羊乳及乳粉加速氧化过程中脂肪酸组成及差异分析

薛海燕1*,魏怡1,孟毅2,刘晓凤1,谈雅琳1,吴雅文1

1(陕西科技大学 食品与生物工程学院,陕西 西安,710021)2(陕西金牛乳业有限公司,陕西 渭南,714000)

摘 要 利用非靶向气相色谱探究热加工及贮存条件对羊乳和乳粉中总脂肪酸和游离脂肪酸的组成及含量的影响,并以牛乳及其乳粉为对照。结果表明,羊乳脂肪含量要高于牛乳,全脂羊乳粉、牛乳粉中总脂肪酸含量与鲜乳差异不显著,但游离脂肪酸含量显著高于鲜乳;100 ℃以下热加工对牛羊乳总脂肪酸含量影响不显著。牛乳粉、羊乳粉随着贮存时间的延长总脂肪酸含量逐渐降低,游离脂肪酸含量逐渐增加。经过筛选发现,棕榈酸、肉豆蔻酸、亚油酸和癸酸是羊乳中显著生物标志物,可用于区别牛羊乳;随贮存时间的延长,羊乳粉中月桂酸、癸酸、亚油酸、辛酸、油酸、硬脂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸和己酸含量显著降低,其中羊乳粉贮存期间癸酸等含量的增加是导致乳粉劣变的主要原因,也是构成羊乳膻味的主要物质。综上所述,羊乳脂肪质量要高于牛乳。研究结果以期掌握乳粉贮存期间脂肪稳定性规律,为指导羊乳粉生产和保障乳粉安全提供理论依据。

关键词 液态乳;乳粉;脂肪酸;风味

羊乳作为世界上第二大乳的生产品种,因其消化率高,引发的炎症、过敏原少[1]等特点,近年来在液态奶、酸奶和婴儿配方奶粉中的使用量迅速增长。羊乳中含有高生物价值的蛋白质、必需脂肪酸、丰富的矿物质和维生素,是一种营养价值很高的食物[2]。其中乳脂肪酸(fatty acid, FA)是甘油三酯(triacylglycerol, TAG)的主要成分,它的组成与含量对乳脂肪的理化性质和营养功能有重要的影响。

在乳品工业中,热处理是延长产品保质期和抑制病原体与腐败微生物的最普遍的做法,牛羊乳热处理过程中脂肪球的物理特性发生了较大变化。乳脂肪球(milk fat globules, MFG)中膜脂肪是一类非热敏成分,加热温度大于100 ℃时也不会导致其产生明显化学变化[3],但磷脂与蛋白易受温度影响。有研究表明[4],球膜蛋白的变性温度为60 ℃,高于60 ℃时磷脂会分散到乳清相中,使其中的磷脂酰乙醇胺(phosphatidyl ethanolamine,PE)、磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,PC)与磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)含量减少,造成破裂,多个MFG内部的TAG释放并发生融合,导致脂肪球聚集并上浮,影响乳制品稳定性与感官。FAN等[5]研究了均质化和热处理后的荷斯坦牛奶、山羊奶、水牛奶、牦牛奶和骆驼奶样品中脂肪球粒径和脂肪酸的变化发现,经均质化和热处理后,所有乳品的乳脂肪球粒径均显著降低,其中,山羊奶和骆驼奶中的亚麻酸(C18∶3n3)显著减少。SUN等[6]分析比较了不同发酵温度下酸奶代谢组学的不同。发现乙醛、2,3-丁二酮、丁酸、癸酸、己酸和辛酸等含量在低温时显著高于高温,说明低温会影响发酵过程中重要风味化合物的形成和贮藏过程中短链脂肪酸的生成。

全脂乳粉是以标准化的鲜乳为原料,经过一系列工艺加工而成的一种具有较高营养价值的乳制品。在全脂乳粉加工过程中,巴氏杀菌、均质、浓缩等加工工艺在提高乳制品微生物安全性的同时,也会引起其他化学物理变化,如水解酪蛋白、引起非酶褐变以及乳清蛋白变性和破坏了乳化特性等[7]。由于乳制品中含有较多的不饱和脂肪酸,如二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)和花生四烯酸(arachidonic acid,ARA)等,贮藏期间,多不饱和脂肪酸的氢键容易被氧化,形成不稳定的过氧化物[8]。这些过氧化物在分解之后,可能会释放出如醛、酮等具有刺激性的物质,引起乳制品外观、口感以及风味的劣变。实验室常用恒温加速氧化的实验进行模拟,其原理为:温差为10 ℃的2个任意温度下贮存期比值Q10=温度为T时的贮存期/温度为(T+10)时的贮存期,通常脱水产品的Q10为2~10,黄兴旺[9]研究表明乳粉Q10为3,经计算可知乳粉在常温下贮存2年相当于在45 ℃培养箱中贮存54 d。

乳脂肪是目前所知的最复杂的一类脂肪,它赋予乳制品特殊风味。脂质对乳品风味的影响主要取决于乳中脂质的含量、组成、分布以及加工或贮存过程中脂肪球的物理变化和与其他组分的相互作用。比如在乳制品加工工艺中,应控制生产过程中脂肪氧化,减少营养损失及不良风味的产生,同时乳品贮存条件也要恰当,要尽力减少水解和氧化反应的发生。目前国内外关于牛乳及其制品脂肪酸的研究比较深入,然而对乳制品贮存期间脂肪酸的变化研究还较少。因此本研究以中国奶山羊重点养殖区——陕西省关中地区的奶山羊鲜乳及其制品为原料,研究不同热处理对脂肪酸的影响,并以中国荷斯坦牛鲜乳及其乳粉为对比,探究游离脂肪酸对乳风味的影响,挖掘不同羊乳产品中生物标志物,为羊乳质量标准建立提供依据,同时以期掌握乳粉贮存期间脂肪稳定性规律,指导羊乳加工和保藏。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜牛羊乳和全脂羊乳粉、牛乳粉,陕西金牛乳业有限公司。

甲醇,美国Thermo公司;无水乙醇、异丙醇、甲酸、氢氧化钾、正庚烷,天津科密欧化学试剂有限公司;乙醚,国药集团有限公司;石油醚、正己烷、氨水,天津市天力化学试剂有限公司;37种脂肪酸甲酯标准品,上海安谱实验科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

SBEQ-CA2154氨丙基固相萃取柱,德国CNW公司;RE-52AA旋转蒸发器,上海亚荣生化仪器厂;JXDC-96氮吹仪,拓赫科技有限责任公司;SP-2560毛细管柱,美国Supelco公司;GC-2010Psa气相色谱仪,日本岛津。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

a)取新鲜牛乳、新鲜羊乳、65 ℃/20 min处理、85 ℃/20 min处理、100 ℃/20 min处理的牛羊乳,分别测定乳中总脂肪酸与游离脂肪酸。

b)取45 ℃培养箱中贮存0、21、42 d的全脂羊乳粉、牛乳粉各12.5 g,加入90 mL 45 ℃温水配制成复原牛乳与复原羊乳。

1.3.2 脂肪提取

将2 mL氨水缓慢加入10 mL乳样中,涡旋30 s后65 ℃加热20 min,冷却后加入10 mL无水乙醇和50 mL乙醚-石油醚混合液(体积比1∶1)振荡2 min(100 次/min),然后静置40 min,待分层后,将下层水相用无水乙醇和乙醚-石油醚混合液复提1次,合并2次提取的有机相,在40 ℃下旋转蒸发至剩余约5 mL时,收集提取液并用氮吹除去溶剂,即可得到乳脂肪。参照李唯迪等[10]的方法进行脂肪酸甲酯化。

1.3.3 游离脂肪酸提取

采用氨丙基固相萃取(solid phase extraction,SPE)柱提取乳中游离脂肪酸。用正庚烷活化氨丙基SPE柱,然后将样液缓慢加入柱中,接着加入10 mL V(异丙醇)∶V(氯仿混合液)=1∶2洗脱TAG,再用真空泵对氨丙基SPE柱进行抽滤后,加入5 mL乙醚[含2.0%(体积分数)甲酸]再次进行洗脱,收集洗脱液并用氮吹仪吹干,称重并甲酯化,最后进行气相色谱测定。

1.3.4 气相色谱条件分析及脂肪酸含量计算

参照王涛等[11]的方法。GC分析条件:SP-2560毛细色谱柱(100 m×0.25 mm×0.2 μm),氢火焰离子化检测器(flame ionization detector,FID);检测器温度260 ℃;进样体积为1 μL,分流比为10∶1。升温程序:初始温度为125 ℃,保持2 min,以12 ℃/min的速度升温至180 ℃,并保持6 min,再以3.5 ℃/min升温至215 ℃,保持20 min,最后以5 ℃/min升温至230 ℃,保持8 min。

根据脂肪酸甲酯标准品,试样中各脂肪酸含量按公式(1)计算:

各脂肪酸含量/(g/100 g脂肪)

(1)

式中:cSi,混标中脂肪酸甲酯质量浓度,mg/mL;Ai,试样中脂肪酸甲酯峰面积;V,定容体积;FFAME-FA,脂肪酸甲酯与脂肪酸的换算系数;ASi,混标中脂肪酸甲酯峰面积;m,脂肪质量,mg;100,将含量转化为100 g样品中含量的系数。

1.4 数据统计分析

采用Origin 2021进行显著性差异分析(P<0.05),利用SIMCA-P14.1对脂肪酸数据进行多元统计分析,包括无监督主成分分析(principal component analysis,PCA)、差异分析的重要贡献的变量(variable importance in the projection,VIP),并通过该软件进行PCA、热图绘制。

2 结果与分析

2.1 液态乳及乳粉总脂肪酸组成分析

将37种脂肪酸甲酯混标样品经气相色谱分离后得到的总离子流图如图1所示,各脂肪酸甲酯分离度与峰形良好,适用于牛羊乳脂肪酸含量检测。

图1 脂肪酸甲酯标准品总离子流图
Fig.1 Total ion flow diagram for fatty acid methyl ester standards

新鲜牛羊乳、不同热处理羊乳中的脂肪酸成分和含量如表1所示,鲜牛乳中检出26种不同的脂肪酸,鲜羊乳中检出27种,全脂牛乳粉中31种,羊乳粉中32种,且在相同质量的脂肪中新鲜牛乳脂肪酸含量高于新鲜羊乳。牛羊乳中主体脂肪酸为C14:0、C16:0、C18:0、C18:1n9c,其在鲜牛乳中总含量分别占12.3%、37.9%、10.0%、21.4%;鲜羊乳中总含量分别占8.2%、24.5%、15.2%、26.1%,由此可见,棕榈酸是牛乳中含量较高的脂肪酸,油酸则是羊乳中含量较高的脂肪酸。WANG等[12]对不同品种的牛羊乳对比分析得到反刍动物乳中FA含量最高的为C16:0,与本实验较为一致。此外,100 ℃以下的热处理强度对羊乳总脂肪酸含量的影响不显著。新鲜全脂羊乳粉、牛乳粉在恒温贮存0、21、42 d后,总脂肪酸含量逐渐降低,说明乳粉中部分脂肪酸被氧化形成了易挥发性物质,挥发导致总脂肪酸含量减少。

表1 液态乳及乳粉总脂肪酸组成及含量(n=3)
Table 1 Total fatty acid composition and contents of liquid milk and milk powder(n=3)

分子式鲜牛乳鲜羊乳65 ℃羊乳85 ℃羊乳100 ℃羊乳牛乳粉0 d牛乳粉21 d牛乳粉42 d羊乳粉0 d羊乳粉21 d羊乳粉42 dC6:01.49±0.11a1.51±0.16a1.48±0.17a1.50±0.21a1.36±0.09a1.34±0.06a1.34±0.12a1.27±0.32a1.40±0.04a1.23±0.18a1.23±0.03aC8:00.92±0.05b1.70±0.16a1.70±0.19a1.74±0.24a1.60±0.14a0.86±0.02b0.84±0.02b0.82±0.06b1.69±0.03a1.52±0.20a1.49±0.41aC10:02.19±0.11c5.13±0.42b5.11±0.53b5.26±0.66b4.90±0.41b1.96±0.08d1.98±0.03d2.00±0.16d5.95±0.03a5.35±0.66b5.33±0.12bC11:0ND0.11±0.03a0.10±0.02aND0.14±0.05a0.21±0.01a0.20±0.02a0.20±0.01a0.19±0.02a0.17±0.02a0.17±0.05aC12:02.69±0.13a2.22±0.17b2.20±0.21b2.26±0.27b2.12±0.19b2.29±0.06b2.25±0.03b2.19±0.04b2.78±0.32a2.51±0.33a2.48±0.08aC13:00.14±0.08a0.07±0.01b0.07±0.02b0.07±0.01b0.07±0.01b0.13±0.01a0.13±0.01a0.13±0.02a0.11±0.01a0.10±0.01a0.10±0.03aC14:08.69±0.35a5.16±0.35d5.10±0.49d5.24±0.58d4.95±0.42d7.67±0.21b7.52±0.94b7.36±0.41b6.55±0.71c5.92±0.78c5.85±0.20cC14:10.75±0.03a0.06±0.02c0.06±0.01c0.06±0.02c0.05±0.02c0.59±0.13b0.58±0.04b0.56±0.02b0.09±0.02c0.08±0.01c0.08±0.02cC15:00.77±0.03a0.46±0.03c0.45±0.04c0.46±0.04c0.44±0.04c0.80±0.02a0.79±0.01a0.77±0.05a0.63±0.07b0.57±0.09b0.57±0.02bC16:026.70±2.15a15.41±0.96d15.27±1.26d15.64±1.55d15.07±1.32d23.81±1.67b23.28±1.29b22.77±1.21b18.84±1.19c17.02±2.20c16.84±0.59cC16:11.36±0.41a0.44±0.04b0.43±0.04b0.44±0.06b0.42±0.03b1.23±0.14a1.23±0.12a1.15±0.09a0.47±0.01b0.40±0.07b0.44±0.12bC17:00.53±0.19a0.52±0.03a0.51±0.04a0.53±0.05a0.50±0.05a0.55±0.15a0.54±0.07a0.53±0.03a0.51±0.03a0.47±0.06a0.46±0.16aC18:07.02±0.99c9.59±0.49a9.55±0.72a9.78±0.79a9.50±0.86a8.81±0.25b8.53±0.83b8.37±0.12b6.75±0.66c6.10±0.80d6.06±0.22dC18:1n9c15.10±3.22ab16.44±0.86a16.26±0.92a16.67±1.26a16.23±1.37a16.31±1.06a16.48±0.60a15.86±0.53a13.58±0.39b11.82±1.74b12.11±0.62bC18:2n6t0.02±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.03±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.03±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01aC18:2n6c1.57±0.06b3.11±0.19a3.11±0.26a3.18±0.29a3.35±0.59a1.66±0.05b1.65±0.20b1.60±0.32b3.39±0.39a3.06±0.39a3.02±0.10aC20:00.09±0.02b0.14±0.03a0.14±0.04a0.14±0.03a0.14±0.03a0.12±0.02a0.12±0.02a0.11±0.04a0.14±0.03a0.13±0.02a0.13±0.04aC18:3n60.02±0.00a0.03±0.01a0.03±0.01a0.03±0.01a0.03±0.01a0.04±0.01a0.04±0.01a0.04±0.01a0.04±0.01a0.04±0.01a0.04±0.01aC20:10.03±0.01a0.03±0.01a0.03±0.01a0.03±0.01a0.03±0.01a0.03±0.01a0.04±0.01a0.03±0.01a0.04±0.01a0.03±0.01a0.03±0.01aC18:3n30.12±0.02d0.52±0.04a0.52±0.05a0.53±0.06a0.50±0.06a0.21±0.05c0.20±0.03c0.20±0.03c0.32±0.03b0.29±0.04b0.28±0.06bC21:0NDNDNDNDND0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01aC20:20.02±0.00a0.01±0.00a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01aC22:00.04±0.01a0.06±0.01a0.05±0.01a0.05±0.01a0.05±0.02a0.05±0.02a0.04±0.01a0.04±0.01a0.05±0.01a0.04±0.01a0.04±0.01aC20:3n60.08±0.02a0.01±0.01b0.01±0.01b0.01±0.01b0.01±0.01b0.08±0.01a0.08±0.01a0.08±0.02a0.02±0.01b0.01±0.01b0.01±0.01bC22:1n90.01±0.01aNDNDNDND0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01aC20:4n60.12±0.03b0.17±0.03a0.16±0.02a0.15±0.01a0.15±0.03a0.13±0.03b0.13±0.02b0.13±0.03b0.13±0.02b0.11±0.03b0.11±0.03bC23:0NDNDNDNDND0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01aC24:00.02±0.00a0.01±0.00a0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01aC20:5n30.01±0.00a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.01±0.01a0.02±0.01a0.01±001a0.01±0.01aC22:6n3ND0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01a0.02±0.01aNDNDND0.01±0.01a0.01±0.01a0.01±0.01a总和70.53±2.32a62.97±3.99b62.41±4.95b63.84±6.14b61.69±5.36b69.01±2.42a68.14±1.70a66.33±1.94a63.81±2.84b58.22±5.80b56.99±1.92c

注:同一行不同字母表示差异显著(P<0.05),ND表示未检出(下同)。

2.1.1 总脂肪酸中短链脂肪酸(short chain fatty acid,SCFA)、中链脂肪酸(medium chain fatty acid,MCFA)、长链脂肪酸(long chain fatty acid,LCFA)组成及含量分析

根据碳链长度由图2可知,鲜牛乳的MCFA(碳原子数为11~17)含量高于LCFA(碳原子数≥18)高于SCFA(碳原子数≤10);其中,牛乳中MCFA含量最高,羊乳中LCFA含量最高;全脂羊乳粉、牛乳粉中MCFA含量最高。随着羊乳热处理温度升高,乳中SCFA、MCFA与LCFA含量变化不明显,说明热处理对脂肪酸组成及含量的影响不显著。BEZIE[13]研究也表明热处理对牛羊乳脂类并无明显影响。羊乳粉、牛乳粉随贮存时间延长SCFA含量变化不明显,MCFA与LCFA的含量逐渐减少。

图2 液态乳及乳粉总脂肪酸碳链长度分布
Fig.2 Carbon chain length distribution of total fatty acids in liquid milk and milk powder

注:同一行不同字母表示差异显著(P<0.05)(下同)。

羊乳以及羊乳粉中SCFA含量显著高于牛乳及牛乳粉,且SCFA与MCFA比LCFA更易于被脂肪酶分解,因此羊乳制品比牛乳制品更易消化[14]。其中,鲜牛羊乳中含量最高的SCFA均为癸酸,癸酸在羊乳中含量显著高于其在牛乳中的含量(P<0.05),此外羊乳中辛酸含量也显著高于牛乳,己酸在牛羊乳中差异不显著,其中辛酸、癸酸被认为是羊乳的特征脂肪酸[15]。有研究表明己酸、辛酸、癸酸等脂肪酸本身没有味道,但在各种脂肪酸相互作用下便产生了类似于羊乳的膻味,由于羊乳中此三类脂肪酸的含量显著高于牛乳,因此这三类短链脂肪酸是造成羊乳膻味的主要物质[16]。另外,己酸、辛酸和癸酸具有改善肠道微生物群落结构、减少胆固醇沉淀的作用[17],因此摄入较多短链脂肪酸有利于人体健康。

MCFA在羊乳及其制品中的含量显著低于其在牛乳及其制品中的含量,棕榈酸作为含量最高的MCFA,在牛乳中的含量显著高于在羊乳中的含量。羊乳中LCFA含量显著高于牛乳,含量最多的油酸在牛羊乳中无显著差异,而羊乳粉中LCFA含量低于牛乳粉。说明牛羊乳及其制品中含量最高的脂肪酸均为中长链脂肪酸,与冯彩平等[18]的研究结果类似。

2.1.2 总脂肪酸中饱和脂肪酸(saturated fatty acid,SFA)、单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid,MUFA)、多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFA)组成及含量分析

牛羊乳总脂肪酸中SFA(n=0)、MUFA(n=1)和PUFA(n≥2)的含量如图3所示。牛羊乳中SFA含量多于MUFA多于PUFA,在牛乳中分别为72.75%、24.44%、2.81%,在羊乳中分别为66.83%、26.96%和6.21%,其中羊乳与羊乳粉的PUFA含量显著高于牛乳与牛乳粉(P<0.05)。随着羊乳热处理温度升高,乳中SFA、MUFA、PUFA含量无明显变化;随着全脂乳粉贮存时间延长,羊乳粉、牛乳粉中3种脂肪酸含量均逐渐降低。

图3 液态乳及乳粉总脂肪酸碳链饱和度分布
Fig.3 Total fatty acid carbon chain saturation distribution of liquid milk and milk powder

研究表明摄入过多SFA中的C12:0、C14:0、C16:0会引起肥胖、心脑血管疾病[19]等,而羊乳与羊乳粉中C12:0、C14:0、C16:0含量均低于牛乳与牛乳粉,因此羊乳及其制品相比于牛乳及其制品可以降低胆固醇浓度升高而诱发疾病的概率。并且,MUFA和PUFA一般都有利于人体健康,MUFA具有调节血脂代谢和降低血脂的功能,PUFA可以降低胆固醇,减少高血压、中风以及心脏病等的发病率[20],同时还有利于维护生物膜结构。此外,亚油酸和α-亚麻酸具有提高机体免疫力[21],促进脂肪代谢、生长发育,抗炎,保护心血管等多种生理功能,二者在羊乳及羊乳粉中的含量显著高于其在牛乳与牛乳粉中的含量,但随着乳粉贮存期的延长,两者含量逐渐降低。ARA在羊乳中的含量(0.17±0.03) g/100 g脂肪显著高于牛乳(0.12±0.03) g/100 g脂肪,而DHA仅在羊乳和羊乳粉中可检测到。SANTILLO等[22]研究表明人体必需的n-3和n-6 PUFA及其长链PUFA衍生物,如ARA和DHA在细胞膜结构和功能中具有重要作用,可促进新生儿生长、神经递质代谢以及视觉和神经系统发育。

由表2可知,羊乳中n-3 FA(n-3多不饱和脂肪酸)、n-6 FA(n-6多不饱和脂肪酸)以及n-3/n-6的含量均显著高于牛乳(P<0.05),全脂羊乳粉n-3 FA和n-6 FA含量显著高于全脂牛乳粉,而n-3/n-6含量在羊乳粉、牛乳粉间差异不显著。王海燕等[23]研究指出n-3 FA具有抗炎作用,较高的n-3/n-6脂肪酸饮食比例可以减小脂肪细胞大小进而预防脂肪肝。评估脂肪酸营养价值的重要指标包括不同类型脂肪酸的比例,世界卫生组织、联合国粮农组织等都推荐将 SFA∶MUFA∶PUFA比例控制在1∶1∶1[24]。测定结果表明,牛乳SFA∶MUFA∶PUFA为25.88∶8.69∶1,羊乳SFA∶MUFA∶PUFA为10.76∶4.34∶1。郭紫玥[25]研究表明牛乳中SFA∶MUFA∶PUFA比例为26.36∶12.09∶1,羊乳中为11.63∶4.38∶1,与本研究结果相似,可见羊乳比牛乳更接近这一比例,这进一步说明羊乳脂肪质量比牛乳更高。

表2 牛乳及不同热处理羊乳脂肪酸组成差异(n=3)
Table 2 Differences in fatty acid composition of bovine milk and different heat-treated goat milk(n=3) 单位:g/100 g脂肪

脂肪酸组牛乳羊乳羊乳热处理温度/℃6585100n-3 FA0.14±0.01b0.56±0.48a0.57±0.63a0.57±0.73a0.54±0.65an-6 FA1.82±0.06b3.34±0.22a3.32±0.30a3.40±0.31a3.56±0.60an-3/n-60.08±0.00b0.17±0.04a0.17±0.02a0.17±0.01a0.15±0.02a反式脂肪酸FA0.02±0.002a0.01±0.002b0.01±0.003b0.01±0.004b0.01±0.004b

2.2 液态乳及乳粉总脂肪酸差异分析

以37种脂肪酸作为因变量,以不同乳样为自变量,通过PCA(图4-a、图4-b)可以实现牛羊乳与全脂羊乳粉、牛乳粉的有效区分,同时贮存后全脂羊乳粉、牛乳粉中脂肪酸含量也存在一定差异性。建立偏最小二乘-判别分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)模型,然后得出各脂肪酸的VIP值,以P<0.05,VIP>1为标准,可在鲜牛羊乳以及全脂羊乳粉、牛乳粉中筛选出9种脂肪酸,由图4可知牛乳与牛乳粉聚为一类,羊乳与羊乳粉聚为另一类,棕榈酸和肉豆蔻酸在牛乳及其制品中的含量高于羊乳及其制品,而亚油酸和癸酸在羊乳及其制品中的含量高于牛乳,因此棕榈酸、肉豆蔻酸、亚油酸和癸酸是区分牛羊乳的主要脂肪酸。

a-鲜牛羊乳及全脂羊乳粉、牛乳粉;b-不同贮存期全脂羊乳粉、牛乳粉;c-鲜牛羊乳及全脂羊乳粉、牛乳粉中差异脂肪酸;d-不同贮存期全脂羊乳粉、牛乳粉差异脂肪酸

图4 液态乳及全脂乳粉脂肪酸PCA分析及牛羊乳与全脂羊乳粉、牛乳粉中差异脂肪酸聚类热图
Fig.4 PCA analysis of fatty acids in liquid milk and whole milk powder and heat map of differential fatty acid clustering in bovine and goat milk versus whole bovine and goat milk powder

注:BM-鲜牛乳;GM-鲜羊乳;BP-全脂牛乳粉;GP-全脂羊乳粉。

以VIP>1为标准可在不同贮存期全脂羊乳粉、牛乳粉中也筛选出9种脂肪酸,聚类热图如图4-c、图4-d所示,其中月桂酸、癸酸、亚油酸和辛酸在羊乳粉中的含量高于牛乳粉,油酸、硬脂酸、棕榈酸、肉豆蔻酸和己酸在羊乳粉中的含量低于牛乳粉,因此这9种脂肪酸是区分全脂羊乳粉、牛乳粉的主要物质,且随乳粉贮存时间延长,9类脂肪酸含量均呈下降趋势。

2.3 液态乳及乳粉游离脂肪酸组成分析

鲜牛羊乳、不同热处理羊乳以及不同贮存期全脂羊乳粉、牛乳粉游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)的组成及含量如表3所示,在鲜牛羊乳中检测到9种FFA,牛乳粉中16种,羊乳粉中15种。其中,羊乳中FFA含量(0.64±0.17) g/100 g脂肪,显著高于(P<0.05)牛乳(0.46±0.12) g/100 g脂肪,主要原因有2点,一是羊乳乳脂肪球膜更易破裂,使得脂肪球,内部TAG释放到乳清相中更易被脂肪酶水解[26],从而导致FFA含量较高;二是与乳中脂肪酶含量与活性有关。羊乳经65 ℃与85 ℃处理后FFA含量无明显变化,而100 ℃处理后FFA含量显著增加为(0.80±0.06) g/100 g脂肪,说明热处理强度越大FFA含量越高。

表3 液态乳及乳粉游离脂肪酸组成及含量(n=3)
Table 3 Composition and content of free fatty acids in liquid milk and milk powder(n=3)

分子式鲜牛乳鲜羊乳65 ℃羊乳85 ℃羊乳100 ℃羊乳牛乳粉0 d牛乳粉21 d牛乳粉42 d羊乳粉0 d羊乳粉21 d羊乳粉42 dC6:00.004±0.002d0.011±0.003c0.007±0.001c0.008±0.002c0.009±0.002c0.018±0.004b0.054±0.011a0.056±0.010a0.021±0.004b0.075±0.012a0.068±0.014aC8:00.003±0.001d0.018±0.002c0.015±0.002c0.014±0.003c0.016±0.003c0.022±0.004b0.024±0.005b0.026±0.004b0.036±0.008b0.063±0.010a0.071±0.014aC10:00.007±0.002e0.030±0.004d0.022±0.003d0.021±0.004d0.032±0.003d0.094±0.011c0.116±0.024c0.142±0.032c0.223±0.041b0.277±0.032b0.325±0.039aC12:00.011±0.003c0.015±0.002c0.010±0.001c0.011±0.002c0.015±0.001c0.086±0.016b0.128±0.046a0.153±0.042a0.072±0.011b0.128±0.015a0.155±0.026aC14:00.039±0.010e0.038±0.006e0.037±0.006e0.034±0.010e0.045±0.006e0.315±0.064c0.480±0.025b0.577±0.036a0.206±0.042d0.348±0.064c0.432±0.042bC14:1NDNDNDNDND0.017±0.003c0.028±0.004b0.035±0.005aNDNDNDC15:0NDNDNDNDND0.033±0.005c0.049±0.006b0.059±0.005a0.018±0.003d0.038±0.005c0.038±0.006cC16:00.229±0.098e0.239±0.029e0.262±0.031e0.265±0.041e0.317±0.069e1.371±0.231c1.740±0.165b2.077±0.159a0.822±0.101d1.316±0.128c1.568±0.11bcC16:1NDNDNDNDND0.037±0.004b0.064±0.014a0.073±0.015a0.010±0.002c0.031±0.003b0.015±0.003bC17:0NDNDNDNDND0.022±0.003b0.037±0.006a0.042±0.008a0.015±0.003c0.027±0.003b0.034±0.002aC18:00.100±0.012e0.149±0.021e0.174±0.029e0.196±0.034e0.225±0.045e0.733±0.116b0.774±0.142b0.939±0.159a0.427±0.025d0.641±0.05bc0.742±0.115bC18:1n9c0.063±0.006e0.119±0.031d0.096±0.011d0.078±0.011e0.127±0.021d0.513±0.095b0.807±0.102a0.979±0.164a0.262±0.036c0.520±0.062b0.577±0.036bC18:2n6c0.005±0.001f0.017±0.002e0.014±0.002e0.011±0.002e0.019±0.003e0.058±0.003d0.086±0.013c0.103±0.023b0.071±0.004b0.145±0.021a0.158±0.042aC20:0NDNDNDNDND0.008±0.001a0.009±0.001a0.010±0.002a0.006±0.001a0.015±0.002a0.012±0.002aC18:3n3NDNDNDNDND0.022±0.003a0.014±0.002a0.017±0.003a0.014±0.002a0.020±0.002a0.017±0.003aC20:4n6NDNDNDNDND0.027±0.004a0.014±0.003b0.025±0.002a0.015±0.002b0.022±0.003a0.016±0.002b总和0.462±0.096g0.636±0.101f0.636±0.114f0.639±0.123f0.804±0.142e3.388±0.689c4.449±0.593b5.343±0.614a2.218±0.231d3.687±0.364c4.197±0.449b

全脂牛乳粉中FFA含量为(3.39±1.03)g/100 g脂肪,全脂羊乳粉中为(2.22±0.32) g/100 g脂肪,乳粉中FFA含量显著高于(P<0.05)对应的液态乳,主要原因为在乳粉生产过程中均质和浓缩会破环原料乳中的脂肪球形成新的脂肪球,并与酪蛋白和乳清蛋白结合并达到稳定状态,喷雾干燥过程使乳糖结晶,将乳粉颗粒表面的脂肪球打破,从而生成更多的游离脂肪酸[27]。羊乳粉、牛乳粉在贮存过程中FFA含量也逐渐增加,42 d时羊乳粉、牛乳粉中FFA含量分别为(5.34±0.61)、(4.20±0.45) g/100 g脂肪,主要是由脂肪氧化初期的脂肪水解造成的。

液态牛羊乳及不同贮存期全脂羊乳粉、牛乳粉游离脂肪酸中SCFFA、MCFFA及LCFFA的含量如图5所示,牛羊乳以及羊乳粉、牛乳粉中MCFFA含量最高,其次为LCFFA,而SCFFA含量最少。牛羊乳与羊乳粉、牛乳粉中SCFFA含量存在显著差异(P<0.05),羊乳及其制品中SCFFA含量显著高于牛乳及其制品。MCFFA是鲜乳及乳粉中含量最多的游离脂肪酸,牛乳粉中MCFFA的含量比羊乳粉高,新鲜乳中含量差异不显著。LCFFA以硬脂酸、油酸为主,而MCFFA以棕榈酸为主,其次为硬脂酸、油酸、肉豆蔻酸。

图5 液态乳及乳粉游离脂肪酸碳链长度分布
Fig.5 Carbon chain length distribution of free fatty acids in liquid milk and milk powder

注:SCFFA(短链游离脂肪酸,C6~C10);MCFFA(中链游离脂肪酸,C11~C17);LCFFA(长链游离脂肪酸,C≥18)。

3 讨论

鲜乳热处理以及全脂乳粉贮存过程中的油脂在脂肪酶的作用下可水解为甘油与FFA,使得乳中FFA含量增加,其中,SCFFA和MCFFA主要对乳风味产生影响, LCFFA主要对乳口感产生影响[28]。己酸、辛酸、癸酸在乳中的风味阈值分别为14.15、7.19、7.58 mg/kg[29],由于SCFFA风味阈值较低,因此即使乳中SCFFA含量较低也对乳风味具有重要影响,赋予了羊乳粉稍带膻味的奶香气这种独特风味。而MCFFA与LCFFA中的棕榈酸、硬脂酸、油酸和肉豆蔻酸等虽然含量较高,但此类脂肪酸的风味阈值也较高,如棕榈酸风味阈值为103 mg/kg[30],因此此类脂肪酸对乳风味的影响较小。此外,小分子(如醛、酮、碳氢化合物和醇类等)通常都具有较强烈的刺激性气味,是造成全脂乳粉品质劣变的主要原因。

酸类化合物是全脂羊乳粉、牛乳粉中含量最丰富的挥发性物质,赋予乳制品特殊的风味。有研究表明在新鲜羊乳粉、牛乳粉中酸类化合物占挥发性化合物总量的60%~90%[31],并且随贮存时间延长,酸类物质相对含量减少。其中全脂羊乳粉、牛乳粉中含量较多的酸类均为丁酸和己酸,丁酸和己酸赋予乳粉奶油香气,随贮存时间延长羊乳粉中丁酸和己酸相对含量逐渐减少,这与先前的实验结果一致。全脂奶粉中含有大量的不饱和脂肪酸,在合适的温度和氧环境下,它们都会被氧化。在乳制品的氧化反应中,初始氧化生成过氧化物,进一步氧化生成醛类、酮类、碳氢化合物、醇类等多种小分子混合物,这些物质极易挥发流失,从而降低了贮藏后期乳制品中总脂肪酸的含量。而本研究发现羊乳与羊乳粉的不饱和脂肪酸含量显著高于牛乳与牛乳粉(P<0.05),且随着贮存时间的延长,羊乳粉不饱和脂肪酸含量降低较快,这也进一步说明了在相同的贮存条件下,全脂羊乳粉比牛乳粉更易氧化。因此,可以在乳粉加工过程中通过添加天然抗氧化剂或控制贮存温度、时间等,以到达控制氧化反应的目的,保证食品的品质。综上所述,羊乳脂肪质量要高于牛乳,且乳粉在贮存过程中总脂肪酸含量下降而FFA含量上升,FFA易被氧化产生不稳定的过氧化物,过氧化物分解后会产生醛、酮等刺激性成分,导致乳粉的品质与风味劣变。

4 结论

本文利用气相色谱法对不同温度热处理羊乳以及不同贮存期全脂羊乳粉、牛乳粉中总脂肪酸和游离脂肪酸进行分析,研究表明全脂羊乳粉、牛乳粉中总脂肪酸含量与鲜乳中差异不显著,但FFA含量显著高于鲜乳。鲜乳热处理后总脂肪酸含量无明显变化,FFA含量略增大。羊乳中短链脂肪酸含量显著高于牛乳,而短链脂肪酸易分解,说明羊乳较牛乳更易消化。羊乳粉、牛乳粉在恒温下随贮存时间延长总脂肪酸含量逐渐降低,FFA含量逐渐增加。此外,C16:0、C18:1n9c、C14:0和C18:0是牛羊乳以及乳粉中含量较高的脂肪酸,C16:0、C14:0、C18:2n6c和C10:0是区分牛羊乳及其制品的主要脂肪酸,羊乳粉、牛乳粉随贮存时间延长脂肪酸的变化主要体现在C12:0、C10:0、C18:2n6c、C8:0、C18:1n9c、C18:0、C16:0、C14:0和C6:0含量的降低。羊乳粉贮存期间SCFFA含量的变化如癸酸等是导致劣变的主要原因,对乳风味具有重要影响,也是构成羊乳膻味的主要物质,因此羊乳粉对贮存环境的要求高于牛乳粉。适当降低贮藏温度、减少贮存时间或加入抗氧化剂可以有效延缓乳粉中游离脂肪酸的含量上升。

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Fatty acid composition and differential analysis during accelerated oxidation of goat milk and milk powder

XUE Haiyan1*, WEI Yi1, MENG Yi2, LIU Xiaofeng1, TAN Yalin1, WU Yawen1

1(College of Food and Biological Engineering, Shaanxi University of Science &Technology, Xi’an 710021, China)

2(Shaanxi Jinniu Dairy Co, Weinan 714000, China)

ABSTRACT Non-targeted gas chromatography was used to investigate the effects of thermal processing and storage conditions on the composition and content of total and free fatty acids in goat milk and milk powder, with bovine milk and its milk powder as controls.Results showed that the fat content of goat milk was higher than that of bovine milk, the total fatty acid content of whole bovine and goat milk powder did not differ significantly from that of fresh milk, and the free fatty acid content was significantly higher than that of fresh milk.Thermal processing below 100 ℃ did not significantly affect the total fatty acid content of bovine and goat milk.The total fatty acid content of bovine and goat milk powder decreased and free fatty acid content increased with storage time.C16:0, C14:0, C18:2n6c, and C10:0 were the main fatty acids distinguishing bovine and goat milk and their products, in which the changes of fatty acids in bovine and goat milk powder with the extension of storage time were mainly reflected in the decrease of the content of nine fatty acids, including C12:0, C10:0, and C18:2n6c.Among them, the change of short chain free fatty acids content such as caprylic acid during the storage of goat milk powder was the main reason for the deterioration and was also the main substance that constituted the stink of goat milk.In summary, goat milk had a higher fat quality than bovine milk.The results of the study were aimed at grasping the fat stability law during the storage of milk powder and providing a theoretical basis for guiding the production of milk powder and guaranteeing its safety of milk powder.

Key words liquid milk;milk powder;fatty acids;flavour

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.039128

引用格式:薛海燕,魏怡,孟毅,等.羊乳及乳粉加速氧化过程中脂肪酸组成及差异分析[J].食品与发酵工业,2025,51(6):159-167.XUE Haiyan, WEI Yi, MENG Yi, et al.Fatty acid composition and differential analysis during accelerated oxidation of goat milk and milk powder[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(6):159-167.

第一作者:博士,教授(通信作者,E-mail:xuehaiyan@sust.edu.cn)

基金项目:陕西秦创原“科学家+工程师”队伍(2022KXJ-011);陕西省科技计划项目(2021JQ-543,2024NC-GJHX-17);榆林市科技计划项目(2024-CXY-153);陕西科技大学博士启动基金项目(2023BJ-20);中国博士后科学基金项目(2020M673XB)

收稿日期:2024-03-07,改回日期:2024-05-19