岳明星，李浡，简伟杰，王晓杰，陈思，杨军，辛秀兰

（北京电子科技职业学院生物工程学院，北京100176）

0 引 言

原料乳是一种天然的、非常复杂的胶体缓冲体系，其中，原料乳中的盐类平衡对胶体稳定性发挥着至关重要的作用。每升牛奶中大约含8～9 g 无机盐，其中钙(Ca2+)、镁(Mg2+)、钠(Na+)、钾(K+)为乳中主要的阳离子，磷酸根(HPO42-)、柠檬酸根(Citate3-)及氯化物(Cl-)为主要的阴离子。牛乳中的盐类呈胶体相和可溶相的分布规律。大约70%的钙、30%的镁、50%的磷酸盐和10%的柠檬酸以不溶性复合物的形式存在于酪蛋白胶束中，称为胶体磷酸钙(CCP)[1]。盐类平衡对维持酪蛋白胶束稳定性和结构的完整性至关重要[2]。盐类平衡的改变导致胶体相和可溶相的离子组成发生显著变化，进而对酪蛋白胶束的物理化学性质和产品在加工和贮藏过程中的稳定性产生影响[3-4]。因此，了解在实际条件下的离子平衡是非常重要的。

在乳清相中，矿物盐以游离离子或离子对/复合物的形式存在。钠和钾离子仅与氯、柠檬酸和磷酸盐形成弱离子对，因此主要以游离离子形式存在。二价阳离子Ca2+和Mg2+主要与柠檬酸络合，与HPO42-的络合程度较小。在可溶相中，离子对与自由离子之间存在着一种动态的、可非常迅速达到的平衡状态。此外，在可溶相和胶体相中的盐之间存在一种动态但缓慢的平衡[5]。

1 定量检测盐类平衡

一般来说，可以用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)法测定阳离子浓度，用阴离子交换色谱(Asfaw)来测定阴离子浓度。然而，游离二价阳离子的浓度和活性如Ca2+和Mg2+离子，在酪蛋白胶束的物理化学性质中所起的作用比离子的总浓度更重要。Ca2+、Mg2+离子与pH 值共同影响酪蛋白体系的稳定性及其加工特性，特别是凝乳酶、加热和酒精对凝乳过程的影响。游离的Ca2+离子会影响带负电荷的酪蛋白胶束的周边环境，从而提高或降低其稳定性。传统的测定牛奶中Ca2+离子活性或浓度的方法是基于阳离子交换树脂技术和红紫酸铵方法[6]。然而，这些方法有一些缺点，如耗时长和不够准确。迄今为止，钙离子选择电极(Ca-ISE)[7-8]已被用于牛奶中游离钙活性快速测定。然而，钙离子选择电极可能会受到基质效应的影响，这就要求钙电极必须在与样品组成相似的标准液中进行校准，但市场上尚没有此类标准液。Temminghoff 等[9]发明了一种基于负电膜中Donnan平衡的新方法-Donnan 膜技术(DMT)用于同时测定土壤水中游离金属离子的浓度。DMT 已被证明是一种可靠而准确的同时测定不同金属离子的新技术，DMT 对食品体系中游离金属离子的测定具有重要的参考价值。Gao 等[10]建立了基于Donnan 膜技术同时测定模拟乳超滤液和复原脱脂乳中游离钙、镁、钠、钾离子浓度的技术。

2 盐类平衡-离子形态模型

描述牛乳或类似牛乳体系中离子平衡的离子形态模型是从20 世纪80 年代开始发展起来的。相关研究试图计算模拟牛乳盐溶液中的离子浓度。为了便于计算，在模型中假设没有镁、磷酸盐和蛋白质，把钾看成是等量的钠。Holt 等[6]人建立了一个描述牛乳分散相中离子组成的模型，除乳蛋白外，包括牛奶中的所有相关组分，计算得到的游离Ca2+和Mg2+浓度与实验结果吻合较好。多年来，这些模型一直被作为检测牛乳或乳制品可溶相中离子组成的有用工具，同时，这些模型可以帮助了解主要离子与酪蛋白胶束理化性质之间的内部相关关系[11]。然而，这些模型并不能包括酪蛋白胶束中的CCP 和酪蛋白结合的阳离子。因此，在预测牛奶和乳制品中离子分配方面的应用仍然具有一定的局限性。Holt[12]发明了了一个计算牛奶中离子分配的热力学平衡模型，该模型中假定胶体磷酸钙以磷酸钙纳米团簇的形式存在，用一个关于磷酸钙纳米团簇的广义经验公式确定了小离子(Ca、Mg、P和柠檬酸)与酪蛋白磷酸化序列的摩尔比。该模型为牛奶中离子分配提供了一个合理的预测。然而，在不同的条件下，该模型还需要进一步的验证，以获得更多的牛奶样品的离子组成数据。Mekmene 等[13]人提出了一个预测牛乳及强化乳(添加 NaCl、CaCl2、Na3Ci⁃tate 和Na2HPO4)中胶体相和可溶相之间的离子分配模型。后一种模型是以Holt 等[6]人的早期模型为基础的，通过整合阳离子在酪蛋白胶束中的相互作用，并考虑到磷酸钙在胶束相中的溶解度。模型验证结果与文献报道的实验结果基本一致，但模型预测值与实验结果之间仍存在10%～20%的差异。另外，该模型可用于预测在pH 值为6.75 的条件下，牛乳及不同电解质强化牛乳中的离子分配。然而，实际上在牛奶中加入电解质会引起pH 值的变化。最近，Mekmene 等[14]人提出了一个模拟牛奶酸化过程中离子平衡的模型。与实验结果相比较，该模型可对离子平衡进行合理的预测。然而，该模型并不是描述不同条件下牛奶离子平衡的通用模型。因此，需要建立一个描述牛奶在不同条件下的离子平衡的广义模型。

3 盐类平衡对乳蛋白及其凝胶的影响

牛乳的稳定性主要取决于蛋白质的稳定性，蛋白质的稳定性又主要取决于盐类的平衡。二价阳离子的存在可以诱导乳蛋白质发生聚集和凝胶[15]。正常情况下，乳中的酪蛋白胶束带负电荷，当外源添加钙、镁等二价阳离子时，可导致酪蛋白胶束所带负电荷通过静电吸引的方式聚集到二价阳离子上导致其电荷被中和。另外，与疏水相互作用一样，二价阳离子被认为是通过胶体磷酸钙来稳定酪蛋白胶束的稳定性[16]。在酸化过程中，酪蛋白胶束中的胶体磷酸钙被溶解，κ-酪蛋白胶束末端破坏[16]，导致酪蛋白胶束发生聚集和凝胶。综上所述，酪蛋白聚合被认为是由一种复杂反应驱动的，包括疏水作用、范德华力和钙桥吸引[17]。

在牛乳中通过加入NaCl 来增强离子强度后对牛奶中的离子形态有显著的影响，如pH 降低、Ca2+浓度增加、离子种类活度系数降低、酪蛋白胶束水化作用增加等影响[11,18]。由于牛奶离子的改变会导致加工特性发生相应的变化，如牛奶的凝固时间出现了显著延长，酒精稳定性降低。

含不同乳糖和矿物质组成的强化乳清酸凝胶中，其凝胶硬度存在差异。研究人员还发现，在矿物质浓度最高的情况下，没有观察到凝胶化现象。Philippe等[19]人研究了强化氯化钙的脱脂牛奶的理化性质。结果表明，在不同的钙浓度下，胶体磷酸钙的行为似乎没有变化。然而，在脱脂牛奶中添加钙会增加酪蛋白胶束密度，使胶束核更加致密。Choi 等[20]人证明，与酪蛋白胶束紧密结合胶体磷酸钙(CCP)浓度对酶凝胶的性能具有重要影响。Udabage 等[21]人报道了柠檬酸盐或EDTA 的加入降低了酶凝胶的贮存模量，而浓度达到10 mmol/kg 牛奶以上，酶凝胶完全被抑制。Mizuno 等人[22]研究了添加焦磷酸四钠(TSPP)所形成的牛奶蛋白凝胶的特性，提出了一种TSPP 诱导凝胶化的机理，即添加的TSPP 与钙形成分散酪蛋白之间的交联剂。上述研究提供了乳化盐和酪蛋白之间相互作用的基本信息，这些相互作用可能有助于控制加工后的奶酪的结构和功能特性。总之，乳品系统中特定离子平衡的控制为控制乳蛋白及其凝胶的功能特性提供了一条新途径。

4 热处理对乳中盐类平衡的影响

热处理影响乳的稳定性，特别是羊乳，在经过超高温处理后，产品变的不稳定，会出现大量沉淀物。当热处理温度从140 ℃降至125 ℃和114 ℃时，沉积物明显减少。相关研究试图通过在乳中添加乳化盐来提高羊乳的热稳定性。Boumpa 等[23]在羊乳中添加了六偏磷酸钠(SHMP)、柠檬酸三钠(TSC)、磷酸氢二钠(DSHP)和磷酸二氢钠(SDHP) 4 种乳化盐来改善超高温羊乳的热稳定性。结果表明，SDHP 的加入后降低了产品pH 值，对离子钙的影响不大，对沉积物的改善作用不大；SHMP、DSHP 和TSC 的加入都降低了离子钙，增加了酒精的稳定性，减少了沉淀的发生。

做高钙乳等一些添加矿物元素的产品时，由于乳中天然的盐类平衡被破坏，容易引起不稳定现象的发生。在牛乳中添加可溶性钙盐后降低了体系的pH值，增加了离子钙浓度并引起凝乳。氯化钙表现出最大的不稳定效应，其次是乳酸钙和葡萄糖酸钙。另外，在较低钙添加情况下，与容器内灭菌相比，UHT工艺使产品变得不稳定。在牛奶中加入不溶性钙盐，增加后总钙含量达到30 mmol/L 时，不影响其热稳定性，不改变pH 值和离子钙含量，缓冲能力也未改变；不会在超高温（UHT）或容器内消毒条件下发生凝结、沉积或结垢等不稳定相关的现象[24]。

Kaushik 等[25]开展了钙强化牛奶的热稳定性和耐热特性研究，以奶牛:水牛1:1的混合奶为原料，将4种钙盐-氯化钙、醋酸钙、氢氧化钙和柠檬酸钙用于牛奶的强化。添加钙盐后，除添加柠檬酸钙时，牛奶pH和酸度有显著变化。柠檬酸钙强化牛奶的感官评分最高。对照牛奶和其它钙强化牛奶相比，柠檬酸钙强化牛奶的热稳定性更高。除氯化钙外，钙强化牛奶显示75%酒精阴性。与对照相比，钙强化牛奶中的黏度更高。通过加入柠檬酸钙降低了样品玻璃化转变温度，但该差异并不显著，这表明柠檬酸钙可用于制备钙强化牛奶[19]。

Wu 等[26]人研究了微波加热过程对牛乳中钙的吸收特性和乳稳定性。结果表明，钙离子浓度对微波能量吸收的影响不大，而形态对微波能量吸收的影响较大。钙离子的存在对牛奶的热稳定性有显著的影响。在添加离子化钙时，钙强化乳体系热稳定性差，蛋白质团聚严重，而牛奶钙的添加对稳定性影响不大，几乎不会引起乳蛋白凝固。可以推测，微波场中的金属离子会产生强烈的振动，通过周围酪蛋白磷酸化物的结合，引发蛋白质聚集。

5 前景与展望

盐类组份在牛乳中所占比例尽管很小，但对于维持牛奶中酪蛋白胶束结构的稳定性发挥着至关重要的作用，从而对液态奶、酸奶及奶酪产品品质和货架期有着显著的影响。国内外研究已经证明当热处理温度限定在一定温度范围内时，盐类平衡是可逆的，但是对于温度超过一定范围后，盐类平衡会出现不可逆的现象。盐类平衡未来研究重点是如何量化牛奶和牛奶衍生体系中的实际条件下(如强化矿物元素乳或乳饮料)离子平衡；另外，建立离子形态预测模型用于预测体系中改变条件下的离子形态。