牛奶起泡性的影响因素及其研究进展

段雪梅，李启明，尤亮亮，袁雄雄

（新希望乳业股份有限公司产品研发中心，成都 610023）

0 引 言

咖啡店制作卡布奇诺、摩卡和焦糖玛奇朵等调制拉花咖啡需要具有特殊性能的牛奶，牛奶经打泡赋予了产品具有独特的质构。制作方法一般是借助于浓缩咖啡机的蒸汽喷嘴，将蒸汽注入冷牛奶中，气泡在牛奶中快速形成并加热，最终形成洁白细腻、大小均匀、泡沫稳定的奶泡的过程。尤其对于卡布奇诺咖啡来说，对打泡牛奶的起泡性要求较高，一般要求牛奶起泡性超过100%，在15 min内的泡沫稳定性大于90%[1]。牛奶的起泡性受乳成分含量、奶牛品种、饲料质量、季节、泌乳期、加工工艺等多种因素的影响，经常会出现一些牛奶不起泡或者起泡性较差的现象，这给生产企业带来了一定的困扰。本文重点阐述影响牛奶起泡性的主要因素，以及近年来国内外相关研究进展，旨在为科研和相关从业人员提供信息，为企业开发和生产相关产品提供参考。

1 乳成分对牛奶起泡性能的影响

乳是一类含有脂肪乳化分散相和水性胶体连续相的复杂的胶体分散系[2]，主要由蛋白质、脂肪、乳糖等营养物质组成。牛奶中蛋白质和脂肪受奶牛品种、季节、环境、饲料等因素影响较大，而乳中其余成分相对趋于稳定。此外，蛋白质的种类和含量、哺乳期的不同阶段、牛奶的新鲜程度、冷链运输等等，都会对牛奶的起泡性能产生一定影响。本文重点总结了蛋白质、脂肪和乳糖3种主要成分对牛奶起泡性的影响。

1.1 乳蛋白

牛乳中蛋白质主要由酪蛋白和乳清蛋白组成，比例大约为4∶1。酪蛋白和乳清蛋白在特性上差别较大。酪蛋白是牛奶中主要蛋白质，由α-酪蛋白、β-酪蛋白、γ-酪蛋白和κ-酪蛋白组成。酪蛋白的水溶性较差，食品中常用酪蛋白酸钠来替代酪蛋白。酪蛋白酸钠保留一定程度酪蛋白的性质，能够降低水油界面张力，起到表面活性剂的作用，具有良好起泡性能。此外，酪蛋白酸钠还具有增稠剂的功能，可提高水相粘稠度，增强气泡稳定性。牛奶中乳清蛋白主要由β-乳球蛋白、α-乳白蛋白组成，其对热不稳定，加热会产生一定程度的变性，蛋白质分子舒展暴露较多疏水基团，亲水基、疏水基分别结合水和结合油，同时也可以结合空气形成泡沫。乳清蛋白轻微变性后，分子间二硫键、氢键等使得蛋白质间交互作用增强，起泡性增加。研究表明，在空气-水界面，乳清蛋白膜表现出高弹性，而酪蛋白却没有类似结论[3]。

刘小军等[4]对比了牛奶与去除酪蛋白的牛奶的起泡效果，得出牛奶中起泡的主要蛋白质为乳清蛋白。Marinova等[5]研究了乳蛋白发泡行为的两种主要蛋白：柔性酪蛋白和球状乳清蛋白，随蛋白质浓度增加，起泡性增加，最终达到平稳，牛奶良好的起泡性与增加吸附、降低表面张力和增加膜寿命相关。此外，也有进一步对乳清蛋白的研究。Lazidis等[6]研究了乳清蛋白液溶胶与乳清蛋白相比能产生更好的稳定性泡沫。Dombrowski等[7]研究表明热诱导β-乳球蛋白聚集物可促进其表面活性和发泡性能，通过调节pH值可屏蔽聚集体表面电荷而延长泡沫稳定时间。近年来，乳蛋白成分的分离研究越渐深入，因此关于蛋白的加工特性和功能性研究较多。相关蛋白的乳化性和发泡性，以及通过条件诱导等来增加乳蛋白特性[8-9]，如酪蛋白酸钠、乳清蛋白聚集物（WPC）、β-乳球蛋白、乳清分离蛋白（WPI）[10-14]均有研究。

1.2 乳脂肪

牛奶中的脂肪主要以脂肪球的形式存在，98%的牛乳脂肪都是甘油三酸酯的混合物，在脂肪球的表面包裹一层被称之为乳脂肪球膜的保护层。脂肪球膜上含有大量的磷酸酯，磷酸酯分子含有两性基团，因此具有良好的乳化性能和起泡性能。有研究表明，在牛乳体系中添加乳脂肪，在低浓度脂肪含量时，起泡性能随着脂肪含量的增加而增加，一旦达到最大值，再增加脂肪含量反而会使起泡性能下降。原因在于脂肪球膜中含有磷脂酸等表面活性分子会提高起泡性，随脂肪的增加，磷脂含量也逐渐增加，磷脂可降低表面张力，促进泡沫形成，但是脂肪中含有的少量游离脂肪酸则是一种良好的消泡剂，会降低牛乳的起泡性能。任璐等[5]研究表明脂肪质量分数在0.5%～3.7%范围内，随着牛乳中脂肪含量增加，起泡性能缓慢增加。此外，脂肪对牛奶起泡性的影响因素主要是由于脂肪分解或氧化造成游离脂肪酸增多，降低了牛奶的起泡性和泡沫稳定性[4,15],Kamath等研究当游离脂肪酸浓度为2.3 μmol/mL时,起泡后的泡沫表面已经粗糙[16]。

1.3 乳糖

乳糖是乳中最主要的碳水化合物，占牛奶中所含糖类的99.8%。正常牛乳的乳糖成分接近常数，乳中为4.7%～5.2%，以乳糖—水化合物形式存在[17]。Jar⁃pa-Parra等[18]研究了通过添加多糖对扁豆蛋白发泡能力影响不显著，而泡沫稳定性大大增强。任璐等[15]通过增加乳糖质量分数（4.7%～5.5%），研究了乳糖对牛奶起泡性的影响，结果显示随乳糖含量的增加，起泡性降低，而泡沫稳定性提高，与Jarpa-Parra的关于泡沫稳定性结果一致。随着糖质量分数的增加，溶液黏度增加、表面张力提高，因此会出现降低起泡性，而泡沫粘度增加反而增强了泡沫稳定性。Dombrowski等[19]根据溶液组成研究乳蛋白表面活性和发泡性能之间的相关性，表明乳糖和乳中盐类可提高泡沫稳定性。对于牛奶来说，乳糖质量分数趋于恒量，虽是牛奶中主要成分，但对牛奶起泡性影响相对较小。

1.4 其他

牛奶的起泡性会受到自身成分的影响，成分发生变化，牛乳的起泡性也随之变化。袁园[1]对比了蒙牛市售7种不同奶源产地的纯牛奶的起泡性，7个纯牛奶样本的理化指标相差不大，但起泡性结果有明显差异。因此，乳成分组成受奶牛品种、地域、哺乳期、饲料等因素影响，间接影响牛奶的起泡性能。

2 加工工艺及打泡工艺对牛奶起泡性的影响

牛奶在加工处理过程中，热处理、均质等机械处理会造成脂肪球膜破裂，或者脂肪被脂蛋白酶脂解，从而会降低牛奶的起泡性和其稳定性。如前所述，蛋白质一定程度的变性会增强牛奶的起泡性和泡沫稳定性。因此，不同的均质条件和热处理工艺会产生不同的结果。

2.1 热处理、均质工艺条件

不同的热处理方式对牛奶的起泡性和泡沫稳定性有一定影响，生乳经热处理后，牛奶的起泡性和泡沫稳定性均有提高。张锋华[20]研究了不同杀菌工艺对牛奶起泡性能的影响，对比生乳以及经过了4种杀菌参数：85℃，15 s；95℃，15 s；105℃，15 s；115℃，15 s处理的牛奶。得出利用105℃，15 s的杀菌方式处理牛奶对牛奶的起泡性能效果最佳，但后三个杀菌参数结果无显著差异。Borcherding等[21]研究不同热处理条件对脱脂乳起泡性的影响，得出高温短时及高温（73℃，20 s；90℃，20 s）热处理，脱脂乳泡沫密度比未加热低，泡沫平均直径增加，结果优于超高温（UHT）处理牛奶。研究表明均质和UHT处理可降低脂肪对发泡的不利影响[22]。牛奶均质使脂肪微粒化，均匀悬浮而不至于上浮，因此均质对脱脂牛奶的起泡性几乎无影响，而均质后的全脂牛奶，起泡性能略有增加。

2.2 打泡工艺条件

打泡工艺条件对牛奶起泡性的影响主要取决于打泡温度。打奶泡通常要借助浓缩咖啡机的蒸汽喷嘴，把蒸汽打入牛奶，蒸汽将气泡带进牛奶，并将起泡加热，牛奶乳清蛋白质展开，凝聚为稳定的网状。但是过热的牛奶很难维持住泡沫，重力会拉扯泡沫表面的液体，一旦液体被扯出，泡沫就会瓦解，同时液体越热，水分就越快被拉出。一般打奶泡时，牛奶的温度需降到2～4℃左右，温度愈低起泡性愈好，同时，冷牛奶的量要足够（至少150 mL）,以确保牛奶不会太快变热，也不会在泡沫形成前就变得太稀。Borcherding等对比不同均质条件和高温短时（73℃，20 s）热处理全脂牛奶在4～60℃的起泡性，结果表明全脂奶在50～60℃之间比在较低温度下更易发泡，这主要是由于完全液态的乳脂肪和蛋白质在空气-乳清界面处的吸附增加[23]。此外，他研究了打泡温度和热量对脱脂奶发泡性能的影响，将打泡温度从4℃提高到60℃导致平均泡沫直径降低了0.08 mm，温度升高还导致泡沫密度值增加（0.14～0.22 g·cm-3）。得出脱脂牛奶泡沫在50～60℃下制备的是最稳定的[21]。Oetjena等[24]研究了温度对牛奶起泡性、泡沫稳定和泡沫结构的影响，40℃牛奶的起泡性主要取决于牛奶的杀菌条件，巴氏杀菌乳较UHT灭菌乳起泡性好，并得到一致结论。因此，打泡的温度与前期牛奶的热处理条件等对牛奶起泡性的影响也是密不可分的。

3 其他相关研究

目前，国内关于牛奶起泡性的研究主要集中在乳成分、以及添加其他乳成分或非乳成分来提高牛奶的起泡性能。Martínez-Padilla[25]等在脱脂乳（脱脂乳粉复原）中加入酪蛋白酸钠以及WPC，发现脱脂粉和WPC均具有良好的发泡能力和泡沫稳定性，可以通过用WPC替换脱脂粉来降低成本。任璐等[26]研究了真空低温浓缩乳、不同来源蛋白和稳定剂对牛奶起泡性和泡沫稳定性的影响，通过正交试验确定打泡牛奶最佳配方：真空低温浓缩乳(蛋白含量3.1%)99%，全牛奶蛋白(MPC)0.5%，微晶纤维素(MCC)0.4%，羧甲基纤维素钠(CMC)0.1%。张云等[27]发明了一种具有优良起泡性能的牛奶，同样是在牛奶中添加牛奶蛋白和微晶纤维素实现的。张锋华[20]利用表面张力系数研究牛奶起泡性能，结果表明初始表面张力系数可指示牛奶的起泡性和稳定性，且其临界值为39×10-3N/m，当初始表面张力系数不大于临界值时，牛奶的起泡性和稳定性较好，反之较差。Jimenez-Junca等[28]研究了蒸汽压与喷嘴设计（喷射器、倾射射流和受限射流喷嘴）对泡沫特性的影响，蒸汽压力和喷嘴设计的变化改变泡沫生产的流体力学条件，使泡沫具有一系列性质。蒸汽压力影响泡沫特性，但其主要影响在于喷嘴设计，研究结果表明除牛奶的物理化学因素，泡沫性质可以通过改变蒸汽压力和喷嘴设计来控制。近年来，关于牛奶起泡性，牛奶组分尤其是各蛋白的改性、发泡机理研究等较深入。此外，微观方面，通过电子显微镜观察泡沫结构，用图像来分析泡沫特征的研究也越来越多[29-30]。

4 结束语

近年来，关于牛奶起泡性的研究主要集中在乳成分，以及添加食品添加剂来提高其稳定性的初步研究阶段。牛奶是一个非常复杂的体系，我们还需要进一步开展起泡性的机理研究以及更深入的微观研究。随着现代食品工业的飞速发展，人们越来越注重健康。因此，加强牧场管理和饲养环境，保证牛奶新鲜，提高牛奶品质是生产咖啡专用打泡奶的前提。此外，企业可结合自身条件开展相关研究和合作，拓宽打泡奶的奶源，从而提高市场竞争力。

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