射频处理对婴儿奶粉氨基酸、形貌和吸附特征的影响

2019-08-12吴钰蔚郑远荣刘振民

中国食品学报 2019年5期

吴钰蔚邓云* 郑远荣刘振民

（1上海交通大学农业与生物学院上海 200240

2光明乳业股份有限公司乳业生物技术国家重点实验室上海 200436）

奶粉作为婴幼儿的重要营养来源，其质量安全直接影响下一代的身体健康甚至是生命安全。然而，因其营养丰富，适宜微生物生长，如被致病菌污染，很容易引起中毒或者其它疾病。近年来，奶粉面临严重的安全问题已引起广泛的社会关注。据报道，采集304份温州市售奶粉样品中，蜡样芽胞杆菌检出率高达20.39%，肠杆菌科检出率为6.91%，阪崎肠杆菌检出率为1.32%[1]。

被耐热病原体污染的原料奶在高温加工过程中很可能仅处于亚致死状态，在低水分的奶粉中仍然存活，一旦环境有利，便快速繁殖，对人体健康造成极大威胁[2]。为保障奶粉的安全质量，需要找寻适宜的后杀菌技术。然而，低水分活度食品的传热性差，产品中微生物的耐热性强，传统的热杀菌方式难以适用。射频介电加热依靠物体吸收电磁波并将其转换成热能，具有等体积快速加热，穿透深度大等特点[3]。此外，由于物料在射频场中的加热速率与其介电损耗因数成正比，食品中微生物的介质损耗因数明显高于处理物料，所以射频加热特别适用于低水活食品的杀菌[3]。Seul-Gi Jeong等[4]在不同水分含量的辣椒粉和黑胡椒粉（10.1%～30.5%）中接种大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌，之后，采用27.12 MHz的射频加热样品。研究发现，射频处理不仅能够降低水分含量，还能有效控制这两种致病菌生长。Michael等[5]指出，在90℃ 射频加热5 min以上，即可有效杀死阪崎肠杆菌和沙门氏菌，可作为奶粉包装前的快速杀菌手段。然而，奶粉经过射频加热后其营养及加工品质是否发生变化目前鲜有报道。本试验中研究90℃射频处理对奶粉基本营养成分、功能营养组分、微观结构及吸湿性能等方面的影响，为奶粉的新型加工应用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试验材料品牌4段婴幼儿配方奶粉，购自上海欧尚超市东川店。

1.1.2 主要仪器与设备射频处理装置（GJD-6A-27-JY型），河北华氏纪元射频设备有限公司；氨基酸分析仪（L-8900型），日本Hitachi公司；全自动凯氏定氮仪（SCINO KT260型），丹麦Foss公司；索氏提取器（BSXT-06型），上海比朗仪器制造有限公司；马弗炉【MXL（D）-02 型】，合肥日新高温技术有限公司；扫描探针显微镜【Multimode Nanoscope IIIa型】，美国Digital Instrument公司。

1.2 试验方法

1.2.1 奶粉的射频加热处理将300 g奶粉装入乐扣塑料盒内，封上盒盖（盒盖表面开有均匀孔洞）。将样品放入射频装置内进行射频处理，极板高度 8.5 cm，加热功率 27 MHz、600 W，由室温加热至90℃。将样品分别在90℃下保持5 min（RF 5 min）和 10 min（RF 10 min）。加热完毕后，将样品铺在无菌环境中，快速冷却至室温。随后将奶粉密封，置于干燥器内备用。

1.2.2 奶粉基础组分指标测定

1.2.2.1 奶粉总蛋白含量测定奶粉中总蛋白质含量依据GB 5009.5-2010中[6]的凯氏定氮法测定。称取1.501 g（精确至0.001 g）奶粉样品置于大试管中，同时加入催化剂及10 mL浓硫酸。将大试管置于定氮仪上消化1 h，采用滴定法测定粗蛋白含量。

1.2.2.2 总脂肪含量测定奶粉样品中粗脂肪含量依据GB/T 5512-2008中[7]的索氏提取法测定。准确称取5 g干燥奶粉（精确到0.001 g）放入提取器的抽提瓶中，用乙醚回流提取。将抽提筒干燥、冷却后，称取抽提瓶质量变化。

1.2.2.3 奶粉的灰分测定奶粉样品中灰分含量依据GB 5009.4-2010方法[8]测定。将样品炭化至无烟后，移入600℃马弗炉中灼烧至灰化完全，称量残留物的质量，计算出样品中总灰分的质量。

1.2.2.4 奶粉的水分含量测定奶粉样品中水分含量依据GB 50093-2010方法[9]测定。将称重样品置于101～105℃干燥箱中烘干24 h，称量质量变化。

1.2.3 奶粉的氨基酸组成分析参考GB/T 5009.124-2003方法[10]并略作修改。称取30 mg奶粉放入水解管中水解，将水解液过滤并定容50 mL。吸取1 mL滤液于5 mL容量瓶中，在40～50℃蒸干，用1～2 mL水溶解残余物再蒸干，并重复两次。用1 mL pH 2.2的柠檬酸钠缓冲液溶解残余物，备用。采用氨基酸自动分析仪通过外标法测定氨基酸含量。

1.2.4 原子力显微镜观测（AFM）称取250 mg奶粉样品溶解后进行透析。将样品梯度稀释，配制25 ng/L的溶液，置于4℃储存。取20 μL样品液体滴于单层云母片上，干燥后进行AFM观测。

1.2.5 奶粉吸湿曲线测定将奶粉样品置于干燥器内（内有P2O5）2周，得到接近绝干的样品。随后将奶粉放于开口的称量瓶（25 mm×40 mm）中，置于装有不同饱和盐溶液（CH3COOK-0.22，MgCl2-0.33，Mg（NO3）2-0.53，KI-0.68，NaCl-0.75，KCl-0.84）的干燥器中，密封后（25±1）℃条件下放置[11]。对于置于aw＞0.75的样品，取适量山梨酸钾放于干燥器中，防止微生物生长。定期测定样品的质量，直至恒重。奶粉等温吸湿曲线模型见表1。

表1 奶粉等温吸湿曲线模型[12]Table1 Moisture absorption isotherm models for milk powder samples

1.2.6 统计分析采用SPSS 13.0软件对试验数据进行统计分析。数据用（平均值±标准差）表示，并通过LSD test（P＜0.05）进行显著水平比较。

2 结果与讨论

2.1 奶粉基础组分分析

各处理样品的总蛋白、粗脂肪、灰分、水分和水分活度测定结果见表2。蛋白质是奶粉中含量比较丰富的营养元素。对照奶粉的蛋白质含量为17.62%，在婴幼儿奶粉中属于蛋白含量较高的配方（10.6%～17.2%）[13]。本试验奶粉脂质含量达到16.90%。据报道，配方奶粉中总不饱和脂肪酸及多价不饱和脂肪酸含量显著高于普通牛乳，可以作为良好的脂质来源[14]。本试验的奶粉灰分含量约为4.53%，主要为矿物质或无机盐类。此外，对照样品的水分活度仅为0.24，属于低水分食品，因此具有较长的货架期。

表2 奶粉样品基础成分Table2 Basic components of milk powder samples

射频处理后，配方奶粉水分含量和水分活度显著降低。由此可见对低水分含量样品射频处理较短时间也可使水分下降明显，相较于传统加热更有优势。这是因为射频处理时奶粉中的极性水分子碰撞摩擦，迅速挥发。此外，射频处理10 min内，奶粉的基础成分与对照样品相比没有显著性差异。

2.2 奶粉氨基酸含量变化

由表3可以看出，从奶粉中主要检出18种氨基酸，种类较为全面，必需氨基酸中色氨酸未检出。任大喜等[15]指出常规氨基酸分析方法均使用酸性环境，造成色氨酸数据缺失。

对照样品中，谷氨酸含量最高，为36 634.54 mg/100 g，占总氨基酸含量的20.87%，它对人体的能量代谢与免疫系统具有重要作用；必需氨基酸中亮氨酸含量最高，占氨基酸总量的9.96%；而样品中半胱氨酸的含量最低，只有524.13 mg/100 g，为总氨基酸含量的0.28%。精氨酸和组氨酸的含量分别是5 448.72 mg/100 g和3 735.10 mg/100 g，分别占总氨基酸含量的3.09%和2.13%。这两种氨基酸虽能被人体合成，但通常不能满足人类的正常需要，被称为半必需氨基酸。对于在生长期的幼儿来说，这两种是必需氨基酸。由于奶粉中必需氨基酸与半必需氨基酸含量十分丰富，氨基酸组成比较合理，所以对人类健康尤其是婴幼儿很有益处。

经过5 min和10 min射频处理的奶粉氨基酸含量分别下降了0.47%和1.79%，经统计学分析，处理前、后总氨基酸含量没有明显变化。从单一氨基酸含量变化看，射频处理5 min后，半胱氨酸与赖氨酸含量显著性降低，分别下降了7.01%和4.50%；射频处理 10 min后，苏氨酸含量降低1.51%，谷氨酸降低1.93%，蛋氨酸含量降低10.11%，b-丙氨酸的含量降低21.33%。加热导致还原糖与氨基酸发生美拉德反应，这是导致部分氨基酸减少的主要原因[16]。值得一提的是，处理前、后这几种氨基酸占总氨基酸的比例变化并不大。此外，b-丙氨酸含量非常低，对总体氨基酸含量变化影响较小。Schuster-Gajzágó等[17]指出，利用13.5 MHz的射频在112℃加热白芥，并不会对其氨基酸组成及含量产生影响。

2.3 原子力显微镜结果

原子力显微镜观测到的奶粉样品表面形貌如图1所示。从图A1可以看出，对照奶粉样品大部分呈椭圆形，平均粗糙度为1.54 μm。据报道，脱脂奶粉颗粒的平均粗糙度为306 nm，远小于本试验样品[18]。对照样品三维结构图（A2）显示，蛋白质分子从空间上看，大体是均匀、有序的状态。射频处理5 min后，样品表面平均粗糙度为715.02 nm，与对照相比，其三维结构图中蛋白质在空间上排列的密度增大，排列更加均匀。射频处理10 min，实试验组的表面平均粗糙度为654.88 nm，蛋白质分子在空间上的排列十分紧致，表面的突刺较少，更加光滑。由此可见，射频处理后，蛋白质分子的空间聚集行为发生变化，排列的更加紧致、有序，表面的光滑程度也有所改变。射频等电磁波能使蛋白质中的极性分子产生高速振动，虽然对蛋白质含量无明显影响，但会改变蛋白质的空间结构，从而影响蛋白质的微观形貌及产品的加工特性。Ahmed等[19]指出在80℃左右条件下射频（27.12 MHz）加热150 s即可使鸡蛋清变性，SDS-Page电泳图显示射频处理后卵清蛋白条带强度明显降低。

表3 奶粉样品氨基酸组成Table3 Amino acid compositions of milk powder samples

图1 奶粉样品的原子力显微镜观察结果Fig.1 Atomic force microscopy observations of milk powder samples

2.4 奶粉吸湿曲线分析

等温吸湿曲线能够衡量物料对环境湿度的敏感性。奶粉样品的吸湿性能见图2。奶粉样品的水分含量随着aw的增加而增大，在低水分活度时增速较慢，而当水分活度大于0.68时，水分含量增速明显提高，这可能是由于奶粉的水合和溶胀作用引起的。表4列出奶粉样品等温吸湿曲线7种拟合模型的参数值及拟合度情况。若模型相关性系数R2高，χ2、RMSE值小，表明其拟合效果好。与其它的6个模型相比，BET模型的拟合效果最佳，R2值较高（0.926～0.980）。最低的 RMSE（0.002）及χ2（0.004～0.005）值，拟合曲线见图 2。试验数据散布在拟合曲线周围，这表明BET模型拟合的准确性。对照样品单层含水量（Mb）为0.01779 g/g干基，略低于20℃时脱脂奶粉（0.0445 g/g干基）与全脂奶粉（0.0244 g/g干基）的单层含水量[18]，这可能是由于奶粉组成差异以及干燥工艺及贮藏温度变化引起的。射频处理后奶粉的单层含水量略有提高，低于0.018 g/g干基时奶粉性能比较稳定，这可能归因于奶粉大分子空间结构的改变（见图1）。BET公式中参数C反映吸湿过程中剩余焓值[11]。由表4可知，随着射频时间延长，C值逐渐增大，说明奶粉吸附水分子时需要的能量变大，样品更加疏水。