动态高压处理对牛乳中生物活性物质的影响.pdf

基金项目:上 海 乳 业 生 物 工 程 技 术 研 究 中 心(编 号:D Z )作者简介:艾正文(),男,光明乳业股份有限公司工程师,硕士.E m a i l:a i z h e n g w e n_n e a u c o m收稿日期:改回日期:D O I:/j s p j x 文章编号 ()动态高压处理对牛乳中生物活性物质的影响E f f e c t so f d y n a m i ch i g h p r e s s u r ep r o c e s s i n go nb i o a c t i v ec o m p o n e n t so fm i l k艾正文,A IZ h e n g w e n,徐致远,XUZ h i y u a n,叶景锦,Y EJ i n g j i n,(乳业生物技术国家重点实验室,上海 ;上海乳业生物工程技术研究中心,上海 ;光明乳业股份有限公司乳业研究院,上海 )(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fD a i r yB i o t e c h n o l o g y,S h a n g h a i ,C h i n a;S h a n g h a iE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fD a i r yB i o t e c h n o l o g y,S h a n g h a i ,C h i n a;D a i r yR e s e a r c hI n s t i t u t e,B r i g h tD a i r y&F o o dC o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a)摘要:牛乳中含有乳铁蛋白、免疫球蛋白等多种有益身体健康的生物活性成分,在加工过程中如何降低其损失一直是重点关注的方向.动态高压处理技术又称超高压均质(UHP H),是一种较为新颖的加工技术手段之一.文章从美拉德反应产物、乳铁蛋白和免疫球蛋白等生物活性成分保留以及维生素损失等多个维度,总结了超高压均质在牛乳加工过程中的热负荷强度和关键营养成分保留方面的相关研究进展,并对超高压均质在乳制品加工领域的发展方向进行了展望.关键词:动 态高 压处 理;高 压均 质;牛 乳;活 性 物 质;维生素A b s t r a c t:M i l kc o n t a i n s av a r i e t yo f b i o a c t i v e i n g r e d i e n t s,s u c ha sl a c t o f e r r i na n di mm u n o g l o b u l i n,w h i c ha r eb e n e f i c i a lt oh e a l t hR e d u c i n gt h e l o s so f t h e s ep r o t e i n sd u r i n gp r o c e s s i n gh a sa l w a y sb e e nt h ef o c u so fa t t e n t i o n D y n a m i ch i g h p r e s s u r ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y,a l s ok n o w na su l t r a h i g h p r e s s u r eh o m o g e n i z a t i o n(UH P H),i so n eo ft h er e l a t i v e l yn o v e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ym e a n s I nt h i sr e v i e w,t h er e s e a r c hp r o g r e s so ft h eh e a tl o a di n t e n s i t ya n dt h er e t e n t i o no fk e yn u t r i e n t si nt h ep r o c e s s i n go fd a i r yp r o d u c t s w e r es u mm a r i z e df r o m t h ea s p e c t so f M a i l l a r dr e a c t i o n p r o d u c t s,l a c t o f e r r i n,i mm u n o g l o b u l i n a n d o t h e rb i o a c t i v e i n g r e d i e n t s a n dv i t a m i n l o s s M o r e o v e r,t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fu l t r a h i g h p r e s s u r eh o m o g e n i z a t i o ni nd a i r yp r o d u c tp r o c e s s i n gw a sp r o s p e c t e d K e y w o r d s:d y n a m i c h i g h p r e s s u r e p r o c e s s i n g;h i g h p r e s s u r eh o m o g e n i z a t i o n;m i l k;b i o a c t i v ec o m p o n e n t s;v i t a m i n牛乳中含有人体所需的蛋白质、碳水化合物、脂肪以及矿物质和维生素等营养物质,其中的乳铁蛋白、免疫球蛋白等具有生物活性成分.牛乳的p H值接近中性,是微生物繁殖的良好载体,因此必须通过有效的手段杀灭微生物才能保证食品的安全性.巴氏杀菌和超高温杀菌作为乳制品工业中传统的加热杀菌方式,可以将牛乳的保质期延长至几天或几个月.传统的加热杀菌方式简单易行,但牛乳在加工过程中所受的热伤害较大,会造成牛乳营养物质流失以及风味变化等问题.高压均质在乳品加工中作为一种颗粒微粒化手段,在减少脂肪球粒径、防止脂肪上浮等方面被广泛运用,常用的均质压力为 MP a.当均质压力 MP a时,超高的均质压力带来的剪切、湍流和空化效应急剧增加,从而使得超高压均质(UHP H)替代传统加热杀菌成为可能;当均质压力为 MP a,进样温度为 时,生牛乳经超高压均质后可以达到无菌状态.目前,超高压均质研究多集中在对食品中的微生物杀灭效果评价上,忽略了其对牛乳等食品中营养成分保留方面的研究.文章拟总结超高压均质在牛乳加工过程中的热损伤及关键活性营养物质的保留情况,旨在为超高压均质在乳制品加工领域的应用提供依据.动态高压处理对牛乳的热损害乳制品在加工处理过程中,为了保证食品的安全性通常采用加热的方式升温至 ,并维持数秒至数分钟.热处理虽然可以杀死微生物达到延长产品货架期的目的,但另一方面较高的热处理负荷可能会造成乳制品在加工过程中产生具有潜在危害的化合物并造成F OO D&MA CH I N E R Y第 卷第期 总第 期|年月|营养损失.超高压均质虽然不属于传统的加热处理方式,但是流体通过均质机狭小的缝隙后会产生巨大的剪切和空化效应,从而导致流体瞬间发生温度激增.研究 表明,均质压力每增加 MP a,物料温度可以瞬间增加 .均质时温度的增加同样会导致牛乳在加工过程中发生美拉德反应,而美拉德反应产物可以间接反映牛乳受到的热损伤程度.乳果糖以及作为美拉德反应重要产物的糠醛类化合物(糠氨酸、羟甲基糠醛、糠醛、呋喃甲基酮和甲基糠醛)含量与乳制品热处理程度密切相关.邢倩倩等 基于不同热处理条件下糠醛类化合物含量的变化规律,构建了以糠醛和 羟甲基糠醛为基础的标志物用以预测牛乳加工的热处理参数.L i u等 研究表明牛乳随着均质时温度和压力的增加,其在 n m处的荧光吸收强度具有一定的热累积效应,从而 提示 有 美拉 德 反 应 产 物 产 生.当 均 质 压 力 为 MP a(进样温度为,)时,其微生物杀灭效果与高温巴氏杀菌的基本相同(,s).与传统热处理方式相比,牛乳在超高压均质时受到的热负荷更低,当均质压力为 MP a(进样温度)时,非酶促反应褐变吸光值以及 羟甲基糠醛等产物含量均低于高温短时杀菌(,s)的.此外,利用固相微萃取技术对经超高压均质后的样品挥发性成分进行分析 表明,采集到的挥发性物质中醛、酮以及氧化异味成分含量低于传统热处理方式的,因此超高压均质在替代热处理和牛乳风味改良方面存在潜力.乳白蛋白和乳球蛋白作为牛乳中乳清蛋白的重要组成部分,其变性程度可以用来评价牛乳加工过程中受到的热处理强度.乳白蛋白在 以上时会发生不同程度的 不 可 逆 变 性,而乳 球 蛋 白 在 下 加 热 m i n则会导致蛋白质结构展开并形成不可逆的二聚反应.乳白蛋白和乳球蛋白在瞬变高压作用下,蛋白质结构会出现凝聚或解聚现象,从而导致蛋白质结构发生变化.当均质压力 MP a时,乳球蛋白结构发生解聚,而相对于压力,均质过程中引起的温度剧增是引起乳白蛋白和乳球蛋白变性的主要因素.C a r u l l o等 通过对经超高压均质后的乳清蛋白(WP I)一级(羰基)、二级(螺旋、折叠、转角)、三级和四级结构(游离S H基团)进行分析,发现超高压均质不影响蛋白质的一级结构,而主要影响其二级结构,但是 MP a以下时对蛋白质的结构基本无影响.由表可知,超高压均质对乳白蛋白和乳球蛋白变性程度的影响略高于传统巴氏杀菌,这与超高压均质时的进样温度密切相关,但是两者变性程度仍低于高温杀菌,而导致蛋白质变性聚集的机理主要是经超高压均质后蛋白质的疏水作用发生了改变.表加工方式对牛乳中乳白蛋白和乳球蛋白变性的影响T a b l eE f f e c t so fp r o c e s s i n gm e t h o d so nt h ed e n a t u r a t i o no f l a c t a l b u m i na n d l a c t o g l o b u l i n i nc o wm i l k处理方式工艺参数乳白蛋白变性率/乳球蛋白变性率/文献超高温杀菌,s 超高压均质 MP a,巴氏杀菌 ,s 超高压均质 MP a,MP a,超高温杀菌 直接式 间接式 动态 高 压 处 理 对 牛 乳 中 活 性 蛋 白 的影响牛奶的营养价值除了可以提供蛋白质、脂肪和无机元素等常规营养外,牛奶中还含有种类繁多、无法通过其他普通食物提供的生物活性物质(如乳铁蛋白、免疫球蛋白、糖巨肽、乳过氧化物酶、鞘脂类等).这些生物活性物质在维持和增加机体免疫力、抑菌、抗病毒以及维护肠道健康等方面发挥着重要作用,因此在加工过程中最大限度地保留牛乳中的这些营养成分具有重要的意义 .超高压均质作为一种新兴的杀菌方式,在处理过程中对牛乳中关键活性蛋白的保留具有重要的研究意义.动态高压处理对乳铁蛋白的影响乳铁蛋白(l a c t o f e r r i c i n,L F)作为牛乳中一种重要的生物活性物质,是一种 k D a铁结合糖蛋白.乳铁蛋白中铁结合位点位于个蛋白配体和碳酸根离子以及有助于碳酸根离子结合的精氨酸残基和 螺旋n端形成的区域,根据铁结合情况乳铁蛋白可分为缺铁型(a p o L F)和铁饱和型(H o l o L F)两种形式.现有研究 表明,常规巴氏杀菌处理可导致约 的乳铁蛋白损失,而通过提高乳铁蛋白铁离子结合能力有助于使其在热处理过程中更加稳定.超高压均质的热处理强度相对较低,但是由于超高压均质带来的强机械作用和由此产生的瞬间温度变化,可能会导致蛋白质的功能和性质发生变化.乳铁蛋白协同超高压均质处理可以提高其抑菌活性,可能是超高压均质处理改变了乳铁蛋白分子结构,增加了其疏水 性,从 而 提 高 了 乳 铁 蛋 白 对 微 生 物 的 抑 制 作用 .当均质压力 MP a时,蛋白质会出现与常规热处理相似的蛋白粒径变大以及聚集等现象.动态高压处理对免疫球蛋白的影响根据抗原特异性不同,牛乳中免疫球蛋白主要包含I g G、I g M和I g A,其中以I g G含量最高.免疫球蛋白属于|V o l ,N o 艾正文等:动态高压处理对牛乳中生物活性物质的影响热敏性物质,即 以上时开始失活.L i a n g等 研究表明正常的均质工艺(MP a)对牛乳中免疫球蛋白的结构和免疫原性基本无影响,但由表可知,随着均质压力的提升,超高压均质对免疫球蛋白具有一定的灭活作用.相 比 于 静 态 超 高 压 处 理(HH P),超 高 压 均 质(UHP H)对牛乳中活性物质的保留率略低.与热处理相比,当均质压力 MP a(Ti n )时,UHP H对免疫活性 物 质 的 保 留 率 优 于 低 温 长 时 杀 菌(H o P;,m i n),特别是I g G和I g M的保留率明显高于巴氏杀菌的,随着均质压力的提升(MP a),牛乳中免疫球蛋白含量快速下降至与H o P(,m i n)的相同甚至更低.动态高压处理对乳过氧化物酶、溶菌酶等酶的影响牛乳中乳过氧化物酶和溶菌酶在发挥抑制微生物生长方面具有重要作用.乳过氧化物酶对温度比较敏感,当加热温度 时,其活性迅速丧失.与热处理不同的是,低压处理不仅不会导致乳过氧化物酶和溶菌酶的失活,反而还会提高其功能特性.V a n n i n i等 研究表明,用,MP a对乳过氧化物酶进行处理后,可以显著提高其对大肠杆菌、假单胞菌以及沙门氏菌的抑制能力.当均质压力 MP a且进样温度为室温时,经处理后的溶菌酶活性和其抑菌活性也有不同程度的提高.随着均质压力的增加,超高压均质对乳过氧化物酶和溶菌酶的负面效应开始显现,、MP a下乳过氧化物酶和溶菌酶的酶活大约分别降低 和.但B r c l j等 研究表明,乳过氧化物酶在 MP a(Ti n)下即全部失活,可能是乳过氧化物酶对温度的敏感性高于压力,进样温度较高时,即使压力较小也会导致乳过氧化物酶快速失活.此外,热处理加工过程中,碱性磷酸酶活性程度通常被当作巴氏杀菌是否充分的参考指标 ,在碱性磷酸酶灭活方面,动态超高压处理的效率则明显高于静态超高压的,MP a()下即可以将碱性磷酸酶灭活,而静态超高压处理在 MP a下也很难使其完全失活.表加工处理方式对牛乳和母乳中活性物质变性的影响T a b l eE f f e c t so fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d so nt h ed e n a t u r a t i o no fb i o a c t i v ec o m p o n e n t si nc o w m i l ka n dh u m a nm i l k原料活性物质处理条件保留率/文献牛乳碱性磷酸酶UH P H MP a,乳过氧化物酶UH P H MP a,水牛乳I g G,m i n ,s 母乳I g AUH P H MP a,I g G I g M 溶菌酶几乎无损失I g A,m i n I g M I g G 溶菌酶几乎无损失脱脂奶乳过氧化物酶,s 乳铁蛋白,s 母乳乳铁蛋白,m i n s I g A 溶菌酶轻微减少牛乳I g GH P P MP a,m i n基本无损失 I g M I g A 母乳乳铁蛋白H P P MP a,m i n 初乳I g AH P P MP a,m i n几乎不损失 I g M I g G 研究进展A DVAN C E S总第 期|年月|动态高压处理对牛乳中维生素含量的影响牛乳中除了含有人体所需的蛋白质、脂肪等常量营养素外,还含有矿物质和维生素等微量营养素,其中牛乳中主要的维生素包含维生素A(VA)、维生素B(VB)、维生素B(VB)以及维生素D(VD),VA、VB 和VD相对比较稳定,在热处理过程中不易损失,而VB 和维生素C(VC)对热加工较为敏感.有研究 表明,通过超高压均质可以显著降低常规热处理带来的果蔬汁中维生素等生物活性物质的损失.Am a d o r E s p e j o等 研究了 MP a下不同进样温度(,)对牛乳中水溶性 和 脂 溶 性 维 生 素 的 保 留 情 况,并 与 巴 氏 杀 菌(,s)和UHT(,s)灭菌进行了对比.结果表明,超高压均质对牛乳中维生素的保留具有较为明显的作用,特别是当进样温度 时,经超高压均质后的牛乳样品中维生素含量除了VC发生较为明显的降低外,其他维生素与生乳含量基本相同.S h a r a b i等 研究表明,超 高 压 均 质 对 牛 乳 中VC含 量 的 影 响 不 显 著(MP a,Ti n),但是相同均质条件下,货架期内VB 的降解率为巴氏杀菌(,s)的 ,而造成VB 降解率较高的原因可能是均质后乳成分粒径变化以及蛋白质结构变化协同作用导致的.结语与展望超高压均质作为一种新兴的加工处理手段,具有可连续化操作且相对热处理更加节能环保,已在生物医药、纳米科技等领域得到了商业化应用,但是受限于现有设备处理能力以及成本等原因,目前在食品领域的商业化应用还较少见.随着超高压均质在维持产品货架期稳定性、杀菌和关键营养成分保留等方面的潜力逐渐被挖掘和显现,动态超高压处理有助于减少牛乳在加工过程中受到的热负荷,在免疫球蛋白、乳铁蛋白、乳过氧化物酶以及维生素等营养成分保留方面与巴氏杀菌基本相同甚至表现更佳,因此超高压均质有望在乳品工业中得到进一步应用.然而,由于动态超高压处理的杀菌和关键营养成分的保留与均质时的温度和压力具有较强关联性,因此未来如何平衡杀菌效率和营养保留两者的平衡需进一步研究.参考文献1 PARK Y W.Bioactive components in milk and dairy productsM.Singapore:John Wiley&Sons,2009:4382.2 KILICAKYILMAZ M,OZER B,BULAT T,et al.Effect of heattreatment onmicronutrients,fattyacidsandsomebioactivecomponentsofmilk J.InternationalDairyJournal,2022,126:105231.3 DINCECCO P,ROSI V,CABASSI G,et al.Microfiltration andultrahighpressure homogenization for extending the shelfstoragestability of UHT milkJ.Food Research 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