熱處理對牛乳理化特性的影響

劉海燕，任青兮，馬鶯

(1.哈爾濱工業大學，哈爾濱150001；2.新控國際健康管理有限公司，成都610041)

0 引 言

牛乳是一種復雜的膠體多級分散體系，其物理和化學性質取決于內在因素如組成和結構，外在因素如溫度和擠奶后處理。熱處理是乳品加工過程中的重要環節，熱殺菌的同時還賦予了商品乳特殊的風味和理化特性。液態乳根據熱處理方式分為巴氏殺菌乳和UHT乳[1-2]。牛乳作為一種熱敏性物料，熱處理會對其營養成分和乳液的熱穩定性產生顯著影響[3]。本實驗以兩個工廠巴氏乳和UHT乳為研究對象，以原料乳做對照，系統的研究了熱處理前后化學性質（成分組成和pH、游離氨基酸、維生素C和泛酸以及鈣離子的釋放）和物理性質（粒徑、黏度和感官特性）的變化，綜合這些指標分析，以期為乳品企業液態乳的加工以及為消費者選擇牛乳產品提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：分別來自兩個乳品廠（F1和F2）生產的巴氏乳和UHT乳，以同批次原料乳為對照。

試劑：磷酸二氫鉀、磷酸一氫鉀、甲醇、鹽酸、硫酸鋅、過氧化氫和四甲基氫氧化銨等。

1.2 儀器與設備

傅立葉紅外全譜掃描乳品成分快速分析儀（MilkoScan FT 120，FOSS丹麥），氨基酸分析儀（121MB，Beckman，美國），液相色譜儀（LC-10AD,Shimadzu日本），鈣離子選擇性電極（9720BNWP，Thermo Scientific美國），電感耦合等離子體質譜分析（7500a，Agilent美國），離心機（3-30k，Sigma美國），納米生物顆粒分析儀(qNano，Izon Science Ltd新西蘭)，流變儀（Kinexuspro+，Malvern英國）。

1.3 實驗方法

1.3.1 基本成分測定

取8 mL乳樣品采用乳品成分快速分析儀測定乳中基本成分：脂肪、蛋白質、乳糖、非脂固形物和總固形物，實驗結果以百分含量表示。

1.3.2 游離氨基酸的分析

乳樣品經過前處理后，參考張勇[4]等人的方法進行游離氨基酸的分析。具體如下，采用氨基酸專用分析柱(180×2.8和80×2.8)，以pH為3.28、3.90和 5.26的檸檬酸緩沖液作為流動相進行梯度洗脫，分析參數如下：進樣量50μL，流速10 mL/h，柱溫54℃。檢測器波長:脯氨酸在440 nm下檢測，其他氨基酸均在570 nm下檢測,采用柱后衍生,茚三酮流速5 mL/h。

1.3.3 維生素C和泛酸的測定

維生素C使用液相色譜分析。條件如下，色譜柱：AQ-C18柱（4.6×250 mm,5μm）；流動相：0.05 mol/L磷酸二氫鉀：甲醇（96∶4）；流速：1.0 mL/min；檢測波長：285 nm；柱溫：30±1℃。進樣量：20μL。按維生素C的色譜峰計算，理論塔板數≥3 000，維生素C的分離度大于10，采用外標法定量。

泛酸的測定參考GB 5413.17-2010。條件如下，色譜柱：ODS-C18（5μm，250 mm×4.6 mm）；流動相：0.05 mol/L磷酸二氫鉀/甲醇（9:1）；流速：1.0 mL/min；檢測波長：200 nm；柱溫：30±1℃；進樣量：10μL。采用外標法定量。

1.3.4 鈣的釋放和利用率的測定

使用鈣離子選擇性電極測量游離鈣。每25 mL樣品或標準品加入0.5 mL ISA（離子強度調節劑），所有測量均在30℃水浴中進行。在測量之間用蒸餾水沖洗電極。

使用電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）分析乳中的總鈣[5]。儀器參數如下：射頻功率1550 W；載氣流速1.03 L/min；采樣深度8 mm；采用同心霧化器，霧化室溫度為2℃。

1.3.5 粒徑

采用qNano儀器分析乳的粒徑。1 mL牛乳，2 000 g離心10 min，用100%PBS稀釋10倍，經0.45μm微膜過濾，再用100%PBS進一步稀釋1 000倍，采用NP200納米濾芯測量酪蛋白膠束顆粒；牛奶采用100%PBS稀釋10倍，經過5μm微膜過濾，使用100%PBS進一步稀釋1 000倍，采用NP800納米濾芯測量均質后較小的脂肪顆粒；牛乳樣品使用10%PBS稀釋10倍，用10%PBS進一步稀釋500倍，用NP4 000納米濾芯測量原料乳中未均質的較大的脂肪顆粒。

1.3.6 黏度

Malvern旋轉流變儀被用于黏度分析，轉子型號：cp/25。向樣品槽中加入18.0 mL的待測乳樣品。測試條件：恒溫25℃，剪切速率為10 s-1和50 s-1，測試時間為10 min，保存測定結果并分析。

1.3.7 感官評價

采用風味描述分析（Flavor Profile Analysis）進行感官評價。經過系統的篩選和培訓，選取10名具有豐富經驗的評價員，其中1人擔任負責人。

制定描述詞匯表。每位評價員將感知到的風味特征（香氣、風味、口感和余味等）分別記錄，然后匯總描述詞，并小組討論改進，形成一份帶有定義的描述詞匯表。最終確定了16個描述詞匯如下：

香氣：巴氏奶味，黃油味，奶油味，蒸煮味，哈敗味；

味道：甜味，咸味，奶腥味，塑料/化學味，椰子味，飼料味，苦味；

口感：厚實，油膩感，粉感，澀感。

評價員參照描述詞匯表按照感知的風味特征順序寫下相應描述詞，并給出風味特征的強度評價。強度標度為0～5分：0沒有；1若有若無；2有一點；3明顯；4較強；5極強。

1.3.8 統計分析

所有分析均重復3次，最后結果以均值±標準方差（mean±sd）表示。采用SPSS（版本23.0，SPSSInc.，美國）對數據進行方差分析（ANOVA）和最小顯著性差異檢驗（LSD），以P＜0.05具有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 熱處理對牛乳化學性質的影響

2.1.1 熱處理對乳成分和pH的影響

熱處理是減少腐敗菌和消除潛在致病微生物的重要手段。然而，隨著受熱強度增加而依次發生的蛋白變性、乳糖異構化以及美拉德反應等也會對牛乳的成分和pH產生影響[6]。以原料乳為對照，測定了兩個工廠巴氏乳和UHT乳的成分（見表1）。與原料乳相比，巴氏乳和UHT乳中的脂肪、蛋白質、乳糖、總固形物和非脂固形物的含量存在一些統計學差異，但是它們在乳中的總含量并沒有呈現規律的變化，工廠F1和F2巴氏乳和UHT乳中脂肪含量為3.79%～3.92%，蛋白質為3.06%～3.18%，乳糖為4.26%～4.38%，總固形物為11.89%～12.25%，非脂固形物為8.46%～8.65%。乳的pH變化基本在0.1個單位左右，因為牛乳中以鈣離子為代表的膠體磷酸鈣、磷酸鈣和游離鈣離子礦物鹽動態平衡維持了體系的pH平衡[1]。牛乳在經過熱處理之后，牛乳中脂肪、乳糖、固形物等主要營養成分的組成和結構會發生變化，但總量并無顯著損失。例如，乳清蛋白加熱會變性，但本身并不會對其營養價值產生不良影響，相反，熱處理后變性的蛋白結構更松散，其更容易被蛋白酶水解，更易被人體消化吸收[7-9]。

2.1.2 熱處理對乳中游離氨基酸的影響

牛乳從乳腺分泌時本身含有大量游離氨基酸（FFA），它在乳中占總氮的2%，是重要的現成氮來源[10-11]。熱處理以及微生物蛋白酶還會使一部分蛋白水解成氨基酸，因此，乳中游離氨基酸的組成和含量能夠在一定程度上反映蛋白質結構和營養價值的變化[4,7]。原料乳、巴氏乳和UHT乳中游離氨基酸的組成和含量見表2。6個乳樣品中均檢測出17種游離氨基酸，其中HIS含量最高，占氨基酸總量的58%以上，MET含量最低（＜0.4 mg/100 g）。相較于原料乳，工廠F1巴氏乳和UHT乳中的ASP、GLU、ILE和LEU的含量顯著降低，這可能是因為這四種氨基酸更容易與乳糖共熱發生美拉德反應[2,9]。F1的三種乳中GLU的含量差異不顯著，這可能跟其結構更穩定有關[4]。而THR在F1工廠UHT乳中的含量顯著高于原料乳和巴氏乳，這是因為牛乳經過巴氏和UHT不同強度的熱處理后，導致了蛋白質的變性，同時共價鍵遭到破壞而水解，從而引起體系中部分游離氨基酸含量的升高[2,4]。比較F1和F2的6種乳樣品，PRO、CYS、MET、LYS和PHE這5種氨基酸的含量均無顯著差異，而HIS、GLY和ARG的含量在同一工廠的巴氏乳和UHT乳之間差異不顯著，但是兩個工廠之間差異顯著，這種差異主要是乳源的不同造成的。乳中游離氨基酸的含量受牧群種類、成熟度、飼料、季節以及加工方式的影響[2,4,10-13]。綜合來看，巴氏殺菌和UHT殺菌對乳中的游離氨基酸總量的影響不顯著。

表2 巴氏乳和UHT乳中游離氨基酸的組成和含量 mg/100g

2.1.3 維生素C和泛酸

維生素C具有抗氧化，清除自由基，解毒，預防缺鐵性貧血和癌癥等作用[14]，但維生素C極不穩定，在加工和貯藏過程中容易發生氧化分解。泛酸又稱維生素B5，在人體內主要以輔[15]酶A(CoA)的形式參與機體糖、脂和蛋白質的代謝。牛乳含有豐富的維生素，其中維生素C極易被氧化，熱穩定性最差[16]，泛酸對熱和光不敏感[17]，因此選擇這兩種維生素分析熱處理強度對其含量的影響（見表3）。

與原乳比較，兩個工廠的巴氏乳和UHT乳中維生素C都有不同程度的損失，并且維生素的損失程度與熱處理強度呈正相關。UHT乳維生素C的損失率（F1∶12.75%，F2∶4.65%）顯著地高于巴氏乳（F1∶7.89%，F2∶1.72%）。與原料乳比較，工廠F1的巴氏乳和UHT乳中維生素C的含量顯著降低；工廠F2的巴氏乳中維生素C的含量無顯著變化，但是UHT乳中維生素C的含量顯著降低。生產工藝相同，但是不同工廠所使用的滅菌設備和管路等不同，導致維生素的損失程度有所差別。通常當熱處理溫度較低時，對維生素C造成的損失較小[18]。

與原料乳比較，兩個工廠的巴氏乳和UHT乳中泛酸的含量均有不同程度的增加。工廠F1巴氏乳中泛酸的含量與原料乳相當，但是UHT乳的泛酸含量提高了1.73倍；工廠F2巴氏乳和UHT乳的泛酸含量分別提高了1和3.19倍。在牛乳中大約25%的泛酸是與蛋白質結合的[17]。采用高效液相方法測定的是游離態泛酸。熱處理之后乳中泛酸含量的升高可能是由于泛酸結合蛋白被破壞，導致了泛酸的釋放，并且游離態泛酸的釋放量與熱處理強度正相關[17]。泛酸的主要生理活性來源于CoA和泛酰巰基乙胺中半胱胺的-SH基，它是?；蛞阴；鶜埢Y合的活性位點。此外，游離態泛酸是精氨酸、亮氨酸和甲硫氨酸合成中的關鍵性原料[17]。UHT殺菌有利于游離態泛酸從蛋白結合態中被釋放出來，因此UHT乳中的泛酸更容易被人體吸收和利用。

表3 巴氏乳和UHT乳中維生素C和泛酸含量

2.1.4 鈣的釋放和利用率

鈣在牛乳中以膠體相和溶解相存在，二者處于動態平衡。鈣的存在形式和含量能夠直接影響酪蛋白膠束的穩定性，進而改變牛乳的理化特性[19]。經過巴氏和UHT殺菌后乳中總鈣和游離鈣的含量變化（見表4）。6個牛乳樣品中的總鈣含量均在980.00～1133.33 mg/L之間，這與文獻報道相一致[20-21]。兩個工廠的巴氏乳和UHT乳中總鈣的含量差異不顯著。這是因為在牛乳中維持著膠體相和水相的礦物平衡，尤其是鈣和磷酸鹽的平衡，巴氏或UHT熱處理之后可能會導致鈣的存在形式發生轉變，但是這并不會改變體系中總的鈣含量[19]。此外，兩個工廠巴氏乳和UHT乳中游離鈣的含量是81.13～85.73 mg/L，兩個工廠的6個牛乳樣品之間游離鈣的含量差異不顯著，牛乳中游離鈣的含量占牛乳中總鈣的8%，這與文獻相一致[20,22]。巴氏乳和UHT乳中游離鈣與結合鈣的比例與原料乳差異不顯著。牛乳中鹽的平衡和熱處理強度息息相關，加熱條件溫和時，鈣和磷酸鹽的平衡是可逆的，長時間的高溫熱處理，則會發生不可逆或者部分可逆的變化[23]。牛乳在熱處理后的冷卻過程中，膠體相的鈣和磷等鹽類會發生可逆的變化，游離鈣和磷的含量在經歷24 h后幾乎恢復到與熱處理前一致，其恢復的水平因冷卻溫度的不同而有所不同[24]。結果表明，巴氏或者UHT殺菌并不足以使乳中游離鈣發生不可逆的變化，游離鈣和結合鈣的比例基本維持不變。

表4 巴氏乳和UHT乳中鈣的分布

2.2 熱處理對牛乳物理性質和感官性質的影響

2.2.1 粒徑

乳中脂肪球和酪蛋白膠束的尺寸是影響乳液穩定性和口感的重要因素[25-26]。利用qNano粒度分析儀搭配不同尺寸的納米濾芯對乳中顆粒進行粒徑分析。牛乳樣品的粒度如表5所示。F1和F2工廠原料乳中酪蛋白膠束的尺寸相近，均在是130～135 nm之間。這與文獻報道相一致[25,27]。與原料乳比較，巴氏殺菌之后，F1和F2中酪蛋白膠束的尺寸均增加了30 nm，是由于乳中熱敏性的乳清蛋白在巴氏加熱過程中沉積到酪蛋白膠束上，造成酪蛋白膠束的聚集[27]。F1工廠UHT乳中酪蛋白膠束的尺寸比巴氏乳有一個2 nm的增長，而F2工廠UHT乳和巴氏乳中酪蛋白膠束尺寸相當，這可能與兩個工廠的熱處理工藝有關。乳清蛋白的變性程度與加熱強度有關[1]，更多變性的乳清蛋白會與酪蛋白發生聚集，從而導致酪蛋白膠束尺寸增大[28]。

表5 使用200、800和4000 nm孔徑濾芯測量的乳樣品的平均粒度 nm

F1和F2工廠原料乳的乳脂平均尺寸均為3.1μm，這是乳中脂肪球的大小[29]。兩個工廠巴氏乳和UHT乳的脂肪球平均粒徑較小，在0.61～0.64μm之間。由于巴氏乳和UHT乳在熱殺菌之前有均質處理，均質工藝通過剪切、撞擊和空穴效應等顯著地降低了乳脂肪球的尺寸[26]。相較于巴氏乳，UHT乳脂肪球的直徑降低了20～30 nm，UHT乳的熱強度高，造成了乳脂肪球表面的脂肪球膜的破裂，以及小球內甘油三酯的釋放[30]。因此，巴氏熱處理對乳中酪蛋白膠束和乳脂肪球粒徑無顯著改變，UHT熱處理對酪蛋白膠束的粒徑改變不顯著，但是可能會導致乳脂肪球的破碎，從而造成乳中脂肪球平均粒徑的減小。

2.2.2 黏度

牛乳的黏度是牛乳在加工和輸送過程中是需要加以考慮的一個重要特征指標。表6給出了巴氏乳和UHT乳在剪切速率分別為10 s-1和50 s-1時的黏度，每個樣品的重復測量的平均值被記錄。所有牛乳樣品均顯示出牛頓流體行為，即黏度與剪切速率無關。工廠F1和F2中原料乳、巴氏乳和UHT乳的黏度均依次增大。這是因為牛乳在巴氏和UHT熱處理過程中脂肪球熔化，乳清蛋白變性并吸附在酪蛋白表面，當乳樣品恢復到室溫后進行測量時，大量熔化的乳脂和變性的蛋白聚集成新的乳脂肪球，但是表面較加熱前更粗糙，摩擦力更大，造成巴氏乳和UHT乳的黏度上升，該過程與熱處理強度相關，UHT乳的加熱溫度更高，脂肪熔化量更大，測得冷卻后UHT乳的黏度越大。此外，熱處理還使得乳中易變性的乳清蛋白同酪蛋白發生了凝膠化反應，酪蛋白膠束發生聚集，膠束的粒徑增大，強化了酪蛋白膠束之間的空間位阻效應，進而對熱處理后牛乳的黏度造成影響[28]。也有研究表明，巴氏殺菌過程中牛乳的黏度和脂肪球表面張力的改變有關[31]。工廠F1和F2的牛乳樣品在進行相同的熱處理之后黏度的變化是一致的，熱處理之后乳的黏度增大，UHT乳的黏度最大，巴氏乳次之。

表6 巴氏乳和UHT乳的黏度

2.2.3 感官評價

熱處理之后的牛乳中含有酮、醛、硫化物、苯環類和萜類等組分，其風味和色澤等也會發生改變[32]。以原料乳為對照，分析了巴氏乳和UHT乳感官品質如圖1所示。對于F1的乳樣品，原料乳具有巴氏奶味、甜味、厚實、黃油、奶油5個基本屬性，還有比較明顯的油膩感、咸味、奶腥味和蒸煮味，共9個屬性。這主要來源于原料乳中醛、酮、酸、酯、醇以及烷烴類等風味物質[32-33]。巴氏乳除了這9個屬性外，新出現了澀感和粉感。這是因為巴氏加熱后，長鏈脂肪酸會生成酯類物質，此外一些酮酸和羥基會分別形成甲基酮和內酯類化合物[34]。UHT乳與巴氏乳相比無奶腥味，但新出現了椰子味。UHT的更高強度熱處理會生成多種獨特風味物質，例如，由亞油酸氧化而生成的2-庚酮，它是UHT乳風味的主要成分，賦予了UHT乳奶油氣味；辛酸乙酯賦予了水果香和椰子香味[32]，這可能是UHT乳椰子味的主要來源。

圖1 巴氏乳和UHT乳的感官評價雷達圖

對于F2的乳樣品，原料乳相較于F1新出現了澀感，共10個屬性。巴氏乳相較于原料乳，油膩感、咸味和奶腥味消失，新出現了椰子味。UHT乳相較于原料乳油膩感和澀感消失，但新出現了粉感和苦味。粉感可能是由于加熱導致的酪蛋白與脂肪的團聚，而苦味主要來源于在加熱條件下由色氨酸和苯丙氨酸轉化而來的苯甲醛[32,35]。巴氏乳在巴氏奶味、甜味、厚實3個重要屬性上強度更高一些；UHT乳在油脂屬性強度上稍高一些。兩個工廠比較，工廠F1的UHT乳的風味得分較高，而F2的巴氏乳得分更高，風味受原料乳的質量影響較大。

3 結論

牛乳經過巴氏和UHT熱處理后，乳中的蛋白質、糖類、脂質、維生素等風味前體物質會發生不同程度、不同形式的理化反應。巴氏乳和UHT乳營養成分與原料乳比較變化不顯著；熱處理改變了乳中營養成分的結構和存在形式，這些改變會直接影響加工乳的粒度、黏度以及感官特性。因此，在保證合理控制乳中有害微生物的同時，最大程度的降低營養成分的損失和保持乳的物理和感官特征是熱處理工藝優化的主要原則。