婴幼儿营养米粉属于6～36月龄婴幼食用的婴幼儿谷类辅助食品,是婴幼儿从母乳或配方奶向固体膳食过渡的核心营养载体[1],其强化维生素的稳定性直接关系到婴幼儿的营养素摄入充足性与生长发育质量。2025年实施的GB 10769—2025《食品安全国家标准 婴幼儿谷类辅助食品》不仅加严了多项营养成分指标范围,更首次引入充氮包装作为可选方案,体现了对产品营养保全与货架期稳定性的高度重视。但维生素作为强化的关键营养素,其化学性质的敏感性[2-4],在加工与储藏过程中仍面临双重流失挑战,更可能导致终产品维生素含量不符合新的国标要求。尽管在单一因素(如配方[5-8]、工艺[9-10]或包装[11])对婴幼儿营养米粉部分营养素稳定性的影响方面已有一定研究基础;但从配方设计、添加工艺时序、包装屏障、储藏衰变等多因素组合下,对允许强化的12种维生素全周期稳定性影响的相关研究尚未见报道,不同包装形态下的维生素稳定性差异也缺乏量化数据。故本研究从不同配料成分、维生素的添加工艺角度,探究加工过程中维生素的损失情况,并评估包装材质对不同配方成分婴幼儿营养米粉在加速储藏下维生素的损失作用,揭示配方、工艺、包装的交互影响,为新国标GB 10769—2025《食品安全国家标准 婴幼儿谷类辅助食品》下,高合规性、长货架期婴幼儿米粉的配方优化、工艺革新与包装选型提供一定的数据支撑和参考依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.1.1 主要实验材料
大米,江苏农垦米业有限公司;椰子油,秦皇岛金海特种食用油工业有限公司;全脂乳粉,新西兰恒天然乳业公司;维生素预混料、矿物质预混料,北京金康普有限公司;铁罐,广东金亨制罐有限公司;复合膜,安徽紫金新材料科技股份有限公司;维生素B12、叶酸、烟酸、生物素试剂盒,德国拜发公司。
1.1.2 主要仪器与设备
滚筒生产系统,荷兰高达公司;LC-20A液相色谱分析仪、LC-2050液相色谱分析仪、LC-20ADXR高效液相色谱分析仪、RF-5301PC荧光分光光度计,日本岛津公司;2695液相色谱仪,美国Waters公司;BXY-800稳定性试验箱,上海博讯医疗生物仪器股份有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 生产工艺
本文婴幼儿营养米粉的制备采用干法粉碎大米、调浆、滚筒干燥的方式加工,主要工艺步骤为:
大米投料、粉碎→配料、投料→调浆、加酶→高速剪切乳化→储浆→高温蒸煮杀菌、预糊化→滚筒干燥→绞笼破碎过筛→后混(如需)→包装
1.2.2 配方设计
根据婴幼儿米粉标准要求设计基础营养米粉配方,分别研究配方中椰子油、全脂乳粉添加对婴幼儿米粉中12种维生素(维生素A、维生素D、维生素E、维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、烟酸、叶酸、泛酸、生物素、维生素C)损耗的影响;具体各个配方差异性设计如表1所示。整个生产过程工艺参数条件均相同,所有维生素在高速剪切乳化后添加,滚筒转速均设置8 r/min。
表1 配方差异性设计 单位:%
Table 1 Differential formulation design
配方编号全脂乳粉椰子油大米+矿物质预混料+维生素预混料F100100F25095F300.799.3
1.2.3 三种维生素添加方式
根据维生素在生产工艺中添加的位置不同,分为3种方式:添加方式一,在配料、投料时添加所有维生素;添加方式二,在高速剪切乳化后添加所有维生素;添加方式三,在后混时添加所有维生素。配方选取表1中的配方F3,除添加方式外,其他工艺过程及参数均相同,其中滚筒转速均设置6 r/min,分别考察 3种维生素添加方式对产品维生素加工损失率的影响。
1.2.4 加速试验
选取表1中3个配方的样品,将同一配方和生产工艺条件下生产的样品分别用铁罐(镀锡马口铁)包装成258 g听装(充氮,残氧量≤3%),用铝塑复合膜(PET 12/AL 7/PE 70)包装成20 g小包(充氮,残氧量≤3%);选取表1中的配方F1和F2,用镀铝复合膜(OPP 19 /VmPET 12 /PE 50)包装20 g小包(不充氮);其他包装条件相同。将3种包装形式的样品置于恒温恒湿箱,设置温度为(37±2) ℃,相对湿度为(75±5)%,分别取新鲜样、第30天、第90天和第150天样品,检测不同配方和包材对应的产品中各个维生素含量。
1.2.5 检测方法
按照国标规定的方法进行各维生素的检测;婴幼儿米粉淀粉含量一般在80%以上,对于含淀粉的样品,所有维生素分离纯化均需淀粉酶进行酶解预处理,将不溶性的淀粉大分子转化为可溶性的糊精、糖;对于脂溶性维生素,注入液相色谱仪前,酶解物还应经过皂化、提取、浓缩步骤,水溶性维生素则按标准方法开展过滤等纯化步骤,具体检测方法见表2。
表2 维生素检测方法
Table 2 Test method of vitamins
维生素化合物来源检测方法标准号方法精密度/%维生素A醋酸视黄酯GB 5009.82—2016第一法 反向高效液相色谱法10维生素D胆钙化醇GB 5009.296—2023第一法 正相色谱净化-反相液相色谱法15维生素Edl-α-醋酸生育酚GB 5009.82—2016第一法 反向高效液相色谱法10维生素B1盐酸硫胺素GB 5009.84—2016第一法 高效液相色谱法10维生素B2核黄素GB 5009.85—2016第一法 高效液相色谱法10维生素B6盐酸吡哆醇GB 5009.154—2023第三法 高效液相色谱-荧光检测法15维生素B12氰钴胺GB 5009.285—2022第三法 微生物法15烟酸烟酰胺GB 5009.89—2023第二法 微生物法15叶酸叶酸GB 5009.211—2022微生物法15泛酸D-泛酸钙GB 5009.210—2023第一法 高效液相色谱法10生物素D-生物素GB 5009.259—2023第三法 微生物法20维生素CL-抗坏血酸GB 5413.18—2018荧光分光光度计法10
1.2.6 计算方法
采用平均加工损失率计算各维生素的加工损失情况,计算如公式(1)所示:
生产加工损失率/%=
(1)
采用衰减率计算各个维生素的损失情况,计算如公式(2)所示:
维生素衰减率
(2)
1.3 判定原则
基于检测方法存在一定的精密度偏差,故若维生素的生产加工损失率或衰减率的绝对值小于其检测方法的精密度,则认为该维生素在未发生加工损失或衰减。
1.4 数据处理
实验数据以“平均值±标准差”表示。用Excel软件处理数据,Prism 8.0绘图,SPSS 26.0软件进行统计分析,并用Duncan法进行组间多重比较,以检验显著性,以P≤0.05为差异有统计学意义。
2 结果与分析
2.1 配方中原辅料差异对米粉样品维生素加工损失率影响
将12种维生素的生产加工损失率与检测方法精密度比较,如图1所示,在3个配方中,维生素A和维生素D两种脂溶性维生素,维生素B1、维生素B2、维生素B12、维生素C共4种水溶性维生素均有明显的衰减;而其余6种维生素(维生素E、维生素B6、烟酸、叶酸、泛酸、生物素)的生产加工损失率均小于其检测方法的精密度,即没有明显的衰减。为分析配方间的维生素衰减差异性,将有明显衰减的6种维生素在用Duncan法进行配方间多重比较,以检验显著性。
图1 三个差异性配方中维生素的加工损失率(n=3)
Fig.1 Vitamin processing loss rate in three different formulations(n=3)
注:同一维生素的不同小写字母表示差异显著(P<0.05),无字母表示未发生损失或衰减(下同)。
配方F1的维生素A生产加工损失显著高于配方F2(含5%全脂乳粉)和配方F3(含0.7%椰子油),分别为33.7%、20.6%和19.2%,但配方F2和配方F3之间无显著性差异。表明乳粉和植物油对维生素A的衰减都可能具有一定的保护作用。全脂乳粉和椰子油中的脂肪可通过提高脂溶性维生素A的溶解分散性,减少局部浓度过高引发的氧化连锁反应[12-13],这也与前人的研究结果类似[6-7,14]。
维生素D在3个配方间没有呈现显著性差异,3个配方的加工损失率均超过20%;吕倩等[15]研究发现,在加工过程中维生素D的加工损失率最高达到了45.48%,平均加工损失率为32.73%,高于本次试验结果,这可能与加工过程中的工艺参数相关。如国内部分滚筒的转速一般在5 r/min以下[7,16],而本试验的滚筒转速设置为8 r/min,高温加工的时间减少,故损失率相对较低。
维生素B1的加工损失率在配方间没有显著性差异,均在15%～20%。研究显示,婴幼儿配方奶粉在湿法工艺中也有20.4%的损失率[17],主要原因是湿法工艺过程中经过高温及氧气接触,对维生素B1的衰减产生了显著影响[18-19]。
维生素B2的稳定性受光照、温度、金属离子等多重影响,其化学结构中的异咯嗪环易经光化学重排,生成无活性的光黄素和光色素[20-22]。维生素B2在没有全脂乳粉和椰子油的配方F1中虽衰减率略高,但差异不显著;3个配方的平均衰减率为20.9%,与现有研究结果相近[15]。
维生素B12在B族维生素中衰减最高,它具有光敏性,易受加工过程影响,且高温湿热环境易导致分子中的钴-碳链断裂而丧失活性,并加速水解反应[23]。加工损失率在3个配方间没有显著性差异,均在30%附近,与在甜炼乳加工、喷雾干燥乳粉加工中的损失率(均约为30%)接近[24]。在米浆滚筒干燥过程中,滚筒温度达到140～150 ℃,米浆稠度与甜炼乳也有一定相似性,故可侧面证明本试验维生素B12的损失率数据的具有参考意义。
维生素C在3个配方中的加工衰减率均达到了30%以上。维生素C分子中的烯二醇结构对光、热、金属离子高度敏感,导致加工过程导致一定程度的损失[10,25]。在GB 10769—2025中,维生素C已由选择性添加的营养成分调整为必需添加的基本营养成分,且添加量范围从没有上限(≥1.4 mg/100 kJ)调整为1.4～15.6 mg/100 kJ,故需要从配方、加工、包装储存多角度分析,合理设计维生素的添加量,避免过量或不符合国标及标签值要求。
2.2 添加方式对产品维生素加工损失率的影响
从图2可以看到,维生素添加方式三为干混方式添加,无高温工序,各维生素均无损失。维生素湿法添加的2种方式,维生素A、维生素D、维生素B1、维生素B2、维生素B12和维生素C等6个维生素均有明显加工衰减。通过对有显著性衰减的这6个维生素进行Duncan法进行添加方式间多重比较,以检验显著性,发现维生素A、维生素D和维生素C 3种维生素采用添加方式二时,加工损失率明显降低。
图2 三种维生素添加方式下米粉样品维生素的加工损失率(n=3)
Fig.2 Processing loss rate of vitamins in rice cereal samples under three vitamin addition methods(n=3)
维生素A、D、C均易受光、热、氧、金属离子等条件影响,导致分子结构和活性发生变化。添加方式一比添加方式二,多经过了调浆、高速剪切工序,增加了维生素暴露于光、氧气和金属离子的机会,降解加速;其次维生素A、D原料中阿拉伯胶、玉米淀粉等壁材形成的双层包埋微胶囊,经过浸泡与剪切变得松散,增加了其不稳定性,导致在后道的高温蒸煮、滚筒干燥过程中,降解率更高[26-27]。
2.3 包材对不同配方米粉样品储存过程的维生素衰减率影响
2.3.1 铁罐包装的3个不同配方米粉样品储存过程中的维生素衰减率
表3中,马口铁在充氮的罐装条件下,米粉经过150 d的加速,不同的维生素在不同的配方中呈现不同的变化趋势,维生素A、维生素D、维生素B2和维生素C这4个维生素有明显的衰减发生。其中,维生素A在3个配方中均有显著衰减,且配方F1中衰减率最高,加速150 d时已经达到83.1%,2和配方F3衰减结果优于F1,与配方中添加的全脂乳粉和椰子油可能有一定关系,这与张荣彬[14]关于货架期的研究结果相似,TANNER等[28]也提到牛奶中强化的维生素A在高脂肪含量牛奶中更稳定。维生素D对热较稳定,光和酸可以促进其异构化,维生素D仅在配方F1中有一定衰减,衰减率达到21.4%。其机理可能是全脂乳粉和椰子油的添加,在米粉表面形成油膜,隔离了氧、光、金属离子的接触;脂溶性维生素分散溶解于油相中,减少了其有效暴露表面积,也能降低反应活性。维生素B2在3个配方中均有15%～20%的衰减,杨洁等[29]在对婴幼儿米粉进行37 ℃加速时,155 d衰减率达到18.97%,与本文结果相似。加速150 d后,3个配方的维生素C衰减率最高为16.2%,张荣彬等[30]的研究维生素C衰减率则达到30%以上,可能与维生素原料的不同剂型,加工过程中的氧化活性增加及包装密封性差异有关。维生素B2和维生素C在加速30 d时有显著衰减,但后续加速期衰减无显著性差异,可能是包装顶空位置及产品颗粒空隙残存的氧气及生产过程中产生的活性自由基,促进了初期的氧化反应,后续游离氧气的消耗殆尽,反应被限制。其余8个维生素在150 d的加速过程中基本稳定,均未超过其检测精密度,这与充氮、密封隔氧、避光的条件,维生素本身结构的稳定性相关。
表3 铁罐包装的3个配方米粉样品储存过程中的维生素衰减率(n=3) 单位:%
Table 3 Degradation rates of vitamins in three rice cereal formulations packaged in tin cans during storage(n=3)
营养素指标F1F2F330 d90 d150 d30 d90 d150 d30 d90 d150 d维生素A29.8±1.8aB78.2±4.3aA83.1±2.0aA7.1±6.2bC21.5±7.1aB36.3±5.9bA13.0±2.0bB20.4±3.0aA24.9±2.9cA维生素D4.0±1.9bB15.8±4.7aA21.4±5.0aA8.5±1.0aA12.0±3.1aA11.6±1.3bA5.8±1.6abB10.4±3.0baB14.6±3.8abA维生素E1.1±5.94.9±6.36.8±5.60.2±2.22.6±2.63.2±1.23.4±2.44.7±2.45.4±0.9维生素B13.7±3.0-2.9±8.86.6±2.10.2±2.04.3±1.84.8±2.81.3±4.16.0±4.56.9±3.2维生素B216.0±3.9aA20.6±6.3aA18.8±5.7aA12.6±3.3aA16.5±1.7aA15.7±2.4aA17.8±2.8aA19.2±1.5aA17.1±8.0aA维生素B62.6±1.23.5±1.8-0.1±3.31.2±2.02.2±2.40.9±1.90.5±2.00.9±1.6-1.3±2.7维生素B124.7±2.15.8±1.8-5.9±7.57.0±3.15.8±3.66.0±2.42.2±11.69.4±4.99.7±4.4烟酸4.2±2.35.4±3.35.3±2.40.5±2.22.9±2.44.0±3.47.0±6.75.0±2.67.3±0.9叶酸-7.4±1.52.5±2.55.4±2.32.3±2.13.3±2.9-3.9±9.52.8±3.26.3±2.59.3±4.3泛酸3.5±2.34.1±3.54.7±4.33.3±2.93.3±3.45.1±3.5-0.1±1.33.4±2.23.7±2.5生物素10.3±2.514.2±5.918.3±1.95.3±3.210.6±4.514.1±2.96.9±4.912.4±0.519.0±2.9维生素C10.1±2.3aA15.2±1.7aA16.2±6.7aA10.3±2.6aA10.9±4.0aA14.0±2.7aA7.3±4.0aA12.8±5.0aA12.1±5.3aA
注：数据间不同小写字母代表配方间同一加速时间的变化差异性(P<0.05),不同大写字母代表同配方存储过程内的变化差异性(P<0.05)(下同)。
2.3.2 铝塑复合膜包装的3个不同配方米粉样品储存过程中的维生素衰减率
试验使用的铝塑复合膜包装水汽透过率≤0.5 g/(m2·24 h)、氧气透过率≤0.5 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa),由表4可知,加速150 d,脂溶性维生素(维生素A、维生素D)和水溶性维生素(维生素B2、维生素C)在3个配方中均呈现有显著衰减,其余维生素保持基本稳定,衰减趋势与铁罐基本一致,这说明铝塑复合的包装形式阻隔性能好,能有效降低水汽和氧气导致的维生素衰减。与罐装相似,纯米粉配方F1加速150 d时维生素A衰减率也达到85.5%,衰减均不可控,而F2和F3衰减率≤40%,可通过初始设计值调整,控制营养素的全保质期内指标符合性。
表4 铝塑复合膜包装的3个不同配方米粉样品储存过程中的维生素衰减率(n=3) 单位:%
Table 4 Degradation rates of vitamins in three rice cereal formulations packaged in aluminum-plastic composite film during storage(n=3)
营养素指标F1F2F330 d90 d150 d30 d90 d150 d30 d90 d150 d维生素A31.3±2.1aC79.1±1.7aB85.5±2.1aA8.1±4.0cC20.6±5.6bB37.8±2.4bA18.2±3.6bB24.3±1.2bA28.1±3.3cA维生素D4.0±1.9aA17.4±3.4aA17.5±11.0aA8.6±1.6aA10.8±4.8aA11.5±6.7aA8.8±2.9aA14.0±3.0aA14.6±3.7aA维生素E5.8±3.68.3±3.87.8±5.33.5±2.21.4±1.0-1.5±0.523.7±3.45.0±2.35.9±3.1维生素B13.5±4.08.9±3.99.5±1.81.0±3.53.7±3.24.9±5.02.0±2.77.1±4.79.5±2.4维生素B212.4±5.9aA17.8±2.0aA18.0±2.4aA13.0±4.2aA15.7±2.0aA15.6±1.4aA17.0±2.3aA21.0±5.7aA19.5±2.2aA维生素B62.7±3.44.8±4.96.0±2.31.0±0.492.4±2.92.7±2.11.6±1.22.2±1.51.0±1.0维生素B128.1±3.86.1±5.610.4±5.99.1±8.714.1±5.29.4±3.410.6±6.59.8±2.78.1±7.4烟酸5.5±2.86.2±3.74.7±1.2-3.7±7.23.6±2.35.5±4.61.8±1.96.0±3.85.5±3.6叶酸-1.7±3.8-0.1±8.23.7±4.13.4±4.75.2±4.14.3±1.96.2±1.47.4±1.38.8±5.7泛酸3.4±3.43.7±3.44.6±3.94.1±3.75.1±4.85.7±4.41.6±1.02.7±2.02.8±1.0生物素7.1±3.79.5±4.414.5±4.13,9±4.39.2±3.212.51±6.34.4±2.414.2±2.618.1±4.2维生素C8.9±1.9aB16.9±2.0aA20.6±3.5aA12.6±2.1aA14.5±4.3aA17.6±2.2aA11.2±3.7aA14.5±0.3aA17.2±8.8aA
2.3.3 镀铝复合膜包装的2个不同配方米粉样品储存过程中的维生素衰减率
试验使用的镀铝复合膜的水汽透过率≤2 g/(m2·24 h)、氧气透过率≤3 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa),阻隔性能相对铝塑复合膜较差,且包装不充氮。根据表5,维生素A和维生素C的衰减率与铁罐与铝塑包装呈现较大差异,其余维生素衰减趋势同罐装和铝塑包装形式。其中维生素A在配方F1加速期间衰减显著,且最高衰减达到了94.1%,高于罐装的83.1%和铝塑复合膜的85.5%。维生素C对氧敏感,加速期间衰减严重,2个配方在加速30 d的平均衰减率均超过60%,加速至150 d时,平均衰减率已超过95%,几乎消耗殆尽。说明水汽、氧气对维生素A、C影响显著。维生素D和维生素B2在加速150 d衰减率虽略高于铝塑复合膜和罐装,但加速期间30～150 d变化不显著,衰减可控。添加方式二为维生素湿法工艺,在经过蒸煮、干燥过程后增加了其不稳定性,若采用阻隔性较差、不充氮的镀铝包装形式,配方F1的维生素A、维生素C,及配方F2的维生素C均不可采用湿法工艺添加。
表5 镀铝复合膜包装的3个不同配方米粉样品储存过程中的维生素衰减率(n=3) 单位:%
Table 5 Degradation rates of vitamins in three rice cereal formulations packaged in aluminized composite film during storage(n=3)
营养素指标F1F230 d90 d150 d30 d90 d150 d维生素A54.1±2.8aC85.7±2.0aB94.1±0.5aA18.6±1.8bC26.7±2.5bB33.5±1.0bA维生素D11.1±4.0aB20.1±4.9aAB24.2±7.1aA9.3±1.4aB10.0±3.5bB18.0±4.1aA维生素E5.1±2.76.4±2.28.4±0.64.1±1.24.0±4.35.9±1.5维生素B14.3±2.39.8±2.89.9±4.52.6±3.24.2±2.75.3±2.2维生素B212.7±3.2aA15.7±2.5aA20.2±4.4aA12.0±2.4aB13.4±1.1aAB15.9±1.8aA维生素B63.1±2.07.1±4.38.5±3.215±1.34.7±1.93.3±1.9维生素B127.0±3.211.7±3.713.2±6.08.2±5.09.4±6.75.6±6.9烟酸4.8±3.26.7±2.36.4±1.32.2±4.9-1.6±12.16.7±4.2叶酸2.9±1.72.2±1.42.1±1.1-2.8±6.85.3±3.95.8±1.9泛酸2.7±2.03.8±2.45.6±3.74.9±4.9-0.3±8.16.4±5.9生物素7.1±3.78.4±2.213.3±2.17.3±6.48.4±2.712.41±2.9维生素C59.9±12.3bB86.5±7.6aA95.2±5.6aA70.8±6.0aB88.5±2.5aA96.4±2.0aA
同一包材情况下,不添加全脂乳粉和椰子油的配方,维生素A、D更易衰减;而不同的包材对维生素A、C影响最大,镀铝不充氮的包装形式将导致2个维生素衰减不可控。故配方在设计时应优选F2和F3,添加一定量的全脂乳粉或椰子油,同时考虑充氮的罐装或铝塑包装形式,保证所有营养素保质期内的可控性。
3 结论
本研究系统考察了配方设计、维生素添加工艺以及包装形式对婴幼儿营养米粉中12种强化维生素加工损失和加速稳定性的影响。配方对维生素A稳定性影响显著,含全脂乳粉或椰子油的配方能有效降低维生素A的加工损失。相较于纯米粉配方,全脂乳粉和椰子油可能通过提高维生素A的溶解分散性并减少其有效暴露表面积,减少氧化连锁反应,从而起到保护作用。调浆后添加维生素(添加方式二)显著降低了维生素A、D和C的加工损失率,表明调浆和高速剪切等工序可通过破坏维生素的包埋结构、增加与氧气接触概率,加速维生素的降解。干混方式(添加方式三)可以有效避免维生素在热加工过程中的损失。在加速储存条件下,不同包装材料对维生素的保护效果存在差异。铁罐对维生素A和C的保护效果最佳,铝塑复合膜次之,镀铝复合膜最差。尤其是在纯米粉配方中,维生素A在所有包装形式中均衰减严重,镀铝复合膜包装下的维生素C衰减尤为迅速。配方中湿法添加的维生素A需通过添加油脂形成油膜保护层,并通过隔氧、隔水汽的包装方式控制其保质期稳定性;湿法添加的维生素C则需要保证包装的隔氧性能。另外维生素A、D、B2和C在加工和储存过程中均存在不同程度的损失;维生素B1、B12在加工过程中也会有一定损失;维生素E、维生素B6、烟酸、叶酸、泛酸、生物素相对稳定。工艺上,婴幼儿营养米粉尽可能采用调浆后添加维生素或干混的方式,以减少热加工对维生素的破坏,并根据产品配方和目标货架期,选择具有良好阻隔性能的包装材料,例如铁罐或铝塑复合膜。由于维生素A和维生素C在新国标中,均为基本的营养成分,后续若采用湿法添加维生素的方式,配方设计需考虑在配方中添加适量全脂乳粉或椰子油,以提高维生素A的稳定性。未来研究可进一步深入探讨不同配方成分、加工参数及包装条件之间的交互作用,深入探究营养素的在不同配方下具有损失差异性的具体机制,以实现维生素的最佳保留和产品质量的最优化。
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