乳基質組成成分對游離脂肪形成的影響

李延華,王偉軍，周倩茹，俞佳麗，樓錦雯

（1.浙江工商大學食品與生物工程學院，杭州 310018；2.浙江一鳴食品股份有限公司，浙江溫州 325000）

0 引 言

乳粉根據其脂肪質量分數可以分為：脫脂乳粉，全脂乳粉和加脂乳粉，脂肪質量分數分別為0%，26%和26%以上。干燥過程是一種可以將液體乳制備成粉末的方法，以除去乳中幾乎所有的水分。因此，干燥過程會導致一系列的結構修飾和物理化學的改變，這些改變反過來又影響乳粉粉末的應用性能及其貨架期。然而，此情況下希望通過控制干燥工藝和乳粉特性來保證乳粉質量完全是憑借經驗，到目前為止，這方面的研究還是非常有限的。干燥工業認為游離脂肪是乳粉復水性能和流動性顯著下降、氧化風味變化的主要原因之一[1-2]，涉及含脂乳粉中游離脂肪所帶來的質量問題，目前主要集中在不同組成和工藝參數方面進行研究[3-4]。本文在區分乳中游離脂肪不同定義的基礎上，說明乳中游離脂肪的量化方法，并結合乳體系中不同組成成分的重要性，闡述乳中不同的組成成分對游離脂肪形成的特定影響。

1 乳及乳制品中游離脂肪的定義

關于什么是乳及乳制品中的游離脂肪，人們并沒有達成一致意見，目前有關乳中游離脂肪的定義有如下方面的描述。

1.1 脂肪的結構

1.2 脂肪酸的組分

Lindquist和Brunner發現游離脂肪的飽和脂肪酸、游離脂肪酸、單甘酯和磷脂的脂肪比“封裝”脂肪更為集中[7]。有研究已證實：游離脂肪中的脂肪酸主要為碳鏈長度從6到8的飽和脂肪酸，而C16∶1，C18∶1，C18∶2和C18∶3等不飽和脂肪酸相對較少[8]。此外，噴霧干燥乳粉中表面游離脂肪比內部游離脂肪含有略多的飽和脂肪酸。游離脂肪被認為應該是富含高熔點甘油三酯，且后者堆積在粉末顆粒表面。然而，表面游離脂肪、內部游離脂肪和“封裝”脂肪的隔熱材料表明：甘油三酯復合物的熔點范圍從-40℃到40℃。Truyen和Orsi觀察不飽和脂肪酸在游離脂肪和結合脂肪的極性脂中占有更大的比例[9]。這里需要指出的是：游離脂肪和結合脂肪中的脂肪酸組成仍然需要進一步測定，分離游離脂肪和結合脂肪的可行方法也需要進一步研究。

1.3 乳脂肪的提取方法

目前，有些研究者將游離脂肪定義為：在可控條件下可提取的溶劑脂肪[9-11]。不同的研究者改變方法以適用于各自的應用，然后游離脂肪就變成是個模棱兩可的術語。Walstra不支持乳中游離脂肪的概念，并認為無覆蓋的脂肪是不可能存在的，提出蛋白質會吸附在脂肪上約10 ms，即脂質部分只要接觸到乳就會被吸附[12]。

Marie-Laure等提出游離脂肪的定義可以分為如下兩個方面：游離脂肪為（1）不完全被包覆，并且兩性分子穩定的脂肪，舉例來說，由磷脂和蛋白質組成的乳脂肪球膜或由吸附的蛋白質經過一些處理步驟包覆，如熱處理、均質后的聚合層物質；（2）并不是在干燥過程中由非晶態碳水化合物（如乳糖）和蛋白質組成的基質完全保護的。它既位于表面，也位于粉末顆粒的內部[1]。

2 乳基質中游離脂肪的分析與檢測方法

目前，主要采用溶劑萃取法進行乳中游離脂肪的測算，也可以根據游離脂肪的結晶特性、顯微結構觀察、離心過濾法、色譜技術、X射線光電子能譜技術進行游離脂肪的分析與檢測。

2.1 溶劑萃取法

2.1.1 普遍原理

溶劑萃取法在量化乳粉中的游離脂肪時最為常用，可以按照游離脂肪定義把完全被保護的脂肪通過溶劑去除[13]。它給出了一個預估的脂肪通過該過程“封裝”的效率。它包括往一個固定質量的粉末中添加固定體積的有機溶劑，在特定時間里混合均勻，然后過濾懸浮液，并重復萃取必要的次數，以恢復所有的游離脂肪，并將定量的溶劑蒸發后測質量。游離脂肪通常表示為總脂肪的百分比，考慮到產品特性，有時計算乳粉粉末的質量分數。

2.1.2 提取參數

3.1.1 官方出版物的海外傳播現狀 通過訪談得知，官方出版物在海外的種類比較少，主要包括國際武術聯合會出版印制的國際武術競賽套路教程、中國武術協會出版的中國武術段位制海外教程。這些官方出版物以英文為主要語言，發行至各國，用于海外各國的武術教學與訓練。教材語種比較單一，沒有涉及其他語種，對小語種國家的武術傳播造成了一定的影響。對于武術教材來說，紙質媒介的教材通過文字和圖片對習練者進行指導，滿足教學人員備課和習練者自學使用，但是如果英語能力不足，則沒有辦法理解教材中的內容，造成了武術傳播中的中介障礙，無法達到武術國際化的傳播效果。

提取參數大大影響所恢復的游離脂肪的量，有時能高達10倍。脂肪溶劑的種類不會影響游離脂肪的回收，并提供了體系的非極性。石油醚、正己烷、苯、異辛烷、甲苯、叔丁基甲醚和二硫化碳可用于提取游離脂肪，其中石油醚和正己烷已被廣泛用于游離脂肪萃取。提取溶劑的混合比例不干擾萃取，只要提供足量溶劑，就能從粉末中提取所有的游離脂肪。攪拌方式對結果的影響較大：攪拌越強，由于機械應力使粉末顆粒產生裂紋，從而導致接觸脂肪的溶劑越多。萃取時間在30 min及以上時會提高萃取效果。增加提取時間和提高提取溫度，能萃取更多的游離脂肪。乳粉粉末特性會影響溶劑的接觸，即顆粒尺寸和孔隙率。提取的游離脂肪量與粒徑和孔隙率高度相關，分別為-0.70[14]和0.94[15]。這是由于表面積的增加，并促進溶劑通過孔和孔隙和與粉末接觸。Faldt等考慮到提取深度，認為應采用校正因子計算游離脂肪的提取量[16]。

2.1.3 溶劑萃取法的局限與觀點

很少有作者給出采用溶劑提取法的可靠性。由于溶劑的蒸發和保留的差異，溶劑提取法的重復性為0.1%～4%，重現性為0.45%[17-18]。該方法適用于液體和固體產品，游離脂肪完全可從不同顆粒大小和孔隙率的乳粉中完全提取。有學者推薦：在提取過程的最后操作采用溶劑對粉末顆粒進行短時間清洗，但該方法不能適用于表面游離脂肪的提取，因為這將相當于增加一次額外的提取[8,19]。溶劑萃取法本身可能會導致游離脂肪定量結果的增加。Evers等觀察生牛乳和奶油中游離脂肪含量隨著脂肪溶劑極性的增加而增加，原因在于乳脂肪球膜的變化。然而，使用非極性溶劑會阻止脂肪球的損壞，因為極性溶劑主要用于溶解交界面的極性脂質和蛋白質[17]。

2.2 游離脂肪結晶特性的計算方法

脂肪的熱性能與其甘油三酯的脂肪酸構成有關。差示掃描量熱法可以測量提取的游離脂肪的熱性能，例如：結晶起始溫度、熔化的最終溫度、結晶焓和熔融焓，并與總脂肪的熱性能相比較。Vanapalli和Coupland制作了乳狀液模型，利用差示掃描量熱法觀察脂質結構[20]

。當樣品經歷連續的冷凍和加熱循環，放熱結晶峰逐漸出現在脂肪的初始結晶溫度上。這種現象歸因于乳化脂肪量的逐漸減少和不再乳化的游離脂肪的形成。游離脂肪可以作為雜質或核心存在于乳狀液中，并導致異質結晶比天然乳液中溫度更高。因此，游離脂肪是不可能與脂肪的脂質核心形成密切聯系的。在高溫放熱峰下，可以根據面積推導出游離脂肪的相對比例。Lopez等提出：差示掃描量熱法是一個評估Emmental干酪中游離脂肪形成的可靠方法[21]。

2.3 乳粉粉末顆粒和脂肪微觀結構的表征

激光共聚焦顯微鏡技術可以非侵入性的觀察到幾個元素的表面和粉末顆粒內部。Nile藍和Nile紅熒光探針常用于標記脂肪，通過粉末顆粒的連續焦平面進行掃描探索，可以通過樣品的光學切片來觀察到脂肪的形態、脂肪的尺寸及其在表面和顆粒內部的分布。非球狀脂肪的大部分面積可以出現在顆粒表面。Buchheim等改進了方法，通過標記四氧化鋨使脂肪表面的觀察在游離脂肪提取前后均可進行[22]。

掃描電子顯微鏡已被用來推斷粉末顆粒的結構和粒度分布。Kim等觀察發現：用石油醚提取游離脂肪前后乳粉的變化，發現全脂乳粉表面比較光滑，但在游離脂肪除去后表面顯示有許多明顯的凹痕。這是因為最初被不規則的“補丁”或“小灘”覆蓋住約1μm或被一層表面游離脂肪覆蓋[23]。乳粉表面覆蓋厚厚一層呈油膩狀的物質，但提取后顆粒間很好的分離，在顆粒表面出現許多的空心圓特征，這可能最初是由一層厚厚的游離脂肪填充。掃描電鏡可清晰地觀察乳粉粉末的物理特性，如潤濕性、集聚性、流動性，分辨率為5～10μm[24-25]。

透射電鏡技術在觀察加工過程中形成的蛋白質-脂肪之間的相互作用是十分有用的，最相關的例子是均質化后酪蛋白膠束對脂肪的吸附影響了乳液的穩定性[26]。

2.4 離心過濾法

Fink和Kessler在生牛乳和生乳酪中，根據餾分間的密度差從乳化脂肪中分離出不再受乳脂肪球膜保護的脂肪[27]。在60～65℃下，應用兩步離心法將回收的最高油相的高度表示為樣品中游離脂肪的含量，并認為此方法與脂肪液滴大小有關，與溶劑萃取毫無關聯。

2.5 色譜技術

色譜技術被廣泛用于表征脂質，通常氣相色譜法適用于判斷游離脂肪餾分的準確脂肪酸；高壓液相色譜法常用于甘油三酯的組分測定。

2.6 X射線光電子能譜技術

X射線光電子能譜是一種可以給出粉末顆粒表面構造的技術。采用矩陣公式可以量化樣品中每個元素的質量分數[28-29]。乳粉中的干物質由乳糖、蛋白質和脂肪三大要素組成，該技術不能區分游離脂肪和結合脂肪，但它可以與游離脂肪提取前后粉末顆粒的掃描電子顯微鏡圖像結合進行分析游離脂肪的特性[1]。

3 乳組成成分對游離脂肪的影響

乳中的脂肪、蛋白質、乳糖、礦物質元素等組成成分在游離脂肪的形成過程中可以發揮作用。

3.1 脂肪自身的相互作用

噴霧干燥乳粉的表面組成，主要包括脂肪（98%），蛋白質和含量較少的乳糖。游離脂肪提取法與X射線光電子能譜技術耦合，Kim等推導出噴霧干燥全脂乳粉顆粒被游離脂肪層覆蓋，蛋白質被脂肪涂層[30]。然而，游離脂肪和表面脂肪是不相關的，該研究認為游離脂肪來自于內部粉末顆粒。噴霧干燥全脂乳粉的激光共聚焦顯微鏡觀察表明：脂肪、蛋白質和封閉的空氣被截留在一個連續無定形乳糖相中。但Twomey等認為高游離脂肪含量的乳粉有一層表面游離脂肪層，且脂肪的完整性會變化[14]。McKenna將非球狀脂肪區歸因于脂肪的聚結，認為表面游離脂肪主要位于團聚粉顆粒的接合點[31]。

Aule和Worstorff提出部分脫脂乳粉中脂肪含量和游離脂肪含量呈正線性相關，總脂肪含量的微小變化會導致游離脂肪含量顯著的變化[32]。Young等把這種現象歸因于脂肪周圍的包層厚度的減少[33]。

3.2 蛋白質對游離脂肪的影響及其與脂肪的相互應用

乳中的蛋白質可以在均質化過程中水脂界面間發揮重要作用，同時在干燥過程中的空氣/液體界面中也發揮重要作用。“封裝”階段必須顯示出高度溶解度，良好的乳化性能。蛋白質保證了良好的乳液穩定性，并在干燥過程中可以保護脂肪。

Hogan等研究類似于工業中使用的蛋白質濃度，脂肪被涂上一層飽和單層或吸附多層，當脂肪/蛋白質的比例較低時，在乳狀液中的脂肪/蛋白質的比例越小，粉末顆粒表面被脂肪覆蓋的越少[34]。脂肪/酪蛋白比例越高，顆粒表面的干皮形成較慢，從而導致干燥中脂肪降解。這是由于乳狀液脂肪含量高，缺乏蛋白質穩定脂肪和水界面，黏度過高導致霧化效果變差，粉末顆粒表面干殼的延遲形成導致脂肪劣變。

3.3 乳糖和其它碳水化合物的影響及其與脂肪的相互作用

游離脂肪含量隨著乳糖/蛋白質比值的增加而降低[33,35-36]。Aguilar和Ziegler發現，乳糖濃度超過400 g/kg時會限制游離脂肪含量，原因是盡管粉末顆粒尺寸減少會導致表面積增加，但是顆粒會接近球形，表面平整，孔隙較少，進而阻礙脂肪的可接觸性[37]。非晶態乳糖作為粉末顆粒內的親水性填料，可以阻礙乳粉粉末顆粒內非極性溶劑的擴散及油脂的可接觸性。由于必須避免太多的脂肪擴散，非晶態的親水性乳糖是通過疏水性蛋白涂層延遲擴散的十分有效的成分。

在乳粉加工及貯藏中乳糖晶體損壞乳脂肪球膜和脂肪的蛋白質外層，進而導致聚結[38-39]。乳糖作為連續相存在于乳中，它將從玻璃態轉變為橡膠態，當溫度處于玻璃態轉變溫度上時，其它存在于粉末顆粒里的成分形成流動性，隨之脂肪被釋放[40-41]。如果在干燥前加上預結晶步驟，高達85%～95%的總乳糖可以在α-乳糖水合物結晶狀態結晶，一般可觀察到戰斧形狀。一旦乳糖結晶，溶劑可以輕易擴散，“封裝”效率會下降，也將導致粉末顆粒的孔隙率改變，這是由于乳糖和蛋白質之間的相分離，形成新的孔隙。

此外，一些碳水化合物可適用于食品工業的微囊化。阿拉伯膠、麥芽糊精、改性淀粉和天然膠和蠟等，通常阿拉伯膠最為常用[42-43]。高葡萄糖當量值的表面活性碳水化合物，可提供多孔性較弱和更均勻的顆粒，從而降低溶劑的可接觸性。這些碳水化合物的存在既提高了包封基質的干燥能力，也提高了粉末顆粒中邊界部分干殼的形成。葡萄糖當量值越高，粉末顆粒表面通過掃描電鏡觀察到的裂縫越少，直到完全消失。脂肪保留度更高，因為粉末脆度下降。碳水化合物可作為脂肪周圍干燥基質的填料，作用在于提供低粘度的濃縮物，使其能夠快速干燥。選擇碳水化合物取決于粉末的性能要求，如溶解度、孔隙率和吸水性。

3.4 乳中礦物質元素的影響及其與脂肪的相互作用

X射線光電子能譜對乳粉表面成分測量發現：碳，氧和氮占總檢出元素的99%[44-45]，這意味著鈣，鈉和磷酸鹽可以存在于乳粉粉末顆粒表面，礦物質元素通過其與蛋白質相連的膠體部分可能有間接的影響。鹽類會降低蛋白質之間的靜電斥力，這可能會影響脂肪之間共享的界面[46]。此外，鹽可以影響粉末的物理性質，因為其具有親水性，可以提高水分吸收，同時會帶來一定的負面影響，但會有利于乳粉顆粒的水合作用。

4 結論

游離脂肪是評定乳制品質量的重要指標。根據結構、脂肪酸組成及研究方法的不同，乳體系中的游離脂肪定義存在差異。溶劑萃取法是定量分析乳中游離脂肪含量的最為常用方法。然而，由于溶劑萃取法在定量乳中游離脂肪時存在缺陷，采用差示掃描量熱法觀測脂肪結晶特性，采用X射線光電子能譜技術分析乳粉顆粒表面組成，采用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀測乳粉顆粒微觀結構，采用色譜方法分析脂肪酸組成等方法在不同乳制品中游離脂肪的定性/定量分析中逐步應用。同時，乳脂肪、蛋白質、碳水化合物、礦物質元素等組成與游離脂肪的形成密切相關，進一步的研究應考慮與工業要求相一致的組合物，尤其是游離脂肪和加工濃縮物組分之間的關系，也應著眼于物料組成和加工參數對游離脂肪分布和產品穩定性的交互影響。