包裝材料對營養配方粉理化穩定性的保護作用研究

莊柯瑾，張東巖，馮曉涵，田芳，陳晶，朱振宇，Cellar A·Nicholas，張微，滿朝新，趙艷榮，姜毓君

(1.東北農業大學食品學院乳品科學教育部重點實驗室，哈爾濱150030；2.雅培營養品上海研發中心，上海200233；3.雅培營養品全球分析與食品安全中心，美國哥倫布43219)

0 引 言

營養配方粉是為需要加強營養補充或有營養風險人群制定的特殊醫學用途配方食品。 GB 29922-2013 中對營養配方粉的能量、各營養素含量及可選擇性成分的含量都具有明確規范[1]，特別是其中的全營養配方粉（powdered nutrition formula, PNF），由于其可作為單一營養來源滿足目標人群營養需求，所含的營養素較其它營養配方粉更為全面。復雜的組分使營養配方粉的物理化學性狀在儲藏、運輸及銷售過程中易受環境因素的影響發生改變，嚴重時甚至會導致配方粉中營養物質的相互作用[2-4]。Michlová等人對光照及高溫條件下乳粉的維生素衰減情況進行分析，結果顯示維生素含量均發生了不同程度衰減[5]。配方粉中蛋白質與還原糖易發生美拉德反應，且其程度受儲藏條件及樣品基質組成的影響[6-7]。Le等人從樣品中檢測到的美拉德反應產物含量與樣品儲藏環境的濕度呈正相關[8]，但濕度過高會降低美拉德反應程度[9]?；跔I養配方食品的復雜性和目標人群的特殊性，選擇合適的包裝及儲藏條件來保障其品質對于目標人群的健康尤為重要。

包裝作為市售食品不可缺少的一部分，可為食品提供保護，保證食品衛生狀況，保障食品品質安全[10-11]。包裝最重要的特性是對氣體、水蒸氣、氣味物質及光照等因素的阻隔性[12]。營養配方粉的包裝材料主要包括馬口鐵罐、復合塑料罐和復合軟包裝袋（pouch packaging bag, PPB）。不同包材的阻隔性能存在差異，對內容物的保護作用也不盡一致[13]。馬口鐵罐是配方粉最早使用的包裝形式，對外界環境的阻隔性能較強，因此以其作為外包裝的配方粉保質期最長，一般為2～3 年[14]。復合塑料罐的阻隔性能稍弱，此種包裝的配方粉保質期通常為1.5～2 年[15]。PPB 的阻隔性能相對更弱，因此，以其包裝的配方粉保質期最短[15]。

PPB 具有制作成本較低、包裝袋大小及形狀可變性強、材料來源廣泛、便于運輸等優勢，使其市場占有率逐漸增加[16]。隨著包裝行業的發展，PPB 所使用的材料也逐漸豐富。較常用的材料包括聚對苯二甲酸乙二酯（Polyethylene Terephthalate，PET）、鋁箔（Aluminium foil，Al）、尼龍/PA（Nylon，polyamide）、高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）、低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）、聚丙烯（polypropylene，PP）和乙烯-乙烯醇共聚物（Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer，EVOH）等[17]。PET 具有較高的強度和韌性，耐刮擦性能較優，通常被用于最外層[18]。PE（HDPE 及 LDPE）和PP 具有良好的水分阻隔性，熱封性也較好，常作為最內層材料用于熱封[19]。但由于PE 對氣體的阻隔性能較差，因此常與Al 復合使用[3]。含有Al的復合材料的阻光性、阻氧性及阻濕性都優于其他復合材料[18]。EVOH 是近些年發展較迅速的高阻隔性能包材，具有優異的氣體阻隔性能和良好的保香性[19]。Nylon 除了具有阻隔性能外，還具有一定的耐沖擊性，能夠更好地保護內容物[20]。PPB 通常會選擇上述兩種或兩種以上材料進行復合材料的制備，最大限度地發揮每種材料的優勢，為產品提供更加全面的保護作用[21]。

本研究選用營養成分更加全面復雜的PNF 作為營養配方粉的代表性樣品，選擇阻隔性能相對較弱的PPB 作為包裝材料，進行影響因素試驗。分別考察無包裝的PNF 及模擬消費者使用經驗的有包裝的PNF在不同儲藏條件下物理化學性狀的穩定性，獲悉本試驗所用PNF 固有的儲藏穩定性及其對樣品的保護作用，為營養配方粉選擇合適的包裝材料及儲藏條件提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品及儲藏試驗設計

本試驗以9袋PPB 裝的PNF 中試樣品（500±10 g）作為試驗樣品，該樣品由雅培營養品上海研發中心提供。該PPB 的材料結構由外至內依次為PET/Al/Nylon/PE。將 9 袋 PNF 全部開封，每袋取出 120 ± 1 g 并平均分裝至4 個塑料平皿（直徑15 cm，平皿重量約20 g）中，隨后將袋裝PNF 用密封夾密封并將塑料平皿中的樣品鋪平。將裝有PNF 的PPB 和塑料平皿平均分成3 等份，參考T/CNFIA 001-2017《食品保質期通用指南》[22]中穩定性試驗方案，分別進行原包裝及拆除包裝樣品的高溫（60 ℃）、高濕度（RH 90%）和強光照（4500 ± 500 Lx）穩定性試驗。樣品試驗周期為14 d，試驗期內共取樣6 次，分別在儲藏第0、2、4、6、8、14 d 進行樣品的理化穩定性測定，所有測試均重復兩次。

1.2 試驗儀器與試劑

儀器設備。恒溫恒濕箱（Model 3949），Thermo Fisher Scientific；光照培養箱，BINDER；分光測色儀（ColorFlex EZ），美國 Hunter Lab 公司；渦旋振蕩器（Vortex-Genie 2），美國Scientific Industries 公司；高效液相色譜，1260 InfinityⅡ，美國Agilent 公司；臺式離心機，Multifuge X3R，美國Thermo Fisher 公司；紫外可見分光光度計，（Genesys 10 S），美國Thermo Fisher公司；熒光分光光度計，（Lumina），美國Thermo Fisher 公司；磁力攪拌器，（C-MAG HS 10），德國IKA 公司；恒溫水浴鍋，（CF-B），天津亞興自動化實驗儀器公司。

普通試劑（未特殊標記的試劑均為分析純試劑）。偏磷酸，乙酸，三水乙酸鈉，硼酸，鄰苯二胺，木瓜蛋白酶，淀粉酶，鐵氰化鉀，美國Sigma-Aldrich 公司；氫氧化鈉，氫氧化鉀，抗壞血酸，無水乙醇，酸性活性炭，石油醚（沸點為30～60℃），冰乙酸，均購買自國藥集團化學試劑有限公司；異丙醇（色譜純），甲醇（色譜純），正丁醇（色譜純），美國Thermo Fisher 公司；鹽酸（37%），德國Merck KGaA 公司。

標準品。視黃醇標準品（維生素A），α -生育酚標準品（維生素E），抗壞血酸標準品（維生素C），硫胺素鹽酸鹽標準品（維生素B1），核黃素標準品（維生素B2），均購買自美國Sigma-Aldrich公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 測定指標的選擇

本試驗根據PNF 特性及樣品儲藏條件分別選擇相應的物理性狀及敏感營養素的變化作為預測定指標，從不同角度考察試驗樣品的理化穩定性。顏色是消費者直觀判斷樣品品質變化的指標之一，顏色的變化可綜合反映美拉德反應及營養素降解程度[23]。因此，對3 種儲藏條件下的樣品均進行了顏色測定?；赑NF 含有乳糖及麥芽糊精等易吸濕組分，高濕度環境下儲藏時樣品的增重情況是另一主要監測指標。PNF 中含有多種光敏性營養素，本研究對光照條件下的脂溶性維生素（維生素A 和維生素E）和水溶性維生素（維生素C、維生素B1和維生素B2）進行了監測。營養配方粉的包裝材料對高溫均無法做到完全阻隔，已有研究表明，乳粉中維生素A、維生素E[5,25]和維生素C[26]的損失率會隨著儲藏溫度的升高而不斷增加。因此本試驗選擇性的考察了高溫條件下樣品中的維生素B1及維生素B2含量的變化。

1.3.2 顏色的測定

使用分光測色儀對樣品顏色進行測定，用L*、a*、b*表示。L*值代表樣品的明暗度，數值由小到大代表樣品顏色由黑至白；a*值為紅綠色度值，其數值的增加代表樣品顏色由綠變紅；b*值為黃藍色度值，數值由負變正代表樣品顏色由藍變黃[4]。樣品的整體顏色變化用色差（ΔE）表示，計算公式如下：

1.3.3 維生素含量的測定

維生素A 及維生素E 含量的測定參照GB 5009.82-2016[26]方法進行；維生素C 含量的測定參照GB 5413.18-2010[27]方法進行；維生素 B1、B2含量的測定分別參照 GB 5009.84-2016[28]、GB 5009.85-2016[29]方法進行。以上方法均略有改動。

1.4 數據分析

測定結果采用平均值±標準差（n=3）的形式表示。OriginPro 2017 用于數據處理及圖表制作。SPSS 22 用于測定結果的單因素方差分析，p＜0.05 代表樣品間存在顯著差異。

2 結果與分析

2.1 影響因素試驗中樣品物理性狀的變化

2.1.1 高濕環境下儲藏時樣品的增重情況

由圖1 可見，樣品于高濕環境（RH 90%）儲藏時，原包裝袋中的樣品重量并沒有發生顯著改變（p＞0.05），直至儲藏結束，與儲藏前樣品（0 d）相比重量僅增加了0.03%。平鋪于平皿中的樣品在儲藏過程中吸濕增重，其重量在儲藏期間顯著增加（p＜0.05），至儲藏第4 d，樣品重量便增加了37.24%，達到飽和狀態。平皿中的樣品在第8 d 時發生霉變，因此停止了對其重量的測定。營養配方粉中普遍含有乳糖，麥芽糊精等原料作為其重要的碳水化合物來源，而這些原料吸濕性較強，不宜直接暴露在高濕環境中。本試驗選用的軟包裝材料因含有PET 層和PE 層提供很好的阻濕性能，能夠有效阻止樣品在儲藏過程中發生吸濕增重。故樣品保存于此包裝或阻濕性能更好的包裝內時，其穩定性受濕度的影響較小。

2.1.2 樣品在不同環境下儲藏時顏色的變化情況

圖1 高濕環境下儲藏時樣品的重量變化

圖2 樣品儲藏期間的顏色變化

樣品于高溫、光照、高濕條件下儲藏期間的顏色變化結果整理于圖2 中。當原包裝袋保存的樣品放置于高溫環境下儲藏時，樣品顏色發生了顯著改變（p＜0.05），具體表現為L*值的降低、a*值的增加和b*值的增加，綜合表現為△E 值的顯著增加（p＜0.05）。當原包裝袋保存的樣品放置于光照及高濕環境時，樣品顏色在儲藏期間并沒有發生顯著變化（p＞0.05）。上述結果說明，試驗樣品的包裝袋對于光照和濕度的阻隔性很高，但是對高溫的阻隔性較差。

當平鋪于平皿中的樣品放置于高濕環境時，由于樣品黏度增加，導致無法測定其顏色變化，因此，圖2中沒有高濕環境下平鋪于平皿中樣品的顏色變化結果，但是從表1 中可以直觀地觀察到平皿中樣品放置于高濕環境時，儲藏8 d 后樣品已經變成棕色，并且有明顯的霉變現象發生。平鋪于平皿中的樣品放置于高溫環境儲藏時，其L*值顯著降低（p＜0.05）、a*值和b*值顯著增加（p＜0.05），綜合表現為△E值的顯著增加（p＜0.05）。與原包裝袋中的樣品相比，放置于平皿中的樣品變化程度更加嚴重。當平鋪于平皿中的樣品放置于光照環境時，其顏色也發生了顯著變化（p＜0.05）。賈宏信等人對比了不同包裝材料對乳粉儲藏期間顏色的影響，結果表明不同包裝材料的乳粉儲藏于 37 ℃ 和 42 ℃ 時，L*值、a*值和b*值均有不同程度的增加，且乳粉的顏色變化在42 ℃時更加嚴重，這說明即使乳粉有包裝材料的保護，在高溫儲藏環境下，其顏色也會發生改變。此外，賈宏信等人的試驗結果還證實了PET/PA/Al/PE復合包裝材料對乳粉的保護性能優于PP/EVOH/PP 復合包裝[30]。與儲藏于高溫環境下平皿中的樣品相比，光照環境下平皿中樣品的L*值下降程度更大，且b*值顯著下降。高溫主要影響樣品b*值的變化，而光照主要對樣品的L*值產生影響。樣品的b*值越大，代表樣品顏色越黃，此變化與美拉德反應程度具有一定的相關性。樣品在儲藏過程中，若由于儲藏環境不當，使蛋白質與還原糖發生美拉德反應，則會使乳粉樣品由乳黃色逐漸變為棕色[3]。美拉德反應速率會隨溫度的升高而加快，故高溫儲藏后，樣品顏色明顯加深。L*值越小，意味著樣品顏色越暗。樣品光照后，其光敏性的營養素如維生素C、B2及類胡卜素等會發生顯著降解，可能是導致樣品L*及b*值顯著下降的主要原因。

2.2 影響因素試驗中樣品化學性狀的變化

2.2.1 光照條件下樣品維生素含量的變化

光照條件下樣品的維生素含量變化趨勢整理于圖3 中。原包裝袋樣品在光照條件下儲藏14 d 后，脂溶性維生素，維生素A 和維生素E 含量分別下降了4.81%和5.08%，但與儲藏前樣品（0 d）相比均沒有顯著變化（p＞0.05）。水溶性維生素，維生素B1和維生素B2的含量在儲藏期間也沒有發生顯著變化（p＞0.05），雖然樣品維生素B1含量有所下降，但與儲藏前樣品維生素B1含量相比，并沒有顯著差異（p＞0.05）。而樣品儲藏期間，維生素C 的含量呈顯著下降（p＜0.05)趨勢，與儲藏前樣品（0 d）相比下降了11.73%。 我們對于該產品進行過開袋試驗，將開袋產品在黑暗的室溫環境下放置兩周后，維生素C 衰減率可達到9%～15%。由此說明，本試驗中放置于強光照條件下原包裝袋中樣品的維生素C 的衰減并不是由于光照引起，而是由于樣品開袋后暴露于空氣中與氧氣接觸，造成樣品儲藏過程中的維生素C 發生氧化而引起。

表1 樣品儲藏前后的顏色變化

平鋪于平皿中的營養配方粉在光照條件下儲藏期間，脂溶性維生素及水溶性維生素均發生了顯著衰減（p＜0.05)。脂溶性維生素，維生素A 和維生素E 含量的下降程度分別為47.93%和24.17%。水溶性維生素，維生素B1在儲藏期間下降了13.27%，同時，與儲藏前樣品相比，從第14 d 樣品中測得的維生素C 和維生素B2發生了更加嚴重的衰減，兩種維生素含量分別下降了61.69%和95.46%。營養配方粉中含有多種光敏性營養素，以維生素C 和維生素B2為代表，它們對光極其敏感，極易受光照影響發生降解。故此類產品不適宜直接暴露于強光下，儲藏過程中應保存于合適的阻光性能好的包裝材料中。

Bosset 等人在研究中發現，維生素很容易受到光照的影響發生降解，特別是維生素B2，對光照更加敏感。Bosset 等人同時也提到，當食品外部有不透明包裝保護時，維生素B2的降解程度會有所降低[31]。本試驗結果也顯示，與原包裝袋中樣品相比，平皿中樣品的維生素含量衰減程度更為嚴重，因此，PPB 的存在可以有效降低樣品中維生素的衰減程度。Hussein 等人研究了包裝對蔬菜中維生素C 降解情況的影響，結果表明，聚乙烯包裝、擠壓包裝和氣調包裝都會降低蔬菜中維生素C 的降解，但不同的包裝方式對維生素C 的降解程度并沒有顯著影響[32]。另外有學者發現，相對于 3 層 HDPV 的復合包裝，使用 6 層 HDPV 的復合包裝對于強化牛奶中維生素C 的保護作用更強[33]。

2.2.2 高溫條件下樣品維生素含量的變化

從圖4 可以看出，原包裝袋和平皿中樣品于高溫條件下儲藏4 d 后，維生素B1含量均發生了顯著下降（p＜0.05），但樣品在高溫條件下儲藏期間，原包裝袋和平皿中樣品的維生素B1含量相差不大，直至儲藏結束，維生素B1含量分別下降了19.55%和20.57%。相同儲藏環境下，無論是放置于原包裝袋內的樣品還是平皿中的樣品，維生素B2含量均顯著下降（p＜0.05），但是平皿中樣品的維生素B2下降程度更加嚴重。與儲藏前樣品（0 d）相比，第14 d 測得的維生素B2含量分別下降了13.59%和19.12%。

圖3 光照條件下樣品維生素含量的變化

相對于光照對營養配方粉中維生素B1衰減程度的影響，高溫對其影響更大，并且包裝袋對樣品中維生素B1的衰減無有效的阻隔能力。與維生素B1相比，維生素B2對光照更為敏感，故高溫儲藏14 d 后，平皿中樣品的維生素B2的下降程度比原包裝袋中更顯著，應該是溫度與光照共同作用的結果。

圖4 高溫條件下樣品維生素含量的變化

3 結 論

在沒有包裝袋保護的情況下，本試驗所選全營養配方粉的理化穩定性會受到儲藏環境的顯著影響。在高濕度儲藏環境下，營養配方粉極易吸濕增重，儲藏8 天后甚至發生霉變。高溫會對樣品顏色（主要是b*值）產生影響，還會使樣品中維生素B1發生顯著衰減。光照環境會也對影響樣品的顏色變化（主要是L*值），樣品中所檢測維生素在光照環境下均發生顯著降低，其中維生素C 及B2尤為嚴重。本試驗所選用復合軟包裝袋（PET/Al/Nylon/PE）的存在可以有效阻止光照及高濕對營養配方粉的影響，降低樣品顏色變化程度和維生素衰減程度。雖然該復合軟包裝袋并不能完全阻止高溫對樣品產生的影響，但一定程度上也提高了樣品的儲藏穩定性。本試驗所用的復合軟包裝袋雖然在營養配方粉常用包裝中其阻隔性能較馬口鐵罐及復合塑料罐較弱，但其仍能對營養配方粉起到足夠的保護作用。同時，因常用的包裝材料對高溫無有效的阻隔性能，即使包裝完整，仍應盡量避免營養配方粉在高溫環境下儲藏及運輸。此外，將模擬消費者取樣習慣的原包裝袋樣品儲藏于光照條件下時，維生素C 在儲藏過程中也發生了輕微的降解（11.73%），因此，樣品開封后，消費者需要按照外包裝上的指示在規定的時間內食用完營養配方粉，以避免敏感營養素的流失。