剪切力对浓缩乳体系稳定性的影响

白茹，樊梦原，于声波，董和谦，陈云

（内蒙古蒙牛乳业（集团）股份有限公司，呼和浩特011517）

0 引言

中国乳业常年存在“北奶南运、北奶西运”的区域性及季节性供需矛盾，生产浓缩乳及相关产业是调节此矛盾的有效手段。

市售商业化浓缩乳，大部分选择-18℃贮藏，冷冻状态，无法直接食用，需解冻，经过乳制品常规工艺处理，制备最终产品。乳液粒径大小及粒径分布都会影响牛乳蛋白的解冻性、稳定性及产品的感官性状等[1-2]。稳定性分析仪能观测试验样品3个月后的稳定状态[3]。动态稳定性分析仪得出的澄清指数，表征样品发生沉降、浮离、聚集、凝聚、结合现象的变化情况。澄清指数值越大，样品体系越不稳定；反之，越稳定。试验主要采用高剪切混合器解冻冷冻浓缩乳，采用动态稳定性分析仪观测样品稳定性，探索应用粒径分析法判断其体系稳定性。

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

LA 960激光粒度仪，日本堀场；LUMiSizerpm X 65稳定性分析仪，德国LUM；切割机314，德国马格瑞特；高剪切混合器，英国Silverpmson；DK-8AK恒温水浴锅，上海恒科学有限公司；冷冻浓缩乳，实验室自制。

1.2 方法

1.2.1 样品前处理

用切割机将冷冻浓缩乳破碎至粒径≤6 cm；将处理好的样品加适量纯净水，用高剪切混合器转速、恒温水箱，搅拌、混合、加热，过程参数按照下述的实验方法设定。

1.2.2 转速对乳粒径和稳定性影响

将高剪切混合器处理时间设定为10 min，样品不加热，转速分别选取4 000，5 000，6 000，7 000，8 000，10 000，12 000和14 000 r/min，以未经高剪切混合器处理的冷冻浓缩乳作为空白对照组，进行粒径和稳定性的检测。

1.2.3 处理时间对乳粒径和稳定性影响

将高剪切混合器转速设定为14 000 r/min，样品不加热，时间分别选取5，10，15和20 min，以未经高剪切混合器处理的冷冻浓缩乳作为空白对照组，进行粒径和稳定性的检测。

1.2.4 温度对乳粒径和稳定性影响

将高剪切混合器转速设定为14 000 r/min，时间10 min，温度分别选取50，60，70和80℃，以未经高剪切混合器处理的冷冻浓缩乳作为空白对照组，进行粒径和稳定性的检测。

1.2.5 工艺条件优化

在高剪切混合器的转速、处理时间、温度对浓缩乳粒径和稳定性影响单因素试验的基础上，优选出最佳转速、处理压力、时间，进行正交试验，以未经高剪切混合器处理的冷冻浓缩乳作为空白对照组，对高剪切混合器处理后的样品和空白对照组进行粒径和稳定性的测定。

1.2.6 粒径和稳定性测定

按1.2.2～1.2.5处理样品，采用粒度仪和稳定性分析仪检测。检测前先将样品摇匀。

LA 960激光粒径仪的相关参数：折射率为1.60，分散剂为水。

LUMiSizerpm X 65稳定性分析仪的相关参数：样品进样量2.0 mL，离子转速4 000 r/min。

2 结果与分析

2.1 高剪切混合器转速对浓缩乳粒径和稳定性影响

2.1.1 高剪切混合器转速对浓缩乳粒径影响

高剪切混合器处理时间为10 min，室温条件，采用不同转速，每个转速下试验重复3次。在高剪切处理后，样品在室温条件下静置10 min后，使用粒径分析仪检测粒径大小及粒径分布，得出每个样品粒径分布的十分位数（10%处及90%处）、四分位数（25%处及75%处）以及中位数（50%）、并对每个样品的粒径求算数平均值。

如表1所示，浓缩乳体系的平均粒径与高剪切混合器的转速呈明显的负相关，即随着转速的增加，浓缩乳体系的平均粒径显著减小，并且这一趋势在试验包含的转速范围内没有改变。剪切力越大，对脂肪球破碎程度就越大，脂肪球的尺寸会大幅减少[4]，同时据Walstra P报道[5]，乳中的脂肪质量分数＜9%通常不会发生均质簇集作用，而冷冻浓缩乳解冻后的脂肪质量分数一般不超过5%，故随着高剪切混合器转速增大，浓缩乳粒径越来越小。因此，高剪切混合器处理时间为10 min，在不加热情况下，转速14 000 r/min时的粒径最小。

表1 不同转速处理10 min后对冷冻浓缩乳粒径的影响

另外，从粒径分布的角度分析，无论转速高低，所有样品的粒径均值都大于粒径中位数，这说明浓缩乳样品解冻后的粒径分布呈明显的缩乳体系的粒径整体均值起主要影响；而在均值左侧的数据量较多、分布较紧凑，不属于对粒径整体均值的主要贡献因子。针对浓缩乳体系，可知影响分布的大绝对值数据，对应的是浓缩乳中的脂肪成分，此成分受高剪切影响非常显著，剪切力越大，脂肪球破碎程度就越大，粒径越小，又因为脂肪本身是粒径分布中最重要的因子，故把握关键因素-剪切力，控制关键因子-脂肪粒径，对调控浓缩乳整体粒径有重要作用。

2.1.2 高剪切混合器转速对浓缩乳稳定性影响

在2.1.1样品同等条件处理下，用动态稳定性分析仪检测。转速对浓缩乳稳定性影响如图1所示，对澄清指数和转速值进行分析拟合，拟合方程为y=-0.0087x＋0.7316，R2=0.9058，趋势线的R2越接近1，其可靠性越高，转速与体系稳定性呈明显的正相关，随着转速增大，澄清指数逐渐降低，体系稳定性越来越好；其中转速从5 000 r/min改为6 000 r/min时，图1斜率最大，澄清指数下降最快，同时图1平均粒径也减小最快。

图1 不同转速处理10 min后对稳定性的影响

在使用高剪切混合器过程中，将冷冻浓缩乳的脂肪球在强有力的机械作用下破碎成小的脂肪球，提高产品的稳定性。故高剪切混合器处理时间为10 min，在不加热情况下，转速为14 000 r/min时，稳定性最好。

2.2 高剪切混合器处理时间对浓缩乳粒径和稳定性影响

2.2.1 高剪切混合器处理时间对浓缩乳粒径影响

高剪切混合器转速设定为14 000 r/min，不加热，采用不同时间，每个时间处理重复3次，处理完毕后静置10 min后，使用粒径分析仪检测粒径大小及分布，得出每个样品粒径分布的十分位数（10%处和90%处）、四分位数（25%处和75%处）及中位数（50%）并对每个样品的粒径求算数平均值。

如表2所示，浓缩乳的平均粒径与高剪切混合器处理时间呈明显的负相关，即随着时间延长，浓缩乳体系的平均粒径显著减小，但是长时间的机械处理，会破坏解冻后溶液的水乳体系，可造成脂肪上浮；搅拌时间15 min时，表面会出现一层脂肪，并随着时间延长，脂肪厚度增加，故选择高剪切混合器处理时间10 min。另外，从粒径分布的角度分析，即使更改时间，所有样品的粒径均值均大于粒径中位数，具体分析结果同2.1.1。

表2 不同处理时间转速14 000 r/min对冷冻浓缩乳粒径的影响

2.2.2 高剪切混合器处理时间对浓缩乳稳定性影响

在2.2.1样品同等条件处理下，用动态稳定性分析仪检测。高剪切混合器处理时间对浓缩乳稳定性影响如图2所示，对澄清指数和时间值进行分析拟合，拟合方程为y=-0.006x＋0.7195，R2=0.9428，时间与体系稳定性呈明显的正相关，随着时间延长，澄清指数逐渐降低，稳定性越来越好。高剪切混合器处理时间越长，脂肪球破碎的粒径会越小越均匀，故高剪切混合器转速14 000 r/min时，在不加热情况下，处理时间20 min稳定性最好。

图2 不同处理时间转速14 000 r/min对稳定性的影响

2.3 高剪切混合器处理温度对浓缩乳粒径和稳定性影响

2.3.1 高剪切混合器处理温度对浓缩乳粒径影响

高剪切混合器转速设定为14 000 r/min，时间10 min，采用不同温度，每个温度处理重复3次，处理完毕后静置10 min后，使用粒径分析仪检测粒径大小及分布，得出每个样品粒径分布的十分位数（10%处和90%处）、四分位数（25%处和75%处）及中位数（50%）并对每个样品的粒径求算数平均值。

如表3所示，浓缩乳的平均粒径与高剪切混合器处理温度呈明显的正相关，即随着温度降低，浓缩乳体系的平均粒径显著减小。一般以牛奶为原料的产品，牛奶的均质温度一般为50～70℃，50℃是牛奶有效均质的最低温度，均质温度过高，不利于蛋白质的热稳定性，牛奶中热敏性成分在加热至72℃以上会有一定损失[6]。故冷冻浓缩乳溶解温度建议设定为50℃。

表3 转速14 000 r/min在不同温度处理10 min后对冷冻浓缩乳粒径的影响

另外，从粒径分布角度分析，即使改变温度，所有样品的粒径均值均大于粒径中位数，具体分析结果同2.1.1。在温度升高至80℃时，整体粒径均变化较大。VESSILIOS等采用沉降场流份化法得到在加热温度50～125℃时全脂牛乳的脂肪球直径随着加热温度升高而增大的研究结果一致[7]；发生这一现象主要是由于高温下变性的乳清蛋白会附着在脂肪球膜上并且形成二硫键[8-9]，从而使外观上看起来脂肪球直径变大。

2.3.2 高剪切混合器处理温度对浓缩乳稳定性影响

在2.3.1样品同等条件处理下，用动态稳定性分析仪检测。高剪切混合器处理温度对浓缩乳稳定性影响如图3所示，对澄清指数和温度值进行分析拟合，拟合方程为y=0.0049x-0.0583，R2=0.9826，温度与体系稳定性呈明显的正相关，随着温度的降低，澄清指数逐渐降低，稳定性越来越好。牛乳的稳定性与粒径大小有关，最稳定的体系脂肪球粒径一般较小[10]。故高剪切混合器转速14 000 r/min时，时间10 min，采用温度50℃稳定性最好。

图3 转速14 000 r/min在不同温度处理10 min后对稳定性的影响

2.3.3 高剪切混合器处理工艺条件优化

综合转速、时间、温度的单因素实验，选择三者作为影响因素，选用L9（33）正交表进行试验设计，每个处理重复3次，取平均值，以未经高剪切混合器处理的样品作为空白对照，进行粒径和稳定性的测定。因素水平设置如表4所示；粒径结果及方差分析如表5和表6所示；稳定性结果及方差分析见表7和表8所示。

表4 L9（33）因素水平

表6 正交实验粒径值结果方差分析

表8 正交实验澄清指数值结果方差分析

由表5和表7中平均粒径、澄清指数的相关数据，分析k值可知，最优工艺组合为A3B2C1，即转速14 000 r/min，时间10 min，温度50℃。分析R值可知，3个因素对粒径作用影响的大小依次为：转速＞时间＞温度，且转速因素对于粒径有显著性影响。在此最优工艺组合条件下对冷冻浓缩乳解冻后粒径和澄清指数结果分别为4.661μm，0.108，空白样的粒径和稳定性结果为266.134μm和0.729，粒径和稳定性均为最佳值。

表5 高剪切混合器处理样品最优工艺参数正交实验结果

表7 高剪切混合器处理样品最优工艺参数正交实验结果

3 结论

单因素实验中，高剪切混合器处理时间恒定，不加热，随着转速升高，平均粒径、澄清指数逐渐减小，证明体系稳定性提升；高剪切混合器转速恒定，不加热，随着时间延长，平均粒径、澄清指数逐渐减小，证明体系稳定性提升。但搅拌时间15 min时，体系表面出现脂肪层，并随着时间的延长，脂肪上浮趋势更加明显，脂肪层厚度增加，故不建议搅拌过长时间；高剪切混合器转速、时间恒定，随着温度的降低，平均粒径、澄清指数均逐渐变小，但是在实际应用中，原料的下一步工艺为均质，均质温度过高，不利于蛋白质的热稳定性，故冷冻浓缩乳溶解温度建议设定为50℃。高剪切混合器处理工艺的正交优化条件为A3B2C1，即转速14 000 r/min，时间10 min，温度50℃。

本研究采用高剪切混合器解冻冷冻浓缩乳，起到很好的均质、乳化、解冻、分散、悬浮、破碎等作用，同时解冻时间短，组织状态较均匀，无上浮沉淀现象；冷冻浓缩乳解冻，高剪切混合器参数最优选取转速14 000 r/min，10 min，50℃；同时在高剪切混合器不同转速、处理时间、处理温度下，粒度仪和动态稳定性结果一致，可用粒径分析法判断其体系稳定性。