射頻處理對嬰兒奶粉氨基酸、形貌和吸附特征的影響

吳鈺蔚 鄧 云* 鄭遠(yuǎn)榮 劉振民

（1上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院 上海 200240

2光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200436）

奶粉作為嬰幼兒的重要營養(yǎng)來源，其質(zhì)量安全直接影響下一代的身體健康甚至是生命安全。然而，因其營養(yǎng)豐富，適宜微生物生長，如被致病菌污染，很容易引起中毒或者其它疾病。近年來，奶粉面臨嚴(yán)重的安全問題已引起廣泛的社會關(guān)注。據(jù)報(bào)道，采集304份溫州市售奶粉樣品中，蠟樣芽胞桿菌檢出率高達(dá)20.39%，腸桿菌科檢出率為6.91%，阪崎腸桿菌檢出率為1.32%[1]。

被耐熱病原體污染的原料奶在高溫加工過程中很可能僅處于亞致死狀態(tài)，在低水分的奶粉中仍然存活，一旦環(huán)境有利，便快速繁殖，對人體健康造成極大威脅[2]。為保障奶粉的安全質(zhì)量，需要找尋適宜的后殺菌技術(shù)。然而，低水分活度食品的傳熱性差，產(chǎn)品中微生物的耐熱性強(qiáng)，傳統(tǒng)的熱殺菌方式難以適用。射頻介電加熱依靠物體吸收電磁波并將其轉(zhuǎn)換成熱能，具有等體積快速加熱，穿透深度大等特點(diǎn)[3]。此外，由于物料在射頻場中的加熱速率與其介電損耗因數(shù)成正比，食品中微生物的介質(zhì)損耗因數(shù)明顯高于處理物料，所以射頻加熱特別適用于低水活食品的殺菌[3]。Seul-Gi Jeong等[4]在不同水分含量的辣椒粉和黑胡椒粉（10.1%～30.5%）中接種大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌，之后，采用27.12 MHz的射頻加熱樣品。研究發(fā)現(xiàn)，射頻處理不僅能夠降低水分含量，還能有效控制這兩種致病菌生長。Michael等[5]指出，在90℃ 射頻加熱5 min以上，即可有效殺死阪崎腸桿菌和沙門氏菌，可作為奶粉包裝前的快速殺菌手段。然而，奶粉經(jīng)過射頻加熱后其營養(yǎng)及加工品質(zhì)是否發(fā)生變化目前鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)中研究90℃射頻處理對奶粉基本營養(yǎng)成分、功能營養(yǎng)組分、微觀結(jié)構(gòu)及吸濕性能等方面的影響，為奶粉的新型加工應(yīng)用提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料 品牌4段嬰幼兒配方奶粉，購自上海歐尚超市東川店。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備 射頻處理裝置 （GJD-6A-27-JY型），河北華氏紀(jì)元射頻設(shè)備有限公司；氨基酸分析儀（L-8900型），日本Hitachi公司；全自動凱氏定氮儀（SCINO KT260型），丹麥Foss公司；索氏提取器（BSXT-06型），上海比朗儀器制造有限公司；馬弗爐【MXL（D）-02 型】，合肥日新高溫技術(shù)有限公司；掃描探針顯微鏡【Multimode Nanoscope IIIa型】，美國Digital Instrument公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 奶粉的射頻加熱處理 將300 g奶粉裝入樂扣塑料盒內(nèi)，封上盒蓋 （盒蓋表面開有均勻孔洞）。將樣品放入射頻裝置內(nèi)進(jìn)行射頻處理，極板高度 8.5 cm，加熱功率 27 MHz、600 W，由室溫加熱至90℃。將樣品分別在90℃下保持5 min（RF 5 min）和 10 min（RF 10 min）。加熱完畢后，將樣品鋪在無菌環(huán)境中，快速冷卻至室溫。隨后將奶粉密封，置于干燥器內(nèi)備用。

1.2.2 奶粉基礎(chǔ)組分指標(biāo)測定

1.2.2.1 奶粉總蛋白含量測定 奶粉中總蛋白質(zhì)含量依據(jù)GB 5009.5-2010中[6]的凱氏定氮法測定。稱取1.501 g（精確至0.001 g）奶粉樣品置于大試管中，同時(shí)加入催化劑及10 mL濃硫酸。將大試管置于定氮儀上消化1 h，采用滴定法測定粗蛋白含量。

1.2.2.2 總脂肪含量測定 奶粉樣品中粗脂肪含量依據(jù)GB/T 5512-2008中[7]的索氏提取法測定。準(zhǔn)確稱取5 g干燥奶粉（精確到0.001 g）放入提取器的抽提瓶中，用乙醚回流提取。將抽提筒干燥、冷卻后，稱取抽提瓶質(zhì)量變化。

1.2.2.3 奶粉的灰分測定 奶粉樣品中灰分含量依據(jù)GB 5009.4-2010方法[8]測定。將樣品炭化至無煙后，移入600℃馬弗爐中灼燒至灰化完全，稱量殘留物的質(zhì)量，計(jì)算出樣品中總灰分的質(zhì)量。

1.2.2.4 奶粉的水分含量測定 奶粉樣品中水分含量依據(jù)GB 50093-2010方法[9]測定。將稱重樣品置于101～105℃干燥箱中烘干24 h，稱量質(zhì)量變化。

1.2.3 奶粉的氨基酸組成分析 參考GB/T 5009.124-2003方法[10]并略作修改。稱取30 mg奶粉放入水解管中水解，將水解液過濾并定容50 mL。吸取1 mL濾液于5 mL容量瓶中，在40～50℃蒸干，用1～2 mL水溶解殘余物再蒸干，并重復(fù)兩次。用1 mL pH 2.2的檸檬酸鈉緩沖液溶解殘余物，備用。采用氨基酸自動分析儀通過外標(biāo)法測定氨基酸含量。

1.2.4 原子力顯微鏡觀測 （AFM） 稱取250 mg奶粉樣品溶解后進(jìn)行透析。將樣品梯度稀釋，配制25 ng/L的溶液，置于4℃儲存。取20 μL樣品液體滴于單層云母片上，干燥后進(jìn)行AFM觀測。

1.2.5 奶粉吸濕曲線測定 將奶粉樣品置于干燥器內(nèi)（內(nèi)有P2O5）2周，得到接近絕干的樣品。隨后將奶粉放于開口的稱量瓶（25 mm×40 mm）中，置于裝有不同飽和鹽溶液（CH3COOK-0.22，MgCl2-0.33，Mg（NO3）2-0.53，KI-0.68，NaCl-0.75，KCl-0.84）的干燥器中，密封后（25±1）℃條件下放置[11]。對于置于aw＞0.75的樣品，取適量山梨酸鉀放于干燥器中，防止微生物生長。定期測定樣品的質(zhì)量，直至恒重。奶粉等溫吸濕曲線模型見表1。

表1 奶粉等溫吸濕曲線模型[12]Table1 Moisture absorption isotherm models for milk powder samples

1.2.6 統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS 13.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)用（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，并通過LSD test（P＜0.05）進(jìn)行顯著水平比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 奶粉基礎(chǔ)組分分析

各處理樣品的總蛋白、粗脂肪、灰分、水分和水分活度測定結(jié)果見表2。蛋白質(zhì)是奶粉中含量比較豐富的營養(yǎng)元素。對照奶粉的蛋白質(zhì)含量為17.62%，在嬰幼兒奶粉中屬于蛋白含量較高的配方 （10.6%～17.2%）[13]。本試驗(yàn)?zāi)谭壑|(zhì)含量達(dá)到16.90%。據(jù)報(bào)道，配方奶粉中總不飽和脂肪酸及多價(jià)不飽和脂肪酸含量顯著高于普通牛乳，可以作為良好的脂質(zhì)來源[14]。本試驗(yàn)的奶粉灰分含量約為4.53%，主要為礦物質(zhì)或無機(jī)鹽類。此外，對照樣品的水分活度僅為0.24，屬于低水分食品，因此具有較長的貨架期。

表2 奶粉樣品基礎(chǔ)成分Table2 Basic components of milk powder samples

射頻處理后，配方奶粉水分含量和水分活度顯著降低。由此可見對低水分含量樣品射頻處理較短時(shí)間也可使水分下降明顯，相較于傳統(tǒng)加熱更有優(yōu)勢。這是因?yàn)樯漕l處理時(shí)奶粉中的極性水分子碰撞摩擦，迅速揮發(fā)。此外，射頻處理10 min內(nèi)，奶粉的基礎(chǔ)成分與對照樣品相比沒有顯著性差異。

2.2 奶粉氨基酸含量變化

由表3可以看出，從奶粉中主要檢出18種氨基酸，種類較為全面，必需氨基酸中色氨酸未檢出。任大喜等[15]指出常規(guī)氨基酸分析方法均使用酸性環(huán)境，造成色氨酸數(shù)據(jù)缺失。

對照樣品中，谷氨酸含量最高，為36 634.54 mg/100 g，占總氨基酸含量的20.87%，它對人體的能量代謝與免疫系統(tǒng)具有重要作用；必需氨基酸中亮氨酸含量最高，占氨基酸總量的9.96%；而樣品中半胱氨酸的含量最低，只有524.13 mg/100 g，為總氨基酸含量的0.28%。精氨酸和組氨酸的含量分別是5 448.72 mg/100 g和3 735.10 mg/100 g，分別占總氨基酸含量的3.09%和2.13%。這兩種氨基酸雖能被人體合成，但通常不能滿足人類的正常需要，被稱為半必需氨基酸。對于在生長期的幼兒來說，這兩種是必需氨基酸。由于奶粉中必需氨基酸與半必需氨基酸含量十分豐富，氨基酸組成比較合理，所以對人類健康尤其是嬰幼兒很有益處。

經(jīng)過5 min和10 min射頻處理的奶粉氨基酸含量分別下降了0.47%和1.79%，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，處理前、后總氨基酸含量沒有明顯變化。從單一氨基酸含量變化看，射頻處理5 min后，半胱氨酸與賴氨酸含量顯著性降低，分別下降了7.01%和4.50%；射頻處理 10 min后，蘇氨酸含量降低1.51%，谷氨酸降低1.93%，蛋氨酸含量降低10.11%，b-丙氨酸的含量降低21.33%。加熱導(dǎo)致還原糖與氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)，這是導(dǎo)致部分氨基酸減少的主要原因[16]。值得一提的是，處理前、后這幾種氨基酸占總氨基酸的比例變化并不大。此外，b-丙氨酸含量非常低，對總體氨基酸含量變化影響較小。Schuster-Gajzágó等[17]指出，利用13.5 MHz的射頻在112℃加熱白芥，并不會對其氨基酸組成及含量產(chǎn)生影響。

2.3 原子力顯微鏡結(jié)果

原子力顯微鏡觀測到的奶粉樣品表面形貌如圖1所示。從圖A1可以看出，對照奶粉樣品大部分呈橢圓形，平均粗糙度為1.54 μm。據(jù)報(bào)道，脫脂奶粉顆粒的平均粗糙度為306 nm，遠(yuǎn)小于本試驗(yàn)樣品[18]。對照樣品三維結(jié)構(gòu)圖（A2）顯示，蛋白質(zhì)分子從空間上看，大體是均勻、有序的狀態(tài)。射頻處理5 min后，樣品表面平均粗糙度為715.02 nm，與對照相比，其三維結(jié)構(gòu)圖中蛋白質(zhì)在空間上排列的密度增大，排列更加均勻。射頻處理10 min，實(shí)試驗(yàn)組的表面平均粗糙度為654.88 nm，蛋白質(zhì)分子在空間上的排列十分緊致，表面的突刺較少，更加光滑。由此可見，射頻處理后，蛋白質(zhì)分子的空間聚集行為發(fā)生變化，排列的更加緊致、有序，表面的光滑程度也有所改變。射頻等電磁波能使蛋白質(zhì)中的極性分子產(chǎn)生高速振動，雖然對蛋白質(zhì)含量無明顯影響，但會改變蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，從而影響蛋白質(zhì)的微觀形貌及產(chǎn)品的加工特性。Ahmed等[19]指出在80℃左右條件下射頻（27.12 MHz）加熱150 s即可使雞蛋清變性，SDS-Page電泳圖顯示射頻處理后卵清蛋白條帶強(qiáng)度明顯降低。

表3 奶粉樣品氨基酸組成Table3 Amino acid compositions of milk powder samples

圖1 奶粉樣品的原子力顯微鏡觀察結(jié)果Fig.1 Atomic force microscopy observations of milk powder samples

2.4 奶粉吸濕曲線分析

等溫吸濕曲線能夠衡量物料對環(huán)境濕度的敏感性。奶粉樣品的吸濕性能見圖2。奶粉樣品的水分含量隨著aw的增加而增大，在低水分活度時(shí)增速較慢，而當(dāng)水分活度大于0.68時(shí)，水分含量增速明顯提高，這可能是由于奶粉的水合和溶脹作用引起的。表4列出奶粉樣品等溫吸濕曲線7種擬合模型的參數(shù)值及擬合度情況。若模型相關(guān)性系數(shù)R2高，χ2、RMSE值小，表明其擬合效果好。與其它的6個(gè)模型相比，BET模型的擬合效果最佳，R2值較高（0.926～0.980）。 最低的 RMSE（0.002）及χ2（0.004～0.005）值，擬合曲線見圖 2。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)散布在擬合曲線周圍，這表明BET模型擬合的準(zhǔn)確性。對照樣品單層含水量（Mb）為0.01779 g/g干基，略低于20℃時(shí)脫脂奶粉（0.0445 g/g干基）與全脂奶粉（0.0244 g/g干基）的單層含水量[18]，這可能是由于奶粉組成差異以及干燥工藝及貯藏溫度變化引起的。射頻處理后奶粉的單層含水量略有提高，低于0.018 g/g干基時(shí)奶粉性能比較穩(wěn)定，這可能歸因于奶粉大分子空間結(jié)構(gòu)的改變 （見圖1）。BET公式中參數(shù)C反映吸濕過程中剩余焓值[11]。由表4可知，隨著射頻時(shí)間延長，C值逐漸增大，說明奶粉吸附水分子時(shí)需要的能量變大，樣品更加疏水。

圖2 奶粉樣品等溫吸濕曲線Fig.2 Water sorption isotherms of milk powder samples

表4 奶粉樣品等溫吸濕曲線模型常數(shù)及擬合度評價(jià)（25°C）Table4 Constants and fitting degrees of moisture absorption isotherm models for milk powder samples （25 °C）

3 結(jié)論

射頻加熱對奶粉樣品的基本營養(yǎng)組成幾乎無影響，然而會降低某些熱敏性氨基酸物質(zhì)的含量。射頻使奶粉蛋白質(zhì)在空間上的排列更加緊致，表面更為光滑。對奶粉樣品的等溫吸濕曲線研究發(fā)現(xiàn)，BET模型對數(shù)據(jù)的擬合效果最佳，射頻處理后奶粉的單層含水量略有提高，吸附水分子時(shí)所需能量變大。