乳的物理性质和对判断乳的质量和确定合适加工工艺的作用.doc

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1、西南大学食品科学学院食品原料学课程论文乳的物理性质和对判断乳的质量和确定合适加工工艺的作用摘 要：近来年研究发现，消费者对于乳制品的亲睐度有了显著性的提高，尤其是对发酵乳制品的使用，更显突出。比如酸乳、开菲尔、发酵乳酪、酸性乳油等等。原料乳一般可用于液体乳制品、发酵乳、浓缩乳制品和干酪等产品的研发。浓缩乳制品包括淡炼乳、甜炼乳等；发酵乳制品主要以酸奶为主；乳粉更多应用于婴幼儿的饮品当中。对于乳制品的质量要求和更加多样的加工工艺的要求就显得特别重要。本研究主要从乳制品的物理特性方面来研究对乳制品的质量判断的影响以及在合适的加工工艺方面的作用。尤其在乳的相对密度、依数性、表面张力、酸碱平衡、流变性

2、质、热学性质等物理因素来探索对乳制品尤其是对发酵乳制品的质量控制的影响。关键词：乳制品；物理性质；加工工艺；流变性质The physical properties of milk and the role of judging the quality of milk and determine the appropriate processing technologyAbstract:In recent research found that consumers of dairy products for the pro-gaze degrees have significantly impr

3、oved, especially for the use of fermented dairy products, more prominent. Such as yogurt, kefir, fermented cheese, cream, etc. acidic. Raw milk can generally be used for liquid dairy products, fermented milk, cheese and other dairy products and research and development concentrated products. Concent

4、rated dairy products include evaporated milk, sweetened condensed milk, etc.; fermented dairy products based mainly on yogurt; milk used in infants and young children drink more of them. For quality requirements and more diverse dairy processing requirements is particularly important. In this study,

5、 the physical properties of dairy products from areas to study the effects on the quality of dairy products and the role of judgment in terms of the appropriate process. In particular, the relative density of the milk, by number, surface tension, pH balance, rheological properties, thermal propertie

6、s and other physical factors to explore the effect on the quality of dairy products, especially fermented dairy control.Key words:Dairy products; physical properties; processing technology; rheological properties.1 引言1.1 研究背景 近来年，随着经济的飞速发展，人们的生活水平不断提高，对于高质量、高水平的消费需求也越来越大。在当今食品领域，安全问题层出不穷，“三鹿奶粉”、“红心鸭

7、蛋”、“瘦肉精”、“地沟油”.尤其在乳制品行业，给消费者带来的影响最严重。中国乳品消费市场以超过预期的速度快速增长，已成为市场消费热点。但是中国奶类的人均消费与世界人均消费水平相比，还有着很大的差距。目前，世界中等发达国家人均消费量为100kg左右，而发达国家高达250kg。发达国家肉、蛋、奶的比例是0.4:0.06:1，乳制品消费比例高，而中国的比例是6.7:2.8:1，乳制品消费比例最低1。纵观以往喧嚣的中国乳制品行业，其焦点一直围绕在价格战、奶源战、资本战、圈地战、广告战、口水战等方面，但2007年竞争的话题显然已转移到以产品创新、工艺创新为代表的研发大战。各个乳制品企业推出的新品无一不

8、注重科技含量，也更加侧重功能性。中国乳业已进入了新的竞争阶段。针对国内消费观念逐渐成熟、从“有奶喝”转为“喝好奶”的需求日益强烈，竞争也上了一个新台阶，从低端的价格大战走向高端的技术、产品比拼；从原始的广告战、价格战变为对行业健康、长远发展具有促进作用的差异化竞争。随着近来年国家对于乳制品的一系列政策的出台，对于乳制品质量控制的力度的加大有着正面的影响。对于乳制品合适的加工工艺，可以给消费者带来更多不同的乳制品和相关的副产品。1.2 研究目的及意义本次研究主要通过物理的方法研究乳制品的物理性质，了解其物理特性对乳制品的质量的判断以及在加工工艺中的作用。通过了解物理特性的改变，可以给乳制品在加工

9、，保藏，运输等质量方面带来的影响，再通过良好操作规范（GMP)以及危害分析与关键控制点(HACCP)的相关条例2，从而确定合适的加工方法，生产出高质量的乳制品。从我国奶业生产的大形势来看比较良好，奶牛存栏数和奶类产量保持较快发展，但在物价上涨的环境下，牛奶市场在恶性竞争中利润在直线下滑，部分奶农出现“不堪重负”的情况，这对我国乳品市场发展有很大的影响。但据全国畜牧总站监测点的监测和各企业的报表来看，全国奶牛存栏数、奶类产量在保持着增长，但是从几个奶业大省黑龙江省、内蒙古、陕西、青海的奶类产量和牛奶产量增幅均在回落了，部分地区出现了下降3。因此，关于乳制品的质量的提高方面的影响，显得十分的迫切。

10、2 研究内容与方法2.1 密度和相对密度 乳的密度是指乳在20时的质量与同体积水在4时的质量之比。乳的相对密度是指乳在15时的质量与同体积水在15时的质量之比。 正常牛乳的相对密度在1.0281.032，牛乳的相对密度与其脂肪含量、总乳固体含量有关，脱脂乳相对密度升高，掺水乳相对密度降低。GB6914-1986生鲜牛乳收购标准规定：密度(20/4)1.0280。一般使用乳稠计测定鲜乳的相对密度。 乳的密度岁温度的升高而降低，而相对密度则随温度的升高而略有下降（可近似为常数）。乳在冷却过程中，部分脂肪凝固而使密度升高。2.2 依数性对于乳制品的依数性，将从乳制品的冰点、沸点与渗透压几个方面来研究

11、。2.3 表面张力 表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。表面张力的测定方法很多，如毛细管上升法、吊片法、气泡最大压力法、滴重或滴体积法等。2.4 酸碱平衡乳的酸度是反映乳的新鲜度和热稳定性的重要指标。一般说来，酸度高的乳制品，新鲜度低，热稳定性差。乳制品的酸度可用PH、滴定酸度、乳酸度来表示。2.5 流变性质、热学性质乳的流变性质主要表现为牛顿流体、非牛顿流体、凝胶等。表示这些特性的物理参数常用为黏度、硬度、弹性等。而热学性质主要为比热容和导热系数，与温度密切相关。2.6 对加工工艺的作用乳制品的加工工艺一般有热处理、液体乳、发酵等基本操作，乳制品的物

12、理特性的改变主要在加工流程中影响乳制品的质量和风味感官等特性。3 乳制品的密度与相对密度对乳制品质量的影响3.1 测定方法密度与相对密度是检验乳制品的一项重要指标。乳制品的密度和相对密度的测定通常用乳汁密度计（也称乳稠计）测定，是一种相对法。标准乳汁密度计由3支不同测量范围的乳汁密度计组成，即10101020kg/cm3、1020-1030kg/cm3和1030-1040kg/cm3。密度测定是在以4时纯水的密度（此时纯水密度值最大）为标准，而相对密度测定则是以15时纯水的密度为标准的。在测定密度时，乳样温度在10-25范围内均可测定。温度对密度测定值影响较大，每升高1，乳稠计的刻度值则下降0

13、.2刻度，每下降1则乳稠计的刻度值升高0.2刻度。常见乳制品的密度值于表1中。 表1 常见乳制品的密度Table 1 Common dairy density乳与乳制品密度/(g/ml)乳与乳制品密度/(g/ml) 生鲜乳1.026-1.034炼乳（脂肪7.5%）1.055-1.065 脱脂乳1.032-1.038 奶 油0.855-0.960 纯饮用乳1.027-1.033 鲜干酪1.056-1.060 酪 乳1.025-1.029 乳 粉1.270-1.460 乳 清1.020-1.026 脱脂乳粉1.440-1.460稀奶油（脂肪30%）0.995-0.985 全脂乳粉1.270-1.3

14、20稀奶油（脂肪50%）0.975-0.9853.2 对乳制品质量判断的作用及影响 15时，正常乳的平均比重为1.032，脱脂乳为1.037，乳的相对密度在挤乳后1h内最低，后逐渐上升。由于气体的逸散、蛋白质的水合作用及脂肪的凝固使容积发生变化的结果4，不宜在挤乳后立即测试比重n检验用语：比重32度（即1.032）4 乳的依数性及其对质量的影响4.1 乳制品的冰点乳制品冰点的平均值为-0.53-0.55，平均为-0.542。作为溶质的乳糖与盐类是冰点下降的主要因素。由于它们的含量较稳定，所以正常新鲜乳的冰点是物理性质中较稳定的一项。如果在牛乳中掺水，可导致冰点回升。掺水10%，冰点约上升0.0

15、54。可根据冰点的变动用下列公式来推算掺水量： W=（100-Ws）式中 w-以质量计的加水量（%） t-正常乳的冰点（） t- 被检乳的冰点（）ws - 被检乳的乳固体含量（%）以上计算对新鲜乳制品是有效的，但酸则乳冰点会降低。另外贮藏与杀菌条件对乳的冰点也有影响，所以测定冰点必须是对酸度在200以内的新鲜乳。冷却（或加热）乳可引起离子态向胶体态盐的转化（或胶体态向离子态转变）而使冰点稍有上升或下降。牛乳的真空脱气以及闪蒸操作，因气体的脱除而增加了乳的冰点；但如果导致明显脱水而使浓度增加，则冰点将降低；当两者相抵消时则可维持乳的冰点基本稳定。4.2 沸点与渗透压乳的沸点在101KPA(1个大

16、气压)下约为100.5。乳在浓缩过程中沸点继续上升；浓缩到原容积的一半时，沸点约上升到101.05。乳的渗透压受血液调控，因此，乳的渗透压与血液的渗透压基本相等，即687kPa。如果乳中乳糖含量发生变化，为了平衡渗透压，乳腺会通过Na+、Cl-浓度的改变来补偿。所以，乳中的乳糖含量和氯离子浓度呈强的负相关。5 表面张力及其作用通常，处于液体表面层的分子较为稀薄，其分子间距较大，液体分子之间的引力大于斥力，合力表现为平行于液体界面的引力。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。在20时，乳制品的表面张力为40-60N/m，平均为52N/m。在20-40，乳清的表面张力为48N

17、/m，酪乳的表面张力约为40N/m.脱脂乳和25%含脂率的稀奶油的表面张力分别为52-52.5N/m和42-45N/m。乳制品的表面张力在20时为0.040.06N/cm，随着温度的升高，表面张力越来越小；对于脂肪的含量而言，含脂率越高，其表面张力越小，原因在于脂肪能够降低油水两界面的张力，能够释放出游离的脂肪酸；对于均质处理过后，随着脂肪球表面积的增加，表面张力也随之增加，当脂肪经过脂肪酶水解后，其表面张力也越来越大5。全脂乳和脱脂乳的表面随温度的升高而降低6。均质可降低原料乳的表面张力，其原因是乳中内源性脂酶导致脂肪水解并释放出具有表面活性的脂肪酸。乳制品的表面张力在巴氏杀菌时变化不大。牛

18、乳的表面张力与牛乳的起泡性、乳浊状态、微生物的生长发育、热处理、均质作用及风味等有密切关系。加工冰淇淋或搅打发泡稀奶油时希望有浓厚而稳定的泡沫形成，但运送乳、净化乳、稀奶油分离、杀菌时则不希望形成泡沫。6 酸碱平衡 乳蛋白质的分子中含有较多的酸性氨基酸和自由的羧基，而且受磷酸盐等酸性物质的影响，所以乳是偏酸性的。6.1 乳的滴定酸度及其PH 乳品生产中经常需要测定乳的酸度。乳的酸度有多种表示形式。乳品生产中常用的酸度是指以标准碱溶液用滴定法测定的“滴定酸度”。我国乳、乳制品及其检验方法中规定酸度试验是以滴定酸度为标准。 滴定酸度有多种测定方法及其表示形式。我国滴定酸度用吉尔涅尔度表示，简称0T

19、；或用乳酸百分率（乳酸%）来表示7。滴定酸度（T）是以酚酞为指示型，中和100ml乳所消耗0.1mol/L氢氧化钠溶液的毫升数。如：消耗18ml即为180T。正常的新鲜牛乳的滴定酸度约为14200T，一般为16180T。用乳酸质量分数表示时，滴定后可按下列公式计算： 乳酸质量分数=100% 正常新鲜牛乳的滴定酸度用乳酸质量分数表示时约为0.13%0.18%，一般0.15%0.16%。以上讨论的是牛乳的滴定酸度。若从酸的含义出发，酸度可用氢离子浓度指数（PH）来表示。PH可称为离子酸度或活性酸度。正常新鲜的牛乳的PH为6.46.8，一般酸败乳或初乳的PH在6.4以下，乳房炎或低酸度乳PH在6.8

20、以上。6.2 乳的酸度对产品质量的影响PH反映了乳中处于电离状态的所谓的活性氢离子的浓度。而测定滴定酸度时，氢氧离子不仅和活性氢离子相作用，同时也和潜在的，也就是在滴定过程中电离出来的氢离子相作用。乳挤出来后再存放过程中，由于微生物的作用使乳糖分解为乳酸。乳酸是一种电离度小的弱酸，而牛乳是一个缓冲体系。蛋白质、磷酸盐、柠檬酸盐等物质具有缓冲作用，可使乳保持相对稳定的活性氢离子浓度，所以在一定范围内，虽然产生了乳酸，但乳的PH并不相应地发生明显的变化。测定滴定酸度时，按照质量作用定律，随着碱液的增加，乳酸分子继续电离，由乳酸带来的活性的和潜在的氢离子陆续与氢氧离子发生中和反应，可见滴定酸度可以反

21、映出乳酸产生的程度。而PH则不呈现规律性的对应关系，因此生产上广泛地测定滴定酸度来间接掌握原料乳的新鲜度。7 乳的流变性质及其作用7.1 黏度在本研究中，主要对乳制品流变性质中的黏度进行研究以及对乳制品质量的影响。牛乳大致可认为属于牛顿流体。正常乳的黏度在20时为0.0015-0.0020Pa.s，牛乳的黏度随温度的升高而降低。在乳的成分中，脂肪及蛋白质对黏度的影响最显著，随着含脂率、乳固体的含量增高，黏度也增高8。初乳、末乳的黏度都比正常乳高。在加工中，黏度受脱脂、杀菌、均质等操作的影响。 影响乳脂肪上浮的速度的因素主要包括原料乳的品质、牛乳中乳固体与脂肪的含量、加工过程中的均质条件和杀菌方

22、式9、成品的贮存温度以及乳化剂的添加等10,11。根据Stocks 定律12，由于乳脂肪球的密度小于乳浆的密度无法改变，不可避免地存在上浮现象13。原料乳质量与加工条件的控制也仅能延缓脂肪聚集上浮速度而已14。加工后的产品储存温度对脂肪上浮影响较大15,16，温度的提高会导致体系黏度下降而引起脂肪上浮的增加。目前，温度对液体黏度影响的研究主要基于Arrhenius 方程17-19，但关于该模型对超高温灭菌乳体系以及实际可能经历的储存温度条件下的适用性及精确性目前尚未见报道。7.2 温度对超高温灭菌乳黏度的影响 利用TA AG2 型流变仪在temperature ramp 模式下，在变温速度5/

23、min 和剪切速率为3 s-1 的条件下，测定样品从20加热至45过程中及由45冷却至20过程中的黏度变化，结果见图1。图1 超高温灭菌乳黏度随温度变化Fig.2 Relationship between UHT cow milk viscosity and temperature 注：T ramp 1：升温过程；T ramp 2：降温过程；变温速度5/min；剪切速率为3 s-1 根据图1，样品在升温过程中，表现为随着温度的升高，黏度总体呈下降趋势。其中，2025略有增稠但基本稳定，说明内部存在交联结构；2545温度范围内，黏度逐渐降低，高于40稀化效应减小。样品从45降温至20过程中，黏度

24、逐渐增加，30至20的变化要大于高于40至30。整个循环过程说明体系对温度较为敏感。货架期加速试验（accelerated shelf-life testing，ASLT）是指可基于比产品实际货架期显著缩短的时间内获得的试验数据对产品稳定性进行评价的方法20。温度升高使得超高温灭菌乳的黏度显著降低，乳脂肪球的上浮速率增加，进而加速超高温灭菌乳的组织状态改变。鉴于超高温灭菌乳货架期较长，可选择因脂肪上浮而导致的组织状态破坏作为加速因子，根据Stokes 定律计算出特定温度与室温条件下的乳脂肪球上浮速率比，并以此作为加速比建立其货架期加速试验的模型，进而可在较短的时间内评价超高温灭菌的货架期。7.

25、3剪切速率对超高温灭菌乳黏度的影响假塑性流体随着剪切速率的增加，物质内部发生分子结构重排，导致不可逆的结构破坏，进而发生黏度的下降21。为了测定超高温灭菌乳流变学特性，采用稳态转动（stead state flow）模式，测定样品在20条件下，剪切速率从0.01 s-1 增加至100 s-1，剪切速率对样品的剪切力的影响，并以剪切力为纵坐标，剪切速率为横坐标作图，结果见图2。图2 超高温灭菌乳剪切力随剪切速率变化Fig.3 Relationship between UHT cow milk shear stress and shear rate注：温度20 由图2 可知，试验样品的剪切应力与剪

26、切速率之间的关系呈对数型曲线，属典型的假塑性流体，其中线性部分的方程为y=0.054x+0.2445，因此，样品体系的内部结构重排的临界应力为0.2445 Pa。根据图1，在20时样品黏度为0.0049 Pas，剪切速率为3 s-1 的条件下，剪切力约为0.0147 Pa，不足以克服体系的内部结构而使得黏度下降。-卡拉胶可与乳酪蛋白起络合反应并形成的弱凝胶网络体系是导致体系应力的存在直接原因22，但可能在2025之间达到最大值，此后随着温度的升高而降低。这也与Mar cotte 研究得到的2%，3%卡拉胶水溶液在其试验温度条件下（20、40、60 和80）只有在20时具有屈服应力相吻合，其随着

27、的浓度的增加而增大，温度的升高而减小直至消失23。黏度在乳品加工方面有重要的意义。例如在浓缩乳制品方面，黏度过高或过低都不是正常的情况。以甜炼乳而言，黏度过低时可能发生糖沉淀或脂肪分离，黏度过高时可能产生浓厚化；储藏中的淡炼乳，如黏度过高时可能产生矿物质的沉淀或形成冻胶体（即形成网状结构）。此外，在生产乳粉时，如黏度过高，可能妨碍喷雾，产生雾化不完全及水分蒸发不良等现象，因此掌握适当的黏度是保证雾化充分的必要条件。8 加工处理对乳制品的影响 本次研究主要从热处理，冷加工、发酵技术几个方面来说明对乳的影响。8.1 热处理对乳的影响热加工对乳的影响最大，其中蛋白质的变化尤为重要，因此对于各种乳制品

28、质量都有很大的关系。形成薄膜，将乳制品加热到40以上，在乳制品与空气接触的界面形成薄膜，这是由于液面水分蒸发而形成不可逆的蛋白质凝固物，俗称“奶皮子”，其中70%为乳脂肪，20%-25%为乳蛋白质，而且白蛋白占多数。形成的薄膜会影响乳制品的均匀性。而防止薄膜形成以及防止蛋白质提前凝固的办法是加热时搅拌或减少液面水分的蒸发24。牛乳长时间加热将发生褐变。褐变反应的程度随温度、酸度及糖的种类而异，温度和酸度越高，棕色化也就越严重，这一点在生产加糖炼乳和乳粉时关系很大25。例如在生产炼乳时使用含转化糖高的砂糖或混合用葡萄糖则会产生严重的褐变。牛乳加热后会产生或轻或重的蒸煮味，牛乳经74、15min加

29、热后，则会产生明显的蒸煮味，这主要是由于-乳球蛋白和脂肪球膜蛋白的热变性而产生SH，甚至产生挥发性的硫化物和硫化氢（H2S).蒸煮味的程度随加热温度而异，如表3所示。表3 加热对牛乳风味的影响Table 3 Heating effect on the flavor of milk加热温度风味加热温度风味未加热正常76.7，瞬间蒸煮味+62.8,30min正常82.2，瞬间蒸煮味+68.3,瞬间正常89.9，瞬间蒸煮味+8.2 冷加工对乳制品质量的影响冷冻加工主要是运用冷冻升华干燥和冷冻保存的加工方法对乳制品进行保鲜。如牛乳在-5下保存5周以上或在-10下保存10周以上，在解冻过后酪蛋白将会产生

30、凝固沉淀现象。冷冻保存期间蛋白质的不稳定性也与乳糖有关，浓缩乳冻结时，乳糖结晶能够促进蛋白质的不稳定现象，添加蔗糖则可酪蛋白复合物的稳定性。糖类中以蔗糖效果最佳，这种效果是由于黏度增大影响冰点下降，同时有防止乳糖结晶的作用。牛乳冻结时，由于脂肪球膜的结构发生变化，脂肪乳化产生不稳定现象，以至于失去乳化能力，并使大小不等的脂肪团块浮于表面。但含脂率25%-30%的稀奶油，由于脂肪浓度高，黏度也高，脂肪球分布均匀，因此，各层之间没有差别。此外，均质处理过后的牛乳，脂肪球的直径在1m以下，同时黏度也稍有增加，脂肪不容易上浮。8.3 发酵技术对原料乳的作用发酵对乳的品质的影响主要为以下几点乳的稳定性下

31、降，乳酸的形成是乳清蛋白和酪蛋白复合体因其中的磷酸钙和柠檬酸钙的逐渐溶解而变得越来越不稳定。当体系的pH达到酪蛋白的等电点时（pH 4.6-4.7），酪蛋白胶粒开始聚集沉降，逐渐形成一种蛋白质网络立体结构，其中包含乳清蛋白、脂和水溶液。这种半固体状态的凝胶就是酸乳。乳酸发酵过后，pH从6.6降低至4.4，形成软质的凝乳。产生了细菌与酪蛋白微胶粒相连的黏液，赋予搅拌型酸乳黏浆状的质地。发酵时产生的酸度和某些抗菌剂可防止有害微生物生长。由于保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的共生作用，酸乳的活菌数大于10*7cfu/g。同时还产生乳糖酶。9 结论此次研究，主要在乳制品的物理特性方面说明冰点、相对密度、沸点

32、、表面张力、酸度、流变性质中的黏度、热学性质的变化以及热处理、冷加工和发酵技术等不同的发酵生产工艺队乳制品的质量方面的影响。其中，在流变性质中的黏度方面重点进行了研究。结果表明，-卡拉胶可与乳酪蛋白之间形成的弱凝胶在2025导致的略有增稠现象，严重地降低了模型的拟合度，温度升高至25使弱凝胶体系得以破坏后，牛乳体系黏度随温度的变化与模型高度吻合，因此，使牛乳体系稳定的-卡拉胶会对其流变学产生一定的影响， 使之黏度随温度的变化规律较经典的Arrhenius 模型发生一定的偏离，降温过程中黏度随温度的变化规律与Arrhenius 模型基本一致。整个过程说明超高温灭菌乳的黏度受温度影响极其显著。此外

33、，利用黏度随温度变化的方程，可以计算出2045温度范围内一点的黏度，结合Stocks 方程可推算出不同温度乳脂肪球的上浮速率，为建立基于升高温度可加速超高温灭菌乳组织状态改变的货架期加速试验模型奠定基础。参考文献：1 赵子琴.通过提升原料奶质量和开展正确的宣传引导和促进巴氏杀菌奶的消费J. 中国乳业.2006(12).2 白雪. 超高温灭菌乳的质量缺陷及解决办法J. 农产品加工. 2006(05).3 Chen Haiqiang.Use of linear,Weibull,and log-logistic functions to model pressure inactivation of

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