低热脱脂奶粉的生产现状

于景华，刘晓辉，张列兵

（1.天津科技大学 食品工程与生物技术学院，天津 300457；2.中国农业大学 食品科学与营养工程学院,北京100083）

低热脱脂奶粉的生产现状

于景华1，刘晓辉2，张列兵2

（1.天津科技大学 食品工程与生物技术学院，天津 300457；2.中国农业大学 食品科学与营养工程学院,北京100083）

综述了我国脱脂奶粉的的市场和生产现状，提出了向低热脱脂奶粉发展的方向，论述了加工条件对脱脂奶粉蛋白变性程度的影响以及国际上对奶粉热分级的规定和乳粉加工中乳清蛋白热变性及聚合物产生机理的研究进展。

乳清蛋白；热变性；低热奶粉；机理

0 引 言

脱脂乳粉作为一种食品原料广泛应用于乳制品、汤料、酱油、再制炼乳、糖果和焙烤制品、配方食品中。近年来我国的脱脂奶粉的产量逐年递增，已从2000年的0.5万t增长到2006年的大约4万t，然而进口脱脂奶粉的数量也在逐年增长，而且其占进口奶粉总量的比例已由2002年的31.6%增长到2008年的45%，高于国产脱脂粉的总生产量[1-3]。这主要是国产脱脂粉与进口脱脂乳粉的功能特性存在差异。国内乳粉加工至今仍采用沿用了多年的加工工艺，生产的乳粉都是高热奶粉，高热奶粉清蛋白变性程度高，溶解性差，作为食品原料添加后会严重影响产品的质量，不能满足客户的需求，造成滞销；而国外奶粉大多根据客户要求提供中热或低热奶粉，这些奶粉蛋白变性程度低，溶解性好，颗粒大，在添加后的热加工过程中仍能保持相当好的功能特性。此外，在价格上也存在很大的差异，进口低热脱脂粉一般售价会比国产脱脂奶粉售价高30%～50%；即便2006年和2007年有小部分国产脱脂粉出口，但仍属于低档、低价产品，而去年的“三聚氰胺”事件又致使国产乳粉出口遭到重创，不仅大部分国内奶粉企业效益低下、产品大量积压的现状仍未得到根本的改变，反而情况变得越来越差。目前，国内中、低热奶粉生产的理论和工艺研究尚未起步，行业中还没有热分级的概念；更没有一家生产中、低热奶粉的企业，因此研究低热奶粉生产技术和理论，开发低热奶粉生产技术和工艺，继而生产出低热奶粉，势在必行。这将对改变我国原料奶粉目前被国外产品压制和技术壁垒限制的局面，提高我国乳品行业技术水平和核心竞争力，对实现乳品业从数量型向效益型转化有着深远的意义。

1 加工工艺对乳粉功能特性的影响

脱脂乳粉加工工艺涉及脱脂乳的加热，即预热处理过程，而后通过蒸发使乳中固体物浓度达到45%～50%，加热浓缩后的脱脂乳，经喷雾干燥生产出乳粉。在预热处理期间，脱脂乳会发生一系列影响乳粉功能特性的变化，其中包括：乳清蛋白的变性，变性的乳清蛋白与酪蛋白胶束的交联,可溶性钙和磷酸盐转变为胶体相,杀灭细菌以及酶的失活[3]等等。因此，预热条件在很大程度上控制着乳粉的功能特性。

在乳粉加工期间，可以通过调整控制加工工艺条件以使乳粉符合最终的特定用途，自上世纪80年代末期国外在这方面做了大量的工作，尤其是脱脂乳预热处理工艺方面的研究。美国干乳制品研究所（AMDI）采用热分级的方法来对脱脂奶粉进行分类，即通过预热程度控制，依据预热条件的剧烈程度，将脱脂粉分为3类，即上述提到的低热、中热和高热粉，并通过测定乳清蛋白氮指数（WPNI）作为分级指标。一般采用比浊法测定液状乳或乳粉中的未变性蛋白态氮量，作为乳清蛋白氮指数（WPNI）。加热程度不同乳粉WPNI的指数不同，具体分类如下：

高温加热脱脂奶粉 的WPNI＜1.5，

中温加热脱脂奶粉 的WPNI＞1.5～＜6.0，

低温加热脱脂奶粉 的WPNI＞6.0。

采用这种乳粉热分类的优势在于乳粉应用企业可以根据自身产品需要选用适当类型的乳粉作为原料。一般脱脂乳粉用作食品原料，主要是将脱脂乳以还原乳的形式加入到食品加工产品中。还原乳的感官性质与原料乳在干燥前所受到的热处理强度有关，当原料乳被加热到一定程度时，乳清蛋白发生变性，导致巯基化合物的释放，会产生蒸煮味，加热程度越高，乳清蛋白变性程度越大。因而，在应用还原乳的食品生产中通常以低温粉作为原料。

此外，热分类法虽被认为是目前较好的乳粉分类方法，但是仍存在一定的局限性。首先，热分类方法中WPNI的计算值并不能真正显示乳清蛋白的变性程度，因为原料乳中乳清蛋白精确的量是未知的。例如：以原料乳中乳清蛋白氮的平均值8～9 mg/g（非脂乳固体）为基础，在乳清蛋白氮质量分数为8 mg/g的低温粉中，每克乳粉中变性乳清蛋白的量不应大于2 mg（25%），而高温粉中变性乳清蛋白的量至少大于6.6 mg（82.5%）。并且原料乳中乳清蛋白氮的质量分数与原料乳的来源、地区、品种和季节有关，一般其含量范围为6～13 mg/g乳固体，相对变化幅度较大。而当乳中乳清蛋白氮指数低于6 mg/g时，即使在加工过程中全部的乳清蛋白都不发生变性，乳清蛋白氮指数也不符合ADMI对低温粉的定义。

2 乳清蛋白热变性及聚合物产生机理的研究进展

WPNI值仅仅提供了的乳清蛋白变性的总体水平，但乳中各种乳清蛋白的热稳定性是不同的，关于乳粉加工对乳清蛋白各个组分变性的影响研究报道很少。前人曾对鲜乳热加工导致乳清蛋白变性做过大量的基础研究[4-6]，但研究多在实验室规模下在水浴和油浴加热乳中进行，与商业上的加热设备在加热效率和加热程序上不同，因此，实验室条件研究结果与厂家所生产乳粉的真正乳清蛋白变性水平是十分不同的[7，8]。

目前对不同工艺环节乳清蛋白、免疫球蛋白和牛血清白蛋白受热变性影响了解甚少。Singh and Creamer曾研究了高热处理（110～121℃)和低热处理（72℃，15 s）在乳粉加工各个环节对乳清蛋白变性、α-乳白蛋白（α-lactalbumin）和β-乳球蛋白（β-lactglobulin）的影响，发现高热处理会使大部分乳清蛋白变性，蒸发作用又进一步加剧了变性作用，但喷雾干燥对变性影响很小[9]。 有关浓缩加热和干燥温度对各种乳清组分热诱导反应影响、发生的化学变化及其蛋白变性机理的研究少见报道。有初步研究表明，牛乳经过60℃以上热处理就会发生乳清蛋白变性，导致乳清蛋白分子间的互作以及乳清蛋白与κ-酪蛋白（κ-casein）间的互作，从而分别在乳清相中和酪蛋白胶束表面形成了热诱导清蛋白 （serum heat-induced protein）和胶束键合蛋白（micelle-bound protein）的聚合物[10-12][13]。在酸奶生产中，乳中由热诱导引起蛋白质变性产生的不同类型的聚合物与酸奶酸凝胶的高凝胶pH值(5.3)、高硬度以及低吸水性有关等性质产生不同影响[13，14]。然而,上述热处理的影响通常是在一个复杂的体系中进行研究，对凝胶形成过程中聚合物间的或与酪蛋白胶束间的真正的互作状态了解很少，并且多数结论都是通过乳的成分变化推断的。清蛋白聚合物和胶束键合蛋白聚合物对酸凝胶积极作用的一个可能的解释是，推测认为它们比酪蛋白胶束具有更高的等电位点（5.4比4.7）并且这会引发乳蛋白系统早期的不稳定性。

近两年来一些研究把重点放在了不同pH值对蛋白变性的影响及乳中钙浓度的变化对低热奶粉复原后热稳定性的影响上。Anema S G等人的研究表明，将脱脂乳的pH值调至6.5，6.7，6.9，7.1，90℃加热0～30min热处理后，再次将样品pH值调至天然水平6.67，调高pH值则变性清蛋白与酪蛋白胶束结合水平相应下降，脱脂乳pH值调至6.7，6.9和7.1热处理30min后变性乳清蛋白结合率，分别下降为30%，20%和10%。这会显著的影响干酪和酸奶的凝乳强度和凝乳时间[15]。Faka M的研究阐明了热处理中的牛奶钙离子浓度和pH值是确保脱脂粉保持良好热稳定性的一个很好的指示指标[16]。

3 研究方向

综合以上国内外目前关于脱脂乳的研究可以看出，在以往研究中仍存在一些不足，首先一些研究仅是实验室规模下获得的研究结果，并且除预热处理工艺环节外，对加工中浓缩加热和喷雾干燥等工艺环节对乳粉乳清蛋白变性的影响研究较少；其次热处理对各乳清蛋白组分的变性和乳粉功能特性的影响以及蛋白组分热变性动态机理和形成聚合物的组成特性研究极少，仍处于理论推测阶段；这些都是以后努力研究的方向。

[1]中国奶业年鉴编辑部.2007中国奶业统计资料[M].北京：中国农业出版社，2008.

[2]刘成果.中国奶业年鉴[M].北京：中国农业出版社，2005.

[3]SINGH H,NEWSTEAD D F.Aspects of Proteins in Milk Powder Manufacture[J].Advanced Dairy Chemistry-1:Proteins，1992：735-765.

[4]HILLIER R M,LYSTER R L J,CHEESEMAN G C.Thermal Denaturation of a-lactalbumin and β-lactoglobulin in Cheese Whey:Effect of Total Solids Concentration and Ph[J].Journal of Dairy Research,1979：103–111.

[5]MANJI B，KAKUDA Y.Thermal Denaturation of Whey Proteins in Skim Milk[J].Canadian Institute of Food Science and Technology Journal,1986，19：161–166.

[6]DANNENBERG F，KESSLER H G..Reaction Kinetics of the Denaturation of Whey Proteins in Milk [J].Journal of Food Science,1988，53：258–263.

[7]CORREDIG M，DALGLEISH D G.The Binding of a-lactalbumin and b-lactoglobulin to Casein Micelles in Milk Treated by Different Heating Systems[J].Milchwissenschaft,1996，51：123–127.

[8]OLDFIELDl D J,SINGH H,TAYLOR M W，et al.Kinetics of Denaturation and Aggregation of Whey Proteins in Skim Milk Heated in an Ultra-High Temperature(UHT)Pilot Plant[J].International Dairy Journal,1998，8：311–318.

[9]SINGH H，CREAMER L K.Denaturation,Aggregation and Heat Stability of Milk Protein During the Manufacture of Skim Powder[J].Journal of Dairy Research,1991，58：269–283.

[10]ANEMA S G，LI Y.Further Studies on the Heat-induced,pH-dependent Dissociation of Casein from the Micelles in Reconstituted Skim Milk[J].Lebensmittel-Wissenschaft und-Technologie,2000，33：335–343.

[11]ANEMA S G，LI Y.Effect of pH on the Association of Denatured Whey Proteins with Casein Micelles in Heated Reconstituted Skim Milk[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2003，51：1640–1646.

[12]VASBINDER A J,ALTING lA C，DE KRUIF K G.Quantification of Heat-induced Casein-whey Protein Interactions in Milk and Its Relation to Gelation Kinetics[J].Colloids and SurfacesB:Biointerfaces,2003，31：115–123.

[13]ANEMA S G,LEE S K,LOWE E K，et al.Rheological Properties of Acid Gels Prepared from Heated Ph Adjusted Skim Milk[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2004，52：337–343.

[14]FAMELART M H,TOMAZEWSKI J,PIOT M，et al.Comprehensive Study of Acid Gelation of Heated Milk with Model Protein Systems[J].International Dairy Journal,2004，14：313-321.

[15]ANEMA S G,LEE S K，KLOSTERMEYER H.Effect of pH at Heat Treatment on the Hydrolysis of k-casein and the Gelation of Skim Milk by Chymosin[J].LWT，2007，40：99–106；

[16]FAKA M,LEWIS M J,GRANDISON A S,et al.The Effect of Free Ca2+on the Heat Stability and Other Characteristics of Lowheat Skim Milk Powder[J],International Dairy Journal,doi:10.1016/j.idairyj.2009，12：6.

Production of low-heat skim milk powder

YU Jing-hua1,LIU Xiao-hui2,ZHANG Lie-bing2
(1.Department of food engineering and biotechnology,Tianjin university of S&T,Tianjin 300457，China;2.Department of food science and nutrition engineering,China agriculture university,Beijing 100083，China)

It is discused that the domestic market and technical aspects of skim milk powder.The production of skim milk powder must direct to low-heat and functionize.it sumarize that effect of the process parameter on whey protein denaturation;international standard of heat grade of skim milk powder;machanism of heat-induced denatureation and formation of aggregation.

whey protein;heat-induced denaturation;low-heat milk powder;mechanism

TS252.51

B

1001-2230（2010）03-0045-02

2009-11-11

现代农业产业技术体系（奶牛）乳制品加工研究室岗位科学家项目(nycytx-0503)，天津科技大学引进人才科研启动基金项目（20090414）。

于景华 (1966-)，男，教授级高级工程师，研究方向为奶粉及发酵乳制品新产品的开发。

张列兵