抑制牦牛乳制品脂肪氧化的研究進展

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(1.甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省功能乳品工程實驗室,甘肅蘭州 730070)

牦牛(Bosgrunniens)常年生活在海拔2500～5500 m[1]的嚴峻自然環境下,不同于荷斯坦牛的圈養或規模化的養殖方式,牦牛放牧式的粗放飼養管理使得牦牛乳成分與荷斯坦牛乳成分不同。牦牛乳被稱為“天然的濃縮乳”,與普通牛乳相比,牦牛乳中的蛋白質和脂肪含量要高得多[2-3]。同時,牦牛乳含有普通牛乳所沒有的十五碳烯酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸等功能性脂肪酸[4]。目前,全世界現有牦牛約1420萬頭,我國牦牛存欄數約占世界總數的93.7%以上[5]。由于牦牛乳較高的營養價值和食用安全性,牦牛乳產業未來將成為中國特有綠色資源,具有極大的產業升級和市場潛力。

我國豐富的特色牦牛乳資源未被充分開發利用,其中大部分乳及乳制品用于當地牧民消費,主要用于生產黃油和酥油[6-7],未對其進行深加工以提高附加值。目前,國內主要生產和加工牦牛乳的企業都分布在西藏、青海、甘肅、四川四個牦牛乳資源較多的省份。主要的牦牛乳產品類型有奶粉、液態奶、酸奶、奶茶和干酪素等。

表1 國內主要生產或加工牦牛乳的企業Table 1 A company that mainly produces or processes yak milk in China

注:資料來源于文獻[6]和相關企業網頁。

先前,對牦牛乳的研究主要集中在化學組成分析。近年來,國內外對牦牛乳的研究則集中于其功能成分[8]、乳清蛋白[9]、酪蛋白膠束[10-11]及乳酸菌的分離[12],但鮮有人關注牦牛乳制品脂肪的氧化問題。

乳脂肪對牦牛乳及其制品的風味質地有很大的影響,與普通食用油脂相比,牦牛乳脂肪的消化吸收率也更高。但牦牛乳中的脂肪易受各種因素影響而發生氧化,導致牦牛乳制品酸敗劣變。本文綜述了抑制牦牛乳脂肪氧化的內因(乳脂肪含量及組成、脂肪酸、乳脂肪球膜、乳成分)及外因(溫度、含氧量、金屬、光照、水分含量及酶)的研究進展,解釋各因素影響牦牛乳制品脂肪氧化酸敗的機制,旨在為進一步研究牦牛乳制品氧化提供參考依據。

1 內在因素

1.1 乳脂肪含量及組成

牦牛乳、普通牛乳、薩能山羊乳中平均脂肪含量分別為5.51%、3.55%和4.04%,脂肪球平均粒徑為4.39、3.16和3.46 μm[13-14]。得出牦牛乳的脂肪含量分別高出普通牛乳和薩能山羊乳55.21%和36.39%,脂肪球粒徑分別高出普通牛乳和薩能山羊乳38.92%和26.88%。乳脂肪以液滴的形式分散在乳中,稱為乳脂肪球,其中98%以上以甘油三酯的形式存在,其余約為0.8%的磷脂、0.5%的膽固醇以及種類繁多的其他脂類[15]。乳脂肪球的表面被一層生物膜包裹,這層生物膜是乳脂肪從乳腺上皮細胞分泌過程中產生的,稱為乳脂肪球膜。Deeth[16]認為乳脂肪球的穩定結構是乳清屏障,乳脂肪球膜阻止脂肪酶進入脂肪,同時控制著脂肪氧化反應的速度。牦牛乳中雖脂肪含量多,脂肪顆粒大,但其本身的脂肪球結構抑制著氧化的發生。

1.2 脂肪酸

牦牛乳脂肪酸含量為97.80%,高于荷斯坦牛乳,黃世群[17]在牦牛乳和荷斯坦牛乳中分別檢測出13種脂肪酸和10種脂肪酸。牦牛乳中功能性脂肪酸約為10%,比普通牛乳高出3%,除亞油酸之外其它功能性脂肪酸都是牛乳的2倍,其中EPA(二十碳五烯酸)、DHA(二十二碳六烯酸)是普通牛乳所不具有的[18]。脂肪酸種類不同,其抗氧化能力差別很大,脂肪的不飽和度越大,其氧化速度越快。EPA和DHA等功能性脂肪酸都屬于多不飽和脂肪酸,而牦牛乳中的多不飽和脂肪酸易發生自動氧化,Nadeem[19]指出在脂肪的氧化過程中,脂肪酸被分解為氧化產物,即發生了自動氧化。自動氧化的發生有三個階段,分別是誘導期、傳播期和終止期[20]。

誘導期:RH→R·+H·(RH為脂肪酸底物)

傳播期:R·+O2→RO

2RO2·+RH→ROOH+R·

終止期:2RO2·→O2+ROOR

2R·→R· R

誘導期是在有氧條件下,牦牛乳中不飽和脂肪酸先被氧化成自由基,將鄰近雙鍵的亞甲基上氫原子轉移至不飽和(烯丙基和雙烯丙基基團)脂肪酸分子中的雙鍵上,與其形成烷基自由基。然后進行傳播期,游離自由基生成不穩定過氧化游離基,過氧化游離基再奪取另一種不飽和脂肪酸分子上的氫原子進行反應,產生新自由基和氫過氧化物,這種鏈式反應不斷循環,直至氧氣被耗盡。進入終止期,自由基不斷積累達一定濃度時,各自由基間相互碰撞的頻率增加,從而在有效碰撞的情況下形成雙聚物,此時乳脂氧化反應結束。

過氧化值、酸價、羰基價和硫代巴比妥酸值分別表示脂肪氧化進行到不同程度時的指標。過氧化值(POV)是自動氧化傳播期中氫過氧化物的量,反應脂肪的一級氧化程度;羰基價(CV)是氧化終止期羰基(醛、酮化合物)的量;硫代巴比妥酸值(TBA)是氧化結束后所產生的終產物丙二醛的含量,而酸價(ADV)是說明了脂肪在脂肪酶作用下水解成游離脂肪酸數量的指標。馬歡等[21]通過測量不同發酵劑添加量的牦牛乳硬質干酪POV、ADV等氧化指標,得出不同發酵劑添加量對牦牛乳硬質干酪在成熟期內的品質影響。巨玉佳[22]通過測定牦牛乳硬質干酪的POV、ADV、CV和TBA,說明了牦牛乳干酪在成熟過程中的氧化變化。牦牛乳中總脂肪酸含量和不飽和脂肪酸含量均高于荷斯坦牛乳,相比于荷斯坦牛乳,易發生自動氧化和酶促氧化。且牦牛乳在加工和貯藏過程中脂肪酸不斷增加,對牦牛乳制品風味和氧化過程產生影響。

1.3 乳脂肪球膜

乳脂肪球膜(MFGM)是一種由蛋白質、糖蛋白、酶類、中性脂質和極性脂質(如磷脂)等混合物組成的三層膜結構。這層膜不僅可以保護核心乳脂,還能維持乳液本身的穩定性。何勝華等[23]研究得出牦牛乳脂肪球膜主要由蛋白質和脂類物質組成,其中蛋白質質量分數為(0.27±0.01) g/g,脂質為(0.70±0.04) g/g。可以看出,牦牛乳脂肪球膜中,脂質部分所占的比例較大,是脂肪球膜的主要成分。El-Loly[24]研究得出乳脂肪球膜中的主要脂質為極性脂質和部分中性脂質。Et-Thakafy[25]認為無論任何種源的乳樣,其中的磷脂酰乙醇、磷脂酰膽堿和鞘磷脂是主要的極性脂質。Luo[26]研究得出牦牛乳脂肪球膜中鞘磷脂和膽固醇的含量明顯比普通牛乳高,而且在牦牛乳脂肪球膜內觀察到不規則脂質結構域(lipid domains)的存在。乳脂肪球膜的極性脂質中,特別是鞘磷脂,含有長鏈飽和脂肪酸,具有較高的相變溫度[27]。MFGM中的脂質結構域的生物物理特性可以調節脂肪分解的活性乳脂肪球消化過程中的酶[28]。由此得出,牦牛乳脂肪球膜中的極性脂質影響著牦牛乳脂肪球的穩定性,即極性脂質對牦牛乳的抗氧化有著一定的積極作用。

1.4 乳成分

不同生活環境、海拔、胎次、季節是影響牦牛乳成分的主要因素,進而影響牦牛乳制品氧化的發生。牦牛以青藏高原的天然牧草為食物而沒有任何補充飼料[29],是一種罕見的有價值的放牧動物。Wu[30]測定了生活在海拔3300、4300和5010 m處牦牛乳組成,發現乳中脂肪含量隨海拔升高而增加。Cui[31]發現牦牛乳總抗氧化能力、維生素A、脂肪含量、共軛亞油酸、γ-亞麻酸和不飽和脂肪酸均隨海拔升高而增加。唐正香[32]研究得出季節和胎次對牦牛乳中超氧化物歧化酶活性的影響。Lu[33]指出牛乳中脂肪酸受抽樣季節強烈影響,這種影響在原料乳經UHT(超高溫瞬時滅菌)處理后的商品乳中持續存在,且夏季牛乳中磷脂和不飽和脂肪酸的比例較高。這是可能是放牧期和牧草質量的相關變化引起牧草中脂肪含量和乳中酶活的變化,進而影響夏季牛奶中不飽和脂肪酸分布。Buccioni[34]認為夏季牛乳中共軛亞油酸(CLA)濃度高于其他季節牛乳中CLA濃度。馬作霖[35]通過試驗比較了不同胎次及產奶月份對甘南黑牦牛乳營養成分的影響,結果表明在自然牧場中,季節變化改變牧草營養成分進而影響乳中營養成分高低;多胎次乳中營養成分高于初胎次乳中營養成分。牦牛乳成分中所含有的超氧化物歧化酶、磷脂等抗氧化因子使得牦牛乳具有一定的抗氧化能力,而乳成分間接受到生活環境、海拔、胎次和季節等因素的影響。夏季、高海拔的牦牛乳抗氧化能力更高,而胎次對抗氧化性能影響不大,胎次只影響乳中營養成分的高低。

2 外在因素

外在因素引起的氧化主要有三個途徑:溫度、包裝中含氧量、金屬離子催化而引起的自動氧化,在光敏劑存在的條件下光照引發的光敏氧化以及水分含量、酶引發的酶促氧化[36]。

2.1 自動氧化

乳脂肪的自動氧化是指化合物在有氧條件下,未經任何光照、催化劑促進的條件下進行的自催化反應,氧化過程中的自由基鏈式反應不斷循環,反應一旦開始就會自我傳播并自我加速[37]。

2.1.1 溫度 溫度通過加速乳脂自動氧化,影響牦牛乳脂肪氧化。乳脂肪氧化程度隨發生氧化溫度的變化而變化,溫度越高乳脂肪氧化程度越大。Lu[38]將與UHT乳貯藏于4、20、30和37 ℃,發現與4 ℃低溫貯藏相比,較高的貯藏溫度導致脂肪聚集、氧化和分解程度更高。Juliano[39]用不同溫度(4、20、25、63 ℃)和超聲頻率(20、400、1000、1600、2000 kHz)對原料乳進行超聲處理,測定其脂質氧化過程中揮發性化合物,發現乳中脂肪氧化可通過超聲時間和溫度來控制。Francisco[40]在4或12 ℃下儲存對不含鹽或含鹽牛乳黃油的影響,加鹽和較高的儲存溫度都增強了脂質中脂肪酸的釋放。說明溫度越高,脂質氧化發生的概率越高。巨玉佳[22]研究發現牦牛乳干酪在貯藏過程中,15 ℃下貯藏的干酪中的脂肪酶活力大于5和10 ℃。脂肪氧化分解快,生成的游離脂肪酸含量較高,15 ℃下貯藏的干酪脂肪氧化程度大于5 ℃和10 ℃貯藏的干酪。

2.1.2 包裝中含氧量 早在1942年[42],就已經有了關于氧氣對脂肪氧化的研究。牦牛乳制品包裝中的含氧量,對牦牛乳制品的氧化產生重要影響。Mortensen[43]研究得出不同類型乳制品在包裝中發生氧化所需氧氣的最小殘留濃度是不同的。一般來說,具有較大面積或多孔包裝的乳制品發生乳脂肪氧化的概率較高。Mortensen[44]還指出減少牛乳包裝盒頂部空間的含氧量有利于降低乳脂肪氧化速率。包裝中含氧量越少,乳脂在自動氧化誘導期不飽和脂肪酸被氧化生成的自由基數量越少,氧化速率就越低。Henderson[45]測定了氧氣濃度在21%～100%時脂肪的自動氧化速率,發現氧化速率隨氧氣濃度的平方根而變化。綜上所述,包裝中含氧量對牦牛乳制品的自動氧化有著重要影響,含氧量越少氧化越緩慢。目前,氧氣加速乳制品氧化的問題基本得到解決,但牧區的牦牛乳制品,例如牦牛乳酥油、曲拉等,存放或售賣過程一般暴露于空氣中。因此為了延長牦牛乳制品的保質期,應使用阻氧材料對牦牛乳制品進行包裝,或者進行真空包裝、充氮氣包裝以達到除氧的目的,從而抑制氧氣對脂肪氧化的影響延長牦牛乳制品的貨架期。

2.1.3 金屬離子 金屬離子催化自動氧化的發生,其本質仍是自由基反應。牦牛乳在運輸、加工和貯藏的過程中,往往受到鐵桶等盛放器皿或加工過程中金屬設備的污染,雖然殘留在牦牛乳中的金屬或金屬離子含量極微,但具有很強的催化性能。余劍華[46]認為,牛乳發生酸敗可能是由于銅或其他金屬氧化物催化乳脂肪氧化而造成的。銅和鐵是牛乳脂肪氧化過程中起催化作用的主要金屬離子,鐵、銅、錳等多價金屬離子均可催化氫過氧化物的分解,從而加快自由基的產生,使得乳及乳制品中的乳脂肪發生自動氧化。亞鐵(Fe2+)是一種比鐵(Fe3+)更強的促氧化劑,因為它具有更高的溶解度和反應性。Wold[47]研究得出,在常溫下,乳中銅離子的氧化催化作用比鐵離子強得多。鐵、銅、錳都是過渡金屬,Dimakou[48]研究得出過渡金屬是水包油乳液中主要的促氧化劑。Nuchi[49]認為在乳液中,過渡金屬主要通過將位于液滴表面的脂質氫過氧化物分解成自由基來促進氧化。謝愛英[50]對不同水分含量的4組干酪進行貯藏期的氧化指標,結果表明水分含量低的干酪耐貯藏性較好。這可能是由于低水分含量減少了自由基的存在時間,使得乳中金屬催化劑的活性降低,最終導致脂肪的氧化速度緩慢。

現階段,金屬離子對乳制品氧化的影響不再作為重點研究,金屬離子影響牦牛乳制品氧化的問題也已得到解決,已用不銹鋼材作為乳制品的運輸和加工接觸材料[51]。

2.2 光照

光敏氧化是指暴露于可見光條件下發生的氧化反應,光氧化是由于牛乳中的光吸收劑吸收光引起的。牦牛乳制品在生產、包裝以及在貨架的展示銷售過程中無不受到光照的影響。近年來,LED燈正在迅速發展作為貨架上主要的照明燈,但很少有研究注意到貨架上LED燈對乳制品質量的影響[52-54]。除LED燈外,陽光、白熾燈等這些光源均能發出不同程度的紫外線,加速牦牛乳脂肪的氧化。當特定波長的光照射到對波長敏感的化合物時,三線基態氧分子(3O2)在光或光敏物存在的條件下,通過自由基鏈的形成或與氧的相互作用形成高度的單線態氧分子,即激發態氧分子(1O2)。不飽和脂肪酸與單線態氧直接發生氧化反應形成氫過氧化物,而不是游離自由基。Petersen[55]認為激發態氧分子可以與不飽和脂肪酸的雙鍵反應,生成氫過氧化物。這兩種光敏反應可以同時發生在乳中,相互競爭并導致異味[56-57]。Wold[58]指出核黃素和β-胡蘿卜素存在于全脂牛乳中,濃度分別為141和20 μg/100 g。核黃素和β-胡蘿卜素是牛乳中最突出的兩種光吸收劑,在光照條件下促使牛乳發生光敏氧化。而近年來,還有研究發現乳中存在的四吡咯化合物對光氧化有促進作用。這一現象先在干酪和黃油[47]中發現,后來在牛奶[59]中也發現。Schiano[60]認為牛奶中的異味與光氧化有關,是由于天然核黃素和四吡咯的光氧化作用,導致一系列脂質氧化化合物。

Fuentes-Lemus[61]研究了在有氧和厭氧條件下由核黃素誘導的α和β酪蛋白的光氧化作用,發現核黃素是一種存在于牛奶中的光敏維生素。Intawiwat[62]用綠色薄膜對牛奶樣品進行包裝,并在空氣中放置14、20、26和32 h,氧化結果與透明膜和橙色膜進行比較,結果表明,綠色薄膜具有較低的總透光率,并且幾乎完全阻擋了短于450 nm的光波長和長于600 nm的波長,阻止了核黃素和葉綠素化合物的光氧化,是最有效的包裝材料。光氧化導致的氧化反應相比較自動氧化反應要發生的更快[63]。為抑制牦牛乳制品發生光敏氧化,可在包裝牦牛乳制品時,使用能阻擋有害波長的材料進行包裝或者將其放置于暗處保存,可有效避免光引起的氧化。

2.3 水分含量及酶引發的酶促氧化

乳脂肪在有水分的前提下,才會被水解變質,即牦牛乳中的酶在有水分含量的條件下,才能顯示出活性。水分含量與牦牛乳制品脂肪氧化關系密切,水分含量影響著牦牛乳的酶促氧化反應。牦牛乳中與脂肪氧化相關的酶有:超氧化物歧化酶(SOD)[33]、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)和脂蛋白脂肪酶(LPL)[64]。SOD能催化超氧陰離子自由基歧化為H2O2和O2;CAT催化生物體內H2O2分解為H2O和O2;GSH-PX的作用是清除自由基;LPL是分解或合成由高級脂肪酸和丙三醇形成的甘油三酸酯鍵的酶。其中,LPL是促進氧化的酶,加速乳脂肪的氧化進程,但SOD、CAT和GSH-PX是乳中抗氧化的酶類,抑制了牦牛乳制品的氧化。而牦牛乳中的脂蛋白脂肪酶(LPL)對熱不穩定,在60 ℃處理30 min后(相當于巴氏殺菌)使其完全失活。牦牛乳干酪在成熟的過程中,水分含量、脂肪及蛋白質含量隨著成熟時間的增加在不斷減少。若水分含量較高,則可能會提高乳制品體系中催化劑的流動性,導致脂肪的酶促氧化速度增加。綜上所述,對于牦牛乳制品,尤其是牦牛乳粉,生產和包裝過程中控制水分含量,是抑制牦牛乳制品氧化的有效辦法。

3 結語

本文研究影響牦牛乳制品氧化的內因和外因,以了解這些因素如何影響氧化的發生。在內因中,除脂肪酸是促進氧化的因素外,其余因素是抑制氧化因素。所有外在因素皆可被控制,針對外在影響因素找出對應的解決方法,才能更好的控制生產、加工、運輸和銷售過程中牦牛乳的品質,為青藏高原牦牛乳工業化發展做理論依據。近年來,對牦牛乳產業現狀雖有調查研究,并對牦牛乳資源進行了開發利用,但所生產的產品依然沒有很好地突出我國牦牛乳資源特色。乳脂肪氧化是乳品行業備受關注的一個問題,牦牛乳成本高,牦牛乳制品的保質期及質量保障是目前存在的問題。乳脂肪氧化后的產物可能會對牦牛乳制品帶來良好的風味,但更多的是帶來乳制品的風味、色澤、質地、組織狀態等不利的影響,并因此降低牦牛乳制品營養價值和食用口感,縮短其貨架期。目前,對牦牛乳氧化問題的研究主要集中于牦牛乳中的氧化酶及抗氧化成分的探索,未來需要從分子基因角度對牦牛乳進行分析。