牛、羊乳粉的DSC熱學性質比較及摻假分析

張昊陽，肖 宇，喬春艷，郝 果，李 妍，劉永峰,*

（1.陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西 西安 710062；2.富平縣檢驗檢測中心，陜西 渭南 711700）

羊乳作為我國新興的乳源，以其豐富的營養物質、良好的飲用口感等優點被贊譽為“乳中精品”，是公認在成分上最接近母乳的乳品[1-2]。羊乳中的小分子蛋白易消化且不會出現過敏癥狀，深受嬰幼兒及對牛乳過敏的人群青睞[3-4]。羊乳與牛乳都含有豐富的脂肪酸和蛋白質。羊乳中的脂肪酸有20%，且屬于中短鏈脂肪酸，是牛乳的5 倍多，而牛乳中的總飽和脂肪酸含量較高[5-6]。然而，由于現今市場上乳羊產業規模小而導致羊乳粉的價格普遍高于牛乳粉，使一些不法企業在生產羊乳粉的過程中摻假牛乳粉。這種摻假現象嚴重影響了羊乳粉的品質并制約羊乳粉產業的健康發展，并可能對有過敏反應的消費者造成傷害[7-8]。因此如何檢測羊乳粉摻入牛乳粉十分必要。

目前檢測羊乳中摻入牛乳的主要手段是借助儀器依據牛乳、羊乳營養成分的差異進行檢測，例如：反相高效液相色譜法、熒光光譜檢測法、氣相色譜-質譜聯用檢測法[9]。這些方法能夠為羊乳中摻假牛乳的檢測起到有效的支持。但卻存在如樣品預處理繁瑣、操作條件嚴苛等缺點[10]。因此一種可以高效快速檢測羊乳粉真實性的方法對維持羊乳產業健康穩定發展具有重要意義。

差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）法是一種比較簡單、方便的分析物質熱學性質的技術，該技術具有成本較低、不含有害試劑、樣品無需前處理等優點。DSC能夠檢測食品發生熱學性質變化時的轉變溫度和發生轉變時的熱焓變，具有較高的靈敏度，便于分析各種食物成分如蛋白質[11]、脂肪[12]等的熱特性。劉功明等[13]將經過不同溫度處理后的豬肉、牛肉和羊肉樣品利用DSC進行掃描，發現不同溫度熱處理肉樣熱相圖差異明顯，隨著處理溫度的升高，肉樣熱學峰的變性焓值隨溫度升高逐漸降低。DSC在乳制品方面多應用于單組分的研究，包括乳糖[14]、乳蛋白[15]、乳脂肪[16]等，通過分析單一組分的熱學性質并對其進行性能評定。DSC已被用于測定乳粉物理狀態、影響干燥工藝條件等。Szulc等[17]利用DSC研究添加植物性油脂和動物性油脂對于牛乳粉的穩定性和融化溫度的影響，發現添加植物性油脂的牛乳粉更難融化。Pugliese等[18]通過對比分析來自歐洲不同產地的全脂、脫脂牛乳粉對比工業乳糖的DSC曲線，表明產地不同的牛乳粉DSC曲線總體趨勢和特征峰相同，結果不僅證明乳糖對于乳粉的熱力學特性有極大的影響，而且發現了影響非晶態乳糖形成的因素。

目前利用DSC在鑒別乳制品真偽方面的研究較少，但已有的研究結果表明這種方法在鑒別乳制品摻假方面具有很高的潛力[19]。Tomaszewska-Gras等[20]利用DSC分析和線性回歸模型表明，在黃油中添加棕櫚油會改變黃油樣品熔化過程的溫度、焓和最大熔化峰值高度等參數。Nurrulhidayah等[21]針對黃油中摻入豬油的問題，利用DSC分析發現，在升溫曲線中，黃油存在1 個小的吸熱峰與1 個大的吸熱峰，隨著豬油摻入量的增加，小的吸熱峰減小。本研究利用DSC技術對羊乳粉中摻入不同比例的牛乳粉進行檢測，對比羊乳粉和摻假牛乳粉的羊乳粉在DSC熱學性質上的差異，旨在為研究羊乳粉、牛乳粉的熱學特征，以及羊乳粉中摻假牛乳粉的鑒別提供新穎的理論方法參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

純山羊乳粉（400 g袋裝） 市購；全脂牛乳粉（1 kg袋裝） 內蒙古伊利實業集團有限公司。

氯化鋁（分析純） 天津市化學試劑六廠；氯化鈉（分析純） 天津市博迪化工有限公司。

1.2 儀器與設備

Q200型DSC儀 美國TA公司；FD-1A-50型真空冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司；HD-5型智能水分活度測量儀 無錫市華科儀器儀表有限公司；JA1203型電子天平 上海優尼科儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同摻假比例羊乳粉的制備

稱取羊、牛乳粉以不同比例用蒸餾水摻假混合，制備混合摻假樣。具體方法為：取0.9 g羊乳粉和0.1 g牛乳粉于10 mL蒸餾水中混勻，制備10%摻假樣品，以同樣的方法按照羊乳粉與牛乳粉混合比例的不同分別制備75%、50%、25%、10%、5%、3%、1%的摻假樣品；取1 g羊乳粉于10 mL蒸餾水中混勻，制備全脂純羊乳樣；取1 g牛乳粉于10 mL蒸餾水中混勻，制備全脂純牛乳樣。

1.3.2 羊乳的真空冷凍干燥處理

全脂羊乳粉的制備：參照Alessandro等[22]的方法對全脂羊乳進行真空冷凍干燥處理，為減少對樣品造成的熱損害，先對樣品在-80 ℃進行了預冷凍30 min處理將羊乳內的水分固化，防止在真空冷凍過程使樣品發生起泡、收縮等不良現象。通過控制干燥時間，預實驗篩選得到了冷凍干燥48 h時，樣品可以形成質量穩定的粉末。75%、50%、25%、10%、5%、3%、1%的摻假羊乳粉、全脂牛乳粉與制備全脂羊乳粉的步驟相同。

1.3.3 水分活度的測定

凍干樣品的水分活度（aw）用水分活度儀測定，實驗重復3 次，儀器采用標準過飽和氯化鋁溶液進行校準。

1.3.4 DSC分析

參考Ren Qingxi等[23]方法略作修改。用銦（熔化溫度156.6 ℃，ΔHm=28.5 J/g）和汞（熔化溫度-38.83 ℃，ΔHm=11.41 J/g）對儀器進行校準，并以一個空坩堝作為基準。準確稱取10 mg左右的乳粉樣品密封均勻平鋪于DSC儀坩堝底部，用于DSC分析，所有樣品設置3 個重復，在室溫條件下進行分析。用銦和汞對儀器進行校準。測定程序為：將樣品在26 ℃平衡5 min，以5 ℃/min冷卻至-80 ℃，在-80 ℃平衡5 min后以5 ℃/min加熱到250 ℃。用干燥氮氣以50 mL/min沖洗凈化樣品。每個樣本設置3 個重復。

1.4 數據處理

采用TA Universal Analysis軟件對DSC升溫曲線圖譜數據進行采集分析，得到峰值起始溫度（Ton），最大峰值溫度（Tp）和熱焓值（ΔH）。使用Origin 2015軟件進行數據處理以及使用SPSS 20.0軟件進行平均值計算和方差分析，分析差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 全脂牛乳粉和全脂羊乳粉DSC熱學分析

用DSC儀分別對全脂牛乳粉和全脂羊乳粉進行測定，結果如圖1、表1所示。由圖1可知，2 種全脂乳粉在整個溫度范圍內出現多個位置相似的吸熱峰。這些峰主要是由乳脂、蛋白質、乳糖等在DSC升溫過程中產生的熱學效應而出現。可以觀察出全脂牛乳粉相比全脂羊乳粉缺少b峰，且全脂牛乳粉在e峰處的峰面積遠大于全脂羊乳粉。

圖1 全脂牛乳粉、全脂羊乳粉DSC曲線Fig.1 DSC curves of whole cow milk powder and whole goat milk powder

表1 全脂牛乳粉和全脂羊乳粉的水分活度及DSC熱學指標Table 1 Water activity and DSC thermal characteristics of whole cow milk powder and whole goat milk powder

全脂羊乳粉存在吸熱峰a、b，在這2 個特征峰的溫度范圍內主要發生乳脂的熔化過程。根據Rahman等[24]和Fierz[25]的研究，DSC曲線圖上在10～30 ℃區間內觀測到的吸熱溫度轉變是典型的乳脂肪分解熔化過程。對比全脂羊乳粉和全脂牛乳粉的DSC曲線圖可以發現，在全脂牛乳粉的DSC圖中幾乎無法觀察到較小的吸熱峰b。Gallier[26]和Prosser[27]等研究發現，牛羊乳的脂肪酸主要由豆蔻酸、棕櫚酸、油酸和硬脂酸組成，二者的差異在于羊乳中短鏈飽和脂肪酸含量相較牛乳更豐富，牛乳中總飽和脂肪酸含量比羊乳高出很多。根據牛羊乳在脂肪酸的差異，b峰可能是中短鏈脂肪酸的特征峰，該峰也可以作為鑒別牛羊乳差異的一個特征峰。任榮等[28]研究發現羊乳中的脂肪含量相比牛乳更高，這可能是導致全脂羊乳粉a峰焓值大于全脂牛乳粉的原因。王筠鈉等[29]研究得出乳脂肪酸飽和度越高，則熔點也就越高。所以全脂牛乳粉a峰的峰值溫度（17.29 ℃）相比全脂羊乳粉（12.23 ℃）更大。

在90 ℃左右，全脂牛乳粉（88.53 ℃）和全脂羊乳粉（81.64 ℃）均出現一個明顯的吸熱峰c，Szulc等[17]分析了工業規模化生產的牛乳粉，認為在94.23 ℃產生的吸熱轉變與乳球蛋白變性有關。在這個特征峰溫度蛋白質會發生吸熱變性。全脂羊乳粉在81 ℃左右出現一個熱焓值較大的吸熱峰c峰，此結果與蛋白質（β-乳球蛋白）變性的溫度水平非常相似。羊乳中β-乳球蛋白可能是以一種寡聚蛋白的形式存在，而牛乳中β-乳球蛋白多以聚合態存在[30-31]，從而可能導致蛋白質變性溫度增加而產生吸熱峰后移的情況。所以在DSC曲線上羊乳粉首先觀測到c峰，而牛乳粉c峰出現時間比較后滯。楊寶雨[32]和蔡俊娜[33]等的研究表明，羊乳中的β-乳球蛋白含量顯著低于牛乳中的含量。這可能是導致全脂羊乳粉c峰的焓值（43.95 J/g）遠小于全脂牛乳粉c峰的焓值（74.25 J/g）的原因。

而在150～190 ℃范圍內存在2 個明顯的吸熱峰（d、e峰），Górska[30]和Szepes[34]等研究了無定形乳糖和結晶乳糖的相變溫度，并分別在144 ℃（水分蒸發）和213 ℃（乳糖的真正熔化）觀察到了DSC圖上的熱峰。本研究在DSC曲線圖中觀察到吸熱峰d峰位于150～160 ℃范圍內，該處峰是乳糖水分的蒸發，吸熱峰e即乳糖開始熔化分解的轉變溫度在170～190 ℃范圍內。與純乳糖相比，本研究乳粉中乳糖的熔化溫度相對較低。根據Górska等[30]的研究，乳糖熔點溫度取決于糖的狀態。乳粉中所含乳糖基本以非晶態的玻璃無定型態存在，故可能的原因是乳粉中無定型乳糖與其他物質反應疊加影響到乳糖的熔化過程[35-36]。155～185 ℃的溫度范圍是乳糖的相變熔化過程。全脂羊乳粉和全脂牛乳粉的d峰相比未有明顯變化，而全脂羊乳粉e峰的熱焓值（5.009 J/g）相比全脂牛乳粉（21.79 J/g）要低。這可能是因為牛乳相比羊乳含有較高的乳糖[1]，反應在焓值上使全脂牛乳粉d峰的熱焓值更大。

結合圖1和表1可發現，全脂羊乳粉相對于全脂牛乳粉的區別主要為：全脂羊乳粉的a峰峰值溫度、c峰峰值溫度和c峰熱焓值均小于全脂牛乳粉；全脂牛乳粉缺失吸熱峰b峰；全脂羊乳粉的e峰熱焓值遠高于全脂牛乳粉。二者在上述特征峰以及熱學指標上的差異，可以為鑒別摻假不同比例牛乳粉的羊乳粉提供理論依據。

2.2 全脂羊乳粉和低比例摻假羊乳粉的DSC熱學分析

用DSC儀對摻入較低比例牛乳粉（10%、5%、3%、1%）的摻假羊乳粉以及全脂羊乳粉進行測定，結果如圖2、表2所示。

圖2 羊乳粉例摻不同比假牛乳粉（10%、5%、3%、1%）DSC曲線Fig.2 DSC curves of goat milk powder adulterated with different proportions of cow milk powder (10%,5%,3% and 1%)

表2 不同摻假比例（10%、5%、3%、1%）乳粉樣品的水分活度及熱力學物理指標Table 2 Water activity and DSC thermal characteristics of goat milk powder samples adulterated with different proportions of cow’s milk powder (10%,5%,3% and 1%)

由圖2可知，添加10%、5%、3%、1%牛乳粉的羊乳粉與全脂羊乳粉的DSC曲線在整個溫度范圍內呈現相似峰形，表現出多個吸熱特征反應。依據全脂牛乳粉和全脂羊乳粉的DSC分析結果看，a、b峰為乳脂肪熔化峰，c峰為蛋白質熔化峰，吸熱峰d為乳糖水分的蒸發，e峰為乳糖的熔化峰。曲線上a峰的峰形隨摻入牛乳粉比例的增大逐漸變得尖銳，b峰的峰形隨著摻假比例的逐漸升高有比較明顯的變小趨勢，峰位置向右偏移。

結合表2各峰的溫度范圍可知，當溫度升至12 ℃左右時，這4 個不同比例摻假樣品都開始出現吸熱峰，表明乳粉組分開始發生熔化，此處（a峰）為乳脂肪相變熔化過程。該峰起始溫度Ton在2 ℃左右，峰值溫度Tp在12 ℃左右。全脂羊乳粉在a峰對應處的熱焓值為11.11 J/g，摻入不同比例牛乳粉樣品的熱焓值均小于純羊乳粉熱焓值，且差異顯著（表2）并且隨著摻入牛乳粉比例的增大而減小。當溫度在30 ℃左右時，出現一個較小的吸熱峰（b峰）。全脂羊乳粉在b峰對應處的熱焓值為1.20 J/g，摻入1%、3%、5%、10%比例牛乳粉摻假樣品的熱焓值均比純羊乳粉熱焓值小，各個樣品之間有顯著差異，熱焓值隨著摻假比例的增大而呈現逐漸減小的趨勢，同時該b峰的峰值溫度逐漸升高。

在50～80 ℃的溫度區間內，出現了一個較大較寬的吸熱峰（c峰），此處為蛋白質熔化的溫度范圍，該峰起始溫度在50 ℃左右，峰值溫度在80 ℃左右。吸熱峰c的峰值溫度和熱焓值在摻假比例10%以內有所波動但總體呈現向降低的趨勢。

當DSC升溫達到140～190 ℃范圍內，乳糖開始熔化，出現了2 個吸熱峰（d峰、e峰）。隨著摻入牛乳粉比例的增大，e峰的峰值溫度在逐漸增大，e峰焓值在3%、1%的摻假比例內緩慢增加，在5%摻假（8.71 J/g）比例出現較明顯的增大，焓值整體呈增大趨勢，各個樣品之間差異顯著（表2）。

在摻入較低比例牛乳粉的羊乳粉樣品和全脂羊乳粉的比較中，可以發現b峰的熱焓值隨著摻假比例的增大而減小；c峰峰值溫度和熱焓值整體呈降低趨勢但存在波動；e峰焓值隨摻假比例增大而逐漸增大。由于b峰和e峰的熱焓值在樣品間存在顯著差異，可以用b峰的熱焓值大于5.009 J/g、小于8.71 J/g或通過b峰的熱焓值大于0.46 J/g、小于1.20 J/g推斷羊乳粉中摻假了牛乳粉而且摻假比例在10%以下。

2.3 全脂羊乳粉和高比例摻假羊乳粉的DSC熱學分析

用DSC儀對摻入較高比例牛乳粉（75%、50%、25%）的摻假羊乳粉以及全脂羊乳粉進行測定，結果如圖3、表3所示。

表3 不同摻假比例（75%、50%、25%）乳粉樣品的水分活度及物理指標Table 3 Water activity and DSC thermal characteristics of goat milk powder samples adulterated with different proportions of cow’s milk powder (75%,50% and 25%)

圖3 羊乳粉摻假不同比例牛乳粉（75%、50%、25%）DSC曲線Fig.3 DSC curves of goat milk powder adulterated with different proportions of cow’s milk powder (75%,50% and 25%)

由圖3可知，添加75%、50%、25%牛乳粉的羊乳粉與全脂羊乳粉的DSC曲線在整個溫度范圍內呈相似峰形，表現出多個吸熱特征反應。a峰的峰形隨摻入牛乳粉比例的增大逐漸變小，b峰的峰形在摻入牛乳粉的比例大于25%后，幾乎無法在曲線圖中被觀察到；e峰的峰形和峰面積隨著摻入牛乳粉的增多，發生了較為明顯的增大。

結合表3可知，當溫度升至12 ℃左右時，a峰為乳脂肪相變熔化過程。全脂羊乳粉在a峰對應處的峰值溫度為12.23 ℃，熱焓值為11.11 J/g，摻入較高比例牛乳粉的樣品的熱焓值均遠小于純羊乳粉熱焓值，并且隨著摻入牛乳粉比例的增大而大幅減小，但是摻假50%和25%的樣品兩者熱焓值無顯著差異。

在50～80 ℃溫度區間內出現的蛋白質熔化吸熱峰（c峰），峰起始溫度在50 ℃左右，峰值溫度在80 ℃左右。隨著牛乳粉摻入比例的增大，樣品曲線的c峰的峰值溫度雖呈增加趨勢，但不如全脂羊乳粉（81.64 ℃）高。c峰焓值在高比例摻假樣品中出現隨摻入牛乳粉增加而增加的情況，這和低比例摻假樣品情況相反。這可能是由于乳粉這種粉末狀物質的組成而對DSC曲線上峰的位置（峰值溫度）、大小（熱焓值）有影響[37]。

在140～190 ℃乳糖熔化范圍，出現乳糖中水分蒸發的d峰和乳糖融化分解的e峰。隨著牛乳粉摻入比例的增大，e峰的峰值溫度和熱焓值在逐漸增大，各個樣品熱焓值存在顯著差異。

在摻入較高比例牛乳粉的樣品和全脂羊乳粉的比較中，可以發現b峰的熱焓值在摻假比例25%以上的樣品中無法被觀測到；c峰峰值溫度及熱焓值卻存在和低摻假比例樣品相反的增大趨勢；e峰焓值隨摻假比例增大而逐漸增大，且差異顯著。可以用e峰的熱焓值大于11.389 J/g、小于17.21 J/g或通過是否存在b峰粗略估計羊乳粉中摻假牛乳粉的比例在25%～75%。

3 結論

全脂牛、羊乳粉的差異體現在：羊乳粉在乳脂融化吸熱峰a的峰值溫度小于牛乳粉；羊乳粉存在吸熱峰b而牛乳粉則缺失該峰，該峰b可視為2 種乳粉定性判別的差異峰；羊乳粉蛋白質熔化c峰峰值溫度和c峰熱焓值均低于牛乳粉；羊乳粉在乳糖熔化e峰的熱焓值遠高于牛乳粉。

通過分析摻入不同比例牛乳粉的羊乳粉，發現吸熱峰b的峰形差異，在高摻假比例（≥25%）樣品中可定性檢測摻假牛乳粉的問題，而在低摻假比例（≤10%且≥1%）中也可通過b峰熱焓值判斷樣品中牛乳粉的摻入量。可以通過分析檢測150～290 ℃乳糖熔化分解峰e的焓值判斷羊乳粉摻入牛乳粉的摻假量范圍。而在75～90 ℃出現的蛋白質變性吸熱峰c，易受外界影響故無法有效判斷摻假問題。

本研究證明了DSC技術可以實現對羊乳粉、牛乳粉熱學性質的分析和評價，該技術也可作為乳制品行業質量保證和真實性鑒別的潛在分析工具，為快速高效檢測羊乳粉中摻假牛乳粉提供一定的理論依據。