牛乳熱穩(wěn)定性影響因素的研究進展

王國驕，劉振民，李楠，趙烜影

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

乳制品營養(yǎng)成分豐富，含有蛋白質(zhì)、脂肪、維生素等多種營養(yǎng)物質(zhì)，而且含有人體所需的多種必需氨基酸，鈣磷比例適當(dāng)，有利于消化吸收[1]。近年來，隨著人們生活質(zhì)量的提高和健康意識的增強，乳制品已越來越受到消費者的歡迎。然而，牛乳自身獨有的特性對乳制品質(zhì)量方面的影響卻越來越顯著。牛乳的理化特性、各指標(biāo)含量以及組成是明確工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)過程參數(shù)值的關(guān)鍵參考信息，為更好地達到乳制品相關(guān)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，牛乳的熱處理顯得尤為重要。牛乳加工期間，熱處理將會使得其中的乳糖以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)發(fā)生一定程度的理化改變，從而引發(fā)熱穩(wěn)定性問題，例如沉淀、結(jié)塊以及水乳分離等情況發(fā)生。牛乳的熱穩(wěn)定性即高溫處理期間，牛乳內(nèi)出現(xiàn)肉眼不可見的凝膠或者是凝集物的性質(zhì)，是用于評估牛乳在生產(chǎn)加工過程中工藝的合理性和乳制品質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。在實際的熱處理加工中，由于乳清蛋白的變性和酪蛋白膠束的解聚作用，原有的無機鹽平衡受到損壞，蛋白質(zhì)彼此間的作用以及酪蛋白膠束呈現(xiàn)的表面電荷發(fā)生改變，會使得牛乳熱穩(wěn)定性有所改變。牛乳的熱穩(wěn)定性一般由熱凝時間（HCT）表示，即在120℃、130℃或140℃加熱期間乳中可見凝塊出現(xiàn)的時間。熱凝時間越長，牛乳的熱穩(wěn)定性越高，相反則熱穩(wěn)定性越低。

牛乳熱穩(wěn)定性受到諸多因素的影響，諸如奶牛的品種、健康狀況、所處的泌乳階段、飼喂情況以及加工工藝等都是很重要的因素，其可導(dǎo)致牛乳理化性質(zhì)和成分發(fā)生變化，進而影響到牛乳的熱穩(wěn)定性。相關(guān)研究表明，不同來源乳表現(xiàn)出來的熱穩(wěn)定性具有顯著的差別，且與其成分直接相關(guān)。例如，綿羊奶的熱穩(wěn)定性要低于山羊奶和牛奶[3]。乳中無機鹽的組成及分布以及蛋白質(zhì)的組成等都會對乳的熱穩(wěn)定產(chǎn)生影響，其中蛋白質(zhì)和無機鹽之間的相互作用以及無機鹽的平衡都在乳的熱穩(wěn)定性中起著關(guān)鍵作用[4～6]。有研究報道指出，牛乳的pH值及其無機鹽、乳蛋白及多態(tài)性、非蛋白氮、乳脂肪、乳糖含量和體細(xì)胞數(shù)等都會給牛乳熱穩(wěn)定性帶來顯著影響[7]。針對以上影響因素及相關(guān)作用機理，本文將一一進行介紹。

1 牛乳pH值

pH值是牛乳穩(wěn)定性影響因素中極為重要的因素之一。牛乳因β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-LG）的基因型不同而分為A型乳、B型乳和C型乳，C型乳較少。在不同的pH條件下，A、B兩種類型牛乳的熱穩(wěn)定性差異顯著。Koutina等[8]研究了牛乳的熱穩(wěn)定性與pH值之間的關(guān)系：兩者間的相關(guān)曲線A型乳具有與駝峰相近的雙峰結(jié)構(gòu)形式，并且在pH=6.7時具有最大的熱穩(wěn)定性。在遠(yuǎn)離pH6.7時，穩(wěn)定性降低。當(dāng)在pH＝6.9的情況下，其熱穩(wěn)定性降至最低點，隨后隨著pH值的繼續(xù)升高，其穩(wěn)定性也隨之升高。對于大部分A型乳而言，其天然pH值與其最穩(wěn)定的pH值表現(xiàn)出相近性。B型乳的熱穩(wěn)定性水平會隨著pH的升高而增加。在pH6.9時，綿羊奶的初乳和成熟牛乳的穩(wěn)定性最佳。當(dāng)pH＜6.9時，伴隨pH持續(xù)下降，乳的沉淀速率顯著增加，其穩(wěn)定性明顯降低[9]。

2 牛乳中無機鹽種類及含量

牛乳中的無機鹽以膠體和游離態(tài)兩種存在方式呈現(xiàn)，超過90%的鉀鹽、檸檬酸鹽以及鈉鹽都處在游離狀態(tài)，而66%的鈣鹽以及57%的磷酸鹽都以膠體形式存在[10]。牛乳中無機鹽的占比，尤其是鈣鹽、磷酸鹽和檸檬酸鹽之間的比例，對牛乳的穩(wěn)定性影響較大。當(dāng)它們之間的平衡被破壞時，將導(dǎo)致牛乳的熱穩(wěn)定性降低[11]。Fox報道了乳的熱穩(wěn)定性和乳中的鹽類之間的關(guān)系。研究表明，易溶解的鹽類，尤其是鈣和磷酸鹽，在原料乳和濃縮乳的熱穩(wěn)定性中起著重要作用[9]。隨著鈣鹽濃度的增加，牛乳的熱穩(wěn)定性降低。如果添加檸檬酸鹽或磷酸鹽以降低鈣離子的濃度，則熱穩(wěn)定性會提高[12]。

乳清相和膠體中的鈣、磷分布對于牛乳的熱穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性的影響作用，特別是膠體磷酸鈣(CCP)的存在，在維系酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。Deeth等提到Sommer的“平衡理論”認(rèn)為在最穩(wěn)定的牛乳中，鈣、鎂之和與磷酸鹽、檸檬酸鹽之和在一定范圍內(nèi)應(yīng)該有一個合理的比值。如果偏離此值，牛乳的熱穩(wěn)定性就會下降。若牛乳偏酸性，則表明牛乳中鈣鎂含量不足。如果牛乳堿性過強，則說明牛乳中磷酸鹽和檸檬酸鹽的含量不足[13]。由此可見，加入檸檬酸會使牛乳的pH值出現(xiàn)變化，使原本接近中性水平的牛乳呈酸性狀態(tài)，并且在持續(xù)添加檸檬酸的情況下，牛乳的pH值也會隨之明顯降低。當(dāng)pH值下降到酪蛋白的等電點時，大量酪蛋白膠束會發(fā)生絮凝沉淀，使得乳液質(zhì)量明顯變差[14]。因此，在乳制品的生產(chǎn)加工過程中，檸檬酸的添加量不宜過多，應(yīng)控制在0～0.5mg/100mL添加范圍。當(dāng)檸檬酸濃度持續(xù)增加，乳蛋白具有的穩(wěn)定性將顯著下降；當(dāng)Ca2+濃度在0.1～2.0mg/100mL之間時，酪蛋白膠束的穩(wěn)定性水平隨Ca2+濃度持續(xù)增加而有所下降[15]。

研究發(fā)現(xiàn)，用滲析或者是酸化技術(shù)對CCP進行一定去除后，能夠顯著增強乳的熱穩(wěn)定性水平；在去除40%CCP的情況下，能夠在最差穩(wěn)定性區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定性的增長；但是，當(dāng)CCP去除超出60%以及pH＞7.1時，乳熱穩(wěn)定性將會明顯降低；在CCP升高一倍的情況下，在整個pH范圍中，乳的熱穩(wěn)定性均下降[16]。pH的變化對乳熱穩(wěn)定性的影響以及CCP的相關(guān)作用機理目前并不是很明確，很大程度上是因為酪蛋白呈現(xiàn)出了脫磷酸化作用，從而影響了其表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得酪蛋白與CCP兩者的結(jié)合度下降，導(dǎo)致了膠束的解聚，從而使得乳的熱穩(wěn)定性降低[17]。

3 牛乳中蛋白質(zhì)組成及其多態(tài)性

3.1 乳蛋白的組成

牛乳中的蛋白質(zhì)有乳清蛋白和酪蛋白兩種類型，其中，酪蛋白是乳蛋白的主要組成部分，占比76%～86%，包含αs1-酪蛋白以及β-酪蛋白等。在牛乳中，α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白等組成了乳清蛋白。酪蛋白在牛乳中以膠束形式呈現(xiàn)，酪蛋白膠束的穩(wěn)定性是影響牛乳熱穩(wěn)定性的重要因素。κ-酪蛋白形成的具有流動特性的表面擴散層構(gòu)成酪蛋白膠束表面，以此來保證膠束的空間穩(wěn)定性[5,6]。

此外，膠束表面的κ-酪蛋白以及可溶性β-乳球蛋白兩者間的比例影響著牛乳的熱穩(wěn)定性水平，膠束的粒徑變大則熱穩(wěn)定性低，反之則高。酪蛋白膠束的尺寸大小與其蛋白質(zhì)組成表現(xiàn)出緊密地聯(lián)系[18]。牛乳中κ-酪蛋白比例的增加降低了酪蛋白膠束的體積，從而增加了牛乳的熱穩(wěn)定性[19～21]。在進行熱處理的過程中，酪蛋白會發(fā)生解聚現(xiàn)象，尤其是酪蛋白膠束中的κ-酪蛋白發(fā)生解聚，改變了牛乳的熱穩(wěn)定性。在pH=6.8時，乳清蛋白以及酪蛋白膠束表面的κ-酪蛋白通過熱誘導(dǎo)發(fā)生聚合，從而提高了牛乳的熱穩(wěn)定性水平。當(dāng)pH＞6.8時，κ-酪蛋白從酪蛋白膠束中解聚出來，使得膠束表面電荷量降低，從而熱穩(wěn)定性減弱[5]。當(dāng)以pH＜6.8處理時，變性狀態(tài)的乳清蛋白以及κ-酪蛋白經(jīng)由二硫鍵的作用實現(xiàn)連接，再與酪蛋白膠束彼此作用后，形成復(fù)合物。在高pH環(huán)境下，乳清蛋白的狀態(tài)從與酪蛋白膠束聚合轉(zhuǎn)變?yōu)榻饩郏?酪蛋白的解聚程度伴隨pH值的升高而增加。結(jié)果，能夠?qū)业鞍啄z束起到穩(wěn)定作用的表面電荷力下降，牛乳整體的熱穩(wěn)定性減弱[22,23]。Mcmahon等通過經(jīng)由凝乳酶對κ-酪蛋白進行水解作用的方式進行證實，明確當(dāng)pH≥6.9時，κ-酪蛋白對牛乳熱穩(wěn)定性起到重要的影響作用。在濃縮牛乳前加入κ-酪蛋白可以增加濃縮牛乳的熱穩(wěn)定性[24]。B型牛乳的熱穩(wěn)定性水平要取決于κ-酪蛋白和β-乳球蛋白兩者的占比情況。如果直接去除β-乳球蛋白，牛乳的熱穩(wěn)定性會明顯降低[5]。在一定強度的熱處理情況下，β-乳球蛋白存在著變性的情況，并且能夠與κ-酪蛋白發(fā)生交聯(lián)[25]。當(dāng)熱處理強度持續(xù)增加，α-乳清蛋白也將面臨變性的問題，并且能夠與已經(jīng)發(fā)生變性作用的β-乳球蛋白進行結(jié)合，形成的復(fù)合物會結(jié)合在酪蛋白膠束表面[26]，使得酪蛋白膠束粒徑變大并相互聚集。牛乳的熱穩(wěn)定性不僅會因為κ-酪蛋白和β-乳球蛋白兩者的占比情況而發(fā)生改變，而且其他的酪蛋白以及乳清蛋白的變化也會對牛乳的熱穩(wěn)定性帶來影響[5]。

3.2 乳蛋白的多態(tài)性

國外學(xué)者的研究結(jié)果表明，κ-酪蛋白以及β-乳球蛋白二者的多態(tài)性也會對牛乳熱穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)乳pH值達到最大穩(wěn)定性pH值時，含有κ-酪蛋白的AB基因型乳其熱穩(wěn)定性要明顯高于同樣分布著κ-酪蛋白的AA基因型乳[27]。β-乳球蛋白存在十二種異構(gòu)體類型，其中相對較多的是β-乳球蛋白A、B和C，含有β-乳球蛋白的AA基因型乳呈現(xiàn)的熱穩(wěn)定性水平高于含有β-乳球蛋白的BB基因型乳。含β-乳球蛋白的BB基因型乳以及存在著κ-酪蛋白的AB基因型乳比含其余多態(tài)性異構(gòu)體的牛乳具有更高水平的熱穩(wěn)定性。結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，κ-酪蛋白和β-乳球蛋白異構(gòu)體的不同組合對牛乳的熱穩(wěn)定性的影響差異顯著。國外學(xué)者指出，β-乳球蛋白異構(gòu)體對牛乳的熱穩(wěn)定性影響明顯，其中，含有β-乳球蛋白BB基因型乳的熱穩(wěn)定性較差，而κ-酪蛋白具有的多態(tài)性給牛乳的熱穩(wěn)定性帶來的影響并不明顯[28]。

4 牛乳中非蛋白氮含量

研究表明，牛乳中的非蛋白氮，尤其是尿素的含量，會顯著影響牛乳的熱穩(wěn)定性。尿素是一種內(nèi)源性化合物，與牛乳熱穩(wěn)定性表現(xiàn)出高度的正相關(guān)性。因此，在添加尿素的情況下，牛乳熱穩(wěn)定性會顯著升高[5]，添加尿素酶水解尿素則會明顯減弱牛乳的熱穩(wěn)定性[29,30]。此外，尿素的熱降解產(chǎn)物能夠與氨發(fā)生作用產(chǎn)生縮二脲、縮三脲、甲基脲等，這些產(chǎn)物也能增加牛乳的熱穩(wěn)定性水平[31]。有報道顯示，尿素可以提高牛乳中蛋白質(zhì)的緩沖能力，這是其可以增強牛乳熱穩(wěn)定性的重要原因所在。尿素經(jīng)過高溫處理后，被分解為具有緩沖能力的氨以及二氧化碳（CO2）。其中，氨可以避免牛乳因熱誘導(dǎo)酸化而引起的pH下降，CO2則可以抑制牛乳在熱處理過程中的pH下降[32,33]。另一項研究報道，尿素可使酪蛋白發(fā)生溶脹，通過增加酪蛋白膠束的靜電屏障，對酪蛋白膠束發(fā)生的聚合和絮凝起到抑制的作用，以此來提高牛乳的熱穩(wěn)定性水平[34]。

5 牛乳中乳脂含量

乳脂對牛乳的熱穩(wěn)定性影響不大[35]。有研究表明，在31MPa壓力下，均質(zhì)后脫脂乳的熱穩(wěn)定性基本不受影響，但均質(zhì)后的全脂乳的熱穩(wěn)定性會顯著降低[36]。

6 牛乳中乳糖含量

在乳糖含量持續(xù)升高的情況下，將會使得牛乳的熱穩(wěn)定性有所降低，牛乳中乳糖的來源主要是半乳糖以及葡萄糖等物質(zhì)，約占牛乳總成分的4.8%。在乳糖濃度出現(xiàn)變化的情況下，牛乳的熱穩(wěn)定性水平也會隨之改變[37]。研究表明，乳糖含量持續(xù)增加，會使在整個pH范圍內(nèi)的牛乳熱穩(wěn)定性減弱。乳糖能增加Ca2+的活性，而Ca2+和乳糖濃度的增加會引起牛乳熱穩(wěn)定性的降低。乳糖水解后的牛乳其熱穩(wěn)定性會顯著提高，尤其是A型乳[38]。

7 牛乳中體細(xì)胞數(shù)含量

王芳等人的研究已經(jīng)表明牛乳中的體細(xì)胞數(shù)與熱穩(wěn)定性密切相關(guān)，體細(xì)胞的增加會導(dǎo)致熱穩(wěn)定性的降低，尤其是在乳制品加工過程中[39]。牛乳中的無機鹽成分在乳制品加工過程中對其穩(wěn)定性有著重要的影響。保持牛乳中鈣、鎂、磷酸鹽和檸檬酸鹽的動態(tài)平衡性是確保牛乳具有良好熱穩(wěn)定性的必要條件[40]。而體細(xì)胞數(shù)過多則會引起乳鹽含量的變化，導(dǎo)致乳鹽的平衡被破壞，從而降低了牛乳的熱穩(wěn)定性。乳中體細(xì)胞數(shù)量與奶牛是否患有乳房炎、泌乳牛牛齡、產(chǎn)犢胎次、泌乳期、產(chǎn)奶量、季節(jié)變化、環(huán)境應(yīng)激因素、擠奶間隔和擠奶頻率、遺傳因素等有關(guān)[41～43]。

8 奶牛所處泌乳時期

原奶因來自奶牛的不同泌乳時期，其熱穩(wěn)定性具有明顯差異，這很大程度上是由原奶成分的差異造成的。一般來說，泌乳早期以及晚期產(chǎn)生的牛乳乳清蛋白的含量較高，pH值相較常乳也有所不同，均不在常乳pH（6.6～6.7）的熱穩(wěn)定性范圍內(nèi)。總檸檬酸鹽以及可溶性檸檬酸鹽的含量在奶牛整個泌乳周期中顯著降低，因此初乳和終乳的熱穩(wěn)定性普遍比常乳差[44]。

隨著泌乳時間的延長，乳中蛋白質(zhì)含量逐漸降低，乳熱穩(wěn)定性逐漸升高。對羊奶進行不同程度的熱處理時，酪蛋白的理化性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)也將呈現(xiàn)出相應(yīng)的改變。超出70℃的熱處理能夠讓乳清蛋白發(fā)生熱變性現(xiàn)象，使得β-乳球蛋白和酪蛋白膠束表面的κ-酪蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，黏附在膠束表面位置[45,46]，造成蛋白質(zhì)的變性，乳隨即發(fā)生絮凝沉淀。

9 牛乳加工工藝

9.1 熱處理工藝

在實際的牛乳加工期間，針對不同的加工目的，熱處理所達到的效果也有所差別。牛乳經(jīng)由不同的加工工藝，可獲得不同的液體產(chǎn)品，例如：巴氏殺菌奶、ESL奶、UHT奶等[47]。三種產(chǎn)品加工工藝的顯著差別來自于熱處理操作的目的和強度的不同。在對牛乳進行加熱處理期間，乳蛋白極易因受熱而發(fā)生變性，當(dāng)加熱工藝存在差別的情況下，對牛乳的熱處理強度也有很大的差異。在UHT滅菌過程中，溫度越高、加熱強度越大，熱穩(wěn)定性越弱[48]。牛乳經(jīng)過熱處理后，其pH值和鈣離子濃度也會發(fā)生變化，從而影響牛乳的熱穩(wěn)定性詳見表1。

表1 不同工藝水平下牛乳pH值以及鈣離子濃度的變化

9.2 膜過濾技術(shù)

膜過濾技術(shù)（包括微濾、超濾、納濾、反滲透等）用在脫脂牛乳濃縮時，該技術(shù)容易使酪蛋白膠束之間發(fā)生黏附，并且會在膜表面形成凝膠層物質(zhì)，同時，在濃縮液體系中也極易發(fā)生酪蛋白膠束黏結(jié)的情況，從而使得牛乳在熱處理過程中更容易發(fā)生凝固[49]。采用膜過濾技術(shù)對脫脂乳進行濃縮時，也會改變脫脂乳的pH值、鈣離子濃度、蛋白質(zhì)含量等組分，最終牛乳的熱穩(wěn)定性會因牛乳組分的改變而受到影響[50,51]。

熱穩(wěn)定性是牛乳極為關(guān)鍵的加工特性，是評估其工藝合理性以及牛乳品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵參考指標(biāo)。牛乳的熱穩(wěn)定性受其pH值、無機鹽、乳蛋白及其多態(tài)性、非蛋白氮、乳脂肪、乳糖和體細(xì)胞等多重因素影響。并且，即便是牛乳的來源相同，其熱穩(wěn)定性和成分也會有所不同。由此可知，牛乳的熱穩(wěn)定性是經(jīng)由諸多因素相互作用影響的結(jié)果。今后，隨著生物學(xué)、基因組學(xué)以及遺傳學(xué)等相關(guān)研究技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與進步，其研究范圍將得到不斷地延伸與擴大。