一种利用碳化硅砂纸与奶皮对乳脂肪进行定性评估的超简约按压检测法

《Sustainable Food Technology》：An ultra-frugal press-and-detect assay for the qualitative assessment of milk fat using silicon carbide sandpaper and milk skinOpen Access

　　

牛奶因其高营养素、矿物质和蛋白质浓度而被家庭广泛消费，使其成为满足全球营养需求的有益组成部分。研究表明，每日增加200 mL牛奶摄入量与心血管疾病、结直肠癌、中风等风险降低相关。乳脂肪主要由三酰甘油（约占脂肪总量的95%）组成，另有少量磷脂、胆固醇、游离脂肪酸及单、二酰甘油，是极大影响牛奶品质、市场价值及营养、理化性质的关键组分。测定乳脂肪含量的传统方法，如盖勃法（Gerber method）和罗兹-哥特里法（Rose–Gottlieb method），需要昂贵且专业级的设备和试剂，普通民众通常难以获得。为解决这一问题，研究人员开发了一种使用320目碳化硅砂纸和奶皮（lactoderm）的按压-检测法，用于定性分析脂肪含量。结果表明，随着奶皮脂肪浓度的增加，通过团聚作用以及奶皮残留物质地或结合力的变化，印记区的图案转移得到改善。对奶皮（0.1%、3.1%和4.6% w/v脂肪）的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析显示，2890 cm^?1处谱带越尖锐，牛奶中脂肪族基团越多，反之亦然。为进一步佐证上述发现，¹H和¹³C核磁共振（NMR）波谱分析显示，在δ 1.2 ppm处不同脂肪含量对应的脂肪族质子数量存在差异。这种稳健、低成本（0.052美元）且用户友好的方法，在资源有限的环境中提供了一种无需专业知识的现成替代方案。

**论文解读：基于碳化硅砂纸与奶皮的超简约按压-检测法用于乳脂肪定性评估**

**一、研究背景与问题**

近年来，全球范围内对健康生活方式和均衡饮食的关注日益增加。世界卫生组织指出，终身保持健康饮食有助于预防多种营养不良和非传染性疾病（NCDs），包括糖尿病、心脏病、中风和癌症。然而，仍有数十亿人无法获得营养、安全和充足的食物。牛奶作为一种廉价、易得且营养丰富的重要食物来源，已在不同国家被广泛消费数十年。牛奶含有水、脂肪、蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质、酶等多种成分，其脂肪含量是决定牛奶品质、市场价值及营养理化性质的关键因素。商业上，牛奶按脂肪百分比分为全脂奶（约3.5%）、低脂奶（约1.6%）和脱脂奶（约0.2%）等类别。然而，印度2012年和2018年的全国调查显示，68%的牛奶样本存在掺假，约41%的样本未达到多项质量参数标准。目前测定牛奶脂肪含量的金标准方法如盖勃法和罗兹-哥特里法，以及酸消化法、乳稠计和乳成分分析仪等，均需要专业级设备、昂贵试剂和有经验的操作人员。因此，亟需一种稳健、用户友好、成本低廉且可广泛获取的牛奶脂肪含量检测方法。

**二、研究目的与总体思路**

为解决上述问题，研究人员开发了一种超简约、低成本、易获取、免标记、现成可用的按压-检测法，利用市售碳化硅砂纸和奶皮（牛奶加热冷却后表面形成的薄膜）对牛奶脂肪含量进行定性分析。该方法首先将牛奶加热后冷却以诱导奶皮形成，小心分离奶皮后置于折叠砂纸之间，在标准重量下压制固定时间。碳化硅砂纸具有高度粗糙的微结构表面，其磨料凸起可增强机械互锁和奶皮碎片的保留。实验发现，不同脂肪含量的牛奶样品在按压后呈现不同的奶皮团聚图案，脂肪含量越高，颗粒团聚和图案扩展越明显，且奶皮的质地也随脂肪含量变化：低脂奶形成的奶皮更具弹性和耐久性，高脂奶形成的奶皮则更脆、易碎。

**三、主要关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：第一，砂纸按压检测装置的设计与制作，使用320目黑色砂纸裁剪折叠形成基底和印记区；第二，奶皮制备方法，在80°C水浴中缓慢加热牛奶45分钟，冷却后分离奶皮并冷冻处理；第三，光谱表征技术，包括衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FT-IR）和核磁共振波谱（¹H NMR与¹³C NMR），用于定性分析奶皮中的脂质相关官能团和结构特征；第四，图像分析技术，使用智能手机拍摄印记区图像，并通过Fiji软件定量分析奶皮残留物的积分密度；第五，力学性能测试，使用万能试验机（UTM）测定不同脂肪含量奶皮的拉伸强度；第六，采用REIL电子牛奶测试仪（Electronic Milk Tester, EMT）确认所用牛奶样品的脂肪含量作为参考。研究使用的牛奶样品（0.1%、3.1%和4.6% w/v脂肪）购自当地乳品厂，蛋白质含量（3.3 g/100 mL）和非脂乳固体（SNF）相同，仅脂肪百分比不同。

**四、研究结果**

**4.1 按压-检测法评估牛奶脂肪含量**

研究人员利用砂纸装置对不同脂肪含量（0.1%、3.1%和4.6% w/v）的奶皮进行按压分析。结果显示，印记区中奶皮残留物的附着量呈现明显趋势：4.6% w/v脂肪奶皮的附着量最高，3.1% w/v次之，而0.1% w/v脂肪奶皮无附着。此外，沉积在初级区的奶皮层物理外观和质地存在差异：0.1% w/v脂肪奶皮类似薄塑料膜，而3.1%和4.6% w/v脂肪奶皮呈现蜡状或油腻外观并伴有颗粒团聚。研究人员推测，砂纸的高表面粗糙度提供了机械磨蚀点，促进奶皮附着和图案形成。较高脂肪含量可能使奶皮表面行为从蛋白质主导转变为脂质主导，降低表面自由能和水亲和力，脂质富集通过疏水相互作用促进颗粒团聚，较软、更具流动性的富脂奶皮更易贴合碳化硅表面凸起，从而增加机械互锁点并促进物质向印记区转移。

**4.2 奶皮的光谱分析**

FT-IR分析显示，所有奶皮样品在约2890 cm^?1处呈现吸收带，归属于甘油三酯长烃链中脂肪族C–H（CH₂和CH₃）的对称和不对称伸缩振动；3.1%和4.6% w/v脂肪样品在此区域的吸收明显强于0.1% w/v样品。约1720 cm^?1处的吸收带归属于甘油三酯的酯羰基（C═O）伸缩振动，同样在高脂样品中更显著。约1650 cm^?1处的谱带主要对应牛奶蛋白质的酰胺I振动。NMR分析中，¹H NMR谱在δ 1.2 ppm处观察到归属于甘油三酯长脂肪链亚甲基（–CH₂–）质子的共振，该信号在3.1%和4.6% w/v脂肪样品中更为突出。¹³C NMR谱中，3.1%和4.6% w/v脂肪样品在10–30 ppm区间呈现脂肪酸链脂肪族碳的特征共振，而0.1% w/v样品因脂质浓度极低且¹³C NMR灵敏度较低，共振信号明显较弱。这些光谱结果均与已知的牛奶脂肪含量差异一致。

**4.3 图像分析**

通过Fiji软件对印记区的奶皮残留物图案进行分析，4.6% w/v脂肪样品的残留物积分密度高于3.1% w/v样品，与视觉观察一致。由于砂纸的粗糙本质，图像分析中存在噪声，使用Despeckle工具可将噪声降至最低水平。0.1% w/v脂肪样品虽无肉眼可见的奶皮附着，但由于图像中残留有极少量噪声，仍测得基础水平的积分密度。统计检验采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey多重比较检验，组间差异具有统计学显著性（*p < 0.05）。

**4.4 万能试验机力学分析**

万能试验机的力-位移分析提供了不同脂肪含量对奶皮力学性能影响的初步描述性趋势。0.1% w/v脂肪奶皮表现出最高的拉伸强度（8.333 kPa），最大力约为4 N，呈现渐进变形行为；3.1% w/v脂肪样品拉伸强度中等（2.083 kPa），峰值力约1 N；4.6% w/v脂肪奶皮的拉伸强度最低（0.375 kPa，峰值力约0.18 N），且在结构破坏前产生更大位移。拉伸强度随脂肪含量增加而降低，表明高脂肪含量可能降低奶皮基质的致密性和分子间相互作用，削弱其机械稳定性。其机制在于热处理过程中乳清蛋白和酪蛋白变性聚集形成连续蛋白质网络，而脂质或脂肪球掺入会破坏蛋白质网络的连续性，降低分子间内聚力，导致拉伸强度下降、变形能力增加。这一现象与牛奶蛋白基可食膜和乳凝胶中报道的行为一致。

**五、讨论与结论总结**

本研究开发的按压-检测法能够可靠地区分0.1%、3.1%和4.6% w/v三个脂肪类别，属于定性分类方法而非定量方法。该方法的突出优势在于超低成本（仅砂纸材料成本约0.052美元/5印度卢比）、现成材料易获取、无需专业培训、操作快速（约26分钟），适合资源有限环境下的牛奶脂肪快速筛查。研究通过视觉观察和图像分析双重确认不同脂肪含量奶皮附着模式的差异，并通过FT-IR和NMR光谱从分子水平验证了脂质相关信号与脂肪含量的一致性，同时通过力学测试揭示了脂肪含量对奶皮质地的调控机制。研究结果符合联合国可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 2（零饥饿）、SDG 9（产业、创新和基础设施）、SDG 12（负责任消费和生产）和SDG 13（气候行动）。研究人员指出，未来可开发基于智能手机的应用程序以辅助模式识别、降低主观性，并计划扩大脂肪浓度范围、系统标准化奶皮形成参数，进一步评估方法的定量潜力和选择性。该自给式（DIY）方法为食品质量评估和掺假筛查提供了新思路，尤其在资源匮乏地区具有广阔应用前景。