各種滲透壓比較及在嬰兒配方奶粉中的應用

文∕戴智勇 李 蕾 袁 曉 張巖春

（澳優(yōu)乳業(yè)（中國）有限公司）

滲透壓是大學物理化學、醫(yī)學領域中涉及的重要概念。在乳品行業(yè)中，2008年三鹿牌“嬰幼兒奶粉事件”中，嬰幼兒出現(xiàn)的腎結石問題，使乳品滲透壓引起人們的廣泛關注。近兩年來，市場上對滲透壓的宣傳也越來越多，科學合理地解釋、研究、應用滲透壓則成為當今乳品行業(yè)的重要課題。本文對乳品滲透壓進行了系統(tǒng)地分析、梳理與整合，為今后進一步研究探討提供參考。

1 滲透壓研究起源

滲透壓現(xiàn)象最早由法國哲學教授諾萊特于1748年發(fā)現(xiàn)。諾萊特教授把盛滿酒的瓶口用豬膀胱包裹捆扎后靜置于水中，片刻后，瓶口內側膀胱膜逐漸向外膨脹直至破裂。諾萊特教授對此現(xiàn)象進行了大量研究，但最終依然不得其解。

荷蘭物理化學家范特霍夫作了大量溶液滲透壓實驗，同期瑞典人阿累尼烏斯根據(jù)對溶液導電性的研究，提出溶液的電離假說。范特霍夫結合阿累尼烏斯的理論，總結并撰寫了電解質溶液滲透壓文章，形成了范特霍夫定律，提出一個能普遍適用的滲透壓數(shù)學公式：PV=nRT，n>1（其中，P是溶液的滲透壓，V是其體積，R是理想氣體常數(shù)，T是溶液的絕對溫度，n為摩爾量濃度），并于1901年成為世界首位諾貝爾化學獎獲得者。

2 滲透壓原理

滲透作用（Osmosis）是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象，也是溶液的一個重要物理特性，指一種物質的粒子自發(fā)地通過半透膜均勻擴散于另一種物質中，使半透膜兩側不同溶液濃度趨于平衡。半透膜只允許某種物質通過，而另一種物質則被潴留在半透膜一側，以蔗糖分子為例，即蔗糖分子被潴留在半透膜一側，不能透過半透膜，而水分子則可以自由通過半透膜，因此當膜兩側單位體積內的水分子數(shù)目不等時發(fā)生滲透現(xiàn)象。阻止水分子向溶液中滲透，在半透膜另一側溶液液面上所施加的壓力即為該溶液的滲透壓（Osmotic Pressure）（圖1）。

圖1 滲透壓示意圖

常見的天然半透膜有動物的細胞膜、膀胱膜、毛細血管壁等，人工制造的半透膜主要有玻璃紙、火棉膠膜及人工腎中的透析膜等。

3 溶液滲透壓及其與濃度、溫度的關系

范特霍夫公式PV=nRT（n>1）表明：在一定溫度下，溶液的滲透壓與單位體積溶液中所含溶質的粒子數(shù)（分子數(shù)或離子數(shù)）成正比，與溶質本身無關。即一定溫度下，相同質量摩爾濃度的不同非電解質溶液，因其單位體積內溶液中所含溶質粒子數(shù)相等，因此滲透壓值相同；而電解質，尤其對強電解質而言，由于分子在水溶液中發(fā)生解離，以離子形式存在，故相同質量摩爾濃度下，滲透壓值相同。以NaCl和蔗糖分子為例，該NaCl（電解質）的滲透壓是蔗糖（非電解質）的2 倍。

因此，溶液滲透壓本質上反映了溶液中溶質粒子濃度的變化，人們習慣說的滲透壓則實際上是滲透濃度。滲透濃度有2 種表達方式，即體積滲透濃度（用Osm/L）和質量滲透濃度（用Osm/kg）表示[1]。一般情況下，1 kg水為1 L，所以2個單位數(shù)值相等（溫度為4℃，溶液濃度極小時）；當溶液的濃度增大，溫度升高較多時，兩者的數(shù)值相差較大。由于體積滲透濃度影響因素較多，變化較大，所以目前全球大都使用質量滲透濃度。而且實際使用中，多采用冰點滲透壓摩爾濃度測定儀來進行滲透壓檢測，故滲透壓單位用mOsm/kgH2O表示。

4 血液滲透壓及其醫(yī)學意義

醫(yī)學上把溶液中能產(chǎn)生滲透效應的溶質粒子（分子、離子）統(tǒng)稱為滲透活性物質，主要是礦物質、糖類和蛋白質、核酸等，其中如氯化鈉、葡萄糖等屬于低分子晶體物質，該類物質在血漿中產(chǎn)生的滲透壓叫做晶體滲透壓；蛋白質、肽等屬于高分子膠體物質，其在血漿中所產(chǎn)生的滲透壓稱為膠體滲透壓。血液滲透壓主要受上述2 類物質所產(chǎn)生滲透壓的加和影響。雖然血漿中晶體物質含量低，僅占0.7%，但相對分子質量小，多數(shù)可解離成離子，因此粒子數(shù)多，而膠體物質雖然含量高達7%，但是粒子數(shù)少，所以血液總滲透壓絕大部分由晶體滲透壓決定。

血液是運輸營養(yǎng)物質的載體，母乳中營養(yǎng)物質也是從母體血液中獲得的，血液滲透壓決定了乳液滲透壓。血液由血漿和血細胞組成，由于血細胞對測量滲透壓影響不大，所以醫(yī)學上常用血漿滲透壓來表示血液情況，人體血漿滲透壓的高低與溶質顆粒數(shù)目的多少呈正相關，而與溶質的種類及顆粒的大小無關，人體血漿滲透壓約為300 mOsm/kgH2O[2]。

5 天然乳液、配方奶粉液的滲透壓

5.1 天然乳液

天然乳液（即人乳與動物乳液）的滲透壓與血液保持一致[3]。乳液的滲透壓主要是由乳液中的電解質（鈉、鉀等）和糖分2 大類溶質的濃度所決定[4]。由于天然乳液滲透壓的自然變化受血液調控，在分泌乳汁中這種調控機制將保持乳的滲透壓與血液滲透壓相等，因此乳中乳糖濃度的變化都會通過Na+、CL-濃度的改變而得到補償，特別是乳糖濃度和氯離子濃度呈強負相關[5]。

母乳是最接近完善的食物，是嬰兒最好的食品，含有豐富的蛋白質、脂肪、乳糖及多種維生素、礦物質。據(jù)文獻記載，母乳的滲透壓為290 mOsm/kgH2O[6]左右，在湖北地區(qū)的調查，母乳滲透壓正常范圍值為（291.82±7.14）mOsm/kgH2O[7]。牛乳的滲透壓范圍值未見報道，但是牛乳的鈉、鉀、磷、氯、蛋白質含量均高于母乳，可以推斷牛乳滲透壓應該高于母乳的滲透壓范圍，因此嬰幼兒配方奶粉的牛乳清蛋白原料必須經(jīng)過脫鹽工序以控制滲透壓。

5.2 配方奶粉液滲透壓與嬰幼兒健康

嬰幼兒配方奶粉經(jīng)歷數(shù)代更迭之后，在宏觀營養(yǎng)素、微觀營養(yǎng)素及生物活性物質等配方研發(fā)中獲得長足進步，已能完全滿足嬰幼兒生長發(fā)育所需全面營養(yǎng)的需求。然而1 周歲以內嬰兒的腎小球及腎小管的功能均未成熟，直至1～2 歲才逐漸接近成人水平的特殊生理要求[8]。已有報道表明，高滲透壓、高熱量值配方奶粉液喂養(yǎng)嬰兒會引起腎臟損傷[9，10]，因此配方奶粉液的滲透壓、熱卡值及腎負荷（renal solute load，RSL）成為配方奶粉備受關注的3 項主要指標。

如果給嬰兒喂養(yǎng)含有高蛋白、高電解質和高糖的配方奶粉液，由于溶質負荷的增大以及配方奶粉液滲透壓的提高，高滲透壓配方奶粉液被吸收入血液后，會引起血液粘稠度及滲透壓增加，腎血流動力學改變，使腎小球、腎小管處于高滲狀態(tài)，從而引起嬰兒早期腎臟損害[11]，進一步促進嬰兒體內水分的丟失和產(chǎn)生更嚴重的高滲性脫水，導致腎小球和腎小管出現(xiàn)變性壞死[12]。北京大學公共衛(wèi)生學院的實驗表明，高滲透壓配方奶粉液促進腎結石形成主要是由于其中的無機鹽含量增加所導致的[13]。Valentini等也認為，近年來嬰幼兒及兒童結石癥患病率的增高可能與通過加工食品或者快餐食品等攝入了過多的食鹽有關[14]。

6 不同物質對配方奶粉液滲透壓的影響研究

配方奶粉液成分復雜，不同于純溶液。為了研究不同物質對配方奶粉液滲透壓的影響，進行以下實驗：在室溫下，在同一濃度配方奶粉液中添加同一質量含量的各類生產(chǎn)嬰幼兒奶粉的原料，并通過冰點滲透壓摩爾濃度測定儀（型號2STY-2，北京漢柏科創(chuàng)）測定其滲透壓摩爾濃度。配方奶粉液中主要成分有蛋白質、脂肪、碳水化合物和礦物質、維生素等，其中，脂肪和維生素類因為不溶于水或者含量極微對滲透壓的影響可以忽略不計，因此本實驗主要研究了低聚糖、乳糖、蔗糖、鈉離子（NaCl）、鉀離子（KCl）及蛋白質對配方奶粉液滲透壓的影響。結果如圖2和圖3所示。

從圖2 可以看出，隨著配方奶粉液中所添加物質濃度的增加，滲透壓值隨之相應增加，且NaCl＞KCl＞低聚半乳糖（GOS，57%）＞蔗糖＞乳糖＞低聚果糖（FOS，95%）。強電解質，如Nacl、KCl等對滲透壓的影響已有大量報道，在此不再贅述。但是相同濃度的GOS、FOS、乳糖、蔗糖對配方奶粉液滲透壓的實驗尚未見報道，GB 13432-2013將膳食纖維的功效含量提升到了3%，因此，GOS、FOS對乳液滲透壓的影響也應引起重視。GOS因制備工藝的限制，一般純度范圍為57%～70%，其雜質主要是乳糖和半乳糖，導致相同濃度的GOS對滲透壓的影響遠超過乳糖和FOS。如何調整FOS、GOS或其它膳食纖維的比例，發(fā)揮最大的益生元作用并有效控制配方奶粉液滲透壓還需要進一步研究。

圖2 不同濃度非蛋白原輔料對配方奶粉液滲透壓的影響

圖3 相同濃度的不同種類蛋白質對配方奶粉液滲透壓的影響

圖3為在100 mL同一配方奶粉液中分別增加1 g蛋白質含量的濃縮乳清蛋白（WPC80）、濃縮牛奶蛋白（MPC）、水解乳清蛋白（HWP）、水解酪蛋白（HCP）及脫鹽乳清粉（D90）后，相應滲透壓的變化。WPC80、MPC、HWP、HCP的蛋白質濃度范圍均為80%～90%，通過添加不同原料使每100 mL配方奶粉液增加1 g蛋白質，可以發(fā)現(xiàn)蛋白質原料對配方奶粉液滲透壓并無太大影響。D90乳清蛋白含量只有12%左右，乳糖含量為60%以上，通過D90增加1 g蛋白質對配方奶粉液滲透壓影響遠大于濃縮蛋白原料。這也說明了配方奶粉液滲透壓的影響因素中主要是小分子的碳水化合物和礦物質等低分子晶體物質。

7 啟示及展望

不合理的嬰兒奶粉配方（比如高鈉、高鐵、高蛋白），原奶的摻雜使假以及不恰當?shù)臎_調方式均可影響配方奶粉液的滲透壓。而滲透壓對于嬰幼兒，特別是6個月以內的嬰兒喂養(yǎng)相當重要。

《企業(yè)生產(chǎn)嬰幼兒配方乳粉許可條件審查細則（2013版）》規(guī)定，生產(chǎn)嬰兒奶粉的原料為D90脫鹽乳清粉（灰分≤1.5%），而不允許使用D70脫鹽乳清粉和D40脫鹽乳清粉，主要是考慮到其會影響產(chǎn)品的滲透壓。

筆者認為，接近正常母乳水平的滲透壓為最好，并提出如下建議：（1）在生鮮乳收購標準中引入滲透壓指標；（2）在嬰幼兒奶粉國家標準中列入滲透壓指標；（3）統(tǒng)一滲透壓的單位、檢測方法。

[1]李竹青，婁文華，石步根.溶液滲透壓單位的探討.化學分析計量，2009，18（5）：69-71.

[2]姚泰，喬健天.生理學.第5版.北京：人民衛(wèi)生出版社，2003：47-49.

[3]Srinivasan D，Kirk L P，Owen R F，等.食品化學.第4版.北京：中國輕工業(yè)出版社，2013：831.

[4]杜志敏，孟濤，林智.高滲透壓母乳與等滲透壓母乳喂養(yǎng)嬰兒尿液mA1b、RBP的比較.實用醫(yī)技雜志，2006，1（2）：211-212.

[5]張和平，張列兵.現(xiàn)代乳品工業(yè)手冊.北京：中國輕工業(yè)出版社，2005：211.

[6]梁子鈞，戴稼禾.體液滲透壓測定在醫(yī)學中的應用.北京：人民衛(wèi)生出版社，1988：489-493.

[7]王耀華，杜志敏.高滲透壓人工配制乳液喂養(yǎng)對嬰兒腎功能的影響31例臨床觀察.基層醫(yī)學論壇，2006，10（6）：521-522.

[8]胡亞美，江載芳.實用兒科學.第7版.北京：人民衛(wèi)生出版社，2002：1574-1594.

[9]梁子鈞，戴稼禾.體液滲透壓測定在醫(yī)學中的應用.北京：人民衛(wèi)生出版社，1988：188.

[10]杜志敏，王耀華，黎薇.高腎負荷人工配制乳液喂養(yǎng)新生兒、嬰兒的腎功能調查及臨床研究.實用醫(yī)技雜志,2006，13（21）：3721-3724.

[11]李品艾.高滲乳液對嬰兒腎臟的早期影響.中外醫(yī)療，2010（25）：7-10.

[12]汪宏良，杜志敏.高腎負荷人工配制乳液對乳嬰兒腎功能的影響.檢驗醫(yī)學與臨床，2007，4（5）：377-378.

[13]韋力仁，萬方，王雙佳.高滲透壓奶粉溶液對腎草酸鈣結石形成的影響.中國婦幼保健，2012（27）：1391-1394.

[14]Valentini RP，Lakshmanan Y.Nephrolithiasis in children.Advances in Chronic Kidney Disease，2011，18（5）:370.