嬰兒配方奶粉氧化穩(wěn)定性的內(nèi)在影響因素及檢測方法研究

渠雪娜，于景華

（天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457）

0 引言

嬰兒配方奶粉中最值得關(guān)注的穩(wěn)定性質(zhì)是脂質(zhì)的氧化性，由于嬰兒配方奶粉在配方上含有較多的多不飽和脂肪酸（PUFA），易發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生自由基、氫過氧化物和聚合物[1]，導(dǎo)致奶粉營養(yǎng)價值下降，甚至對嬰兒健康有不利影響。由于乳脂體系和氧化過程的復(fù)雜性，乳脂發(fā)生氧化的實(shí)際過程是相當(dāng)復(fù)雜的。從嬰兒配方奶粉本身的內(nèi)在因素分析，其氧化穩(wěn)定性在很大程度上取決于其脂肪酸組成和奶粉本身的顆粒結(jié)構(gòu)特性等。

嬰兒配方奶粉中脂肪的含量基本都在26%以上，作為嬰兒生長發(fā)育的能量來源，并提供總能量供能比的45%～55%[2]。為滿足嬰兒的腦部發(fā)育需求，奶粉在配方設(shè)計時，會額外添加多不飽和脂肪酸。大量脂肪成分的存在對奶粉的氧化穩(wěn)定性具有直接的顯著影響。此外，奶粉本身獨(dú)特的顆粒特性如奶粉顆粒大小，奶粉中脂肪球膜（M FGM）結(jié)構(gòu)等會在一定程度上影響乳脂的氧化反應(yīng)[3]，進(jìn)而使奶粉的氧化穩(wěn)定性發(fā)生變化。

目前，國內(nèi)外對嬰兒配方奶粉氧化穩(wěn)定性的研究更多的集中于奶粉的儲存條件、包裝形式及抗氧化劑的添加等外部環(huán)境因素的影響，而奶粉本身的脂肪成分組成和奶粉顆粒結(jié)構(gòu)特征等內(nèi)在影響因素與氧化穩(wěn)定性的相關(guān)機(jī)理研究較少。此外，一些研究已經(jīng)報道了在嬰兒配方奶粉中脂質(zhì)氧化參數(shù)的變化[4]，但是食品體系和氧化過程的復(fù)雜性通常導(dǎo)致氧化測量的結(jié)果不一致，所獲得的數(shù)據(jù)也比較混亂，因此，有必要對奶粉氧化穩(wěn)定性的檢測方法進(jìn)行分析總結(jié)，全面準(zhǔn)確的表征奶粉的氧化程度。

對嬰兒配方奶粉的氧化機(jī)理、內(nèi)在影響因素及檢測方法的系統(tǒng)研究，有利于快速了解奶粉的氧化趨勢，為嬰兒配方奶粉的配方設(shè)計和加工工藝的控制等提供理論基礎(chǔ)。

1 乳脂發(fā)生氧化的機(jī)理

以前，大家對乳脂氧化的理解有一定的偏差：大多數(shù)人認(rèn)為不飽和脂質(zhì)才會發(fā)生氧化，且發(fā)生氧化反應(yīng)的速度與脂質(zhì)的不飽和度正相關(guān)。其實(shí)，在含脂類的食品中，所有的脂質(zhì)成分都能發(fā)生氧化。相比于不飽和脂質(zhì)，飽和脂質(zhì)的氧化條件相對比較苛刻，需在一定的外界輔助條件下才能反應(yīng)化[5]。

文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，脂肪氧化產(chǎn)生不同產(chǎn)物的幾種機(jī)制是已知的：自動氧化、光敏氧化和酶促氧化等幾種氧化方式[6]。

在嬰兒配方奶粉中，自動氧化是主要的脂質(zhì)氧化反應(yīng)[7]。室溫下，不飽和脂類與氧氣，在無光、無催化劑的條件下，直接發(fā)生的氧化反應(yīng)為自動氧化反應(yīng)。自動氧化過程其實(shí)是一個游離基反應(yīng)的過程。初期階段，不飽和的脂肪酸先生成游離基狀態(tài)；此時的狀態(tài)不穩(wěn)定，易結(jié)合環(huán)境中的氧，生成過氧化物；最后過氧化物發(fā)生分解和聚合反應(yīng)，形成更復(fù)雜的反應(yīng)產(chǎn)物[8]。醛、酮等具有強(qiáng)烈風(fēng)味的化合物就是氫過氧化物發(fā)生分解后產(chǎn)生的，這也是嬰兒配方奶粉儲存過程中不良風(fēng)味產(chǎn)生的主要原因[9]。

2 脂肪酸組成對乳脂氧化的影響

母乳的重要營養(yǎng)品質(zhì)在于其n-6和n-3系列長鏈多不飽和脂肪酸的含量，所以母乳中富含亞油酸（18:2n-6，LA）和α-亞麻酸（18:3n-3，ALA）等必需脂肪酸及花生四烯酸（ARA，C20:4n-6）和二十二碳六烯酸（DHA，C22:6n-3）[10]。由于人體缺乏在n-6和n-3位置形成雙鍵的酶系，新生嬰兒不能合成足夠數(shù)量的這些脂肪酸來滿足他們對腦發(fā)育和視網(wǎng)膜發(fā)育的需要，此類脂肪酸必需依賴于食物供給。將牛乳的脂質(zhì)組成與脂肪酸譜與人乳脂質(zhì)成分進(jìn)行比較[11]，結(jié)果表明，牛奶脂肪不符合人乳脂肪替代品的要求，因此需要額外添加植物油來調(diào)整嬰兒配方奶粉中的脂肪組成，尤其是脂肪酸的組成。與其它奶粉相比，嬰兒配方奶粉中含有相對多數(shù)量的長鏈不飽和脂肪酸，導(dǎo)致其在加工和儲存過程極易發(fā)生氧化。

乳脂肪氧化的程度除了受環(huán)境等外界因素的影響，起主導(dǎo)作用的還是自身的脂肪酸組成[12]，如脂肪酸的飽和度、脂肪酸鏈的長短、不飽和脂肪酸的雙鍵位置及數(shù)量、游離脂肪酸含量等。從脂肪酸本身的性質(zhì)來分析，相比于脂肪酸與甘油結(jié)合后的甘油三酯，游離狀態(tài)的脂肪酸更易發(fā)生氧化且氧化速度更快；相比于飽和脂肪酸，不飽和脂肪酸發(fā)生氧化的條件更簡單，因此更易氧化。此外，不飽和脂肪酸中雙鍵的立體結(jié)構(gòu)與數(shù)量又與其氧化速率密切相關(guān)[13]。雙鍵數(shù)方面，花生四烯酸有4個雙鍵，亞麻酸有3個雙鍵，亞油酸有2個雙鍵，油酸有1個雙鍵，因此四種脂肪酸氧化速度從高到低依次是花生四烯酸＞亞麻酸＞亞油酸＞油酸[14]。雙鍵位置方面，脂肪酸中的雙鍵主要以孤立、隔離和共扼這三種形式存在，其中，共扼形式的雙鍵活性最高，孤立形式活性最低[15]，因此，氧化速度從低到高依次為n－9（孤立雙鍵）＜n－6（隔離雙鍵）＜n－3（共軛雙鍵）。順反構(gòu)型方面，相比于順式結(jié)構(gòu)的不飽和脂肪酸，反式構(gòu)型更加穩(wěn)定，更不易被氧化[16]。

乳脂發(fā)生氧化期間，脂肪酸的氧化機(jī)理已經(jīng)相對明確。但是這種氧化機(jī)理的理論分析還需應(yīng)用到具體的奶粉體系中。因?yàn)槟谭垩趸倪^程是比較復(fù)雜的，影響乳脂氧化穩(wěn)定性的因素也是復(fù)雜的，僅從雙鍵的數(shù)量和結(jié)構(gòu)來分析脂質(zhì)氧化，顯然是不夠全面準(zhǔn)確的。在隨后的研究中，可以從奶粉脂質(zhì)整體的脂肪酸含量和比例方面分析，應(yīng)用相關(guān)性分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[17]，探索脂肪酸組成和乳脂氧化之間的關(guān)系。

3 奶粉顆粒結(jié)構(gòu)對嬰兒配方奶粉氧化穩(wěn)定性的影響

3.1 奶粉的表面組成對乳脂氧化的影響

在嬰兒配方奶粉中，脂肪是以球形結(jié)構(gòu)存在，大部分脂肪球表面包裹著一層膜結(jié)構(gòu)。但是，奶粉顆粒中除了均勻分布的含膜結(jié)構(gòu)的脂肪球外，其表面和內(nèi)部也有少量無膜包裹的脂肪球[18]，這種脂肪稱為游離脂肪。

嬰兒配方奶粉的噴霧干燥過程使幾乎所有的脂肪在乳粉顆粒表面積累[19]。也就是說，奶粉顆粒表面會形成一個脂肪層，這層表面脂肪的存在會使乳粉更容易發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生腐敗變質(zhì)。此外，均質(zhì)過程也會影響乳粉表面游離脂肪的含量。因?yàn)閶雰号浞侥痰娜橐航?jīng)均質(zhì)后，會形成由酪蛋白和乳清蛋白組成的人工膜[20]，可以保護(hù)噴霧干燥時粉體內(nèi)部游離脂肪向表面遷移。而沒有經(jīng)過均質(zhì)處理的乳液噴粉后，MFGM的損傷會引起奶粉顆粒中游離脂肪溶出，在奶粉表面積累。

除了化學(xué)表面組成外，還有顆粒的形態(tài)和孔隙度可影響奶粉的功能特性。由于乳粉顆粒是乳滴在高熱熱風(fēng)接觸下迅速干燥的產(chǎn)物，因此乳粉顆粒不可避免的會形成中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)中的中孔的連接和方向是隨機(jī)的[21]，不同連通方式的孔可以在乳粉的表面吸附氧氣，這將增加乳粉發(fā)生脂質(zhì)氧化的風(fēng)險。

3.2 奶粉顆粒的尺寸大小對乳脂氧化的影響

對于奶粉顆粒的大小來說，一方面，顆粒的尺寸越小，表示顆粒表面積越大，意味著氧擴(kuò)散的速度越快，自由基和抗氧化劑之間的高電位接觸[22]，這也意味著從顆粒的疏水核心到顆粒表面發(fā)生氧化的脂肪比例的增加，因此，認(rèn)為嬰兒配方奶粉的粉末顆粒尺寸減小會利于氧化的進(jìn)行。另一方面，當(dāng)顆粒尺寸減小時，每個粉末顆粒上的脂質(zhì)分子的數(shù)量減少，顆粒表面吸附的表面活性化合物的數(shù)量增加[23]，而表面活性化合物會阻礙氧氣發(fā)生滲透和擴(kuò)散[24]，而此時，隨著奶粉顆粒的尺寸減小，一定程度上會干擾氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

3.3 脂肪球結(jié)構(gòu)對乳脂氧化的影響

乳脂肪球表面包裹的脂肪球膜（M FGM），是由磷脂、蛋白質(zhì)和糖蛋白類等幾種物質(zhì)組成的一層復(fù)合膜[25]。由于乳脂肪球膜的分隔作用，脂肪球能夠相對穩(wěn)定的分散在乳體系中，構(gòu)成一個不連續(xù)的脂肪

層。嬰兒配方奶粉中脂質(zhì)氧化的不穩(wěn)定性可能源自其脂肪球結(jié)構(gòu)（尺寸分布和脂肪球膜組成），而脂質(zhì)氧化的復(fù)雜性主要在于脂質(zhì)相的不連續(xù)性[26]。

各種商業(yè)化嬰兒配方奶粉的結(jié)構(gòu)分析揭示了脂肪球表面蛋白質(zhì)聚集體或脂肪和蛋白質(zhì)之間形成的復(fù)合物的存在[27]，也就是說，嬰兒配方奶粉中的脂肪球膜主要是通過磷脂和乳蛋白的勻漿來構(gòu)建的[28]，可以隔絕氧氣的擴(kuò)散，減緩脂質(zhì)自動氧化的速率。

相關(guān)研究人員認(rèn)為[29]，母乳含有由生物膜覆蓋的天然脂肪球，大致直徑約為4μm，而嬰兒配方奶粉中的脂肪球結(jié)構(gòu)是在加熱或均質(zhì)過程中由配方中的脂質(zhì)與蛋白質(zhì)再構(gòu)建形成的，再構(gòu)建的脂肪球粒徑很小，平均直徑約為0.4μm，大約是母乳脂肪球直徑的十分之一。因此，嬰兒配方奶粉脂肪球表面積約為22㎡/g，遠(yuǎn)高于人乳（2㎡/g）。這種較大的脂肪球表面積會加快脂肪分解，增加氧氣與脂質(zhì)的反應(yīng)接觸面積，促進(jìn)脂質(zhì)氧化。

此外，M FGM中的蛋白質(zhì)和脂類成分也與脂質(zhì)氧化有一定的關(guān)系[30]。有研究表明在較高溫度條件下巴殺滅菌的牛奶具有較好的氧化穩(wěn)定性[31]，這是因?yàn)楦邷丶訜釙?dǎo)致牛奶脂肪球膜中的氧化酶發(fā)生熱變性從而失去酶活。另有研究表明，牛奶中添加黃嘌呤氧化還原酶類底物會導(dǎo)致乳脂氧化速度增加；牛奶中添加超氧化物歧化酶或過氧化氫酶可導(dǎo)致乳脂氧化速度降低[32]。

4 嬰兒配方奶粉氧化穩(wěn)定性的分析方法

在乳脂氧化過程中，初級氧化產(chǎn)物的生成和分解之間存在動態(tài)平衡，而檢測氧化性的方法通常只能反映乳脂氧化過程中某個時刻的氧化情況，利用單一手段來測定初級氧化產(chǎn)物或次級氧化產(chǎn)物含量并不能全面、準(zhǔn)確地評價乳脂氧化狀態(tài)。想要全面準(zhǔn)確的表征乳脂氧化的穩(wěn)定性，則需要綜合采用多種方法來評估。

脂質(zhì)氧化穩(wěn)定性評價方法根據(jù)其測定產(chǎn)物的不同大致分為兩類，即：測定初級階段氧化產(chǎn)物的方法和測定次級階段氧化產(chǎn)物的方法。

4.1 初級氧化產(chǎn)物的測定方法

測定初級氧化產(chǎn)物的方法包括測定氫過氧化物含量和共軛烯烴含量兩種。

過氧化值是測定脂質(zhì)氧化過程中氫過氧化物的含量。由于氫過氧化物主要存在于氧化的初期階段，因此過氧化值的測定方法有一定的局限性，不太適用于氧化后期和氧化程度高的奶粉[33]。此外，測定奶粉的過氧化值時首先要對其進(jìn)行復(fù)雜的前處理過程，即提取脂肪，這將導(dǎo)致測量時間的增加，并在一定程度上引入誤差，對最后的測定結(jié)果有不利的影響，這也是該方法的局限之處。

脂質(zhì)氧化產(chǎn)生的氫過氧化物通過共價鍵重排會形成共軛烯烴類物質(zhì)，共軛雙鍵在紫外區(qū)有強(qiáng)吸收[34]。因此，通常利用紫外分光光度法（UV-VIS）來測定脂質(zhì)氧化過程中共軛烯烴的含量，以此來評價乳脂的氧化狀態(tài)。同樣地，共軛二烯值也存在一個動態(tài)的變化過程，只能反映某個時刻的氧化值，并不能準(zhǔn)確的表征乳脂的氧化程度。

4.2 次級氧化產(chǎn)物的測定方法

次級氧化產(chǎn)物的測定方法是按照其沸點(diǎn)高低進(jìn)行分類的：揮發(fā)性和非揮發(fā)性。

丙二醛是典型的不揮發(fā)性次級氧化產(chǎn)物[35]。硫代巴比妥酸值（TBA）就是通過測定乳脂次級氧化產(chǎn)物中丙二醛的量來表征嬰兒配方奶粉的氧化穩(wěn)定性。與過氧化值的測定類似，TBA在樣品前處理方面有一定局限性。

丙醛、己醛和戊醛等醛類物質(zhì)是次級氧化產(chǎn)物中主要的揮發(fā)性產(chǎn)物。目前已有許多學(xué)者利用頂空分析法（HSA）對奶粉中揮發(fā)性物質(zhì)的含量進(jìn)行檢測，作為表征乳脂氧化程度的指標(biāo)[36]。HSA的基本原理是氣相和凝聚相在一定的條件下存在分配平衡，可以通過樣品基質(zhì)上方的氣體成分來反應(yīng)相應(yīng)組分在樣品中的含量。HSA是一種氣體萃取法，成本低、精確度高、重現(xiàn)性好，已被逐漸推廣使用。揮發(fā)性氧化產(chǎn)物的測定不需對樣品進(jìn)行過多前處理，是一種快速靈敏的檢測方法。

5 總結(jié)與展望

嬰兒配方奶粉的氧化穩(wěn)定性除了受外界環(huán)境因素的影響外，其自身脂肪酸組成和乳粉顆粒結(jié)構(gòu)也對氧化過程有顯著影響。目前對奶粉內(nèi)在因素的氧化機(jī)理研究，尚處于定性描述階段，各因素對氧化過程的分析還不夠系統(tǒng)、詳細(xì)。在隨后的研究中，應(yīng)采用多維的分析手段、從分子或微觀角度表征乳脂肪和氧化機(jī)制的相關(guān)性。而且，這種氧化理論分析還可以應(yīng)用到具體的奶粉加工過程中，通過奶粉內(nèi)在因素對氧化穩(wěn)定性的影響，為奶粉的配方設(shè)計和加工工藝提供指導(dǎo)意義，為控制乳脂氧化奠定基礎(chǔ)。

此外，一些更全面表征乳脂氧化的新型檢測方法逐漸產(chǎn)生，包括Rancimat法、FTIR法、DSC法及拉曼光譜法（RS）等。這些方法大都建立在光譜分析的基礎(chǔ)上，樣品處理簡單、測量精確度高、方法重現(xiàn)性好。