真空冷凍干燥的羊乳及其分離產(chǎn)物的差示掃描量熱法分析

張昊陽， 喬春艷， 黨高平， 嚴(yán) 林， 劉永峰

(陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院， 陜西 西安 710119)

利用差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry，DSC)能直接檢測食品的熱轉(zhuǎn)變溫度和發(fā)生轉(zhuǎn)變時的焓變，其中凍結(jié)溫度可以用來間接計(jì)算有效分子質(zhì)量、水分活度、結(jié)合水、自由水與非凍結(jié)水的含量、冰晶熔融焓變以及構(gòu)建食品的狀態(tài)圖[1]。真空冷凍干燥作為一種低溫干燥方法，相對于傳統(tǒng)高溫干燥技術(shù)，是在低溫以及真空狀態(tài)進(jìn)行，可有效避免熱敏反應(yīng)以及氧化作用，具有對產(chǎn)品組分低損傷的特征，廣泛用于果蔬制品和奶粉生產(chǎn)中的干燥以及相關(guān)研究的前處理工序[2]。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是衡量食品穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)與食品的質(zhì)地、微生物生長、化學(xué)反應(yīng)和貨架期都有很大關(guān)系[1]；當(dāng)食品在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下貯藏時，體系的分子擴(kuò)散速率較小，不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不易發(fā)生腐敗變質(zhì)[3]。玻璃態(tài)保藏是食品保藏的理想條件，可以明顯減少食品褐變、哈敗等劣變，同時所形成的冰晶細(xì)小均勻，不會擠破細(xì)胞造成細(xì)胞中汁液流失[4]。可見，利用DSC分析食品玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度及其熱特性有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。劉功明等[5]利用DSC對經(jīng)過不同溫度處理后的豬肉、牛肉和羊肉樣進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)不同溫度熱處理肉樣的熱相圖差異明顯，隨著熱處理溫度的升高，肉樣的熱力學(xué)峰的溫度升高對應(yīng)的變性焓值逐漸降低。Cavalho[6]采用DSC技術(shù)研究在非膨化玉米和小麥擠出物中蔗糖對淀粉轉(zhuǎn)換率和玻璃化轉(zhuǎn)變的影響，發(fā)現(xiàn)了Tg隨著蔗糖的添加降低，水分活度對粗小麥粉的增塑作用小于細(xì)小麥粉、細(xì)玉米粉和粗玉米粉。趙金紅等[7]采用DSC研究檢測了噴霧干燥雞蛋全粉含非凍結(jié)水樣品以及含凍結(jié)水樣品的熱轉(zhuǎn)變溫度，發(fā)現(xiàn)對于含非凍結(jié)水樣品(較低水分含量)，未能檢測到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，而對于含凍結(jié)水樣品(較高水分含量)，則只有在濕基水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%時，才能檢測到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，干燥雞蛋全粉的水分含量影響玻璃化轉(zhuǎn)變的檢測。

目前，在奶粉結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)變化的研究中，DSC已被用于測定奶粉物理狀態(tài)、影響干燥工藝條件等。Szulc等[8]將DSC作為一種直觀的分析手段，研究添加植物性油脂和動物性油脂對于牛乳粉的穩(wěn)定性和融化溫度的影響，發(fā)現(xiàn)添加植物性油脂的牛乳粉更難融化。Pugliese等[9]通過對比分析來自歐洲不同產(chǎn)地且成分存在一定差異的牛乳粉(全脂、脫脂)和工業(yè)乳糖的DSC曲線，表明來源地不同的牛乳粉DSC曲線總體趨勢和特征峰是相同的，結(jié)果不僅證明乳糖對于奶粉的熱力學(xué)特性有極大的影響，而且發(fā)現(xiàn)了影響非晶態(tài)乳糖形成的因素，有助于控制非晶乳糖結(jié)晶，提高乳粉的品質(zhì)，防止乳粉顆粒結(jié)塊吸濕。Rahman等[10]以冷凍干燥處理的駱駝乳為研究對象，利用DSC分析觀察其每個組分對應(yīng)的熱力學(xué)轉(zhuǎn)化溫度，分析了各個組分之間的熱力學(xué)差異和影響因素。

羊乳是陜西省的優(yōu)勢特色產(chǎn)品，陜西省羊乳產(chǎn)量全國第一，大部分羊乳還是來自農(nóng)戶養(yǎng)殖的關(guān)中奶山羊。而且，鑒于陜西省農(nóng)戶養(yǎng)殖的奶山羊品種大部分都是關(guān)中奶山羊，品種決定了其羊乳的主要成分(蛋白質(zhì)、乳脂、乳糖等)差異不大，其差異主要集中于一些微量的營養(yǎng)物質(zhì)的不同。因此，本研究選擇具有代表性的養(yǎng)殖大戶飼養(yǎng)的關(guān)中奶山羊所產(chǎn)羊乳作為研究對象，對其主要分離產(chǎn)物蛋白質(zhì)、乳脂、乳糖等高含量成分進(jìn)行分析。鑒于羊乳的DSC分析比較少見，而且羊乳加工過程需要熱處理，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度影響尚不明確，本研究采用了以低損失的真空冷凍干燥方法為處理手段，研究羊乳、脫脂羊乳及其分離產(chǎn)物的DSC參數(shù)，研究其熱力學(xué)和動力學(xué)特點(diǎn)，探討羊乳成分中蛋白質(zhì)、乳糖、乳脂和水等的相互作用和對其物理化學(xué)特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮羊乳，陜西省西安市長安區(qū)奶山羊養(yǎng)殖戶(陜西養(yǎng)殖關(guān)中奶山羊的代表)；冰醋酸、氯化鋁、氯化鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉，分析純，天津市化學(xué)試劑六廠。

1.2 儀器與設(shè)備

DSC Q200型差示掃描量熱儀，美國TA公司；TGL- 16g′R型臺式高速離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；SHB- 循環(huán)水式型真空泵，鄭州匯成科工貿(mào)有限公司；雷磁PHs- 3c型精密pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；FD- 1A- 50型真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；HD- 5型智能水分活度測量儀，無錫市華科儀器儀表有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1脫脂羊乳、乳脂、乳清、乳酪的制備

新鮮原料羊乳置于4 ℃冰箱，保存不超過24 h，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

乳脂的制備：將新鮮原料乳在室溫下離心(4 000 r·min-1)5 min，獲取上層稠狀物為粗提乳脂，用體積2倍于粗提物的蒸餾水清洗2次，去除其夾帶的大部分脫脂羊乳殘?jiān)?，得到乳脂?/p>

脫脂羊乳的制備：將上述分離乳脂后的羊乳下層液體，在室溫下以4 000 r·min-1離心5 min，進(jìn)行3次離心，獲得脫脂羊乳。

乳酪的制備：使用體積分?jǐn)?shù)50%的醋酸水溶液處理脫脂羊乳，直到其達(dá)到酪蛋白的等電點(diǎn)(pH值為4.6)。為去除沉淀中含有的非酪蛋白成分，所得的酪蛋白經(jīng)尼龍過濾分離膜(網(wǎng)眼過濾微孔180 pm)，用2倍體積的蒸餾水清洗，在室溫下4 000 r·min-1離心5 min，進(jìn)行2次，室溫靜置5 min，取下層沉淀獲得乳酪。

乳清的制備：將制備乳酪得到的濾液以4 000 r·min-1在室溫下離心5 min，進(jìn)行2次，除去酪蛋白殘?jiān)?，收集上層即為酸性乳?含乳糖、乳清蛋白、礦物質(zhì)等)。

1.3.2羊乳的真空冷凍干燥處理

全脂羊乳粉的制備：參照Pugliese等[11]的方法對全脂羊乳進(jìn)行真空冷凍干燥處理，為減少對樣品造成的熱損害，先對樣品在-80 ℃進(jìn)行了預(yù)冷凍30 min處理將羊乳內(nèi)的水分固化，以使凍干后產(chǎn)品與凍干前具有相同的形態(tài)，防止在真空冷凍升華過程由于抽真空而使樣品發(fā)生起泡、收縮等不良現(xiàn)象。通過控制干燥時間，預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選得到了冷凍干燥48 h時，樣品可以形成粉末狀且重量穩(wěn)定。

脫脂羊乳粉、凍干乳酪、凍干乳清、凍干乳脂的制備與制備全脂羊乳粉的步驟相同。

1.3.3水分活度的測定

凍干樣品的水分活度(Aw)用水分活度儀測定，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，儀器采用標(biāo)準(zhǔn)過飽和氯化鋁溶液進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3.4DSC分析

參照Pugliese等[11]的方法進(jìn)行DSC分析，準(zhǔn)確稱取8～10 mg的凍干樣品，密封，DSC分析，所有樣品設(shè)置3次重復(fù)。用銦(熔化溫度156.6 ℃，ΔHm=28.5 J·g-1)和汞(熔化溫度-38.83 ℃，ΔHm=11.41 J·g-1)對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，并以一個空坩堝作為基準(zhǔn)。

Ren等[12]和Ostrowska-ligza等[13]分別將牛乳樣品在DSC設(shè)備中以60 ℃平衡5 min、80 ℃平衡10 min為參數(shù)，用來消除樣品在DSC升溫過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響。本實(shí)驗(yàn)參考其消除熱效應(yīng)的參數(shù)，將帶有樣品的坩堝在80 ℃升溫平衡5 min，隨后以5 ℃·min-1的速率冷卻至-80 ℃，在-80 ℃平衡5 min，從而消除冷凍干燥處理樣品的熱效應(yīng)。

將經(jīng)消除熱效應(yīng)處理后的樣品在DSC設(shè)備中以5 ℃·min-1的速率從-80 ℃加熱到250 ℃，采用干燥氮?dú)庖?0 mL·min-1對樣品室進(jìn)行凈化處理，獲取樣品的升溫熔化DSC曲線。

1.3.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用TA Universal Analysis分析軟件對得到的每個樣品進(jìn)行3次升溫曲線熱相圖的分析，得到起始溫度(Ton,℃)、最大峰值溫度(Tp,℃)、終止溫度(Toff,℃)、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg,℃)，所得數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。由于同種樣品3個重復(fù)的熱相圖整體趨勢一致，特征峰無明顯差異。參考Szulc等[8]和Pugliese等[11]的DSC熱相圖結(jié)果處理方式，本實(shí)驗(yàn)同樣只隨機(jī)選取了一組樣本作為代表的DSC熱相圖進(jìn)行結(jié)果分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 全脂羊乳、脫脂羊乳、乳脂的DSC分析

全脂羊乳、脫脂羊乳、乳脂的凍干樣品的DSC分析結(jié)果與DSC熱力學(xué)物理指標(biāo)見圖1和表1。

圖1 全脂羊乳、脫脂羊乳、乳脂凍干樣品DSC曲線Fig.1 DSC curve of freeze-dried samples of whole goat milk, skimmed goat milk and cream

由圖1可知，全脂羊乳凍干樣品含有原料乳的所有成分(乳脂、酪蛋白、乳清蛋白、乳糖、礦物質(zhì)等)，有2個明顯的吸熱峰a(15.76 ℃)和c(100.07 ℃)，1個較不明顯的吸熱峰b(37.65 ℃)，1個放熱峰d(219.32 ℃)和1個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg(9.41 ℃)。脫脂羊乳凍干樣品中觀察到1個吸熱峰c(119.47 ℃)，1個放熱峰d(217.61 ℃)，2個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg(13.56 ℃)和T′g(32.04 ℃)。乳脂凍干樣品只觀察到有1個吸熱峰a(16.18 ℃)。

由圖1和表1發(fā)現(xiàn)，凍干脫脂羊乳的升溫曲線與凍干全脂羊乳的升溫曲線相似，與凍干乳脂的升溫曲線相比存在差異：在脫脂羊乳的DSC熱相圖中未發(fā)現(xiàn)典型的吸熱轉(zhuǎn)變(a、b峰)；全脂羊乳存在兩個吸熱轉(zhuǎn)變(a、b峰)而乳脂只存在一個吸熱轉(zhuǎn)變(b峰)；脫脂羊乳的曲線上可觀測到2個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg和T′g(13.56 ℃、32.04 ℃)，全脂羊乳的曲線上只能觀測到1個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg(27.63 ℃)，而乳脂的曲線上則未觀察到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度?？梢姡蛉榉蛛x為脫脂羊乳和乳脂后，峰的數(shù)量所缺失且峰出現(xiàn)的溫度不一致，這可能是由于各分離產(chǎn)物中脂肪、乳糖等成分之間差異造成的，對這些差異產(chǎn)生的具體原因及影響分析如下。

2.1.1脂肪特征吸熱峰與焓值的差異分析

全脂羊乳由脫脂羊乳和乳脂組成的，故是否含有乳脂是全脂羊乳和脫脂羊乳之間最明顯的差異，該差異反應(yīng)在DSC圖譜曲線上主要是a、b兩個吸熱峰是否存在。

表1 全脂羊乳、脫脂羊乳、乳脂凍干樣品的DSC熱力學(xué)物理指標(biāo)

一方面，通過對比凍干羊乳脂和全脂羊乳的DSC曲線，可以發(fā)現(xiàn)兩者在7.21～20.96 ℃溫度范圍內(nèi)皆出現(xiàn)吸熱轉(zhuǎn)變(a峰)，其中全脂羊乳在a點(diǎn)處(15.76 ℃)和乳脂在a點(diǎn)處(16.18 ℃)都存在一個明顯的吸熱峰，而將兩者的DSC曲線和脫脂羊乳DSC曲線相對比，發(fā)現(xiàn)在脫脂羊乳中無a處吸熱峰，證實(shí)它們與羊乳中脂肪融化具有一定的相關(guān)性。Hu等[14]研究顯示這個吸熱峰是奶制品中脂肪結(jié)晶融化而產(chǎn)生的，可將此處的吸熱躍變和整體的脂肪融化相聯(lián)系。此外，在全脂羊乳中除了脂肪的熔融吸熱峰a(15.76 ℃)，還在b點(diǎn)(37.63 ℃)處有一個較不明顯的吸熱峰。Szulc等[8]研究把在全脂牛乳粉DSC曲線上發(fā)現(xiàn)的兩個吸熱峰(16.75 ℃和38.32 ℃)歸結(jié)為乳脂肪融化的特征峰。乳脂肪是化學(xué)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的混合物質(zhì)，甘油三酯為主要成分占質(zhì)量分?jǐn)?shù)97%以上。甘油三酯具有多種結(jié)晶構(gòu)象或晶型，α、β′和β型為主要晶型，3者熔點(diǎn)及穩(wěn)定性由低到高分別為α<β′<β[15]。隨著溫度升高，脂肪晶體在此過程中不斷融化、重結(jié)晶再熔化，其中熱穩(wěn)定性較差的晶型首先加熱時融化，剩余甘油三酯將重新排列并重結(jié)晶成更穩(wěn)定的晶型，在更高溫度下融化[16]；王筠鈉等[17]研究表明了乳脂α晶型極不穩(wěn)定，在結(jié)晶初期易迅速轉(zhuǎn)化成β′晶型轉(zhuǎn)變，并利用X晶體衍射技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)乳脂肪中含β晶型相對較少，主要是以β′為主的α、β′混晶形式存在。因此，我們確定了在DSC曲線上觀測到的吸熱峰a及吸熱峰b都為脂肪的熔融特征峰，其中a代表β′晶型脂肪的融化，b代表β晶型脂肪的融化。這兩個吸熱峰可作為羊乳中脂肪結(jié)晶融化的標(biāo)志，對羊乳粉中是否含有乳脂起到鑒別作用，并對乳脂存在的晶型狀態(tài)也起到一定的鑒別作用。

另一方面，熔化峰說明體系有熔化相變潛熱發(fā)生，即乳脂肪在峰值溫度下由固脂相轉(zhuǎn)變?yōu)橐河拖鄷r會吸熱，相變熱焓絕對值越大，表明體系熱容量越大，熔化時所需熱能越大，溫度升高，固脂向液油轉(zhuǎn)變越緩慢[17]。Pugliese等[11]的研究表明凍干牛乳脂與全脂牛乳相比，凍干乳脂樣品的脂肪吸熱峰的焓值(75.4 J·g-1)顯著高于全脂牛乳樣品(13.6 J·g-1)，這是由于樣品脂肪含量的差異造成的。然而，本研究在比較凍干羊乳脂和全脂羊乳的脂肪吸熱峰(a峰)的焓值時，發(fā)現(xiàn)兩者的脂肪焓值相差不大(2.406 J·g-1和2.385 J·g-1)，這可能是由于實(shí)驗(yàn)獲得的凍干羊乳脂肪樣品的較高水分活度影響了脂肪含量的差異，導(dǎo)致了乳脂樣品的焓值并沒有顯著高于全脂羊乳。Hu等[14]研究顯示，隨著乳脂含量的增多，牛乳DSC曲線的吸熱峰逐漸由寬變?yōu)檎?，且?1 ℃之后乳脂肪會達(dá)到完全熔解狀態(tài)，與本研究結(jié)果一致。因此，我們可以得出，通過比較吸熱峰焓值的大小，觀察吸熱峰的尖銳程度，可以在一定程度上判斷乳脂肪在羊乳樣品中的含量。

2.1.2蛋白質(zhì)特征吸熱峰和乳糖熔融的差異分析

通過物理分離的方法得到的脫脂羊乳在蛋白質(zhì)、乳糖成分方面相對于全脂羊乳并無明顯差異，但從全脂羊乳中分離出的乳脂由于其成分較為單一，因此，在其DSC曲線上無法觀測到蛋白質(zhì)的變性吸熱峰c及可能由乳糖熔融導(dǎo)致的波動吸熱峰。

全脂羊乳在100 ℃左右處，作為羊乳凍干粉的蛋白變性吸熱峰c(100.07 ℃)處產(chǎn)生一個明顯的吸熱躍變，而脫脂羊乳(Tp=119.47 ℃)相對于全脂羊乳(Tp=100.07 ℃)該吸熱峰推遲大約20 ℃，分析原因可能是在脫除乳脂的過程中將一些影響蛋白質(zhì)熱性能的脂類物質(zhì)一并脫出。Szulc等[8]分析了工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的牛乳粉，提出104.23 ℃的吸熱轉(zhuǎn)變與乳球蛋白變性有關(guān)。

全脂羊乳隨后在150～200 ℃區(qū)間內(nèi)DSC曲線有輕微的波動，可能是由于樣品含有一定量粗晶體雜質(zhì)導(dǎo)致的。Pugliese等[9]研究分析了這些波動變化可能不是一個孤立的反應(yīng)結(jié)果，而是由于不同的重疊熱事件所造成的，如乳糖結(jié)晶、美拉德反應(yīng)、碳水化合物分解或蛋白質(zhì)變性。Szulc等[8]還在157.26 ℃和163.23 ℃的溫度下觀察到兩種吸熱現(xiàn)象，并將其與水分蒸發(fā)和乳糖的熔融相關(guān)聯(lián)。因此，產(chǎn)生這些波動的原因在一定程度上可能是由于乳糖熔融導(dǎo)致的，但總體原因較為復(fù)雜，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下存在差異，故在實(shí)際生產(chǎn)中需盡量保證加工處理過程的穩(wěn)定。

2.1.3乳糖玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化的差異分析

聚合物隨著溫度的升高，由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，即為玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)變溫度為玻璃態(tài)相變溫度(以T′g表示)。玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化是無定形聚合物的一個重要相變特征，也是聚合物由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變的特征溫度。

在DSC相圖曲線上玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度T′g的出現(xiàn)，可能是由于冷凍干燥過程中產(chǎn)生的非晶態(tài)乳糖造成[18]。全脂羊乳和脫脂羊乳在成分上都含有乳糖，乳脂不含有乳糖。經(jīng)對比觀察后，乳脂未發(fā)現(xiàn)到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，脫脂羊乳中觀察到的兩種玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化Tg和T′g(32.04 ℃)，而全脂羊乳在該溫度范圍內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)此T′g，只存在一個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg=9.41 ℃)，這表明非結(jié)晶性乳糖的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度和乳脂的熔融存在部分重疊，且乳脂熔融會對乳糖的玻璃化轉(zhuǎn)變產(chǎn)生一定掩蓋作用。全脂羊乳和脫脂羊乳的玻璃化轉(zhuǎn)變T′g具有可變性，乳糖玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍較廣，Vuataz等[18]發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)乳糖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在41～52 ℃之間，而Pugliese等[9]發(fā)現(xiàn)42～58 ℃之間是乳糖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。非晶態(tài)乳糖結(jié)晶是造成乳品質(zhì)量損失的主要原因之一[19-20]。乳糖從無定形的非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)變改變了乳糖的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的物理性能[21-22]。這種現(xiàn)象會引起粉狀顆粒粘在一起結(jié)成硬塊，使乳粉顆粒脂肪逐步滲出引起氧化變質(zhì)，還會造成產(chǎn)品色澤發(fā)暗，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)，不利于儲存。同時，非晶態(tài)乳糖可以在儲存溫度高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T′g)下，根據(jù)相對濕度的情況從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)，從而導(dǎo)致分子遷移率的增加，引起乳粉黏性增加，并且隨溫度的升高更易發(fā)生結(jié)塊和結(jié)晶現(xiàn)象[23-24]。

Aw值變化對乳糖的影響很大，Aw較高會導(dǎo)致T′g降低，導(dǎo)致乳粉中的乳糖在較低溫度下發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)結(jié)塊等現(xiàn)象[9,18,21]。Karmas等[25]認(rèn)為玻璃化相變對干燥食品中的非酶褐變速度有影響。當(dāng)存放溫度高于T′g時，乳糖容易水解使得體系中的還原糖含量成倍增加，從而增大了體系中的非酶褐變速度。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，凍干羊乳中的乳糖有助于防止非晶態(tài)乳糖結(jié)晶，控制溫度低于T′g值時的水分遷移，對于延長羊乳粉保藏貯藏時間，提高其外觀品質(zhì)有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

2.2 脫脂羊乳、乳清、乳酪的DSC分析

脫脂羊乳、乳清、乳酪的凍干樣品的DSC結(jié)果與DSC熱力學(xué)物理指標(biāo)見圖2和表2。

圖2 脫脂羊乳、乳酪、乳清凍干樣品的DSC曲線Fig.2 DSC curve of freeze-dried samples of skimmed goat milk, casein and whey

表2 脫脂羊乳、乳酪、乳清凍干樣品的DSC熱力學(xué)物理指標(biāo)

由圖2和表2發(fā)現(xiàn)，凍干脫脂羊乳的升溫曲線與凍干乳酪的升溫曲線相似，與凍干乳清的DSC升溫曲線有較大差異；脫脂羊乳曲線上可觀測到2個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg和T′g(13.56 ℃、32.04 ℃)，乳清曲線上也能觀測到2個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg和T′g(-13.94 ℃、30.46 ℃)，乳酪曲線上可以觀測到2個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg(2.61 ℃)和T″g(33.36 ℃)，但由于缺乏乳糖未觀測到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度T′g；乳清曲線上觀察到出現(xiàn)一個新的吸熱峰e(179.7 ℃)，而在乳酪和脫脂羊乳的曲線上并未觀察到該峰；脫脂羊乳的吸熱峰c(119.47 ℃)相對于乳酪(91.04 ℃)和乳清(93.14 ℃)向后延遲了大約30 ℃；放熱峰d未在乳酪DSC曲線上未觀察到，而在乳清曲線上可以觀測到放熱峰d(161.05 ℃)，該峰相對于脫脂羊乳的放熱峰d(217.61 ℃)提前了大約50 ℃?？梢?，脫脂羊乳分離為乳清和乳酪后，出現(xiàn)了新的熱力學(xué)峰和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，且在已有的熱力學(xué)峰上產(chǎn)生了溫度差異，這可能是由于各分離產(chǎn)物中乳糖、蛋白質(zhì)等成分之間差異造成的，對這些差異產(chǎn)生的具體原因及影響分析如下。

2.2.1蛋白質(zhì)特征吸熱峰的差異分析

脫脂羊乳含有羊乳中存在的所有種類蛋白質(zhì)，而在乳酪中蛋白質(zhì)主要為酪蛋白，乳清中則主要以乳清蛋白的形式存在。三者在蛋白質(zhì)的種類上的差異，也反應(yīng)在DSC曲線圖譜上。

在乳清DSC曲線中，93.14 ℃處有一個較大的吸熱峰c，161.05 ℃有一個相對較小的吸熱峰e(圖2、表2)，推測可能是由于乳清蛋白變性導(dǎo)致的乳清中含有乳清蛋白α-乳白蛋白、β-乳清蛋白，故存在2個熱變性吸熱峰[26]。脫脂羊乳中蛋白質(zhì)變性吸熱峰c出現(xiàn)在119.47 ℃，乳酪中酪蛋白的變性吸熱峰c出現(xiàn)在91.04 ℃處，兩者c峰出現(xiàn)的溫度差異，可能是由于乳清蛋白和酪蛋白之間相互作用造成了疊加，該作用在一定程度上可以提高乳粉中蛋白質(zhì)變性吸熱峰出現(xiàn)的溫度，提高其熱穩(wěn)定性，可以使乳粉能在更高溫度下進(jìn)行殺菌、噴霧干燥等處理。相比脫脂羊乳和全脂羊乳僅存在的1個吸熱峰c，乳清在缺乏酪蛋白的情況下，DSC曲線上出現(xiàn)了2個與乳清蛋白相關(guān)的吸熱峰c和e。因此，我們可以確定吸熱峰e可以成為鑒別乳清和乳酪的一個特征差異峰。

2.2.2乳糖的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化的差異分析

乳糖作為影響乳粉制品熱力學(xué)性質(zhì)的重要物質(zhì)存在于乳清和脫脂羊乳中，故兩者的DSC曲線上都可以觀察到乳糖的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度T′g。而乳酪中由于只殘留少量乳糖，故缺失T′g，但是酪蛋白作為乳酪的主要成分，在30 ℃左右處產(chǎn)生了酪蛋白的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化T″g。

通過觀察對比發(fā)現(xiàn)在乳清(30.46 ℃)和脫脂羊乳(32.04 ℃)中都觀察到的第2種玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化T′g，故該T′g為乳糖的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，這可能是因?yàn)槊撝蛉橄鄬θ榍逶诔煞稚虾懈嗟睦业鞍?，且脂肪和蛋白質(zhì)的存在會延緩乳糖的結(jié)晶[27]，因此，脫脂羊乳相對乳清的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高大約2 ℃。該發(fā)現(xiàn)可以對如何延緩乳粉中乳糖的結(jié)晶現(xiàn)象提供指導(dǎo)，從而提高羊乳粉的保藏品質(zhì)。而乳酪由于缺乏乳糖在該溫度范圍內(nèi)(30～32 ℃)并未發(fā)現(xiàn)此T′g，乳酪在2.61 ℃、33.36 ℃處可以觀察到有2個玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，分別為Tg和T″g。Tg與其他羊乳分離產(chǎn)物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度相對應(yīng)，而T″g的出現(xiàn)可能是由于酪蛋白的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化導(dǎo)致[28]，由于乳清成分中含有乳糖，故乳清蛋白的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度可能被乳糖遮蓋而無法觀察到。Pugliese等[9]和Bengoechea等[28]報道了工業(yè)酪蛋白粉在60 ℃左右會出現(xiàn)焓松弛現(xiàn)象導(dǎo)致的物理老化。這說明在延緩乳糖結(jié)晶、提高羊乳粉保藏性能的前提下，控制保證酪蛋白的物理特性的穩(wěn)定，是提高羊乳粉營養(yǎng)價值的一個重要舉措。

2.3 全脂羊乳與各分離產(chǎn)物的放熱峰差異分析

經(jīng)分析全脂羊乳及其各個分離產(chǎn)物的DSC曲線圖(圖1和圖2)發(fā)現(xiàn)，由于所有樣品均是從低溫向高溫進(jìn)行差式掃描，各組分(乳蛋白、乳脂、乳糖)都存在由固態(tài)向熔融態(tài)發(fā)生吸熱轉(zhuǎn)變的過程。放熱峰d在全脂羊乳(219.32 ℃)、脫脂羊乳(217.63 ℃)和乳清(161.05 ℃)樣品中皆可被發(fā)現(xiàn)，但是該峰在乳酪和乳脂樣品中卻并不存在。根據(jù)各個產(chǎn)物在組成成分上的差異分析可知，因乳酪和乳脂中缺乏乳糖，可以初步判斷該放熱峰d可能和乳糖的熱力學(xué)行為有關(guān)。

圖2中乳清DSC曲線在160 ℃左右處有一個明顯的放熱峰d，而乳酪DSC曲線在乳清放熱峰d處相似的位置卻未出現(xiàn)明顯的放熱峰，這說明了乳糖和乳清蛋白之間存在相互作用，產(chǎn)生明顯的放熱現(xiàn)象[18]，可以將乳糖從熱力學(xué)不穩(wěn)定的高能非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的晶態(tài)[29]，而乳糖和酪蛋白之間無明顯的相互作用[30]。而在脫脂羊乳中這個峰d(217.63 ℃)向后延遲，可能是由于乳清相對于脫脂乳含有較高濃度乳糖導(dǎo)致的[14]。同時該峰(d)在全脂羊乳(219.32 ℃)和脫脂羊乳在200 ℃以上均被觀察到，這可能是由于全脂羊乳和脫脂羊乳中復(fù)雜的組成成分(蛋白質(zhì)、乳糖、脂肪)之間共同作用的結(jié)果。Ostrowska-Ligeza等[31]在牛乳粉DSC曲線上200 ℃左右觀察到一個類似放熱峰，并將其出現(xiàn)的原因歸結(jié)于樣品分解。Rahman等[10]在凍干駱駝乳DSC曲線中200 ℃左右觀察到一個放熱轉(zhuǎn)變，并認(rèn)為該轉(zhuǎn)變是因?yàn)閮龈扇橊勅樾纬闪藦?fù)雜的結(jié)構(gòu)。這些說明成分復(fù)雜的全脂、脫脂羊乳，由于各組分之間復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致該d峰在200 ℃以上出現(xiàn)且難以定性，而通過分析單一組分的乳清可以將該d峰視為乳糖由高能非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的晶態(tài)。因此，組分較為復(fù)雜的羊乳粉中乳糖的熱力學(xué)特性容易受其他物質(zhì)的影響與干擾，這對于實(shí)際生產(chǎn)中篩選提高羊乳粉熱穩(wěn)定性的原料具有一定指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 論

對真空冷凍干燥處理后的全脂羊乳及其分離產(chǎn)物(脫脂羊乳、乳脂、乳清、乳酪)的DSC曲線進(jìn)行比較，并分析其熔化峰值、玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度等熱力學(xué)性質(zhì)，在羊乳及各餾分的DSC熱相圖中，鑒定發(fā)現(xiàn)存在2個與脂肪熔融相關(guān)的吸熱峰a、b，1個與蛋白質(zhì)熔融變性相關(guān)的吸熱峰c，1個與乳糖有關(guān)且產(chǎn)生原因復(fù)雜的放熱峰d，1個由乳糖引起的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度T′g，1個由酪蛋白引起的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度T″g，這些轉(zhuǎn)化都不是單獨(dú)出現(xiàn)，無法在某單一組分中觀察到上述所有熱轉(zhuǎn)化，這是由于不同成分之間存在著相互作用而產(chǎn)生的掩蔽、疊加、延遲等現(xiàn)象導(dǎo)致的。DSC可作為一種研究評價冷凍干燥處理的羊乳粉物理性質(zhì)以及鑒別乳組分、乳脂晶型和含量、乳蛋白種類、是否脫脂的手段。乳脂、乳糖、酪蛋白、乳清蛋白作為羊乳主要成分，對于凍干羊乳粉的保藏品質(zhì)、熱加工性能會產(chǎn)生一定影響。希望本研究結(jié)果可為闡釋凍干羊乳粉制品的獨(dú)特特性及功能性提供理論支撐，并對其商業(yè)價值開發(fā)和貯藏保存提供一定的指導(dǎo)。