牛、羊乳粉的DSC热学性质比较及掺假分析

张昊阳，肖 宇，乔春艳，郝 果，李 妍，刘永峰,*

（1.陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710062；2.富平县检验检测中心，陕西 渭南 711700）

羊乳作为我国新兴的乳源，以其丰富的营养物质、良好的饮用口感等优点被赞誉为“乳中精品”，是公认在成分上最接近母乳的乳品[1-2]。羊乳中的小分子蛋白易消化且不会出现过敏症状，深受婴幼儿及对牛乳过敏的人群青睐[3-4]。羊乳与牛乳都含有丰富的脂肪酸和蛋白质。羊乳中的脂肪酸有20%，且属于中短链脂肪酸，是牛乳的5 倍多，而牛乳中的总饱和脂肪酸含量较高[5-6]。然而，由于现今市场上乳羊产业规模小而导致羊乳粉的价格普遍高于牛乳粉，使一些不法企业在生产羊乳粉的过程中掺假牛乳粉。这种掺假现象严重影响了羊乳粉的品质并制约羊乳粉产业的健康发展，并可能对有过敏反应的消费者造成伤害[7-8]。因此如何检测羊乳粉掺入牛乳粉十分必要。

目前检测羊乳中掺入牛乳的主要手段是借助仪器依据牛乳、羊乳营养成分的差异进行检测，例如：反相高效液相色谱法、荧光光谱检测法、气相色谱-质谱联用检测法[9]。这些方法能够为羊乳中掺假牛乳的检测起到有效的支持。但却存在如样品预处理繁琐、操作条件严苛等缺点[10]。因此一种可以高效快速检测羊乳粉真实性的方法对维持羊乳产业健康稳定发展具有重要意义。

差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）法是一种比较简单、方便的分析物质热学性质的技术，该技术具有成本较低、不含有害试剂、样品无需前处理等优点。DSC能够检测食品发生热学性质变化时的转变温度和发生转变时的热焓变，具有较高的灵敏度，便于分析各种食物成分如蛋白质[11]、脂肪[12]等的热特性。刘功明等[13]将经过不同温度处理后的猪肉、牛肉和羊肉样品利用DSC进行扫描，发现不同温度热处理肉样热相图差异明显，随着处理温度的升高，肉样热学峰的变性焓值随温度升高逐渐降低。DSC在乳制品方面多应用于单组分的研究，包括乳糖[14]、乳蛋白[15]、乳脂肪[16]等，通过分析单一组分的热学性质并对其进行性能评定。DSC已被用于测定乳粉物理状态、影响干燥工艺条件等。Szulc等[17]利用DSC研究添加植物性油脂和动物性油脂对于牛乳粉的稳定性和融化温度的影响，发现添加植物性油脂的牛乳粉更难融化。Pugliese等[18]通过对比分析来自欧洲不同产地的全脂、脱脂牛乳粉对比工业乳糖的DSC曲线，表明产地不同的牛乳粉DSC曲线总体趋势和特征峰相同，结果不仅证明乳糖对于乳粉的热力学特性有极大的影响，而且发现了影响非晶态乳糖形成的因素。

目前利用DSC在鉴别乳制品真伪方面的研究较少，但已有的研究结果表明这种方法在鉴别乳制品掺假方面具有很高的潜力[19]。Tomaszewska-Gras等[20]利用DSC分析和线性回归模型表明，在黄油中添加棕榈油会改变黄油样品熔化过程的温度、焓和最大熔化峰值高度等参数。Nurrulhidayah等[21]针对黄油中掺入猪油的问题，利用DSC分析发现，在升温曲线中，黄油存在1 个小的吸热峰与1 个大的吸热峰，随着猪油掺入量的增加，小的吸热峰减小。本研究利用DSC技术对羊乳粉中掺入不同比例的牛乳粉进行检测，对比羊乳粉和掺假牛乳粉的羊乳粉在DSC热学性质上的差异，旨在为研究羊乳粉、牛乳粉的热学特征，以及羊乳粉中掺假牛乳粉的鉴别提供新颖的理论方法参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

纯山羊乳粉（400 g袋装） 市购；全脂牛乳粉（1 kg袋装） 内蒙古伊利实业集团有限公司。

氯化铝（分析纯） 天津市化学试剂六厂；氯化钠（分析纯） 天津市博迪化工有限公司。

1.2 仪器与设备

Q200型DSC仪 美国TA公司；FD-1A-50型真空冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；HD-5型智能水分活度测量仪 无锡市华科仪器仪表有限公司；JA1203型电子天平 上海优尼科仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同掺假比例羊乳粉的制备

称取羊、牛乳粉以不同比例用蒸馏水掺假混合，制备混合掺假样。具体方法为：取0.9 g羊乳粉和0.1 g牛乳粉于10 mL蒸馏水中混匀，制备10%掺假样品，以同样的方法按照羊乳粉与牛乳粉混合比例的不同分别制备75%、50%、25%、10%、5%、3%、1%的掺假样品；取1 g羊乳粉于10 mL蒸馏水中混匀，制备全脂纯羊乳样；取1 g牛乳粉于10 mL蒸馏水中混匀，制备全脂纯牛乳样。

1.3.2 羊乳的真空冷冻干燥处理

全脂羊乳粉的制备：参照Alessandro等[22]的方法对全脂羊乳进行真空冷冻干燥处理，为减少对样品造成的热损害，先对样品在-80 ℃进行了预冷冻30 min处理将羊乳内的水分固化，防止在真空冷冻过程使样品发生起泡、收缩等不良现象。通过控制干燥时间，预实验筛选得到了冷冻干燥48 h时，样品可以形成质量稳定的粉末。75%、50%、25%、10%、5%、3%、1%的掺假羊乳粉、全脂牛乳粉与制备全脂羊乳粉的步骤相同。

1.3.3 水分活度的测定

冻干样品的水分活度（aw）用水分活度仪测定，实验重复3 次，仪器采用标准过饱和氯化铝溶液进行校准。

1.3.4 DSC分析

参考Ren Qingxi等[23]方法略作修改。用铟（熔化温度156.6 ℃，ΔHm=28.5 J/g）和汞（熔化温度-38.83 ℃，ΔHm=11.41 J/g）对仪器进行校准，并以一个空坩埚作为基准。准确称取10 mg左右的乳粉样品密封均匀平铺于DSC仪坩埚底部，用于DSC分析，所有样品设置3 个重复，在室温条件下进行分析。用铟和汞对仪器进行校准。测定程序为：将样品在26 ℃平衡5 min，以5 ℃/min冷却至-80 ℃，在-80 ℃平衡5 min后以5 ℃/min加热到250 ℃。用干燥氮气以50 mL/min冲洗净化样品。每个样本设置3 个重复。

1.4 数据处理

采用TA Universal Analysis软件对DSC升温曲线图谱数据进行采集分析，得到峰值起始温度（Ton），最大峰值温度（Tp）和热焓值（ΔH）。使用Origin 2015软件进行数据处理以及使用SPSS 20.0软件进行平均值计算和方差分析，分析差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 全脂牛乳粉和全脂羊乳粉DSC热学分析

用DSC仪分别对全脂牛乳粉和全脂羊乳粉进行测定，结果如图1、表1所示。由图1可知，2 种全脂乳粉在整个温度范围内出现多个位置相似的吸热峰。这些峰主要是由乳脂、蛋白质、乳糖等在DSC升温过程中产生的热学效应而出现。可以观察出全脂牛乳粉相比全脂羊乳粉缺少b峰，且全脂牛乳粉在e峰处的峰面积远大于全脂羊乳粉。

图1 全脂牛乳粉、全脂羊乳粉DSC曲线Fig.1 DSC curves of whole cow milk powder and whole goat milk powder

表1 全脂牛乳粉和全脂羊乳粉的水分活度及DSC热学指标Table 1 Water activity and DSC thermal characteristics of whole cow milk powder and whole goat milk powder

全脂羊乳粉存在吸热峰a、b，在这2 个特征峰的温度范围内主要发生乳脂的熔化过程。根据Rahman等[24]和Fierz[25]的研究，DSC曲线图上在10～30 ℃区间内观测到的吸热温度转变是典型的乳脂肪分解熔化过程。对比全脂羊乳粉和全脂牛乳粉的DSC曲线图可以发现，在全脂牛乳粉的DSC图中几乎无法观察到较小的吸热峰b。Gallier[26]和Prosser[27]等研究发现，牛羊乳的脂肪酸主要由豆蔻酸、棕榈酸、油酸和硬脂酸组成，二者的差异在于羊乳中短链饱和脂肪酸含量相较牛乳更丰富，牛乳中总饱和脂肪酸含量比羊乳高出很多。根据牛羊乳在脂肪酸的差异，b峰可能是中短链脂肪酸的特征峰，该峰也可以作为鉴别牛羊乳差异的一个特征峰。任荣等[28]研究发现羊乳中的脂肪含量相比牛乳更高，这可能是导致全脂羊乳粉a峰焓值大于全脂牛乳粉的原因。王筠钠等[29]研究得出乳脂肪酸饱和度越高，则熔点也就越高。所以全脂牛乳粉a峰的峰值温度（17.29 ℃）相比全脂羊乳粉（12.23 ℃）更大。

在90 ℃左右，全脂牛乳粉（88.53 ℃）和全脂羊乳粉（81.64 ℃）均出现一个明显的吸热峰c，Szulc等[17]分析了工业规模化生产的牛乳粉，认为在94.23 ℃产生的吸热转变与乳球蛋白变性有关。在这个特征峰温度蛋白质会发生吸热变性。全脂羊乳粉在81 ℃左右出现一个热焓值较大的吸热峰c峰，此结果与蛋白质（β-乳球蛋白）变性的温度水平非常相似。羊乳中β-乳球蛋白可能是以一种寡聚蛋白的形式存在，而牛乳中β-乳球蛋白多以聚合态存在[30-31]，从而可能导致蛋白质变性温度增加而产生吸热峰后移的情况。所以在DSC曲线上羊乳粉首先观测到c峰，而牛乳粉c峰出现时间比较后滞。杨宝雨[32]和蔡俊娜[33]等的研究表明，羊乳中的β-乳球蛋白含量显著低于牛乳中的含量。这可能是导致全脂羊乳粉c峰的焓值（43.95 J/g）远小于全脂牛乳粉c峰的焓值（74.25 J/g）的原因。

而在150～190 ℃范围内存在2 个明显的吸热峰（d、e峰），Górska[30]和Szepes[34]等研究了无定形乳糖和结晶乳糖的相变温度，并分别在144 ℃（水分蒸发）和213 ℃（乳糖的真正熔化）观察到了DSC图上的热峰。本研究在DSC曲线图中观察到吸热峰d峰位于150～160 ℃范围内，该处峰是乳糖水分的蒸发，吸热峰e即乳糖开始熔化分解的转变温度在170～190 ℃范围内。与纯乳糖相比，本研究乳粉中乳糖的熔化温度相对较低。根据Górska等[30]的研究，乳糖熔点温度取决于糖的状态。乳粉中所含乳糖基本以非晶态的玻璃无定型态存在，故可能的原因是乳粉中无定型乳糖与其他物质反应叠加影响到乳糖的熔化过程[35-36]。155～185 ℃的温度范围是乳糖的相变熔化过程。全脂羊乳粉和全脂牛乳粉的d峰相比未有明显变化，而全脂羊乳粉e峰的热焓值（5.009 J/g）相比全脂牛乳粉（21.79 J/g）要低。这可能是因为牛乳相比羊乳含有较高的乳糖[1]，反应在焓值上使全脂牛乳粉d峰的热焓值更大。

结合图1和表1可发现，全脂羊乳粉相对于全脂牛乳粉的区别主要为：全脂羊乳粉的a峰峰值温度、c峰峰值温度和c峰热焓值均小于全脂牛乳粉；全脂牛乳粉缺失吸热峰b峰；全脂羊乳粉的e峰热焓值远高于全脂牛乳粉。二者在上述特征峰以及热学指标上的差异，可以为鉴别掺假不同比例牛乳粉的羊乳粉提供理论依据。

2.2 全脂羊乳粉和低比例掺假羊乳粉的DSC热学分析

用DSC仪对掺入较低比例牛乳粉（10%、5%、3%、1%）的掺假羊乳粉以及全脂羊乳粉进行测定，结果如图2、表2所示。

图2 羊乳粉例掺不同比假牛乳粉（10%、5%、3%、1%）DSC曲线Fig.2 DSC curves of goat milk powder adulterated with different proportions of cow milk powder (10%,5%,3% and 1%)

表2 不同掺假比例（10%、5%、3%、1%）乳粉样品的水分活度及热力学物理指标Table 2 Water activity and DSC thermal characteristics of goat milk powder samples adulterated with different proportions of cow’s milk powder (10%,5%,3% and 1%)

由图2可知，添加10%、5%、3%、1%牛乳粉的羊乳粉与全脂羊乳粉的DSC曲线在整个温度范围内呈现相似峰形，表现出多个吸热特征反应。依据全脂牛乳粉和全脂羊乳粉的DSC分析结果看，a、b峰为乳脂肪熔化峰，c峰为蛋白质熔化峰，吸热峰d为乳糖水分的蒸发，e峰为乳糖的熔化峰。曲线上a峰的峰形随掺入牛乳粉比例的增大逐渐变得尖锐，b峰的峰形随着掺假比例的逐渐升高有比较明显的变小趋势，峰位置向右偏移。

结合表2各峰的温度范围可知，当温度升至12 ℃左右时，这4 个不同比例掺假样品都开始出现吸热峰，表明乳粉组分开始发生熔化，此处（a峰）为乳脂肪相变熔化过程。该峰起始温度Ton在2 ℃左右，峰值温度Tp在12 ℃左右。全脂羊乳粉在a峰对应处的热焓值为11.11 J/g，掺入不同比例牛乳粉样品的热焓值均小于纯羊乳粉热焓值，且差异显著（表2）并且随着掺入牛乳粉比例的增大而减小。当温度在30 ℃左右时，出现一个较小的吸热峰（b峰）。全脂羊乳粉在b峰对应处的热焓值为1.20 J/g，掺入1%、3%、5%、10%比例牛乳粉掺假样品的热焓值均比纯羊乳粉热焓值小，各个样品之间有显著差异，热焓值随着掺假比例的增大而呈现逐渐减小的趋势，同时该b峰的峰值温度逐渐升高。

在50～80 ℃的温度区间内，出现了一个较大较宽的吸热峰（c峰），此处为蛋白质熔化的温度范围，该峰起始温度在50 ℃左右，峰值温度在80 ℃左右。吸热峰c的峰值温度和热焓值在掺假比例10%以内有所波动但总体呈现向降低的趋势。

当DSC升温达到140～190 ℃范围内，乳糖开始熔化，出现了2 个吸热峰（d峰、e峰）。随着掺入牛乳粉比例的增大，e峰的峰值温度在逐渐增大，e峰焓值在3%、1%的掺假比例内缓慢增加，在5%掺假（8.71 J/g）比例出现较明显的增大，焓值整体呈增大趋势，各个样品之间差异显著（表2）。

在掺入较低比例牛乳粉的羊乳粉样品和全脂羊乳粉的比较中，可以发现b峰的热焓值随着掺假比例的增大而减小；c峰峰值温度和热焓值整体呈降低趋势但存在波动；e峰焓值随掺假比例增大而逐渐增大。由于b峰和e峰的热焓值在样品间存在显著差异，可以用b峰的热焓值大于5.009 J/g、小于8.71 J/g或通过b峰的热焓值大于0.46 J/g、小于1.20 J/g推断羊乳粉中掺假了牛乳粉而且掺假比例在10%以下。

2.3 全脂羊乳粉和高比例掺假羊乳粉的DSC热学分析

用DSC仪对掺入较高比例牛乳粉（75%、50%、25%）的掺假羊乳粉以及全脂羊乳粉进行测定，结果如图3、表3所示。

表3 不同掺假比例（75%、50%、25%）乳粉样品的水分活度及物理指标Table 3 Water activity and DSC thermal characteristics of goat milk powder samples adulterated with different proportions of cow’s milk powder (75%,50% and 25%)

图3 羊乳粉掺假不同比例牛乳粉（75%、50%、25%）DSC曲线Fig.3 DSC curves of goat milk powder adulterated with different proportions of cow’s milk powder (75%,50% and 25%)

由图3可知，添加75%、50%、25%牛乳粉的羊乳粉与全脂羊乳粉的DSC曲线在整个温度范围内呈相似峰形，表现出多个吸热特征反应。a峰的峰形随掺入牛乳粉比例的增大逐渐变小，b峰的峰形在掺入牛乳粉的比例大于25%后，几乎无法在曲线图中被观察到；e峰的峰形和峰面积随着掺入牛乳粉的增多，发生了较为明显的增大。

结合表3可知，当温度升至12 ℃左右时，a峰为乳脂肪相变熔化过程。全脂羊乳粉在a峰对应处的峰值温度为12.23 ℃，热焓值为11.11 J/g，掺入较高比例牛乳粉的样品的热焓值均远小于纯羊乳粉热焓值，并且随着掺入牛乳粉比例的增大而大幅减小，但是掺假50%和25%的样品两者热焓值无显著差异。

在50～80 ℃温度区间内出现的蛋白质熔化吸热峰（c峰），峰起始温度在50 ℃左右，峰值温度在80 ℃左右。随着牛乳粉掺入比例的增大，样品曲线的c峰的峰值温度虽呈增加趋势，但不如全脂羊乳粉（81.64 ℃）高。c峰焓值在高比例掺假样品中出现随掺入牛乳粉增加而增加的情况，这和低比例掺假样品情况相反。这可能是由于乳粉这种粉末状物质的组成而对DSC曲线上峰的位置（峰值温度）、大小（热焓值）有影响[37]。

在140～190 ℃乳糖熔化范围，出现乳糖中水分蒸发的d峰和乳糖融化分解的e峰。随着牛乳粉掺入比例的增大，e峰的峰值温度和热焓值在逐渐增大，各个样品热焓值存在显著差异。

在掺入较高比例牛乳粉的样品和全脂羊乳粉的比较中，可以发现b峰的热焓值在掺假比例25%以上的样品中无法被观测到；c峰峰值温度及热焓值却存在和低掺假比例样品相反的增大趋势；e峰焓值随掺假比例增大而逐渐增大，且差异显著。可以用e峰的热焓值大于11.389 J/g、小于17.21 J/g或通过是否存在b峰粗略估计羊乳粉中掺假牛乳粉的比例在25%～75%。

3 结论

全脂牛、羊乳粉的差异体现在：羊乳粉在乳脂融化吸热峰a的峰值温度小于牛乳粉；羊乳粉存在吸热峰b而牛乳粉则缺失该峰，该峰b可视为2 种乳粉定性判别的差异峰；羊乳粉蛋白质熔化c峰峰值温度和c峰热焓值均低于牛乳粉；羊乳粉在乳糖熔化e峰的热焓值远高于牛乳粉。

通过分析掺入不同比例牛乳粉的羊乳粉，发现吸热峰b的峰形差异，在高掺假比例（≥25%）样品中可定性检测掺假牛乳粉的问题，而在低掺假比例（≤10%且≥1%）中也可通过b峰热焓值判断样品中牛乳粉的掺入量。可以通过分析检测150～290 ℃乳糖熔化分解峰e的焓值判断羊乳粉掺入牛乳粉的掺假量范围。而在75～90 ℃出现的蛋白质变性吸热峰c，易受外界影响故无法有效判断掺假问题。

本研究证明了DSC技术可以实现对羊乳粉、牛乳粉热学性质的分析和评价，该技术也可作为乳制品行业质量保证和真实性鉴别的潜在分析工具，为快速高效检测羊乳粉中掺假牛乳粉提供一定的理论依据。