婴配奶粉气调工艺惰性气体组成对产品货架期稳定性影响的研究

戴智勇，樊垚，汪家琦，董玲，潘丽娜，李辉宇，姜毅康

（澳优乳业（中国）有限公司，长沙410200）

0 引 言

近年来，随着婴幼儿配方奶粉工艺理论的发展及生产设备的创新，国内外婴配奶粉行业逐渐引入气体调整包装技术（MAP, Modified Atmosphere Packaging）的理念，在生产中对婴配奶粉产品中充入惰性气体，调整产品中气体比例[1]。由于奶粉产品中脂肪含量较高，充入惰性气体，有助于抑制奶粉在货架期内的氧化，延长产品货架期[2]。具体的操作方式通常为，奶粉混合传输过程中同步进行充气排氧。在预装到对应的包装罐或包装袋后，对包装进行抽真空的同时，迅速充入一定量的惰性气体，之后再进行包装密封。

婴配奶粉行业中常使用的惰性气体主要为二氧化碳（CO2）及氮气（N2），对于惰性气体种类的选择及比例的确定，企业根据各自产品配方有不同的参数设定。研究表明，惰性气体工艺在物理方面作用类似，氮气及二氧化碳均可排出产品中本身含有的氧气成分。同时，二氧化碳对革兰氏阳性和革兰氏阴性微生物的生长同时均具有抑制作用，可以降低细胞内pH值。此外，二氧化碳与奶粉在长期接触过程中，会与奶粉中的脂肪发生一定程度的结合，进一步增加奶粉罐内真空度[3]。真空度增加，会使奶粉罐口铝箔逐渐内凹，进一步缓解密封卷罐时发生的铝箔褶皱等现象。

本文将惰性气体组成工艺不同的婴配奶粉作为研究对象，重点针对不同惰性气体的选择，对奶粉产品中的货架期稳定性的影响进行全面研究。对比不同气体组成对货架期的影响，为未来生产工艺优化提供一定指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

婴幼儿配方奶粉样品组A（仅填充N2）；婴幼儿配方奶粉样品组B（填充N2及CO2），N2及CO2气体，纯度均大于98%。

实验主要试剂: 硫酸钾，硫酸铜，浓硫酸，氢氧化钠，硝酸，盐酸，高氯酸，钒钼酸铵，氢氧化钠，二硝基酚，亚铁氰化钾，乙酸锌，正己烷，无水乙醇，醋酸，国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯；钙、镁、铁、锌、铜、锰、磷、硒、碘标准样品，美国Sigma；氮气，氢气，长沙高科特种气体厂；超纯水，自制备；滤纸，分液漏斗，氯化钠，氢氧化钠，磷酸二氢钠，磷酸氢二钠，无水乙醇等。

全自动凯氏定氮仪，电子天平，气相色谱仪；FID检测器，安捷伦7890A；高效液相色谱仪，安捷伦1260；原子吸收分光光度计，安捷伦AA-240FS；旋转蒸发器；紫外分光光度计，上海光谱仪器公司SP-1920；自动高压蒸汽灭菌器；超声波清洗仪；高速电动离心机；移液枪；PH 计；氮吹仪；马弗炉；实验高温烘箱等。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

选取同一1 段婴配奶粉产品配方，但惰性气体组成工艺不同的2 批次婴幼儿配方奶粉样品。样品组A为纯氮气（N2）填充工艺，样品组B 为氮气-二氧化碳（N2-CO2）混合填充工艺，混合比例7∶3。

1.2.2 加速实验

为缩短研究周期，选择常用的加速破坏性试验（Arrhenius 模型）进行产品货架期模拟[4-5]。根据Ar⁃rhenius 经验公式，对于正常化学反应，反应温度每升高 10 ℃ ，反应速度升高 1 倍，即 K[T+10 ℃ ]/ K[T]=2（公式中K 为反应速度），而反应速度与食品货架期寿命成反比，即反应速度数越大，货架寿命越短[6]。因此有Q[T+10℃]/Q[T]=2（公式中Q 为食品货架寿命），见表1数据。

表1 温度与货架寿命的系数关系

由此可见，37 ℃温度下储存8 d，相当于15 ℃温度下储存32 d。常规婴配奶粉2 年的常温货架期，可以通过37 ℃温度水平192 d（约6 个月）完成模拟。本文最终选择，分别将两批次样品放入37 ℃温度水平烘箱内，模拟产品完整货架期。

1.2.2.1 检测周期及方法

根据产品各自生产日期，分别选择生产后第0 天及6 个月后作为加速实验取样时间点。取样后对产品中全营养素项目含量进行检测。

覆盖检测项目包括：脂肪，蛋白质，脂肪酸（DHA及ARA）、维生素（A, D, E, K, B1, B2, B6, B12, C）, 泛酸，烟酸（烟酰胺）、叶酸、钙、镁、铁、锌、铜、锰、硒、碘、磷。研究所用检测方法为婴幼儿配方奶粉各营养素对应的最新国标分析检测方法。

1.2.2.2 数据计算

参照其他保健食品及营养补充剂稳定性研究[7]，各营养素衰减率的计算方法确定为[（首次检测结果-末次检测结果）/首次检测结果]×100%。如数值为负数，说明特定检测结果中末次检测结果高于首次检测结果，可认为货架期内无衰减。

2 结果与分析

2.1 蛋白质和脂肪

蛋白质是构成人体组织，维持机体健康的重要成分，属于生命活动的基础物质。研究表明，蛋白质在体内同时具有多种功能形态及生物学功能，如酶的催化作用，激素的生理调节作用，血红蛋白的运载作用及肌体的免疫作用等。脂肪是人体重要的组成部分，同时为婴儿生长发育提供能量。脂肪占婴儿期摄入能量的15%～23%，可用于机体的生长发育[8]。研究表明，母乳脂肪在婴幼儿的发育过程中可提供超过50%的能量，同时对多种维生素和矿物质的吸收起到促进作用[9]。 我国婴幼儿配方奶粉的国家标准GB10765-2010 也规定，脂肪能量应占到总能量的41.4%～51.3%[10]。

不同惰性气体组成工艺对应的蛋白质及脂肪衰减率数据如表2。

表2 不同气体组成工艺蛋白质脂肪货架期衰减率对比

由表2 可知，货架期结束0 d 后，不同惰性气体组成工艺的产品中，脂肪和蛋白质的衰减率均较低。B组样品蛋白质几乎没有衰减，但脂肪衰减率略高于A组样品。食品在货架期内，自身含有的脂肪及蛋白质易受空气作用发生氧化变质[11]。但本研究表明，婴儿配方奶粉在处于未开封前的惰性气体环境及密封条件下时，脂肪及蛋白质发生衰减的程度极低。惰性气体的不同选择对脂肪蛋白质的衰减率也没有明显区别。单纯的充氮及氮气-二氧化碳组合工艺，对于包装内氧气成分的排除效果类似，没有和脂肪蛋白质发生特定的理化反应。

2.2 脂肪酸（DHA 和ARA）

婴幼儿配方奶粉的设计原则为充分模拟母乳。众多研究表明，母乳中脂肪酸种类复杂，富含各种饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸及多不饱和脂肪酸、亚油酸、α-亚麻酸、、花生四烯酸（ARA）和二十二碳六烯酸（DHA，0.3%～1.9%）等[12-13]。随着《食品添加剂使用卫生标准GB-2760-1996》2000 年增补品种中规定，DHA 和ARA 可作为婴儿配方奶粉的营养补充剂进行添加（目前已纳入GB14880 食品安全国家标准食品营养强化剂使用标准）[14]。目前婴配奶粉行业中，将DHA 和ARA 作为可选择性多不饱和脂肪酸进行强化是较为普遍的。DHA 与ARA 具有类似的结构形式，在婴儿配方乳粉中一般采用微胶囊的添加形式，通过微胶囊化后变成流散性更好的粉末，从而与奶粉更充分的混合。

不同惰性气体组成工艺对应的DHA 及ARA 衰减率数据如表3。

表3 不同气体组成工艺DHA及ARA货架期衰减率对比

表3 数据表明，不论何种惰性气体工艺DHA 和ARA 在货架期内均会发生较明显衰减，DHA 衰减程度远高于ARA。对比不同惰性气体工艺的样品组，充氮气组衰减率较氮气-二氧化碳组来说衰减率均较低。

相对比脂肪及蛋白质而言，DHA 及ARA 整体衰减趋势更为明显。这一衰减趋势与脂肪酸本身性质有一定关系，也有研究表明与奶粉中含量较高的微量元素及矿物质有关[15]。DHA 及ARA 本身含有碳碳双键，不饱和程度较高，容易与氧化剂发生氧化还原反应，同时更容易受到外界因素的影响，如氧气、温度、光照及金属离子等，发生进一步衰减。惰性气体填充工艺可以很大程度地降低产品中空气（氧气）含量，尽可能避免脂肪酸氧化。然而，在后续长达2 年的保质期内，DHA 和ARA 仍会发生较大程度的衰减。

2.3 脂溶性维生素

婴配奶粉中脂溶性维生素主要为维生素A、维生素E、维生素D 及维生素K，脂溶性维生素对于婴儿生长发育具有重要的生理作用，是人体骨骼、视力发育的重要营养物质[16]。表4 为不同惰性气体工艺对应产品中脂溶性维生素衰减数据。

表4 不同气体组成工艺脂溶性维生素货架期衰减率对比

由表4 数据可知，在整个货架期内，婴配奶粉中的脂溶性维生素衰减程度不同。维生素A 和维生素D均发生一定程度的衰减，维生素A 衰减率更高。纯氮气环境下维生素E 和维生素K 稳定性较好，单次检测显示其基本没有发生损失。混合气体环境下，维生素K 发生一定程度的衰减。

两种惰性气体组成环境中，维生素A 的衰减程度均最高。结合相关研究可知[17]，目前奶粉行业普遍使用较为稳定的醋酸棕榈酸酯作为维生素A 强化剂型。维生素A 在高温加速实验情况下，衰减率最高可达36.62%，温度因素对于维生素A 的破坏作用较为明显。另外也有研究表明，产品中矿物质元素的存在也会对维生素A 的稳定性产生消极影响[18]。

实验奶粉样品中，维生素D 添加形式为胆钙化醇，其稳定性同样受到光照、温度及氧气等多方面因素影响，两组惰性气体环境情况下，均有一定程度衰减。维生素E 和维生素K 在货架期内衰减率几乎可以忽略，可能是因为惰性气体所造成的几乎无氧的包装环境，避免了这两种成分的进一步氧化损失，从其他相关研究中也可得到证明[19]。此外，维生素E 除去营养强化剂身份之外，本身还具有抗氧化作用。

表4 数据同时表明，氮气-二氧化碳样品组中的维生素A，D 及E 衰减率均较纯氮气保护样品组更低，稳定性更好，维生素K 衰减率反而略微升高。排除检测偏差及干法混合工艺差异，可能的原因在于，长期货架期储存过程中，二氧化碳与脂肪的进一步结合，增强了产品包装内真空度，对微生物的生长抑制及pH 调节，对产品中部分脂溶性维生素产生了一定的保护作用。

2.4 水溶性维生素

母乳中常见的水溶性维生素包括维生素B1、B2、B6、维生素C, 泛酸及烟酸（烟酰胺）等。众多水溶性维生素对应婴儿成长发育过程中能量代谢、蛋白质代谢及红细胞形成等均具有极为重要的理化作用[20]。婴配奶粉中充分模拟强化了母乳中水溶性维生素的种类及含量水平。本研究中不同惰性气体工艺对应的货架期数据如表5。

表5 不同气体组成工艺水溶性维生素货架期衰减率对比

表5 试验数据表明，不同气体工艺生产的奶粉样品，水溶性维生素整体均发生了比脂溶性维生素更高程度的衰减。纯氮气样品组维生素C 的衰减达到了6.9%，氮气-二氧化碳样品组衰减率稍低，也到达了4.2%。较高的衰减率可能与维生素C 本身的结构有关。刘奕博[21]等人研究表明，维生素C 常见的两种强化剂型，抗坏血酸(AA) 和抗坏血酸棕榈酸酯(AP) 对于高温、日光较敏感，铜离子也会引起很大程度的损失。

同时，泛酸、烟酸及叶酸的衰减率也较高，而维生素B1、B2和B6稳定性相对较好。一般认为烟酸、维生素B12及叶酸衰减率较低，但本研究中均发生了相对较高的损失。结合成品中含量，不排除产品配方、干混工艺及检测方法等差异造成一定程度偏离。

在该组对比实验结果中，纯氮气样品组与氮气-二氧化碳样品组之间的维生素衰减率数据没有明显差别。初步推断，不同惰性气体填充工艺对于水溶性维生素货架期稳定性影响较小。原因可能为二氧化碳气体主要与奶粉产品中脂肪发生反应，影响气调环境，对于水溶性维生素来说，持续高温及矿物质元素对其货架期的缩短才具有主导作用。对于产品配方开发而言，需要着重考虑矿物质成分含量及成品后期储存温度，对理论值范围进行合理设计。

2.5 矿物质与微量元素

矿物质及微量元素广泛存在于人体母乳中，生物利用率较高，含量比例合适，能广泛满足婴儿后期生产发育需要。其中常见的矿物质种类有钙、镁、磷、铁、锌、铜、锰、硒等[22]。钙是婴幼儿生长发育所必须的一类矿物质元素。相关研究表明，由于体内具有恒定机制维持血钙正常水平，母乳中含钙量在哺乳期不会发生显著变化[23]。人体不同泌乳期内，锌、铜的含量各有不同。一般产后12 天含量最高，之后伴随泌乳期延长而逐渐下降。铁是人体含量最多的一种微量元素，其在母乳中的含量同样随着泌乳期的延长而逐渐下降。镁中人初乳时期含量最高。其他矿物质乳磷、钾、钠、氯、硒、钴、氟等含量泌乳期的延长而逐渐下降。矿物质微量元素在母乳中的含量大多受乳母膳食的影响，也与泌乳期的延长呈负相关[24]。

婴配奶粉一般均含有婴儿生长发育所必须的常见矿物质及微量元素，用于维持婴儿细胞正常渗透压。本次研究中两组样品均按照法规要求强化了一定量的矿物质及微量元素，具体货架期数据如表6。

表6 不同气体组成工艺矿物质货架期衰减率对比

由表6 试验数据可知，在整个奶粉货架期内，两组样品中各种矿物质微量元素成分含量衰减差异较大，但衰减程度不强。样品组A 衰减率较高的矿物质是磷、锌（衰减率3.49%和2.21%），衰减率最低的矿物质是碘（衰减率0%），样品组B 锌、碘和磷基本没有发生衰减。

对比两种气调组成工艺来说，同种矿物质元素衰减率存在差异性，不同气调组成对矿物质的货架期整体衰减速度没有显著影响。相关研究表明[25]，奶粉中矿物质及微量元素本身具有较高的稳定性，对空气、温度、光照等因素均有一定程度的耐受性。结合本次实验结论，可以认为，气调组成差异不是矿物质在奶粉产品货架期衰减的主要因素，矿物质本身在婴配奶粉货架期内也较为稳定。

3 结 论

根据对各营养素货架期内衰减率的综合分析，不同惰性气体气调组成工艺对于婴幼儿配方奶粉中营养素稳定性的影响程度基本类似。对脂肪和蛋白质来说，惰性气体的不同选择对其衰减率没有明显区别。两种成分本身稳定性较好，在充气条件下，包装内氧气含量极低，不易发生理化反应。

其中，矿物质元素在两种工艺下，货架期内普遍比较稳定，受气调环境影响较小，应该与矿物质元素本身稳定结构有关。

维生素和脂肪酸(DHA&ARA) 方面，氮气-二氧化碳气调工艺样品组稳定性比单纯氮气样品组更高。结合相关研究结论[26]，二氧化碳本身具有的对腐败菌的生长抑制，对食品部分酶的活性抑制以及高脂肪条件下易扩散性等特征，可能会使其在脂肪含量较高的食品中具有更好的货架期保险作用。

需要注意的是，由于二氧化碳的在食品中扩散系数同时受脂肪、蛋白质及水分影响，理化反应较氮气更为复杂[27]，过量二氧化碳可能会引起食品酸败速度加快。婴配奶粉填充工艺中不宜完全使用二氧化碳作为填充气体，一般均需要与氮气搭配使用。本次研究中使用的氮气及二氧化碳比例为7∶3，实际生产中也会根据成品胀罐情况，真空度及残氧量等具体数据进行微调，具体的填充比例应以实际生产制造企业的工艺水平为准。而具体填充比例，填充速度，成品罐内残氧量、真空度等其他生产工艺参数，对于婴配奶粉货架期稳定性是否也有一定影响，可作为下一步的研究方向。