超高温灭菌纯牛奶杀菌工艺的多响应曲面法优化研究.docx

超高温灭菌纯牛奶杀菌工艺的多响应曲面法优化研究高雪峰 1 , 何桢 1 , 周彦虎 1 , 孙鹏 2(11 天津大学管理学院 , 天津 300072 ; 21 辽宁省沈阳市蒲河镇政府 , 沈阳 110129)摘 要 : 利用改进的满意度函数 ,结合 RSM 对超高温 (UHT) 灭菌纯牛奶的瞬时超高温杀菌工艺参数进行优 化 ,建立了关于 d 值的二次多项数学模型 ,得到 UHT 纯牛奶杀菌的最佳工艺参数 :杀菌温度 136 ,杀菌时间3 s 。现场验证结果表明 :采用新的瞬时超高温杀菌 (UHT) 工艺条件 ,UHT 纯牛奶的感官质量明显改善 ,每 100 g UHT 纯牛奶蛋白质的平均含量提高了 012 g ,维生素损失减少 659118g/ L ,生产周期缩短 ,能耗降低 ,产品的货架期几乎保持不变 。关键词 : UHT 纯牛奶 ; 满意度函数 ; 响应曲面 ; 超高温杀菌工艺文章编号 : 100025684 (2007) 0120107206中图分类号 : TS252文献标识码 : AResearch on Optimization of Sterilizing Conditions ofUHT Mil k by Multi2Response Surface MethodologyGAO Xue2f e ng1 , HE Zhe n1 , ZHOU Ya n2hu1 , SUN Pe ng2(1. School of Management , Tianjin University , Tianjin 300072 , China ; 2. Puhe Town Government ofS henyang City , S henyang 110129 , China)Ab stract : To improve the quality of UHT milk , technological conditions of the ultra high temperatureshort time sterilized were optimized by the method , which combines desirability functions improved and response surface methodology for the first time1A second order quadratic equation for d value was built1The results showed that the optimum technological conditions were as follows : sterilizing temperature136 ,sterilizing time 3s1Finally , the optimum technological conditions were applied in a leading dairycorporation of our country1The results showed that the organoleptic quality was improved evidently , the protein content in per 100 g milk was increased by 012 g , vitamin loss for UHT milk was decreased to659118g/ L but also the production cycle was shortened , energy consumption was cut down , the shelf2life of UHT milk was not nearly changed1So the model obtained by this method had definite application values for UHT milk quality improvement1Key wo rd s : UHT milk ; desirability function ; response surface methodology ; UHT sterilization technolo2gy我 国 从 20 世 纪 80 年 代 引 进 国 外 超 高 温(UHT) 杀菌技术 ,发展至今已有 20 多年的历史 。 UHT 纯牛奶以其饮用方便 、保鲜期长以及可远距 离销售等特点深受消费者欢迎 。然而 UHT 纯牛 奶的坏包率较高 ,表现为脂肪上浮 、蛋白凝块 、乳 清析出 、酸包 、苦包 、胀包 、色香味的改变等 ,严重影响了产品的品质 。造成这种结果的原因有很多 ,其中 UHT 工艺参数是影响 UHT 纯牛奶品质的 重要因素之一 。单从微生物的角度考虑 ,乳的热 处理强度是越大越好 ,但强烈的热处理对牛乳的 外观 、味道和营养价值都会产生不良的影响 。因 此 UHT 纯牛奶的杀菌条件 ( 杀菌温度和 杀 菌 时 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (70572044) ,教育部新世纪优秀人才支持计划 (NCET20420240)作者简介 : 高雪峰 (1979 2) ,男 ,博士研究生 ,研究方向 :乳制品加工工艺 。收稿日期 : 2006204220修回日期 : 2006211220108吉林农业大学学报2007 年 2 月间) 组合选择必须考虑到既要最大限度地保持天然牛奶的营养成分和风味 ,又要最有效地消除和 预防不安全因素的影响 ,而且从产品的商业化生 产来讲 ,还必须考虑产品的货架寿命 。另外 ,不同地区原料乳质量不同 ,UHT 工艺参数也不可能相 同 。因此 ,为了进一步改进 UHT 奶的品质 , 根据 实际情况选择合理的 UHT 工艺参数势在必行 。确定 UHT 奶工艺参数属于多响应的实验设 计优化问题 ,解决这类问题有一定难度 。其根本原因在于各个响应要同时达到最优通常是不可能 的 ,对各个响应分别进行独立的优化又不切实际 。 到目前为止 ,众多的统计学家 、质量学家以及工程 技术人员对此类问题进行了深入的研究和探讨 , 提出了各种各样的解决方法 。其中 Harringtone 在1965 年提出的满意度函数法1 是将所有的响应 变量合成 1 个响应变量 ,即通过特定的满意度函 数将各个响应值转化为 0 到 1 之间的数 ,即 d ( Yi )得到 UHT 纯牛奶杀菌的最佳工艺参数 。1材料与方法111 原料与仪器设备本试验在我国某乳制品龙头企业内部一条利 乐枕纯牛奶生产线上进行 。以合格的半成品牛奶(经过初步杀菌 , 化验室检验合格) 为试验材料 。 营养琼脂培养基按照文献 5配制 。Sartorious 精密电子天平 ( 北京塞多斯天平有限公司) ,10 t 半成品奶罐 ( 内蒙古九强机械有限公司) , RAM25 -250BAR 型 均 质 机 ( 瑞 典 利 乐 公 司 ) , TAFL EX100THE 型 UHT 杀菌机 ( 瑞典利乐公司) , DHP - 9082 恒温培养箱 ( 上海精密仪器仪表有限 公司) , HH1S21 - 8 型恒温水浴锅 ( 上海精密仪器仪表有限公司) ,BCD - 518WSA 冰箱 (青岛海尔集 团) TU - 1221 型可见紫外分光光度计 ( 北京普析 通用仪器有限公司) 751 GD 分光光度计 ( 上海天普 分析仪器有限公司) ,AA370MC 原子吸收分光光 度计 (上海天普分析仪器有限公司) 。112 试验设计以 UHT 杀菌的温度 、时间作为考察因素 , 根 据我国 UHT 纯牛奶杀菌的工艺条件6 及最峭攀 登搜索 法7 确 定 各 因 素 的 取 值 范 围 : 杀 菌 温 度135137 ,杀菌时间 24 s 。试验采用二因素三水平的 BOX 中心复合设 计方法 。考察因子 ( 自变量) 杀菌温度 、时间分别 用 x1 , x2 表示 ,并以 + 1 ,0 , - 1 分别代表自变量的 高 、中 、低水平 ,按方程 xi = ( Xi - X0 ) / X 对自变 量进行编码 。其中 , x 为自变量编码值 , Xi 为自 变量真实 值 , X0 为 试 验 中 心 点 处 自 变 量 的 真 实 值 , 为自变量变化步长 ,因子编码及水平见表1 。UHT 奶中的耐热芽孢菌 、52羟甲基糠醛 、瞬时 超高温杀菌时维生素 C 、维生素 B1 、维生素 B12 之 和的 损 失 是 响 应 变 量 ( 因 变 量 ) 。试 验 方 案 见 表 2 。r) ,且 d ( Yi ) 随着相应响应的满意度增( i = 1 , 2大而增大 ,将这些 d ( Yi ) 的几何平均定义为多响应系统的总体满意度函数 ,从而可实现从多响应 变量向单响应变量的转化 ,然后在规定的试验区 域内 , 利用响应曲面法 , 通过对其进行最大化处 理 ,求 得 1 组 可 控 变 量 X 的 组 合 。因 其 应 用 简 便 ,该方法被广泛应用于工业生产中 ,但是该方法也存 在 着 严 重 不 足 。后 来 GATZA2 、Deringer 和 Suich3 等人对 Harrington 的满意度函数方法进行 了改进 。尽管如此 ,该方法仍然存在不足 ,即使用 满意度函数转化时没有考虑到各个响应变量的方 差和相关性 ,这也可能会改变整体满意度函数的结构形式 ,最终导致得出的操作条件不能满足质 量要求 ,从而失去优化的真正意义 。本研究以 UHT 纯牛奶中的耐热芽孢菌 、52羟 甲基糠醛 、瞬时超高温杀菌时维生素的损失为响 应变量 ,以杀菌温度 、杀菌时间作为考察因素 ,利用改进 的 满 意 度 函 数 法4 , 结 合 RSM 法 进 行 优 化 ,即在弥补了上述满意度函数法存在的缺陷后 ,表 1 试验因素水平及编码Ta ble 1 . Co de a nd level of f actor s cho se n for the trial s代码 Code水平 Level因素Factor编码Code非编码Non2code- 10+ 1温度Temperature 保持时间 Holding timex1X1135136137x2X2234J ournal of J ilin A gricultural University 2007 , February高雪峰等 : 超高温灭菌纯牛奶杀菌工艺的多响应曲面法优化研究109表 2 试验方案 Ta ble 21 Exp erime nt al pla n 法测定 ;维生素采用文献 10 方法测定 ,本试验所测为维生素 C 、维生素 B1 和维生素 B12三者之和 。温度 x1保持时间 x211313试验结果验证方法( 1) UHT 纯牛奶感处理 Treatment Temperature Holding time 11官质量评价按照新的国家规定, 由 10 位乳制品评鉴师 、乳品专家对工艺改进前后的 UHT 纯牛 奶的 10 组样本的感官质量 (包括色泽 、滋气味 、组 织状态) 进行评比打分 (总分 100 分) 。(2) UHT 纯 牛奶蛋白质含量依据 GB540812 - 1999灭 菌 乳 标准 ,分别对工艺改变前后的 UHT 纯牛奶的样本 每 100 g UHT 纯 牛 奶 蛋 白 质 的 平 均 含 量 进 行 检 测 。(3) 维生素的损失采用文献 10 方法 ,分别对 工艺改变前后 UHT 纯牛奶样本的瞬时超高温杀 菌时维生素的损失量进行检测 。( 4) UHT 纯牛奶 的货 架 期 测 定 将 样 本 分 别 放 入 半 年 样 室 , 依 据 GB540812 - 1999灭菌乳标准 , 每天对样本的净 含量 、脂肪 、蛋白质 、非脂乳固体 、杂质度 、酸度 、硝 酸盐 、汞含量 、亚硝酸盐 、感官评价 ( 包括色泽 、滋 气味 、组织状态) 、菌落总数等进行检测 ,若发现有 一项不合格则判其已逾货架期 。114数据处理所有 试 验 重 复 3 次 , 首 先 采 用 统 计 软 件 Minitab14113 系统中菜单 Stat 中的 Response Surface 程序依次进行试验设计 、数据分析和二次模型的 建立 ,然后通过该软件对回归方程及系数进行检验以及响应曲面的分析 ,获得最佳变量水平 。1234567891011121311- 1- 10000011414- 11414001- 11- 1000000011414- 11414最后对试验结果进行验证 。选取 10 个样本 ,样本容量为 50 包 (在利乐枕生产线上每隔 30 min 取 25 包) 分别对工艺改变前后的 UHT 纯牛奶进 行感官质量评价 ( 包括色泽 、滋气味 、组织状态) 、测量每 100 g UHT 纯牛奶蛋白质的平均含量 , 测 量 UHT 纯牛奶瞬时超高温杀菌造成的维生素损 失量以及 UHT 纯牛奶的货架期 。113 试验方法11311 UHT 纯牛奶的制备 本试验采用的 UHT纯牛奶工艺路线 : 半成品奶罐 过滤 平衡槽 预热 1 均质 预热 2 预热 3 UHT ( 超高温瞬 时杀菌) 冷却段 1 冷却段 2 灌装 成品 。首先将合格的半成品奶从半成品罐中调出 ,经过滤器过滤 ,沿牛奶管路到平衡槽 ,对牛奶进行 初步预热 , 使其达到 65 85 , 然后经均质机均质 (保证 均 质 前 的 压 力 为 300 330 kPa 、温 度 为6585 ,均 质 压 力 为 20 22 MPa ) 。进 一 步 预 热 ,经 预 热 1 , 2 后 使 牛 奶 温 度 达 到 135 ( 137 ,139 ,141 ,143 ) ,流经保温管进行瞬时 ( 215 s)杀菌 (保证杀菌前的压力 350800 kPa ,杀菌后的 压力为 300750 kPa) , 最后对牛奶分段冷却 , 经 冷却后牛奶温度达到 835 ,再经灌装 ,最后制 成 UHT 纯牛奶成品 。11312 响应指标的测定方法 耐热芽孢菌采用文献 8 方法测定 ; 52羟甲基糠醛采用文献 9 方结果与分析2211 试验结果试验结果见表 3 ,其中的 d 值是采用基于三 响应实验设计优化的满意度函数方法获得 。由于耐热芽孢菌 、52羟甲基糠醛 、瞬时超高温杀菌时维生素的损失这三响应目标值要求越小越好 ,所以 均选择望小的满意度函数 。采用上述方法获得合 理的满意度函数 d1 , d2 , d3 ,再分别将三响应变量的响应值带入相应的满意度函数 ,转化成响应的w1w1满意度 ,最后利用整体满意度函数 d = d1 , d2 ,w1d3 获得 d 值 。其中耐热芽孢菌 、52羟甲基糠醛 、瞬 时 超 高 温 杀 菌 时 维 生 素 的 损 失 权 重 分 别 为014 , 014 , 012 , 相 应 的 T 值 分 别 取 110 个/ L ,413mol/ L ,2 036190g/ L 。吉林农业大学学报 J ournal of J ilin A gricultural University110吉林农业大学学报2007 年 2 月表 3 试验结果Ta ble 3 .Exp erime ntal re sult s耐热芽孢菌/( 个L - 1)Heat2resis tant gemma52羟甲基糠醛/维生素损失/温度 x1Temperature保持时间 x2Holding time(molL - 1)52( Hydroxy methyl)furfural处理Treatment(gL- 1)dLoss of vitamin12345678910111211- 1- 10000011414- 1141401- 11- 10000000114140160180191120180180170180170160190185155104184135105115115115105134155124 8411443 6411453 2361632 0361903 8211163 7991323 8191633 8201893 7991154 6211432 9601714 130196012201120124010001370139013801380139012401120124 13 0 - 11414 110 416 3 183161 0100 212回归方程系数计算结果应用 Minitab14113 软件对表 3 试验数据进行表 4 回归方程系数回归拟合 ,回归系数见表 4 。Ta ble 4 .Re gre s sio n co efficie nt s项目Item系数CoefSETP常数ConstantA BA AB B A BS = 01011 57R - Sq = 9916 %01382 0001033 7101084 93- 01102 25- 01132 25- 01035 0001005 17501004 09101004 09101004 38801004 38801005 78673181381240201757- 231305- 301142- 61049010000100001000010000100001001 R - Sq (adj) = 9913 % 01102 3- 01132 3 x2 。x2213回归方程及系数检验结果根 据 回 归 系 数 , 得 回 归 方 程 。 应 用 Minitab14113 软件 ,对回归方程及系数进行显著性 检验 。由显著性检验结果可知 ,回归方程高度显 著 ( P = 01000 0105 ) ; 模 型 的 校 正 决 定 系 数 ( Adj R2squared) Adj R2 = 01833 3 ,说明该模型拟合程度良 好 ,试验误差小 ,该模型是适合的 。各项回归系数显著性检验表明 : 一次项 x1 ( P = 01000 0101) 、12214响应曲面分析与优化根据二次模型所做的响应曲面及其相应的等 高线见图 1 、图 2 。根据图 1 、图 2 可评价试验因素 对 d 值的两两交互作用 ,以及确定各因素的最佳 水平范围 。如果一个响应曲面坡度相对平缓 ,表 明牛奶可以忍受处理条件的变异 ,此时对响应值 影响小 。相反 ,如果一个响应曲面坡度非常陡峭 ,表明响应值对于处理条件的改变非常敏感 。等高 线的形状可反映出交互效应的强弱 ,椭圆形表示两因素交互作用显著 ,而圆形则相反 ,此时两因素 交互作用可忽略12 。由图 2 可知 ,当杀菌温度为135 时 ,曲面较陡峭 ,随着杀菌温度升高 ,曲面逐渐变 缓 , 响 应 值 d 随 之 上 升 , 温 度 位 于 中 心 点x2 ( P = 01000 0101 ) , 二 次 项 x2 ( P = 01000 10101) 、x2 ( P = 01000 0101) ,交互效应 x x ( P =21 201001 0101) 均为极显著 。因此 ,回归方程为 d =01382 0 + 01033 7 x1 + 01084 9 x2 - 01035 0 x1 x2 -J ournal of J ilin A gricultural University 2007 , February高雪峰等 : 超高温灭菌纯牛奶杀菌工艺的多响应曲面法优化研究111136 时 ,响应值 d 升到最大 ,此时曲面非常平缓 ,而后随着温度进一步升高 ,曲面逐渐变陡峭 ,同时 响应值 d 呈下降趋势 ,大于 137 时 ,曲面变的非 常陡峭 ,响应值 d 下降极快 。当杀菌时间为 2 s时 ,曲面较陡峭 ,随着杀菌时间的延长 ,曲面逐渐 变缓 , 同时响应值 d 开始随之上升 , 杀菌时间位 于中心点 3 s ,响应值 d 值升到最大 ,此时曲面非 常平缓 ,随着杀菌时间进一步延长 ,曲面逐渐变陡 峭 ,同时响应值 d 呈下降趋势 , 当杀菌时间大于4 s时 , 曲面变的非常陡峭 , 响应 值 d 下 降 极 快 。 响应值 d 随杀菌时间的变化趋势与杀菌温度的 变化趋势一致 。图 2 显示了热处理时间和处理温 度对 d 值的交互影响效应 ,由图可直观地看出等 高线为椭圆形 ,所以两因素的交互作用显著 ( P =01001) 。由 等 高 线 图 可 知 控 制 处 理 温 度 在13514137 、时间 2154 s , 得到的 d 值较好 。 结合图 1 、图 2 , 利用 Minitab14113 软件得出 UHT 奶最佳工艺条件 : 杀菌温度 136 ,杀菌保持时间3 s 。图 2 温度 保持时间对 d 值的等高线图Fig121 Co nto ur for d value ver su s te mp erature2te m2p erature holding time图 3 UHT 纯牛奶感官质量评比得分Fig131 Point s for the orga noleptic quality of UHT milik图 1 温度 保持时间对 d 值响应曲面分析图Fig11 . R SM a nalysi s for d value ver su s te mp erature2holding time215 试验验证结果21511 UHT 纯牛奶感官质量评定结果 UHT 纯 牛奶感 官 质 量 评 定 结 果 见 图 3 。工 艺 改 变 后 的UHT 纯牛奶的感官质量评比得分比工艺改变前平均增加 2112 分 , 即采用新工艺系数 UHT 纯牛 奶的感官质量得到改善 。21512 UHT 纯牛奶蛋白质含量测定结果 由图4 可知工艺改变后的每 100 g UHT 纯牛奶蛋白质 的平均含量大约增加 0127 g ,即 UHT 纯牛奶的营 养成分增加 。21513 维生素损失检测结果 由图 5 可知 ,工艺 改变后 UHT 纯牛奶在瞬时超高温杀菌时维生素 的损失约减少 600g/ L 。图 4 每 100 g UHT 纯牛奶蛋白质的平均含量Fig141 Avera ge co nte nt of every 100 gra m protein forUHT milk216货架期测定结果由图 6 可知 ,工艺改变后 UHT 纯牛奶的货架 期比工艺改进前缩短 01096 d ,但是工艺改变后的利乐枕保质期仍大于 45 d ( 该种利乐枕产品的保吉林农业大学学报 J ournal of J ilin A gricultural University112吉林农业大学学报2007 年 2 月质期为 45 d) ,完全符合质量要求 。得到 UHT 纯牛奶杀菌的最佳工艺参数 :灭菌温度136 ,灭菌时间 3 s 。经过生产现场检验 ,证明采 用新的 UHT 瞬 时 超 高 温 杀 菌 工 艺 条 件 对 我 国 UHT 纯 牛 奶 质 量 改 进 效 果 明 显 , 而 且 与 原 来 的UHT 纯牛奶的瞬时超高温杀菌工艺条件 ( 137 ,4 s) 相比 ,既缩短了生产周期又降低了能耗 。参考文献 :HARRINGTONE C1The desirability FunctionJ . Industrial QualityControl , 1965 , 21 (3) :4942498 .GATZA P E , MCMILLAN R C. 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