牛初乳產品制造技術及開發趨勢研究進展

趙紅宇 ，周盛華 ，李學琳 ，景志剛，王春柳，關文鳳

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，其含有豐富的營養物質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）、轉化生長因子（TGF）等。在世界上很多國家和地區，牛初乳長期以來一直被當作功能食品或抗病食物，用來促進健康兒童生長發育，改善亞健康成人的身體狀況[6-8]，產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食品的生產，同時也作為一種對健康有益的膳食補充劑投放市場[10]。在美國和歐盟，初乳補充劑被認定有多種健康益處，包括增強免疫力和胃腸道健康[11]。

2017年第二屆國際牛初乳研究與應用高峰論壇報道，我國整個牛初乳粉年產能約500 t，已形成50億元以上的市場規模，并且每年以超過30%以上的速度在增長，未來3～5年牛初乳產品市場容量將超過100億元，未來牛初乳相關產業發展潛力巨大。在新冠肺炎疫情蔓延期間，牛初乳產品一度出現供不應求的場面，牛初乳產品制造技術只有經過科技的磨礪，不斷完善和升級，才能滿足不斷增長的市場需求，保障行業穩定、持續發展。該文旨在更好地利用牛初乳這一寶貴資源，生產優質的牛初乳產品，主要簡介了牛初乳現行制造技術、先進生產工藝、、制造技術的發展趨勢、牛初乳產品開發的前景與要點，以促進相關研究開發。

1 牛初乳現行制造技術

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]。為延長牛初乳保質期和提高食用方便性，現代食品工業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的生產工藝，普遍應用于全球的大小生產商；牛初乳噴霧粉采用的技術較為先進，大生產商更傾向選擇這種生產工藝。

1.1 牛初乳基本生產工藝

牛初乳粉的基本生產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，采集后迅速冷卻至2～4 ℃，以減少收集、貯運環節的微生物污染；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品風味、提高初乳加工流動性、提高蛋白質相對含量，增強熱穩定性等優點；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的生物活性，因此工業上常采用輻照殺菌法來降低微生物水平[14]，但輻照殺菌會給產品帶來不愉快的滋氣味；濃縮一般采用低溫減壓濃縮設備，除去部分水分，減少物料質量和體積；干燥分為冷凍干燥法或低溫噴霧干燥法。前者適用于小規模生產，后者適用于規模化生產。牛初乳的低溫噴霧干燥設備一般都是專利技術，目前國內只有少數企業有定型設備。

1.2 牛初乳生產工藝的關鍵控制點

牛初乳的非脂乳固體明顯高于常乳，熱穩定性差[15]，所以不適合采用常乳的熱處理加工工藝，否則會出現變性蛋白質焦結在加熱設備中，造成后續生產的污染，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，這些物質對溫度很敏感，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行，以保全牛初乳中的免疫因子，使其發揮免疫功效。所以牛初乳最佳生產工藝應全程控制各個環節的操作溫度，避免高溫對牛初乳中生物活性物質的影響。可見，牛初乳生產的殺菌、濃縮和干燥環節工序是整個生產工藝的關鍵控制點。低溫加工工藝難度大，對設備要求高，這也是多年來影響牛初乳開發進程的重要因素[17]。

2 牛初乳先進生產工藝

經過國內外研究學者對膜科學技術的研究，膜過濾技術的應用越來越廣泛。我國已有生產企業將膜過濾技術應用到牛初乳的加工工藝上，如微濾膜除菌技術、超濾膜濃縮技術。牛初乳行業應用的膜過濾技術是最具前景的可持續技術之一，不僅運行溫度低，可以充分保護生物活性物質的活性，優化不同的膜孔徑還可以從初乳中分離、富集大量的目標生物活性組分[18]。膜過濾技術結合低溫貯存、低溫噴霧干燥技術，真正實現牛初乳全程冷鏈加工的先進生產工藝。

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現[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的突破，尤其是梯度陶瓷膜制備技術的發展，微濾除菌技術正式應用到牛初乳生產工藝中。梯度陶瓷膜微濾除菌技術代替傳統的熱殺菌技術，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的缺點，產品更安全。微濾除菌工藝運行溫度小于20 ℃，最大程度保留活性免疫蛋白和活性乳鐵蛋白等營養成分。陶瓷膜微濾除菌系統由梯度陶瓷膜組、供料泵、循環泵、流量傳感系統、溫度傳感系統、CIP系統、電器控制系統組成。陶瓷膜材質堅硬，經久耐用[20]，并可以反復清洗，保證生產的連續性。

2.2 超濾濃縮

超濾濃縮技術在乳品工業中有廣泛應用，可將水、低分子的鹽和乳糖從乳中分離出來，使濃縮物中的優質蛋白質、功能性肽組分等物質的比例明顯提升。但是超濾濃縮在牛初乳生產中的應用是最近幾年才出現，因為牛初乳固形物高、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有較高要求，也需要更苛刻的運行參數。采用超濾濃縮技術對牛初乳進行濃縮，全程在低溫下運行，可有效防止牛初乳中的營養成分被破壞或蛋白質變性，并且安全可靠[22]，有效節省能源。此外，牛初乳通過超濾濃縮去除一部分乳糖和無機鹽等成分，使得產品適合更廣泛人群食用，避免特殊人群產生乳糖不耐受、電解質紊亂等現象。可見，超濾濃縮技術在牛初乳行業中的應用有較好的發展空間。

2.3 低溫噴霧干燥

常規的乳品噴霧干燥設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，不易連續生產。國際上專業的牛初乳噴霧干燥設備沒有標準化，國外企業的牛初乳噴霧干燥設備都是定制設備，受專利保護。有報道國外噴霧干燥設備出口空氣溫度維持在68～72 ℃范圍內，在優化噴霧干燥條件下，不影響蛋白的生物活性[23]。近年來，我國已有牛初乳企業自主出研發的低溫噴霧干燥設備，其技術先進性處于國際領先水平。該套設備干燥溫度比同類設備至少下降20～30 ℃，最大限度的保證物料活性，活性損失小于0.5%。設備集濃縮、干燥、造粒、分選于一體，簡化生產工序，實現操作集中化、連續化。整個干燥過程屬于多級干燥，噴霧塔內置三級流化床，在干燥的同時對牛初乳粉進行造粒，流化造粒產品不但外形好，而且粒度分布均勻，粒徑調整范圍廣，一般在幾百微米到幾毫米之間。經該工藝生產的牛初乳粉具有極佳的流動性和溶解性，成為終端企業生產膠囊填充劑、壓片劑、速溶顆粒劑等產品的優質原料。

3 牛初乳產品制造技術的發展趨勢

3.1 牛初乳功能性組分精細化制備

我國牛初乳資源豐富，發展潛力巨大[24]，但牛初乳的開發利用與研究才剛剛起步，生產的產品主要是經粗加工制成的牛初乳粉，雖然此類產品也具有廣泛的生物學功能，但受工藝、設備及技術的限制，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、皮膚損傷愈合恢復療效顯著的功能組分；乳鐵蛋白（LF），具有促進鐵吸收、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，它可以調節人體的免疫反應，增加皮膚脈管的滲透性。因此將牛初乳中的生物活性物質精細分離，是牛初乳深加工利用的必然趨勢。

美國牛初乳生產企業已有PRP相關產品進入市場，也有牛初乳免疫球蛋白濃縮產品申請美國食品藥品監督管理局（FDA）的GRAS審查。Skalka等[25]報道，結合沉淀、凝膠過濾和錯流過濾相技術，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，但已有牛初乳生產企業在牛初乳功能性組分分離技術上申請了國家發明專利，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行干燥，得到高含量功能性組分產品。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，加快研發從牛初乳中分離生物活性蛋白和多肽的現代技術，將促進牛初乳在人類營養和健康方面的潛在應用[27]。

3.2 無菌液態牛初乳產品

牛初乳含有豐富的營養物質，免疫因子和生長因子等功能性組分[28]，是廣泛應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品中，很少能加入到液體產品中，因為牛初乳直接添加在牛奶、飲料、果汁等液態食品中，經過熱殺菌工藝時，牛初乳中大部分功能性蛋白質會喪失活性，產生沉淀，失去預期的生物功能，使得牛初乳在液態功能性食品上的應用受阻。國內很多大型乳品生產企業，飲料生產企業都在探索牛初乳在液態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牛初乳。

無菌液態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行預過濾，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行過濾除菌，無菌條件下灌裝，分裝。經過此工藝制備的無菌型液態牛初乳，可以無菌在線添加到牛奶、飲料、果汁等液態食品中，也可以直接飲用。無菌液態牛初乳同樣具有常規牛初乳的生物功效，所以也是保健食品不可缺少的原料之一。

此外，無菌過濾技術結合膜分離技術、色譜分離技術，可以進一步制備出無菌液態IgG產品、無菌液態sIgA產品和無菌液態LF產品等單一功能性組分產品，更加豐富牛初乳功能性組分的產品類型，滿足市場廣泛需要，無菌液態牛初乳產品牛初乳行業發展的新機遇。

4 牛初乳產品開發的要點與前景

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