高脂肪含量发泡超高温灭菌乳——均质机位置的影响

《International Dairy Journal》：Foamed UHT-milk with high fat content – effect of the homogenizer′s position

　　

摘要 对于像拿铁玛奇朵这样的咖啡特色饮品，预计超高温（UHT）处理牛奶能形成稳定的泡沫。然而，当脂肪乳化不当或在发泡过程中脂滴受损时，起步性会受损。为了评估均质机位置对脂肪球和泡沫稳定性的影响，将牛奶在上游或下游进行均质处理，脂肪浓度范围为 4 – 8 % (w/w)。对于两种加工方式，脂肪含量在 4 和 8 % (w/w) 之间时均形成了体积大且稳定性好的泡沫，除了在下游均质处理且脂肪含量为 6.5 – 7.5 % (w/w) 时。此时泡沫体积和泡沫稳定性均降低。对于上游均质，稳定乳剂的极限是 6 % (w/w) 脂肪，泡沫体积较高，但随时间（15 分钟）出现明显的粗化现象。对于上游和下游均质，获得高泡沫体积和精细分散气泡的最大脂肪浓度为 6 % 脂肪 (w/w)。

引言 牛奶的起泡能力不仅仅是一个美学考量，而是制作拿铁玛奇朵和卡布奇诺等意式咖啡饮品的一项功能要求。良好的泡沫稳定性得益于细小且均匀的泡沫尺寸分布以及气泡抵抗聚并和奥斯特瓦尔德熟化的能力。人们期望泡沫在消费过程中（10 - 15 分钟）保持稳定，同时具有奶油般的感官特性（Huppertz 2010）。意式奶泡是在空气分散到牛奶中并同时加热牛奶时产生的，加热方式可以是直接蒸汽注入，也可以是间接加热盛放牛奶的容器。由此，泡沫由蛋白质稳定，当空气卷入并分散在牛奶中时，蛋白质迁移至乳清 - 空气界面。通过在空气 - 水界面的吸附，牛奶蛋白质降低表面张力并相互作用形成粘弹性膜。表面吸附和蛋白质 - 蛋白质相互作用导致蛋白质发生构象变化，根据结构灵活性以降低表面张力（Walstra and Roos 1993）。泡沫一旦形成，不稳定化过程即开始，导致随时间逐渐衰减，这主要由液体排液导致膜破裂和奥斯特瓦尔德熟化驱动（Walstra 1989）。奥斯特瓦尔德熟化的驱动力是两个相邻气泡之间的压力差，两者大小不同。由于表面曲率增加，较小气泡内的压力高于较大气泡内的压力，气体扩散到较大气泡中，较大气泡以牺牲较小气泡为代价生长（Wilson 1989）。单一衰减机制对泡沫体积减少的贡献程度，取决于牛奶成分和所采用的发泡方法。根据发泡程序和发泡设备设计的不同，气泡尺寸和分布也不同（Hummel et al. 2022; Jimenez-Junca et al. 2015）。这些差异对泡沫不稳定化很重要，因为小气泡及其均匀的尺寸分布有助于延长泡沫的寿命（Wilson 1989）。发泡过程中混合越剧烈，气泡越小（Hummel et al. 2022）。泡沫质量的常见指标是起泡性（形成泡沫的能力）和泡沫稳定性（泡沫随时间抵抗分解的能力）。蛋白质是稳定牛奶泡沫的表面活性分子，用于制作咖啡特色饮品。然而，牛奶中还有更多表面活性成分，会抵消蛋白质的泡沫稳定作用。例如，磷脂是初级牛奶脂肪球膜的主要组成部分，当它们通过搅打奶油转移到乳清相时（如在酪乳中），会降低泡沫稳定性（Sodini et al. 2006）。由于脂肪的水解和不完整的酯化，脂肪伴随物质如游离脂肪酸（FFAs）和单/双甘油酯始终存在。它们在蛋白质基泡沫中充当消泡剂（Buchanan 1965）。当浓度高于 1.8 mequiv FFA ? 100 g-1 脂肪时，它们会损害起泡性（Deeth and Smith 1983; Hummel et al. 2024），因为发泡后泡沫板层迅速破坏（Hummel et al. 2024）。蛋白质和低分子量表面活性剂（FFAs，单/双甘油醇）的泡沫板层稳定机制彼此不兼容。游离脂肪酸、单/双甘油醇具有高表面活性，通过竞争性吸附置换蛋白质，并破坏蛋白质形成的粘弹性蛋白膜。由此，蛋白质的侧向扩散增加，吸附蛋白膜的粘弹性因蛋白网络的破坏而降低。通过界面蛋白流动性的增加，排液加速（Wilde et al. 2004）。游离脂肪也会破坏泡沫稳定性，因为它会破坏粘弹性蛋白膜。当脂肪为液态时，游离脂肪在空气 - 乳清界面铺展，从而导致泡沫气泡塌陷。为了提高脂肪的物理稳定性，通过均质化减小脂肪球尺寸并进行乳化。均质过程中，脂肪球被破坏，从而增加其表面积。主要是酪蛋白作为乳化剂，吸附到新形成的游离脂肪表面，从而降低表面张力。由于酪蛋白是次级牛奶脂肪球膜（MFGM）的主要成分，乳化脂肪与泡沫的相互作用由酪蛋白主导。这就是为什么蛋白质稳定的脂肪在泡沫板层中充当活性填料（Borcherding et al. 2008a）。点击或轻触此处输入文本..。在正确均质的市售牛奶中，当应用适当的发泡技术时，脂肪不会降低泡沫稳定性。尽管如此，脱脂奶（< 0.1 % (w/w)）的泡沫比脂肪含量较高（≥ 0.4 % (w/w)）的牛奶泡沫更稳定 点击或轻触此处输入文本.(Borcherding et al. 2008b; Huppertz 2010)。尽管，即使向脱脂奶中加入少量全脂奶（3.5 % (w/w) 脂肪）也会损害泡沫稳定性（Huppertz 2010）。然而，脱脂奶很少用于咖啡特色饮品，因为缺乏脂肪会降低奶油感并导致感官接受度降低。除了牛奶成分外，泡沫稳定性还取决于发泡后牛奶的温度：发泡过程中液态牛奶脂肪的比例增加，因为它在 – 40 °C 开始熔化，在 40 °C 完全液化（Mattice et al. 2020）。点击或轻触此处输入文本.。因此，当牛奶在低于 40 °C 的温度下发泡时，牛奶脂肪部分结晶。因此，残留的脂肪晶体可以刺破牛奶脂肪球膜，从而损害泡沫稳定性。除了脂肪晶体对板层的机械破坏外，液态脂肪和牛奶脂肪球膜材料也可以在乳清空气界面铺展。通过 UHT 处理结合均质化，这种效应减弱，因为脂肪球尺寸减小，且次级 MFGM 比原始膜更厚且更有弹性。膜更高的弹性来自于均质过程中吸附的酪蛋白。由此，脂肪晶体的刺破作用减少。发现发泡的最佳温度范围在 50 - 60 °C 之间，因为牛奶脂肪已完全液化（Kamath et al. 2008）。耐储牛奶通常经过 137 至 145 °C、8 至 4 秒的超高温（UHT）处理，并在无菌条件下装瓶（Datta et al. 2002），以防止微生物变质（Anema 2019）。热处理可以通过板式或管式热交换器间接进行，也可以通过蒸汽注入或灌注直接进行（Datta et al. 2002）。均质化用于确保脂肪分布均匀，并在储存期间（长达 6 个月）保证防止脂肪上浮的物理稳定性。由于有更多的时间用于脂肪上浮，颗粒尺寸需要比巴氏杀菌奶等更小（Kessler 2002）。为了预防耐储牛奶中的脂肪上浮或脂肪球聚集，期望的中位脂肪球尺寸小于 d50 = 0.7 μm（d50 - 一半的颗粒小于给定值）。基于布朗分子运动的颗粒运动随颗粒尺寸减小而增加，并防止颗粒粘在一起（Kurzhals 1977）。随着脂肪球尺寸减小，均质过程中每克脂肪吸附到脂肪界面的蛋白质比例增加。由此，脂肪球的密度增加并变得与周围的乳清相相似，从而防止脂肪上浮（Kessler 2002）。在预热和 UHT 处理之前，蛋白质变性非常少，因为在牛奶加工开始时，牛奶通常分离为脱脂奶和奶油。分离前，牛奶加热至约 55 °C，一方面增加脂肪和乳清之间的密度差，另一方面防止分离器中热诱导的蛋白质结垢。为了均质化，牛奶通常加热至 65 - 70 °C 且无保持时间，以实现高均质效率（Anema et al. 2006; Kessler 2002; Anema and Li 2003）。在上游均质过程中及之后，MFGM 和乳清蛋白大多仍为天然状态，并通过随后的热处理获得反应性，因为它们通过热变性展开（Houlihan et al. 1992; Loveday 2016; Oldfield et al. 1998; Wijayanti et al. 2014）。在常见的 UHT 过程中，乳清蛋白保持天然状态直到预热（90 - 95 °C 持续 > 120 秒）。预热是为了乳清蛋白变性，因为它延迟了工厂 UHT 段的热诱导结垢（Datta et al. 2002）。变性后，乳清蛋白主要彼此形成聚集体并附着在酪蛋白胶束上（Wijayanti et al. 2014; Anema and Li 2003）。除了乳清蛋白变性外，膜脂质从 MFGM 中消散，乳清蛋白通过巯基 - 二硫键交换反应结合到脂肪球的初级膜材料上（Lee and Sherbon 2002）。初级和新附着膜材料的元素经历分子间结合，例如黄嘌呤氧化酶、酪蛋白脂肪亲和素和变性乳清蛋白之间复合物的形成。这发生在 UHT 处理期间。（Ye et al. 2004; Ye et al. 2002）。随着产品脂肪浓度的增加，可用膜材料（包括天然膜成分和相关蛋白质）与新形成的脂肪球表面积之比降低。虽然在以牛奶蛋白为基础的乳剂中可以实现 2 – 3 mg / m2 的最大表面蛋白负载，但它随乳清蛋白浓度降低（Singh and Ye 2014）。只要不发生聚集，乳剂就是稳定的。液体中颗粒的聚集取决于颗粒和周围流体的物理化学性质，这些性质定义了颗粒的碰撞率和实际聚集事件。根据是否应用上游或下游均质化而变化的一些相关参数是，温度、颗粒尺寸和粘度，这些在牛奶加工过程中会发生改变。它们的影响可以总结在以下比例关系中，该关系融合了爱因斯坦方程（Einstein 1905）和斯莫卢霍夫斯基碰撞率（Smoluchowski 1906）：其中：为碰撞率（s-1）；为体积浓度；为温度（K）；为动力粘度（Pa?s）和 为颗粒半径（m）。为了获得实际聚集率，碰撞率必须乘以一个介于 0 和 1 之间的因子α，该因子受颗粒吸引力和排斥力之和的影响。这些由 pH 值、周围液体的离子强度和液体本身以及颗粒表面特性（如形态和表面暴露的功能团）决定。根据上述相关性，上游均质化后的加工步骤的碰撞率高于下游均质化后的步骤。因为上游均质化降低了颗粒半径（a），随后乳清的粘度在预热和 UHT 处理期间的高温下降低。两者都增加碰撞率，但颗粒尺寸的影响最大。尽管给定的比例关系仅对强稀释系统完全有效，但它让人对不同加工参数对颗粒聚集的重要性有了一个印象。本研究调查高脂肪浓度如何损害牛奶的泡沫质量以及均质机位置对乳剂性质的影响。

超过商业牛奶的脂肪浓度，是为了放大脂肪对起泡的任何影响，并得出其对乳液稳定性的影响结论。此外，牛奶样品在 30 °C 下储存长达 17 周，以诱发在温暖气候区储存期间可能发生的任何变化。

章节片段

材料与方法

每当给出脂肪百分比时，意指质量分数 (w/w)，以便简化阅读。

均质器位置对粒径的影响

本研究中所有下游均质化样品均显示粒径低于 0.7 μm，并具有较小的粒径分布宽度 (d90 - d10)（图 1）。这些结果通过显微镜得到了证实，在长达 17 周的储存时间后，未鉴定出脂肪球聚集体（图 2，A）。可以总结为，所有下游均质化样品都拥有货架稳定牛奶所特有的粒径（Kessler 2002）。

除了机械处理由

结论

UHT 牛奶经过均质化处理以防止储存期间出现乳脂上浮。牛奶通常在直接加热后均质化，并在间接加热前均质化（Datta 等人，2002）。在高于商业牛奶中存在的脂肪浓度（≥ 6 %）下，加热和均质化的顺序会影响 UHT 处理牛奶的乳液稳定性、起泡能力和泡沫稳定性。下游均质化（UHT 处理后）可为高干物质产品实现稳定的乳液。关于具有货架稳定性的牛奶

CRediT 作者贡献声明

达里乌斯·胡默尔：写作 – 初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。莉娜·布茨：调查、数据整理。泽伊内普·阿塔默：写作 – 评论与编辑。约尔格·欣里希斯：写作 – 评论与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化

未引用参考文献

Borcherding 等人，2009。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些因素可能影响本论文中报告的工作。

致谢

德国食品工业协会 (FEI) 的 IGF 项目 (AiF 20200 N) 通过 AiF 在德国经济部 (BMWi) 促进工业集体研究 (IGF) 的项目中得到支持，这是基于德国议会的决议。衷心感谢吕克·默茨、纳比尔·蔡布和丹妮丝·伯恩哈德在研究与培训乳品部门进行实验期间提供的技术协助及其建议。作者们也想

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