改善骨骼健康高钙牛奶的研制

王辉

乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司研究院（上海 200436）

2003—2006年的一次流行病学调查显示：全国2006年50岁以上人群骨质疏松症患者近7000万人，其中女性约5410万人（患病率15.4%）、男性约1534万人（患病率4.4%）；骨量减少者已超过2亿人，60岁以上人群骨质疏松症患病率明显增高，女性尤为突出[1-2]。

钙存在于人体内的骨骼、牙齿、细胞和血液中，对维持生命很重要。人体主要是通过食物吸收钙，吸收钙不足时，骨骼内的钙质会释放出来补充到血液和细胞中，导致骨骼密度下降，脆性增加[3]。全球钙图及第4次全国营养与健康状况调查显示，中国居民钙摄入量338～391 mg/d，低于400 mg/d，不到推荐量800 mg/d的一半[4-5]。乳制品是钙摄入的理想来源，一般来讲，人体对乳制品中的钙吸收率较高[3]。

鉴于此，试验开发一款改善骨骼健康的高蛋白高钙牛奶，研究原料乳、稳定剂、乳化剂的选择及最优工艺参数，解决蛋白质浓度高、钙浓度高带来的沉淀、絮凝等质量问题[6-7]，为该产品后续的临床试验提供支持。

1 材料与方法

1.1 材料

生牛乳、RO浓缩乳、闪蒸浓缩乳（光明乳业股份有限公司）；结冷胶、卡拉胶（美国斯比凯可公司）；大豆磷脂、微晶纤维素（丹尼斯克（中国）有限公司）；单，双甘油脂肪酸酯（帕斯嘉（上海）食品添加剂有限公司）；微粉型乳矿物盐（戴纬林国际贸易（上海）有限公司）；六偏磷酸钠、维生素D3（上海励成营养产品科技股份有限公司）；初乳碱性蛋白（上海普洛钦国际贸易有限公司）。

1.2 仪器设备

超滤膜过滤器（利乐公司）；Silverson L5乳化机（英国Sliverson公司）；精密天平MS12002TS/02（梅特勒-托利多公司）；乳成分分析仪FOSS120（FOSS公司）；离心机Sorvall ST8（ThermoFisher公司）；分析天平MS104TS/02（梅特勒-托利多公司）；均质机Panda Plus 2000（基伊埃公司）；巴氏水浴槽（上海沃迪智能装备股份有限公司）；超高温杀菌机T5-50L/H（斯必克流体公司）。

1.3 高钙牛奶稳定性测试

1.3.1 高温保存试验

产品置于温度371±1 ℃、湿度70%±5%的恒温恒湿箱中，60 d后测定上层脂肪和蛋白质的质量浓度，观察产品絮凝、脂肪上浮及分层析水现象。

1.3.2 上层脂肪和蛋白质质量浓度的测定

取高钙牛奶上层样品50 mL，充分摇匀后通过FOSS 120高钙牛奶模块测定脂肪和蛋白质的质量浓度。

1.3.3 离心沉淀率的测定[8]

离心管的质量M0，取50 mL高钙牛奶样品到离心管中，总质量为M1。以3000 r/min离心20 min，弃上清，称总质量为M2。

1.4 消泡能力测试方法[9]

取样品500 mL，使用Silverson L5乳化机，在10000 r/min条件下搅拌5 min，静置，计录消泡所需时间。

1.5 感官评定方法[10]

选择30位专业感官评测人员，随机分为3组，每组10人，对产品进行色泽、口感、滋气味和稳定性4项指标进行评分，标准见表1。4项指标的总分为单人评定分数，取30人的平均分作为样品的评定分数。

表1 评定标准

2 配方和工艺参数的确定

市场上高钙产品普遍指标是蛋白质3.0～3.3 g/100 mL，脂肪3.2～3.5 g/100 mL，钙120～135 mg/100 mL。有必要开发一款改善骨骼健康的高钙牛奶，结合中国居民钙摄入量338～391 mg/d，不到推荐量800 mg/d的一半的现状，为达到推荐摄入量，需要使每瓶250 mL的产品钙质量达到450 mg（即180 mg/100 mL）。在同样添加量的钙源中，乳矿物盐（乳钙）对牛奶的稳定性影响最小[8]，而且口感和沉淀量都是最佳选项[5]，因此选用微粉型乳矿物盐作为钙源。有报道，在老年人中，补充维生素D和钙可减少骨质流失和降低骨折风险，尤其是降低髋部骨折风险[4]，结合食品营养强化剂使用标准，确定维生素D3质量浓度为2.2 μg/100 mL，换算成维生素D3添加量为0.0012%。另有报道每天接受60 mg初乳碱性蛋白1.5个月后，受试组平均骨矿物密度增加[11]；结合新资源食品关于初乳碱性蛋白食用量≤100 mg/d的限制，确定每瓶250 mL初乳碱性蛋白的添加量为50 mg，即20 mg/100 mL。

2.1 原料乳的确定

前期通过市场调研，发现高钙牛奶的蛋白质普遍较低只有3.0～3.3 g/100 mL，而高端纯牛奶的蛋白质达到3.8 g/100 mL，为增加高钙牛奶的产品卖点，确定产品的蛋白质质量浓度为3.8 g/100 mL。需要使用浓缩工艺对生牛乳进行浓缩，因此分别将60～65 ℃单效或多效浓缩、2～6 ℃ RO反渗透浓缩及2～6 ℃超滤浓缩的原料乳（蛋白质3.8 g/100 mL）经过超高温处理再进行感官评定，结果见表2。从感官评价结果可知，超滤浓缩的原料乳为最佳，口感饱满清甜。另有研究发现超滤处理可以提高超高温牛奶货架期的稳定性[12]，确定原料乳为2～6 ℃超滤浓缩乳。

表2 原料乳感官评定结果

根据全年生牛乳指标（蛋白质3.0 g/100 mL、钙95 mg/100 mL），结合高钙牛奶目标蛋白质3.8 g/100 mL，钙180 mg/100 mL计算，微粉型乳矿物盐添加量为0.25%。

2.2 稳定剂的确定

高钙牛奶中由于加入大量钙，体系极不稳定，容易产生沉淀、分层、絮凝等质量问题，蛋白质质量浓度越高、钙质量浓度越高，体系越不稳定[7]。选用结冷胶、卡拉胶、微晶纤维素等高钙牛奶中常用稳定剂的一种或多种进行试验[5,8]。采用工艺：超滤浓缩原料乳（蛋白质3.8%，脂肪4.3%）→加热到75 ℃加入稳定剂（搅拌10 min）→加入乳矿物盐、维生素D和初乳碱性蛋白（搅拌10 min）→均质（20 MPa、65 ℃）→UHT灭菌（137 ℃、4 s）→冷却（25 ℃）→灌装。测定各个样品的离心沉淀率；分别测定刚下线产品和保温2个月产品上层脂肪质量浓度、蛋白质质量浓度，计算脂肪和蛋白质质量浓度的变化；观察保温2个月产品絮凝、脂肪上浮及分层析水现象。

由表3可知，微晶纤维素和卡拉胶单独使用或复配使用均不适合试验的高钙牛奶体系，保温2个月后均出现絮凝和分层现象。只有结冷胶添加量0.025%～0.027%时，体系无絮凝和析水分层现象，离心沉淀率、上层脂肪和蛋白质质量浓度的变化相对较小，因此选择结冷胶添加量0.025%。

表3 稳定剂对高钙牛奶稳定性的影响

2.3 乳化剂及其质量浓度的选择

有较高蛋白和脂肪的高钙牛奶由于需要使用稳定剂来悬浮添加的钙，在生产的搅拌过程中容易产生很多气泡而稳定剂又可使泡沫持久稳定，气泡的存在容易导致部分产品出现絮凝现象，另外体系中脂肪质量浓度较高很容易发生上浮。前期有研究表明单一乳化剂的消泡能力均不理想，但硬脂酰乳酸钠和大豆磷脂复配使用时可使高蛋白牛奶在生产过程中快速消泡并且可以保持体系均一稳定[9]。选择不同复配乳化剂和0.025%结冷胶一起配料，其他条件同2.2的工艺。测试不同乳化剂的消泡能力，分别测定刚下线产品和保温2个月产品上层脂肪质量浓度，计算脂肪质量浓度变化。从表4可以看出，单、双甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六篇磷酸钠复配使用时消泡能力最强，脂肪质量浓度变化率仅比单、双甘油脂肪酸酯和蔗糖脂肪酸酯复配略高。因此确定单、双甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六偏磷酸钠以2∶1∶1复配，添加量0.15%时最佳。

表4 复配乳化剂对产品消泡时间和稳定性的影响

2.4 化料和均质条件的选择

根据2.2和2.3的结果，稳定剂为0.025%结冷胶，乳化剂为0.15%单、双甘油脂肪酸酯，大豆磷脂和六偏磷酸钠以2∶1∶1复配，以2.2的工艺条件进行生产时，生产过程中会发生最未段产品絮凝现象，而在化料后增加一道均质工艺则能避免该现象发生，但高温高压均质会对结冷胶的悬浮性产生破坏作用。结合结冷胶和单、双甘油脂肪酸酯对工艺参数的需求，以化料温度（A）、化料时间（B）和均质压力（C）3个因素，设计L9(33)的三因素三水平正交试验，以离心沉淀率率为判断指标，因素水平见表5。

表5 正交试验因素水平表

由表6可知，最优参数组合为A2B3C2，即化料温度80 ℃、化料时间25 min、均质压力15 MPa。

表6 化料和均质条件正交试验结果

3 工艺流程的确定

图1为根据最优配方和工艺参数确定的工艺流程。

图1 高钙牛奶工艺流程图

4 结论与讨论

研制的高钙牛奶蛋白质质量浓度为3.8 g/100 mL，脂肪质量浓度为4.3 g/100 mL，钙质量浓度为180 mg/100 mL，维生素D3质量浓度为2.2 μg/100 mL。解决高蛋白质、高脂肪、高钙体系极不稳定，容易产生沉淀、分层、絮凝等质量问题，为该产品后续的临床试验提供支持。

试验利用感官评定和高钙牛奶稳定性测试试验确定配方为超滤浓缩原料乳99.5538%，乳矿物盐0.25%，维生素D30.0012%，初乳碱性蛋白0.02%，结冷胶0.025%，单、双甘油脂肪酸酯0.075%，大豆磷脂0.0375%，六偏磷酸钠0.0375%。最佳化料参数：80℃搅拌25 min，化料后需要增加均质（15 MPa、80℃）。产品口感饱满，奶香浓郁，组织状态均一，无絮凝和沉淀。