熱處理對牛乳成分的影響以及熱敏感指標(biāo)的變化研究進展

楊晉輝，李松勵*，鄭 楠，文 芳，王加啟

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)部奶產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室（北京），農(nóng)業(yè)部奶及奶制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心（北京），動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193；2.列日大學(xué)讓布盧農(nóng)學(xué)生物技術(shù)學(xué)院動物科學(xué)系，比利時 那慕爾 讓布盧 5030）

熱處理對牛乳成分的影響以及熱敏感指標(biāo)的變化研究進展

楊晉輝1,2，李松勵1,*，鄭 楠1，文 芳1，王加啟1

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)部奶產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實驗室（北京），農(nóng)業(yè)部奶及奶制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心（北京），動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193；2.列日大學(xué)讓布盧農(nóng)學(xué)生物技術(shù)學(xué)院動物科學(xué)系，比利時 那慕爾 讓布盧 5030）

熱加工可以有效殺滅生牛乳中的各種致病微生物，但也會對牛乳成分產(chǎn)生影響。隨著熱處理溫度的升高，乳清蛋白變性和凝集、乳糖異構(gòu)化和降解、美拉德反應(yīng)等理化反應(yīng)會依次發(fā)生，這些反應(yīng)中活性成分（例如堿性磷酸酶和乳清蛋白）的減少或反應(yīng)產(chǎn)物的生成（例如乳果糖和糠氨酸）都可作為熱加工強度的標(biāo)識。本文對牛乳的熱加工條件、牛乳在受熱情況出現(xiàn)的理化變化以及相應(yīng)的熱敏感成分的變化進行綜述。

牛乳成分；熱處理；熱敏感指標(biāo)；熱誘導(dǎo)變化

牛乳含有豐富的蛋白、脂肪、維生素、礦物質(zhì)等多種營養(yǎng)成分，被譽為“白色血液”，是人類膳食營養(yǎng)中不可或缺的重要組分，但在我國乳及乳制品消費比重僅占食品消費比重的4.6%[1]。2014年我國人均乳產(chǎn)品消費量為33 kg，仍然遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家260 kg[2]。我國生鮮乳產(chǎn)量在2008～2015年增長持續(xù)放緩，同期的乳制品的進口量卻呈高速增長，2014年乳制品進口量為193.39萬 t，折合后的生鮮乳約占國內(nèi)生鮮乳產(chǎn)量的32%，這無疑為高速增長的乳產(chǎn)品加工提供了額外的原料[3]，二次加工也在所難免。熱加工可以保證牛乳飲用健康，但高溫加熱和過度加工就會造成活性成分和重要營養(yǎng)物質(zhì)的損失。超高溫滅菌對乳中營養(yǎng)成分破壞程度要比巴氏殺菌嚴(yán)重，但其占據(jù)了國內(nèi)液態(tài)乳市場的主體[4]。

當(dāng)牛乳受熱時，會發(fā)生一系列變化，包括pH值降低、磷酸鈣的沉淀、乳清蛋白的變性以及和酪蛋白的互作、乳糖異構(gòu)化、美拉德反應(yīng)和酪蛋白顆粒的變化[5]。在保證牛乳安全衛(wèi)生前提下，降低對營養(yǎng)物質(zhì)的損傷是熱加工工藝優(yōu)化的主要原則。然而，我國尚缺乏對各種熱加工工藝的規(guī)范和指導(dǎo)，因此，對牛乳熱加工損傷的評價以及熱敏感指標(biāo)的篩選至關(guān)重要。本文闡述了各種加工工藝和熱處理條件下，牛乳中可能出現(xiàn)的一些反應(yīng)，以及相應(yīng)熱敏感成分的變化，為今后的研究提供參考。

1 熱處理工藝

熱處理的目的在于降低微生物數(shù)量、鈍化微生物或生乳原有酶的活性，并延長貨架期[6]。根據(jù)牛乳的熱加工工藝，市場上出售的牛乳分為巴氏殺菌乳（pasteurized milk）、滅菌乳（sterilized milk），巴氏殺菌的加熱溫度為60～80 ℃，而滅菌乳的處理溫度范圍是100～150 ℃[6]。所有的加熱過程又分為3 個階段：升溫、保持和冷卻，保持階段的熱負(fù)荷效應(yīng)最為顯著。

巴氏殺菌旨在殺滅牛乳中有害微生物，以延長牛乳的保存時間，盡量減少牛乳中營養(yǎng)物質(zhì)的損失[6]。除了間歇式工藝和連續(xù)式工藝兩種經(jīng)典方法外，不同國家和地區(qū)還對巴氏殺菌加熱不同溫度和時間組合做出了規(guī)定[7-9]。加熱后堿性磷酸酶反應(yīng)呈陰性，這可以用于檢測熱負(fù)荷是否足夠，有時也同時檢測過氧化物酶活性，以避免加熱過度[10]，而在歐盟，過氧化物酶陰性的牛乳需要標(biāo)識為高溫巴氏乳[11]。

滅菌工藝的目標(biāo)是使產(chǎn)品實現(xiàn)商業(yè)無菌，并延長貨架期；主要目標(biāo)是最耐熱的致病菌（肉毒桿菌）芽孢的滅活，因此其滅活條件121 ℃、3 min也成為了滅菌工藝的最低要求[12]。滅菌乳又可分為保持滅菌（in-container sterilization）乳和超高溫（滅菌）（ultra-high temperature treated，UHT）乳兩類。保持滅菌是將經(jīng)過巴氏殺菌、均質(zhì)、灌裝入容器并密封等處理之后，然后牛乳連同容器一起再行滅菌，加工條件因產(chǎn)品包裝而異，其升溫過程和降溫過程都非常長。UHT工藝又分為以下幾個流程：熱再生的預(yù)熱（80～95 ℃）、預(yù)熱溫度的保持、升溫至滅菌溫度、滅菌溫度的保持、冷卻和無菌灌裝。嗜溫微生物孢子滅活的有效性和控制化學(xué)變化的有限化，分別界定了滅菌溫度和保持時間組合的下限和上限[6]。UHT工藝又分為直接加熱和間接加熱兩種。直接加熱就是直接將過熱蒸汽與牛乳混合，而間接加熱則是通過牛乳和加熱媒介（熱水和蒸汽）之間的熱交換實現(xiàn)加熱[13-14]。預(yù)熱（15 s至幾分鐘）主要促使乳清蛋白變性，以免其在高溫加熱部件表面沉積，這對于間接UHT特別重要。預(yù)熱和最后的冷卻步驟通常是間接UHT的工藝，直接UHT最終在真空艙內(nèi)閃蒸冷卻，而間接UHT利用平板或管式熱交換器[13]。從預(yù)熱到滅菌加熱的升溫過程、冷卻的降溫過程，間接工藝都要慢于直接工藝，牛乳受熱傷害也會更嚴(yán)重[6,15]。

表1 典型熱加工的溫度和保持時間[16]Table 1 Temperature and holding time in typical thermal processing[16]

2 牛乳受熱后的變化

牛乳在受熱后會產(chǎn)生諸多變化。首先分子內(nèi)二硫鍵重組，形成分子間的二硫鍵，乳清蛋白變性凝集，乳脂球膜表面蛋白、酪蛋白與乳清蛋白也會結(jié)合[17]。其次加熱促使蛋白變性，激活氨基酸殘基，特別是半胱氨酸，釋放H2S，改變牛乳風(fēng)味；隨著溫度的升高，磷酸鈣沉淀會增加，乳糖的分解以及酪蛋白的脫磷酸作用也會增強，釋放H+逐漸增加，牛乳pH值降低[16]。乳糖與乳清蛋白、膜蛋白發(fā)生美拉德反應(yīng)，生成棕色物質(zhì)。在乳清蛋白的催化作用下，多不飽和脂肪酸會形成相應(yīng)的共軛異構(gòu)體。多數(shù)牛乳的內(nèi)源酶和細(xì)菌分泌酶會在加工過程中被鈍化。維生素結(jié)合蛋白、免疫球蛋白、金屬結(jié)合蛋白、抗菌蛋白、多數(shù)生長因子和激素等生物活性蛋白都也會在加熱過程失去活性。絲氨酸、絲氨酸磷酸酯、糖基化絲氨酸和半胱氨酸及其殘基通過β消去反應(yīng)形成脫氫丙氨酸，而脫氫丙氨酸會繼續(xù)和賴氨酸或半胱氨酸殘基反應(yīng)，形成蛋白分子內(nèi)或分子間交聯(lián)[16]。酪蛋白是一種高度磷酸化鈣結(jié)合蛋白，除κ-酪蛋白受熱會從顆粒表面解離外，其余酪蛋白的熱穩(wěn)定性相對較高。這些反應(yīng)中，乳清蛋白的變性、乳糖異構(gòu)化及分解和美拉德反應(yīng)較為重要。

2.1 乳清蛋白的變性

乳清蛋白占牛乳總蛋白的20%，高級結(jié)構(gòu)中有典型的球狀蛋白，其對熱變性非常敏感。根據(jù)溶解度差異，乳清蛋白的變性順序為α-乳白蛋白（α-lactalbumin，α-La）＞β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-Lg）＞牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）＞免疫球蛋白；而差示掃描量熱法的結(jié)果所得到的變性順序為免疫球蛋白＞β-Lg＞α-La＞BSA，差異可能由于金屬結(jié)合蛋白（α-La和乳鐵蛋白）在熱變性過程中出現(xiàn)的復(fù)性[17]。α-La和β-Lg的變性都是一級和二級動力學(xué)反應(yīng)過程。其中對β-Lg的變性和凝集過程研究最為廣泛，如圖1所示。

圖1 β-Lg受熱變性和凝集[18]Fig. 1 Denaturation and aggregation of milk β-Lg during thermal treatment[18]

天然二聚體受熱變?yōu)樘烊粏误w，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顔误w，激活單體誘導(dǎo)單體內(nèi)部的二硫鍵破壞，巰基暴露，并與之結(jié)合形成激活的二聚體，經(jīng)過多次反應(yīng)形成激活多聚體；反應(yīng)的終點便是兩個活化的單體或凝結(jié)物在其表面形成二硫鍵，新形成的結(jié)合物再無暴露的巰基[19]。在78 ℃加熱條件下，非活性的β-Lg單體在開始階段隨著時間延長而含量增加，但也隨著凝集物濃度的增加而降低[20]。乳清蛋白的凝集主要是半胱氨酸之間的殘基發(fā)生不可逆反應(yīng)形成共價鍵，變性之后β-Lg先形成寡聚體，再形成可溶性的聚合物[21-22]，可溶性的聚合物非特異凝集進一步聚合形成膠體顆粒，分子間的二硫鍵（Ⅰ型凝集）、非特異作用力（范德華力、二硫鍵重排、疏水力，Ⅱ型凝集）以及兩種作用同時存在（Ⅲ型凝集）都會促進乳清蛋白的凝集[17]。β-Lg會和α-La、κ-酪蛋白之間發(fā)生廣泛的二硫鍵交聯(lián)，形成不同形式的蛋白復(fù)合體，這個過程與pH值有關(guān)[16]。與直接加熱系統(tǒng)相比，UHT的間接加熱系統(tǒng)中有更多的β-Lg與酪蛋白顆粒結(jié)合[23-24]。

1.3 試驗方法 試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積15 m2；株行距為27 cm×35 cm，每塘留2株，種植密度21.0萬株/hm2。10月15日播種，統(tǒng)一采用打塘直播的方式，氮、磷、鉀及硼肥統(tǒng)一按：底種肥施普鈣450 kg/hm2；硼砂(純B≥9%)15.0 kg/hm2；苗肥施硫酸鉀150 kg/hm2，苗期及蕾苔期共施尿素600 kg/hm2。試驗地四周設(shè)保護行，對油菜出苗期、五葉期、苔期、花期及成熟期進行觀察記載。成熟后按要求取樣，進行主要農(nóng)藝性狀考種。及時收獲、脫粒、稱重計產(chǎn)，并用FOSS 近紅外品質(zhì)分析儀進行室內(nèi)品質(zhì)檢測[6-8]。

2.2 乳糖的變化

2.2.1 乳糖的異構(gòu)化和降解

圖2 溫和堿性條件下乳糖受熱變化[16]Fig. 2 Heat-induced changes in lactose under mild alkaline condition[16]

乳糖在溫和堿性條件下的異構(gòu)化和降解如圖2所示。蛋白存在的條件下，會加速乳糖的降解和向衣匹乳糖（epilactose）的轉(zhuǎn)化[25]。在酸、堿或堿土金屬離子催化下，乳糖經(jīng)烯醇化/醛酮異構(gòu)化和差向異構(gòu)化形成乳果糖，pH值增高和氨基的參與都可以加速反應(yīng)的進行。在酸存在的條件下，乳糖經(jīng)烯醇化異構(gòu)后隨即發(fā)生β消除。2-己酮糖的反應(yīng)速率要快于醛糖，并且易于烯醇化，2-己酮糖能形成更多的降解產(chǎn)物；氧存在的條件下，烯二醇雙鍵斷裂形成對應(yīng)的羧酸，如甲酸和樹膠糖酸，糖降解所形成的二羰基產(chǎn)物經(jīng)過二苯乙醇酸重排后，會形成各種各樣的有機酸。高溫或濃堿條件下，雙鍵的反醛醇斷裂便會形成羥醛和羥基酮。1,2-烯醇化衍生物在酸性條件下經(jīng)過一系列β消除，生成2-糠醛或5-羥甲基二糠醛。主要反應(yīng)產(chǎn)物會通過羥醛縮合和分子間環(huán)化形成一系列其他產(chǎn)物。氨基存在的條件下，α-二羰基組分可以進一步發(fā)生Strecker降解，氧化氨基酸[26]。乳糖或乳果糖也可以通過美拉德反應(yīng)與酪蛋白形成果糖基賴氨酸，進一步降解。牛乳中這些反應(yīng)產(chǎn)物微乎其微，其產(chǎn)生主要決定于熱加工的程度[26]。

2.2.2 美拉德反應(yīng)

美拉德反應(yīng)源于蛋白氨基中氮原子對醛糖或酮糖中親電羰基發(fā)起的親核攻擊。牛乳中參與反應(yīng)的主要成分是蛋白和乳糖，兩者結(jié)合脫去水后形成Schiff堿，經(jīng)結(jié)構(gòu)重排形成N-葡萄糖基胺，再經(jīng)重排形成Amadori產(chǎn)物，1-氨基-1-脫氧-2-酮糖或α-2-氨基-2-脫氧醛糖，前者穩(wěn)定性優(yōu)于后者，后者也可以通過醛酮異構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榍罢?。如圖3所示，依據(jù)反應(yīng)條件的不同，1-氨基-1-脫氧-2-酮糖經(jīng)過不同途徑最終形成棕色的多聚物或共聚物類黑精[26]。部分產(chǎn)物降解形成脫氧基二酮糖和脫氧基醛酮糖，其中脫氧基乳果糖會和賴氨基Amadori產(chǎn)物結(jié)合，經(jīng)酸水解后會形成穩(wěn)定的糠氨酸或吡咯酸，經(jīng)氧化裂解后便形成羧甲基賴氨酸和三羥丁酸[16]。

圖3 美拉德反應(yīng)的步驟[26-27]Fig. 3 Maillard reaction stages[26-27]

3 熱敏感指標(biāo)變化及篩選

牛乳中的熱敏感指標(biāo)主要分為兩類：Ⅰ型指標(biāo)主要為熱敏感成分的降解、變性和滅活，如乳清蛋白和酶類，通常用于指示巴氏殺菌熱處理強度，Ⅱ型指標(biāo)則主要為牛乳受熱變化所生成的產(chǎn)物，如乳果糖、糠氨酸、羥甲基糠醛（hydroxymethylfurfural，HMF）等，其能有效監(jiān)測滅菌處理的熱加工強度[27]。不同熱加工條件下的熱敏感成分含量如表2所示，不同熱處理條件下熱敏感成分變化如圖4所示。

表2 不同熱加工條件下熱敏感成分含量[28]Table 2 The contents of heat-sensitive components in milk during different heat treatments[28]

3.1 Ⅰ型指標(biāo)

3.1.1 酶

巴氏殺菌加熱的最低要求是殺滅牛乳中的所有致病菌，而最耐熱的致病菌，結(jié)核桿菌的滅菌溫度僅比堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）的滅活溫度稍低，因此將ALP的活性作為加熱效果的評判指標(biāo)[6]。ALP活性的對照也被用于鑒定巴氏殺菌乳的衛(wèi)生潔凈狀況；滿足聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織（food and agriculture organization/world health organization，F(xiàn)AO/ WHO）規(guī)定的最低巴氏殺菌條件（72 ℃、15 s）的熱處理會使ALP的活性低于10 mg /mL對硝基苯酚；但在Mg2+存在的條件下，ALP的變性溫度會高出20 ℃，判定過程中出現(xiàn)假陽性[27]。γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶（gamma-glutamyl transpeptidase，GGTP）能夠檢測75 ℃、10～60 s或70～80 ℃、16 s的熱處理[29]；GGTP可替代ALP用于巴氏殺菌乳加熱效果的評定[30]。在65 ℃、15 s條件下，GGTP活性僅有少許降低，而在72 ℃、15 s條件下，仍有初始活力的50%；75 ℃、15 s條件下，活力僅剩余10%；78 ℃、15 s加熱條件下，殘余活力低于檢出限；并在79 ℃、16 s條件下完全失活[31]。乳過氧化物酶系統(tǒng)有較強的抑菌作用，酶的失活溫度為85 ℃，如圖4B所示。當(dāng)加熱溫度升至85～90 ℃時，芽孢桿菌會熱休克形成孢子，威脅乳的品質(zhì)，因此將過氧化物酶作為巴氏殺菌熱加工上限的指標(biāo)[6]。而過氧化物酶在熱失活過程中的反應(yīng)階數(shù)為1.5，在3 個溫度范圍內(nèi)的有著不同的激活能量，中段溫度的激活能量為634 kJ/mol，約有30%～80%酶失活，z值為3.7 ℃；而若要完全失活，z值為9.4 ℃[32]。盡管乳過氧化物酶存在再次激活和光化學(xué)失活的特性，但不影響其作為巴氏殺菌加熱上限估計參數(shù)的應(yīng)用[27]。

圖4 不同熱處理條件下熱敏感指標(biāo)的變化情況[37-38]Fig. 4 Changes in heat-sensitive components of milk during different heat treatments[37-38]

3.1.2 乳清蛋白

乳清蛋白氮指數(shù)（whey protein nitrogen index，WPNI）和熱數(shù)量（heat number，HN）成功應(yīng)用于乳粉的熱處理分級[33-34]。相對可溶乳清蛋白氮（relative soluble whey protein nitrogen，RSWPN）對各種加熱等級的巴氏殺菌乳極其敏感，結(jié)合過氧化物酶可用于鑒別市售巴氏殺菌乳的熱處理分級：15.5%以上的液態(tài)乳被評為“高品質(zhì)的新鮮巴氏殺菌乳”，對應(yīng)加熱溫度為72～75 ℃；14.0%～15.5%的被評為“新鮮巴氏殺菌乳”，加熱溫度為75～80 ℃；11%～14%的被評為“巴氏殺菌乳”，處理溫度為80～88 ℃；當(dāng)然，牛乳的均質(zhì)會降低約1 個單位RSWPN值[35]。針對RSWPN測定費時費力的缺陷，（免疫球蛋白（immunoglobulin G，IgG）+ BSA）/β-Lg是良好的替代指標(biāo)，其也可以用于鑒別極低熱和低熱處理的乳粉[36]。其他乳清蛋白氮參數(shù)如變性乳清蛋白氮（denatured whey protein nitrogen，DWPN）含量、等電點沉淀的相對酪蛋白含量（relative casein content，RCC/%）也可以作為判定乳粉和巴氏殺菌乳熱分級的敏感指標(biāo)[27]。

變性的乳清蛋白也可用作鑒別牛乳熱處理分級，主要乳清蛋白的熱敏感性次序和變性反應(yīng)速率常數(shù)的溫度依賴性是一致的。70～80 ℃范圍內(nèi)，IgG是最敏感的乳清蛋白[39-40]；70～150 ℃，β-Lg的熱敏感性要強于α-La[39,41]，70～75 ℃，β-Lg的變異體B的穩(wěn)定性要好于α-La[42]。如圖4所示，α-La在巴氏殺菌條件下變性較少，是高溫?zé)崽幚恚缇^程）的優(yōu)良指標(biāo)，β-Lg的變性較好地描述了較為溫和的熱處理（從巴氏殺菌到直接UHT加工），但在劇烈的加工條件下變性廣泛。酸可溶α-La是滅菌處理更適宜的指示參數(shù)，其在保持滅菌乳、間接UHT乳、直接UHT乳、高溫巴氏殺菌乳、巴氏殺菌乳、生乳中的含量分別為0～40、40～590、220～1 020、750～1 090、900～1 080、1 010～1 120 mg/L；但由于其測定的困難，可由酸可溶β-Lg代替，其在保持滅菌乳、間接UHT乳、直接UHT乳、高溫巴氏殺菌乳、巴氏殺菌乳、生乳中分別為0、50～600、100～1 100、1 000～2 600、2 300～3 400、3 100～3 600 mg/L[39,43]；歐盟也考慮將50 mg酸可溶β-Lg結(jié)合過氧化物酶陰性作為UHT和保持滅菌加熱的上限[27]。pH 4.6可溶和不可溶部分的乳清蛋白含量可作為牛乳熱加工的標(biāo)記，可溶部分含量的下降會伴隨著不可溶部分含量的上升[44]。生乳中70%的可溶α-La會在UHT乳中變?yōu)椴豢扇懿糠?，幾乎所有（?0%）的生乳中的BSA和β-Lg經(jīng)過UHT加熱后與酪蛋白發(fā)生共沉淀[45-46]。

3.2 Ⅱ型指標(biāo)

盡管實驗條件不相同，報道中乳糖異構(gòu)化的動力學(xué)參數(shù)和乳果糖對商品乳熱處理評估效果卻趨于一致，因此，乳果糖濃度可以作為形容牛乳熱處理的熱損傷指標(biāo)[47-48]；由于實驗室很難模擬工廠間接UHT工藝中加熱和冷卻的步驟，其模型的預(yù)測可靠性弱于相應(yīng)的直接UHT和保持滅菌模型，且預(yù)測值遠(yuǎn)低于真實值[43,48]。乳果糖在高溫短時滅菌加工條件下并不會生成（圖4），而在UHT滅菌，特別是保持滅菌工藝中會大量生成，其含量可以作為鑒定UHT和保持滅菌工藝的熱敏感指標(biāo)[16]。由于相同熱處理乳果糖值的分布范圍較廣，UHT乳和保持滅菌乳的范圍有一部分是重疊的（直接UHT乳中41～670 mg/L、間接UHT乳中120～1 430 mg/L、保持滅菌乳中412～1 840 mg/L），市售巴氏殺菌乳中的乳果糖含量極低（0～80 mg/L）[27]。間接UHT工藝中較長的預(yù)熱和冷卻過程，以及保持滅菌工藝中較高的預(yù)熱溫度和較長的加熱時間都會造成熱加工過度[6]，產(chǎn)品中的乳果糖含量偏高（表2），其他研究中也報道了滅菌乳中類似的過熱加工[27]。因此，我國的標(biāo)準(zhǔn)中對于巴氏殺菌乳和UHT乳中乳果糖上限的規(guī)定分別為100 mg/L和600 mg/L[49]。另外，在牛乳的噴粉過程中并無乳果糖生成，高溫粉復(fù)原產(chǎn)品中56～116 mg/L的乳果糖也可能是由于干燥前牛乳受熱處理而產(chǎn)生的；貯存溫度過高或經(jīng)過脫脂處理的牛乳，其乳果糖含量也會有一定程度的升高[27]，加工過程中，壓力由100 MPa升至600 MPa，也會促使乳糖向乳果糖轉(zhuǎn)化，乳果糖含量升高[50]。

由于分子的穩(wěn)定性和定量檢測的可能性，糠氨酸作為熱敏感指標(biāo)在實際檢測中受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用[27,43]。牛乳中的糠氨酸生成速率受蛋白含量的影響較大，因此，糠氨酸含量的表示單位應(yīng)以蛋白為基礎(chǔ)（mg/100 g pro）[27]。隨這熱處理程度的增加，牛乳中糠氨酸含量變化如圖4C所示；生乳中的糠氨酸含量為6～36 mg/100 g pro，隨著巴氏殺菌溫度的升高，72～98 ℃、15 s的加熱條件下會額外產(chǎn)生1.6～5.5 mg/100 g pro的糠氨酸[27,37-38]；但隨著加熱溫度的繼續(xù)增加，糠氨酸含量成倍增長，140 ℃、4 s處理乳中的糠氨酸含量是生乳中的30～72 倍[38,51]?？钒彼嵩诎褪蠚⒕?、UHT乳、保持滅菌乳中含量分別為5～8、40～220、220～450 mg/100 g pro[27]。糠氨酸含量也被用于評價乳粉中的美拉德反應(yīng)的范圍，脫脂乳粉中的糠胺酸會由低熱處理的55 mg/100 g pro升至高熱處理的350 mg/100 g pro[52]。貯存過程中，UHT乳、巴氏殺菌乳和乳粉糠氨酸含量還會進一步上升[27,51,53]，同樣，加工過程壓力的升高也會導(dǎo)致乳中糠氨酸含量的上升[54]。

如表2所示，HMF的濃度會隨著熱處理條件增強而升高，其可以作為高熱處理的敏感指標(biāo)[55]，但不同類型乳中HMF濃度卻與產(chǎn)品對應(yīng)的熱處理強度相關(guān)性較差[53]。美拉德反應(yīng)中，劇烈的熱處理會引起糖的焦化和有色組分的生成，并且乳果糖濃度和感官參數(shù)有一定相關(guān)性，顏色分析可以協(xié)助判定UHT乳和保持滅菌乳[56]；然而，顏色分析受生鮮乳顏色影響較大，其僅適用于加工條件評估和優(yōu)化的在線使用[27]。6-甲基腺苷在生鮮乳中并不存在，形成于熱誘導(dǎo)的重排，115～150 ℃范圍內(nèi)反應(yīng)為一階反應(yīng)，反應(yīng)動力學(xué)類似于乳果糖和HMF的形成，然而其作為熱敏感指標(biāo)使用卻并不廣泛[27]。

3.3 聯(lián)合使用

通過不同指標(biāo)的聯(lián)合使用，能夠準(zhǔn)確區(qū)分不同熱加工處理的樣品。酸可溶β-Lg和乳果糖的組合能夠準(zhǔn)確區(qū)分市售產(chǎn)品中的直接UHT、間接UHT和保持滅菌乳，酸可溶β-Lg（α-La）可以很好地指示低熱處理的樣品，而乳果糖則可以很好的指示高熱處理的樣品[27,39]。歐盟和國際乳業(yè)聯(lián)盟將酸可溶β-Lg高于50 mg/L，并且乳果糖含量低于600 mg/L的牛乳，才標(biāo)識為UHT乳，否則就是保持滅菌乳[27]。隨著相對可溶乳清蛋白含量的逐漸降低，蛋白表面疏水力先升高后降低，兩者結(jié)合可以用于鑒別巴氏殺菌乳、UHT乳和保持滅菌乳[57]。隨著熱處理溫度的升高和時間的延長，牛乳中乳果糖含量的增加趨勢高于糠氨酸，乳果糖/糠氨酸會逐漸增大，我國標(biāo)準(zhǔn)也結(jié)合兩者比例對產(chǎn)品進行鑒定[49,51]；兩者結(jié)合也能較為有效地區(qū)分巴氏殺菌乳、超巴氏殺菌乳和UHT乳[58]。過氧化物酶測試和酸可溶β-Lg結(jié)合被證明是一種能夠有效區(qū)分過氧化物酶陰性和陽性巴氏殺菌乳的指標(biāo)，乳中2 600～3 000 mg/L的酸可溶β-Lg，為過氧化物酶陽性巴氏殺菌乳熱損傷判定上限提供了較大的韌性；乳過氧化物酶陰性乳的上限則有11%的RSWPN提供，否則，其會與UHT乳共享相同的熱損傷[27]。酸可溶β-Lg指數(shù)結(jié)合糠氨酸指數(shù)可以用于指示巴氏殺菌乳中摻入復(fù)原乳或高熱處理乳，72 ℃、15 s至96 ℃、38 s產(chǎn)生的β-Lg質(zhì)量濃度的范圍是500～3 700 mg/L。硫醇基的數(shù)量適于表征牛乳的低熱處理，而美拉德反應(yīng)產(chǎn)物更適用于指示牛乳滅菌過程，兩者結(jié)合可以很好地辨別牛乳的熱處理方式[59]。

4 結(jié) 語

與巴氏殺菌相比，UHT的高熱處理以及保持滅菌長時間高溫都會對牛乳造成較大的熱損傷，牛乳中乳清蛋白變性、乳糖異構(gòu)化和降解、美拉德反應(yīng)也更為嚴(yán)重。牛乳中的酶和乳清蛋白含量可以指示巴氏殺菌的熱處理強度，而乳果糖和糠氨酸含量更適合于反應(yīng)滅菌工藝的熱損傷程度，我國標(biāo)準(zhǔn)中將乳果糖和糠氨酸含量同時作為液態(tài)乳的判定指標(biāo)，無疑推動了巴氏殺菌乳和UHT乳的規(guī)范生產(chǎn)。

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Effect of Heat Treatment on Milk Components and Changes in Heat-Sensitive Components: A Review

YANG Jinhui1,2, LI Songli1,*, ZHENG Nan1, WEN Fang1, WANG Jiaqi1
(1. Ministry of Agriculture-Milk Risk Assessment Laboratory, Ministry of Agriculture-Milk and Dairy Product Inspection Center, State Key Laboratory of Animal Nutrition, Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 2. Animal Science Unit, Gembloux Agro-Bio Tech, University of Liège, Gembloux 5030, Belgium)

Heat processing is necessary to effectively inactivate pathogenic bacteria in raw milk but simultaneously affect milk components. Whey protein denaturation and aggregation, lactose isomerization and degradation, and Maillard reaction occur successively in milk subjected to heat treatment at increasing temperatures. The reduced activity of active components (e.g. enzyme and whey protein) or the formation of reaction products (e.g. lactulose and furosine) indicates the heat load during thermal processing. Heat treatment conditions for milk as well as physiochemical changes and changes in the corresponding sensitive components during the process are discussed in this paper.

milk components; heat treatment; heat-sensitive components; heat-induced changes

10.7506/spkx1002-6630-201707048

TS252.42

A

1002-6630（2017）07-0302-07

楊晉輝, 李松勵, 鄭楠, 等. 熱處理對牛乳成分的影響以及熱敏感指標(biāo)的變化研究進展[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(7): 302-308. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201707048. http://www.spkx.net.cn

YANG Jinhui, LI Songli, ZHENG Nan, et al. Effect of heat treatment on milk components and changes in heat-sensitive components: a review[J]. Food Science, 2017, 38(7): 302-308. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201707048. http://www.spkx.net.cn

2016-04-29

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目（ASTIP-IAS12）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（奶牛）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（nycytx-04-01）；農(nóng)業(yè)部生鮮乳質(zhì)量安全風(fēng)險評估專項（GJFP2015009）

楊晉輝（1987—），男，博士，研究方向為牛乳質(zhì)量評定。E-mail：710593491@163.com

*通信作者：李松勵（1983—），女，助理研究員，博士研究生，研究方向為生鮮乳質(zhì)量安全風(fēng)險評估。E-mail：37860538@qq.com