真空結合加熱、冷凍濃縮羊奶理化品質分析

朱麗，李林強，魚喆喆，劉永峰

(陜西師范大學 食品工程與營養科學學院，陜西 西安，710062)

羊奶的營養價值豐富且具有較好的保健功能[1]。與牛奶相比，羊奶的蛋白質含量較多且球蛋白顆粒較小，易被機體消化吸收，因此以羊奶為原料的產品受到了人們的廣泛關注[2]。羊奶粉是羊奶主要的加工產品，而濃縮是生產羊奶粉的關鍵環節[3]。

濃縮的常見方法有加熱濃縮(heating concentration，HC)、真空加熱濃縮(vacuum heating concentration，VHC)和真空冷凍濃縮(vacuum freezing concentration，VFC)等。HC是一種在常壓和加熱條件下除去食品中水分的方法，這種方法濃縮效率低且容器壁會有聚集體或沉淀物的形成，產品感官品質較差[4]。VHC是在減壓條件下，通過加熱將食品中水分除去的方法，能在較短時間內完成濃縮，同時能提供較高濃縮程度的濃縮羊奶，但真空加熱會影響羊奶中的營養組成而且與HC相比，VHC對食品品質的影響較小，并且濃縮效率更好[5]。VFC是一種將食品中的水分凍結，并輔以真空條件除去食品中凍結水的方法[6]。VFC與HC相比具有能較好保存食品中的風味、色澤和營養價值等優點，但VFC需要的時間較長[7]。根據QB/T 5395 2019《中華人民共和國輕工行業標準 濃縮乳》現行全脂濃縮奶的乳固體含量>25%，因此本試驗確定濃縮奶的總固形物含量(total solids，TS)分別為25%和35%。目前HC和冷凍濃縮對產品品質影響的研究較多，但有關加熱、冷凍結合真空濃縮方法對羊奶品質影響的相關報道并不多見。

本研究采用加熱、真空加熱和真空冷凍3種濃縮方法，將鮮羊奶分別濃縮至25%和35% TS，探究其對羊奶營養成分、理化品質的影響，為得到較高質量的濃縮羊奶提供理論依據及技術路線。

1 材料與方法

1.1 材料

鮮羊奶購于陜西省西安市長安區奶山羊養殖大戶，用冰盒運回,鮮羊奶分為7組，25%TS濃縮羊奶分3組，35%TS濃縮羊奶分3組，鮮羊奶作為對照，相同濃縮程度的3種濃縮羊奶分別用HC、VHC和VFC方法進行濃縮；尼羅紅，美國阿拉丁公司；異硫氰酸熒光素(fluorescein isothiocyanate，FITC)，美國Sigma公司；NaH2PO4、Na2HPO4，天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器

FV 1200激光共聚焦顯微鏡，奧林巴斯公司；Chirascan圓二色譜儀，英國應用物理公司；FD-1A-50真空冷凍干燥機，北京博美康試驗儀器有限公司；BI-90 Plus激光粒度儀，美國布魯克海文儀器公司；NS800色差儀，深圳三恩馳科技有限公司；UV-1200紫外可見分光光度計，上海美析儀器有限公司；RE-52旋蒸儀，上海亞榮生化儀器廠；PHS-3C型雷磁精密pH酸度計，上海精密科學儀器有限公司；TGL-16gR離心機，上海安亭科學儀器廠。

1.3 濃縮羊奶的制備方法

HC在80 ℃水浴條件下進行；VHC在真空度0.1 MPa，75 ℃條件下使用旋蒸儀進行濃縮；VFC羊奶經過-80 ℃冷凍過夜后，在真空冷凍干燥機中進行；采用烘干法對所得濃縮羊奶進行TS測定，得到(25±5)%和(35±5)% TS的濃縮羊奶。

1.4 濃縮羊奶理化指標測定

1.4.1 濃縮羊奶pH值測定

參考ZHAO等[8]的方法，在室溫條件下進行。

1.4.2 濃縮羊奶濁度的測定

參考ZHAO等[9]的方法，并稍作改進。從不同濃縮組中取樣0.5 mL分別置于100 mL容量瓶中，并用蒸餾水稀釋定容，混合均勻后，在室溫條件下使用紫外分光光度計對濃縮羊奶進行測定，測定波長為633 nm。

1.4.3 濃縮羊奶色值的測定

參考TRIBST等[10]的方法，按照說明使用標準黑白板對儀器進行校準，校準結束后對濃縮羊奶進行測定。將樣品放置在光學測量口處進行測量，記錄L*、a*、b*值，并以鮮羊奶作為初始參數(L0、a0、b0)，色差ΔE計算如公式(1)所示：

(1)

1.4.4 濃縮羊奶粒度的測定

參考MARKOSKA等[11]的方法。從不同濃縮羊奶中取樣0.5 mL，用蒸餾水稀釋200倍，混合均勻后使用激光粒度儀測定羊奶的粒度。

1.4.5 濃縮羊奶酪蛋白二級結構的測定

參考孫靜麗[12]的方法，并稍作改進。濃縮羊奶離心得到脫脂樣品；等電點沉降酪蛋白并烘干沉淀；用磷酸鹽緩沖鹽溶液(pH 8.0)配制0.1 mg/mL蛋白溶液，然后用0.45 μm過濾器過濾，在波長190～260 nm處使用圓二色譜儀進行測定。

1.4.6 激光共聚焦顯微鏡觀察濃縮羊奶微觀結構

參考YU等[13]的方法。各處理組的濃縮羊奶取1 mL分別置于1.5 mL的離心管中，分別加入20 μL 1 mg/mL的尼羅紅乙醇溶液和20 μL 1 mg/mL的FITC乙醇溶液混合染色30 min。最后，通過激光共聚焦顯微鏡觀察濃縮羊奶脂肪球結構。尼羅紅和FITC的激發波長分別為534和488 nm。

1.5 數據處理

所有測定均重復3次。使用SPSS 20軟件對所得數據進行單因素方差分析，結果用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同濃縮方法對羊奶pH值的影響

如圖1所示，3種濃縮羊奶的pH值比鮮羊奶低2.90%～4.26%(P<0.05)；在25%TS水平，VFC、VHC羊奶的pH值比HC羊奶高1.43%，VFC羊奶和VHC羊奶的pH值無差異；在35%TS水平，HC羊奶比VHC、VFC羊奶的pH值均高0.95%，VHC、VFC羊奶的pH值無差異。

圖1 不同濃縮方法對羊奶pH值的影響Fig.1 Effects of different concentrated methods on pH value of goat milk注：不同字母表示各處理組之間具有顯著性差異(P<0.05)(下同)

2.2 不同濃縮方法對羊奶濁度的影響

如圖2所示，3種方法制備的濃縮羊奶的濁度比鮮羊奶高13.34%～62.92%(P<0.05)；在25%TS水平，VHC羊奶濁度比HC、VFC羊奶高10.10%和4.71%(P<0.05)；在35%TS水平，VHC羊奶的濁度比HC、VFC羊奶高25.41%和22.20%(P<0.05)；VFC方法制備的35%TS濃縮羊奶的濁度顯著大于25%TS濃縮羊奶(P<0.05)。可見，VHC方法對羊奶的濁度影響最大，其次為VFC、HC方法。

圖2 不同濃縮方法對羊奶濁度的影響Fig.2 Effects of different concentrated methods on turbidity of goat milk

2.3 不同濃縮方法對羊奶的色值影響

如表1所示，HC、VHC方法中，25%TS、35%TS羊奶的L*值、b*值較鮮羊奶顯著變化(P<0.05)；VFC方法制備2種濃縮程度羊奶的a*值較鮮羊奶無顯著差異(P>0.05)，b*值顯著高于鮮羊奶(P<0.05)，25%TS羊奶的L*值較鮮羊奶無顯著差異(P>0.05)，35%TS羊奶的L*值較鮮羊奶顯著降低(P<0.05)；25%TS水平，VFC羊奶的L*值顯著低于HC、VHC羊奶(P<0.05)，a*值比HC、VHC羊奶高58.11%和64.19%(P<0.05)，b*值比VHC羊奶小10.97%(P<0.05)，但與HC羊奶無顯著差異(P>0.05)，色差比VHC羊奶小43.41%(P<0.05)；HC羊奶的L*值顯著大于VHC羊奶(P<0.05)，b*值比VHC羊奶低18.42%(P<0.05)，a*值與VHC羊奶無顯著差異(P>0.05)；35%水平，VFC羊奶的L*值顯著低于HC羊奶(P<0.05)，但與VHC無顯著差異(P>0.05)，a*值比HC、VHC羊奶高49.40%和52.41%(P<0.05)，b*值比VHC羊奶低7.56%(P<0.05)，但與HC羊奶無顯著差異(P>0.05)，色差比VHC羊奶低16.41%(P<0.05)，比HC羊奶高30.61%(P<0.05)。因此，使用真空冷凍方法制備的25%TS羊奶對色差的影響最小。

表1 不同濃縮方法對羊奶色值的影響Table 1 Effects of concentrated methods on color value of goat milk

2.4 不同濃縮方法對羊奶粒度的影響

如圖3所示，2種濃縮程度VHC羊奶的粒度較鮮羊奶無顯著差異(P>0.05)；HC方法中25% TS羊奶粒度與鮮羊奶無顯著差異(P>0.05)，35% TS羊奶的粒度較鮮羊奶顯著增大(P<0.05)；VFC方法中，25% TS比鮮羊奶低17.5%(P<0.05)，35% TS羊奶與鮮羊奶無顯著差異(P>0.05)。25% TS水平，VFC羊奶的粒度比HC、VHC羊奶小35.07%和23.10%(P<0.05)；HC羊奶的粒度與VHC羊奶無顯著差異(P>0.05)。35% TS水平，VFC羊奶的粒度比HC羊奶小34.34%(P<0.05)，與VHC羊奶無顯著差異(P>0.05)；HC羊奶的粒度比VHC羊奶大25.52%(P<0.05)。因此，對羊奶粒度影響最小的是VFC方法。

圖3 不同濃縮方法對羊奶粒度的影響Fig.3 Effects of concentrated methods on particle size of goat milk

2.5 不同濃縮方法對羊奶酪蛋白二級結構的影響

如表2所示，羊奶中酪蛋白二級結構主要以α-螺旋和無規則卷曲結構為主。HC、VHC方法中，25%TS濃縮羊奶的α-螺旋結構比鮮羊奶高39.50%和61.88%(P<0.05)，其他結構均顯著降低(P<0.05)；HC方法中，35%TS濃縮羊奶的α-螺旋結構比鮮羊奶低25.26%(P<0.05)，其他結構均顯著增大(P<0.05)；VHC方法中，35%TS濃縮羊奶的酪蛋白二級結構較鮮羊奶均無顯著差異(P>0.05)；VFC方法中，25%TS濃縮羊奶α-螺旋結構顯著低于鮮羊奶(P<0.05)，無規則卷曲結構顯著低于鮮羊奶(P<0.05)，35%TS濃縮羊奶α-螺旋結構顯著高于鮮羊奶(P<0.05)，其他結構顯著低于鮮羊奶(P<0.05)。25%TS水平，VFC羊奶α-螺旋結構比HC、VHC羊奶低65.03%和91.50%(P<0.05)，其他結構均顯著增大(P<0.05)；VHC羊奶α-螺旋結構顯著高于HC羊奶(P<0.05)，平行、β-轉角和無規則卷曲結構顯著低于HC羊奶(P<0.05)。35%TS水平，VFC羊奶α-螺旋結構分別比HC、VHC羊奶高117.30%、69.73%，其他結構均顯著降低(P<0.05)；VHC羊奶的α-螺旋結構比HC羊奶高28.03%(P<0.05)，其他結構較HC羊奶均顯著減少(P<0.05)。因此，25%濃縮程度中VFC方法和35%TS濃縮程度的VHC方法對羊奶的影響較小。

表2 不同濃縮方法對羊奶酪蛋白二級結構的影響 單位:%

2.6 不同濃縮方法對羊奶脂肪球大小的影響

如圖4所示，在鏡像下可以觀察到紅色的乳脂肪球以微小顆粒分布在整個羊奶體系中。鮮羊奶(圖4-a)的脂肪球大小和分布比較均勻，為2～4 μm。HC和VHC羊奶脂肪球直徑比鮮羊奶大，而且TS為25%～35%HC羊奶脂肪球直徑增大趨勢比VHC羊奶大；VFC羊奶的脂肪球直徑與鮮羊奶無差異。25%TS水平，HC(圖4-b)和VHC羊奶脂肪球(圖4-c)變大，且脂肪球間的距離變小；VFC羊奶脂肪球(圖4-d)在體系中分散較均勻，為2～4 μm。35%TS水平，HC羊奶脂肪球(圖4-e)的距離減小，分布不均勻，且大于VFC羊奶(圖4-g)的脂肪球，直徑≥5 μm；真空加熱使濃縮羊奶脂肪球(圖4-f)的密集程度增加且大于VFC羊奶脂肪球(圖4-g)。因此，不同濃縮方法對羊奶脂肪球直徑的影響最大的是HC方法，其次是VHC、VFC方法。

a-鮮羊奶;b-25%TS水平的HC羊奶;c-25%TS水平的VHC羊奶;d-25%TS水平的VFC羊奶;e-35%TS水平的HC羊奶;f-35%TS水平的VHC羊奶;g-35%TS水平的VFC羊奶圖4 不同濃縮方法對羊奶脂肪球結構的影響Fig.4 Effects of concentrated methods on structure of fat globule of goat milk注：圖中綠色表示濃縮羊奶中的蛋白質，紅色表示濃縮羊奶中的脂肪球

3 討論

鮮羊奶在濃縮過程中乳糖發生了降解，產生的有機酸或可溶性磷酸鈣經過一系列反應轉化成膠體磷酸鈣并且羊奶酪蛋白脫磷酸作用也會加強，一些酸性物質如磷酸鹽、碳酸鹽等濃度增加，導致濃縮羊奶pH值降低[14]。此外，電離狀態活性氫離子的含量影響pH值，濃縮過程中，羊奶的電離平衡被打破，增加了活性氫離子的含量，使濃縮羊奶的pH降低[15]。濃縮羊奶的pH值降低，酪蛋白和乳清蛋白之間發生了相互作用，膠束表面形成酪蛋白-乳清蛋白的聚集體，導致濃縮羊奶濁度增加[16]，這與本試驗所得結果一致。

羊奶濃縮過程中體系的蛋白質發生一系列變化，熱處理對羊奶的粒度有增大的作用，這可能是由于羊奶中的蛋白質主要以酪蛋白為主，熱處理過程中酪蛋白膠束會發生聚集作用，濃縮程度增加，酪蛋白膠束的聚集程度變大；此外，乳清蛋白通過二硫鍵結合形成聚合物，β-乳球蛋白和κ-酪蛋白在硫醇-二硫鍵交換作用下生成酪蛋白-乳清蛋白的聚集體，酪蛋白本身發生的聚集和酪蛋白-乳清蛋白聚集反應高于酪蛋白自身的解聚程度時，羊奶粒度增大[16]。VFC方法中，35%TS濃縮羊奶的粒度顯著大于25%TS濃縮羊奶(P<0.05)，這可能是因為蛋白膠束與脂肪顆粒的相互吸附作用能使部分脂肪顆粒聚集或部分蛋白膠束發生凝集，VFC時羊奶中的水結晶析出會增加脂肪和酪蛋白的密集程度，進一步促進了酪蛋白膠束和脂肪的凝聚，因此增加了濃縮羊奶的粒度[10,15]。

色值的變化影響羊奶感官品質，不同濃縮方法對濃縮羊奶的L*值產生了較大的影響，35%TS濃縮羊奶L*值均顯著降低(P<0.05)，可能是鮮羊奶使用不同濃縮方法濃縮到35%TS過程中，羊奶凝膠體系變得松散，減弱了反射光和散射光作用，影響了羊奶的透過性[17]。此外，L*值的變化還與濃縮羊奶中的一些有效成分有關，例如核黃素和類胡蘿卜素等[18]。濃縮羊奶的b*值較鮮羊奶增加，可能是乳脂肪含量的存在對羊奶b*值的變化有著重要影響，濃縮過程使羊奶脂肪含量增大，脂肪中存在的類胡蘿卜素使濃縮羊奶中的b*值發生了明顯的變化[19]。濃縮過程中脂肪含量的增加對a*值的影響較大[20]。加熱和VHC使羊奶中乳糖與酪氨酸發生羰基反應，5-羥甲基糠醛作為該反應的中間產物之一，對乳制品的色澤產生了重要的影響，使羊奶色澤變黃[21]。

α-螺旋結構在酪蛋白二級結構中是最穩定的，加熱使酪蛋白α-螺旋結構中的氫鍵斷裂，使得螺旋結構解旋進而發生變化[22]。YE等[23]研究表明α-螺旋結構在70～85 ℃內表現為先增加后減少，β-轉角減少可能是由于向α-螺旋結構轉變的原因，同時也會向無規則卷曲方向轉變。因此，HC和VHC羊奶酪蛋白的α-螺旋結構的比例先增加后減少，β-轉角結構、平行結構、反平行結構、無規則卷曲結構的比例先減少后增加。在冷凍濃縮的過程中，羊奶中凍結的冰晶破壞了酪蛋白α-螺旋結構中的氫鍵，引起蛋白分子的交聯作用，使蛋白質的二級結構發生了變化[24]。真空冷凍濃縮使反平行結構增加，可能是因為α-螺旋結構受到外部作用力的影響后發生了解旋，并且解旋后的二級結構向反平行結構改變。隨著濃縮時間的延長，α-螺旋結構增加可能是其它結構發生交聯作用引起的。

有研究表明乳脂肪球的大小和分布發生變化可能是由于乳中的脂肪發生了一定程度的變化[21]。加熱和真空加熱方法對羊奶進行濃縮時，羊奶中脂肪含量增加，整個體系中的乳脂密度增大，體系中的布朗運動使得乳脂之間的相互撞擊幾率增大，乳脂肪球聚集的幾率變大[25]。此外，熱處理可能也會加快布朗運動過程中顆粒的撞擊幾率，使脂肪球直徑增大。因此羊奶乳脂肪球的微觀結構觀察表明常壓HC羊奶的乳脂肪球直徑顯著增大。

4 結論

VHC羊奶的蛋白質、脂肪和乳糖等營養成分均高于其他2種濃縮方法，且VHC對羊奶的濁度和色差影響較大；HC對羊奶的粒度和脂肪球影響較大；VFC對羊奶的色差、粒度和脂肪球微觀結構影響較小，因此VFC羊奶品質較好。25%TS VFC較35%TS VFC對羊奶的粒度、色差、酪蛋白二級結構影響較小。綜合比較，TS為25%的VFC羊奶較其他濃縮羊奶品質最好。