乳中鹽類平衡對膠體穩(wěn)定性及加工特性的影響研究進(jìn)展

岳明星，李浡，簡偉杰，王曉杰，陳思，楊軍，辛秀蘭

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院生物工程學(xué)院，北京100176）

0 引 言

原料乳是一種天然的、非常復(fù)雜的膠體緩沖體系，其中，原料乳中的鹽類平衡對膠體穩(wěn)定性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。每升牛奶中大約含8～9 g 無機(jī)鹽，其中鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)、鈉(Na+)、鉀(K+)為乳中主要的陽離子，磷酸根(HPO42-)、檸檬酸根(Citate3-)及氯化物(Cl-)為主要的陰離子。牛乳中的鹽類呈膠體相和可溶相的分布規(guī)律。大約70%的鈣、30%的鎂、50%的磷酸鹽和10%的檸檬酸以不溶性復(fù)合物的形式存在于酪蛋白膠束中，稱為膠體磷酸鈣(CCP)[1]。鹽類平衡對維持酪蛋白膠束穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的完整性至關(guān)重要[2]。鹽類平衡的改變導(dǎo)致膠體相和可溶相的離子組成發(fā)生顯著變化，進(jìn)而對酪蛋白膠束的物理化學(xué)性質(zhì)和產(chǎn)品在加工和貯藏過程中的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[3-4]。因此，了解在實(shí)際條件下的離子平衡是非常重要的。

在乳清相中，礦物鹽以游離離子或離子對/復(fù)合物的形式存在。鈉和鉀離子僅與氯、檸檬酸和磷酸鹽形成弱離子對，因此主要以游離離子形式存在。二價(jià)陽離子Ca2+和Mg2+主要與檸檬酸絡(luò)合，與HPO42-的絡(luò)合程度較小。在可溶相中，離子對與自由離子之間存在著一種動態(tài)的、可非常迅速達(dá)到的平衡狀態(tài)。此外，在可溶相和膠體相中的鹽之間存在一種動態(tài)但緩慢的平衡[5]。

1 定量檢測鹽類平衡

一般來說，可以用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)法測定陽離子濃度，用陰離子交換色譜(Asfaw)來測定陰離子濃度。然而，游離二價(jià)陽離子的濃度和活性如Ca2+和Mg2+離子，在酪蛋白膠束的物理化學(xué)性質(zhì)中所起的作用比離子的總濃度更重要。Ca2+、Mg2+離子與pH 值共同影響酪蛋白體系的穩(wěn)定性及其加工特性，特別是凝乳酶、加熱和酒精對凝乳過程的影響。游離的Ca2+離子會影響帶負(fù)電荷的酪蛋白膠束的周邊環(huán)境，從而提高或降低其穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的測定牛奶中Ca2+離子活性或濃度的方法是基于陽離子交換樹脂技術(shù)和紅紫酸銨方法[6]。然而，這些方法有一些缺點(diǎn)，如耗時(shí)長和不夠準(zhǔn)確。迄今為止，鈣離子選擇電極(Ca-ISE)[7-8]已被用于牛奶中游離鈣活性快速測定。然而，鈣離子選擇電極可能會受到基質(zhì)效應(yīng)的影響，這就要求鈣電極必須在與樣品組成相似的標(biāo)準(zhǔn)液中進(jìn)行校準(zhǔn)，但市場上尚沒有此類標(biāo)準(zhǔn)液。Temminghoff 等[9]發(fā)明了一種基于負(fù)電膜中Donnan平衡的新方法-Donnan 膜技術(shù)(DMT)用于同時(shí)測定土壤水中游離金屬離子的濃度。DMT 已被證明是一種可靠而準(zhǔn)確的同時(shí)測定不同金屬離子的新技術(shù)，DMT 對食品體系中游離金屬離子的測定具有重要的參考價(jià)值。Gao 等[10]建立了基于Donnan 膜技術(shù)同時(shí)測定模擬乳超濾液和復(fù)原脫脂乳中游離鈣、鎂、鈉、鉀離子濃度的技術(shù)。

2 鹽類平衡-離子形態(tài)模型

描述牛乳或類似牛乳體系中離子平衡的離子形態(tài)模型是從20 世紀(jì)80 年代開始發(fā)展起來的。相關(guān)研究試圖計(jì)算模擬牛乳鹽溶液中的離子濃度。為了便于計(jì)算，在模型中假設(shè)沒有鎂、磷酸鹽和蛋白質(zhì)，把鉀看成是等量的鈉。Holt 等[6]人建立了一個描述牛乳分散相中離子組成的模型，除乳蛋白外，包括牛奶中的所有相關(guān)組分，計(jì)算得到的游離Ca2+和Mg2+濃度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。多年來，這些模型一直被作為檢測牛乳或乳制品可溶相中離子組成的有用工具，同時(shí)，這些模型可以幫助了解主要離子與酪蛋白膠束理化性質(zhì)之間的內(nèi)部相關(guān)關(guān)系[11]。然而，這些模型并不能包括酪蛋白膠束中的CCP 和酪蛋白結(jié)合的陽離子。因此，在預(yù)測牛奶和乳制品中離子分配方面的應(yīng)用仍然具有一定的局限性。Holt[12]發(fā)明了了一個計(jì)算牛奶中離子分配的熱力學(xué)平衡模型，該模型中假定膠體磷酸鈣以磷酸鈣納米團(tuán)簇的形式存在，用一個關(guān)于磷酸鈣納米團(tuán)簇的廣義經(jīng)驗(yàn)公式確定了小離子(Ca、Mg、P和檸檬酸)與酪蛋白磷酸化序列的摩爾比。該模型為牛奶中離子分配提供了一個合理的預(yù)測。然而，在不同的條件下，該模型還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證，以獲得更多的牛奶樣品的離子組成數(shù)據(jù)。Mekmene 等[13]人提出了一個預(yù)測牛乳及強(qiáng)化乳(添加 NaCl、CaCl2、Na3Ci?tate 和Na2HPO4)中膠體相和可溶相之間的離子分配模型。后一種模型是以Holt 等[6]人的早期模型為基礎(chǔ)的，通過整合陽離子在酪蛋白膠束中的相互作用，并考慮到磷酸鈣在膠束相中的溶解度。模型驗(yàn)證結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，但模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間仍存在10%～20%的差異。另外，該模型可用于預(yù)測在pH 值為6.75 的條件下，牛乳及不同電解質(zhì)強(qiáng)化牛乳中的離子分配。然而，實(shí)際上在牛奶中加入電解質(zhì)會引起pH 值的變化。最近，Mekmene 等[14]人提出了一個模擬牛奶酸化過程中離子平衡的模型。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，該模型可對離子平衡進(jìn)行合理的預(yù)測。然而，該模型并不是描述不同條件下牛奶離子平衡的通用模型。因此，需要建立一個描述牛奶在不同條件下的離子平衡的廣義模型。

3 鹽類平衡對乳蛋白及其凝膠的影響

牛乳的穩(wěn)定性主要取決于蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性又主要取決于鹽類的平衡。二價(jià)陽離子的存在可以誘導(dǎo)乳蛋白質(zhì)發(fā)生聚集和凝膠[15]。正常情況下，乳中的酪蛋白膠束帶負(fù)電荷，當(dāng)外源添加鈣、鎂等二價(jià)陽離子時(shí)，可導(dǎo)致酪蛋白膠束所帶負(fù)電荷通過靜電吸引的方式聚集到二價(jià)陽離子上導(dǎo)致其電荷被中和。另外，與疏水相互作用一樣，二價(jià)陽離子被認(rèn)為是通過膠體磷酸鈣來穩(wěn)定酪蛋白膠束的穩(wěn)定性[16]。在酸化過程中，酪蛋白膠束中的膠體磷酸鈣被溶解，κ-酪蛋白膠束末端破壞[16]，導(dǎo)致酪蛋白膠束發(fā)生聚集和凝膠。綜上所述，酪蛋白聚合被認(rèn)為是由一種復(fù)雜反應(yīng)驅(qū)動的，包括疏水作用、范德華力和鈣橋吸引[17]。

在牛乳中通過加入NaCl 來增強(qiáng)離子強(qiáng)度后對牛奶中的離子形態(tài)有顯著的影響，如pH 降低、Ca2+濃度增加、離子種類活度系數(shù)降低、酪蛋白膠束水化作用增加等影響[11,18]。由于牛奶離子的改變會導(dǎo)致加工特性發(fā)生相應(yīng)的變化，如牛奶的凝固時(shí)間出現(xiàn)了顯著延長，酒精穩(wěn)定性降低。

含不同乳糖和礦物質(zhì)組成的強(qiáng)化乳清酸凝膠中，其凝膠硬度存在差異。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在礦物質(zhì)濃度最高的情況下，沒有觀察到凝膠化現(xiàn)象。Philippe等[19]人研究了強(qiáng)化氯化鈣的脫脂牛奶的理化性質(zhì)。結(jié)果表明，在不同的鈣濃度下，膠體磷酸鈣的行為似乎沒有變化。然而，在脫脂牛奶中添加鈣會增加酪蛋白膠束密度，使膠束核更加致密。Choi 等[20]人證明，與酪蛋白膠束緊密結(jié)合膠體磷酸鈣(CCP)濃度對酶凝膠的性能具有重要影響。Udabage 等[21]人報(bào)道了檸檬酸鹽或EDTA 的加入降低了酶凝膠的貯存模量，而濃度達(dá)到10 mmol/kg 牛奶以上，酶凝膠完全被抑制。Mizuno 等人[22]研究了添加焦磷酸四鈉(TSPP)所形成的牛奶蛋白凝膠的特性，提出了一種TSPP 誘導(dǎo)凝膠化的機(jī)理，即添加的TSPP 與鈣形成分散酪蛋白之間的交聯(lián)劑。上述研究提供了乳化鹽和酪蛋白之間相互作用的基本信息，這些相互作用可能有助于控制加工后的奶酪的結(jié)構(gòu)和功能特性?？傊?，乳品系統(tǒng)中特定離子平衡的控制為控制乳蛋白及其凝膠的功能特性提供了一條新途徑。

4 熱處理對乳中鹽類平衡的影響

熱處理影響乳的穩(wěn)定性，特別是羊乳，在經(jīng)過超高溫處理后，產(chǎn)品變的不穩(wěn)定，會出現(xiàn)大量沉淀物。當(dāng)熱處理溫度從140 ℃降至125 ℃和114 ℃時(shí)，沉積物明顯減少。相關(guān)研究試圖通過在乳中添加乳化鹽來提高羊乳的熱穩(wěn)定性。Boumpa 等[23]在羊乳中添加了六偏磷酸鈉(SHMP)、檸檬酸三鈉(TSC)、磷酸氫二鈉(DSHP)和磷酸二氫鈉(SDHP) 4 種乳化鹽來改善超高溫羊乳的熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明，SDHP 的加入后降低了產(chǎn)品pH 值，對離子鈣的影響不大，對沉積物的改善作用不大；SHMP、DSHP 和TSC 的加入都降低了離子鈣，增加了酒精的穩(wěn)定性，減少了沉淀的發(fā)生。

做高鈣乳等一些添加礦物元素的產(chǎn)品時(shí)，由于乳中天然的鹽類平衡被破壞，容易引起不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。在牛乳中添加可溶性鈣鹽后降低了體系的pH值，增加了離子鈣濃度并引起凝乳。氯化鈣表現(xiàn)出最大的不穩(wěn)定效應(yīng)，其次是乳酸鈣和葡萄糖酸鈣。另外，在較低鈣添加情況下，與容器內(nèi)滅菌相比，UHT工藝使產(chǎn)品變得不穩(wěn)定。在牛奶中加入不溶性鈣鹽，增加后總鈣含量達(dá)到30 mmol/L 時(shí)，不影響其熱穩(wěn)定性，不改變pH 值和離子鈣含量，緩沖能力也未改變；不會在超高溫（UHT）或容器內(nèi)消毒條件下發(fā)生凝結(jié)、沉積或結(jié)垢等不穩(wěn)定相關(guān)的現(xiàn)象[24]。

Kaushik 等[25]開展了鈣強(qiáng)化牛奶的熱穩(wěn)定性和耐熱特性研究，以奶牛:水牛1:1的混合奶為原料，將4種鈣鹽-氯化鈣、醋酸鈣、氫氧化鈣和檸檬酸鈣用于牛奶的強(qiáng)化。添加鈣鹽后，除添加檸檬酸鈣時(shí)，牛奶pH和酸度有顯著變化。檸檬酸鈣強(qiáng)化牛奶的感官評分最高。對照牛奶和其它鈣強(qiáng)化牛奶相比，檸檬酸鈣強(qiáng)化牛奶的熱穩(wěn)定性更高。除氯化鈣外，鈣強(qiáng)化牛奶顯示75%酒精陰性。與對照相比，鈣強(qiáng)化牛奶中的黏度更高。通過加入檸檬酸鈣降低了樣品玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但該差異并不顯著，這表明檸檬酸鈣可用于制備鈣強(qiáng)化牛奶[19]。

Wu 等[26]人研究了微波加熱過程對牛乳中鈣的吸收特性和乳穩(wěn)定性。結(jié)果表明，鈣離子濃度對微波能量吸收的影響不大，而形態(tài)對微波能量吸收的影響較大。鈣離子的存在對牛奶的熱穩(wěn)定性有顯著的影響。在添加離子化鈣時(shí)，鈣強(qiáng)化乳體系熱穩(wěn)定性差，蛋白質(zhì)團(tuán)聚嚴(yán)重，而牛奶鈣的添加對穩(wěn)定性影響不大，幾乎不會引起乳蛋白凝固?？梢酝茰y，微波場中的金屬離子會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，通過周圍酪蛋白磷酸化物的結(jié)合，引發(fā)蛋白質(zhì)聚集。

5 前景與展望

鹽類組份在牛乳中所占比例盡管很小，但對于維持牛奶中酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，從而對液態(tài)奶、酸奶及奶酪產(chǎn)品品質(zhì)和貨架期有著顯著的影響。國內(nèi)外研究已經(jīng)證明當(dāng)熱處理溫度限定在一定溫度范圍內(nèi)時(shí)，鹽類平衡是可逆的，但是對于溫度超過一定范圍后，鹽類平衡會出現(xiàn)不可逆的現(xiàn)象。鹽類平衡未來研究重點(diǎn)是如何量化牛奶和牛奶衍生體系中的實(shí)際條件下(如強(qiáng)化礦物元素乳或乳飲料)離子平衡；另外，建立離子形態(tài)預(yù)測模型用于預(yù)測體系中改變條件下的離子形態(tài)。