我國牦牛乳制品開發現狀與前景

王博,張維清,楊國紅,于景華

1(甘肅工業職業技術學院,甘肅 天水,741025)2(天津科技大學 食品工程與生物技術學院,天津,300457) 3(國家糧食和物資儲備局科學研究院,北京,100037)4(天津伊利乳品有限責任公司,天津,301700)

牦牛(Bosgrunniens)是世界最著名的牛種之一,我國作為牦牛的主產國,現有牦牛約1 330萬頭,占世界牦牛總量的90%以上,主要分布在以青藏高原為中心的青海、西藏、四川、甘肅、新疆和云南等省、自治區的高山地帶[1]。根據《中國家畜家禽品種志》,目前我國有12個官方認可的家養牦牛品種,包括四川的九龍牦牛、麥瓦牦牛，甘肅的天祝白牦牛、甘南牦牛，西藏的八里牦牛、嘉里(高山)牦牛、四步牦牛，青海的環湖牦牛、高原牦牛、長毛額牦牛、新疆的霸州牦牛以及云南的中甸牦牛[2]。

牦牛是當地牧民最主要的經濟來源和生活支柱,與當地的文化、宗教、社會生活緊密相連。相對于其他牦牛產品,牦牛乳是最具經濟價值的,可占當地牧民總收入的60%。但由于技術和設備的限制,牧民們只能對牦牛乳進行初步的加工利用,例如制作成酸乳、酥油、曲拉、奶茶等傳統牦牛乳制品,產品質量參差不齊,資源浪費嚴重。目前,牦牛乳約占我國牛乳消費量的15%,與普通牛乳、羊乳等相比,其深加工程度不高、商品化率低,消費者認知度弱,對牦牛乳研究和利用尚不夠深入,還需進一步加大開發力度。本文介紹了牦牛乳獨特的營養價值,以干酪素、發酵乳制品、生物活性肽和嬰幼兒配方奶粉等具有代表性牦牛乳制品為例,分析了其市場前景及產品開發中亟需解決的問題,旨在為從事牦牛乳營養成分基礎研究的科研人員和牦牛乳制品開發人員提供參考。

1 牦牛乳的營養價值

牦牛生活在污染較少的高原地帶,野生或半野生的生存方式使得牦牛乳具有純凈、天然、無污染的生態品質。與其他牛種一樣,牦牛也是季節性繁殖生產,牦牛的產奶期在每年6～9月,每頭泌乳量在150～500 kg,乳中各成分的含量隨牧草和氣候發生動態變化,同時也受牦牛的品種、年齡、胎次、身體狀況以及飼養面積、擠奶時間、擠奶方法等因素的影響[3]。但與普通的荷斯坦牛乳相比,牦牛乳具有高蛋白質、高乳脂率和高礦物質含量的特點,營養物質豐富且易被人體消化吸收[4]。牦牛乳與荷斯坦牛乳、羊乳和母乳主要營養成分的差異見表1。

表1 不同乳源乳成分比較

牦牛乳為當地牧民和乳品加工企業提供了豐富的優質乳蛋白質資源。牦牛乳中含有17%～18% 乳干物質,其中蛋白質含量在4.6%～5.8%。LI等[5]發現了牦牛乳蛋白在加熱溫度140 ℃,pH 6.8左右時熱穩定性達到最大值,當pH<6.4以及 pH>7.0時,熱穩定性最低；當遠離變性溫度140 ℃ 時,牦牛乳酪蛋白具有良好的功能特性。因此牦牛乳蛋白具有較寬pH范圍的熱穩定性,這利于牦牛乳后續熱處理、殺菌等加工工藝的進行。牦牛乳酪蛋白約占總蛋白質的76%,是普通牛乳的1.5倍,母乳的11倍左右；其中β-酪蛋白(β-casein,β-CN)在總酪蛋白中的占比最大,在45%左右[6-7]。牛乳中的β-CN主要分為A1型和A2 型,相應的,將含有A1和A2 型 β-CN 的乳分別稱為A1型乳和A2型乳。研究表明,人體消化A1型 β-CN后可生成β-酪啡肽-7(β-casomorphin-7,β-BCM-7),而A2 型β-CN則不會產生,β-BCM-7可能干擾人體正常代謝,增加嬰兒患I型糖尿病的風險,還可能影響免疫系統和心血管系統發育,引起消化和呼吸功能性障礙[8-9]。羅卉卉等[10]對麥洼牦牛和九龍牦牛基因型進行分析,發現A2 等位基因占明顯優勢,達90%以上,所以牦牛乳是A2 型β-CN高占比的A2型奶源。目前,人類無區別飼養的條件下使得全球奶牛普遍攜帶A1突變基因,導致全球的奶源大部分為A1型,因此A2型奶源顯得更為珍稀。此外,牦牛乳蛋白質中含有人體必需氨基酸含量比普通牛乳高約45%,其中嬰幼兒生長發育所必需的組氨酸含量也高于普通牛乳[6]；牦牛乳中骨橋蛋白含量豐富,它可以參與組織修復和自身代謝,對嬰兒早期的免疫及大腦發育十分重要。母乳中的骨橋蛋白含量遠高于牛乳及以牛乳為基質的普通配方奶粉。因此人工喂養兒可能需要額外的骨橋蛋白補充,而牦牛乳蛋白可作為骨橋蛋白生產的新資源[11]。

脂肪是牦牛在低溫環境下生存的關鍵能量助推器。牦牛乳的脂肪含量在5.3%～8.8%,幾乎是普通牛乳的2倍；膽固醇和鞘磷脂含量也均高于普通牛乳[12-13]。牦牛乳脂肪中脂肪酸種類豐富,其中支鏈脂肪酸(branched chain fatty acid,BCFA)含量占總脂肪酸的3%～6%。BCFA可以降低新生大鼠模型中的壞死性小腸結腸炎的發生率,對T細胞非霍奇金淋巴瘤細胞株具有抗腫瘤作用并且可調節胚胎后發育,因此提高居民膳食中BCFA的攝入量具有重要意義,據調查,牦牛乳消費者的BCFA攝入量在世界范圍內都處于較高水平[14]。牦牛乳還含有共軛亞油酸、二十碳五烯酸、二十二碳五烯酸和二十二碳六烯酸等功能性脂肪酸,可提高神經系統活性、防治心腦血管疾病和癌癥等,同時牦牛乳還具有抗炎癥、抗氧化、抗缺氧及抗疲勞等特殊的生理功能[15-16]。牦牛乳脂肪球的平均大小明顯大于牛乳(牦牛乳4.39 μm,普通牛乳3.87 μm),較大的脂肪球和比表面積使其含有豐富的乳脂肪球膜。據報道牦牛乳的脂肪球膜蛋白具有明顯的降血脂作用,而普通牛乳的脂肪球膜蛋白可促進葡萄糖的攝取[17]。牦牛乳脂肪球膜蛋白為糖尿病、心腦血管疾病患者的膳食干預或治療提供了新的思路。

乳礦物質在免疫保護、體液調節和維持滲透壓、體液酸堿平衡以及膳食補充等方面具有重要作用。與普通牛乳相比,牦牛乳鐵、鈣和磷含量較高[18-20]。高原地區蔬菜、水果等物資匱乏,當地農牧民長期通過食用牦牛乳及其制品獲取礦物質、維生素、必需氨基酸和多不飽和脂肪酸等營養物質,以適應高原地區惡劣的生活環境并提高自身身體素質[21-22]。

牦牛乳及其制品因其特殊的營養價值而受到越來越多的消費者歡迎,但對新鮮的牦牛乳進行收集并及時加工利用還存在一定的困難。由于青藏高原地形復雜,傳統的擠奶機械在高原上無法靈活使用；牦牛又采用自由放養的方式,散布在高原的大片地區,缺乏運輸和儲存設施,因此牧民普遍采用人工擠奶方式,勞動強度較高,乳品質無法保證。ZHANG等[23]設計了一種由機架、葉輪、旋片式真空泵、緩沖罐和接收器組成的可移動式牦牛乳擠奶機,質量小,操作靈活,不影響草原環境,適用于在地勢險峻復雜的高原地區代替人工擠奶,提高工作效率,降低勞動強度,保證擠奶過程的衛生。張巖等[3]以牧區專業合作社為單位,牧民為生產管理主體,引入先進的小型乳制品自動化生產線,建立適用于青藏高原小型牦牛乳制品加工生產模式。但適用于牦牛乳上游產業鏈的生產加工方式還需進一步創新優化。

2 牦牛乳的開發利用

目前,除牧民自加工外,牦牛乳的開發利用主要集中在干酪素和發酵牦牛乳制品的生產、生物活性肽的制備以及牦牛乳粉特別是嬰幼兒配方奶粉等高附加值產品的研發等方面。

2.1 干酪素

干酪素的主要成分為酪蛋白,可作為食品添加劑、品質改良劑、增色劑等應用于食品、造紙、皮革、乳膠、輕紡、醫藥、機械制造及化妝品等行業[24]。干酪素行業直接帶動了甘肅、青海、四川、西藏、云南等省區的牦牛產業的發展。

目前,國外生產干酪素以鮮乳為原料,生產過程自動化程度高,生產出的干酪素產品色澤和質量較好。而我國生產干酪素的原料以曲拉為主。曲拉是牧民們生產酥油后的副產品,即脫脂后的牦牛乳經自然發酵風干得到的粗奶酪(酪蛋白約占總干物質的80%)；將其放在pH 8～10的水中熔融,用鹽酸酸化后經沉淀、過濾、干燥即可得到干酪素產品[25]。由于藏區牧民居住分散、缺少相應的脫脂設備和脫膻技術、制作工藝參數不統一、環境衛生條件不合格等因素,導致曲拉的制作周期較長,區域性差異大且品質較差[26],加之下游的生產企業規模小、加工工藝比較粗糙、設備的利用率低、缺乏pH值等因素對牦牛乳酪蛋白影響的相關理論知識儲備,造成曲拉鹽酸干酪素產品出現色澤發黃、無光澤、酸敗味、Cl-含量高等問題,使其在使用、價格、對外出口等方面受到很大限制[27-28]。陳夢音等[29]應用主成分分析和聚類分析建立曲拉品質綜合評價體系,篩選出外觀和色澤是評價曲拉品質的主要指標。甘伯中等[30]針對用曲拉原料生產的干酪素顏色發黃、無光澤等問題,采用離心過濾、亞硫酸鹽和抗氧化劑處理,使產品的色澤有一定的改善。紀銀莉等[31]以曲拉為原料,微小毛霉凝乳酶為凝乳劑,利用響應面法優化曲拉凝乳酶干酪素凝乳工藝為：凝乳pH值6.2、凝乳酶添加量0.05 g/kg、CaCl2添加量25 g/L、凝乳溫度42 ℃,此條件下曲拉凝乳酶干酪素的理論出品率為75.23%。YANG等[32]研究了牦牛乳酪蛋白膠束在pH 4.6～8.2的解離行為,結果表明,牦牛乳酪蛋白膠束在pH 5.4時開始聚集,此時鎂、鉀、鐵、鋅、銅和錳的含量達到最低值;當pH<5.0時,形成了酪蛋白膠束的網狀結構,粒徑和可溶性礦物含量顯著增加。由于膠體磷酸鈣參與影響酪蛋白膠束的構象和穩定性,可根據鈣和磷在乳清和膠束相之間的分布情況估計酪蛋白膠束在整個酸化過程中的變化趨勢。改進曲拉的加工技術、優化干酪素的生產工藝、闡明酪蛋白溶解過程及其聚集狀態等研究將為干酪素品質的提升奠定良好的理論基礎,使其滿足生產需要及市場需求。

實驗室的基礎研究為牦牛乳曲拉干酪素工業化生產提供了數據及參考資料,但為了進一步提高曲拉干酪素的品質,為牧民和企業創造更大的經濟效益,可嘗試從以下方面入手：(1)通過建立藏區服務示范基地,為牧民提供技術和設備的支持,培養藏區專業技術人才,簡化優質牦牛曲拉的生產技術,對牧民進行標準作業程序的培訓,提升牧民對牦牛曲拉等乳制品的加工水平；(2)研發并鼓勵牧民購置適合藏區使用的簡易曲拉規范化生產設備,改善牧民的生產環境；(3)建立以質論價體系和品質綜合評價體系,對曲拉進行等級劃分,以價格促質量；(4)推進產學研深度融合,加快實驗室成果向實際生產的轉化,攻克企業面臨的牦牛乳領域的核心和關鍵技術難題。

2.2 發酵乳制品

發酵牦牛乳制品的效益不僅體現在功能價值上,還體現在營養和經濟價值方面。以新鮮牦牛乳為原料生產傳統的自然發酵牦牛乳為例,它的總固形物含量、蛋白質、脂肪、乳酸、礦物質(如鈣、磷和鎂)以及維生素B、維生素 C的含量均高于普通牛奶發酵而成的酸奶[38]。現如今隨著消費者對于“+營養”和“-負擔”健康乳品的追求,利用牦牛乳獨特的營養價值和我國牦牛乳資源的優勢,研發生產商業化高附加值的發酵牦牛乳制品可有效促進牦牛乳制品的滲透擴張、產品創新和消費升級,助力牦牛乳產業成為拉動我國乳制品市場增長的重要驅動力。

2.3 生物活性肽

生物活性肽是一類分子質量<6 000 Da,對生物機體的生命活動有益或具有多種生物學功能的肽類化合物。乳蛋白作為開發生物活性肽的優質來源,是研究最早、最廣泛的蛋白質之一。磷酸肽是在乳酪蛋白水解液中發現的第一類生物活性肽,生物活性肽領域的快速發展也始于從乳酪蛋白消化液中鑒定和分離的類阿片肽[39]。隨著乳源生物活性肽的研究不斷深入,有關生物活性肽的研究已從闡明其形成、結構和功能拓展到開發其在功能性食品中的潛在用途及生物利用率評價等方面。例如已經證明酪蛋白磷酸肽對H2O2誘導的氧化應激具有細胞保護作用,其可以作為金屬離子螯合劑,通過與鐵等促氧化金屬離子結合而抑制脂質氧化[40-41]。因此,酪蛋白磷酸肽已做為天然抗氧化劑用于水包油型乳狀液中,以減少油脂的氧化酸敗[42]。

從不同哺乳動物的乳蛋白中提取的生物活性肽的功能變化取決于這些蛋白質之間的同源程度[43]。從這個角度出發,牦牛乳蛋白可作生物活性肽開發的新資源,為開發具有特定營養保健功能的新型食品提供來源。目前,已從牦牛乳蛋白中分離并鑒定了具有礦物結合、血管緊張素轉換酶(angiotensin-I-converting enzyme,ACE)抑制、免疫調節、抗癌、抗菌和抗血栓活性的多肽。JIANG等[44]利用中性蛋白酶水解曲拉得到了較高活性的ACE抑制水解物,其半抑制率IC50為0.38 mg/mL,它們的氨基酸序列與已知生物活性的牛乳酪蛋白肽相吻合。宋雪梅等[45]研究發現,牦牛乳硬質干酪經體外消化前后,ACE抑制活性無顯著性差異,有18種ACE 抑制肽共享了已知ACE抑制肽C-末端的三肽氨基酸結構。MAO等[46]通過自由基的清除率以及脂多糖刺激的小鼠腹腔巨噬細胞的細胞活力、NO生成和促炎細胞因子分泌等指標,測定牦牛乳酪蛋白水解物的抗自由基和抗炎活性。結果表明,與未水解牦牛乳酪蛋白相比,用堿性蛋白酶水解7 h的水解物對DPPH、超氧化物和過氧化氫自由基的清除率最高,對NO的產生、促炎性細胞因子、白細胞介素-6(IL-θ)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等分泌具有顯著下調作用。在模擬腸道消化條件下,WANG等[47]發現牦牛酪蛋白水解物可結合鋅、鐵離子形成可溶性、可透析的復合物,這說明制備的牦牛酪蛋白水解液中含有礦物結合肽。牦牛乳酪蛋白水解液中二價離子的主要結合位點由羧酸和酰胺基組成,但還需要進一步的研究來鑒定其中的肽類化合物[48]。隨著儀器分析技術的發展和完善,可將脂質組學、蛋白質組學、代謝組學及多組學聯合技術運用于牦牛乳生物活性肽的分離鑒定,明確牦牛乳中的生物活性化合物的營養功能及其對健康的潛在作用機制,深度開發生產牦牛乳系列功能性高端產品,為我國功能性食品的開發提供新原料。

2.4 嬰幼兒配方奶粉

目前,市場上有很多以牛奶、羊奶等反芻動物的奶源為基礎生產的嬰幼兒配方奶粉。牦牛作為世界上僅存的源種動物之一,其奶源屬于A2型β-CN高占比的A2型奶,營養結構自然,易于人體的吸收,可作為一種安全可靠的嬰幼兒配方奶粉基礎材料。DUARTE-VZQUEZ等[8]用娟珊牛A2型乳研發了一種嬰兒配方奶粉并模擬胃腸消化,結果表明,A2 型奶粉產生BCM-7的量顯著低于 A1 型乳和普通的嬰兒配方奶粉。同時A2型乳還可改善消化功能,致敏性低[49]。LUO等[50]對比了奶牛、牦牛乳脂肪球在體外模擬的嬰兒胃腸道消化情況,牦牛乳脂肪球具有高脂消化率,釋放的不飽和脂肪酸比奶牛乳脂肪多,消化過程中釋放的脂解產物對新生兒的營養代謝有積極影響。蛋白質中還富含母乳中才有的一些天然免疫因子和生物活性成分,包括共軛亞油酸、乳過氧化氫酶、溶菌酶、免疫球蛋白、乳鐵蛋白、轉鐵蛋白、乳白蛋白、轉化生長因子-β2和胰島素生長因子等,可為新生幼兒提供被動免疫,保護機體免受一些病原微生物的感染[6]。另外,在牦牛乳脂肪球膜中還發現糖基化依賴性細胞粘附分子1、CD59分子和乳凝集素的豐度明顯高于普通牛乳(4.6～10.1倍),這些蛋白質具有良好的抗菌和免疫功能[51]。牦牛乳的生物活性成分上為牦牛乳基嬰幼兒配方奶粉的開發提供了天然優勢。

人和反芻動物乳汁中蛋白質組分的較大差異是造成嬰幼兒發生過敏、不消化等現象的主要原因。牛乳中的β-乳球蛋白屬于強過敏原——脂質運載蛋白家族,而母乳中幾乎不含β-乳球蛋白,所以母乳不具有致敏性,牦牛乳因含較低的β-乳球蛋白(約為普通牛乳的20%),所以具有低致敏性[52]；另外,牦牛乳含有較高的β-酪蛋白(45%左右)、α-酪蛋白(約 40%)和較低的 κ-酪蛋白(約 14%)[6],總酪蛋白、乳清蛋白與總蛋白的比值均大于牛乳。牦牛乳蛋白質的組成更貼近母乳,有利于嬰幼兒消化吸收,可簡化嬰幼兒配方奶粉的生產加工過程,使敏感的營養成分最大限度保留。

通過比較母乳與牦牛乳的營養成分的差異,可為牦牛乳源嬰幼兒配方奶粉的研發提供數據支持,或從牦牛乳中發現可添加到嬰幼兒配方奶粉中的生物活性成分。但在嬰幼兒配方奶粉的實際研發生產中,僅僅改變各營養成分比例遠遠不能準確模擬母乳,牦牛乳母乳化還需參照牛乳、羊乳等成熟嬰幼兒配方奶粉的研發過程進行精準研究。

3 結論與討論

近十年來,我國的乳制品消費量實現了跨越式增長。隨著我國社會老齡化程度不斷加深、銷售渠道多元化進展以及后疫情時代消費者攝入乳制品意識的增加、對腸道免疫關注的提高,乳制品行業將在大健康時代迎來新的經濟增長點。

牦牛乳作為一種原生態、無污染的優質特色乳資源,市場開發潛力巨大。我國具備全面開發牦牛乳制品的先天資源優勢和基礎條件。經過多年的發展,已建成國家級牦牛乳系列產品技術研發中心和牦牛乳產業園,各地方的牦牛乳品企業也初具規模,研發生產了干酪素、生物活性肽、牦牛乳酸奶、牦牛乳配方奶粉、蛋白粉、蛋白糖等牦牛乳制品,但產品的質量差異較大,消費者認知度不高。根據食品安全標準與監測評估司最新發布的《食品安全國家標準 乳粉(征求意見稿)》,牦牛乳粉的技術要求已被納入國家標準,由此可見我國將對牦牛乳及其制品的生產和產品質量作進一步規范。

我國牦牛乳產業的發展應抓緊大健康時代帶來的機遇,推進先進乳企的經驗模式,努力將技術、生產、市場三個環節緊密結合。積極打造高度自動化、智能化的工廠以提升牦牛乳制品安全保障體系；開發高附加值的牦牛乳制品、運用新零售模式以提高產品的競爭力及在消費者中的認知度；用好產業扶貧政策,促進牦牛乳一二三產業的融合發展,同時依靠產業脫貧有效地增加藏區農牧民的收入。總之,拉動牦牛乳產業再上新臺階將成為我們面臨的機遇與挑戰。