各种渗透压比较及在婴儿配方奶粉中的应用

2015-12-15戴智勇张岩春

中国乳业 2015年6期

文∕戴智勇李蕾袁晓张岩春

（澳优乳业（中国）有限公司）

渗透压是大学物理化学、医学领域中涉及的重要概念。在乳品行业中，2008年三鹿牌“婴幼儿奶粉事件”中，婴幼儿出现的肾结石问题，使乳品渗透压引起人们的广泛关注。近两年来，市场上对渗透压的宣传也越来越多，科学合理地解释、研究、应用渗透压则成为当今乳品行业的重要课题。本文对乳品渗透压进行了系统地分析、梳理与整合，为今后进一步研究探讨提供参考。

1 渗透压研究起源

渗透压现象最早由法国哲学教授诺莱特于1748年发现。诺莱特教授把盛满酒的瓶口用猪膀胱包裹捆扎后静置于水中，片刻后，瓶口内侧膀胱膜逐渐向外膨胀直至破裂。诺莱特教授对此现象进行了大量研究，但最终依然不得其解。

荷兰物理化学家范特霍夫作了大量溶液渗透压实验，同期瑞典人阿累尼乌斯根据对溶液导电性的研究，提出溶液的电离假说。范特霍夫结合阿累尼乌斯的理论，总结并撰写了电解质溶液渗透压文章，形成了范特霍夫定律，提出一个能普遍适用的渗透压数学公式：PV=nRT，n>1（其中，P是溶液的渗透压，V是其体积，R是理想气体常数，T是溶液的绝对温度，n为摩尔量浓度），并于1901年成为世界首位诺贝尔化学奖获得者。

2 渗透压原理

渗透作用（Osmosis）是自然界普遍存在的一种现象，也是溶液的一个重要物理特性，指一种物质的粒子自发地通过半透膜均匀扩散于另一种物质中，使半透膜两侧不同溶液浓度趋于平衡。半透膜只允许某种物质通过，而另一种物质则被潴留在半透膜一侧，以蔗糖分子为例，即蔗糖分子被潴留在半透膜一侧，不能透过半透膜，而水分子则可以自由通过半透膜，因此当膜两侧单位体积内的水分子数目不等时发生渗透现象。阻止水分子向溶液中渗透，在半透膜另一侧溶液液面上所施加的压力即为该溶液的渗透压（Osmotic Pressure）（图1）。

图1 渗透压示意图

常见的天然半透膜有动物的细胞膜、膀胱膜、毛细血管壁等，人工制造的半透膜主要有玻璃纸、火棉胶膜及人工肾中的透析膜等。

3 溶液渗透压及其与浓度、温度的关系

范特霍夫公式PV=nRT（n>1）表明：在一定温度下，溶液的渗透压与单位体积溶液中所含溶质的粒子数（分子数或离子数）成正比，与溶质本身无关。即一定温度下，相同质量摩尔浓度的不同非电解质溶液，因其单位体积内溶液中所含溶质粒子数相等，因此渗透压值相同；而电解质，尤其对强电解质而言，由于分子在水溶液中发生解离，以离子形式存在，故相同质量摩尔浓度下，渗透压值相同。以NaCl和蔗糖分子为例，该NaCl（电解质）的渗透压是蔗糖（非电解质）的2 倍。

因此，溶液渗透压本质上反映了溶液中溶质粒子浓度的变化，人们习惯说的渗透压则实际上是渗透浓度。渗透浓度有2 种表达方式，即体积渗透浓度（用Osm/L）和质量渗透浓度（用Osm/kg）表示[1]。一般情况下，1 kg水为1 L，所以2个单位数值相等（温度为4℃，溶液浓度极小时）；当溶液的浓度增大，温度升高较多时，两者的数值相差较大。由于体积渗透浓度影响因素较多，变化较大，所以目前全球大都使用质量渗透浓度。而且实际使用中，多采用冰点渗透压摩尔浓度测定仪来进行渗透压检测，故渗透压单位用mOsm/kgH2O表示。

4 血液渗透压及其医学意义

医学上把溶液中能产生渗透效应的溶质粒子（分子、离子）统称为渗透活性物质，主要是矿物质、糖类和蛋白质、核酸等，其中如氯化钠、葡萄糖等属于低分子晶体物质，该类物质在血浆中产生的渗透压叫做晶体渗透压；蛋白质、肽等属于高分子胶体物质，其在血浆中所产生的渗透压称为胶体渗透压。血液渗透压主要受上述2 类物质所产生渗透压的加和影响。虽然血浆中晶体物质含量低，仅占0.7%，但相对分子质量小，多数可解离成离子，因此粒子数多，而胶体物质虽然含量高达7%，但是粒子数少，所以血液总渗透压绝大部分由晶体渗透压决定。

血液是运输营养物质的载体，母乳中营养物质也是从母体血液中获得的，血液渗透压决定了乳液渗透压。血液由血浆和血细胞组成，由于血细胞对测量渗透压影响不大，所以医学上常用血浆渗透压来表示血液情况，人体血浆渗透压的高低与溶质颗粒数目的多少呈正相关，而与溶质的种类及颗粒的大小无关，人体血浆渗透压约为300 mOsm/kgH2O[2]。

5 天然乳液、配方奶粉液的渗透压

5.1 天然乳液

天然乳液（即人乳与动物乳液）的渗透压与血液保持一致[3]。乳液的渗透压主要是由乳液中的电解质（钠、钾等）和糖分2 大类溶质的浓度所决定[4]。由于天然乳液渗透压的自然变化受血液调控，在分泌乳汁中这种调控机制将保持乳的渗透压与血液渗透压相等，因此乳中乳糖浓度的变化都会通过Na+、CL-浓度的改变而得到补偿，特别是乳糖浓度和氯离子浓度呈强负相关[5]。

母乳是最接近完善的食物，是婴儿最好的食品，含有丰富的蛋白质、脂肪、乳糖及多种维生素、矿物质。据文献记载，母乳的渗透压为290 mOsm/kgH2O[6]左右，在湖北地区的调查，母乳渗透压正常范围值为（291.82±7.14）mOsm/kgH2O[7]。牛乳的渗透压范围值未见报道，但是牛乳的钠、钾、磷、氯、蛋白质含量均高于母乳，可以推断牛乳渗透压应该高于母乳的渗透压范围，因此婴幼儿配方奶粉的牛乳清蛋白原料必须经过脱盐工序以控制渗透压。

5.2 配方奶粉液渗透压与婴幼儿健康

婴幼儿配方奶粉经历数代更迭之后，在宏观营养素、微观营养素及生物活性物质等配方研发中获得长足进步，已能完全满足婴幼儿生长发育所需全面营养的需求。然而1 周岁以内婴儿的肾小球及肾小管的功能均未成熟，直至1～2 岁才逐渐接近成人水平的特殊生理要求[8]。已有报道表明，高渗透压、高热量值配方奶粉液喂养婴儿会引起肾脏损伤[9，10]，因此配方奶粉液的渗透压、热卡值及肾负荷（renal solute load，RSL）成为配方奶粉备受关注的3 项主要指标。

如果给婴儿喂养含有高蛋白、高电解质和高糖的配方奶粉液，由于溶质负荷的增大以及配方奶粉液渗透压的提高，高渗透压配方奶粉液被吸收入血液后，会引起血液粘稠度及渗透压增加，肾血流动力学改变，使肾小球、肾小管处于高渗状态，从而引起婴儿早期肾脏损害[11]，进一步促进婴儿体内水分的丢失和产生更严重的高渗性脱水，导致肾小球和肾小管出现变性坏死[12]。北京大学公共卫生学院的实验表明，高渗透压配方奶粉液促进肾结石形成主要是由于其中的无机盐含量增加所导致的[13]。Valentini等也认为，近年来婴幼儿及儿童结石症患病率的增高可能与通过加工食品或者快餐食品等摄入了过多的食盐有关[14]。

6 不同物质对配方奶粉液渗透压的影响研究

配方奶粉液成分复杂，不同于纯溶液。为了研究不同物质对配方奶粉液渗透压的影响，进行以下实验：在室温下，在同一浓度配方奶粉液中添加同一质量含量的各类生产婴幼儿奶粉的原料，并通过冰点渗透压摩尔浓度测定仪（型号2STY-2，北京汉柏科创）测定其渗透压摩尔浓度。配方奶粉液中主要成分有蛋白质、脂肪、碳水化合物和矿物质、维生素等，其中，脂肪和维生素类因为不溶于水或者含量极微对渗透压的影响可以忽略不计，因此本实验主要研究了低聚糖、乳糖、蔗糖、钠离子（NaCl）、钾离子（KCl）及蛋白质对配方奶粉液渗透压的影响。结果如图2和图3所示。

从图2 可以看出，随着配方奶粉液中所添加物质浓度的增加，渗透压值随之相应增加，且NaCl＞KCl＞低聚半乳糖（GOS，57%）＞蔗糖＞乳糖＞低聚果糖（FOS，95%）。强电解质，如Nacl、KCl等对渗透压的影响已有大量报道，在此不再赘述。但是相同浓度的GOS、FOS、乳糖、蔗糖对配方奶粉液渗透压的实验尚未见报道，GB 13432-2013将膳食纤维的功效含量提升到了3%，因此，GOS、FOS对乳液渗透压的影响也应引起重视。GOS因制备工艺的限制，一般纯度范围为57%～70%，其杂质主要是乳糖和半乳糖，导致相同浓度的GOS对渗透压的影响远超过乳糖和FOS。如何调整FOS、GOS或其它膳食纤维的比例，发挥最大的益生元作用并有效控制配方奶粉液渗透压还需要进一步研究。

图2 不同浓度非蛋白原辅料对配方奶粉液渗透压的影响

图3 相同浓度的不同种类蛋白质对配方奶粉液渗透压的影响

图3为在100 mL同一配方奶粉液中分别增加1 g蛋白质含量的浓缩乳清蛋白（WPC80）、浓缩牛奶蛋白（MPC）、水解乳清蛋白（HWP）、水解酪蛋白（HCP）及脱盐乳清粉（D90）后，相应渗透压的变化。WPC80、MPC、HWP、HCP的蛋白质浓度范围均为80%～90%，通过添加不同原料使每100 mL配方奶粉液增加1 g蛋白质，可以发现蛋白质原料对配方奶粉液渗透压并无太大影响。D90乳清蛋白含量只有12%左右，乳糖含量为60%以上，通过D90增加1 g蛋白质对配方奶粉液渗透压影响远大于浓缩蛋白原料。这也说明了配方奶粉液渗透压的影响因素中主要是小分子的碳水化合物和矿物质等低分子晶体物质。