乳基质组成成分对游离脂肪形成的影响

李延华,王伟军，周倩茹，俞佳丽，楼锦雯

（1.浙江工商大学食品与生物工程学院，杭州 310018；2.浙江一鸣食品股份有限公司，浙江温州 325000）

0 引 言

乳粉根据其脂肪质量分数可以分为：脱脂乳粉，全脂乳粉和加脂乳粉，脂肪质量分数分别为0%，26%和26%以上。干燥过程是一种可以将液体乳制备成粉末的方法，以除去乳中几乎所有的水分。因此，干燥过程会导致一系列的结构修饰和物理化学的改变，这些改变反过来又影响乳粉粉末的应用性能及其货架期。然而，此情况下希望通过控制干燥工艺和乳粉特性来保证乳粉质量完全是凭借经验，到目前为止，这方面的研究还是非常有限的。干燥工业认为游离脂肪是乳粉复水性能和流动性显著下降、氧化风味变化的主要原因之一[1-2]，涉及含脂乳粉中游离脂肪所带来的质量问题，目前主要集中在不同组成和工艺参数方面进行研究[3-4]。本文在区分乳中游离脂肪不同定义的基础上，说明乳中游离脂肪的量化方法，并结合乳体系中不同组成成分的重要性，阐述乳中不同的组成成分对游离脂肪形成的特定影响。

1 乳及乳制品中游离脂肪的定义

关于什么是乳及乳制品中的游离脂肪，人们并没有达成一致意见，目前有关乳中游离脂肪的定义有如下方面的描述。

1.1 脂肪的结构

1.2 脂肪酸的组分

Lindquist和Brunner发现游离脂肪的饱和脂肪酸、游离脂肪酸、单甘酯和磷脂的脂肪比“封装”脂肪更为集中[7]。有研究已证实：游离脂肪中的脂肪酸主要为碳链长度从6到8的饱和脂肪酸，而C16∶1，C18∶1，C18∶2和C18∶3等不饱和脂肪酸相对较少[8]。此外，喷雾干燥乳粉中表面游离脂肪比内部游离脂肪含有略多的饱和脂肪酸。游离脂肪被认为应该是富含高熔点甘油三酯，且后者堆积在粉末颗粒表面。然而，表面游离脂肪、内部游离脂肪和“封装”脂肪的隔热材料表明：甘油三酯复合物的熔点范围从-40℃到40℃。Truyen和Orsi观察不饱和脂肪酸在游离脂肪和结合脂肪的极性脂中占有更大的比例[9]。这里需要指出的是：游离脂肪和结合脂肪中的脂肪酸组成仍然需要进一步测定，分离游离脂肪和结合脂肪的可行方法也需要进一步研究。

1.3 乳脂肪的提取方法

目前，有些研究者将游离脂肪定义为：在可控条件下可提取的溶剂脂肪[9-11]。不同的研究者改变方法以适用于各自的应用，然后游离脂肪就变成是个模棱两可的术语。Walstra不支持乳中游离脂肪的概念，并认为无覆盖的脂肪是不可能存在的，提出蛋白质会吸附在脂肪上约10 ms，即脂质部分只要接触到乳就会被吸附[12]。

Marie-Laure等提出游离脂肪的定义可以分为如下两个方面：游离脂肪为（1）不完全被包覆，并且两性分子稳定的脂肪，举例来说，由磷脂和蛋白质组成的乳脂肪球膜或由吸附的蛋白质经过一些处理步骤包覆，如热处理、均质后的聚合层物质；（2）并不是在干燥过程中由非晶态碳水化合物（如乳糖）和蛋白质组成的基质完全保护的。它既位于表面，也位于粉末颗粒的内部[1]。

2 乳基质中游离脂肪的分析与检测方法

目前，主要采用溶剂萃取法进行乳中游离脂肪的测算，也可以根据游离脂肪的结晶特性、显微结构观察、离心过滤法、色谱技术、X射线光电子能谱技术进行游离脂肪的分析与检测。

2.1 溶剂萃取法

2.1.1 普遍原理

溶剂萃取法在量化乳粉中的游离脂肪时最为常用，可以按照游离脂肪定义把完全被保护的脂肪通过溶剂去除[13]。它给出了一个预估的脂肪通过该过程“封装”的效率。它包括往一个固定质量的粉末中添加固定体积的有机溶剂，在特定时间里混合均匀，然后过滤悬浮液，并重复萃取必要的次数，以恢复所有的游离脂肪，并将定量的溶剂蒸发后测质量。游离脂肪通常表示为总脂肪的百分比，考虑到产品特性，有时计算乳粉粉末的质量分数。

2.1.2 提取参数

3.1.1 官方出版物的海外传播现状 通过访谈得知，官方出版物在海外的种类比较少，主要包括国际武术联合会出版印制的国际武术竞赛套路教程、中国武术协会出版的中国武术段位制海外教程。这些官方出版物以英文为主要语言，发行至各国，用于海外各国的武术教学与训练。教材语种比较单一，没有涉及其他语种，对小语种国家的武术传播造成了一定的影响。对于武术教材来说，纸质媒介的教材通过文字和图片对习练者进行指导，满足教学人员备课和习练者自学使用，但是如果英语能力不足，则没有办法理解教材中的内容，造成了武术传播中的中介障碍，无法达到武术国际化的传播效果。

提取参数大大影响所恢复的游离脂肪的量，有时能高达10倍。脂肪溶剂的种类不会影响游离脂肪的回收，并提供了体系的非极性。石油醚、正己烷、苯、异辛烷、甲苯、叔丁基甲醚和二硫化碳可用于提取游离脂肪，其中石油醚和正己烷已被广泛用于游离脂肪萃取。提取溶剂的混合比例不干扰萃取，只要提供足量溶剂，就能从粉末中提取所有的游离脂肪。搅拌方式对结果的影响较大：搅拌越强，由于机械应力使粉末颗粒产生裂纹，从而导致接触脂肪的溶剂越多。萃取时间在30 min及以上时会提高萃取效果。增加提取时间和提高提取温度，能萃取更多的游离脂肪。乳粉粉末特性会影响溶剂的接触，即颗粒尺寸和孔隙率。提取的游离脂肪量与粒径和孔隙率高度相关，分别为-0.70[14]和0.94[15]。这是由于表面积的增加，并促进溶剂通过孔和孔隙和与粉末接触。Faldt等考虑到提取深度，认为应采用校正因子计算游离脂肪的提取量[16]。

2.1.3 溶剂萃取法的局限与观点

很少有作者给出采用溶剂提取法的可靠性。由于溶剂的蒸发和保留的差异，溶剂提取法的重复性为0.1%～4%，重现性为0.45%[17-18]。该方法适用于液体和固体产品，游离脂肪完全可从不同颗粒大小和孔隙率的乳粉中完全提取。有学者推荐：在提取过程的最后操作采用溶剂对粉末颗粒进行短时间清洗，但该方法不能适用于表面游离脂肪的提取，因为这将相当于增加一次额外的提取[8,19]。溶剂萃取法本身可能会导致游离脂肪定量结果的增加。Evers等观察生牛乳和奶油中游离脂肪含量随着脂肪溶剂极性的增加而增加，原因在于乳脂肪球膜的变化。然而，使用非极性溶剂会阻止脂肪球的损坏，因为极性溶剂主要用于溶解交界面的极性脂质和蛋白质[17]。

2.2 游离脂肪结晶特性的计算方法

脂肪的热性能与其甘油三酯的脂肪酸构成有关。差示扫描量热法可以测量提取的游离脂肪的热性能，例如：结晶起始温度、熔化的最终温度、结晶焓和熔融焓，并与总脂肪的热性能相比较。Vanapalli和Coupland制作了乳状液模型，利用差示扫描量热法观察脂质结构[20]

。当样品经历连续的冷冻和加热循环，放热结晶峰逐渐出现在脂肪的初始结晶温度上。这种现象归因于乳化脂肪量的逐渐减少和不再乳化的游离脂肪的形成。游离脂肪可以作为杂质或核心存在于乳状液中，并导致异质结晶比天然乳液中温度更高。因此，游离脂肪是不可能与脂肪的脂质核心形成密切联系的。在高温放热峰下，可以根据面积推导出游离脂肪的相对比例。Lopez等提出：差示扫描量热法是一个评估Emmental干酪中游离脂肪形成的可靠方法[21]。

2.3 乳粉粉末颗粒和脂肪微观结构的表征

激光共聚焦显微镜技术可以非侵入性的观察到几个元素的表面和粉末颗粒内部。Nile蓝和Nile红荧光探针常用于标记脂肪，通过粉末颗粒的连续焦平面进行扫描探索，可以通过样品的光学切片来观察到脂肪的形态、脂肪的尺寸及其在表面和颗粒内部的分布。非球状脂肪的大部分面积可以出现在颗粒表面。Buchheim等改进了方法，通过标记四氧化锇使脂肪表面的观察在游离脂肪提取前后均可进行[22]。

扫描电子显微镜已被用来推断粉末颗粒的结构和粒度分布。Kim等观察发现：用石油醚提取游离脂肪前后乳粉的变化，发现全脂乳粉表面比较光滑，但在游离脂肪除去后表面显示有许多明显的凹痕。这是因为最初被不规则的“补丁”或“小滩”覆盖住约1μm或被一层表面游离脂肪覆盖[23]。乳粉表面覆盖厚厚一层呈油腻状的物质，但提取后颗粒间很好的分离，在颗粒表面出现许多的空心圆特征，这可能最初是由一层厚厚的游离脂肪填充。扫描电镜可清晰地观察乳粉粉末的物理特性，如润湿性、集聚性、流动性，分辨率为5～10μm[24-25]。

透射电镜技术在观察加工过程中形成的蛋白质-脂肪之间的相互作用是十分有用的，最相关的例子是均质化后酪蛋白胶束对脂肪的吸附影响了乳液的稳定性[26]。

2.4 离心过滤法

Fink和Kessler在生牛乳和生乳酪中，根据馏分间的密度差从乳化脂肪中分离出不再受乳脂肪球膜保护的脂肪[27]。在60～65℃下，应用两步离心法将回收的最高油相的高度表示为样品中游离脂肪的含量，并认为此方法与脂肪液滴大小有关，与溶剂萃取毫无关联。

2.5 色谱技术

色谱技术被广泛用于表征脂质，通常气相色谱法适用于判断游离脂肪馏分的准确脂肪酸；高压液相色谱法常用于甘油三酯的组分测定。

2.6 X射线光电子能谱技术

X射线光电子能谱是一种可以给出粉末颗粒表面构造的技术。采用矩阵公式可以量化样品中每个元素的质量分数[28-29]。乳粉中的干物质由乳糖、蛋白质和脂肪三大要素组成，该技术不能区分游离脂肪和结合脂肪，但它可以与游离脂肪提取前后粉末颗粒的扫描电子显微镜图像结合进行分析游离脂肪的特性[1]。

3 乳组成成分对游离脂肪的影响

乳中的脂肪、蛋白质、乳糖、矿物质元素等组成成分在游离脂肪的形成过程中可以发挥作用。

3.1 脂肪自身的相互作用

喷雾干燥乳粉的表面组成，主要包括脂肪（98%），蛋白质和含量较少的乳糖。游离脂肪提取法与X射线光电子能谱技术耦合，Kim等推导出喷雾干燥全脂乳粉颗粒被游离脂肪层覆盖，蛋白质被脂肪涂层[30]。然而，游离脂肪和表面脂肪是不相关的，该研究认为游离脂肪来自于内部粉末颗粒。喷雾干燥全脂乳粉的激光共聚焦显微镜观察表明：脂肪、蛋白质和封闭的空气被截留在一个连续无定形乳糖相中。但Twomey等认为高游离脂肪含量的乳粉有一层表面游离脂肪层，且脂肪的完整性会变化[14]。McKenna将非球状脂肪区归因于脂肪的聚结，认为表面游离脂肪主要位于团聚粉颗粒的接合点[31]。

Aule和Worstorff提出部分脱脂乳粉中脂肪含量和游离脂肪含量呈正线性相关，总脂肪含量的微小变化会导致游离脂肪含量显著的变化[32]。Young等把这种现象归因于脂肪周围的包层厚度的减少[33]。

3.2 蛋白质对游离脂肪的影响及其与脂肪的相互应用

乳中的蛋白质可以在均质化过程中水脂界面间发挥重要作用，同时在干燥过程中的空气/液体界面中也发挥重要作用。“封装”阶段必须显示出高度溶解度，良好的乳化性能。蛋白质保证了良好的乳液稳定性，并在干燥过程中可以保护脂肪。

Hogan等研究类似于工业中使用的蛋白质浓度，脂肪被涂上一层饱和单层或吸附多层，当脂肪/蛋白质的比例较低时，在乳状液中的脂肪/蛋白质的比例越小，粉末颗粒表面被脂肪覆盖的越少[34]。脂肪/酪蛋白比例越高，颗粒表面的干皮形成较慢，从而导致干燥中脂肪降解。这是由于乳状液脂肪含量高，缺乏蛋白质稳定脂肪和水界面，黏度过高导致雾化效果变差，粉末颗粒表面干壳的延迟形成导致脂肪劣变。

3.3 乳糖和其它碳水化合物的影响及其与脂肪的相互作用

游离脂肪含量随着乳糖/蛋白质比值的增加而降低[33,35-36]。Aguilar和Ziegler发现，乳糖浓度超过400 g/kg时会限制游离脂肪含量，原因是尽管粉末颗粒尺寸减少会导致表面积增加，但是颗粒会接近球形，表面平整，孔隙较少，进而阻碍脂肪的可接触性[37]。非晶态乳糖作为粉末颗粒内的亲水性填料，可以阻碍乳粉粉末颗粒内非极性溶剂的扩散及油脂的可接触性。由于必须避免太多的脂肪扩散，非晶态的亲水性乳糖是通过疏水性蛋白涂层延迟扩散的十分有效的成分。

在乳粉加工及贮藏中乳糖晶体损坏乳脂肪球膜和脂肪的蛋白质外层，进而导致聚结[38-39]。乳糖作为连续相存在于乳中，它将从玻璃态转变为橡胶态，当温度处于玻璃态转变温度上时，其它存在于粉末颗粒里的成分形成流动性，随之脂肪被释放[40-41]。如果在干燥前加上预结晶步骤，高达85%～95%的总乳糖可以在α-乳糖水合物结晶状态结晶，一般可观察到战斧形状。一旦乳糖结晶，溶剂可以轻易扩散，“封装”效率会下降，也将导致粉末颗粒的孔隙率改变，这是由于乳糖和蛋白质之间的相分离，形成新的孔隙。

此外，一些碳水化合物可适用于食品工业的微囊化。阿拉伯胶、麦芽糊精、改性淀粉和天然胶和蜡等，通常阿拉伯胶最为常用[42-43]。高葡萄糖当量值的表面活性碳水化合物，可提供多孔性较弱和更均匀的颗粒，从而降低溶剂的可接触性。这些碳水化合物的存在既提高了包封基质的干燥能力，也提高了粉末颗粒中边界部分干壳的形成。葡萄糖当量值越高，粉末颗粒表面通过扫描电镜观察到的裂缝越少，直到完全消失。脂肪保留度更高，因为粉末脆度下降。碳水化合物可作为脂肪周围干燥基质的填料，作用在于提供低粘度的浓缩物，使其能够快速干燥。选择碳水化合物取决于粉末的性能要求，如溶解度、孔隙率和吸水性。

3.4 乳中矿物质元素的影响及其与脂肪的相互作用

X射线光电子能谱对乳粉表面成分测量发现：碳，氧和氮占总检出元素的99%[44-45]，这意味着钙，钠和磷酸盐可以存在于乳粉粉末颗粒表面，矿物质元素通过其与蛋白质相连的胶体部分可能有间接的影响。盐类会降低蛋白质之间的静电斥力，这可能会影响脂肪之间共享的界面[46]。此外，盐可以影响粉末的物理性质，因为其具有亲水性，可以提高水分吸收，同时会带来一定的负面影响，但会有利于乳粉颗粒的水合作用。

4 结论

游离脂肪是评定乳制品质量的重要指标。根据结构、脂肪酸组成及研究方法的不同，乳体系中的游离脂肪定义存在差异。溶剂萃取法是定量分析乳中游离脂肪含量的最为常用方法。然而，由于溶剂萃取法在定量乳中游离脂肪时存在缺陷，采用差示扫描量热法观测脂肪结晶特性，采用X射线光电子能谱技术分析乳粉颗粒表面组成，采用光学显微镜和电子显微镜观测乳粉颗粒微观结构，采用色谱方法分析脂肪酸组成等方法在不同乳制品中游离脂肪的定性/定量分析中逐步应用。同时，乳脂肪、蛋白质、碳水化合物、矿物质元素等组成与游离脂肪的形成密切相关，进一步的研究应考虑与工业要求相一致的组合物，尤其是游离脂肪和加工浓缩物组分之间的关系，也应着眼于物料组成和加工参数对游离脂肪分布和产品稳定性的交互影响。