk for consumers, reflecting the pleasant characteristics. To develop fermented milk with high creaminess intensity without additional additives, the key textural characteristics of fermented milk with high creaminess intensity should be revealed. However, the definition and evaluation criteria for creaminess have not been unified, and the key textural characteristics of fermented milk with high creaminess intensity have not been clearly clarified. Previous studies have shown that the gelation process and gel strength, the stability and the apparent viscosity of fermented milk may be the key textural characteristics that affect the sensory perception of fermented milk. In this study, the spectroscopy methods were applied to analyze the key textural characteristics of fermented milks with different creaminess intensities. Five samples with different creaminess intensity selected from the descriptive sensory evaluation were used in this research. The gelation process and gel strength of fermented milk were measured by diffusing wave spectroscopy. The stability of fermented milk was studied by multiple light scattering spectrum. In addition, the rheological technology was used to analyze the apparent viscosity of fermented milk. First, the multi speckle diffusing wave spectroscopy technique was used to investigate the changes of the mean square displacement of particles during the gelation of fermented milk gels. The results showed that the critical points of the elasticity index of the gel were 108, 115, 106, 132 and 143 min, respectively, indicating that the gelation time of fermented milk basically increased gradually. The reason might be due to the sufficient rearrangement and aggregation of casein micelles to form a more uniform gel network, which enhanced the perception of creaminess. The final value of elasticity index represents the gel strength of fermented milk. The results showed that the creaminess intensity of fermented milk was stronger when the gel strength was at a moderate level. Furthermore, the stability of fermented milk was measured by using multiple light scattering technology. It was found that the turbis can stability indexes of fermented milks were 2.2, 2.1, 1.9, 2.0 and 1.4, respectively, indicating that the stability of fermented milk was positively correlated with the perceived intensity of creaminess of fermented milk. At last, the apparent viscosity of fermented milk was measured by rheological technology. The result showed that the apparent viscosities of fermented milks were (0.362±0.016), (0.271±0.013), (0.251±0.021), (0.479±0.031) and (0.343±0.024) Pa·s, respectively. The results showed that there was no correlation between the apparent viscosity of fermented milk and the perceived intensity of creaminess. In summary, the gelation time and stability of fermented milk can significantly affect its creaminess perception. This study provides a theoretical basis for determining the key texture characteristics of the creaminess off ermented milk and developing fermented dairy products with enhanced creaminess intensity.

Keyword: Fermented milk; Creaminess; Diffusing wave spectroscopy; Multiple light scattering spectrum; Textural characteristics
引言

发酵乳中的“ 奶油感” 是最受消费者喜好的感官属性之一。 “ 奶油感” 是一种复杂的感官特性, 反映令人愉悦的特征, 被认为与产品中的乳脂肪含量密切相关, 近十年来, 研究者们一直致力于研究和探讨“ 奶油感” 的定义及其影响因素[1]。 然而, 目前关于发酵乳“ 奶油感” 的定义和评价标准尚未统一, 关键质构特征尚不清晰[2]。 为了实现发酵乳中的“ 奶油感” 的增强, 乳制品企业通常采用添加稀奶油或其他香料的方法制作发酵乳。 随着消费者对“ 营养化” 、 “ 个性化” 、 “ 天然化” 的需求日渐增加, 具有良好口感无添加的发酵乳是大众所需。 为开发无添加但“ 奶油感” 增强的发酵乳, 必须首先明确具备“ 奶油感” 的发酵乳的关键质构特征。

口腔加工过程中, 发酵乳凝胶中脂肪的释放对“ 奶油感” 的感知影响显著[2, 3, 4]。 酪蛋白凝胶的结构与强度显著影响脂肪的释放[2], 同时, 凝胶结构显著影响发酵乳的黏度, 进而影响发酵乳的质构感知[1]。 因此, 发酵乳凝胶网络的形成及其强度可能是影响产品的“ 奶油感” 感知的一个因素。 此外, 凝胶的稳定性也可能影响发酵乳的感官感知, 当凝胶网络被破坏, 或者凝胶中的蛋白质或脂肪发生结构重排时, 将会影响凝胶体系中脂肪在口腔的聚集和释放[5]。 大量研究显示发酵乳的脂肪感与凝胶的表观黏度密切相关[2, 6]。 因此, 发酵乳的凝胶网络结构、 稳定性和表观黏度可能是影响发酵乳“ 奶油感” 的关键质构特征。

近年来, 多散斑扩散光谱技术和多重光散射技术被广泛用于研究乳制品的成胶特性和稳定性。 随着多散斑扩散光谱理论研究的深入[7, 8], 利用多散斑扩散光谱对胶体进行微流变分析, 相较于入侵式的机械流变, 能够实现凝胶结构的无损观测, 且与传统的机械流变仪所测的半固体的流变学性质结果相符合[9]。 有研究通过多散斑扩散光谱技术成功分析了柠檬酸钠辅助谷氨酰胺转移酶处理对山羊乳凝胶的影响。 多重光散射技术可在短时间内无损检测凝胶的聚集、 上浮、 沉淀等现象的趋势, 从而判断凝胶的稳定性。 李洪亮等[10]利用Turbiscan多重光散射技术评价pH值与钙离子对脱脂乳的热稳定性的影响, 从而明确了热处理导致的乳蛋白分散体系不稳定性发生的机理。

本研究采用光谱学手段对具有不同强度“ 奶油感” 的发酵乳质构特征进行解析, 通过多散斑扩散光谱技术测定发酵乳凝胶网络形成过程及凝胶强度, 使用多重光散射技术研究发酵乳的稳定性, 再辅以流变学分析, 测量发酵乳的表观黏度。 研究为明确发酵乳“ 奶油感” 的关键质构特征、 开发“ 奶油感” 增强的发酵乳制品提供理论依据。

1 实验部分
1.1 仪器和材料

多散斑扩散波光谱分析仪, LAB 6 Rheolaser MASTER, 法国Formulaction公司; 稳定性分析仪, Turbiscan Lab, 法国Formulaction公司; 流变仪, AR 1500, 美国TA仪器。

五种不同强度“ 奶油感” 发酵乳样品由中国农业大学乳品实验室提供。 挑选经过训练后盲品打分误差不超过± 1的感官评价员10位。 整体“ 奶油感” 是综合视觉、 味觉、 嗅觉及口腔触觉方面感觉进行10分制打分。 评价人员对5种发酵乳制品进行整体奶油感感官评价的分数分别为3.25± 1.04, 5.42± 0.52, 5.52± 0.85, 7.89± 0.83和8.00± 0.69, 试验组按“ 奶油感” 强度从小到大依次标示为: A, B, C, D和E。

1.2 方法

1.2.1 胶凝流变特性分析

利用多散斑扩散波光谱仪测量发酵乳的微流变性能, 评价具有“ 奶油感” 发酵乳的凝胶过程。 其主要原理是: 动态光照射到不透明介质后, 粒子对光束产生多散射, 从而形成背散射波的干涉, 即散斑图像。 用多像素检测器检测散斑图像, 测量和利用相关函数计算两个连续散斑点间的距离, 再通过自相关函数得到均方位移(mean square displacement, MSD), 其弹性指数(elasticity index, EI)值计算见式(1)[11]

EI=16δ2ded(1)

式(1)中, 6δ 2为在去相关时间(< 0.1 s)MSD的值; d为在激光衍射测得的颗粒直径; de为用于校准的模型粒子的直径。

发酵乳的凝胶突变时间为EI值和时间关系图中, 从EI值趋近于0开始迅速上升的时间点(本文取EI值为0.006 nm2时的时间)。 将15 mL加入不同发酵剂的牛乳(分别分配A— E号发酵乳)倒入专用玻璃池内, 放入多散斑扩散波光谱分析仪中检测。 测定参数: 温度42 ℃, 共扫描4.5 h。

1.2.2 稳定性测定

利用多重光散射技术, 通过实时监测发酵乳中的背散射光强度研究体系中的稳定性, 其主要的原理是: 检测器得到的背散光强度直接由发酵乳中酪蛋白胶束的浓度(体积百分数)和尺寸决定。 通过测量背散射光强度的变化, 就可以知道发酵乳在某一截面浓度或颗粒粒径的变化, 即可通过背散射光强值的变化直接反映出发酵乳中颗粒的浓度和尺寸的变化。 稳定性动力学指数(turbiscon stability index, TSI)值的计算方法见式(2)

TSI=∑i∑h|scani-scani-1|H(2)

式(2)中, i为测量次数; h为仪器扫描高度; scan为背散射光或透射光强度; H为测量最大度。

将发酵乳在4 ℃冷藏至少24 h后取出, 装入测量瓶, 保持所有组液面高度一致, 近红外光源从测量瓶底到瓶顶垂直扫描。 每个样品同时测定三次。 测定程序如下: 25程扫描24 h, 扫描频率为4 min· 次-1。

1.2.3 表观黏度测定

发酵乳的表观黏度由AR2000型流变仪测定。 选用60 mm模具, 调整间隙为1 mm, 测试模式为剪切速率斜坡模式, 剪切速率为0.1~1 000 s-1, 测试温度为25 ℃。 由于文献报道剪切速率为50 s-1与人体口腔感知到的黏度值相关[14], 因此取这个点的黏度代表发酵乳样品的表观黏度。

1.2.4 数据分析

全部试验数据采用Microsoft Excel 2013和IBM-SPSS· Statistics· 25分析, 显著性分析采用Duncan分析法(p< 0.05)。

2 结果与讨论
2.1 多散斑扩散波光谱学特征

典型的MSD曲线通常有三个阶段, 开始时粒子可以在连续相中自由运动, 随后粒子被周围聚合物阻挡, 达到平台区, 在长时间后, 粒子从聚合物笼中逃脱, MSD值增长, 样品也趋近于黏稠流体[12]。 如图1所示, 发酵乳凝胶过程有几个特点, 在前2 h内(蓝色线), 粒子活动密集, 多条曲线重叠, 曲线平缓, 说明粒子可在连续相中自由运动, 且时间短, 说明粒子运动速度快, MSD值最高, 发酵乳凝胶网络稀疏。 随着酸化的进行, 2 h后MSD曲线由密集变为稀疏, 凝胶网络逐渐形成, 粒子运行轨迹延长, 速度减慢, 发酵乳体系弹性增加, 直到凝胶过程结束。 如图1(a— e)所示, 具备不同强度的“ 奶油感” 发酵乳的微流变特征不同。

图1 发酵乳的多散斑扩散光谱结果
(a)— (e)分别为A— E组的发酵乳的酸乳凝胶粒子运动轨迹MSD曲线图, (f)为发酵乳凝胶过程中EI值变化Fig.1 Result of multi speckle diffusing wave spectroscopy of fermented milk
(a)— (e) is the MSD curve of movement track of termented milk gel particles in thegroup A— E; (f) is the change of EI value in the process of fermented milk

EI值作为时间函数可以反映体系的弹性模量, EI值的高低代表着发酵乳凝胶强度的大小。 具备不同“ 奶油感” 发酵乳的EI值如图1(f)所示。 结果显示, A至E组中凝胶的突变时间分别为108, 115, 106, 132和143 min, 表明发酵乳形成凝胶的时间有变长的趋势, 且最先趋于凝胶的发酵乳“ 奶油感” 强度最低, 而最后才凝胶的发酵乳“ 奶油感” 感知强度最高。 这可能是由于酪蛋白充分重排聚集形成了更均匀的凝胶网络, 从而增强了“ 奶油感” 的感知。 由此推论, 发酵乳凝胶时间显著影响“ 奶油感” 的感知。 发酵乳终点EI值为C组< E组≤ A组< D组< B组, 表明C组的凝胶强度最低, B组的凝胶强度最高, 而“ 奶油感” 最强的E组的凝胶强度处于适中水平, 凝胶强度过高或过低都不利于"奶油感"的感知。

2.2 稳定性分析

发酵乳背散射光强度随时间变化所测得的背散射光谱反映了发酵乳在凝胶过程中体积浓度和颗粒粒径随时间的变化规律[13]。 具备不同强度“ 奶油感” 的发酵乳背散射光强度随时间变化见图2。 结果显示, 所试验发酵乳稳定性都较好, 不同“ 奶油感” 发酵乳的稳定性差异主要集中在样品顶部, 造成40~45 mm高度的曲线差异可能是由于发酵乳中乳凝胶结构不同, 从而导致稳定性不同。 TSI值是在测量时间内, 每次测量较前一次测量其背散射光强度变化值的累加, TSI的值越大, 体系越不稳定。 不同“ 奶油感” 发酵乳的TSI值与时间关系见图2(f), 在第4小时, 从A组到E组体系TSI值分别为2.2, 2.1, 1.9, 2.0, 1.4。 “ 奶油感” 最强的E组TSI值最低, 代表其稳定性最好, 而“ 奶油感” 较弱的A组稳定性最差, 由此推论, 较好的稳定性是较强“ 奶油感” 的一个质构特征。

图2 发酵乳的多重光散射结果
(a)— (e)分别为A— E组发酵乳背散射光强度变化曲线图; (f)为A— E组发酵乳体系TSI值Fig.2 Result of Multiple light scattering spectrum of fermented milk
(a)— (e) is the curve of the multiple light scattering spectrum of the fermented milk A— E, and (f) is the overall TSI value of the fermented milk A— E

2.3 黏度测定结果

表观黏度是发酵乳的关键质构特征之一。 由图3(a)可知, 在0~1 000 s-1的剪切速率内, 发酵乳样品的黏度均呈现下降趋势, 在100 s-1后趋于0。 图3(b)比较了剪切速率为50 s-1时发酵乳表观黏度, 结果显示D组发酵乳的表观黏度最大, 其次是A组和E组, 表观黏度最小的为B组和C组, 表明“ 奶油感” 的强弱与发酵乳表观黏度无明显相关性。 发酵乳表观黏度与乳脂肪属性的感知无明显相关性, 这一结论也在前人的研究中得到证实[14]。

图3 发酵乳流变学特性结果
(a)为发酵乳0~1 000 s-1剪切速率下的黏度测量曲线, (b)为在50 s-1时的黏度作为表观黏度(不同字母表示有显著差异p< 0.05), 误差棒表示标准误差)Fig.3 The rheological behavior of fermented milk 50 s
(a) is the cusve of fermented milk viscosity measurement, and (b) is the viscosity at 100 s-1 as the apparent viscosity(there were significant differences in the data labeled with completely different superscript letters (p< 0.05), the error bar reprents the standard error)

3 结论

为了实现发酵乳中“ 奶油感” 强度的增强, 明确具备高“ 奶油感” 发酵乳的关键质构特征具有重要意义。 本研究通过运用多散斑扩散光谱技术、多重光散射光谱技术和流变学方法, 分析了具备不同强度"奶油感"发酵乳的关键质构特征。 研究结果显示, 随着发酵乳的凝胶时间和凝胶稳定性与发酵乳“ 奶油感” 的强度呈正相关, 凝胶强度过高或过低都不利于“ 奶油感” 的感知, 而发酵乳的表观黏度和“ 奶油感” 感知没有相关性。 研究为开发“ 奶油感” 增强型的发酵乳制品提供理论依据, 光谱学方法的准确、简便和快捷特性在发酵乳制品的研究上有广阔的应用前景。

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