乳中鹽類平衡對膠體穩定性及加工特性的影響研究進展

岳明星，李浡，簡偉杰，王曉杰，陳思，楊軍，辛秀蘭

（北京電子科技職業學院生物工程學院，北京100176）

0 引 言

原料乳是一種天然的、非常復雜的膠體緩沖體系，其中，原料乳中的鹽類平衡對膠體穩定性發揮著至關重要的作用。每升牛奶中大約含8～9 g 無機鹽，其中鈣(Ca2+)、鎂(Mg2+)、鈉(Na+)、鉀(K+)為乳中主要的陽離子，磷酸根(HPO42-)、檸檬酸根(Citate3-)及氯化物(Cl-)為主要的陰離子。牛乳中的鹽類呈膠體相和可溶相的分布規律。大約70%的鈣、30%的鎂、50%的磷酸鹽和10%的檸檬酸以不溶性復合物的形式存在于酪蛋白膠束中，稱為膠體磷酸鈣(CCP)[1]。鹽類平衡對維持酪蛋白膠束穩定性和結構的完整性至關重要[2]。鹽類平衡的改變導致膠體相和可溶相的離子組成發生顯著變化，進而對酪蛋白膠束的物理化學性質和產品在加工和貯藏過程中的穩定性產生影響[3-4]。因此，了解在實際條件下的離子平衡是非常重要的。

在乳清相中，礦物鹽以游離離子或離子對/復合物的形式存在。鈉和鉀離子僅與氯、檸檬酸和磷酸鹽形成弱離子對，因此主要以游離離子形式存在。二價陽離子Ca2+和Mg2+主要與檸檬酸絡合，與HPO42-的絡合程度較小。在可溶相中，離子對與自由離子之間存在著一種動態的、可非常迅速達到的平衡狀態。此外，在可溶相和膠體相中的鹽之間存在一種動態但緩慢的平衡[5]。

1 定量檢測鹽類平衡

一般來說，可以用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)法測定陽離子濃度，用陰離子交換色譜(Asfaw)來測定陰離子濃度。然而，游離二價陽離子的濃度和活性如Ca2+和Mg2+離子，在酪蛋白膠束的物理化學性質中所起的作用比離子的總濃度更重要。Ca2+、Mg2+離子與pH 值共同影響酪蛋白體系的穩定性及其加工特性，特別是凝乳酶、加熱和酒精對凝乳過程的影響。游離的Ca2+離子會影響帶負電荷的酪蛋白膠束的周邊環境，從而提高或降低其穩定性。傳統的測定牛奶中Ca2+離子活性或濃度的方法是基于陽離子交換樹脂技術和紅紫酸銨方法[6]。然而，這些方法有一些缺點，如耗時長和不夠準確。迄今為止，鈣離子選擇電極(Ca-ISE)[7-8]已被用于牛奶中游離鈣活性快速測定。然而，鈣離子選擇電極可能會受到基質效應的影響，這就要求鈣電極必須在與樣品組成相似的標準液中進行校準，但市場上尚沒有此類標準液。Temminghoff 等[9]發明了一種基于負電膜中Donnan平衡的新方法-Donnan 膜技術(DMT)用于同時測定土壤水中游離金屬離子的濃度。DMT 已被證明是一種可靠而準確的同時測定不同金屬離子的新技術，DMT 對食品體系中游離金屬離子的測定具有重要的參考價值。Gao 等[10]建立了基于Donnan 膜技術同時測定模擬乳超濾液和復原脫脂乳中游離鈣、鎂、鈉、鉀離子濃度的技術。

2 鹽類平衡-離子形態模型

描述牛乳或類似牛乳體系中離子平衡的離子形態模型是從20 世紀80 年代開始發展起來的。相關研究試圖計算模擬牛乳鹽溶液中的離子濃度。為了便于計算，在模型中假設沒有鎂、磷酸鹽和蛋白質，把鉀看成是等量的鈉。Holt 等[6]人建立了一個描述牛乳分散相中離子組成的模型，除乳蛋白外，包括牛奶中的所有相關組分，計算得到的游離Ca2+和Mg2+濃度與實驗結果吻合較好。多年來，這些模型一直被作為檢測牛乳或乳制品可溶相中離子組成的有用工具，同時，這些模型可以幫助了解主要離子與酪蛋白膠束理化性質之間的內部相關關系[11]。然而，這些模型并不能包括酪蛋白膠束中的CCP 和酪蛋白結合的陽離子。因此，在預測牛奶和乳制品中離子分配方面的應用仍然具有一定的局限性。Holt[12]發明了了一個計算牛奶中離子分配的熱力學平衡模型，該模型中假定膠體磷酸鈣以磷酸鈣納米團簇的形式存在，用一個關于磷酸鈣納米團簇的廣義經驗公式確定了小離子(Ca、Mg、P和檸檬酸)與酪蛋白磷酸化序列的摩爾比。該模型為牛奶中離子分配提供了一個合理的預測。然而，在不同的條件下，該模型還需要進一步的驗證，以獲得更多的牛奶樣品的離子組成數據。Mekmene 等[13]人提出了一個預測牛乳及強化乳(添加 NaCl、CaCl2、Na3Ci?tate 和Na2HPO4)中膠體相和可溶相之間的離子分配模型。后一種模型是以Holt 等[6]人的早期模型為基礎的，通過整合陽離子在酪蛋白膠束中的相互作用，并考慮到磷酸鈣在膠束相中的溶解度。模型驗證結果與文獻報道的實驗結果基本一致，但模型預測值與實驗結果之間仍存在10%～20%的差異。另外，該模型可用于預測在pH 值為6.75 的條件下，牛乳及不同電解質強化牛乳中的離子分配。然而，實際上在牛奶中加入電解質會引起pH 值的變化。最近，Mekmene 等[14]人提出了一個模擬牛奶酸化過程中離子平衡的模型。與實驗結果相比較，該模型可對離子平衡進行合理的預測。然而，該模型并不是描述不同條件下牛奶離子平衡的通用模型。因此，需要建立一個描述牛奶在不同條件下的離子平衡的廣義模型。

3 鹽類平衡對乳蛋白及其凝膠的影響

牛乳的穩定性主要取決于蛋白質的穩定性，蛋白質的穩定性又主要取決于鹽類的平衡。二價陽離子的存在可以誘導乳蛋白質發生聚集和凝膠[15]。正常情況下，乳中的酪蛋白膠束帶負電荷，當外源添加鈣、鎂等二價陽離子時，可導致酪蛋白膠束所帶負電荷通過靜電吸引的方式聚集到二價陽離子上導致其電荷被中和。另外，與疏水相互作用一樣，二價陽離子被認為是通過膠體磷酸鈣來穩定酪蛋白膠束的穩定性[16]。在酸化過程中，酪蛋白膠束中的膠體磷酸鈣被溶解，κ-酪蛋白膠束末端破壞[16]，導致酪蛋白膠束發生聚集和凝膠。綜上所述，酪蛋白聚合被認為是由一種復雜反應驅動的，包括疏水作用、范德華力和鈣橋吸引[17]。

在牛乳中通過加入NaCl 來增強離子強度后對牛奶中的離子形態有顯著的影響，如pH 降低、Ca2+濃度增加、離子種類活度系數降低、酪蛋白膠束水化作用增加等影響[11,18]。由于牛奶離子的改變會導致加工特性發生相應的變化，如牛奶的凝固時間出現了顯著延長，酒精穩定性降低。

含不同乳糖和礦物質組成的強化乳清酸凝膠中，其凝膠硬度存在差異。研究人員還發現，在礦物質濃度最高的情況下，沒有觀察到凝膠化現象。Philippe等[19]人研究了強化氯化鈣的脫脂牛奶的理化性質。結果表明，在不同的鈣濃度下，膠體磷酸鈣的行為似乎沒有變化。然而，在脫脂牛奶中添加鈣會增加酪蛋白膠束密度，使膠束核更加致密。Choi 等[20]人證明，與酪蛋白膠束緊密結合膠體磷酸鈣(CCP)濃度對酶凝膠的性能具有重要影響。Udabage 等[21]人報道了檸檬酸鹽或EDTA 的加入降低了酶凝膠的貯存模量，而濃度達到10 mmol/kg 牛奶以上，酶凝膠完全被抑制。Mizuno 等人[22]研究了添加焦磷酸四鈉(TSPP)所形成的牛奶蛋白凝膠的特性，提出了一種TSPP 誘導凝膠化的機理，即添加的TSPP 與鈣形成分散酪蛋白之間的交聯劑。上述研究提供了乳化鹽和酪蛋白之間相互作用的基本信息，這些相互作用可能有助于控制加工后的奶酪的結構和功能特性。總之，乳品系統中特定離子平衡的控制為控制乳蛋白及其凝膠的功能特性提供了一條新途徑。

4 熱處理對乳中鹽類平衡的影響

熱處理影響乳的穩定性，特別是羊乳，在經過超高溫處理后，產品變的不穩定，會出現大量沉淀物。當熱處理溫度從140 ℃降至125 ℃和114 ℃時，沉積物明顯減少。相關研究試圖通過在乳中添加乳化鹽來提高羊乳的熱穩定性。Boumpa 等[23]在羊乳中添加了六偏磷酸鈉(SHMP)、檸檬酸三鈉(TSC)、磷酸氫二鈉(DSHP)和磷酸二氫鈉(SDHP) 4 種乳化鹽來改善超高溫羊乳的熱穩定性。結果表明，SDHP 的加入后降低了產品pH 值，對離子鈣的影響不大，對沉積物的改善作用不大；SHMP、DSHP 和TSC 的加入都降低了離子鈣，增加了酒精的穩定性，減少了沉淀的發生。

做高鈣乳等一些添加礦物元素的產品時，由于乳中天然的鹽類平衡被破壞，容易引起不穩定現象的發生。在牛乳中添加可溶性鈣鹽后降低了體系的pH值，增加了離子鈣濃度并引起凝乳。氯化鈣表現出最大的不穩定效應，其次是乳酸鈣和葡萄糖酸鈣。另外，在較低鈣添加情況下，與容器內滅菌相比，UHT工藝使產品變得不穩定。在牛奶中加入不溶性鈣鹽，增加后總鈣含量達到30 mmol/L 時，不影響其熱穩定性，不改變pH 值和離子鈣含量，緩沖能力也未改變；不會在超高溫（UHT）或容器內消毒條件下發生凝結、沉積或結垢等不穩定相關的現象[24]。

Kaushik 等[25]開展了鈣強化牛奶的熱穩定性和耐熱特性研究，以奶牛:水牛1:1的混合奶為原料，將4種鈣鹽-氯化鈣、醋酸鈣、氫氧化鈣和檸檬酸鈣用于牛奶的強化。添加鈣鹽后，除添加檸檬酸鈣時，牛奶pH和酸度有顯著變化。檸檬酸鈣強化牛奶的感官評分最高。對照牛奶和其它鈣強化牛奶相比，檸檬酸鈣強化牛奶的熱穩定性更高。除氯化鈣外，鈣強化牛奶顯示75%酒精陰性。與對照相比，鈣強化牛奶中的黏度更高。通過加入檸檬酸鈣降低了樣品玻璃化轉變溫度，但該差異并不顯著，這表明檸檬酸鈣可用于制備鈣強化牛奶[19]。

Wu 等[26]人研究了微波加熱過程對牛乳中鈣的吸收特性和乳穩定性。結果表明，鈣離子濃度對微波能量吸收的影響不大，而形態對微波能量吸收的影響較大。鈣離子的存在對牛奶的熱穩定性有顯著的影響。在添加離子化鈣時，鈣強化乳體系熱穩定性差，蛋白質團聚嚴重，而牛奶鈣的添加對穩定性影響不大，幾乎不會引起乳蛋白凝固。可以推測，微波場中的金屬離子會產生強烈的振動，通過周圍酪蛋白磷酸化物的結合，引發蛋白質聚集。

5 前景與展望

鹽類組份在牛乳中所占比例盡管很小，但對于維持牛奶中酪蛋白膠束結構的穩定性發揮著至關重要的作用，從而對液態奶、酸奶及奶酪產品品質和貨架期有著顯著的影響。國內外研究已經證明當熱處理溫度限定在一定溫度范圍內時，鹽類平衡是可逆的，但是對于溫度超過一定范圍后，鹽類平衡會出現不可逆的現象。鹽類平衡未來研究重點是如何量化牛奶和牛奶衍生體系中的實際條件下(如強化礦物元素乳或乳飲料)離子平衡；另外，建立離子形態預測模型用于預測體系中改變條件下的離子形態。