乳脂肪含量對(duì)牛乳理化性質(zhì)的影響

遲雪露，仝令君，潘明慧，努爾阿里亞·阿力甫，艾娜絲*，王 蓓，孫寶國(guó)

（北京工商大學(xué) 北京食品營(yíng)養(yǎng)與人類(lèi)健康高精尖創(chuàng)新中心，北京市食品添加劑工程技術(shù)研究中心，北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

牛乳是一種高營(yíng)養(yǎng)食品，被公認(rèn)為最完善的食物之一，一直以來(lái)備受人們青睞[1]。隨著人們生活水平的不斷提高以及食品工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)乳品品質(zhì)的要求越來(lái)越高，而乳脂肪含量是衡量牛乳品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，會(huì)引起乳制品理化特性和感官特征發(fā)生改變[2-3]。有研究表明，含脂量高的乳制品具有更濃郁的香氣和更醇厚的口感，含脂量低的乳制品在色澤上更加白亮[4-5]。

乳脂肪是化學(xué)組成最為復(fù)雜的油脂之一，以非極性的甘油三酯為主，有400 種以上的脂肪酸和甘油三酯相結(jié)合，其中很大一部分是瘤胃酯類(lèi)代謝的中間體物質(zhì)[6-7]。另外，一般天然脂肪中含有的脂肪酸絕大多數(shù)是偶數(shù)碳直鏈結(jié)構(gòu)，而牛乳脂肪中已證實(shí)含有C9～C23的奇數(shù)碳脂肪酸，并發(fā)現(xiàn)了帶側(cè)鏈的脂肪酸[8]。牛乳脂肪含有脂肪酸、甘油酯、甾醇、磷脂、類(lèi)胡蘿卜素和脂溶性維生素等，96%～98%的乳脂肪為甘油三酯，以一種微小的球狀或液滴狀分散在牛乳體系中，直徑為0.2～15 μm，平均直徑約為4 μm，每個(gè)脂肪球外圍都包裹著一層薄膜，其中有少量的磷脂、膽固醇和膽固醇酯，它起著乳化劑的作用，并且阻止乳脂肪球的聚合和酶退化[9-11]。乳脂肪相對(duì)于大多數(shù)植物油在結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)更加飽和，過(guò)量攝入飽和脂肪酸會(huì)影響健康，這就導(dǎo)致了消費(fèi)者對(duì)含脂量高的乳制品產(chǎn)生負(fù)面看法[12]。另外，含脂量過(guò)高的牛乳體系較不穩(wěn)定，在加工過(guò)程中易出現(xiàn)脂肪上浮現(xiàn)象[13]。

牛乳營(yíng)養(yǎng)豐富，成分復(fù)雜，基于組學(xué)系統(tǒng)和整體分析，乳脂肪含量對(duì)牛乳理化性質(zhì)的研究尤為重要[14]。本實(shí)驗(yàn)分析了不同乳脂肪含量對(duì)牛乳成分、色度、粒徑、穩(wěn)定性等理化特性的影響。旨在為牛乳制品的研發(fā)及生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮牛奶樣品按不同批次（n=12）均采自北京三元食品有限公司所屬牧場(chǎng)泌乳期荷斯坦乳牛，將樣品轉(zhuǎn)移至避光容器中并置于手提式冷藏盒中。于2 h之內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室置于（4±1）℃冰箱，備用。

尼羅紅、低熔點(diǎn)瓊脂糖 美國(guó)Sigma公司；丙酮（色譜級(jí)） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Zeiss LSM 700 Meta共聚焦激光掃描電鏡 德國(guó)卡爾蔡司公司；CR22N型高速離心機(jī) 日本Hitachi公司；DF-101S型恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；ZETASIZER NANO 2000S粒徑儀 馬爾文儀器有限公司；CR400型色度儀 日本柯尼卡美能達(dá)有限公司；MilkoScan FT120乳成分分析儀 福斯華（北京）科貿(mào)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的制備

采用離心分離的方式制備含脂量為0.5%、1.5%、2.5%、3.5%的牛乳樣品。制備所得樣品置于（4±1）℃冰箱保存，備用。

1.3.2 牛乳成分的測(cè)定

使用乳成分分析儀對(duì)不同含脂量牛乳樣品進(jìn)行成分分析時(shí)，首先配制Foss Clean清洗劑、S-470清洗液以及S-6060調(diào)零液。配好的S-470清洗液和S-6060調(diào)零液，均保存在（4±1）℃的環(huán)境中，一星期內(nèi)用完。開(kāi)機(jī)后，進(jìn)行儀器清洗，強(qiáng)力清洗劑清洗之后，用S-6060調(diào)零清洗，然后用S-470清洗液清洗，再用S-6060調(diào)零液清洗。如果結(jié)果在程序設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，儀器將完成調(diào)零，如果超出范圍，須再次清洗儀器，重新調(diào)零校準(zhǔn)。每次實(shí)驗(yàn)前后均需要用S-470清洗液清洗。

要求待測(cè)牛乳樣品未變質(zhì)，無(wú)結(jié)塊或分層，無(wú)灰塵或其他外來(lái)顆粒。取20 mL樣品于離心管中，加熱至（40±1）℃，加熱后開(kāi)蓋前振蕩樣品，將樣品牛乳中可能存在的固體溶解，將吸管置于液面以下測(cè)出樣品成分。

1.3.3 乳脂肪球的顯微結(jié)構(gòu)測(cè)定

質(zhì)量濃度42 μg/mL的尼羅紅熒光探針的制備：取420 μg尼羅紅染料溶于1 mL丙酮中配制成420 μg/mL的尼羅紅染料，再稀釋10 倍所得。取100 μL配制并稀釋好的尼羅紅染液與1 mL已稀釋好的乳樣混合、染色，并將低熔點(diǎn)瓊脂糖按5 g/L的質(zhì)量濃度準(zhǔn)備，并在使用前45 ℃儲(chǔ)存；樣品在被觀察前須在室溫條件下保持至少2 h；然后取5 μL染色樣品（已被熒光染料染色）滴到載玻片上，迅速取20 μL低熔點(diǎn)瓊脂糖與其緩慢混勻，蓋上蓋玻片；最后通過(guò)激光共聚焦對(duì)制備好的樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察分析。采用氬激光器在波長(zhǎng)488 nm處激發(fā)熒光探針，激發(fā)光通過(guò)500～600 nm濾波器后捕獲。選取視野范圍內(nèi)脂肪球均勻分布的位置進(jìn)行拍照處理。

1.3.4 粒徑的測(cè)定

采用馬爾文粒徑分析儀對(duì)不同脂肪含量的牛乳樣品進(jìn)行粒徑分析，樣品需要經(jīng)超純水稀釋至合適濃度，并設(shè)置聚合物選項(xiàng)為：milk，折光指數(shù)為1.347 0～1.351 5，測(cè)試溫度設(shè)置為25 ℃，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

將待測(cè)乳液倒入石英皿中，液面保持在石英皿高度的1/3處。把樣品放入樣品池中（加蓋），置于測(cè)量室內(nèi)。調(diào)節(jié)儀器溫度與室溫一致，調(diào)節(jié)孔徑使液面處于合理位置。啟動(dòng)主機(jī)即可自動(dòng)測(cè)出膠乳粒徑。

1.3.5 色度的測(cè)定

使用色度儀進(jìn)行顏色測(cè)定，比較不同脂肪含量的牛乳樣品顏色差異。打開(kāi)分光測(cè)色儀和電腦，在測(cè)色儀預(yù)熱30 min后，打開(kāi)顏色管理軟件，采用CIELAB系統(tǒng)，進(jìn)行顏色校準(zhǔn)。先進(jìn)行黑板校準(zhǔn)，目標(biāo)罩為φ?30 mm CMA123；再進(jìn)行白板校準(zhǔn)，目標(biāo)罩為φ 8 mm CM-A122。采用石英比色皿CM-A97（2 mm）裝入3/4容積的蒸餾水進(jìn)行白板校準(zhǔn)。校正完畢后，按含脂量0.5%、1.5%、2.5%、3.5%的順序測(cè)量樣品L*、a*、b*值，每一個(gè)含脂量測(cè)量3 組平行值。數(shù)據(jù)收集由色度儀自帶軟件處理。按公式（1）計(jì)算總色差：

式中：L*為白度；a*為紅度；b*為黃度；ΔE*為總色差。

1.3.6 穩(wěn)定性的測(cè)定

穩(wěn)定性的測(cè)試方法參考杭鋒等[15-17]的方法并優(yōu)化修正，用穩(wěn)定性分析測(cè)試儀比較分析不同樣品的穩(wěn)定性。取樣品20 mL，置于穩(wěn)定性分析儀樣品池內(nèi)，將樣品池放入穩(wěn)定性分析測(cè)試儀內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。工作參數(shù)：溫度25 ℃，每30 min掃描1 次，時(shí)間周期9 h。通過(guò)儀器自帶軟件進(jìn)行分析，得到背散射光強(qiáng)變化曲線(xiàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

實(shí)驗(yàn)所有結(jié)果采用單因素方差分析，P值小于0.05為差異顯著，P值大于0.05為差異不顯著（version 17，SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）。所有數(shù)據(jù)以s表示。每一批次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛乳脂肪含量對(duì)牛乳成分的影響

表1 不同含脂量牛乳樣品成分分析（n=12）Table1 Chemical composition of milk samples with different fat contents (n= 12)

由表1可知，4 種樣品游離脂肪酸含量和蛋白質(zhì)含量沒(méi)有顯著差異（P＞0.05），乳脂肪含量、乳中總固形物含量、乳中非脂固形物含量、酸度、酪蛋白含量均表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）。

牛乳蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值非常高，是乳制品品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。分析結(jié)果顯示，隨著脂肪含量的增加，樣品牛乳中蛋白質(zhì)所占的含量相對(duì)減少，但是降低并不顯著（P＞0.05）。引起蛋白質(zhì)含量不同的因素較多，可能是由于飼養(yǎng)管理，即粗飼料和精料在日糧中所占比例、飼料加工方法及奶牛生產(chǎn)階段的不同，導(dǎo)致的奶牛產(chǎn)奶性能及乳品質(zhì)產(chǎn)生差異，另外，在環(huán)境和飼養(yǎng)狀態(tài)相同的情況下，奶牛的品種，即遺傳因素也可能影響乳的品質(zhì)。

牛乳蛋白質(zhì)中，約80%的蛋白質(zhì)是酪蛋白，其余為乳清蛋白、乳球蛋白、脂肪球膜蛋白等。酪蛋白又稱(chēng)乳酪素，通常和鈣及磷酸鹽以絡(luò)合物的形式存在于牛乳中，它是在20 ℃條件下，調(diào)節(jié)脫脂乳pH值為4.6時(shí)沉淀的一類(lèi)兩性蛋白質(zhì)，是乳品中特有的一組含有大量磷和鈣的蛋白，不溶于水，是乳品中重要的蛋白組分[18]。樣品牛乳中除脫脂牛乳外酪蛋白含量占比均和文獻(xiàn)[18]相一致，含脂量0.5%的樣品酪蛋白含量在蛋白質(zhì)中的比例稍低于80%，但總體來(lái)看，酪蛋白在蛋白質(zhì)中的占比還是較穩(wěn)定的。隨著含脂量增加，樣品中酪蛋白含量顯著增加（P＜0.05）。

牛乳中酪蛋白含量在一定程度上影響乳的酸度[19-20]。由表1可知，含脂量為0.5%、1.5%、2.5%的各實(shí)驗(yàn)樣品酸度值差異顯著（P＜0.05），牛乳的滴定酸度是反映牛乳新鮮程度的一個(gè)重要指標(biāo)，新鮮牛乳的固有酸度為16～18 °T，實(shí)驗(yàn)所用的原料牛乳均是新鮮采集，由此制備的不同含脂量樣品牛乳的酸度均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。牛乳的酸度通常是酪蛋白、白蛋白、磷酸鹽、檸檬酸鹽及碳酸鹽等酸性成分共同作用的最終結(jié)果[19]。隨著含脂量的增加，樣品牛乳的酸度表現(xiàn)出一定的正相關(guān)，這可能是由于脂肪含量增加以及酪蛋白含量的相應(yīng)增加，對(duì)酸度產(chǎn)生了一定影響，有研究[20]指出，酪蛋白酸鈣粒子在乳中可能會(huì)以膠粒的狀態(tài)存在，受到乳漿中pH值影響使得鈣離子、鎂離子等與粒子的結(jié)合變疏松且不穩(wěn)定，進(jìn)而增大滴定酸度。另外，原料乳在存貯過(guò)程中，由于細(xì)菌繁殖，在乳酸菌的作用下乳糖分解產(chǎn)生的乳酸也會(huì)一定程度上增大酸度值，由于本實(shí)驗(yàn)樣品均是新鮮采集并且及時(shí)處理，因此發(fā)酵酸度對(duì)總酸度的影響較小。趙瑞生等[21]認(rèn)為，正常牛乳酸度與牛乳中干物質(zhì)含量正相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道一致，即，隨著含脂量增加，樣品牛乳中的總固形物含量顯著增加（P＜0.05）。

乳中的游離脂肪酸是甘油三酯脂解釋放出來(lái)的產(chǎn)物，它是乳脂肪的重要組成。王風(fēng)梅等[22]研究指出，乳中含脂量越高，產(chǎn)生的游離脂肪酸越多。乳中廣泛存在一種脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase，LPL）糖蛋白，在牛乳中與酪蛋白結(jié)合以酪蛋白膠束形式存在，LPL特異性水解sn-1和sn-3位置的脂肪酸，而乳中短鏈脂肪酸主要集中這2 個(gè)位置[23-24]。牛乳的含脂量越高，為脂解反應(yīng)提供充足的底物，產(chǎn)生的游離脂肪酸含量可能會(huì)相應(yīng)增加。El-Zeini等[25]指出，含脂量越高的乳，脂肪球的粒徑越大。隨著脂肪球粒徑增大，脂肪球表面張力增大，乳脂肪球變得不穩(wěn)定從而易被脂解。通過(guò)對(duì)不同含脂量牛乳樣品成分進(jìn)行分析，含脂量0.5%、1.5%、2.5%、3.5%的牛乳游離脂肪酸含量無(wú)顯著性差異（P＞0.05），出現(xiàn)這個(gè)結(jié)果，可能是由于樣品牛乳均是人工制備，通過(guò)離心、過(guò)濾等物理手段分離乳脂肪，一定程度上影響了牛乳體系中游離脂肪酸的含量。另外，游離脂肪酸是乳L(zhǎng)PL脂解甘油三酯釋放的產(chǎn)物，除了含脂量、脂肪球粒徑的影響之外，LPL的作為一種糖蛋白在乳中的含量及分布也是影響游離脂肪酸形成的原因。

2.2 牛乳含脂量對(duì)粒徑的影響

觀察脂肪球微觀結(jié)構(gòu)時(shí)選用的顯微鏡標(biāo)尺為5.0 μm，可以觀察到絕大多數(shù)脂肪球。乳脂肪以一種微小的球狀或液滴狀分散在牛乳體系中，脂肪球的平均直徑為4～5 μm，在牛乳樣品中作布朗運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，4 個(gè)牛乳樣品中脂肪球個(gè)數(shù)變化存在顯著性差異（P＜0.05），隨著含脂量的升高，乳脂肪球的分布更加密集。

圖1 不同含脂量牛乳樣品顯微結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Microstructure of milk samples with different fat contents

表2 不同含脂量牛乳樣品粒徑分析結(jié)果（n=12）Table2 Particle size characteristics of milk sample particle size analysis results(n= 12)

由表2可知，含脂量0.5%、1.5%的樣品牛乳和含脂量2.5%、3.5%的比表面積具有顯著性差異（P＜0.05），而含脂量2.5%、3.5%的樣品牛乳之間差異不顯著（P＞0.05）。通過(guò)對(duì)比粒度值D3,2和D4,3，隨著含脂量的增加，乳脂肪球的直徑有增大的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)與乳脂肪球的顯微結(jié)構(gòu)（圖1）結(jié)果相符合。這可能是由于隨著含脂量升高，乳脂肪球分布密集，布朗運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互碰撞的幾率增加，脂肪球更加容易聚集并從乳體系中分離出來(lái)[22,26-28]。另外，乳脂肪球粒徑增加也會(huì)對(duì)整個(gè)體系的穩(wěn)定性造成一定的影響。

2.3 牛乳含脂量對(duì)牛乳色度的影響

表3 不同含脂量牛乳樣品色度分析結(jié)果（n=12）Table3 Color parameters of milk samples with different fat contents(n= 12)

產(chǎn)品的顏色是消費(fèi)者選擇食品時(shí)考慮的主要因素之一，通常食品的顏色能直觀地反映出食品的成熟和新鮮程度，也是食品安全性和吸引力的重要指標(biāo)。加工后乳制品的顏色特征受原料乳的影響，與原料乳的含脂量密切相關(guān)。由表3可知，不同含脂量的牛乳，在色澤上有不同程度的變化。

通過(guò)使用CIE-L*、a*、b*色度系統(tǒng)對(duì)樣品牛乳進(jìn)行測(cè)定，其中L*代表白度，L*值越大，牛乳越白（亮）；a*代表紅度，正a*值越大，牛乳越紅；b*代表黃度，b*值越大，牛乳越黃。樣品牛乳在白（亮）度上表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05），含脂量越低，樣品的白（亮）程度越明顯。牛乳的白色是牛乳的物理特征一個(gè)重要參數(shù)，牛乳中酪蛋白膠束和脂肪球的分散是入射光擴(kuò)散的主要原因，對(duì)牛乳的亮度有一定影響。牛乳的白色還與蛋白質(zhì)、核黃素以及來(lái)自類(lèi)胡蘿卜素等天然色素相關(guān)，低類(lèi)胡蘿卜素含量、高蛋白質(zhì)含量和高核黃素含量的牛乳通常會(huì)更加白（亮）一些，即具有更大的L*值[29]。牛乳樣品在紅度上差異顯著，隨著含脂量的增加，紅度降低。含脂量為3.5%牛乳樣品在b*值顯著高于含脂量2.5%的樣品（P＜0.05），牛乳的黃度通過(guò)與脂肪含量密切相關(guān)，高含脂量會(huì)導(dǎo)致牛奶b*值的增加，即牛乳具有更黃的顏色。樣品牛乳紅度以及黃度的變化都一定程度上影響著其整體色澤。

含脂量為0.5%的樣品牛乳總色差顯著高于1.5%的樣品牛乳（P＜0.05），而含脂量2.5%、3.5%的樣品牛乳之間差異不顯著（P＞0.05）。樣品牛乳總色差的變化除了受脂肪含量的影響之外，牛乳中蛋白質(zhì)含量、類(lèi)胡蘿卜素含量以及奶牛飼養(yǎng)條件差異等因素也會(huì)在一定程度上影響牛乳的總色差[5,29]。

2.4 牛乳含脂量對(duì)穩(wěn)定性的影響

圖2 不同含脂量牛乳樣品背散射光強(qiáng)變化曲線(xiàn)Fig. 2 Curves of backscattered light intensity of milk samples with different fat contents

通過(guò)穩(wěn)定性分析測(cè)試儀分析比較不同含脂量牛乳樣品的穩(wěn)定性。如圖2所示，掃描曲線(xiàn)給出了不同掃描時(shí)間透射光和反射光隨樣品高度的變化關(guān)系，通過(guò)背散射光的平均變化率直觀反映體系的穩(wěn)定性，放大了樣品在測(cè)定時(shí)間內(nèi)微觀特性變化。穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，由于樣品的不穩(wěn)定性，隨著時(shí)間的變化，透射光和背散射光都會(huì)發(fā)生變化，這也一定程度上說(shuō)明樣品顆粒的粒徑發(fā)生了變化。由圖2可知，在9 h的觀察時(shí)間內(nèi)，底部0～2 mm高度處，4 個(gè)樣品均有一個(gè)向上凸的峰，隨著時(shí)間的推移，背散射光強(qiáng)度增加，說(shuō)明體積分?jǐn)?shù)是增加的。根據(jù)反射物理模型，這個(gè)峰可能是由于蛋白質(zhì)沉淀引起的。中間段2～32 mm（圖2A）、2～35 mm（圖2B）、2～36.5 mm（圖2C）、2～37.5 mm（圖2D）高度處，隨著時(shí)間的推移，背散射光強(qiáng)度增加，含脂量越高，樣品的背散射光強(qiáng)度變化越明顯。這可能是因?yàn)橹绢w粒主要以聚集為主并伴隨少量上浮現(xiàn)象，造成體積分?jǐn)?shù)減小，即含脂量越大，測(cè)試室中間段的樣品體積分?jǐn)?shù)變化越大，中間段范圍內(nèi)體系越不穩(wěn)定。在測(cè)試室頂部32～44 mm（圖2A）、35～44 mm（圖2B）、36.5～44 mm（圖2C）、37.5～44 mm（圖2D）高度處，背散射光強(qiáng)度逐漸增加。這可能是由于底部及中間段粒徑較大的脂肪顆粒上浮至頂部，使測(cè)試樣品頂部的體積濃度增大，導(dǎo)致觀察時(shí)間內(nèi)的背散射光強(qiáng)度逐漸增加?？梢缘贸?，接近測(cè)試室頂部的樣品隨著含脂量增加，背散射光強(qiáng)度越大，脂肪上浮越明顯，體系越不穩(wěn)定。

乳液粒子處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)并不斷與其他粒子發(fā)生碰撞，碰撞頻率歸功于布朗運(yùn)動(dòng)和重力作用下的遷移，進(jìn)而導(dǎo)致的浮油、沉淀、絮凝或聚集可能是導(dǎo)致分析體系失穩(wěn)的主要原因[30-31]。另外，酪蛋白含量的增加也可能會(huì)對(duì)體系的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié) 論

通過(guò)測(cè)定含脂量為0.5%、1.5%、2.5%、3.5%的新鮮牛乳樣品成分、色度、粒徑、穩(wěn)定性等理化指標(biāo)，同時(shí)結(jié)合牛乳樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明，含脂量對(duì)牛乳成分中蛋白質(zhì)含量、總固形物含量、酸度、酪蛋白含量等均有不同程度的影響。隨著含脂量增加，牛乳中蛋白質(zhì)所占比例相對(duì)降低，總固形物含量、酪蛋白含量以及酸度顯著增加（P＜0.05）。另外，含脂量越高，牛乳中脂肪球粒徑越大，體系越不穩(wěn)定。含脂量低的牛乳通常在色澤上表現(xiàn)為更加白（亮），而含脂量越高，牛乳色澤越黃。

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