抑制牦牛乳制品脂肪氧化的研究进展

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(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070; 2.甘肃省功能乳品工程实验室,甘肃兰州 730070)

牦牛(Bosgrunniens)常年生活在海拔2500～5500 m[1]的严峻自然环境下,不同于荷斯坦牛的圈养或规模化的养殖方式,牦牛放牧式的粗放饲养管理使得牦牛乳成分与荷斯坦牛乳成分不同。牦牛乳被称为“天然的浓缩乳”,与普通牛乳相比,牦牛乳中的蛋白质和脂肪含量要高得多[2-3]。同时,牦牛乳含有普通牛乳所没有的十五碳烯酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸等功能性脂肪酸[4]。目前,全世界现有牦牛约1420万头,我国牦牛存栏数约占世界总数的93.7%以上[5]。由于牦牛乳较高的营养价值和食用安全性,牦牛乳产业未来将成为中国特有绿色资源,具有极大的产业升级和市场潜力。

我国丰富的特色牦牛乳资源未被充分开发利用,其中大部分乳及乳制品用于当地牧民消费,主要用于生产黄油和酥油[6-7],未对其进行深加工以提高附加值。目前,国内主要生产和加工牦牛乳的企业都分布在西藏、青海、甘肃、四川四个牦牛乳资源较多的省份。主要的牦牛乳产品类型有奶粉、液态奶、酸奶、奶茶和干酪素等。

表1 国内主要生产或加工牦牛乳的企业Table 1 A company that mainly produces or processes yak milk in China

注:资料来源于文献[6]和相关企业网页。

先前,对牦牛乳的研究主要集中在化学组成分析。近年来,国内外对牦牛乳的研究则集中于其功能成分[8]、乳清蛋白[9]、酪蛋白胶束[10-11]及乳酸菌的分离[12],但鲜有人关注牦牛乳制品脂肪的氧化问题。

乳脂肪对牦牛乳及其制品的风味质地有很大的影响,与普通食用油脂相比,牦牛乳脂肪的消化吸收率也更高。但牦牛乳中的脂肪易受各种因素影响而发生氧化,导致牦牛乳制品酸败劣变。本文综述了抑制牦牛乳脂肪氧化的内因(乳脂肪含量及组成、脂肪酸、乳脂肪球膜、乳成分)及外因(温度、含氧量、金属、光照、水分含量及酶)的研究进展,解释各因素影响牦牛乳制品脂肪氧化酸败的机制,旨在为进一步研究牦牛乳制品氧化提供参考依据。

1 内在因素

1.1 乳脂肪含量及组成

牦牛乳、普通牛乳、萨能山羊乳中平均脂肪含量分别为5.51%、3.55%和4.04%,脂肪球平均粒径为4.39、3.16和3.46 μm[13-14]。得出牦牛乳的脂肪含量分别高出普通牛乳和萨能山羊乳55.21%和36.39%,脂肪球粒径分别高出普通牛乳和萨能山羊乳38.92%和26.88%。乳脂肪以液滴的形式分散在乳中,称为乳脂肪球,其中98%以上以甘油三酯的形式存在,其余约为0.8%的磷脂、0.5%的胆固醇以及种类繁多的其他脂类[15]。乳脂肪球的表面被一层生物膜包裹,这层生物膜是乳脂肪从乳腺上皮细胞分泌过程中产生的,称为乳脂肪球膜。Deeth[16]认为乳脂肪球的稳定结构是乳清屏障,乳脂肪球膜阻止脂肪酶进入脂肪,同时控制着脂肪氧化反应的速度。牦牛乳中虽脂肪含量多,脂肪颗粒大,但其本身的脂肪球结构抑制着氧化的发生。

1.2 脂肪酸

牦牛乳脂肪酸含量为97.80%,高于荷斯坦牛乳,黄世群[17]在牦牛乳和荷斯坦牛乳中分别检测出13种脂肪酸和10种脂肪酸。牦牛乳中功能性脂肪酸约为10%,比普通牛乳高出3%,除亚油酸之外其它功能性脂肪酸都是牛乳的2倍,其中EPA(二十碳五烯酸)、DHA(二十二碳六烯酸)是普通牛乳所不具有的[18]。脂肪酸种类不同,其抗氧化能力差别很大,脂肪的不饱和度越大,其氧化速度越快。EPA和DHA等功能性脂肪酸都属于多不饱和脂肪酸,而牦牛乳中的多不饱和脂肪酸易发生自动氧化,Nadeem[19]指出在脂肪的氧化过程中,脂肪酸被分解为氧化产物,即发生了自动氧化。自动氧化的发生有三个阶段,分别是诱导期、传播期和终止期[20]。

诱导期:RH→R·+H·(RH为脂肪酸底物)

传播期:R·+O2→RO

2RO2·+RH→ROOH+R·

终止期:2RO2·→O2+ROOR

2R·→R· R

诱导期是在有氧条件下,牦牛乳中不饱和脂肪酸先被氧化成自由基,将邻近双键的亚甲基上氢原子转移至不饱和(烯丙基和双烯丙基基团)脂肪酸分子中的双键上,与其形成烷基自由基。然后进行传播期,游离自由基生成不稳定过氧化游离基,过氧化游离基再夺取另一种不饱和脂肪酸分子上的氢原子进行反应,产生新自由基和氢过氧化物,这种链式反应不断循环,直至氧气被耗尽。进入终止期,自由基不断积累达一定浓度时,各自由基间相互碰撞的频率增加,从而在有效碰撞的情况下形成双聚物,此时乳脂氧化反应结束。

过氧化值、酸价、羰基价和硫代巴比妥酸值分别表示脂肪氧化进行到不同程度时的指标。过氧化值(POV)是自动氧化传播期中氢过氧化物的量,反应脂肪的一级氧化程度;羰基价(CV)是氧化终止期羰基(醛、酮化合物)的量;硫代巴比妥酸值(TBA)是氧化结束后所产生的终产物丙二醛的含量,而酸价(ADV)是说明了脂肪在脂肪酶作用下水解成游离脂肪酸数量的指标。马欢等[21]通过测量不同发酵剂添加量的牦牛乳硬质干酪POV、ADV等氧化指标,得出不同发酵剂添加量对牦牛乳硬质干酪在成熟期内的品质影响。巨玉佳[22]通过测定牦牛乳硬质干酪的POV、ADV、CV和TBA,说明了牦牛乳干酪在成熟过程中的氧化变化。牦牛乳中总脂肪酸含量和不饱和脂肪酸含量均高于荷斯坦牛乳,相比于荷斯坦牛乳,易发生自动氧化和酶促氧化。且牦牛乳在加工和贮藏过程中脂肪酸不断增加,对牦牛乳制品风味和氧化过程产生影响。

1.3 乳脂肪球膜

乳脂肪球膜(MFGM)是一种由蛋白质、糖蛋白、酶类、中性脂质和极性脂质(如磷脂)等混合物组成的三层膜结构。这层膜不仅可以保护核心乳脂,还能维持乳液本身的稳定性。何胜华等[23]研究得出牦牛乳脂肪球膜主要由蛋白质和脂类物质组成,其中蛋白质质量分数为(0.27±0.01) g/g,脂质为(0.70±0.04) g/g。可以看出,牦牛乳脂肪球膜中,脂质部分所占的比例较大,是脂肪球膜的主要成分。El-Loly[24]研究得出乳脂肪球膜中的主要脂质为极性脂质和部分中性脂质。Et-Thakafy[25]认为无论任何种源的乳样,其中的磷脂酰乙醇、磷脂酰胆碱和鞘磷脂是主要的极性脂质。Luo[26]研究得出牦牛乳脂肪球膜中鞘磷脂和胆固醇的含量明显比普通牛乳高,而且在牦牛乳脂肪球膜内观察到不规则脂质结构域(lipid domains)的存在。乳脂肪球膜的极性脂质中,特别是鞘磷脂,含有长链饱和脂肪酸,具有较高的相变温度[27]。MFGM中的脂质结构域的生物物理特性可以调节脂肪分解的活性乳脂肪球消化过程中的酶[28]。由此得出,牦牛乳脂肪球膜中的极性脂质影响着牦牛乳脂肪球的稳定性,即极性脂质对牦牛乳的抗氧化有着一定的积极作用。

1.4 乳成分

不同生活环境、海拔、胎次、季节是影响牦牛乳成分的主要因素,进而影响牦牛乳制品氧化的发生。牦牛以青藏高原的天然牧草为食物而没有任何补充饲料[29],是一种罕见的有价值的放牧动物。Wu[30]测定了生活在海拔3300、4300和5010 m处牦牛乳组成,发现乳中脂肪含量随海拔升高而增加。Cui[31]发现牦牛乳总抗氧化能力、维生素A、脂肪含量、共轭亚油酸、γ-亚麻酸和不饱和脂肪酸均随海拔升高而增加。唐正香[32]研究得出季节和胎次对牦牛乳中超氧化物歧化酶活性的影响。Lu[33]指出牛乳中脂肪酸受抽样季节强烈影响,这种影响在原料乳经UHT(超高温瞬时灭菌)处理后的商品乳中持续存在,且夏季牛乳中磷脂和不饱和脂肪酸的比例较高。这是可能是放牧期和牧草质量的相关变化引起牧草中脂肪含量和乳中酶活的变化,进而影响夏季牛奶中不饱和脂肪酸分布。Buccioni[34]认为夏季牛乳中共轭亚油酸(CLA)浓度高于其他季节牛乳中CLA浓度。马作霖[35]通过试验比较了不同胎次及产奶月份对甘南黑牦牛乳营养成分的影响,结果表明在自然牧场中,季节变化改变牧草营养成分进而影响乳中营养成分高低;多胎次乳中营养成分高于初胎次乳中营养成分。牦牛乳成分中所含有的超氧化物歧化酶、磷脂等抗氧化因子使得牦牛乳具有一定的抗氧化能力,而乳成分间接受到生活环境、海拔、胎次和季节等因素的影响。夏季、高海拔的牦牛乳抗氧化能力更高,而胎次对抗氧化性能影响不大,胎次只影响乳中营养成分的高低。

2 外在因素

外在因素引起的氧化主要有三个途径:温度、包装中含氧量、金属离子催化而引起的自动氧化,在光敏剂存在的条件下光照引发的光敏氧化以及水分含量、酶引发的酶促氧化[36]。

2.1 自动氧化

乳脂肪的自动氧化是指化合物在有氧条件下,未经任何光照、催化剂促进的条件下进行的自催化反应,氧化过程中的自由基链式反应不断循环,反应一旦开始就会自我传播并自我加速[37]。

2.1.1 温度 温度通过加速乳脂自动氧化,影响牦牛乳脂肪氧化。乳脂肪氧化程度随发生氧化温度的变化而变化,温度越高乳脂肪氧化程度越大。Lu[38]将与UHT乳贮藏于4、20、30和37 ℃,发现与4 ℃低温贮藏相比,较高的贮藏温度导致脂肪聚集、氧化和分解程度更高。Juliano[39]用不同温度(4、20、25、63 ℃)和超声频率(20、400、1000、1600、2000 kHz)对原料乳进行超声处理,测定其脂质氧化过程中挥发性化合物,发现乳中脂肪氧化可通过超声时间和温度来控制。Francisco[40]在4或12 ℃下储存对不含盐或含盐牛乳黄油的影响,加盐和较高的储存温度都增强了脂质中脂肪酸的释放。说明温度越高,脂质氧化发生的概率越高。巨玉佳[22]研究发现牦牛乳干酪在贮藏过程中,15 ℃下贮藏的干酪中的脂肪酶活力大于5和10 ℃。脂肪氧化分解快,生成的游离脂肪酸含量较高,15 ℃下贮藏的干酪脂肪氧化程度大于5 ℃和10 ℃贮藏的干酪。

2.1.2 包装中含氧量 早在1942年[42],就已经有了关于氧气对脂肪氧化的研究。牦牛乳制品包装中的含氧量,对牦牛乳制品的氧化产生重要影响。Mortensen[43]研究得出不同类型乳制品在包装中发生氧化所需氧气的最小残留浓度是不同的。一般来说,具有较大面积或多孔包装的乳制品发生乳脂肪氧化的概率较高。Mortensen[44]还指出减少牛乳包装盒顶部空间的含氧量有利于降低乳脂肪氧化速率。包装中含氧量越少,乳脂在自动氧化诱导期不饱和脂肪酸被氧化生成的自由基数量越少,氧化速率就越低。Henderson[45]测定了氧气浓度在21%～100%时脂肪的自动氧化速率,发现氧化速率随氧气浓度的平方根而变化。综上所述,包装中含氧量对牦牛乳制品的自动氧化有着重要影响,含氧量越少氧化越缓慢。目前,氧气加速乳制品氧化的问题基本得到解决,但牧区的牦牛乳制品,例如牦牛乳酥油、曲拉等,存放或售卖过程一般暴露于空气中。因此为了延长牦牛乳制品的保质期,应使用阻氧材料对牦牛乳制品进行包装,或者进行真空包装、充氮气包装以达到除氧的目的,从而抑制氧气对脂肪氧化的影响延长牦牛乳制品的货架期。

2.1.3 金属离子 金属离子催化自动氧化的发生,其本质仍是自由基反应。牦牛乳在运输、加工和贮藏的过程中,往往受到铁桶等盛放器皿或加工过程中金属设备的污染,虽然残留在牦牛乳中的金属或金属离子含量极微,但具有很强的催化性能。余剑华[46]认为,牛乳发生酸败可能是由于铜或其他金属氧化物催化乳脂肪氧化而造成的。铜和铁是牛乳脂肪氧化过程中起催化作用的主要金属离子,铁、铜、锰等多价金属离子均可催化氢过氧化物的分解,从而加快自由基的产生,使得乳及乳制品中的乳脂肪发生自动氧化。亚铁(Fe2+)是一种比铁(Fe3+)更强的促氧化剂,因为它具有更高的溶解度和反应性。Wold[47]研究得出,在常温下,乳中铜离子的氧化催化作用比铁离子强得多。铁、铜、锰都是过渡金属,Dimakou[48]研究得出过渡金属是水包油乳液中主要的促氧化剂。Nuchi[49]认为在乳液中,过渡金属主要通过将位于液滴表面的脂质氢过氧化物分解成自由基来促进氧化。谢爱英[50]对不同水分含量的4组干酪进行贮藏期的氧化指标,结果表明水分含量低的干酪耐贮藏性较好。这可能是由于低水分含量减少了自由基的存在时间,使得乳中金属催化剂的活性降低,最终导致脂肪的氧化速度缓慢。

现阶段,金属离子对乳制品氧化的影响不再作为重点研究,金属离子影响牦牛乳制品氧化的问题也已得到解决,已用不锈钢材作为乳制品的运输和加工接触材料[51]。

2.2 光照

光敏氧化是指暴露于可见光条件下发生的氧化反应,光氧化是由于牛乳中的光吸收剂吸收光引起的。牦牛乳制品在生产、包装以及在货架的展示销售过程中无不受到光照的影响。近年来,LED灯正在迅速发展作为货架上主要的照明灯,但很少有研究注意到货架上LED灯对乳制品质量的影响[52-54]。除LED灯外,阳光、白炽灯等这些光源均能发出不同程度的紫外线,加速牦牛乳脂肪的氧化。当特定波长的光照射到对波长敏感的化合物时,三线基态氧分子(3O2)在光或光敏物存在的条件下,通过自由基链的形成或与氧的相互作用形成高度的单线态氧分子,即激发态氧分子(1O2)。不饱和脂肪酸与单线态氧直接发生氧化反应形成氢过氧化物,而不是游离自由基。Petersen[55]认为激发态氧分子可以与不饱和脂肪酸的双键反应,生成氢过氧化物。这两种光敏反应可以同时发生在乳中,相互竞争并导致异味[56-57]。Wold[58]指出核黄素和β-胡萝卜素存在于全脂牛乳中,浓度分别为141和20 μg/100 g。核黄素和β-胡萝卜素是牛乳中最突出的两种光吸收剂,在光照条件下促使牛乳发生光敏氧化。而近年来,还有研究发现乳中存在的四吡咯化合物对光氧化有促进作用。这一现象先在干酪和黄油[47]中发现,后来在牛奶[59]中也发现。Schiano[60]认为牛奶中的异味与光氧化有关,是由于天然核黄素和四吡咯的光氧化作用,导致一系列脂质氧化化合物。

Fuentes-Lemus[61]研究了在有氧和厌氧条件下由核黄素诱导的α和β酪蛋白的光氧化作用,发现核黄素是一种存在于牛奶中的光敏维生素。Intawiwat[62]用绿色薄膜对牛奶样品进行包装,并在空气中放置14、20、26和32 h,氧化结果与透明膜和橙色膜进行比较,结果表明,绿色薄膜具有较低的总透光率,并且几乎完全阻挡了短于450 nm的光波长和长于600 nm的波长,阻止了核黄素和叶绿素化合物的光氧化,是最有效的包装材料。光氧化导致的氧化反应相比较自动氧化反应要发生的更快[63]。为抑制牦牛乳制品发生光敏氧化,可在包装牦牛乳制品时,使用能阻挡有害波长的材料进行包装或者将其放置于暗处保存,可有效避免光引起的氧化。

2.3 水分含量及酶引发的酶促氧化

乳脂肪在有水分的前提下,才会被水解变质,即牦牛乳中的酶在有水分含量的条件下,才能显示出活性。水分含量与牦牛乳制品脂肪氧化关系密切,水分含量影响着牦牛乳的酶促氧化反应。牦牛乳中与脂肪氧化相关的酶有:超氧化物歧化酶(SOD)[33]、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)和脂蛋白脂肪酶(LPL)[64]。SOD能催化超氧阴离子自由基歧化为H2O2和O2;CAT催化生物体内H2O2分解为H2O和O2;GSH-PX的作用是清除自由基;LPL是分解或合成由高级脂肪酸和丙三醇形成的甘油三酸酯键的酶。其中,LPL是促进氧化的酶,加速乳脂肪的氧化进程,但SOD、CAT和GSH-PX是乳中抗氧化的酶类,抑制了牦牛乳制品的氧化。而牦牛乳中的脂蛋白脂肪酶(LPL)对热不稳定,在60 ℃处理30 min后(相当于巴氏杀菌)使其完全失活。牦牛乳干酪在成熟的过程中,水分含量、脂肪及蛋白质含量随着成熟时间的增加在不断减少。若水分含量较高,则可能会提高乳制品体系中催化剂的流动性,导致脂肪的酶促氧化速度增加。综上所述,对于牦牛乳制品,尤其是牦牛乳粉,生产和包装过程中控制水分含量,是抑制牦牛乳制品氧化的有效办法。

3 结语

本文研究影响牦牛乳制品氧化的内因和外因,以了解这些因素如何影响氧化的发生。在内因中,除脂肪酸是促进氧化的因素外,其余因素是抑制氧化因素。所有外在因素皆可被控制,针对外在影响因素找出对应的解决方法,才能更好的控制生产、加工、运输和销售过程中牦牛乳的品质,为青藏高原牦牛乳工业化发展做理论依据。近年来,对牦牛乳产业现状虽有调查研究,并对牦牛乳资源进行了开发利用,但所生产的产品依然没有很好地突出我国牦牛乳资源特色。乳脂肪氧化是乳品行业备受关注的一个问题,牦牛乳成本高,牦牛乳制品的保质期及质量保障是目前存在的问题。乳脂肪氧化后的产物可能会对牦牛乳制品带来良好的风味,但更多的是带来乳制品的风味、色泽、质地、组织状态等不利的影响,并因此降低牦牛乳制品营养价值和食用口感,缩短其货架期。目前,对牦牛乳氧化问题的研究主要集中于牦牛乳中的氧化酶及抗氧化成分的探索,未来需要从分子基因角度对牦牛乳进行分析。