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顾佳升:三、调整产品结构的关键是提高科学认知

发布时间:2014-10-24

来源:顾佳升

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 由于历史的原因我们对奶类食物的天然活性营养功能认知不足,迷信于“一热遮百丑”惯于粗放地加工牛奶。因此对巴氏鲜奶和灭菌奶之间、以及不同灭菌奶品种之间的比较优势,都缺乏科学了解。从根本上来说,我国社会长期以来淡化和漠视了本土生鲜奶的固有优势。

天然奶汁的营养学意义

近代科学已知世界上现存的哺乳动物有5千多种绝大多数是胎生的,然而这并非是哺乳动物的基本特征。作为一个物种,哺乳动物与其它动物相互区别的基本特征是以哺乳的方式养育新生儿。母体的乳腺活动随受孕而启动,新生儿一旦分娩,母体即可分泌乳汁。新生儿呱呱坠地,天生具有寻觅乳房吮吸母乳的本能。新生儿仅以母乳为食,就可健康生长进入婴儿期和幼儿期直至发育成熟。其标志是新生代有足够的能力去利用自然界里的其他食物,来维持其生命和健康。反观自然界里凡是得不到母乳的新生儿,几乎全都难逃早期夭折的结果。可以说母乳是新生儿唯一的“完全食物”,包含着新生儿健康生长所需的全部营养,既不缺少什么也不多余什么。

目前为人类所利用的动物奶汁,仅仅只有数种草食动物而且全都是反刍动物。其中牛奶被营养学家公认为是一种最接近于“人类营养需求的完全食物”。值得指出的是:早在科学的启蒙时期,营养学家赞誉不已的“完全食物”和“最接近的完全食物”,指的全是未经任何热处理的“生奶”。在奶与奶制品领域里,生奶是我们进行营养学比较研究时的基准物质。

值得指出的还有另一个事实是,在已获人类利用的哺乳动物奶汁中含量最高的成分是水,固体含量都很低。与人类的其它食物资源相比,就常规营养成分含量的角度来说并无优势(表1)。但历史经验证明,这些哺乳动物的奶汁不仅具有很高的消化吸收利用率而且具有极低的危害风险率。

1.  已获人类利用之哺乳动物奶汁的一般成分组成        单位:%

相反,在未获人类利用的哺乳动物奶汁中,有些固体含量并不低。就常规营养成分含量的角度来说具有一定的优势(表2)。

2.  未获人类利用之哺乳动物奶汁的一般成分组成        单位:%

常规营养素含量更高的其他哺乳动物的奶汁之所以至今未被人类利用,是由于其中的活性物质并不符合人类的生理需要。从食物资源的角度来看,对人类虽然也有较高的吸收利用率但同时潜伏着较高概率的健康危害风险。所以人类养殖奶牛和生产牛奶的目的,不仅仅是为了解决一般的温饱问题,是为了获得特殊的活性营养物质[7]

现在不少人都在强调液态奶里乳蛋白率和乳脂率等含量指标,似乎它们是评判液态奶是否属于高端的唯一指标。其实早期的营养学家就认识到这些成分含量在奶汁里面自有本身遵循的客观规律,即与自己后代的消化系统相匹配,特别是与自己后代在新生儿阶段的生长速度相匹配。不同物种的新生儿,体重增加1 倍所需要的时间长短是不一样的,进化程度越高的动物,需要的时间越长,相应地其奶汁的脂肪、蛋白等营养成分的含量越低(表3)。对于摄入者而言,只有与机体所需相匹配的活性含量才是合适的。

3.  新生儿体重倍增所需天数与其母乳的主要成分

 

 

牛奶杀菌工艺出现的历史背景 

200年前现代城市的出现使大量居民远离了奶牛,频繁发生了直接喝生牛奶引起的公共卫生事件。法国科学家巴斯德在1856年前后,经研究发现原因是环境细菌污染了牛奶,然后他首创了消毒牛奶的方法(热杀菌)。为城市居民喝上放心的安全牛奶,提供了免除生物学危害风险之忧的有效工具。成立于1903年的国际奶业联合会(IDF)第一届年会的主题,就是呼吁全世界城市居民改变喝生牛奶的习惯,提倡喝巴氏消毒牛奶。

巴斯德的研究具有非常扎实的科学基础。他确定的63-65保持30分钟的牛奶杀菌工艺,一方面可以杀灭所有的常见致病菌足以保证安全,另一方面是将“热伤害程度”控制到了最低的底线上。虽然他当时仅仅是从牛奶的“色香味”感官评定的层面上发现了变化,但却准确地推断出“完全食物变得不再完全”的科学结论。奶业科学发展到今天,在所有杀菌和灭菌的方法之中,巴氏杀菌法依然是对牛奶的生理功能伤害最小的一种热处理方法。

4显示了环境细菌侵入牛奶之后具有普遍代表性的一个增殖过程。牛奶从牛身上挤出后立即检验其细菌总数,为2 214 CFU/mL。第一行数据是不采用包括冷却在内的任何处理,在36 下放置2.5 h再检验,生奶细菌总数几乎没有变化;放置5 h时检验,发现细菌有增殖但速度很慢;但在这以后,细菌总数增殖变得非常迅速。这说明牛奶在刚挤出来的一段时间里,里面有一些活性物质使细菌受到抑制不能增殖。这在奶业科学上称之为“生奶的自然抑菌期(germicidal action period of milk)”,也就是奶汁本身的“黄金期”。在国际标准里所谓的“即食生奶及其制品(Raw cow's milk intended for direct human consumption[8],指的就是处在自然抑菌期里的优质生奶。这是人类用以制备无需杀菌的“生奶制品”所依据的科学基础。

4.   牛奶挤出之后细菌总数变化            单位: CFU/mL

储存温度(℃)

挤出时

2.5 h

5 h

7.5 h

10 h

36.1

2 214

2 246

6 240

530 000

11 148 000

21.1

2 214

2 080

1 874

4 346

14 200

4.4

2 214

2 154

2 020

2 074

2 180

                          张胜善.牛乳与乳制品.[M].台湾,长河出版社,1984.204.

4的第2行显示了挤出之后的牛奶冷却到室温时的细菌增殖情况,可以发现自然抑菌期略有延长。第3行显示冷却到4 的生奶,抑菌期可以得到较大幅度的延长,一般为36 h,称为生奶加工的“白银期”。这是人类得以大规模制备各种奶制品所依据的科学基础。

之所以称为“白银期”,是因为与牛奶的“黄金期”相比,采用了冷却方法而延长保存期的牛奶,在制备各种奶制品的过程中必须经过杀菌处理。但是对牛奶而言,无论加热或冷却,其固有的活性成分和功能都将受到一定程度的伤害,因此只能称之为“白银牛奶”。在国际标准里称其为“生奶(raw milk[9])”并且规定只能采用冷却的方法,而不准施以“预巴杀(thermization)”、“热净化(clarification)”、“闪蒸(flash cool)”等涉及轻微加热的任何处理,来延长生奶的保存期。还有使用奶粉来进行牛奶的标准化、超高温灭菌流水线缺失无菌平衡罐、任意提高热处理温度或延长保温时间等违背工艺规定的操作,也都是不允许的。现代乳品工艺学研究的重要内容,是如何尽可能地降低因冷或热处理而带来的对牛奶的损伤程度,其中的重点是“防止热伤害”。

不同杀菌工艺的技术优势比较

我们在家煮牛奶时经常可以发现一个现象,加热牛奶到沸腾时倒出,锅底总是粘着一层白色的东西。这是牛奶里的乳清蛋白质受热形成的沉淀物。那么超高温灭菌所采用的温度一般在140 左右,远高于牛奶的沸点,为什么牛奶没有在加工设备里发生沉淀呢?工艺诀窍是:无论是保持法灭菌还是超高温灭菌工艺,都必须先让牛奶在8090 ℃温度里停留一个适当的时间,然后再升温到灭菌温度。见图1所示的“灭菌温度平台”。

 

1. 牛奶不同加工方法的温度变化曲线和灭菌的温度平台

从图1可以看到,代表灭菌工艺的两条温度曲线在升温到8090 ℃时有数10秒的“温度平台”,俗称“蛋白稳定时间”。这是一个技术诀窍,可以有效阻止牛奶蛋白质因受热变性而发生的“絮凝”现象。由于巴氏杀菌工艺的加热温度比较低保温时间也较短,在72 时保温15 s之后就迅速降温了。没达到可能引起乳清蛋白“絮凝”的程度,因此不需要此类技巧。图2展示了这个技巧的前半部分原理。

 

2. β-乳球蛋白在8090 ℃温度下的变化

(引自张胜善.牛乳与乳制品.[M].台湾,长河出版社,1984.276.

β-乳球蛋白是由162 个氨基酸组成的一条蜷曲的长链,结构里面含有2 个“分子内双硫键”(-S-S-)和1 个游离的硫氢键(-SH)。在8090 的温度平台上,β-乳球蛋白氨基酸链的空间构象发生偏转位移(蛋白质变性),一旦不可逆转最终将发生沉淀。同时β-乳球蛋白也将丧失本身的生理活性,还会产生一种令人生厌的硫化物味道,俗称为“焦煮味”、“白甄味”等。

这个技巧的后半部分是利用了牛奶里同时存在着的酪蛋白。通常几百个酪蛋白单体会聚合在一起形成 “酪蛋白胶束”。其表面是由不连续分布着的若干个κ-酪蛋白组成,习惯上称其为“κ-酪蛋白层”,每个κ-酪蛋白都含有一个特殊的糖肽部位。如果处在变性过程中的β-乳球蛋白质在沉淀之前,如果能够成功地“粘附”到糖肽部位上去,如图3所示,就可避免肉眼可见的β-乳球蛋白质沉淀的发生。当然,牛奶的生理活性并不能因此而得以保留,只是表观上观察不出而已。至于因产生“焦煮味”、“白甄味”等微量异味物质,则可与溶解在牛奶里的微量氧元素发生反应而得以消降,大约在1 周后即可达到一般人难以有所察觉的水平。

 

3. κ-酪蛋白上的糖肽部位Payens模型)

综上所述,变性了的β-乳球蛋白能否成功“粘附”κ-酪蛋白上的糖肽部位,是灭菌奶加工能否成功的操作关键之一。而形成灭菌奶和巴氏奶本质区别的根本原因也正在此,复原奶与生鲜奶的区别也在此。

3.4乳蛋白质的消化特点

κ-酪蛋白上的糖肽部位具有非常重要的生理作用,是为小牛肠胃消化牛奶而预留的。κ-酪蛋白是由169 个氨基酸组成的一条长链,其中第105位是苯丙氨酸,第106位是蛋氨酸。每当小牛进食牛奶后(人也一样),机体消化道里的酶将攻击这2 个氨基酸的结合之处,一条长链被断为两截。由第106169位氨基酸组成的短一些的一截,依然保持可溶性(含有“糖肽”),但较长的另一截因为疏水基团外露,则丧失了可溶性,从牛奶中沉淀出来。较长一截将会与暴露在胃肠道里的其它消化酶相遇而继续发生降解,逐步游离出更多的其它多种功能性肽。这些事实是随着生命科学家对传统奶酪的研究而在近年里被发现的。

现在已有充分证据表明,含有糖肽的第106169位氨基酸残链,具有多种宝贵的免疫功能,不仅对哺乳动物新生儿具有非常重要的作用,对成人同样具有重要作用。因此被命名为“糖巨肽(GMP)”。显然,如果没有正确的第一步,即消化道里的凝乳酶断开κ-酪蛋白上的糖肽部位,也就没有可能获得糖巨肽。在加工灭菌奶时,κ-酪蛋白上的糖肽部位被处在变性过程中的β-乳球蛋白成功地“粘附”上去了,意味着凝乳酶将无法工作,牛奶消化的正常方向也将改变。不仅得不到糖巨肽,而且后续的蛋白质酶解过程也会脱离利用乳蛋白质的常规轨道和方向,摄入主体将因此而失去更多获得应该得到的功能性肽机会。

国际奶业科学最新的研究表明:乳蛋白富含功能性肽[10]。乳蛋白不仅包含了新生儿自身不能合成的9 种必需氨基酸,各种氨基酸的比例与机体的营养需要高度一致,而且不少氨基酸的组合结构,即具有生理活性的肽,也与人体所需高度一致。牛乳中含有的免疫球蛋白、金属结合蛋白等微量蛋白质,具有重要的生物活性作用,如免疫球蛋白能防止新生儿细菌和病毒感染,乳铁蛋白能改善铁的生物利用率,并具有抑菌作用,血浆铜蓝蛋白可以为新生儿提供铜元素等。来自αs1-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白的多种阿片肽和阿片拮抗肽,具有调节餐后营养物质代谢和调运的作用,以及调节免疫功能的作用;一些来自αs2-酪蛋白和β-酪蛋白的肽具有促进钙、铁、锌、锰等阳离子元素的吸收作用;一种来自κ-酪蛋白的肽具有抗凝血作用;一种来自β-酪蛋白的肽具有抗高血压效果;多种来自αs1-酪蛋白和乳铁蛋白的肽具有抗菌作用等。

因此牛奶当之无愧是人类“最接近理想”的一种无可替代的优质蛋白质资源。机体也有能力通过自身的消化系统,完整有效地从奶汁里获得功能性多肽。然而前提是乳蛋白质不能变性。这是巴氏鲜奶与灭菌奶相比较的核心优势之所在,更是生鲜奶的核心优势之所在。

不同杀菌工艺所得产品的品质差异

以台湾一个液态奶广告为例,他们在标签上比较了生乳、巴氏杀菌奶和超高温灭菌奶中乳铁蛋白和免疫球蛋白2 个指标的含量差异。结果一目了然:生乳、巴氏杀菌奶和超高温灭菌奶,乳铁蛋白含量分别是78 mg/L74 mg/mL0.039 mg/mL,巴氏杀菌奶中的乳铁蛋白含量是超高温灭菌奶的1 800 倍。三者免疫球蛋白的含量分别是490 mg/mL456 mg/mL» 0 mg/mL

更科学的表述是现行国际标准对热处理工艺的界定,见表5。可见巴氏杀菌法对生奶活性的影响是最小的,间接法UHT是比较大的,保持法灭菌的影响是最大的。所以高端液态奶的定义不应该以蛋白质含量为基准而应以蛋白质的活性为基准,至少应该兼顾两者。

5.  牛奶热处理强度的分级及其对牛奶性状的影响

工艺名称

 

物理化学性状

生物学性状

生奶要求*

乳清蛋白变性率*%

即食

 

无变化

无变化

黄金期

0

巴氏杀菌

 

在所有热处理工艺中变化最小

减少微生物的数量到不至于危害公众健康程度

 

 

 

 

白银期

» 5

ESL/UP

 

在所有热处理工艺中变化较小

» 20

 

超高温灭菌

 

直接法

在所有热处理工艺中变化较大

有效杀灭和抑制残留微生物及其孢子生长

» 40

间接法

» 60

 

保持法灭菌

 

在所有热处理工艺中变化最大

最大程度杀灭和抑制残留微生物及其孢子生长

 

» 90

表内文字内容引自IDFDictionary of dairy terminology: in English, French, German, and Spanish[Z].*部分由作者整理。

对于不同杀菌工艺所获产品的品质的鉴定区分,国际上也已经制定和颁布了许多检验方法标准,除了表5列举的乳清蛋白变性率之外,还有乳果糖、糠氨酸等美拉德反应产物的含量变化,以及存在于奶汁里多种酶活性的抑制程度等标志物。它们都是界定奶制品内在品质的“试金石”,不仅适用于液态奶,也适用于炼乳、奶粉以及奶酪、冰淇淋,乃至复原奶及其制品等。更何况这些标准都已经由国际权威机构正式颁发,只需经我国政府主管部门认可,就可供我国社会直接采用[11][12][13 ]

热处理强度

影响和决定奶制品内在品质的因素是加工牛奶时的“热处理强度”。术语“热处理”或者“热杀菌”,指的是不低于巴氏杀菌效果的所有加热操作。度量的对象是牛奶实际经受的热负荷。显然热负荷越高,牛奶的活性功能损失越多。但是这个概念很容易被片面理解为单一地是杀菌的温度,而忽略了“在此温度下停留的时间”,工艺学上分别称之为“杀菌温度和保温时间”。国际标准公认的巴氏杀菌工艺技术参数组合如表6所示。其中包括高于乳清蛋白变性临界温度甚至接近牛奶沸点的高温,只是保持时间极短。在这样的条件下,乳清蛋白的变性存在着一定的可逆性,而且结果都能满足“碱性磷酸酶(alkaline phosphatase)没有活性,乳过氧化氢酶(lactoperoxidase)保留活性”的传统鉴别巴氏消毒奶的标准要求。

6. 巴氏杀菌的工艺技术参数

杀菌温度

63℃

72

89

90

94

96

100

保温时间

30min

15s

1.0s

0.5s

0.1s

0.05s

0.01s

数据引自U.S.Department of Health and Human Services, Public Health Service, Food and Drug Administration. Grade “A” Pasteurized Milk Ordinance[Z]. 2003:27-28.

相关国际标准还指出,一旦牛奶里的固形物有所增加,杀菌温度亦需同步提高。意味着添加了非乳成分的“调制奶”所经受的热负荷将大于无添加的奶制品。因此无论是否使用复原奶,调制奶的品质均较为低下。

凡经低于或等于巴氏杀菌热负荷处理而制得的奶制品,统称为“低热处理强度产品”,反之统称为“高热处理强度产品”。国内没有相应的规定,只是习惯性地简称它们为“低热产品”和“高热产品”。显然低热产品与生鲜奶的状态更为接近,属于仅次于“即食生奶制品”品质的高品质奶制品。由于杀菌强度低,因而对用于低热产品的生鲜奶卫生要求也高。

一般情况下加工企业投料加工的生奶,都是由若干个牧场提供的。所以要求从单个牧场收来的生奶菌落数不能高于10CFU/mL,否则无法保证混合后的生奶在投料时的菌落总数能够低于30CFU/mL。一旦超过就不适合加工低温产品。

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