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牛奶光氧化研究进展

2020-09-10张清阳王少雷苏美丞谭冬飞贾曼白莹陈刚

中国食物与营养 2020年12期
关键词:牛奶

张清阳 王少雷 苏美丞 谭冬飞 贾曼 白莹 陈刚

摘 要:综述牛奶中不同光敏剂、氧化产物及如何降低光氧化的研究进展,以期对牛奶的储存、质量鉴定和包装选择提供科学依据。

关键词:牛奶;光氧化;光敏剂;氧化产物

牛奶极易被光敏氧化,在生产和加工的过程中基本是处于避光的环境,以避免产生异味导致保质期被缩短。牛奶中所含有的核黄素、原卟啉、四吡咯和叶绿素等光敏剂在其光氧化中起到了关键作用,此外,牛奶中对人体发育生长和代谢调节起着重要作用的钙、铁、铜、镁、磷等元素在受到光照时,会加速牛奶的光氧化反应。大量研究人员为了解释牛奶中的光氧化机理,降低牛奶中光氧化的危害,已经开展了大量工作[1-2],研究认为,具有相对较长保质期的牛奶是通过完全阻挡光线获得的[3]。本文综述牛奶中的光敏剂、光诱导的蛋白质和脂质氧化以及如何降低光氧化所带来的危害的研究进展。

1 牛奶中的光敏剂

1.1 核黄素(维生素B2)

光诱导氧化是限制牛奶保质期的主要因素之一,这是由于光敏剂受到光照激发而引起的,核黄素在牛奶的光氧化过程中具有重要作用[4]。核黄素通常是一种I型光致敏剂,它可通过提取H原子或通过与蛋白质和脂质中的双键直接反应提供电子而产生自由基[5]。核黄素在受到光照时也会降解为光色素和光黄素,并且光色素被认为是核黄素降解的主要产物[6]。核黄素主要吸收紫外和蓝色光,其吸收光谱大概在200~480 nm之间[7-8],此波长的光照不仅会导致核黄素的降解,而且会导致乳制品的质量下降,然而维生素C却对核黄素具有一定的保护作用[9-11]。Lee等[12]在牛奶中添加不同浓度的核黄素,其牛奶光氧化产物戊醛和己醛会随核黄素浓度的增加而增加。在全脂牛奶(3.5%的脂肪)中,β-胡萝卜素和核黄素是同时存在的,并且它们吸收相同波长的光,含量分别是20 、141 μg/100 g[13-14],然而只有核黄素是促进光化学反应并导致光氧化的光敏剂。一些研究认为,β-胡萝卜素可以吸收500 nm以下大部分的光,从而减少光敏剂的反应,防止蓝光以下的光氧化[13]。

1.2 原卟啉

原卟啉在牛奶的光氧化过程中也具有重要作用,越来越多的研究证实,牛奶不仅在蓝光和紫光中发生了光氧化反应,并且在600 nm以上的红光照射时也会发生。然而原卟啉可吸收540~580 nm,以及600 nm以上波长的光[15-16],这也使得研究人员不能忽视它的存在。光敏剂在参与光氧化反应的过程中都会被降解,如果隔绝光照,那么光敏剂便会停止发挥作用[17]。Wold等[18]在对光敏剂的研究中认为,原卟啉的降解速率与黄油氧化的感官评定密切相关。

1.3 四吡咯

四吡咯色素是自然界中存量最大、分布最广的一类色素。叶绿素、血红素均具有四吡咯衍生物类分子结构。环状四吡咯化合物包括卟啉、卟吩、细菌卟吩、异菌卟吩、可啉等[19]。黄油中的四吡咯浓度比奶酪和牛奶中的浓度要高很多,而核黄素却恰恰相反[20],这可能是由于核黄素是水溶性的,而四吡咯则溶于有机溶剂。四吡咯的吸收波长大致在400~500 nm之间,以及600 nm以上,与核黄素和原卟啉具有相同波长范围,但四吡咯,特别是叶绿素类化合物,在橙光下比在蓝光下更容易降解,其降解的程度与感官异味的形成密切相关[14]。

1.4 叶绿素

叶绿素主要有叶绿素a和叶绿素b,其在牛奶的光氧化过程中也具有一定的作用。有研究发现,干酪中存在天然的叶绿素a和叶绿素b,其光诱导的降解对干酪和其他的一些乳制品的光氧化具有重要作用[20]。叶绿素通常作为II型光致敏剂发挥作用,产生高活性单线态氧,促使牛奶中物质发生氧化反应,而且高水平的叶绿素代谢物的存在可以协同降解核黄素,从而导致牛奶质量下降[21-22]。叶绿素主要吸收640~660 nm的红光和430 ~450 nm的蓝光,当其受到光照时也会发生降解[23]。叶绿素的降解速率对光照强度的变化非常敏感,光照强度越大,其降解速率越快,遵循一级动力学[24]。当然,叶绿素在不同溶剂中受到红光和蓝光照射时,其降解速率也大不相同[25]。

2 蛋白质和脂质的氧化

2.1 蛋白质氧化

蛋白质是牛奶中重要的营养成分之一,其中以酪蛋白为主,约占86%,其次是乳白蛋白和乳球蛋白,分别占9%和3%左右。蛋白质氧化通常会造成氨基酸修饰、肽键断裂、蛋白质交联聚合、蛋白质构象产生变化,以及蛋白质免疫学性质变化[26]。当牛奶中蛋白质受到光照时,会受到两种情况的破坏。第一种受到波长小于约310 nm的光照时,蛋白质中酪氨酸、色氨酸和芳香类氨基酸会吸收能量,引起肽键断裂,造成蛋白质变性,肽链断裂还可能产生一些有异味或毒害的物质或者色素;另一种是受到约310 nm以上的光照时,会使牛奶中大量光敏剂被激发,发生光氧化反应,生成硫化物、二甲基二硫化物等物质,引发牛奶的异味而使其变质[27]。核黄素作为最主要光敏剂,可诱导蛋白质结构变化,造成α-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白、乳铁蛋白、α-乳清蛋白和β-乳球蛋白不同程度上羰基含量的增加[28]。在早年的研究中,β-酪蛋白光氧化可导致组氨酸、色氨酸和酪氨酸损失[29],κ-酪蛋白光氧化则可导致组氨酸完全损失,色氨酸损失将近70%[30]。此外,在光照72 h后,β-乳球蛋白的一级结构水平上观察到显著变化,其中异亮氨酸和酪氨酸丢失,α-乳清蛋白显示酪氨酸残基丢失,并且这与核黄素的降解密切相关[31]。不同的蛋白在光氧化后变化程度不同,酪蛋白中含有的色氨酸残基和二酪氨酸的氧化变化很高,β-乳球蛋白和乳铁蛋白中肽的含量增加[32],这可能与氨基酸的损失有关。

2.2 脂质氧化

脂肪也是牛奶中重要的营养物质,乳脂中含有约400多种脂肪酸,其中包括60种羟基脂肪酸。有报道曾指出,在羊乳、牛乳和豆乳中共检测出磷脂酰甘油、神经酰胺、鞘磷脂、单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸等13类脂质[33]。当牛奶中光敏剂被激发时,发生光氧化反应,并且可以诱发乳脂的自动氧化。乳脂的自动氧化主要包括诱导期、传播期和终止期三个过程,当有金属离子存在时,会极大地提高氧化速率[34]。多不饱和脂肪酸的存在易受脂质氧化的影响,氧化脂质与食物中的蛋白质发生反应,从而产生聚合蛋白复合物,多不饱和脂肪酸含量越高,乳制品更容易发生脂质氧化,并且还会影响到蛋白质的消化率[35]。乳脂的光氧化主要是1O2作用于乳脂中不饱和脂肪酸的双键上,形成六元过渡化合物,使双键发生移位形成极不稳定过氧化物,过氧化物极不稳定,易分解成醛、酮、醇、酸、碳水化合物、内酯、呋喃和酯类等物质。当牛奶暴露于紫外線下,将促进脂肪氧化为醛类,以及含硫氨基酸的降解,其中脂肪族醛等羰基化合物会产生不良气味,是导致乳脂酸败的主要因素。光氧化对乳脂酸败的促进作用不言而喻,其酸败程度与光线波长、光照强度、光照时间以及光源有关[36]。

3 牛奶中的光氧化产物及其危害

牛奶中光氧化产物主要以挥发性产物和非挥发性产物两种形式存在。20世纪末,Jung等[37]通过对脱脂牛奶不同时间的光照试验,认为随着光照时间的延长,光诱导的异味和二甲基二硫化物明显增加,并且认为二甲基二硫化物是脱脂牛奶中光诱导异味的主要原因。Jonathan等[38]在研究延长保质期牛乳光氧化导致的挥发性成分时,也检测到了二甲基二硫化物,同时也检测到甲硫醇、丙酮/丙醛、戊醛/辛烷醛/壬醛/1-辛烯-3-醇、己醛、二乙酰基、庚醛和苯甲醛等物质。Wold等[7]在测定不同波长光照对牛奶的影响研究中,通过顶空固相微萃取的方法检测到挥发性产物中有1-戊醇、戊醛和己醛,但并未检测到二甲基二硫醚(DMDS)和苯甲醛两种蛋白质氧化产物。越来越多的研究指向牛奶中光敏剂是诱导光氧化反应的重要因素[7,16]。徐雯等[16]研究认为,核黄素在400~500 nm 、原卟啉在 500~600 nm 光照波段下降解迅速,牛奶在这两个光照波段下氧化也更为迅速,这与Wold的研究结果相同。Hu P C等[39]在早些年的研究中就指出,核黄素的存在可以促进胆固醇的降解及其光氧化产物的产生。Juliana M等[40]在研究中也认为,核黄素是蛋白质氧化的光敏剂。除了核黄素外,还有原卟啉、四吡咯等光敏剂,在牛奶的光氧化反应中也具有一定作用。Airado-Rodriguez等[14]在对牛奶进行四吡咯可吸收的橙色光照射时,发现四吡咯和叶绿素类化合物降解程度非常大,并且其降解程度与感官异味的评定密切相关。牛奶中最主要的蛋白为酪蛋白。Fuentes-Lemus等[41]在对有氧和厌氧条件下由核黄素诱导的α-和β-酪蛋白的光氧化作用的研究中,通过Western Blot实验,证明酪蛋白的氧化产物中有双酪氨酸的形成,并且其生成量随氧气浓度的减少而增加。李博文等[42]在研究酪氨酸氧化产物对生长期小鼠脑和行为的影响时,发现酪氨酸氧化产物激活海马线粒体凋亡途径和下调学习记忆相关基因的同时,引起氧化还原状态失衡、炎症因子水平升高、海马氧化损伤和神经递质紊乱,最终导致小鼠学习和记忆障碍、反应迟缓和焦虑样行为的增加。

4 如何预防或降低光氧化对牛奶的危害

4.1 饲养管理

不同的饲养环境、不同的饲养管理方式,以及不同日粮饲喂都有可能对牛奶的感官和成分造成影响。段家昕等[43]曾在研究中提出,当饲料中添加紫花苜蓿饲料时,可改善牛奶的色泽,添加燕麦草饲料或麦秆饲料可改善牛奶口感,降低异味。通过GC-MS对饲喂紫花苜蓿饲料的牛奶进行测定时,十一酮、1-壬烯-3-酮、丙酮醛含量较高,饲喂燕麦草饲料的牛奶辛酸、癸酸、油酸乙酯含量较高,饲喂麦秆饲料的牛奶十二烷、十五烷、二十烷含量较高,这可能是饲喂日粮不同,造成牛奶成分存在差异。Fabio Correddu等[44]曾对不同饲料添加对绵羊乳的光氧化程度进行分析时,认为饲料掺加葡萄籽并没有降低羊奶中的脂质氧化产物的水平,但却有效地降低了不饱和脂肪酸的氧化程度。

4.2 添加剂

在食品添加剂中,抗氧化剂的种类有很多,如维生素C、亚硫酸和亚硫酸盐都是比较常用的抗氧化剂,其中丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、没食子酸丙酯(PG)、特丁基对苯二酚(TBHQ)和生育酚是国际上运用比较广泛的五种抗氧化剂。班斓等[45]在对牛奶的抗氧化研究中,认为留兰香提取物是延缓液态奶氧化的主要活性成分,并且在与其他抗氧化剂共同作用下降低了氧化产物的累积。邵凯[46]曾在文章中指出,可以通过在饲料中添加维生素E来避免饲喂红三叶导致的牛奶加速氧化腐败。维生素C和生育酚也是可向牛奶中添加的不错的抗氧化剂,Chang等[47]曾在研究中发现,添加了0.025%的维生素C和0.025%的生育酚的牛奶处于LED灯照射下48 h,与避光处理的牛奶相比,尽管添加维生素C和生育酚也可能产生了令人不愉快的气味,并无法在阳光味上区分出差异。Schiano等[48]曾尝试向脱脂乳中添加维生素A和维生素D,但其对轻度氧化的异味,以及脂质氧化相关的挥发物(己醛和庚醛)并没有产生影响。由此可见,向牛奶中添加维生素来改善牛奶的异味还是较难实现的。

4.3 包装

牛奶在加工及运输过程中很少受到光照的影响,包装在销售时便显得格外重要,如今牛奶包装层出不穷,其中以利乐包、屋顶盒、无菌塑料袋、玻璃瓶、百利包以及康美包为主,更有甚者以透明塑料袋包装牛奶,不仅不利于对牛奶的保护,而且在一定程度上对环境造成污染。Wang等[49]曾在研究LED灯不同光照下对牛奶影响的研究中指出,光保护添加剂(TiO2)和阻氧材料(PET)的组合使用可有效减少牛奶中核黄素的损失,最终降低氧化产物的形成。TiO2的使用可有效地散射和折射光线,通过减少某些光波的传输来阻断光氧化,与一些半透明或透明包装相比,使用TiO2的包装在荧光灯照射下,对牛奶的营养成分和风味提供了更好的保护。Wang等[50]在研究中还指出,包装中添加较高浓度的TiO2比低浓度的TiO2能更好地控制牛奶中光诱导氧化。Johnson 等[51]在研究中通过对比含有不同浓度TiO2(低:0.6%、中等:1.3%、高:4.3%)的高密度聚乙烯瓶,高浓度TiO2的高密度聚乙烯瓶装牛奶在光暴露22 d提供了类似于光保护控制组件的保护。Intawiwat等[8]研究了不同颜色的聚乙烯薄膜对巴氏牛奶光氧化的影响,认为绿色薄膜的透光率低,最大程度地减少光敏剂对有害波长的暴露,并且几乎完全阻挡了波长小于450 nm和波长大于600 nm的光,从而阻止了核黄素和叶绿素化合物的光氧化。

5 结论

近年来,掀起一波牛奶光氧化研究的热潮,牛奶中的光氧化反应是一个复杂的过程,光照不仅可以通过激发光敏剂,从而诱导反应的发生,而且还可以直接造成蛋白质和脂质的变性,并且氧气含量对光氧化反应也有较大的影响,以及牛奶中所含的金属离子对光氧化反应起到了加速作用。牛奶光氧化主要发生在销售过程中,但想要降低或避免光氧化對牛奶的危害,还是要从牛奶本身、光源和包装等方向入手。总而言之,遵循环保理念,降低成本,探索牛奶中的光氧化机理,寻求降低牛奶光氧化带来的危害,寻找更有利于包装牛奶的材料,一直是研究者们追求的目标。

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