嬰配奶粉氣調(diào)工藝惰性氣體組成對產(chǎn)品貨架期穩(wěn)定性影響的研究

戴智勇，樊垚，汪家琦，董玲，潘麗娜，李輝宇，姜毅康

（澳優(yōu)乳業(yè)（中國）有限公司，長沙410200）

0 引 言

近年來，隨著嬰幼兒配方奶粉工藝理論的發(fā)展及生產(chǎn)設備的創(chuàng)新，國內(nèi)外嬰配奶粉行業(yè)逐漸引入氣體調(diào)整包裝技術（MAP, Modified Atmosphere Packaging）的理念，在生產(chǎn)中對嬰配奶粉產(chǎn)品中充入惰性氣體，調(diào)整產(chǎn)品中氣體比例[1]。由于奶粉產(chǎn)品中脂肪含量較高，充入惰性氣體，有助于抑制奶粉在貨架期內(nèi)的氧化，延長產(chǎn)品貨架期[2]。具體的操作方式通常為，奶粉混合傳輸過程中同步進行充氣排氧。在預裝到對應的包裝罐或包裝袋后，對包裝進行抽真空的同時，迅速充入一定量的惰性氣體，之后再進行包裝密封。

嬰配奶粉行業(yè)中常使用的惰性氣體主要為二氧化碳（CO2）及氮氣（N2），對于惰性氣體種類的選擇及比例的確定，企業(yè)根據(jù)各自產(chǎn)品配方有不同的參數(shù)設定。研究表明，惰性氣體工藝在物理方面作用類似，氮氣及二氧化碳均可排出產(chǎn)品中本身含有的氧氣成分。同時，二氧化碳對革蘭氏陽性和革蘭氏陰性微生物的生長同時均具有抑制作用，可以降低細胞內(nèi)pH值。此外，二氧化碳與奶粉在長期接觸過程中，會與奶粉中的脂肪發(fā)生一定程度的結(jié)合，進一步增加奶粉罐內(nèi)真空度[3]。真空度增加，會使奶粉罐口鋁箔逐漸內(nèi)凹，進一步緩解密封卷罐時發(fā)生的鋁箔褶皺等現(xiàn)象。

本文將惰性氣體組成工藝不同的嬰配奶粉作為研究對象，重點針對不同惰性氣體的選擇，對奶粉產(chǎn)品中的貨架期穩(wěn)定性的影響進行全面研究。對比不同氣體組成對貨架期的影響，為未來生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供一定指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

嬰幼兒配方奶粉樣品組A（僅填充N2）；嬰幼兒配方奶粉樣品組B（填充N2及CO2），N2及CO2氣體，純度均大于98%。

實驗主要試劑: 硫酸鉀，硫酸銅，濃硫酸，氫氧化鈉，硝酸，鹽酸，高氯酸，釩鉬酸銨，氫氧化鈉，二硝基酚，亞鐵氰化鉀，乙酸鋅，正己烷，無水乙醇，醋酸，國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純；鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳、磷、硒、碘標準樣品，美國Sigma；氮氣，氫氣，長沙高科特種氣體廠；超純水，自制備；濾紙，分液漏斗，氯化鈉，氫氧化鈉，磷酸二氫鈉，磷酸氫二鈉，無水乙醇等。

全自動凱氏定氮儀，電子天平，氣相色譜儀；FID檢測器，安捷倫7890A；高效液相色譜儀，安捷倫1260；原子吸收分光光度計，安捷倫AA-240FS；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器；紫外分光光度計，上海光譜儀器公司SP-1920；自動高壓蒸汽滅菌器；超聲波清洗儀；高速電動離心機；移液槍；PH 計；氮吹儀；馬弗爐；實驗高溫烘箱等。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

選取同一1 段嬰配奶粉產(chǎn)品配方，但惰性氣體組成工藝不同的2 批次嬰幼兒配方奶粉樣品。樣品組A為純氮氣（N2）填充工藝，樣品組B 為氮氣-二氧化碳（N2-CO2）混合填充工藝，混合比例7∶3。

1.2.2 加速實驗

為縮短研究周期，選擇常用的加速破壞性試驗（Arrhenius 模型）進行產(chǎn)品貨架期模擬[4-5]。根據(jù)Ar?rhenius 經(jīng)驗公式，對于正?；瘜W反應，反應溫度每升高 10 ℃ ，反應速度升高 1 倍，即 K[T+10 ℃ ]/ K[T]=2（公式中K 為反應速度），而反應速度與食品貨架期壽命成反比，即反應速度數(shù)越大，貨架壽命越短[6]。因此有Q[T+10℃]/Q[T]=2（公式中Q 為食品貨架壽命），見表1數(shù)據(jù)。

表1 溫度與貨架壽命的系數(shù)關系

由此可見，37 ℃溫度下儲存8 d，相當于15 ℃溫度下儲存32 d。常規(guī)嬰配奶粉2 年的常溫貨架期，可以通過37 ℃溫度水平192 d（約6 個月）完成模擬。本文最終選擇，分別將兩批次樣品放入37 ℃溫度水平烘箱內(nèi)，模擬產(chǎn)品完整貨架期。

1.2.2.1 檢測周期及方法

根據(jù)產(chǎn)品各自生產(chǎn)日期，分別選擇生產(chǎn)后第0 天及6 個月后作為加速實驗取樣時間點。取樣后對產(chǎn)品中全營養(yǎng)素項目含量進行檢測。

覆蓋檢測項目包括：脂肪，蛋白質(zhì)，脂肪酸（DHA及ARA）、維生素（A, D, E, K, B1, B2, B6, B12, C）, 泛酸，煙酸（煙酰胺）、葉酸、鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳、硒、碘、磷。研究所用檢測方法為嬰幼兒配方奶粉各營養(yǎng)素對應的最新國標分析檢測方法。

1.2.2.2 數(shù)據(jù)計算

參照其他保健食品及營養(yǎng)補充劑穩(wěn)定性研究[7]，各營養(yǎng)素衰減率的計算方法確定為[（首次檢測結(jié)果-末次檢測結(jié)果）/首次檢測結(jié)果]×100%。如數(shù)值為負數(shù)，說明特定檢測結(jié)果中末次檢測結(jié)果高于首次檢測結(jié)果，可認為貨架期內(nèi)無衰減。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白質(zhì)和脂肪

蛋白質(zhì)是構(gòu)成人體組織，維持機體健康的重要成分，屬于生命活動的基礎物質(zhì)。研究表明，蛋白質(zhì)在體內(nèi)同時具有多種功能形態(tài)及生物學功能，如酶的催化作用，激素的生理調(diào)節(jié)作用，血紅蛋白的運載作用及肌體的免疫作用等。脂肪是人體重要的組成部分，同時為嬰兒生長發(fā)育提供能量。脂肪占嬰兒期攝入能量的15%～23%，可用于機體的生長發(fā)育[8]。研究表明，母乳脂肪在嬰幼兒的發(fā)育過程中可提供超過50%的能量，同時對多種維生素和礦物質(zhì)的吸收起到促進作用[9]。 我國嬰幼兒配方奶粉的國家標準GB10765-2010 也規(guī)定，脂肪能量應占到總能量的41.4%～51.3%[10]。

不同惰性氣體組成工藝對應的蛋白質(zhì)及脂肪衰減率數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同氣體組成工藝蛋白質(zhì)脂肪貨架期衰減率對比

由表2 可知，貨架期結(jié)束0 d 后，不同惰性氣體組成工藝的產(chǎn)品中，脂肪和蛋白質(zhì)的衰減率均較低。B組樣品蛋白質(zhì)幾乎沒有衰減，但脂肪衰減率略高于A組樣品。食品在貨架期內(nèi)，自身含有的脂肪及蛋白質(zhì)易受空氣作用發(fā)生氧化變質(zhì)[11]。但本研究表明，嬰兒配方奶粉在處于未開封前的惰性氣體環(huán)境及密封條件下時，脂肪及蛋白質(zhì)發(fā)生衰減的程度極低。惰性氣體的不同選擇對脂肪蛋白質(zhì)的衰減率也沒有明顯區(qū)別。單純的充氮及氮氣-二氧化碳組合工藝，對于包裝內(nèi)氧氣成分的排除效果類似，沒有和脂肪蛋白質(zhì)發(fā)生特定的理化反應。

2.2 脂肪酸（DHA 和ARA）

嬰幼兒配方奶粉的設計原則為充分模擬母乳。眾多研究表明，母乳中脂肪酸種類復雜，富含各種飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸及多不飽和脂肪酸、亞油酸、α-亞麻酸、、花生四烯酸（ARA）和二十二碳六烯酸（DHA，0.3%～1.9%）等[12-13]。隨著《食品添加劑使用衛(wèi)生標準GB-2760-1996》2000 年增補品種中規(guī)定，DHA 和ARA 可作為嬰兒配方奶粉的營養(yǎng)補充劑進行添加（目前已納入GB14880 食品安全國家標準食品營養(yǎng)強化劑使用標準）[14]。目前嬰配奶粉行業(yè)中，將DHA 和ARA 作為可選擇性多不飽和脂肪酸進行強化是較為普遍的。DHA 與ARA 具有類似的結(jié)構(gòu)形式，在嬰兒配方乳粉中一般采用微膠囊的添加形式，通過微膠囊化后變成流散性更好的粉末，從而與奶粉更充分的混合。

不同惰性氣體組成工藝對應的DHA 及ARA 衰減率數(shù)據(jù)如表3。

表3 不同氣體組成工藝DHA及ARA貨架期衰減率對比

表3 數(shù)據(jù)表明，不論何種惰性氣體工藝DHA 和ARA 在貨架期內(nèi)均會發(fā)生較明顯衰減，DHA 衰減程度遠高于ARA。對比不同惰性氣體工藝的樣品組，充氮氣組衰減率較氮氣-二氧化碳組來說衰減率均較低。

相對比脂肪及蛋白質(zhì)而言，DHA 及ARA 整體衰減趨勢更為明顯。這一衰減趨勢與脂肪酸本身性質(zhì)有一定關系，也有研究表明與奶粉中含量較高的微量元素及礦物質(zhì)有關[15]。DHA 及ARA 本身含有碳碳雙鍵，不飽和程度較高，容易與氧化劑發(fā)生氧化還原反應，同時更容易受到外界因素的影響，如氧氣、溫度、光照及金屬離子等，發(fā)生進一步衰減。惰性氣體填充工藝可以很大程度地降低產(chǎn)品中空氣（氧氣）含量，盡可能避免脂肪酸氧化。然而，在后續(xù)長達2 年的保質(zhì)期內(nèi)，DHA 和ARA 仍會發(fā)生較大程度的衰減。

2.3 脂溶性維生素

嬰配奶粉中脂溶性維生素主要為維生素A、維生素E、維生素D 及維生素K，脂溶性維生素對于嬰兒生長發(fā)育具有重要的生理作用，是人體骨骼、視力發(fā)育的重要營養(yǎng)物質(zhì)[16]。表4 為不同惰性氣體工藝對應產(chǎn)品中脂溶性維生素衰減數(shù)據(jù)。

表4 不同氣體組成工藝脂溶性維生素貨架期衰減率對比

由表4 數(shù)據(jù)可知，在整個貨架期內(nèi)，嬰配奶粉中的脂溶性維生素衰減程度不同。維生素A 和維生素D均發(fā)生一定程度的衰減，維生素A 衰減率更高。純氮氣環(huán)境下維生素E 和維生素K 穩(wěn)定性較好，單次檢測顯示其基本沒有發(fā)生損失。混合氣體環(huán)境下，維生素K 發(fā)生一定程度的衰減。

兩種惰性氣體組成環(huán)境中，維生素A 的衰減程度均最高。結(jié)合相關研究可知[17]，目前奶粉行業(yè)普遍使用較為穩(wěn)定的醋酸棕櫚酸酯作為維生素A 強化劑型。維生素A 在高溫加速實驗情況下，衰減率最高可達36.62%，溫度因素對于維生素A 的破壞作用較為明顯。另外也有研究表明，產(chǎn)品中礦物質(zhì)元素的存在也會對維生素A 的穩(wěn)定性產(chǎn)生消極影響[18]。

實驗奶粉樣品中，維生素D 添加形式為膽鈣化醇，其穩(wěn)定性同樣受到光照、溫度及氧氣等多方面因素影響，兩組惰性氣體環(huán)境情況下，均有一定程度衰減。維生素E 和維生素K 在貨架期內(nèi)衰減率幾乎可以忽略，可能是因為惰性氣體所造成的幾乎無氧的包裝環(huán)境，避免了這兩種成分的進一步氧化損失，從其他相關研究中也可得到證明[19]。此外，維生素E 除去營養(yǎng)強化劑身份之外，本身還具有抗氧化作用。

表4 數(shù)據(jù)同時表明，氮氣-二氧化碳樣品組中的維生素A，D 及E 衰減率均較純氮氣保護樣品組更低，穩(wěn)定性更好，維生素K 衰減率反而略微升高。排除檢測偏差及干法混合工藝差異，可能的原因在于，長期貨架期儲存過程中，二氧化碳與脂肪的進一步結(jié)合，增強了產(chǎn)品包裝內(nèi)真空度，對微生物的生長抑制及pH 調(diào)節(jié)，對產(chǎn)品中部分脂溶性維生素產(chǎn)生了一定的保護作用。

2.4 水溶性維生素

母乳中常見的水溶性維生素包括維生素B1、B2、B6、維生素C, 泛酸及煙酸（煙酰胺）等。眾多水溶性維生素對應嬰兒成長發(fā)育過程中能量代謝、蛋白質(zhì)代謝及紅細胞形成等均具有極為重要的理化作用[20]。嬰配奶粉中充分模擬強化了母乳中水溶性維生素的種類及含量水平。本研究中不同惰性氣體工藝對應的貨架期數(shù)據(jù)如表5。

表5 不同氣體組成工藝水溶性維生素貨架期衰減率對比

表5 試驗數(shù)據(jù)表明，不同氣體工藝生產(chǎn)的奶粉樣品，水溶性維生素整體均發(fā)生了比脂溶性維生素更高程度的衰減。純氮氣樣品組維生素C 的衰減達到了6.9%，氮氣-二氧化碳樣品組衰減率稍低，也到達了4.2%。較高的衰減率可能與維生素C 本身的結(jié)構(gòu)有關。劉奕博[21]等人研究表明，維生素C 常見的兩種強化劑型，抗壞血酸(AA) 和抗壞血酸棕櫚酸酯(AP) 對于高溫、日光較敏感，銅離子也會引起很大程度的損失。

同時，泛酸、煙酸及葉酸的衰減率也較高，而維生素B1、B2和B6穩(wěn)定性相對較好。一般認為煙酸、維生素B12及葉酸衰減率較低，但本研究中均發(fā)生了相對較高的損失。結(jié)合成品中含量，不排除產(chǎn)品配方、干混工藝及檢測方法等差異造成一定程度偏離。

在該組對比實驗結(jié)果中，純氮氣樣品組與氮氣-二氧化碳樣品組之間的維生素衰減率數(shù)據(jù)沒有明顯差別。初步推斷，不同惰性氣體填充工藝對于水溶性維生素貨架期穩(wěn)定性影響較小。原因可能為二氧化碳氣體主要與奶粉產(chǎn)品中脂肪發(fā)生反應，影響氣調(diào)環(huán)境，對于水溶性維生素來說，持續(xù)高溫及礦物質(zhì)元素對其貨架期的縮短才具有主導作用。對于產(chǎn)品配方開發(fā)而言，需要著重考慮礦物質(zhì)成分含量及成品后期儲存溫度，對理論值范圍進行合理設計。

2.5 礦物質(zhì)與微量元素

礦物質(zhì)及微量元素廣泛存在于人體母乳中，生物利用率較高，含量比例合適，能廣泛滿足嬰兒后期生產(chǎn)發(fā)育需要。其中常見的礦物質(zhì)種類有鈣、鎂、磷、鐵、鋅、銅、錳、硒等[22]。鈣是嬰幼兒生長發(fā)育所必須的一類礦物質(zhì)元素。相關研究表明，由于體內(nèi)具有恒定機制維持血鈣正常水平，母乳中含鈣量在哺乳期不會發(fā)生顯著變化[23]。人體不同泌乳期內(nèi)，鋅、銅的含量各有不同。一般產(chǎn)后12 天含量最高，之后伴隨泌乳期延長而逐漸下降。鐵是人體含量最多的一種微量元素，其在母乳中的含量同樣隨著泌乳期的延長而逐漸下降。鎂中人初乳時期含量最高。其他礦物質(zhì)乳磷、鉀、鈉、氯、硒、鈷、氟等含量泌乳期的延長而逐漸下降。礦物質(zhì)微量元素在母乳中的含量大多受乳母膳食的影響，也與泌乳期的延長呈負相關[24]。

嬰配奶粉一般均含有嬰兒生長發(fā)育所必須的常見礦物質(zhì)及微量元素，用于維持嬰兒細胞正常滲透壓。本次研究中兩組樣品均按照法規(guī)要求強化了一定量的礦物質(zhì)及微量元素，具體貨架期數(shù)據(jù)如表6。

表6 不同氣體組成工藝礦物質(zhì)貨架期衰減率對比

由表6 試驗數(shù)據(jù)可知，在整個奶粉貨架期內(nèi)，兩組樣品中各種礦物質(zhì)微量元素成分含量衰減差異較大，但衰減程度不強。樣品組A 衰減率較高的礦物質(zhì)是磷、鋅（衰減率3.49%和2.21%），衰減率最低的礦物質(zhì)是碘（衰減率0%），樣品組B 鋅、碘和磷基本沒有發(fā)生衰減。

對比兩種氣調(diào)組成工藝來說，同種礦物質(zhì)元素衰減率存在差異性，不同氣調(diào)組成對礦物質(zhì)的貨架期整體衰減速度沒有顯著影響。相關研究表明[25]，奶粉中礦物質(zhì)及微量元素本身具有較高的穩(wěn)定性，對空氣、溫度、光照等因素均有一定程度的耐受性。結(jié)合本次實驗結(jié)論，可以認為，氣調(diào)組成差異不是礦物質(zhì)在奶粉產(chǎn)品貨架期衰減的主要因素，礦物質(zhì)本身在嬰配奶粉貨架期內(nèi)也較為穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

根據(jù)對各營養(yǎng)素貨架期內(nèi)衰減率的綜合分析，不同惰性氣體氣調(diào)組成工藝對于嬰幼兒配方奶粉中營養(yǎng)素穩(wěn)定性的影響程度基本類似。對脂肪和蛋白質(zhì)來說，惰性氣體的不同選擇對其衰減率沒有明顯區(qū)別。兩種成分本身穩(wěn)定性較好，在充氣條件下，包裝內(nèi)氧氣含量極低，不易發(fā)生理化反應。

其中，礦物質(zhì)元素在兩種工藝下，貨架期內(nèi)普遍比較穩(wěn)定，受氣調(diào)環(huán)境影響較小，應該與礦物質(zhì)元素本身穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有關。

維生素和脂肪酸(DHA&ARA) 方面，氮氣-二氧化碳氣調(diào)工藝樣品組穩(wěn)定性比單純氮氣樣品組更高。結(jié)合相關研究結(jié)論[26]，二氧化碳本身具有的對腐敗菌的生長抑制，對食品部分酶的活性抑制以及高脂肪條件下易擴散性等特征，可能會使其在脂肪含量較高的食品中具有更好的貨架期保險作用。

需要注意的是，由于二氧化碳的在食品中擴散系數(shù)同時受脂肪、蛋白質(zhì)及水分影響，理化反應較氮氣更為復雜[27]，過量二氧化碳可能會引起食品酸敗速度加快。嬰配奶粉填充工藝中不宜完全使用二氧化碳作為填充氣體，一般均需要與氮氣搭配使用。本次研究中使用的氮氣及二氧化碳比例為7∶3，實際生產(chǎn)中也會根據(jù)成品脹罐情況，真空度及殘氧量等具體數(shù)據(jù)進行微調(diào)，具體的填充比例應以實際生產(chǎn)制造企業(yè)的工藝水平為準。而具體填充比例，填充速度，成品罐內(nèi)殘氧量、真空度等其他生產(chǎn)工藝參數(shù)，對于嬰配奶粉貨架期穩(wěn)定性是否也有一定影響，可作為下一步的研究方向。