改善骨骼健康高鈣牛奶的研制

王輝

乳業(yè)生物技術國家重點實驗室，上海乳業(yè)生物工程技術研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司研究院（上海 200436）

2003—2006年的一次流行病學調查顯示：全國2006年50歲以上人群骨質疏松癥患者近7000萬人，其中女性約5410萬人（患病率15.4%）、男性約1534萬人（患病率4.4%）；骨量減少者已超過2億人，60歲以上人群骨質疏松癥患病率明顯增高，女性尤為突出[1-2]。

鈣存在于人體內的骨骼、牙齒、細胞和血液中，對維持生命很重要。人體主要是通過食物吸收鈣，吸收鈣不足時，骨骼內的鈣質會釋放出來補充到血液和細胞中，導致骨骼密度下降，脆性增加[3]。全球鈣圖及第4次全國營養(yǎng)與健康狀況調查顯示，中國居民鈣攝入量338～391 mg/d，低于400 mg/d，不到推薦量800 mg/d的一半[4-5]。乳制品是鈣攝入的理想來源，一般來講，人體對乳制品中的鈣吸收率較高[3]。

鑒于此，試驗開發(fā)一款改善骨骼健康的高蛋白高鈣牛奶，研究原料乳、穩(wěn)定劑、乳化劑的選擇及最優(yōu)工藝參數(shù)，解決蛋白質濃度高、鈣濃度高帶來的沉淀、絮凝等質量問題[6-7]，為該產品后續(xù)的臨床試驗提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料

生牛乳、RO濃縮乳、閃蒸濃縮乳（光明乳業(yè)股份有限公司）；結冷膠、卡拉膠（美國斯比凱可公司）；大豆磷脂、微晶纖維素（丹尼斯克（中國）有限公司）；單，雙甘油脂肪酸酯（帕斯嘉（上海）食品添加劑有限公司）；微粉型乳礦物鹽（戴緯林國際貿易（上海）有限公司）；六偏磷酸鈉、維生素D3（上海勵成營養(yǎng)產品科技股份有限公司）；初乳堿性蛋白（上海普洛欽國際貿易有限公司）。

1.2 儀器設備

超濾膜過濾器（利樂公司）；Silverson L5乳化機（英國Sliverson公司）；精密天平MS12002TS/02（梅特勒-托利多公司）；乳成分分析儀FOSS120（FOSS公司）；離心機Sorvall ST8（ThermoFisher公司）；分析天平MS104TS/02（梅特勒-托利多公司）；均質機Panda Plus 2000（基伊埃公司）；巴氏水浴槽（上海沃迪智能裝備股份有限公司）；超高溫殺菌機T5-50L/H（斯必克流體公司）。

1.3 高鈣牛奶穩(wěn)定性測試

1.3.1 高溫保存試驗

產品置于溫度371±1 ℃、濕度70%±5%的恒溫恒濕箱中，60 d后測定上層脂肪和蛋白質的質量濃度，觀察產品絮凝、脂肪上浮及分層析水現(xiàn)象。

1.3.2 上層脂肪和蛋白質質量濃度的測定

取高鈣牛奶上層樣品50 mL，充分搖勻后通過FOSS 120高鈣牛奶模塊測定脂肪和蛋白質的質量濃度。

1.3.3 離心沉淀率的測定[8]

離心管的質量M0，取50 mL高鈣牛奶樣品到離心管中，總質量為M1。以3000 r/min離心20 min，棄上清，稱總質量為M2。

1.4 消泡能力測試方法[9]

取樣品500 mL，使用Silverson L5乳化機，在10000 r/min條件下攪拌5 min，靜置，計錄消泡所需時間。

1.5 感官評定方法[10]

選擇30位專業(yè)感官評測人員，隨機分為3組，每組10人，對產品進行色澤、口感、滋氣味和穩(wěn)定性4項指標進行評分，標準見表1。4項指標的總分為單人評定分數(shù)，取30人的平均分作為樣品的評定分數(shù)。

表1 評定標準

2 配方和工藝參數(shù)的確定

市場上高鈣產品普遍指標是蛋白質3.0～3.3 g/100 mL，脂肪3.2～3.5 g/100 mL，鈣120～135 mg/100 mL。有必要開發(fā)一款改善骨骼健康的高鈣牛奶，結合中國居民鈣攝入量338～391 mg/d，不到推薦量800 mg/d的一半的現(xiàn)狀，為達到推薦攝入量，需要使每瓶250 mL的產品鈣質量達到450 mg（即180 mg/100 mL）。在同樣添加量的鈣源中，乳礦物鹽（乳鈣）對牛奶的穩(wěn)定性影響最小[8]，而且口感和沉淀量都是最佳選項[5]，因此選用微粉型乳礦物鹽作為鈣源。有報道，在老年人中，補充維生素D和鈣可減少骨質流失和降低骨折風險，尤其是降低髖部骨折風險[4]，結合食品營養(yǎng)強化劑使用標準，確定維生素D3質量濃度為2.2 μg/100 mL，換算成維生素D3添加量為0.0012%。另有報道每天接受60 mg初乳堿性蛋白1.5個月后，受試組平均骨礦物密度增加[11]；結合新資源食品關于初乳堿性蛋白食用量≤100 mg/d的限制，確定每瓶250 mL初乳堿性蛋白的添加量為50 mg，即20 mg/100 mL。

2.1 原料乳的確定

前期通過市場調研，發(fā)現(xiàn)高鈣牛奶的蛋白質普遍較低只有3.0～3.3 g/100 mL，而高端純牛奶的蛋白質達到3.8 g/100 mL，為增加高鈣牛奶的產品賣點，確定產品的蛋白質質量濃度為3.8 g/100 mL。需要使用濃縮工藝對生牛乳進行濃縮，因此分別將60～65 ℃單效或多效濃縮、2～6 ℃ RO反滲透濃縮及2～6 ℃超濾濃縮的原料乳（蛋白質3.8 g/100 mL）經過超高溫處理再進行感官評定，結果見表2。從感官評價結果可知，超濾濃縮的原料乳為最佳，口感飽滿清甜。另有研究發(fā)現(xiàn)超濾處理可以提高超高溫牛奶貨架期的穩(wěn)定性[12]，確定原料乳為2～6 ℃超濾濃縮乳。

表2 原料乳感官評定結果

根據(jù)全年生牛乳指標（蛋白質3.0 g/100 mL、鈣95 mg/100 mL），結合高鈣牛奶目標蛋白質3.8 g/100 mL，鈣180 mg/100 mL計算，微粉型乳礦物鹽添加量為0.25%。

2.2 穩(wěn)定劑的確定

高鈣牛奶中由于加入大量鈣，體系極不穩(wěn)定，容易產生沉淀、分層、絮凝等質量問題，蛋白質質量濃度越高、鈣質量濃度越高，體系越不穩(wěn)定[7]。選用結冷膠、卡拉膠、微晶纖維素等高鈣牛奶中常用穩(wěn)定劑的一種或多種進行試驗[5,8]。采用工藝：超濾濃縮原料乳（蛋白質3.8%，脂肪4.3%）→加熱到75 ℃加入穩(wěn)定劑（攪拌10 min）→加入乳礦物鹽、維生素D和初乳堿性蛋白（攪拌10 min）→均質（20 MPa、65 ℃）→UHT滅菌（137 ℃、4 s）→冷卻（25 ℃）→灌裝。測定各個樣品的離心沉淀率；分別測定剛下線產品和保溫2個月產品上層脂肪質量濃度、蛋白質質量濃度，計算脂肪和蛋白質質量濃度的變化；觀察保溫2個月產品絮凝、脂肪上浮及分層析水現(xiàn)象。

由表3可知，微晶纖維素和卡拉膠單獨使用或復配使用均不適合試驗的高鈣牛奶體系，保溫2個月后均出現(xiàn)絮凝和分層現(xiàn)象。只有結冷膠添加量0.025%～0.027%時，體系無絮凝和析水分層現(xiàn)象，離心沉淀率、上層脂肪和蛋白質質量濃度的變化相對較小，因此選擇結冷膠添加量0.025%。

表3 穩(wěn)定劑對高鈣牛奶穩(wěn)定性的影響

2.3 乳化劑及其質量濃度的選擇

有較高蛋白和脂肪的高鈣牛奶由于需要使用穩(wěn)定劑來懸浮添加的鈣，在生產的攪拌過程中容易產生很多氣泡而穩(wěn)定劑又可使泡沫持久穩(wěn)定，氣泡的存在容易導致部分產品出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象，另外體系中脂肪質量濃度較高很容易發(fā)生上浮。前期有研究表明單一乳化劑的消泡能力均不理想，但硬脂酰乳酸鈉和大豆磷脂復配使用時可使高蛋白牛奶在生產過程中快速消泡并且可以保持體系均一穩(wěn)定[9]。選擇不同復配乳化劑和0.025%結冷膠一起配料，其他條件同2.2的工藝。測試不同乳化劑的消泡能力，分別測定剛下線產品和保溫2個月產品上層脂肪質量濃度，計算脂肪質量濃度變化。從表4可以看出，單、雙甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六篇磷酸鈉復配使用時消泡能力最強，脂肪質量濃度變化率僅比單、雙甘油脂肪酸酯和蔗糖脂肪酸酯復配略高。因此確定單、雙甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六偏磷酸鈉以2∶1∶1復配，添加量0.15%時最佳。

表4 復配乳化劑對產品消泡時間和穩(wěn)定性的影響

2.4 化料和均質條件的選擇

根據(jù)2.2和2.3的結果，穩(wěn)定劑為0.025%結冷膠，乳化劑為0.15%單、雙甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六偏磷酸鈉以2∶1∶1復配，以2.2的工藝條件進行生產時，生產過程中會發(fā)生最未段產品絮凝現(xiàn)象，而在化料后增加一道均質工藝則能避免該現(xiàn)象發(fā)生，但高溫高壓均質會對結冷膠的懸浮性產生破壞作用。結合結冷膠和單、雙甘油脂肪酸酯對工藝參數(shù)的需求，以化料溫度（A）、化料時間（B）和均質壓力（C）3個因素，設計L9(33)的三因素三水平正交試驗，以離心沉淀率率為判斷指標，因素水平見表5。

表5 正交試驗因素水平表

由表6可知，最優(yōu)參數(shù)組合為A2B3C2，即化料溫度80 ℃、化料時間25 min、均質壓力15 MPa。

表6 化料和均質條件正交試驗結果

3 工藝流程的確定

圖1為根據(jù)最優(yōu)配方和工藝參數(shù)確定的工藝流程。

圖1 高鈣牛奶工藝流程圖

4 結論與討論

研制的高鈣牛奶蛋白質質量濃度為3.8 g/100 mL，脂肪質量濃度為4.3 g/100 mL，鈣質量濃度為180 mg/100 mL，維生素D3質量濃度為2.2 μg/100 mL。解決高蛋白質、高脂肪、高鈣體系極不穩(wěn)定，容易產生沉淀、分層、絮凝等質量問題，為該產品后續(xù)的臨床試驗提供支持。

試驗利用感官評定和高鈣牛奶穩(wěn)定性測試試驗確定配方為超濾濃縮原料乳99.5538%，乳礦物鹽0.25%，維生素D30.0012%，初乳堿性蛋白0.02%，結冷膠0.025%，單、雙甘油脂肪酸酯0.075%，大豆磷脂0.0375%，六偏磷酸鈉0.0375%。最佳化料參數(shù)：80℃攪拌25 min，化料后需要增加均質（15 MPa、80℃）。產品口感飽滿，奶香濃郁，組織狀態(tài)均一，無絮凝和沉淀。