改善骨骼健康高鈣牛奶的研制

王輝

乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司研究院（上海 200436）

2003—2006年的一次流行病學(xué)調(diào)查顯示：全國(guó)2006年50歲以上人群骨質(zhì)疏松癥患者近7000萬(wàn)人，其中女性約5410萬(wàn)人（患病率15.4%）、男性約1534萬(wàn)人（患病率4.4%）；骨量減少者已超過(guò)2億人，60歲以上人群骨質(zhì)疏松癥患病率明顯增高，女性尤為突出[1-2]。

鈣存在于人體內(nèi)的骨骼、牙齒、細(xì)胞和血液中，對(duì)維持生命很重要。人體主要是通過(guò)食物吸收鈣，吸收鈣不足時(shí)，骨骼內(nèi)的鈣質(zhì)會(huì)釋放出來(lái)補(bǔ)充到血液和細(xì)胞中，導(dǎo)致骨骼密度下降，脆性增加[3]。全球鈣圖及第4次全國(guó)營(yíng)養(yǎng)與健康狀況調(diào)查顯示，中國(guó)居民鈣攝入量338～391 mg/d，低于400 mg/d，不到推薦量800 mg/d的一半[4-5]。乳制品是鈣攝入的理想來(lái)源，一般來(lái)講，人體對(duì)乳制品中的鈣吸收率較高[3]。

鑒于此，試驗(yàn)開(kāi)發(fā)一款改善骨骼健康的高蛋白高鈣牛奶，研究原料乳、穩(wěn)定劑、乳化劑的選擇及最優(yōu)工藝參數(shù)，解決蛋白質(zhì)濃度高、鈣濃度高帶來(lái)的沉淀、絮凝等質(zhì)量問(wèn)題[6-7]，為該產(chǎn)品后續(xù)的臨床試驗(yàn)提供支持。

1 材料與方法

1.1 材料

生牛乳、RO濃縮乳、閃蒸濃縮乳（光明乳業(yè)股份有限公司）；結(jié)冷膠、卡拉膠（美國(guó)斯比凱可公司）；大豆磷脂、微晶纖維素（丹尼斯克（中國(guó)）有限公司）；單，雙甘油脂肪酸酯（帕斯嘉（上海）食品添加劑有限公司）；微粉型乳礦物鹽（戴緯林國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司）；六偏磷酸鈉、維生素D3（上海勵(lì)成營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)品科技股份有限公司）；初乳堿性蛋白（上海普洛欽國(guó)際貿(mào)易有限公司）。

1.2 儀器設(shè)備

超濾膜過(guò)濾器（利樂(lè)公司）；Silverson L5乳化機(jī)（英國(guó)Sliverson公司）；精密天平MS12002TS/02（梅特勒-托利多公司）；乳成分分析儀FOSS120（FOSS公司）；離心機(jī)Sorvall ST8（ThermoFisher公司）；分析天平MS104TS/02（梅特勒-托利多公司）；均質(zhì)機(jī)Panda Plus 2000（基伊埃公司）；巴氏水浴槽（上海沃迪智能裝備股份有限公司）；超高溫殺菌機(jī)T5-50L/H（斯必克流體公司）。

1.3 高鈣牛奶穩(wěn)定性測(cè)試

1.3.1 高溫保存試驗(yàn)

產(chǎn)品置于溫度371±1 ℃、濕度70%±5%的恒溫恒濕箱中，60 d后測(cè)定上層脂肪和蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度，觀(guān)察產(chǎn)品絮凝、脂肪上浮及分層析水現(xiàn)象。

1.3.2 上層脂肪和蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的測(cè)定

取高鈣牛奶上層樣品50 mL，充分搖勻后通過(guò)FOSS 120高鈣牛奶模塊測(cè)定脂肪和蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度。

1.3.3 離心沉淀率的測(cè)定[8]

離心管的質(zhì)量M0，取50 mL高鈣牛奶樣品到離心管中，總質(zhì)量為M1。以3000 r/min離心20 min，棄上清，稱(chēng)總質(zhì)量為M2。

1.4 消泡能力測(cè)試方法[9]

取樣品500 mL，使用Silverson L5乳化機(jī)，在10000 r/min條件下攪拌5 min，靜置，計(jì)錄消泡所需時(shí)間。

1.5 感官評(píng)定方法[10]

選擇30位專(zhuān)業(yè)感官評(píng)測(cè)人員，隨機(jī)分為3組，每組10人，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行色澤、口感、滋氣味和穩(wěn)定性4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。4項(xiàng)指標(biāo)的總分為單人評(píng)定分?jǐn)?shù)，取30人的平均分作為樣品的評(píng)定分?jǐn)?shù)。

表1 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2 配方和工藝參數(shù)的確定

市場(chǎng)上高鈣產(chǎn)品普遍指標(biāo)是蛋白質(zhì)3.0～3.3 g/100 mL，脂肪3.2～3.5 g/100 mL，鈣120～135 mg/100 mL。有必要開(kāi)發(fā)一款改善骨骼健康的高鈣牛奶，結(jié)合中國(guó)居民鈣攝入量338～391 mg/d，不到推薦量800 mg/d的一半的現(xiàn)狀，為達(dá)到推薦攝入量，需要使每瓶250 mL的產(chǎn)品鈣質(zhì)量達(dá)到450 mg（即180 mg/100 mL）。在同樣添加量的鈣源中，乳礦物鹽（乳鈣）對(duì)牛奶的穩(wěn)定性影響最小[8]，而且口感和沉淀量都是最佳選項(xiàng)[5]，因此選用微粉型乳礦物鹽作為鈣源。有報(bào)道，在老年人中，補(bǔ)充維生素D和鈣可減少骨質(zhì)流失和降低骨折風(fēng)險(xiǎn)，尤其是降低髖部骨折風(fēng)險(xiǎn)[4]，結(jié)合食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑使用標(biāo)準(zhǔn)，確定維生素D3質(zhì)量濃度為2.2 μg/100 mL，換算成維生素D3添加量為0.0012%。另有報(bào)道每天接受60 mg初乳堿性蛋白1.5個(gè)月后，受試組平均骨礦物密度增加[11]；結(jié)合新資源食品關(guān)于初乳堿性蛋白食用量≤100 mg/d的限制，確定每瓶250 mL初乳堿性蛋白的添加量為50 mg，即20 mg/100 mL。

2.1 原料乳的確定

前期通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)高鈣牛奶的蛋白質(zhì)普遍較低只有3.0～3.3 g/100 mL，而高端純牛奶的蛋白質(zhì)達(dá)到3.8 g/100 mL，為增加高鈣牛奶的產(chǎn)品賣(mài)點(diǎn)，確定產(chǎn)品的蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為3.8 g/100 mL。需要使用濃縮工藝對(duì)生牛乳進(jìn)行濃縮，因此分別將60～65 ℃單效或多效濃縮、2～6 ℃ RO反滲透濃縮及2～6 ℃超濾濃縮的原料乳（蛋白質(zhì)3.8 g/100 mL）經(jīng)過(guò)超高溫處理再進(jìn)行感官評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)表2。從感官評(píng)價(jià)結(jié)果可知，超濾濃縮的原料乳為最佳，口感飽滿(mǎn)清甜。另有研究發(fā)現(xiàn)超濾處理可以提高超高溫牛奶貨架期的穩(wěn)定性[12]，確定原料乳為2～6 ℃超濾濃縮乳。

表2 原料乳感官評(píng)定結(jié)果

根據(jù)全年生牛乳指標(biāo)（蛋白質(zhì)3.0 g/100 mL、鈣95 mg/100 mL），結(jié)合高鈣牛奶目標(biāo)蛋白質(zhì)3.8 g/100 mL，鈣180 mg/100 mL計(jì)算，微粉型乳礦物鹽添加量為0.25%。

2.2 穩(wěn)定劑的確定

高鈣牛奶中由于加入大量鈣，體系極不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生沉淀、分層、絮凝等質(zhì)量問(wèn)題，蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度越高、鈣質(zhì)量濃度越高，體系越不穩(wěn)定[7]。選用結(jié)冷膠、卡拉膠、微晶纖維素等高鈣牛奶中常用穩(wěn)定劑的一種或多種進(jìn)行試驗(yàn)[5,8]。采用工藝：超濾濃縮原料乳（蛋白質(zhì)3.8%，脂肪4.3%）→加熱到75 ℃加入穩(wěn)定劑（攪拌10 min）→加入乳礦物鹽、維生素D和初乳堿性蛋白（攪拌10 min）→均質(zhì)（20 MPa、65 ℃）→UHT滅菌（137 ℃、4 s）→冷卻（25 ℃）→灌裝。測(cè)定各個(gè)樣品的離心沉淀率；分別測(cè)定剛下線(xiàn)產(chǎn)品和保溫2個(gè)月產(chǎn)品上層脂肪質(zhì)量濃度、蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度，計(jì)算脂肪和蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的變化；觀(guān)察保溫2個(gè)月產(chǎn)品絮凝、脂肪上浮及分層析水現(xiàn)象。

由表3可知，微晶纖維素和卡拉膠單獨(dú)使用或復(fù)配使用均不適合試驗(yàn)的高鈣牛奶體系，保溫2個(gè)月后均出現(xiàn)絮凝和分層現(xiàn)象。只有結(jié)冷膠添加量0.025%～0.027%時(shí)，體系無(wú)絮凝和析水分層現(xiàn)象，離心沉淀率、上層脂肪和蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度的變化相對(duì)較小，因此選擇結(jié)冷膠添加量0.025%。

表3 穩(wěn)定劑對(duì)高鈣牛奶穩(wěn)定性的影響

2.3 乳化劑及其質(zhì)量濃度的選擇

有較高蛋白和脂肪的高鈣牛奶由于需要使用穩(wěn)定劑來(lái)懸浮添加的鈣，在生產(chǎn)的攪拌過(guò)程中容易產(chǎn)生很多氣泡而穩(wěn)定劑又可使泡沫持久穩(wěn)定，氣泡的存在容易導(dǎo)致部分產(chǎn)品出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象，另外體系中脂肪質(zhì)量濃度較高很容易發(fā)生上浮。前期有研究表明單一乳化劑的消泡能力均不理想，但硬脂酰乳酸鈉和大豆磷脂復(fù)配使用時(shí)可使高蛋白牛奶在生產(chǎn)過(guò)程中快速消泡并且可以保持體系均一穩(wěn)定[9]。選擇不同復(fù)配乳化劑和0.025%結(jié)冷膠一起配料，其他條件同2.2的工藝。測(cè)試不同乳化劑的消泡能力，分別測(cè)定剛下線(xiàn)產(chǎn)品和保溫2個(gè)月產(chǎn)品上層脂肪質(zhì)量濃度，計(jì)算脂肪質(zhì)量濃度變化。從表4可以看出，單、雙甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六篇磷酸鈉復(fù)配使用時(shí)消泡能力最強(qiáng)，脂肪質(zhì)量濃度變化率僅比單、雙甘油脂肪酸酯和蔗糖脂肪酸酯復(fù)配略高。因此確定單、雙甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六偏磷酸鈉以2∶1∶1復(fù)配，添加量0.15%時(shí)最佳。

表4 復(fù)配乳化劑對(duì)產(chǎn)品消泡時(shí)間和穩(wěn)定性的影響

2.4 化料和均質(zhì)條件的選擇

根據(jù)2.2和2.3的結(jié)果，穩(wěn)定劑為0.025%結(jié)冷膠，乳化劑為0.15%單、雙甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六偏磷酸鈉以2∶1∶1復(fù)配，以2.2的工藝條件進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生最未段產(chǎn)品絮凝現(xiàn)象，而在化料后增加一道均質(zhì)工藝則能避免該現(xiàn)象發(fā)生，但高溫高壓均質(zhì)會(huì)對(duì)結(jié)冷膠的懸浮性產(chǎn)生破壞作用。結(jié)合結(jié)冷膠和單、雙甘油脂肪酸酯對(duì)工藝參數(shù)的需求，以化料溫度（A）、化料時(shí)間（B）和均質(zhì)壓力（C）3個(gè)因素，設(shè)計(jì)L9(33)的三因素三水平正交試驗(yàn)，以離心沉淀率率為判斷指標(biāo)，因素水平見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表

由表6可知，最優(yōu)參數(shù)組合為A2B3C2，即化料溫度80 ℃、化料時(shí)間25 min、均質(zhì)壓力15 MPa。

表6 化料和均質(zhì)條件正交試驗(yàn)結(jié)果

3 工藝流程的確定

圖1為根據(jù)最優(yōu)配方和工藝參數(shù)確定的工藝流程。

圖1 高鈣牛奶工藝流程圖

4 結(jié)論與討論

研制的高鈣牛奶蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為3.8 g/100 mL，脂肪質(zhì)量濃度為4.3 g/100 mL，鈣質(zhì)量濃度為180 mg/100 mL，維生素D3質(zhì)量濃度為2.2 μg/100 mL。解決高蛋白質(zhì)、高脂肪、高鈣體系極不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生沉淀、分層、絮凝等質(zhì)量問(wèn)題，為該產(chǎn)品后續(xù)的臨床試驗(yàn)提供支持。

試驗(yàn)利用感官評(píng)定和高鈣牛奶穩(wěn)定性測(cè)試試驗(yàn)確定配方為超濾濃縮原料乳99.5538%，乳礦物鹽0.25%，維生素D30.0012%，初乳堿性蛋白0.02%，結(jié)冷膠0.025%，單、雙甘油脂肪酸酯0.075%，大豆磷脂0.0375%，六偏磷酸鈉0.0375%。最佳化料參數(shù)：80℃攪拌25 min，化料后需要增加均質(zhì)（15 MPa、80℃）。產(chǎn)品口感飽滿(mǎn)，奶香濃郁，組織狀態(tài)均一，無(wú)絮凝和沉淀。