酸奶是益生菌最常见的载体之一[1-2],长期饮用有助于增强免疫力,并有抗癌、抗糖尿病、抗衰老等功效,这除了益生菌对肠道菌群的改善,还得益于发酵中产生的胞外多糖、生物活性肽等营养物质[3]。由于环境问题与“禁塑令”的实施,食品包装迫切需要可降解的替代包装材料。聚乳酸[poly(L-lactic acid),PLLA]作为一种对人体和环境无毒[4-5],并具有高度的生物相容性可生物降解的聚合物。在学术界和工业界均引起了关注[6-7]。纳米二氧化硅作为一种常用的无机填料,已广泛应用于聚乳酸改性,以提高其熔体强度,PLLA与纳米二氧化硅共混或共聚改性主要集中在研究其热机械性能[8-10],但关于其对酸奶贮藏的影响报道较少。
包装材料对酸奶质量的影响已引起不少学者的关注。如MILLER等[11]采用不同阻隔性包装结合氧清除剂对酸奶发酵氧气含量进行研究,发现两者结合能最大程度降低O2含量。CRUZ等[12]通过在包装材料中添加葡萄糖氧化酶来最大程度减小酸奶贮藏中的氧化应激,但这些包装材料基本是石油基材料,不利于生态环境,另外氧化清除剂可能会在贮藏过程中失活或发生泄漏污染样品。因此,寻找绿色可降解的高阻包装材料是一个迫切需要解决的难题。
已有研究以化学气相沉积法以及共混的方法制备聚乳酸/二氧化硅复合薄膜,对冷鲜肉与草莓进行保鲜实验[13-14],已证实其组合可以用于肉品果蔬的保鲜。但酸奶包装材料需要保证高阻隔性能,因此,从分子结构设计的角度,可考虑引入柔性链段——聚衣康酸丁二醇酯[(poly(butylene itaconate),PBI],而若能将刚性结构并有着高比表面积的纳米二氧化硅与聚合物分子链接枝形成网络结构,通过改变合成反应中PBI与纳米二氧化硅的含量,使熔体强度提高并保留良好的韧性,还将大幅提高薄膜的气体阻隔性能是可行的。
PLLA的降解机制主要在微生物或特殊的酶作用下分解为CO2和H2O,并与结构和环境相关,如分子质量、结晶度、土壤环境等[15],在本实验中并不会发生降解。本文以原位聚合,制备聚乳酸共衣康酸丁二醇酯/纳米二氧化硅共聚物薄膜[poly(L-lactic-co-butanediol itaconate) nano-silica copolymer films,PLBI-SiO2]作为阻隔性包装材料,探究在低温条件下PLBI-SiO2共聚薄膜对酸奶贮藏效果的影响,为PLBI-SiO2在酸奶贮藏及可替代包装材料的应用提供理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
发酵传统酸奶,内蒙古伊利实业集团股份有限公司;L-乳酸(纯度≥90%)、纳米二氧化硅(99.5%,30 nm,Mw 68.08)、1,4-丁二醇(纯度≥99%)、辛酸亚锡(纯度≥98%),中国上海阿拉丁生化科技股份有限公司;衣康酸(纯度≥99.0%),美国西格玛-奥德里奇公司。
SC-300立式冷藏柜,海尔集团有限公司;WPL-230BE恒温培养箱,天津泰斯特仪器有限公司;HR-40-IIA2生物安全柜,青岛海尔特种电器有限公司;HC-2518R高速冷冻离心机,安徽中科中佳科学仪器有限公司;SX-500高压灭菌锅,日本TOMY公司;SA402B电子舌,日本Insent公司;PEN3电子鼻,北京盈盛恒泰科技有限责任公司;PHS-3S pH计,上海雷磁仪器有限公司;DBF-900多功能薄膜封口机,温州市鼎力包装机械制造有限公司;RS6000旋转流变仪,德国哈克公司;8001氧气透过率分析仪,美国Illinois公司。
1.2 试验方法
1.2.1 PLBI-SiO2薄膜制备
共聚物的合成,薄膜的制备及材料性能测试方法参照之前工作[14]。通过溶剂浇筑法,将4 g PLBI及PLBI-SiO2共聚物溶解在80 mL三氯甲烷中,充分溶解后将其倒入水平放置的封边玻璃板,静置待三氯甲烷挥发完全后揭下薄膜,薄膜厚度为(80±2.5) μm,将薄膜放入真空干燥箱中干燥,备用。
1.2.2 酸奶包装处理
将薄膜制备成12 cm×15 cm的包装袋,将(90±5) g酸奶无菌灌装到准备好的袋子里,采用热封处理,市售包装袋为对照组,实验组分别命名为PLBI组、PLBI-SiO2 0.3%组与PLBI-SiO2 0.5%组(0.3%、0.5%为材料合成中纳米二氧化硅的添加量),于4 ℃贮藏21 d。
1.2.3 pH与酸度的测定
pH值测定:取4 ℃条件下贮藏的样品,采用pH计测定样品的pH值,平行测定3次取平均值。
滴定酸度(titratable acidity,TA)测定:按照GB 5009.239—2016《食品安全国家标准 食品酸度的测定》,贮存期间每隔7 d测定1次滴定酸度,每组平行测3个,结果取平均值。
1.2.4 质构
采用质构分析仪对贮藏期间的硬度、稠度、内聚性进行测定,取发酵乳样品倒入质构专用样品杯中(倒入量为样品杯70%),选用A/BE探头:直径为35 mm的压力盘,测定前后需将探头进行清洁,以免探头表面残留样品造成误差。试验速度1.0 mm/s,提升速度为1.5 mm/s,测试深度为20 mm,初始应力2 g,压缩程度为20%,压缩时间5 s,每组样品分别测定3个平行。
1.2.5 持水能力
参考文献[16-17]中的方法测定其持水能力。将20 g样品在4 ℃下5 800 r/min离心25 min,在5 min内去除上清液并对沉淀物进行称重。按照公式(1)计算持水能力:
持水能力
(1)
1.2.6 感官评分
感官品鉴小组由10名受过4 h以上的感官评价训练的食品专业的学生组成(其中男女比例1∶1),要求感官评定人员在评定前用清水漱口,禁止食用刺激性食物,具体评价标准如表1所示。
表1 感官评价评分标准
Table 1 Sensory evaluation scoring criteria
指标评分标准分数颜色颜色均匀,乳白色或乳黄色(6～10)其他颜色(0～5)10组织状态凝固性好,结构精细均匀,无乳清沉淀(21～30)凝固性好,结构精细均匀,乳清析出量小(11～20)凝固性差,结构不同,乳清沉淀严重(0～10)30口感口感均匀细腻,爽滑厚实(21～30)口感略粗糙,黏度较低(11～20)口感粗糙,质地较稀薄(0～10分)30风味酸奶独特的发酵和牛奶风味,风味浓郁(21～30)酸奶发酵奶味淡,风味一般(11～20)发酵乳风味丧失及异味异常(0～10)30
1.2.7 活菌数的测定
按照GB 4789.35—2016《食品微生物学检验 乳酸菌检验》乳酸菌总数计数方法进行测定。贮存期间每隔7 d测定1次,选择MRS培养基和MC培养基分别作为保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌的平板计数。每个样品选取10-6、10-7、10-8稀释梯度,每个梯度平行测定3个,根据国标进行计数。
1.2.8 表观黏度测定
使用配备有平行板测量系统(哈克旋转流变仪)应力流变仪进行小振幅流变测量。在样品和流变仪温度为4 ℃下测量。将样品用刮刀搅拌10次,然后转移到直径35 mm的平行板中,在测量之前在流变仪中平衡5 min。在0.1%的恒定应变下以0.1～15 Hz的频率进行频率扫描。
1.2.9 电子舌与电子鼻测试
电子舌:传感器和电极在测试前活化24 h,其中甜味电极单独活化。测试分3次进行,分别为贮存第0、7、14天和21天的酸奶,每次每个样品分别取30 mL的平行样测试3次,取平均值[18-19],用雷达图对最后结果进行分析。
电子鼻:样品置于样品瓶中,用瓶盖盖住瓶口并封上封口膜。采用便携式电子鼻测定,采用顶空上样法将进样针头插入样品瓶中进行电子鼻分析实验。通过电子鼻Winmuster分析软件对数据进行分析。电子鼻含有10个不同的金属氧化物传感器,传感器阵列用于分析不同挥发性组分,如表2所示。
表2 电子鼻传感器所对应的气味
Table 2 Odors corresponding to electronic nose sensors
阵列序号传感器名称性能描述阵列序号传感器名称性能描述1W1C芳香成分2W5S氮氧化合物3W3C芳香成分4W6S氢化物5W5C烷烃芳香成分6W1S甲基类7W1W硫化物8W2S醇类、醛酮类9W2W有机芳香硫化物10W3S芳香烷烃
1.2.10 O2阻隔性
采用透氧仪,环境温度设为5 ℃,O2、N2的输出压力为0.3 MPa,每个样品平行测定3次。结果如表3所示。
表3 5 ℃下PLBI和PLBI-SiO2共聚薄膜的氧气透过性
Table 3 Oxygen permeability of PLBI and PLBI-SiO2copolymer films at 5 ℃
样品OTR/[cm3/(m2·d)]OP/[cm3·cm/(cm2·h·Pa)]PLBI8.6±1.2(2.0±0.2)×10-9PLBI-SiO2 0.3%5.7±0.8(1.3±0.2)×10-9PLBI-SiO2 0.5%3.5±0.7(0.8±0.15)×10-9
1.2.11 数据分析
本研究所涉及的实验样品每组至少测定3次平行,实验数据通过Excel汇总,采用SPSS软件对实验数据进行统计学分析,显著性水平设置为0.05。
2 结果与分析
2.1 PLLA/SiO2酸奶贮藏期间的酸度测定
4组样品的pH值变化如图1-a所示,在0～21 d贮藏期间,均呈下降趋势,这是由于发酵乳样品在4 ℃贮藏仍能继续发酵产酸。从图中可以发现,PLBI组的pH下降的最快,并且从贮藏7 d到贮藏21 d时,依旧保持较大的下降幅度,21 d时为4.16。随包装阻隔性的增加,下降的幅度得到减缓,而PLBI-SiO2 0.5%组(21 d pH值为4.27)的pH变化接近对照组(21 d pH值为4.29)。由此可知,包装阻隔性对pH有显著影响。孙健等[20]研究认为,发酵乳制品货架期的pH值保持在4.20～4.50具有较好的口感,本研究中除了PLBI组在贮藏结束后低于4.20,其他3组发酵乳的pH值均在最佳饮用范围内。
a-pH值;b-TA值
图1 不同包装组的酸奶贮藏期间pH值及TA的变化
Fig.1 Changes in pH and TA during storage of yogurt in different packaging groups
4组样品的TA变化如图1-b所示,在贮藏0～21 d期间,PLBI组TA增长速率最快,在贮藏21 d时TA达到89.3 °T,而对照组和PLBI-SiO2 0.5%组在贮藏21 d时TA分别为76.8和79.7 °T,组间差异不显著(P>0.05)。而与其他2组样品的TA在贮藏期间组间差异显著(P<0.05)。
2.2 PLLA/SiO2酸奶贮藏期间的持水力测定与感官评定
发酵乳的持水性可以衡量乳清在蛋白质三维网状结构中的稳定性,当持水性过低时会使发酵乳的乳清析出,降低发酵乳的口感与质地[16]。贮藏期间4组样品的持水性变化如图2-a所示,在贮藏14 d时,对照组发酵乳的持水性达到最高,为84%,其次是PLBI-SiO2 0.5%组,为81%。显著高于PLBI组和PLBI-SiO2 0.3%组发酵乳(P<0.05)。这可能是由于高阻包装能有效阻隔氧气,一定程度上利于胞外多糖的产生,进而提高发酵乳的持水性、减少乳清析出,有利于维持酸奶的凝胶结构,提高其贮藏稳定性。
a-持水力;b-感官评分
图2 不同包装组的酸奶在贮藏期间的持水力与感官评分
Fig.2 Water holding capacity and sensory scores of yogurt during storage in different packaging groups
注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。
4组发酵乳样品感官评定结果如图2-b所示,在14 d时感官评分达到最高,其中对照组为92分,PLBI-SiO2 0.5%组为90.3分,PLBI-SiO2 0.3%组和PLBI组,分别为89分和88.7分,在贮藏后期,因为PLBI组出现轻微的乳清析出,感官评分下降到65.6分,在感官层面上,pH值的降低并没有直接导致感知到的酸味,相反,它似乎是通过酸甜平衡来表达的。
2.3 PLLA/SiO2酸奶贮藏期间的质构测定
贮藏期间4组样品硬度、稠度、内聚性变化如图3所示,PLBI-SiO2 0.5%组在整个贮藏硬度和稠度变化与对照组差异不显著(P>0.05),而在贮藏21 d时,PLBI-SiO2 0.5%组的硬度与稠度出现下降趋势,为30.6 g,217.3 (g·s);趋近对照组[31.4 g,223.6 (g·s)]。这可能是由于在贮藏前期pH值降低及胞外多糖的增加导致发酵乳黏胶强度增加,从而提高了发酵乳的质构特性,而在贮藏后期可能因为内部凝胶结构遭到破坏,导致4组样品的质构特性出现下降趋势[21]。
a-硬度;b-稠度;c-内聚性
图3 不同包装组的酸奶贮藏期间质构的变化
Fig.3 Changes in the texture of yogurt during storage in different packaging groups
而PLBI-SiO2 0.5%组与对照组在贮藏14 d的内聚性变化基本保持一致,分别为25.5 g和26.8 g。这表明,PLBI-SiO2 0.5%组从质构学特性角度表现出优于PLBI组并接近对照组的特性。
2.4 PLLA/SiO2酸奶贮藏期间的活菌数
活菌数是衡量益生菌发酵乳是否具有益生特性的重要参数。贮藏期间不同包装组中保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌的活菌数如图4所示。由于益生菌在贮存过程中受到不同的应激条件,因此很难将发酵乳中的益生菌数量维持在一定水平以上,即高达6 lg CFU/mL[1]。氧化应激是影响益生菌乳制品贮存过程中益生菌活力的关键障碍之一[22],而使用高阻隔包装材料是保持食品中益生菌活性的可行选择之一[23]。
a-保加利亚乳杆菌;b-嗜热链球菌
图4 保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌在不同包装组在贮藏期间的变化
Fig.4 Changes of Lactobacillus bulgaricus and Streptococcus thermophilus in different packaging groups during the storage period
从第0天到第21天,随着贮藏天数的增加,各包装组的益生菌数量与初始值相比显著降低(P<0.05),可能与酸胁迫、氧胁迫、有毒代谢物的产生或与它们对益生菌的综合影响有关。在贮藏21 d后对照组、PLBI-SiO2 0.5%组、PLBI组和PLBI-SiO2 0.3%组保加利亚乳杆菌活菌数分别为7.51、7.11、6.79、6.9 lg CFU/mL,嗜热链球菌计数也有相同趋势,但总体的下降幅度要小于保加利亚乳杆菌,这一结果与CRUZ等[12]研究相一致,这可能与菌种的耐氧性相关[12,23]。同时观察到,在整个贮藏期,PLBI组和PLBI-SiO2 0.3%组的益生菌数量在贮藏21 d低于107 CFU/mL,而对照组与PLBI-SiO2 0.5%组的保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌的活菌数均大于107 CFU/mL,这说明包装阻隔性能的提高有助于发酵乳中活菌数的稳定性,更利于发挥其益生特性。
2.5 PLLA/SiO2酸奶贮藏期间的表观黏度
酸奶在4组包装组的表观黏度随贮藏时间变化曲线如图5所示,可以观察到在贮藏第7天时,所有的样品的表观黏度基本一致,并且第0天到14天出现一个增加的趋势而后有所下降,这可能与贮藏后期凝胶网络结构遭到破坏有关。这一结果与质构和持水力相一致。值得注意的是,所有样品都出现了剪切稀化的现象,同时对照组的表观黏度在贮藏21 d几乎不变,PLBI组显著低于其他3组。这表明样品随包装阻隔性的提升,表观黏度下降的趋势得到缓解。
a-对照组;b-PLBI组;c-PLBI-SiO2 0.3%组;d-PLBI-SiO2 0.5%组
图5 不同包装组的酸奶贮藏期间表观黏度的变化
Fig.5 Changes in apparent viscosity of yogurt during storage in different packaging groups
2.6 PLLA/SiO2酸奶贮藏期间的风味评定
电子舌和电子鼻具有客观、准确、快捷的优点,是评价酸奶感官很好的选择,现广泛用于乳制品中挥发性物质的分析[24-27]。各样品贮藏期间的电子舌雷达图如图6所示,电子舌从酸、苦、涩、苦味回味、涩味回味、鲜、丰富性、咸、甜味这10个方面进行评价。对照组与PLBI-SiO2 0.5%组的丰富性分别是4.64与4.54,两者相差不明显。而PLBI组与PLBI-SiO2 0.3%组的丰富性都较低,分别是2.26与2.51,并且两组在咸味与涩味的味感值相对较高。
a-对照组;b-PLBI组;c-PLBI-SiO2 0.3%组;d-PLBI-SiO2 0.5%组
图6 不同包装组的酸奶贮藏期间电子舌评价雷达图
Fig.6 Radar plot of electronic tongue evaluation of yogurt during storage in different packaging groups
从图7电子鼻雷达图可以观察到,所有样品贮藏期间变化趋势基本一致,W5S(氮氧化合物)、W1S(甲基类)、W2S(醇类、醛酮类)、W2W(有机芳香硫化物)传感器响应值比较高。这表明以上4种挥发性物质在4组样品中贡献较大。王鑫磊等[25]的研究中,表明酸奶中的主要挥发气味中芳香化合物、氮氧化合物和硫化合物贡献较大,与本研究结果一致。综上所述,酸奶的味觉感官及挥发性物质与包装阻隔性正相关,PLBI-SiO2 0.5%组接近对照组。
a-对照组;b-PLBI组;c-PLBI-SiO2 0.3%组;d-PLBI-SiO2 0.5%组
图7 不同包装组的酸奶贮藏期间电子鼻雷达图
Fig.7 Electronic nose radargram of yogurt during storage in different packaging groups
3 讨论
本研究考察了不同包装材料对传统发酵酸奶贮藏期的影响。在21 d的贮藏期内,包装材料的透氧性能影响了酸奶的理化、感官和微生物特性。PLBI-SiO2 0.5%包装的酸奶样品的风味评分和总体可接受性更高,表现出几近于市售的贮藏特性。同时所有包装材料中贮存的酸奶样品在14 d的贮存期内获得了干净的风味。贮藏21 d期间,各包装组的益生菌计数均在106 CFU/mL以上,可以达到益生要求。尽管PLBI-SiO2包装材料已经取得不错的效果,但要想实现生产应用化还有一定的距离,未来可以进一步研究生物可降解的高阻隔包装材料,已达到吹塑或挤出的目的,也可深入探究不同阻隔性包装与酸奶风味的联系或包装材料对发酵类食品,如奶酪品质的影响。此外,由于高成本加上处理玻璃材料固有的危害以及“禁塑令”的实施,绿色高阻隔的塑料包装材料可以成为包装酸奶和其他益生菌发酵乳的更好选择。
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