冷凍貯藏對噴霧干燥羊乳粉品質(zhì)特性的影響

魚喆喆， 付尚辰， 朱 麗， 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）

羊乳是陜西特色優(yōu)勢資源，含有豐富的高生物價(jià)蛋白質(zhì)、必需脂肪酸、維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)和生物活性物質(zhì)[1-2]。 而羊乳粉是乳品市場上最常見的羊乳制品[3]，具有保質(zhì)期長，易于包裝、貯存和運(yùn)輸，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，不需要冷藏條件等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以保留原料乳中的大部分營養(yǎng)成分。 目前，噴霧干燥是乳粉生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)， 主要包括濃縮、霧化、霧滴與空氣接觸、霧滴干燥和分離5 個(gè)步驟[4]。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球95%以上的乳粉是由噴霧干燥的方式生產(chǎn)的。 噴霧干燥技術(shù)經(jīng)過100 多年的發(fā)展已經(jīng)相對成熟，得到的產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定、粒度小而均勻、流動(dòng)性和速溶性好[5]。

雖然在過去的50 年里， 全世界的羊乳產(chǎn)量增加了一倍多[6]，但奶山羊作為小型反芻動(dòng)物，分布相對分散，且以農(nóng)戶散養(yǎng)、中小型牧場飼養(yǎng)為主[7]，不利于山羊乳的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[8]。 此外，由于羊乳生產(chǎn)的季節(jié)性強(qiáng)、產(chǎn)量低、奶山羊哺乳期短等原因，原料乳通常會(huì)被冷凍在農(nóng)場，直至積累到足夠的量供進(jìn)一步的乳制品加工[9-10]。相關(guān)研究中對不同溫度下冷凍貯藏不同時(shí)間羊乳的品質(zhì)變化進(jìn)行了分析[7，9，11-13]。此外，Katsiari 等發(fā)現(xiàn)用冷凍綿羊乳制作的酸奶，具有與鮮乳制作的酸奶相似的理化性質(zhì)、感官特性和穩(wěn)定性[10]。 Zhang 等發(fā)現(xiàn)冷凍對綿羊乳及其奶酪的脂肪酸濃度沒有影響，且在不影響奶酪產(chǎn)量的情況下， 可以使用-15 ℃或-25 ℃冷凍6 個(gè)月的綿羊乳生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)奶酪[12]。但根據(jù)查閱文獻(xiàn)所知，目前鮮有關(guān)于以冷凍乳為原料制作乳粉的相關(guān)研究。

Yu 等研究了冷凍貯藏3 個(gè)月山羊乳解凍后的營養(yǎng)與理化品質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)超低溫冷凍常溫解凍（UFHT）是保持羊乳天然品質(zhì)的最佳方法，考慮成本也可以選擇低溫冷凍常溫解凍（CFHT）的方法貯藏羊乳[14]。在此基礎(chǔ)上，將低溫冷凍和超低溫冷凍貯藏3 個(gè)月后常溫解凍的羊乳作為原料，制備噴霧干燥羊乳粉，研究冷凍貯藏對噴霧干燥羊乳粉品質(zhì)特性的影響，為冷凍羊乳的后續(xù)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

新鮮羊乳樣品采集于西安市郊區(qū)奶山羊養(yǎng)殖戶所飼養(yǎng)的奶山羊，5 只健康奶山羊的羊乳等量混合后，放入冰袋中運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

尼羅紅：阿拉丁試劑（上海）有限公司產(chǎn)品；異硫氰酸熒光素（FITC）：Sigma 試劑公司產(chǎn)品；無水乙醇（分析純）：天津市天力化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

BI-90Plus 激光粒度儀： 美國Brookhaven 公司產(chǎn)品；HD-5 型智能水分活度測量儀：無錫華科儀器儀表有限公司產(chǎn)品；FV1200 激光共聚焦顯微鏡：日本Olympus 公司產(chǎn)品；BCD-578WPU9CX 家用電冰箱： 合肥美菱股份有限公司產(chǎn)品；DW-HL388 超低溫冷凍儲(chǔ)存箱：中科美菱低溫科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品；LactoStar 乳成分分析儀：德國Funke Gerber 公司產(chǎn)品；NS800 手持色差儀：深圳市三恩馳科技有限公司產(chǎn)品；JA2003N 電子天平：上海精密儀器有限公司產(chǎn)品；YC-015 噴霧干燥機(jī)：上海雅程儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

新鮮羊乳樣品采回后立即進(jìn)行噴霧干燥制成鮮羊乳粉。 其余樣品分別在低溫冰箱（-16～-18 ℃）和超低溫冰箱（-76～-80 ℃）中冷凍貯藏3 個(gè)月，然后在20～25 ℃的常溫條件下解凍后進(jìn)行噴霧干燥，分別制成CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉。 并與鮮羊乳粉在營養(yǎng)成分、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水分活度、色澤、粒徑分布、Zeta 電位、微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行比較分析。 噴霧干燥機(jī)設(shè)定參數(shù)：進(jìn)風(fēng)溫度140 ℃，出風(fēng)溫度約90 ℃，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速15 r/min。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 營養(yǎng)成分的測定 將羊乳粉用蒸餾水按1 g∶10 mL 的比例復(fù)水后， 使用乳成分分析儀測定復(fù)水乳樣品中的脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖。

1.3.2 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 按照GB 5009.3—2016 直接干燥法測定羊乳粉樣品的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.3 水分活度的測定 使用水分活度測量儀對羊乳粉樣品的水分活度進(jìn)行測定。

1.3.4 色澤的測定 采用手持色差儀[15]測定羊乳粉樣品的亮度、紅綠度和黃藍(lán)度，并按照以下公式計(jì)算樣品的總色差：

式中：ΔE 為羊乳粉樣品的總色差；L*為羊乳粉樣品的亮度；a*為羊乳粉樣品的紅綠度；b*為羊乳粉樣品的黃藍(lán)度；L0為鮮羊乳粉的亮度；a0為鮮羊乳粉的紅綠度；b0為鮮羊乳粉的黃藍(lán)度。

1.3.5 粒徑分析 羊乳粉用蒸餾水按1 g∶10 mL 的比例復(fù)水后，用超純水稀釋200 倍，使用激光粒度儀測定粒徑。 粒徑分布分析基于以下條件：實(shí)際折射率為1.59，流體（水）折射率為1.33。

1.3.6 Zeta 電位的測定 羊乳粉用蒸餾水按1 g∶10 mL的比例復(fù)水后，用超純水稀釋200 倍，使用激光粒度儀測定Zeta 電位。

1.3.7 激光共聚焦顯微鏡圖像 羊乳粉用蒸餾水按1 g∶10 mL 的比例復(fù)水后， 用10 μL 尼羅紅（1 mg/mL 乙醇溶液） 和10 μL 異硫氰酸熒光素（FITC，1 mg/mL 乙醇溶液）對1 mL 復(fù)水羊乳樣品染色30 min。 吸取20 μL 的染色樣品滴至載玻片，用蓋玻片密封，并立即在暗室中用激光共聚焦顯微鏡觀測[16]。 激光共聚焦顯微鏡配備倒置顯微鏡和硅油物鏡（放大倍數(shù)為150 倍）；尼羅紅和FITC 的激發(fā)波長分別為534、488 nm，發(fā)射波長分別為500～600 nm 和495～559 nm。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理方法

結(jié)果表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 24.0 進(jìn)行單因素方差分析和顯著性分析，P＜0.05 表示差異性顯著（Duncan）。 采用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖片繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧干燥羊乳粉的營養(yǎng)成分分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖1 所示。 鮮羊乳粉的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（27.1±2.7）%、蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（29.3±1.9）%、乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（27.8±1.8）%。與鮮羊乳粉相比，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了64%和60%（P＜0.05）；蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了19%和10%（P＜0.05）；乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了19%和11%（P＜0.05）。 總的來說，脂肪損失較嚴(yán)重，蛋白質(zhì)和乳糖損失較少；而UFHT羊乳粉的脂肪、 蛋白質(zhì)和乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于CFHT 羊乳粉。

2.2 噴霧干燥羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖2 所示。 鮮羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（4.047±0.051） g/hg，CFHT 羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（3.461±0.008） g/hg，UFHT 羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 （3.185±0.050） g/hg， 均符合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 19644—2010）對乳粉的要求（水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5.0 g/hg）。 且CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于鮮羊乳粉（P＜0.05）。

圖2 噴霧干燥羊乳粉水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig. 2 Mass fraction of moisture in spray-dried goat milk powder

2.3 噴霧干燥羊乳粉的水分活度分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分活度如圖3 所示， 分別為0.169±0.009、0.152±0.002 和0.149±0.003。 CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分活度顯著小于鮮羊乳粉（P＜0.05），且均小于0.2，這與乳中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見圖2）結(jié)果一致。

圖3 噴霧干燥羊乳粉的水分活度Fig. 3 Water activity of spray-dried goat milk powder

2.4 噴霧干燥羊乳粉的色澤變化

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的色澤如圖4 所示。 CFHT 羊乳粉的L*值顯著低于UFHT 羊乳粉和鮮羊乳粉（P＜0.05），說明CFHT 羊乳粉的亮度較低。 對于a*值，只有CFHT 羊乳粉的a*值大于0，UFHT 羊乳粉a*值顯著低于鮮羊乳粉（P＜0.05）， 說明CFHT 羊乳粉的色澤偏紅， 其余偏綠。 對于b*值，UFHT 羊乳粉的b*值顯著高于鮮羊乳粉和CFHT 羊乳粉（P＜0.05），說明UFHT 羊乳粉偏黃。 以鮮羊乳粉為基礎(chǔ)，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的ΔE 值分別為2.84±0.36 和0.91±0.26，CFHT羊乳粉的色差較大。

2.5 噴霧干燥羊乳粉的粒徑變化

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉顆粒的有效直徑與多分散性指數(shù)（PDI）如圖5 所示。 相比于鮮羊乳粉，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉顆粒的有效直徑?jīng)]有顯著變化（P＞0.05），但CFHT 羊乳粉的有效直徑顯著低于UFHT 羊乳粉（P＜0.05）。 3組羊乳粉PDI 均小于0.3，且CFHT 羊乳粉和UFHT羊乳粉的PDI 與鮮羊乳粉相比無顯著差異（P＞0.05）， 說明羊乳粉復(fù)水后其粒徑分布范圍較窄，體系較穩(wěn)定。

2.6 噴霧干燥羊乳粉的Zeta 電位分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的Zeta 電位如圖6 所示。 3 組羊乳粉的Zeta 電位都呈負(fù)值（-46.29～-47.72 mV），絕對值大于46.00，穩(wěn)定性良好。 CFHT 羊乳粉、UFHT 羊乳粉的Zeta 電位絕對值顯著大于鮮羊乳粉（P＜0.05），但兩者之間無顯著差異（P＞0.05）。

圖6 噴霧干燥羊乳粉的Zeta 電位Fig. 6 Zeta potential of spray-dried goat milk powder

2.7 噴霧干燥羊乳粉外觀及微觀結(jié)構(gòu)分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的外觀及微觀結(jié)構(gòu)如圖7 所示。 從外觀圖中可觀察到3組噴霧干燥羊乳粉色澤、組織狀態(tài)等相近。 尼羅紅和FITC 將脂肪球和蛋白質(zhì)分別染為紅色和綠色，在激光共聚焦顯微鏡下更易觀察， 如圖7 所示，脂肪球和蛋白質(zhì)清晰可見，蛋白質(zhì)顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但3組噴霧干燥羊乳粉中的脂肪球顆粒均大小不一，分布不一致。

圖7 噴霧干燥羊乳粉的外觀及微觀結(jié)構(gòu)Fig. 7 Appearance and microscopic structures of spraydried goat milk powder

2.8 討論

冷凍貯藏可有效延長羊乳的保質(zhì)期，通過前期研究，發(fā)現(xiàn)超低溫冷凍80 d 常溫解凍羊乳的營養(yǎng)成分和理化特性更接近于新鮮羊乳， 羊乳品質(zhì)良好，可用于后續(xù)的乳制品生產(chǎn)加工[14]。 而脫水干燥也是保存乳的一種重要方法，可以在不改變羊乳營養(yǎng)和感官屬性的情況下延長羊乳的保質(zhì)期[17]。 這使得乳制品企業(yè)可以全年向消費(fèi)者提供乳制品，并可將市場擴(kuò)展到更偏遠(yuǎn)的地區(qū)，且運(yùn)輸更容易，成本更低。羊乳粉也是我國羊乳市場的主要消費(fèi)種類，而乳粉生產(chǎn)中最常用的方式是噴霧干燥。

本研究中將低溫冷凍和超低溫冷凍貯藏3 個(gè)月的羊乳噴霧干燥制成CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉，與鮮羊乳粉進(jìn)行比較分析。 噴霧干燥羊乳粉保留了原料乳中的大部分營養(yǎng)成分，與前期對冷凍貯藏羊乳的研究一致[14]，羊乳粉中變化最明顯的營養(yǎng)成分也是脂肪，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)比鮮羊乳粉分別降低了64%、60%，這個(gè)結(jié)果表明冷凍貯藏羊乳或許可以用于后續(xù)脫脂乳粉的生產(chǎn)。 脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降可能是由于甘油三酯（TAG）分解為了游離脂肪酸、二甘油酯和單甘酯[18]。Pons 等研究了在-20 ℃條件下貯藏的母乳，發(fā)現(xiàn)其TAG 含量下降， 而游離脂肪酸和1，2-二甘油酯含量增加[19]。此外，冷凍過程中形成的冰晶也會(huì)破壞脂肪球結(jié)構(gòu)從而引起脂肪含量下降。 與鮮羊乳粉相比，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降，一方面可能是因?yàn)閮鋈谶^程中蛋白質(zhì)酶進(jìn)一步水解蛋白質(zhì)形成了肽段或游離氨基酸[20]；另一方面可能是殺菌、濃縮、噴霧干燥等熱處理過程引起了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，造成質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降[21]。乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降可能是因?yàn)槿橹惺壤湮⑸镌诶鋬鲑A藏過程中利用乳糖進(jìn)行了生物代謝[22-23]。 與冷凍貯藏羊乳研究一致的是，UFHT 羊乳粉的營養(yǎng)成分保留優(yōu)于CFHT 羊乳粉。

乳粉可以長期保存的一個(gè)重要原因是脫除液態(tài)乳中大部分水分后，乳粉的水分活度降低，大部分微生物生長活動(dòng)被抑制，酶活力和生化反應(yīng)的發(fā)生受到限制[24]。 本研究中，3 組羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于5.0 g/hg，水分活度均小于0.2，其中，CFHT羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水分活度均低于鮮羊乳粉，可能是因?yàn)槔鋬鼋鈨鲞^程中溫度變化造成氣壓差， 出現(xiàn)了冰結(jié)晶的升華現(xiàn)象，從而使解凍后液態(tài)乳中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于新鮮羊乳，但還需后續(xù)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。 目前人們普遍認(rèn)為，當(dāng)水分活度小于0.7 時(shí)，可有效抑制食品中細(xì)菌、霉菌及酵母菌的生長；當(dāng)水分活度小于0.5 時(shí)，可以抑制幾乎所有微生物的生長繁殖[25]。 因此，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的初始水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水分活度都利于保藏， 當(dāng)后續(xù)貯藏條件合適時(shí)，超低溫冷凍和低溫冷凍貯藏羊乳制成的羊乳粉可以長期保藏。

羊乳粉的色澤參數(shù)直接反映其感官品質(zhì)，影響消費(fèi)者對羊乳粉產(chǎn)品的可接受度。 只有當(dāng)ΔE 值大于2 時(shí)，才可以肉眼觀察到顏色的差異[11]。 本研究中，UFHT 羊乳粉的ΔE 值為0.91±0.26，而CFHT 羊乳粉的ΔE 值為2.84±0.36。 但前期研究發(fā)現(xiàn)，羊乳冷凍貯藏80 d 引起的顏色差異可以忽略不計(jì)[14]，CFHT 羊乳粉色澤的變化可能是熱處理過程中乳內(nèi)部的羰基化合物與氨基化合物發(fā)生的美拉德反應(yīng)產(chǎn)生了類黑素，從而影響最終產(chǎn)品顏色[26-27]。 也有研究顯示，脫脂乳粉呈黃白色，而高蛋白質(zhì)粉呈灰白色[28]，乳粉中不同含量的營養(yǎng)物質(zhì)可能也引起其色澤差異。

乳中顆粒的大小與穩(wěn)定性高度相關(guān)，顆粒越小越有利于乳的穩(wěn)定[29-30]。 Miao 等研究了不同處理方式對驢乳的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度高于85 ℃時(shí)，可以檢測到驢乳顆粒尺寸的增加[31]。 此外，Kaskous 發(fā)現(xiàn)噴霧干燥駱駝乳粉的理化性質(zhì)（水分活度、粉末顏色、溶解度、流動(dòng)性、產(chǎn)率等）在很大程度上受飼料的影響[32]。 雖然激光共聚焦顯微鏡圖像顯示脂肪球分布較不一致，但從顆粒有效直徑來看，本研究制備的噴霧干燥羊乳粉穩(wěn)定性良好，這可能與羊乳粉的加工方式、生鮮羊乳原料等相關(guān)。 Zeta 電位也是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，已被用作脂肪球和酪蛋白膠束的電荷指標(biāo)。 一般來說，Zeta 電位絕對值越高，系統(tǒng)越穩(wěn)定[31]。噴霧干燥羊乳粉的Zeta 電位絕對值都大于46.00 mV，也表明羊乳粉具有良好的穩(wěn)定性。 總的來說，本研究中以冷凍貯藏羊乳為原料制備的噴霧干燥羊乳粉貯藏特性與穩(wěn)定性良好，且UFHT 羊乳粉的品質(zhì)優(yōu)于CFHT 羊乳粉。

3 結(jié) 語

以冷凍貯藏3 個(gè)月的羊乳為原料制備噴霧干燥羊乳粉， 通過對其營養(yǎng)與理化品質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪較新鮮羊乳粉損失較嚴(yán)重，乳糖和蛋白質(zhì)損失較少，而UFHT 羊乳粉的脂肪、 蛋白質(zhì)和乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于CFHT羊乳粉。 此外，噴霧干燥羊乳粉的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，水分活度均小于0.2，易于長期保藏；粒徑、Zeta 電位結(jié)果與激光共聚焦顯微鏡圖像顯示噴霧干燥羊乳粉復(fù)水后穩(wěn)定性較好。 總的來說， 以冷凍貯藏羊乳為原料制備的噴霧干燥羊乳粉品質(zhì)良好， 且UFHT 羊乳粉的品質(zhì)優(yōu)于CFHT羊乳粉。