麥志杰，徐海濤，趙靜，林芳,范建明

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系，廣州510632）

檢測牛奶變質(zhì)的研究

麥志杰，徐海濤，趙靜，林芳,范建明

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用物理系，廣州510632）

研究了通過檢測黏度判斷牛奶變質(zhì)的原理。結(jié)果表明，牛奶變質(zhì)過程確實(shí)伴隨著黏度的變化，并且變質(zhì)后的牛奶黏度明顯增大。該方法檢測牛奶變質(zhì)具有速度快、操作簡單的特點(diǎn)。

牛奶變質(zhì)；黏度；物理檢測

0 引言

牛奶營養(yǎng)豐富,是天然的培養(yǎng)基,極易腐敗變質(zhì)。牛奶的變質(zhì)除非出現(xiàn)強(qiáng)烈異味，否則難以覺察。對牛奶的變質(zhì)檢測，傳統(tǒng)的方法一般是基于生物，化學(xué)的原理來建立一些指標(biāo)，如標(biāo)準(zhǔn)平皿菌落計(jì)數(shù)法、大腸桿菌群乳糖膽鹽發(fā)酵法等。這種方法技術(shù)成熟，容易做出量化的指標(biāo)，是目前最權(quán)威的檢測方法。但這些方法存在操作煩瑣、費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。

近年來也有一些學(xué)者提出了用物理的方法檢測牛奶變質(zhì)。例如激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)[1],超聲波檢測法[2-3],電子鼻技術(shù)[4]等。這些技術(shù)涉及到光學(xué)，聲學(xué)，電子技術(shù)學(xué)等，顯示出使用物理手段檢測牛奶變質(zhì)的發(fā)展?jié)摿?相比起發(fā)酵法，這些物理方法具有實(shí)時(shí)測量的優(yōu)點(diǎn)。本文從力學(xué)的角度出發(fā)，使用液體黏度跟蹤檢測牛奶的變質(zhì)過程。

1 牛奶變質(zhì)的原理和一般過程

食品腐敗變質(zhì)的鑒定一般采用感官、物理、化學(xué)、微生物4個(gè)方面的指標(biāo)。牛奶的變質(zhì)主要是因微生物生長繁殖而導(dǎo)致牛奶中蛋白質(zhì)的變性、脂肪的酸敗、碳水化合物的發(fā)酵。牛奶變質(zhì)過程大致分為4個(gè)步驟。

（1)細(xì)菌減數(shù)階段：鮮乳中含有一定的抗菌性物質(zhì)，具有一定的殺菌作用；

（2)發(fā)酵產(chǎn)酸階段：酸度增大，分解乳糖，產(chǎn)生大量乳酸。發(fā)酵和產(chǎn)酸導(dǎo)致球型的酪蛋白變性，伸展成線性的酪蛋白分子，并凝結(jié)成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠狀態(tài)。在這階段，乳液中可出現(xiàn)大量乳凝塊，并有大量乳清析出；

（3)中和階段：此時(shí)?？稍谌橐罕砻婵吹綕夂竦拿咕后w；

（4)腐敗分解階段：酪蛋白和脂肪被分解,變成澄清的液體，并有腐敗的臭味產(chǎn)生[5]。

2 黏度測量的原理

2.1 黏度

黏性是液體的固有屬性之一，不論是靜止液體還是運(yùn)動液體都具有黏性，流體在剪切力的作用下，將產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形以抵抗外力，這就是液體黏性的表現(xiàn)。

牛頓黏滯定律描述了液體的黏滯性質(zhì)，其表達(dá)式為

式中：f為黏滯力，存在于液體內(nèi)部，阻礙相互接觸的液層發(fā)生相對運(yùn)動；為速率的空間變化率；△S為液層的接觸面積；η為黏滯系數(shù)，簡稱黏度。

黏度是決定液體黏滯性強(qiáng)弱的物理量。影響η大小的因素很多，如果η僅與液體的組成及溫度有關(guān)，這類液體稱為牛頓型液體，一般較稀的液體如水、牛奶、糖溶液等均屬于此類。

牛奶變質(zhì)過程中，其組分發(fā)生變化，因此，其黏度也發(fā)生變化，這就是我們本文的依據(jù)。

2.2 黏度的測量

使用泊肅葉公式計(jì)算黏度，這公式能夠更好地描述黏滯液體在圓形管道中流動的基本規(guī)律：

式中：qv為單位時(shí)間內(nèi)通過橫截面為S的液體體積，簡稱流量；R為圓形管道的半徑；p1-p2為管道兩端的壓強(qiáng)差，l為管道的長度。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 儀器

實(shí)驗(yàn)使用加工的燒杯，燒杯底部接一圓形管道，形狀如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

燒杯使用標(biāo)準(zhǔn)的敞口600 mL燒杯，直徑為10 cm；底部的圓形管道直徑為1 mm，長度為l=10 cm。管道右端口壓強(qiáng)為大氣壓，管道左端口壓強(qiáng)為大氣壓加上h高度的牛奶壓強(qiáng)，因此牛奶按箭頭方向流出管道，只要測出管道右端口的流量就可按公式（2）求出黏度η。同時(shí)，由于管道直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燒杯直徑，因此，在滴出少量牛奶（5 mL）的過程中，燒杯內(nèi)牛奶液面可以看作靜止，壓強(qiáng)差不變。

3.2 方法

實(shí)驗(yàn)使用2個(gè)牌子的牛奶樣品，樣品一包裝上標(biāo)示：打開包裝后24 h內(nèi)飲用完為佳；樣品二包裝上標(biāo)示：開啟之后于2日內(nèi)飲用完畢。實(shí)驗(yàn)室溫度控制在25℃，模擬常溫常壓環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品每隔1 h測量圖1圓形管道右端口的流量，直至嚴(yán)重變質(zhì)發(fā)出強(qiáng)烈刺激性異味為止。數(shù)據(jù)代入到公式（2）計(jì)算出不同時(shí)間下的牛奶表面張力系數(shù)。

3.3 結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 牛奶黏度隨時(shí)間變化圖

由圖2可以看出，兩個(gè)樣品的黏度變化過程會出現(xiàn)一個(gè)大幅上升的區(qū)域，如樣品一從18 h開始到22 h（黏度從0.75×10-3Pa·s上升到5.8×10-3Pa·s），樣品二從36 h到42 h（黏度從1.5×10-3Pa·s上升到3.8×10-3Pa·s）。而且在實(shí)驗(yàn)過程中觀察樣品，發(fā)現(xiàn)牛奶的性狀發(fā)生變化也是出現(xiàn)在這段時(shí)間區(qū)間附近。比如樣品一在22 h出現(xiàn)異味，樣品二44 h出現(xiàn)異味。出現(xiàn)異味時(shí)牛奶已經(jīng)嚴(yán)重變質(zhì)，對應(yīng)于牛奶變質(zhì)過程的腐敗分解階段。同時(shí)該斜率大幅度上升出現(xiàn)的時(shí)間與樣品包裝盒上標(biāo)示的飲用時(shí)間基本符合，如樣品一包裝盒上建議用戶開封后24 h內(nèi)引用完，而樣品二的建議時(shí)間則是48 h。由此可見，黏度開始出現(xiàn)大幅度上升的時(shí)間區(qū)域就是牛奶開始出現(xiàn)變質(zhì)的時(shí)間。此外，在樣品黏度出現(xiàn)大幅上升之前的時(shí)間段內(nèi)，牛奶黏度緩慢變化，對應(yīng)于牛奶變質(zhì)過程的發(fā)酵產(chǎn)酸階段。實(shí)驗(yàn)期間樣品沒出現(xiàn)中和階段的霉菌菌落，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室干凈，細(xì)菌較少的緣故。

此外，兩個(gè)牌子樣品的黏度不同可以認(rèn)為是其成分的差別導(dǎo)致。樣品一每100 g中含蛋白質(zhì)2.9 g，脂肪3.6 g，碳水化合物4.7 g，鈉60 mg，非脂乳固體≥8.1 g；樣品二每100 g中含蛋白質(zhì)3.1 g，脂肪3.6 g，碳水化合物5.0 g，鈉53 mg，非脂乳固體≥8.5 g。成分的不同導(dǎo)致牛奶內(nèi)部黏滯力不同，造成黏度有差別。

總之，黏度可以在一定程度上反映牛奶的變質(zhì)情況。

4 結(jié)論

從力學(xué)參數(shù)出發(fā)，對牛奶變質(zhì)過程中的黏度進(jìn)行了一些有益的探索，發(fā)現(xiàn)了牛奶變質(zhì)過程中的黏度的基本變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，黏度大幅上升的時(shí)間區(qū)域與牛奶出現(xiàn)變質(zhì)的時(shí)間相吻合，并且變質(zhì)后的牛奶黏度明顯增大。此外，發(fā)現(xiàn)不同的牛奶成分，其黏度是不同的。因此，使用物理參數(shù)檢測牛奶變質(zhì)是實(shí)際可行的。該方法檢測牛奶變質(zhì)具有速度快、操作簡單的特點(diǎn)。

[1] 劉杰，于常青，李家澤，等.鮮牛奶變質(zhì)過程的激光誘導(dǎo)熒光光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2001,21(6):769-771.

[2] 楊建文，張玲，石莉.智能超聲波牛奶檢測儀的設(shè)計(jì)[J].陜西科技大寫學(xué)報(bào)，2005,23(5):75-78.

[3] 胡浩，章東，龔秀芬，等.牛奶變質(zhì)的超聲非線性定征[J].應(yīng)用聲學(xué),2005,24(6):329-333.

[4] 姜天緯，林然，陳星，等.電子鼻牛奶質(zhì)量檢測的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,20(8):1727-1731.

[5] 夏全，繆愛龍，章燕，等.牛奶變質(zhì)過程的觀察[J].江蘇衛(wèi)生保健,2007,9(3):22-23.

Research of monitoring deterioration of milk

MAI Zhi-jie,XU Hai-tao,ZHAO Jing，LIN Fang，F(xiàn)AN Jian-ming
(Department of Applied Physics,South China Agricultural University,Guangzhou 510632,China)

Detecting these physical parameters is useful to monitoring the deteriorate degree of milk.This article focuses on the viscosity of milk by monitoring its deteriorate process.The experimental results show that deterioration of milk is indeed accompanied with the change of viscosity and it will dramatically increase after the deterioration.This method detecting sour milk is rapid and easy to operate.

deterioration of milk；viscosity；physics testing

Q252.7

A

1001-2230（2011）03-0024-02

2010-11-04

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校長科學(xué)基金（2009K022）；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院2010年教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（LXJG1002）。

麥志杰（1979-），男，講師，研究方向?yàn)槭称肺锢?，農(nóng)業(yè)物理。