牛初乳产品制造技术及开发趋势研究进展

赵红宇 ，周盛华 ，李学琳 ，景志刚，王春柳，关文凤

1.黑龙江康普生物科技有限公司（哈尔滨 150025）；2.黑龙江省牛初乳工程技术研究中心（哈尔滨 150025）

牛初乳是健康奶牛分娩后最初几天由乳腺分泌的乳汁，其含有丰富的营养物质和大量的生物活性成分，以及20多种病原体特异性抗体[1-2]，而核苷酸、乳糖含量较成熟乳少[3-5]。其独特的生物活性成分主要为免疫球蛋白（Ig）、乳铁蛋白（LF）、乳过氧化物酶（LP）、富脯氨酸多肽（PRP）、胰岛素生长因子（IGF）、表皮生长因子（EGF）、转化生长因子（TGF）等。在世界上很多国家和地区，牛初乳长期以来一直被当作功能食品或抗病食物，用来促进健康儿童生长发育，改善亚健康成人的身体状况[6-8]，产品型式主要以牛初乳粉为主，液体新鲜初乳为辅，也有少量的巴氏杀菌牛初乳饮料在市场上出售[9]。在欧洲文化和其他地方，如印度和斯堪的纳维亚，牛初乳被用于奶酪和其他传统食品的生产，同时也作为一种对健康有益的膳食补充剂投放市场[10]。在美国和欧盟，初乳补充剂被认定有多种健康益处，包括增强免疫力和胃肠道健康[11]。

2017年第二届国际牛初乳研究与应用高峰论坛报道，我国整个牛初乳粉年产能约500 t，已形成50亿元以上的市场规模，并且每年以超过30%以上的速度在增长，未来3～5年牛初乳产品市场容量将超过100亿元，未来牛初乳相关产业发展潜力巨大。在新冠肺炎疫情蔓延期间，牛初乳产品一度出现供不应求的场面，牛初乳产品制造技术只有经过科技的磨砺，不断完善和升级，才能满足不断增长的市场需求，保障行业稳定、持续发展。该文旨在更好地利用牛初乳这一宝贵资源，生产优质的牛初乳产品，主要简介了牛初乳现行制造技术、先进生产工艺、、制造技术的发展趋势、牛初乳产品开发的前景与要点，以促进相关研究开发。

1 牛初乳现行制造技术

牛初乳酸度高、黏度大，具有特殊的苦味和腥味，加热易变性凝固，不能直接食用[12]。为延长牛初乳保质期和提高食用方便性，现代食品工业通常将牛初乳干燥成粉末，牛初乳粉主要分为冷冻干燥粉（冻干粉）和喷雾干燥粉（喷雾粉）2种型式。牛初乳冻干粉是传统的生产工艺，普遍应用于全球的大小生产商；牛初乳喷雾粉采用的技术较为先进，大生产商更倾向选择这种生产工艺。

1.1 牛初乳基本生产工艺

牛初乳粉的基本生产工艺包括原料收集与贮存、脱脂、杀菌、浓缩和干燥[13]。新鲜牛初乳色泽浅黄，不含肉眼可见的杂质，采集后迅速冷却至2～4 ℃，以减少收集、贮运环节的微生物污染；脱脂工艺一般采用离心法去除脂肪，获得脱脂牛初乳，脱除脂肪具有改善产品风味、提高初乳加工流动性、提高蛋白质相对含量，增强热稳定性等优点；杀菌方式包括加热杀菌法（高温短时杀菌法和低温加热杀菌法）、辐照杀菌法。高温杀菌以72 ℃维持15 s，可以在短时间杀死所有的病原菌。低温加热杀菌通常采用巴氏杀菌法，其工艺条件为60～65 ℃，保温15～30 min。由于牛初乳乳清蛋白不耐热，加热杀菌往往破坏了功能性蛋白质的生物活性，因此工业上常采用辐照杀菌法来降低微生物水平[14]，但辐照杀菌会给产品带来不愉快的滋气味；浓缩一般采用低温减压浓缩设备，除去部分水分，减少物料质量和体积；干燥分为冷冻干燥法或低温喷雾干燥法。前者适用于小规模生产，后者适用于规模化生产。牛初乳的低温喷雾干燥设备一般都是专利技术，目前国内只有少数企业有定型设备。

1.2 牛初乳生产工艺的关键控制点

牛初乳的非脂乳固体明显高于常乳，热稳定性差[15]，所以不适合采用常乳的热处理加工工艺，否则会出现变性蛋白质焦结在加热设备中，造成后续生产的污染，这也是牛初乳不能与常乳一同收集加工的原因。此外，牛初乳中富含免疫球蛋白等活性物质，这些物质对温度很敏感，加热工艺很容易破坏它们的生物活性[16]。因此牛初乳加工一定要在低温条件下进行，以保全牛初乳中的免疫因子，使其发挥免疫功效。所以牛初乳最佳生产工艺应全程控制各个环节的操作温度，避免高温对牛初乳中生物活性物质的影响。可见，牛初乳生产的杀菌、浓缩和干燥环节工序是整个生产工艺的关键控制点。低温加工工艺难度大，对设备要求高，这也是多年来影响牛初乳开发进程的重要因素[17]。

2 牛初乳先进生产工艺

经过国内外研究学者对膜科学技术的研究，膜过滤技术的应用越来越广泛。我国已有生产企业将膜过滤技术应用到牛初乳的加工工艺上，如微滤膜除菌技术、超滤膜浓缩技术。牛初乳行业应用的膜过滤技术是最具前景的可持续技术之一，不仅运行温度低，可以充分保护生物活性物质的活性，优化不同的膜孔径还可以从初乳中分离、富集大量的目标生物活性组分[18]。膜过滤技术结合低温贮存、低温喷雾干燥技术，真正实现牛初乳全程冷链加工的先进生产工艺。

2.1 微滤膜除菌

降低和杀灭乳中微生物可通过多种方法实现[19]，如加热杀菌法、高压杀菌法、紫外灭菌法、电脉冲杀菌法等。随着陶瓷膜制造技术的突破，尤其是梯度陶瓷膜制备技术的发展，微滤除菌技术正式应用到牛初乳生产工艺中。梯度陶瓷膜微滤除菌技术代替传统的热杀菌技术，完全以物理截留的方式降低牛初乳中微生物水平。同时，因过滤除去菌体和体细胞，也避免加热杀菌法在杀菌后死菌体仍能释放出耐热酶而影响乳品品质的缺点，产品更安全。微滤除菌工艺运行温度小于20 ℃，最大程度保留活性免疫蛋白和活性乳铁蛋白等营养成分。陶瓷膜微滤除菌系统由梯度陶瓷膜组、供料泵、循环泵、流量传感系统、温度传感系统、CIP系统、电器控制系统组成。陶瓷膜材质坚硬，经久耐用[20]，并可以反复清洗，保证生产的连续性。

2.2 超滤浓缩

超滤浓缩技术在乳品工业中有广泛应用，可将水、低分子的盐和乳糖从乳中分离出来，使浓缩物中的优质蛋白质、功能性肽组分等物质的比例明显提升。但是超滤浓缩在牛初乳生产中的应用是最近几年才出现，因为牛初乳固形物高、黏度大、容易污染膜[21]，造成膜清洗困难，所以该工艺对膜材质有较高要求，也需要更苛刻的运行参数。采用超滤浓缩技术对牛初乳进行浓缩，全程在低温下运行，可有效防止牛初乳中的营养成分被破坏或蛋白质变性，并且安全可靠[22]，有效节省能源。此外，牛初乳通过超滤浓缩去除一部分乳糖和无机盐等成分，使得产品适合更广泛人群食用，避免特殊人群产生乳糖不耐受、电解质紊乱等现象。可见，超滤浓缩技术在牛初乳行业中的应用有较好的发展空间。

2.3 低温喷雾干燥

常规的乳品喷雾干燥设备很难用于牛初乳干燥，一是干燥温度高，会破坏牛初乳中功能性蛋白质的活性；二是不适用于粘性物料，牛初乳黏度大，容易黏壁，不易连续生产。国际上专业的牛初乳喷雾干燥设备没有标准化，国外企业的牛初乳喷雾干燥设备都是定制设备，受专利保护。有报道国外喷雾干燥设备出口空气温度维持在68～72 ℃范围内，在优化喷雾干燥条件下，不影响蛋白的生物活性[23]。近年来，我国已有牛初乳企业自主出研发的低温喷雾干燥设备，其技术先进性处于国际领先水平。该套设备干燥温度比同类设备至少下降20～30 ℃，最大限度的保证物料活性，活性损失小于0.5%。设备集浓缩、干燥、造粒、分选于一体，简化生产工序，实现操作集中化、连续化。整个干燥过程属于多级干燥，喷雾塔内置三级流化床，在干燥的同时对牛初乳粉进行造粒，流化造粒产品不但外形好，而且粒度分布均匀，粒径调整范围广，一般在几百微米到几毫米之间。经该工艺生产的牛初乳粉具有极佳的流动性和溶解性，成为终端企业生产胶囊填充剂、压片剂、速溶颗粒剂等产品的优质原料。

3 牛初乳产品制造技术的发展趋势

3.1 牛初乳功能性组分精细化制备

我国牛初乳资源丰富，发展潜力巨大[24]，但牛初乳的开发利用与研究才刚刚起步，生产的产品主要是经粗加工制成的牛初乳粉，虽然此类产品也具有广泛的生物学功能，但受工艺、设备及技术的限制，无法将有明确针对性功效的特异性组分分离出来。如分泌性免疫球蛋白A（sIgA），对人类呼吸道疾病、皮肤损伤愈合恢复疗效显著的功能组分；乳铁蛋白（LF），具有促进铁吸收、抑菌杀菌和抗氧化等多种生理活性功能；富脯氨酸多肽（PRP），含有大量的脯氨酸和疏水性氨基酸，它可以调节人体的免疫反应，增加皮肤脉管的渗透性。因此将牛初乳中的生物活性物质精细分离，是牛初乳深加工利用的必然趋势。

美国牛初乳生产企业已有PRP相关产品进入市场，也有牛初乳免疫球蛋白浓缩产品申请美国食品药品监督管理局（FDA）的GRAS审查。Skalka等[25]报道，结合沉淀、凝胶过滤和错流过滤相技术，可分离出纯度90%、收率91%的IgG组分。

我国对牛初乳中功能性组分的分离研究比国外起步晚，但已有牛初乳生产企业在牛初乳功能性组分分离技术上申请了国家发明专利，有研究将牛初乳脱脂后，采用酶法工艺除去酪蛋白，获得初乳乳清，并用多级膜分离技术获得富含IgG浓缩液、LF浓缩液和PRP浓缩液。将各部分浓缩液分别进行干燥，得到高含量功能性组分产品。此外，有研究报道可以从牛乳酪蛋白中分离出天然活性生物多肽，具有降血压、抗血栓等功效[26]。

未来几年，加快研发从牛初乳中分离生物活性蛋白和多肽的现代技术，将促进牛初乳在人类营养和健康方面的潜在应用[27]。

3.2 无菌液态牛初乳产品

牛初乳含有丰富的营养物质，免疫因子和生长因子等功能性组分[28]，是广泛应用于各类功能性食品、保健食品的原料。但是牛初乳大多是以粉的型式添加到固体制剂产品中，很少能加入到液体产品中，因为牛初乳直接添加在牛奶、饮料、果汁等液态食品中，经过热杀菌工艺时，牛初乳中大部分功能性蛋白质会丧失活性，产生沉淀，失去预期的生物功能，使得牛初乳在液态功能性食品上的应用受阻。国内很多大型乳品生产企业，饮料生产企业都在探索牛初乳在液态功能性食品上的添加工艺，市场迫切需要可以直接添加的无菌型液态牛初乳。

无菌液态牛初乳是将牛初乳通过离心，除去脂肪获得脱脂牛初乳，采用酶法沉淀酪蛋白，获得乳清液，用中空纤维膜或陶瓷膜进行预过滤，除去乳清中残留的脂肪、酪蛋白和大部分菌体，最后用无菌过滤器进行过滤除菌，无菌条件下灌装，分装。经过此工艺制备的无菌型液态牛初乳，可以无菌在线添加到牛奶、饮料、果汁等液态食品中，也可以直接饮用。无菌液态牛初乳同样具有常规牛初乳的生物功效，所以也是保健食品不可缺少的原料之一。

此外，无菌过滤技术结合膜分离技术、色谱分离技术，可以进一步制备出无菌液态IgG产品、无菌液态sIgA产品和无菌液态LF产品等单一功能性组分产品，更加丰富牛初乳功能性组分的产品类型，满足市场广泛需要，无菌液态牛初乳产品牛初乳行业发展的新机遇。

4 牛初乳产品开发的要点与前景

牛初乳产品开发配合我国大力发展乳品工业，在新冠肺炎疫情长期影响背景下，整个大健康行业的发展潮流为健康赋能。牛初乳作为一种功能性食品原料在我国必将占据重要地位，将具有更加广阔的前景。在产品类型方面，将牛初乳进行更深度的拆分，得到更多功能性成分，针对不同人群采用不同的产品开发策略，制备富含特定组分的牛初乳产品。在检测手段方面，改进检测方法，提高检测精度，开发快速检测试剂，使检测水平提升与产品开发同步。在加工工艺方面，将实验室小试、中试与车间工艺紧密衔接，实现工艺过程的快速转化。因此，牛初乳产品开发、检测手段与工艺转化齐头并进，才能保证牛初乳产品制造技术不断创新，进而推进行业持续发展。