牛初乳產(chǎn)品制造技術(shù)及開發(fā)趨勢研究進(jìn)展

趙紅宇 ，周盛華 ，李學(xué)琳 ，景志剛，王春柳，關(guān)文鳳

1.黑龍江康普生物科技有限公司（哈爾濱 150025）；2.黑龍江省牛初乳工程技術(shù)研究中心（哈爾濱 150025）

牛初乳是健康奶牛分娩后最初幾天由乳腺分泌的乳汁，其含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和大量的生物活性成分，以及20多種病原體特異性抗體[1-2]，而核苷酸、乳糖含量較成熟乳少[3-5]。其獨(dú)特的生物活性成分主要為免疫球蛋白（Ig）、乳鐵蛋白（LF）、乳過氧化物酶（LP）、富脯氨酸多肽（PRP）、胰島素生長因子（IGF）、表皮生長因子（EGF）、轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）等。在世界上很多國家和地區(qū)，牛初乳長期以來一直被當(dāng)作功能食品或抗病食物，用來促進(jìn)健康兒童生長發(fā)育，改善亞健康成人的身體狀況[6-8]，產(chǎn)品型式主要以牛初乳粉為主，液體新鮮初乳為輔，也有少量的巴氏殺菌牛初乳飲料在市場上出售[9]。在歐洲文化和其他地方，如印度和斯堪的納維亞，牛初乳被用于奶酪和其他傳統(tǒng)食品的生產(chǎn)，同時也作為一種對健康有益的膳食補(bǔ)充劑投放市場[10]。在美國和歐盟，初乳補(bǔ)充劑被認(rèn)定有多種健康益處，包括增強(qiáng)免疫力和胃腸道健康[11]。

2017年第二屆國際牛初乳研究與應(yīng)用高峰論壇報道，我國整個牛初乳粉年產(chǎn)能約500 t，已形成50億元以上的市場規(guī)模，并且每年以超過30%以上的速度在增長，未來3～5年牛初乳產(chǎn)品市場容量將超過100億元，未來牛初乳相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。在新冠肺炎疫情蔓延期間，牛初乳產(chǎn)品一度出現(xiàn)供不應(yīng)求的場面，牛初乳產(chǎn)品制造技術(shù)只有經(jīng)過科技的磨礪，不斷完善和升級，才能滿足不斷增長的市場需求，保障行業(yè)穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展。該文旨在更好地利用牛初乳這一寶貴資源，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的牛初乳產(chǎn)品，主要簡介了牛初乳現(xiàn)行制造技術(shù)、先進(jìn)生產(chǎn)工藝、、制造技術(shù)的發(fā)展趨勢、牛初乳產(chǎn)品開發(fā)的前景與要點(diǎn)，以促進(jìn)相關(guān)研究開發(fā)。

1 牛初乳現(xiàn)行制造技術(shù)

牛初乳酸度高、黏度大，具有特殊的苦味和腥味，加熱易變性凝固，不能直接食用[12]。為延長牛初乳保質(zhì)期和提高食用方便性，現(xiàn)代食品工業(yè)通常將牛初乳干燥成粉末，牛初乳粉主要分為冷凍干燥粉（凍干粉）和噴霧干燥粉（噴霧粉）2種型式。牛初乳凍干粉是傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，普遍應(yīng)用于全球的大小生產(chǎn)商；牛初乳噴霧粉采用的技術(shù)較為先進(jìn)，大生產(chǎn)商更傾向選擇這種生產(chǎn)工藝。

1.1 牛初乳基本生產(chǎn)工藝

牛初乳粉的基本生產(chǎn)工藝包括原料收集與貯存、脫脂、殺菌、濃縮和干燥[13]。新鮮牛初乳色澤淺黃，不含肉眼可見的雜質(zhì)，采集后迅速冷卻至2～4 ℃，以減少收集、貯運(yùn)環(huán)節(jié)的微生物污染；脫脂工藝一般采用離心法去除脂肪，獲得脫脂牛初乳，脫除脂肪具有改善產(chǎn)品風(fēng)味、提高初乳加工流動性、提高蛋白質(zhì)相對含量，增強(qiáng)熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)；殺菌方式包括加熱殺菌法（高溫短時殺菌法和低溫加熱殺菌法）、輻照殺菌法。高溫殺菌以72 ℃維持15 s，可以在短時間殺死所有的病原菌。低溫加熱殺菌通常采用巴氏殺菌法，其工藝條件為60～65 ℃，保溫15～30 min。由于牛初乳乳清蛋白不耐熱，加熱殺菌往往破壞了功能性蛋白質(zhì)的生物活性，因此工業(yè)上常采用輻照殺菌法來降低微生物水平[14]，但輻照殺菌會給產(chǎn)品帶來不愉快的滋氣味；濃縮一般采用低溫減壓濃縮設(shè)備，除去部分水分，減少物料質(zhì)量和體積；干燥分為冷凍干燥法或低溫噴霧干燥法。前者適用于小規(guī)模生產(chǎn)，后者適用于規(guī)模化生產(chǎn)。牛初乳的低溫噴霧干燥設(shè)備一般都是專利技術(shù)，目前國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)有定型設(shè)備。

1.2 牛初乳生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)

牛初乳的非脂乳固體明顯高于常乳，熱穩(wěn)定性差[15]，所以不適合采用常乳的熱處理加工工藝，否則會出現(xiàn)變性蛋白質(zhì)焦結(jié)在加熱設(shè)備中，造成后續(xù)生產(chǎn)的污染，這也是牛初乳不能與常乳一同收集加工的原因。此外，牛初乳中富含免疫球蛋白等活性物質(zhì)，這些物質(zhì)對溫度很敏感，加熱工藝很容易破壞它們的生物活性[16]。因此牛初乳加工一定要在低溫條件下進(jìn)行，以保全牛初乳中的免疫因子，使其發(fā)揮免疫功效。所以牛初乳最佳生產(chǎn)工藝應(yīng)全程控制各個環(huán)節(jié)的操作溫度，避免高溫對牛初乳中生物活性物質(zhì)的影響?？梢?，牛初乳生產(chǎn)的殺菌、濃縮和干燥環(huán)節(jié)工序是整個生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)。低溫加工工藝難度大，對設(shè)備要求高，這也是多年來影響牛初乳開發(fā)進(jìn)程的重要因素[17]。

2 牛初乳先進(jìn)生產(chǎn)工藝

經(jīng)過國內(nèi)外研究學(xué)者對膜科學(xué)技術(shù)的研究，膜過濾技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。我國已有生產(chǎn)企業(yè)將膜過濾技術(shù)應(yīng)用到牛初乳的加工工藝上，如微濾膜除菌技術(shù)、超濾膜濃縮技術(shù)。牛初乳行業(yè)應(yīng)用的膜過濾技術(shù)是最具前景的可持續(xù)技術(shù)之一，不僅運(yùn)行溫度低，可以充分保護(hù)生物活性物質(zhì)的活性，優(yōu)化不同的膜孔徑還可以從初乳中分離、富集大量的目標(biāo)生物活性組分[18]。膜過濾技術(shù)結(jié)合低溫貯存、低溫噴霧干燥技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)牛初乳全程冷鏈加工的先進(jìn)生產(chǎn)工藝。

2.1 微濾膜除菌

降低和殺滅乳中微生物可通過多種方法實(shí)現(xiàn)[19]，如加熱殺菌法、高壓殺菌法、紫外滅菌法、電脈沖殺菌法等。隨著陶瓷膜制造技術(shù)的突破，尤其是梯度陶瓷膜制備技術(shù)的發(fā)展，微濾除菌技術(shù)正式應(yīng)用到牛初乳生產(chǎn)工藝中。梯度陶瓷膜微濾除菌技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱殺菌技術(shù)，完全以物理截留的方式降低牛初乳中微生物水平。同時，因過濾除去菌體和體細(xì)胞，也避免加熱殺菌法在殺菌后死菌體仍能釋放出耐熱酶而影響乳品品質(zhì)的缺點(diǎn)，產(chǎn)品更安全。微濾除菌工藝運(yùn)行溫度小于20 ℃，最大程度保留活性免疫蛋白和活性乳鐵蛋白等營養(yǎng)成分。陶瓷膜微濾除菌系統(tǒng)由梯度陶瓷膜組、供料泵、循環(huán)泵、流量傳感系統(tǒng)、溫度傳感系統(tǒng)、CIP系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)組成。陶瓷膜材質(zhì)堅硬，經(jīng)久耐用[20]，并可以反復(fù)清洗，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

2.2 超濾濃縮

超濾濃縮技術(shù)在乳品工業(yè)中有廣泛應(yīng)用，可將水、低分子的鹽和乳糖從乳中分離出來，使?jié)饪s物中的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、功能性肽組分等物質(zhì)的比例明顯提升。但是超濾濃縮在牛初乳生產(chǎn)中的應(yīng)用是最近幾年才出現(xiàn)，因?yàn)榕３跞楣绦挝锔?、黏度大、容易污染膜[21]，造成膜清洗困難，所以該工藝對膜材質(zhì)有較高要求，也需要更苛刻的運(yùn)行參數(shù)。采用超濾濃縮技術(shù)對牛初乳進(jìn)行濃縮，全程在低溫下運(yùn)行，可有效防止牛初乳中的營養(yǎng)成分被破壞或蛋白質(zhì)變性，并且安全可靠[22]，有效節(jié)省能源。此外，牛初乳通過超濾濃縮去除一部分乳糖和無機(jī)鹽等成分，使得產(chǎn)品適合更廣泛人群食用，避免特殊人群產(chǎn)生乳糖不耐受、電解質(zhì)紊亂等現(xiàn)象。可見，超濾濃縮技術(shù)在牛初乳行業(yè)中的應(yīng)用有較好的發(fā)展空間。

2.3 低溫噴霧干燥

常規(guī)的乳品噴霧干燥設(shè)備很難用于牛初乳干燥，一是干燥溫度高，會破壞牛初乳中功能性蛋白質(zhì)的活性；二是不適用于粘性物料，牛初乳黏度大，容易黏壁，不易連續(xù)生產(chǎn)。國際上專業(yè)的牛初乳噴霧干燥設(shè)備沒有標(biāo)準(zhǔn)化，國外企業(yè)的牛初乳噴霧干燥設(shè)備都是定制設(shè)備，受專利保護(hù)。有報道國外噴霧干燥設(shè)備出口空氣溫度維持在68～72 ℃范圍內(nèi)，在優(yōu)化噴霧干燥條件下，不影響蛋白的生物活性[23]。近年來，我國已有牛初乳企業(yè)自主出研發(fā)的低溫噴霧干燥設(shè)備，其技術(shù)先進(jìn)性處于國際領(lǐng)先水平。該套設(shè)備干燥溫度比同類設(shè)備至少下降20～30 ℃，最大限度的保證物料活性，活性損失小于0.5%。設(shè)備集濃縮、干燥、造粒、分選于一體，簡化生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)操作集中化、連續(xù)化。整個干燥過程屬于多級干燥，噴霧塔內(nèi)置三級流化床，在干燥的同時對牛初乳粉進(jìn)行造粒，流化造粒產(chǎn)品不但外形好，而且粒度分布均勻，粒徑調(diào)整范圍廣，一般在幾百微米到幾毫米之間。經(jīng)該工藝生產(chǎn)的牛初乳粉具有極佳的流動性和溶解性，成為終端企業(yè)生產(chǎn)膠囊填充劑、壓片劑、速溶顆粒劑等產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)原料。

3 牛初乳產(chǎn)品制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 牛初乳功能性組分精細(xì)化制備

我國牛初乳資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮骩24]，但牛初乳的開發(fā)利用與研究才剛剛起步，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是經(jīng)粗加工制成的牛初乳粉，雖然此類產(chǎn)品也具有廣泛的生物學(xué)功能，但受工藝、設(shè)備及技術(shù)的限制，無法將有明確針對性功效的特異性組分分離出來。如分泌性免疫球蛋白A（sIgA），對人類呼吸道疾病、皮膚損傷愈合恢復(fù)療效顯著的功能組分；乳鐵蛋白（LF），具有促進(jìn)鐵吸收、抑菌殺菌和抗氧化等多種生理活性功能；富脯氨酸多肽（PRP），含有大量的脯氨酸和疏水性氨基酸，它可以調(diào)節(jié)人體的免疫反應(yīng)，增加皮膚脈管的滲透性。因此將牛初乳中的生物活性物質(zhì)精細(xì)分離，是牛初乳深加工利用的必然趨勢。

美國牛初乳生產(chǎn)企業(yè)已有PRP相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)入市場，也有牛初乳免疫球蛋白濃縮產(chǎn)品申請美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的GRAS審查。Skalka等[25]報道，結(jié)合沉淀、凝膠過濾和錯流過濾相技術(shù)，可分離出純度90%、收率91%的IgG組分。

我國對牛初乳中功能性組分的分離研究比國外起步晚，但已有牛初乳生產(chǎn)企業(yè)在牛初乳功能性組分分離技術(shù)上申請了國家發(fā)明專利，有研究將牛初乳脫脂后，采用酶法工藝除去酪蛋白，獲得初乳乳清，并用多級膜分離技術(shù)獲得富含IgG濃縮液、LF濃縮液和PRP濃縮液。將各部分濃縮液分別進(jìn)行干燥，得到高含量功能性組分產(chǎn)品。此外，有研究報道可以從牛乳酪蛋白中分離出天然活性生物多肽，具有降血壓、抗血栓等功效[26]。

未來幾年，加快研發(fā)從牛初乳中分離生物活性蛋白和多肽的現(xiàn)代技術(shù)，將促進(jìn)牛初乳在人類營養(yǎng)和健康方面的潛在應(yīng)用[27]。

3.2 無菌液態(tài)牛初乳產(chǎn)品

牛初乳含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，免疫因子和生長因子等功能性組分[28]，是廣泛應(yīng)用于各類功能性食品、保健食品的原料。但是牛初乳大多是以粉的型式添加到固體制劑產(chǎn)品中，很少能加入到液體產(chǎn)品中，因?yàn)榕３跞橹苯犹砑釉谂Ｄ?、飲料、果汁等液態(tài)食品中，經(jīng)過熱殺菌工藝時，牛初乳中大部分功能性蛋白質(zhì)會喪失活性，產(chǎn)生沉淀，失去預(yù)期的生物功能，使得牛初乳在液態(tài)功能性食品上的應(yīng)用受阻。國內(nèi)很多大型乳品生產(chǎn)企業(yè)，飲料生產(chǎn)企業(yè)都在探索牛初乳在液態(tài)功能性食品上的添加工藝，市場迫切需要可以直接添加的無菌型液態(tài)牛初乳。

無菌液態(tài)牛初乳是將牛初乳通過離心，除去脂肪獲得脫脂牛初乳，采用酶法沉淀酪蛋白，獲得乳清液，用中空纖維膜或陶瓷膜進(jìn)行預(yù)過濾，除去乳清中殘留的脂肪、酪蛋白和大部分菌體，最后用無菌過濾器進(jìn)行過濾除菌，無菌條件下灌裝，分裝。經(jīng)過此工藝制備的無菌型液態(tài)牛初乳，可以無菌在線添加到牛奶、飲料、果汁等液態(tài)食品中，也可以直接飲用。無菌液態(tài)牛初乳同樣具有常規(guī)牛初乳的生物功效，所以也是保健食品不可缺少的原料之一。

此外，無菌過濾技術(shù)結(jié)合膜分離技術(shù)、色譜分離技術(shù)，可以進(jìn)一步制備出無菌液態(tài)IgG產(chǎn)品、無菌液態(tài)sIgA產(chǎn)品和無菌液態(tài)LF產(chǎn)品等單一功能性組分產(chǎn)品，更加豐富牛初乳功能性組分的產(chǎn)品類型，滿足市場廣泛需要，無菌液態(tài)牛初乳產(chǎn)品牛初乳行業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇。

4 牛初乳產(chǎn)品開發(fā)的要點(diǎn)與前景

牛初乳產(chǎn)品開發(fā)配合我國大力發(fā)展乳品工業(yè)，在新冠肺炎疫情長期影響背景下，整個大健康行業(yè)的發(fā)展潮流為健康賦能。牛初乳作為一種功能性食品原料在我國必將占據(jù)重要地位，將具有更加廣闊的前景。在產(chǎn)品類型方面，將牛初乳進(jìn)行更深度的拆分，得到更多功能性成分，針對不同人群采用不同的產(chǎn)品開發(fā)策略，制備富含特定組分的牛初乳產(chǎn)品。在檢測手段方面，改進(jìn)檢測方法，提高檢測精度，開發(fā)快速檢測試劑，使檢測水平提升與產(chǎn)品開發(fā)同步。在加工工藝方面，將實(shí)驗(yàn)室小試、中試與車間工藝緊密銜接，實(shí)現(xiàn)工藝過程的快速轉(zhuǎn)化。因此，牛初乳產(chǎn)品開發(fā)、檢測手段與工藝轉(zhuǎn)化齊頭并進(jìn)，才能保證牛初乳產(chǎn)品制造技術(shù)不斷創(chuàng)新，進(jìn)而推進(jìn)行業(yè)持續(xù)發(fā)展。