天然牛乳脂肪分离及应用研究进展

司 欣，张书文，逄晓阳，朱盼盼，剧 柠，吕加平

(宁夏大学食品与葡萄酒学院1，银川 750000) (中国农业科学院农产品加工研究所2，北京 100193)

乳脂一般是指乳中分离提取到的脂肪，是重要的膳食脂肪来源，也是自然界中最复杂的脂肪之一。乳脂中含98%甘油三酯，其余2%的成分包括甘油二酯、甘油一酯、游离脂肪酸、磷脂和少量的甾醇，以及脂溶性维生素等[1]。目前已经鉴定出400多种脂肪酸和200多种甘油三酯，由甘油主链和脂肪酸组成的乳脂消化性能好，拥有良好的香气及色泽[2,3]，乳脂含有较多对人体健康有益的生理活性物质，如共轭亚油酸和神经鞘磷脂等物质，不仅能够增强免疫力、还能调节心血管以及胃肠道方面的疾病[4,5]。

乳脂可加工成稀奶油、奶油、奶粉等产品，这些产品可用于蛋糕、冰激凌、牛角面包、巧克力等的制作，甚至还将其应用于烹饪中制作菜肴、煲汤等[4]。但是乳脂类产品在加工应用中仍然存在一些缺陷，如搅打稀奶油在蛋糕裱花中存在的保型差、酥油结块、巧克力反霜等[2]。这些质量缺陷与乳脂甘油三酯复杂的组成成分和多变的结合位点有关[6]。乳脂由短链(C4～C8，8.3%)、中链(C10～C12，6.6%)和长链(C14～C18，81.9%)脂肪酸组成，其中短链脂肪酸占比较高，有助于消化[7]。乳脂中含有约65%的饱和脂肪酸(主要是C16∶0、C18∶0和C14∶0)和约35%的不饱和脂肪酸(主要是C18∶1)[8]，还有丰富的单不饱和脂肪酸和少量多不饱和脂肪酸[9]。

乳脂甘油三酯的化学成分随季节、地区、奶牛品种和饲料的改变而发生变化，而且不同乳脂的甘油三酯链长、饱和度和分子量并不相同。所以乳脂的物理化学性质变化较大，熔化温度的范围很广，通常在-40～50 ℃之间[3]。乳脂类产品物化特性的变化影响其功能特性，限制了其应用的稳定性，如在制作起酥糕点时可塑性和硬度不稳定，限制了它在食品工业中的潜在用途，这些存在的问题可以通过改性技术来克服[5]。

通过新型加工技术对乳脂改性来调控其营养和功能特性对于扩大其在食品工业中的应用是非常有意义的。新型加工技术，包括改变饲料组成、物理改性和化学改性技术。以饲喂动物的方式可以产生具有高含量多不饱和脂肪酸的乳脂，如通过在奶牛饲料中添加富含DHA的藻油粉，经过在奶牛体内的生物转化，分泌出原生DHA牛奶[10]。通过化学方法如氢化或酶酯交换来改性乳脂的研究已有报道[11]，尽管添加的物质符合食品安全法规，但是仍然很难被消费者接受，所以研究更多关注于物理改性。

1 乳脂物理改性技术

常用的物理改性方法主要有干法分提、短程分子蒸馏、超临界CO2萃取和溶剂分馏等方法。

1.1 干法分提

干法分提是在一定的温度条件下，根据不同甘油三酯具有不同熔点的特性，将熔融状态的油脂冷却结晶，然后通过固液分离技术，分离出固体状态的硬脂和液体状态的软脂。

干法分提过程中需要控制好2个主要步骤：油脂的结晶成核(新的晶体产生)和晶体的生长。结晶成核背后的驱动力是熔融状态脂肪的过冷或过饱和，甘油三酯分子首先形成稳定的晶核，之后晶核连续生长，该过程可以通过逐渐降温来实现。然后在现有晶体生长的情况下，控制冷却速率和搅拌速率，使晶体和乳脂之间有良好的传质状态，最后将结晶完全的晶体分离即可获得固相的硬脂和液相的软脂[12,13]。

分提方法包括单级分提和多级分提，单级分提过程产生2个级分，将完全熔融的乳脂在某一温度下养晶18～24 h后过滤，获得该温度下的硬脂和软脂。多级分提和单级虽然分提步骤相似，但单级分提是1次分提，获得同一温度下2个不同熔点的组分。而多级分提具有梯度养晶温度，将第1组分提获得的液相的养晶温度降低5～10 ℃继续养晶18～24 h后，分离出第2组养晶温度下的固相和液相，以此类推可以获得多个分提组分，如图1所示。2种分提方式在经过一段时间的养晶后，根据不同的分离温度，硬脂部分分离后获得的甘油酯滑动熔点最高可以达到46 ℃，而软脂部分甘油酯的滑动熔点一般在18～28 ℃[14]。

图1 多级分提示意图[15]

通过差示扫描量热法获得的结晶-熔融曲线，可以清楚地看到3个主要的峰，这是由于3组主要的甘油酯有各自独立的熔点；高熔点组分通常被认为熔点超过38 ℃，低熔点组分的熔点通常在21～28 ℃[13]。研究表明，高熔点组分富含长链饱和脂肪酸和三饱和脂肪酸，低熔点组分富含短链不饱和脂肪酸和三不饱和脂肪酸。乳脂的成核机理是从β′形式的双链结构变成β形式的三链结构，该晶型变化以二饱和甘油三脂为主，而低熔点组分多为单饱和和三不饱和甘油三酯。

广泛应用于商业中的分离技术分别是Tirtiaux干法分提技术和DEsmet干法分提技术。这2种方式首先将乳脂加热到60～80 ℃熔融状态，消除所有结晶的记忆，Tirtiaux方法的冷却过程是在较低的冷却速率和搅拌速率下进行，形成均匀且颗粒较大的β′晶体(晶体粒径在200～300 mm之间)；首先在缓冲罐中形成晶核，然后将油从缓冲罐中泵送到结晶器，需要实时控制结晶温度和搅拌速度使其达到完全结晶，该方式下的结晶时间是16～20 h[12]。与Tirtiaux方法相比，DeSmet过程则遵循快速冷却和逐步降温的原则，DeSmet方法是在6～8 h内实现最佳结晶，但是该工艺获得的晶体是尺寸更小且更不均匀的α晶型。

欧洲从20世纪末就开始利用干法分提的方式分离乳脂，并运用到工业生产上。乳脂被加热熔化，然后借助计算机的自动控制(控温和控时)实时监控结晶状态，在装有冷却盘管和变速搅拌器的不锈钢结晶器中冷却结晶获得β′稳态晶型。之后通过佛罗伦萨过滤器真空过滤或膜过滤器上加压过滤，将固相硬脂和液相软脂分离。弗洛伦萨过滤是在水平方向上通过一个不停旋转、无污渍的钢制穿孔带上真空连续进行，过滤器可以自动清洁，过滤区域是封闭的。膜过滤一般采用板框式过滤器，在每个过滤腔都配有一个由柔性材料制成的薄膜，腔室充满硬脂时，膜发生膨胀使腔室压力增大，当压力增加到4 bar时，大部分剩余的液态油通过薄膜从结晶脂肪中挤出，从而分离获得不同熔点的甘油酯[15,16]。

干法分提在保持原有乳脂营养特性基础上获得具有不同物化特性的下游衍生产品，对于不同产品的多样化需求，将不同熔点组分进行适当调配，可获得适用于工业化生产的具有不同功能特性的系列乳脂[14]。

1.2 短程分子蒸馏

短程分子蒸馏技术是一种液—液分离技术，主要依靠不同化合物之间分子平均自由程的差异来进行化合物的高效分离。在乳脂中短程分子蒸馏是基于不同甘油三酯的相对挥发性不同将甘油三酯分离出来。短程分子蒸馏具有真空度高、操作温度低、物料受热时间短、传热效率高、分离程度高等优势，可用于分离常规蒸馏不易分开的物质[17]，具有非常高的分离效率。

国外已有学者对乳脂进行了短程分子蒸馏的分离，在不添加外援化合物的情况下，分离出有别于奶油原样物理化学特性的组分。蒸馏工艺已经在商业上用于从乳脂中去除游离胆固醇和胆固醇酯，使用真空蒸汽和短程蒸馏工艺分离脱除胆固醇的效率在60%～93%[17]。馏出物中短链和中链脂肪酸含量较高，而滞留物中长链脂肪酸含量较高。但是，该技术可能会导致乳脂的热损伤(不饱和脂肪酸的分解和聚合)、风味的损失、以及较高的操作成本[13]。因此，在食品工业上短程蒸馏技术多用于热敏性物质、具有生物活性物质的分馏，也可用于去除不需要的挥发性物质或异味。

1.3 超临界流体萃取

超临界流体萃取技术是根据乳脂中各组分在流体中的溶解度不同进行分离，在临界条件下将乳脂组分选择性的溶解在萃取剂中，当压力和温度恢复到大气压时分离出乳脂[18]，这种萃取方式增加了甘油三酯在超临界溶剂区域的溶解度，并将其分馏成不同的熔融组分。

处于超临界状态的流体会根据压力和温度条件分离成不同的状态。通常是以气体作为溶剂，是因为气体容易从脂肪馏分中去除，CO2被认为是目前最适合的超临界流体，因为它具有高性能属性，如扩散性和无毒，而且CO2便宜、易制备且不易燃[19]。

已经有很多关于超临界萃取技术的研究，如利用该技术提取β-胡萝卜素等；而且超临界萃取技术通常会与其他方式连用，如与超滤或渗滤相结合，用于生产富含脂肪球膜成分的奶粉；与微滤相结合，从酪乳中分离脂肪球膜脂类；与固相萃取工艺结合，用于提取和富集乳源脂磷脂等[20]。Costa等[21]开发了一种两步微滤结合超临界CO2萃取的方法，用于生产酪乳衍生成分；此外，Astaire等[22]证明了微滤与固相萃取相结合的有效性，以获得富含磷脂含量的部分(约增加8倍)，以及从普通奶油和乳清奶油获得的酪乳粉。

超临界流体由于其介于液体和气体之间独特的物理化学性质，在萃取效率方面具有巨大优势，而且超临界萃取过程也可以直接与气相色谱等分析仪器技术相结合，便于萃取产物的分析。但是，相比于干法分提，超临界萃取设备昂贵，且运行成本高，所以在工业生产中难以大规模应用[23,24]。

1.4 溶剂分馏

溶剂分馏遵循干法分提的原理——在受控条件下缓慢冷却脂肪，与干法分提不同之处在于使用溶剂来促进结晶。在溶剂辅助过程中，熔化的天然乳脂易于与溶剂介质混合，并在较低温度下和较短时间内(约30 min)结晶，过滤出来的固体部分的脂肪，是高熔点组分；母液蒸发后获得的液体部分是低熔点组分[25]。

常用的溶剂有非极性的(如戊烷、己烷)，也有极性的(如丙酮、乙醇、异丙醇)。因为溶剂能够将固体组分截留在其中的液相洗掉，所以溶剂结晶比其他分馏程序更有效[26]。总的来说，该方法结晶速率更快、产率和分离效率更高。但是，该方法存在操作成本高、安全性低、污染环境等问题。同时，会在一定程度上影响产品的风味，甚至产生食品安全问题。

因此，即使有很多物理改性技术被提出，在生产中因各种因素大部分技术并不能大面积推广，目前工业化生产仍然以干法分提为主[27]。

2 影响干法分提的因素

干法分提过程中有诸多因素影响乳脂中甘油三脂晶体的结晶行为和多态性。控制这些因素对于调节产品品质和应用特性至关重要。影响因素主要有脂肪酸组成和固体脂肪含量、冷却速度和最终冷却温度、搅拌速率、脂肪球的形态等[26]。

2.1 脂肪酸组成和固体脂肪含量

乳脂的甘油三酯结构与脂肪酸的链长和饱和度有关，具有多种多样的晶体形式。但是对于干法分提获得的硬脂(固相组分)和软脂(液相组分)之间的晶体结构差异的研究较少[28]。在搅拌奶油制作过程中，固体脂肪含量是导致脂肪球部分聚结的重要因素，在无水奶油中，固体脂肪质量分数在10%～15%之间时，可以达到最大聚结率[29]。将固体脂肪质量分数从15%增加到23%，搅拌时间从23 min减少到16 min时，固体脂肪含量没有明显的增加，表明固体和液体脂肪的比例存在平衡。Lopez等[30]确定了维持晶体网络稳定所需的最低固体脂肪质量分数为9%。即使使用相同的脂肪成分和超临界流体，由于加工过程中的热处理和机械处理存在差异，产品的多晶型晶体结构和功能可能仍然不同。

2.2 冷却速率和最终冷却温度

首先将乳脂培养1 h使其形成α晶型，随后诱导为β′型晶体(诱导时间为20～35 min)，只要有β′晶型的形成，α晶体表面的甘油三酯会发生溶解并重新结晶到β′体上，直至所有的α晶型都转化为β′形式，这种转变速度在低温下比较慢[31]。如果在α和β′晶体熔点之间的温度下结晶，结晶也是直接发生在β′形式。一般来说，快速冷却甘油三酯有利于形成小晶型，并形成“坚固”的晶体网络；而缓慢冷却往往会产生较大颗粒的晶型，从而形成“更软”的晶体网络。

同时，晶体形成与最终冷却温度也有关系，在快速冷却速率下，例如以2.5 ℃/min冷却至温度低于-8 ℃时会形成最不稳定的γ晶型；但是冷却速率在1、3 ℃/min冷却至10 ℃时，观察到最多的晶型是α晶型，也存在α亚晶型。这些研究表明，除去冷却速率的关系，最终冷却温度不同也会使得α和β′形成的比例不同[32]。

2.3 搅拌速率

Deffense等[16]研究发现，硬脂的分提得率主要依赖于分提的温度，搅拌速率对于产率的影响较小。但是研究高搅拌速率，在20、28 ℃的分提温度下以13、25 r/min进行搅拌，观察到固脂的截留增加、过滤时间也延长，而且获得的固脂更致密，这是因为搅拌速率会破坏晶体聚集体。研究还发现了显著的相互作用效应，在较高的分提温度下，搅拌的影响较小；分馏温度越高，固体脂肪含量越少；但是搅拌速率越高固体脂肪含量越多，这是因为搅拌增加了流动速率。

2.4 其他因素

2.4.1 调温和催熟

为了控制乳脂中晶体的形成，通常需要进行调温和催熟过程，从而控制产品的质地、延展性和硬度等，这些工艺在可涂抹奶油和乳制品涂抹酱的生产中尤其重要。在不考虑冷却速率时，15 ℃熟化48 h后，乳脂的微观结构和流变性质均趋于变小的状态[33]。

快速冷却获得的乳脂会形成具有相对较低游离脂肪酸的混合晶体，形成具有较差涂抹性的硬奶油。为了避免这个问题的出现，在奶油成熟过程中通常使用温度循环技术，这些方法大多是“冷-暖-冷”的方法。在快速冷却时，首先会形成晶核，晶核中甘油三酯的低熔点部分在加热过程中熔化，然后继续冷却到比第一次冷却循环稍高的温度时再结晶。通过这种方法形成的混合晶体比例更低[34]。有学者提出的“6-12-6”方法指的是以摄氏度为单位的目标循环温度，是奶油制造中最常用的商业温度循环工艺[35]，尽管已被广泛应用，但是对该过程中产生的晶体结构和多晶型表征研究很少。

2.4.2 乳化剂

乳脂中的乳化剂包括牛奶中天然存在的物质，也包含一些为增强奶油表面光泽、流变性、温度和多晶稳定性等作用人为添加的物质，这些物质可能会对晶体成核及生长造成影响。天然成分包括单酰基甘油、二酰基甘油、特定的甘油三酯和磷脂；人为添加的成分包括脱水山梨醇酯、蔗糖酯、丙二醇酯、吐温和植物甾醇等[36]；蔗糖酯与甘油三酯共同结晶，会延迟成核并抑制晶体生长。有学者研究了不同质量分数的甘油(0.03%～3%)和吐温60(0.1%～3%)对三油酸甘油酯和高熔点脂肪组分混合物(添加量为70∶30)的结晶行为的影响，发现吐温60和甘油通过不同机制增加了脂肪的硬度。乳化剂的添加量浓度过高时会在脂肪结晶之前先成核，从而成为结晶的核心；而较低浓度下添加的乳化剂会阻碍结晶[37]；脂肪中存在的胆固醇和磷脂会影响巧克力的球状和晶体的形成，可以抑制巧克力的反霜。

2.4.3 季节性

季节性是决定奶油成熟温度的重要因素，冬季经常会给奶牛饲喂浓缩物，所以乳脂中的短链和饱和脂肪酸的比例会有所增加，这会影响所谓的冬季奶油的硬度；而在夏季，牧场饲养时会增加脂肪中不饱和脂肪酸的比例(尤其是C18∶1)，与泌乳早期的牛奶相比，获得的奶油产品更软、更油腻[38]。

2.5 脂肪球的形态

研究发现与没有脂肪球膜的无水奶油相比，球状脂肪具有不同的甘油三酯结构和堆积方式。球状脂肪在晶体之间提供了更多的接触点，且将晶体距离拉近，使得晶体更易聚集，形成的晶体网状结构更坚固，不易破坏。有学者提出脂肪球内的脂肪结晶导致晶体破裂是产品变软的主要原因[39]。

脂肪球的大小也影响天然脂肪球的结晶行为，脂肪球如果在纳米尺寸时(0.17 μm)，晶格结构主要以直线取向出现，而且会驱使其聚集形成多面体状结构[40]。脂肪球的大小和脂肪酸密切相关，与C16∶1浓度成正相关，与C18∶0、C18∶1和C16浓度成负相关。脂肪球越小，其含有的极性脂质越高；与较大尺寸的脂肪球组分相比，较小尺寸的脂肪球C12∶0、C14∶0、C16∶0、C18∶1、C18∶2的含量较高，而C18∶0和C18∶1 的含量较低[41]。现有的这些研究虽然指出了脂肪球的形态对脂肪球组成和结构有影响，但是在实际应用中并不清楚，例如黄油或奶油在烘焙食品的生产中的应用。

3 乳脂干法分提组分在产品中的应用

为了使各分提组分可以在食品工业中得到广泛的应用，提高产品适用性，乳脂根据其应用特性通常会分离为高、中、低熔点3个组分。

3.1 高熔点组分应用

高熔点组分的范围比较宽泛，从35～50 ℃均可归入高熔点范畴。其中，从40～46 ℃的超高熔点组分一般用于生产酥油、糖果以及用于牛角包类产品中的起酥奶油,因为这些产品中的乳脂组分必须保持固态，但不能变脆，以便形成单独的分层。而且高熔点组分显然比天然乳脂能够更有效地抑制巧克力的反霜[38]。

酥油主要用于制作“酥皮点心”(熔点为42～46 ℃)，丹麦糕点和牛角面包(熔点约38 ℃)。在制作糕点时，分提后的组分比起酥油或人造奶油品质更好。同时，较高熔点组分也显示出了可以增强乳脂风味的作用[42]。

乳脂在糖果中也起着非常重要的作用。分提后的高熔点组分比常规的乳脂更适合替代可可脂，该组分也可以用作酥油生产中的硬脂部分，在热油中用于奶油的重构，或者作为可涂抹奶油的成分。而且与液体油混合时，该组分可以代替氢化油作为硬脂；此外，乳脂组分可以用来改善巧克力的风味(牛奶巧克力)和质地(控制硬度)，防止或延迟巧克力反霜形成。有研究发现无水奶油和高熔点乳脂组分可以明显抑制用可可脂制成的巧克力的反霜，反霜开始时间和反霜速度都被这部分所抑制；与高熔点组分相比，中等熔点的乳脂部分抑制反霜的程度较低，但与不添加的乳脂的对照组巧克力相比，仍旧可以减缓反霜的速度；而低熔点级分似乎没有明显的抑制作用[3]。

3.2 中熔点组分应用

中熔点组分可制备搅打稀奶油或作为配料添加，将其掺入到乳脂中使用，可以产生更加细腻的口感，例如在蛋糕、饼干等中的使用。通过多级分提的中熔点组分主要用于软化奶油、制作稀奶油和低脂肪的涂抹酱等，相较于普通乳脂制成的低脂乳制品涂抹酱，分提组分的涂抹性和质地更好。尤其是用油酸甘油酯(熔点在26～28 ℃)代替乳脂可以使奶油具有良好的涂抹性[42]。

3.3 低熔点组分的应用

低熔点组分可用于制备蛋挞稀奶油、咖啡伴侣等产品；而且该组分含有较高含量的挥发性脂肪酸，因此可用于制作香精香料；在焦糖和复合涂层中也有可能使用，研究发现乳脂部分可以用来改变焦糖的物理特性[1]，当焦糖配方中加入不同的组分时，观察到的物理性质(即冷流)和焦糖颜色具有差异，低熔点组分在储存的焦糖中会产生更高程度的冷流。

4 展望

乳脂作为一种重要的膳食脂肪来源，越来越多的应用到食品加工中。国外已经有非常成熟的乳脂制备工艺及加工技术，我国在乳脂研发及生产上仍然处于起步阶段，乳脂产品比较单一，多数产品依赖于国外进口，进口产品价格普遍较高，且单一的乳脂产品不能满足多元化的食品生产(牛角包类产品需要高熔点奶油，低熔点黄油用于制作奶油香精等)，这对于终端即食性食品加工企业影响较大。今后应进一步研究乳脂的基本理化组成和应用特性，通过乳脂改性技术，研发适用于不同生产需要的乳脂类产品具有重要意义。