陳智杰

（乳業(yè)生物技術(shù)國家重點實驗室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436）

稀奶油是全脂牛乳經(jīng)離心分離后得到的含脂量較高的產(chǎn)品，其脂肪含量為35%～45%[1]，在冰淇淋、烘焙制品和作為其他乳品配料中均發(fā)揮著重要的作用[2]。隨著乳品行業(yè)和茶飲行業(yè)的發(fā)展，市場上仍占據(jù)主導(dǎo)地位的植脂奶油產(chǎn)品與消費(fèi)者對天然食品的追求相悖[3]，而天然動物來源的稀奶油因其獨(dú)特的香氣和不含反式脂肪酸的優(yōu)勢，使稀奶油的研究和生產(chǎn)工藝優(yōu)化成為乳制品企業(yè)重要的發(fā)展戰(zhàn)略[4]。

通常，鮮乳來源的稀奶油經(jīng)過熱乳分離后，直接使用稀奶油殺菌器對其進(jìn)行殺菌，但由于乳品工廠的產(chǎn)能匹配問題，實際生產(chǎn)中分離出的稀奶油經(jīng)冷卻后，先送入生奶油缸暫存，待殺菌器就緒后再泵送至稀奶油殺菌器殺菌[5]。稀奶油是非牛頓流體，在流動過程中其表觀黏度隨剪切應(yīng)力的增大而減小[6]，是典型的假塑性流體[7]。稀奶油在打發(fā)之前，屬于水包油型（O/W）乳狀液[8]，攪打時的剪切作用會使空氣進(jìn)入，在這個過程中，乳清蛋白和乳脂球膜吸附于脂肪球上，然后形成一個局部晶體網(wǎng)絡(luò)[9]，聚結(jié)的脂肪結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)使攪打稀奶油形成膨脹的穩(wěn)定質(zhì)構(gòu)[10]。因此在生產(chǎn)稀奶油時，剪切作用對其質(zhì)構(gòu)、打發(fā)性和風(fēng)味有重要影響[11]。

乳制品生產(chǎn)通常使用離心泵、轉(zhuǎn)子泵和螺桿泵。離心泵通過葉輪旋轉(zhuǎn)，將吸入的物料甩至葉輪外沿并加速，通過泵管道輸送出去，這種輸送方式的輸送效率高，但對物料產(chǎn)生的剪切力較大。轉(zhuǎn)子泵是容積式泵的一種形式，通過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在一側(cè)形成低壓，使液體連續(xù)吸入，并在另一側(cè)排出液體，適合用于輸送小流量的黏性液體，且對物料產(chǎn)生的剪切力較低[12]。螺桿泵通過泵軸旋轉(zhuǎn)，螺旋葉片將物料逐級推出直至出口，流量較大但是揚(yáng)程較低，剪切力很小，甚至可以運(yùn)輸顆粒[13]。

本實驗研究使用不同泵在不同溫度下輸送對超高溫（ultra-high temperature，UHT）殺菌稀奶油黏度、酸度、pH值、打發(fā)性、硬度、粒徑、脂肪酸組成和微觀結(jié)構(gòu)等的影響，為工廠改進(jìn)天然乳脂來源稀奶油的生產(chǎn)工藝提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮稀奶油 光明乳業(yè)華東中心工廠。

尼羅紅、異硫氰酸熒光素 北京索萊寶生物科技有限公司；標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液（0.1 mol/L）、酚酞指示劑國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

管式UHT殺菌機(jī) 丹麥APV公司；TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)測試儀 英國Stable Micro System公司；Mastersizer 3000激光粒度分析儀 英國Malvern Panalytical公司；DV-Ⅲ黏度計 美國Brookfield公司；FE20實驗室pH計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；電動攪打器 廣東東菱電器公司。

1.3 方法

1.3.1 稀奶油泵送預(yù)處理

分別將稀奶油在10、60 ℃條件下送入管式UHT殺菌機(jī)，分別使用離心泵和螺桿泵對稀奶油進(jìn)行輸送。UHT殺菌參數(shù)為120 ℃、4 s，殺菌后的稀奶油在超凈臺內(nèi)無菌灌裝。分別將處理后的樣品標(biāo)記為：10 ℃使用離心泵（10L組）、10 ℃使用螺桿泵（10R組）、60 ℃使用離心泵（60L組）和60 ℃使用螺桿泵（60R組），以泵送前的樣品為對照組。

1.3.2 表觀黏度、酸度及pH值測定

稀奶油的表觀黏度使用黏度計測定，使用一號轉(zhuǎn)子，溫度控制在（10.0±0.5） ℃，剪切速率1 000 r/min[14]。

酸度根據(jù)GB 5009.239—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品酸度的測定》所述奶油酸度的測定方法進(jìn)行測定，準(zhǔn)確稱取10 g稀奶油樣品，加入20 mL水，加入2 mL酚酞指示劑混勻，使用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定至溶液呈微紅色，整個過程應(yīng)盡快完成[15]。酸度按式（1）計算。

式中：c為標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液濃度/（mol/L）；V2為滴定消耗的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液體積/mL；V0為空白實驗消耗的標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液體積/mL；m為試樣質(zhì)量/g。

稀奶油的pH值使用自動pH計在室溫下進(jìn)行測定，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀數(shù)。

1.3.3 粒徑測定

使用激光粒度分析儀測定稀奶油粒徑跨度，樣品分散在去離子水中，牛乳脂肪和去離子水的折射率分別設(shè)定為1.460和1.330[16]，跨度越小說明分布越集中，粒徑跨度按式（2）計算。

式中：Dv（10）為前10%顆粒的粒徑/μm；Dv（50）為前50%顆粒的粒徑/μm；Dv（90）為前90%顆粒的粒徑/μm。D[4,3]為體積平均粒徑/μm，該值與Dv（50）越接近，表明顆粒形狀越規(guī)則、粒度分布越集中[17]。

1.3.4 稀奶油的打發(fā)率測定

將200 g冷藏的稀奶油在4 ℃條件下以120 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行打發(fā)，以稀奶油能夠形成堅挺錐形為攪打終點，其打發(fā)率按式（3）計算[18]。

式中：m0為同體積未攪打稀奶油的質(zhì)量/g；m1為同體積攪打后稀奶油的質(zhì)量/g。

1.3.5 攪打稀奶油的硬度測定

使用質(zhì)構(gòu)儀測定打發(fā)后稀奶油的質(zhì)構(gòu)，使用HDP/SR探頭測定，測試前、測試中探頭速率3 mm/s，測試后回程速率5 mm/s，測試距離55 mm，探頭到底部回彈，測定打發(fā)稀奶油硬度[19]。

1.3.6 稀奶油的微觀結(jié)構(gòu)觀察

根據(jù)李揚(yáng)等[20]的方法，觀察打發(fā)前后稀奶油的微觀結(jié)構(gòu)。配制0.02 g/100 mL尼羅紅和0.02 g/100 mL異硫氰酸熒光素溶液，充分溶解后避光低溫保存。取200 mL稀奶油，加入尼羅紅和異硫氰酸熒光素溶液各2 mL，充分?jǐn)嚢杌靹蚝鬄榇虬l(fā)前染色樣品；經(jīng)4 ℃、120 r/min打發(fā)后為打發(fā)后染色樣品。使用熒光共聚焦掃描顯微鏡，100×目鏡觀察樣品脂肪和蛋白微觀結(jié)構(gòu)，激發(fā)光源為氬燈，激發(fā)波長為488 nm，接收波長分別為：尼羅紅595～648 nm，異硫氰酸熒光素500～536 nm。

1.3.7 稀奶油脂肪酸組成測定

根據(jù)GB 5009.168—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪酸的測定》[21]，使用氣相色譜法對稀奶油中45 種脂肪酸成分進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016與Origin Pro 2021軟件進(jìn)行繪圖和制表，使用SPSS 22軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并使用Exponent軟件對質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 稀奶油表觀黏度、酸度和pH值

觀察經(jīng)不同實驗條件殺菌后得到的各組稀奶油外觀狀態(tài)，10L組稀奶油上層有析出的脂肪，這可能是由于在10 ℃條件下，稀奶油經(jīng)過離心泵輸送后，其中結(jié)晶狀態(tài)的脂肪承受過高的剪切力，無法維持穩(wěn)定的乳液體系，導(dǎo)致脂肪球部分聚集上浮，其余組別外觀并無明顯差異。由表1可知，稀奶油在打發(fā)前屬于水包油型乳狀液，其表觀黏度較低，其中10L組稀奶油明顯更低，這可能是因為其脂肪部分聚集上浮，導(dǎo)致黏度大幅降低。這與傅禮瑋等[22]的研究相似。泵的輸送和溫度的差別對稀奶油的酸度和pH值影響不大，4 組均無明顯變化。這說明經(jīng)過泵的輸送，脂肪的上浮不會導(dǎo)致其酸度下降，也不會使脂肪大量分解產(chǎn)生脂肪酸，可滴定酸和總酸的含量變化很小。

表1 稀奶油在不同溫度下經(jīng)離心泵和螺桿泵輸送后的黏度、酸度和pH值Table 1 Viscosity, acidity and pH value of whipped cream pumped by centrifugal and screw pumps at different temperatures

2.2 稀奶油粒徑分析

由圖1和表2可知，稀奶油的粒度集中在1～8 μm。經(jīng)過泵送殺菌后，60L組稀奶油的粒徑分布最為集中，10R、60R組次之，而10L組稀奶油的粒徑分布最分散，這也與粒徑跨度結(jié)果相吻合。根據(jù)Dv（10）、Dv（50）、Dv（90）和D[4,3]，10L組稀奶油的粒徑顯著大于其他組別，D[4,3]約為7 μm，說明在低溫下稀奶油經(jīng)過離心泵輸送后無法耐受過高的剪切力而發(fā)生脂肪聚結(jié)，低溫下的結(jié)晶脂肪液滴間的界面膜被打破[23]，導(dǎo)致脂肪發(fā)生部分聚結(jié)，顆粒形狀變得不均勻、大小不均一。60L組稀奶油的粒徑分布最集中，其D[4,3]僅為3.562 μm，且跨度最小，這表示在60 ℃條件下使用離心泵輸送稀奶油不僅對粒度沒有負(fù)面影響，反而可使稀奶油更均勻[24]，這可能是因為在高溫條件下，稀奶油流體更耐受剪切，而不像在低溫狀態(tài)下發(fā)生脂肪聚結(jié)。

圖1 稀奶油在不同溫度下經(jīng)離心泵和螺桿泵輸送后的粒徑體積密度和體積累積Fig.1 Particle size volume distribution and volume accumulation of whipped cream pumped by centrifugal and screw pumps at different temperatures

表2 稀奶油在不同溫度下經(jīng)離心泵和螺桿泵輸送后的粒徑Table 2 Particle size of whipped cream pumped by centrifugal and screw pumps at different temperatures

2.3 稀奶油打發(fā)率與打發(fā)后的硬度

稀奶油打發(fā)時，空氣進(jìn)入奶油中形成氣泡，后被破碎成小氣泡并逐步與脂肪球形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)[25]。由圖2可知，10L組稀奶油無論經(jīng)過多長時間的攪打，均已無法打發(fā)，金燕[26]的研究中也匯報了類似的結(jié)果。10R組稀奶油的打發(fā)率最低，但打發(fā)后奶油的硬度最高。對比10R和60R組稀奶油，雖然在粒徑上二者無明顯差異，但60R組更高的打發(fā)率說明稀奶油中脂肪球更易相互聯(lián)結(jié)而裹入氣泡，形成良好、穩(wěn)定的稀奶油質(zhì)構(gòu)。而10R組稀奶油的硬度較高，則可能是因為在脂肪含量相同的情況下，更低的打發(fā)率和較少的空氣含量使稀奶油硬度偏高。

圖2 稀奶油打發(fā)率（A）和硬度（B）Fig.2 Whipping rate (A) and hardness (B) of whipped cream

2.4 稀奶油微觀結(jié)構(gòu)

由圖3可知，10R組與未經(jīng)過處理的對照組稀奶油，在打發(fā)前被尼羅紅染色的脂肪球明顯少于在60 ℃條件下經(jīng)過泵輸送的60R和60L組稀奶油。10 ℃經(jīng)泵輸送的稀奶油脂肪球大而疏，60 ℃經(jīng)泵輸送的稀奶油脂肪球小而密，這與脂肪的聚結(jié)和結(jié)塊析出有顯著的相關(guān)性，也印證了王筠鈉等[27]提到的脂肪球聚結(jié)理論。打發(fā)后，未經(jīng)處理的對照組稀奶油的脂肪球直徑相對于其他3 組來說較小，這說明泵的輸送會造成一定程度的脂肪球聚結(jié)，使脂肪球直徑變大。打發(fā)后，60R和60L組的脂肪球大小和分布都更加均勻，說明稀奶油在60 ℃經(jīng)過2 種泵的輸送后更利于后續(xù)的打發(fā)[28]。

圖3 打發(fā)前后稀奶油脂肪球微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of fat globules in cream before and after whipping

2.5 稀奶油脂肪酸組成

稀奶油中的乳脂含有許多對人體有益的成分，包括共軛亞油酸、神經(jīng)鞘磷脂、甾醇和脂溶性維生素等[29]。根據(jù)脂肪酸測定結(jié)果，未經(jīng)處理時，稀奶油脂肪酸總量為39.9 g/100 g；經(jīng)過泵的輸送和殺菌，稀奶油的脂肪酸含量均有不同程度的降低，10L、60L、10R和60R組的脂肪酸總量分別為（38.1±0.5）、（39.2±0.4）、（39.4±0.3）、（39.7±0.3） g/100 g。其中10L組脂肪含量顯著低于其他組別，這顯然是由于其部分脂肪發(fā)生了析出上浮。

由表3可知，稀奶油的脂肪酸組成中含量最高的是C14、C16和C18的長鏈脂肪酸。經(jīng)過泵的輸送和殺菌后，稀奶油的飽和脂肪酸比例均有相似程度的升高，而不飽和脂肪酸比例均降低，其中主要體現(xiàn)在單不飽和脂肪酸比例的降低，這說明稀奶油經(jīng)過熱處理后，部分脂肪酸發(fā)生氧化，而不飽和脂肪酸的氧化速率高于飽和脂肪酸[30]。經(jīng)過不同工藝處理的稀奶油脂肪酸組成差別不明顯，因此造成其脂肪析出和打發(fā)率的差異主要源自其物理變化，即因溫度和剪切力造成的脂肪球聚結(jié)和乳脂析出。

表3 稀奶油脂肪酸組成Table 3 Fatty acid composition of whipped cream %

3 結(jié) 論

稀奶油分別在10、60 ℃條件下經(jīng)過離心泵和螺桿泵的輸送，進(jìn)行120 ℃、4 s的殺菌。其中，10L組稀奶油脂肪發(fā)生了聚結(jié)、析出現(xiàn)象，稀奶油黏度顯著低于其余組別，并且無法被打發(fā)；10L組稀奶油粒徑最大，最不均勻，其余組別粒徑接近，而60L組稀奶油粒徑最均勻；10R組打發(fā)率最低但打發(fā)后硬度最高，而60R和60L組打發(fā)率和硬度接近；不同組稀奶油脂肪酸成分沒有顯著差異，而微觀結(jié)構(gòu)的差別顯示，60 ℃經(jīng)過泵輸送的稀奶油脂肪球小而密，這說明低溫狀態(tài)下的稀奶油易受剪切而聚結(jié)，從而使脂肪析出、影響稀奶油質(zhì)量。因此在生產(chǎn)中，低溫狀態(tài)下的稀奶油應(yīng)盡可能避免剪切力對其品質(zhì)的影響，輸送泵可選用轉(zhuǎn)子泵、螺桿泵等；溫度升高可使稀奶油更耐剪切，離心泵的輸送可能使其脂肪球分布更均勻，對打發(fā)性和稀奶油品質(zhì)沒有顯著影響。