冷凍貯藏對噴霧干燥羊乳粉品質特性的影響

魚喆喆， 付尚辰， 朱 麗， 劉永峰

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西 西安 710119）

羊乳是陜西特色優勢資源，含有豐富的高生物價蛋白質、必需脂肪酸、維生素和礦物質等營養和生物活性物質[1-2]。 而羊乳粉是乳品市場上最常見的羊乳制品[3]，具有保質期長，易于包裝、貯存和運輸，水分質量分數低，不需要冷藏條件等優點，同時可以保留原料乳中的大部分營養成分。 目前，噴霧干燥是乳粉生產中應用最廣泛的技術， 主要包括濃縮、霧化、霧滴與空氣接觸、霧滴干燥和分離5 個步驟[4]。 據統計，全球95%以上的乳粉是由噴霧干燥的方式生產的。 噴霧干燥技術經過100 多年的發展已經相對成熟，得到的產品品質穩定、粒度小而均勻、流動性和速溶性好[5]。

雖然在過去的50 年里， 全世界的羊乳產量增加了一倍多[6]，但奶山羊作為小型反芻動物，分布相對分散，且以農戶散養、中小型牧場飼養為主[7]，不利于山羊乳的大規模工業化生產[8]。 此外，由于羊乳生產的季節性強、產量低、奶山羊哺乳期短等原因，原料乳通常會被冷凍在農場，直至積累到足夠的量供進一步的乳制品加工[9-10]。相關研究中對不同溫度下冷凍貯藏不同時間羊乳的品質變化進行了分析[7，9，11-13]。此外，Katsiari 等發現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、感官特性和穩定性[10]。 Zhang 等發現冷凍對綿羊乳及其奶酪的脂肪酸濃度沒有影響，且在不影響奶酪產量的情況下， 可以使用-15 ℃或-25 ℃冷凍6 個月的綿羊乳生產出優質奶酪[12]。但根據查閱文獻所知，目前鮮有關于以冷凍乳為原料制作乳粉的相關研究。

Yu 等研究了冷凍貯藏3 個月山羊乳解凍后的營養與理化品質的變化，發現超低溫冷凍常溫解凍（UFHT）是保持羊乳天然品質的最佳方法，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]。在此基礎上，將低溫冷凍和超低溫冷凍貯藏3 個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特性的影響，為冷凍羊乳的后續應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗原料

新鮮羊乳樣品采集于西安市郊區奶山羊養殖戶所飼養的奶山羊，5 只健康奶山羊的羊乳等量混合后，放入冰袋中運送到實驗室。

1.1.2 實驗試劑

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

1.1.3 實驗儀器

BI-90Plus 激光粒度儀： 美國Brookhaven 公司產品；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品；FV1200 激光共聚焦顯微鏡：日本Olympus 公司產品；BCD-578WPU9CX 家用電冰箱： 合肥美菱股份有限公司產品；DW-HL388 超低溫冷凍儲存箱：中科美菱低溫科技有限責任公司產品；LactoStar 乳成分分析儀：德國Funke Gerber 公司產品；NS800 手持色差儀：深圳市三恩馳科技有限公司產品；JA2003N 電子天平：上海精密儀器有限公司產品；YC-015 噴霧干燥機：上海雅程儀器設備有限公司產品。

1.2 實驗方法

新鮮羊乳樣品采回后立即進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 個月，然后在20～25 ℃的常溫條件下解凍后進行噴霧干燥，分別制成CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉。 并與鮮羊乳粉在營養成分、水分質量分數、水分活度、色澤、粒徑分布、Zeta 電位、微觀結構等方面進行比較分析。 噴霧干燥機設定參數：進風溫度140 ℃，出風溫度約90 ℃，蠕動泵轉速15 r/min。

1.3 指標測定

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

1.3.2 水分質量分數的測定 按照GB 5009.3—2016 直接干燥法測定羊乳粉樣品的水分質量分數。

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、紅綠度和黃藍度，并按照以下公式計算樣品的總色差：

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為鮮羊乳粉的黃藍度。

1.3.5 粒徑分析 羊乳粉用蒸餾水按1 g∶10 mL 的比例復水后，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（放大倍數為150 倍）；尼羅紅和FITC 的激發波長分別為534、488 nm，發射波長分別為500～600 nm 和495～559 nm。

1.3.8 數據處理方法

結果表示為“平均值±標準差”。 實驗數據采用SPSS 24.0 進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 進行數據整理和圖片繪制。

2 結果與分析

2.1 噴霧干燥羊乳粉的營養成分分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪、蛋白質和乳糖質量分數如圖1 所示。 鮮羊乳粉的脂肪質量分數為（27.1±2.7）%、蛋白質質量分數為（29.3±1.9）%、乳糖質量分數為（27.8±1.8）%。與鮮羊乳粉相比，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪質量分數分別降低了64%和60%（P＜0.05）；蛋白質質量分數分別降低了19%和10%（P＜0.05）；乳糖質量分數分別降低了19%和11%（P＜0.05）。 總的來說，脂肪損失較嚴重，蛋白質和乳糖損失較少；而UFHT羊乳粉的脂肪、 蛋白質和乳糖質量分數均高于CFHT 羊乳粉。

2.2 噴霧干燥羊乳粉的水分質量分數分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分質量分數如圖2 所示。 鮮羊乳粉的水分質量分數為（4.047±0.051） g/hg，CFHT 羊乳粉的水分質量分數為（3.461±0.008） g/hg，UFHT 羊乳粉的水分質量分數為 （3.185±0.050） g/hg， 均符合國家標準（GB 19644—2010）對乳粉的要求（水分質量分數≤5.0 g/hg）。 且CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分質量分數顯著低于鮮羊乳粉（P＜0.05）。

圖2 噴霧干燥羊乳粉水分質量分數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，這與乳中水分質量分數（見圖2）結果一致。

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，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（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沒有顯著變化（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）， 說明羊乳粉復水后其粒徑分布范圍較窄，體系較穩定。

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 電位都呈負值（-46.29～-47.72 mV），絕對值大于46.00，穩定性良好。 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構分析

鮮羊乳粉、CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的外觀及微觀結構如圖7 所示。 從外觀圖中可觀察到3組噴霧干燥羊乳粉色澤、組織狀態等相近。 尼羅紅和FITC 將脂肪球和蛋白質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，脂肪球和蛋白質清晰可見，蛋白質顆粒結構穩定，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構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期，通過前期研究，發現超低溫冷凍80 d 常溫解凍羊乳的營養成分和理化特性更接近于新鮮羊乳， 羊乳品質良好，可用于后續的乳制品生產加工[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和感官屬性的情況下延長羊乳的保質期[17]。 這使得乳制品企業可以全年向消費者提供乳制品，并可將市場擴展到更偏遠的地區，且運輸更容易，成本更低。羊乳粉也是我國羊乳市場的主要消費種類，而乳粉生產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成分也是脂肪，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪質量分數比鮮羊乳粉分別降低了64%、60%，這個結果表明冷凍貯藏羊乳或許可以用于后續脫脂乳粉的生產。 脂肪質量分數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，發現其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破壞脂肪球結構從而引起脂肪含量下降。 與鮮羊乳粉相比，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的蛋白質質量分數的下降，一方面可能是因為凍融過程中蛋白質酶進一步水解蛋白質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結構變化，造成質量分數下降[21]。乳糖質量分數的下降可能是因為乳中嗜冷微生物在冷凍貯藏過程中利用乳糖進行了生物代謝[22-23]。 與冷凍貯藏羊乳研究一致的是，UFHT 羊乳粉的營養成分保留優于CFHT 羊乳粉。

乳粉可以長期保存的一個重要原因是脫除液態乳中大部分水分后，乳粉的水分活度降低，大部分微生物生長活動被抑制，酶活力和生化反應的發生受到限制[24]。 本研究中，3 組羊乳粉的水分質量分數均小于5.0 g/hg，水分活度均小于0.2，其中，CFHT羊乳粉和UFHT 羊乳粉的水分質量分數與水分活度均低于鮮羊乳粉，可能是因為冷凍解凍過程中溫度變化造成氣壓差， 出現了冰結晶的升華現象，從而使解凍后液態乳中的水分質量分數低于新鮮羊乳，但還需后續的進一步實驗分析。 目前人們普遍認為，當水分活度小于0.7 時，可有效抑制食品中細菌、霉菌及酵母菌的生長；當水分活度小于0.5 時，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量分數與水分活度都利于保藏， 當后續貯藏條件合適時，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。

羊乳粉的色澤參數直接反映其感官品質，影響消費者對羊乳粉產品的可接受度。 只有當ΔE 值大于2 時，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。 但前期研究發現，羊乳冷凍貯藏80 d 引起的顏色差異可以忽略不計[14]，CFHT 羊乳粉色澤的變化可能是熱處理過程中乳內部的羰基化合物與氨基化合物發生的美拉德反應產生了類黑素，從而影響最終產品顏色[26-27]。 也有研究顯示，脫脂乳粉呈黃白色，而高蛋白質粉呈灰白色[28]，乳粉中不同含量的營養物質可能也引起其色澤差異。

乳中顆粒的大小與穩定性高度相關，顆粒越小越有利于乳的穩定[29-30]。 Miao 等研究了不同處理方式對驢乳的影響，發現當溫度高于85 ℃時，可以檢測到驢乳顆粒尺寸的增加[31]。 此外，Kaskous 發現噴霧干燥駱駝乳粉的理化性質（水分活度、粉末顏色、溶解度、流動性、產率等）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。 Zeta 電位也是衡量系統穩定性的重要指標，已被用作脂肪球和酪蛋白膠束的電荷指標。 一般來說，Zeta 電位絕對值越高，系統越穩定[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定性良好，且UFHT 羊乳粉的品質優于CFHT 羊乳粉。

3 結 語

以冷凍貯藏3 個月的羊乳為原料制備噴霧干燥羊乳粉， 通過對其營養與理化品質的研究發現，CFHT 羊乳粉和UFHT 羊乳粉的脂肪較新鮮羊乳粉損失較嚴重，乳糖和蛋白質損失較少，而UFHT 羊乳粉的脂肪、 蛋白質和乳糖質量分數均高于CFHT羊乳粉。 此外，噴霧干燥羊乳粉的水分質量分數符合國家標準，水分活度均小于0.2，易于長期保藏；粒徑、Zeta 電位結果與激光共聚焦顯微鏡圖像顯示噴霧干燥羊乳粉復水后穩定性較好。 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良好， 且UFHT 羊乳粉的品質優于CFHT羊乳粉。