王国骄，刘振民，李楠，赵烜影

（乳业生物技术国家重点实验室，上海乳业生物工程技术研究中心，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海 200436）

乳制品营养成分丰富，含有蛋白质、脂肪、维生素等多种营养物质，而且含有人体所需的多种必需氨基酸，钙磷比例适当，有利于消化吸收[1]。近年来，随着人们生活质量的提高和健康意识的增强，乳制品已越来越受到消费者的欢迎。然而，牛乳自身独有的特性对乳制品质量方面的影响却越来越显著。牛乳的理化特性、各指标含量以及组成是明确工业生产相关过程参数值的关键参考信息，为更好地达到乳制品相关的卫生标准，牛乳的热处理显得尤为重要。牛乳加工期间，热处理将会使得其中的乳糖以及蛋白质等物质发生一定程度的理化改变，从而引发热稳定性问题，例如沉淀、结块以及水乳分离等情况发生。牛乳的热稳定性即高温处理期间，牛乳内出现肉眼不可见的凝胶或者是凝集物的性质，是用于评估牛乳在生产加工过程中工艺的合理性和乳制品质量的重要指标[2]。在实际的热处理加工中，由于乳清蛋白的变性和酪蛋白胶束的解聚作用，原有的无机盐平衡受到损坏，蛋白质彼此间的作用以及酪蛋白胶束呈现的表面电荷发生改变，会使得牛乳热稳定性有所改变。牛乳的热稳定性一般由热凝时间（HCT）表示，即在120℃、130℃或140℃加热期间乳中可见凝块出现的时间。热凝时间越长，牛乳的热稳定性越高，相反则热稳定性越低。

牛乳热稳定性受到诸多因素的影响，诸如奶牛的品种、健康状况、所处的泌乳阶段、饲喂情况以及加工工艺等都是很重要的因素，其可导致牛乳理化性质和成分发生变化，进而影响到牛乳的热稳定性。相关研究表明，不同来源乳表现出来的热稳定性具有显著的差别，且与其成分直接相关。例如，绵羊奶的热稳定性要低于山羊奶和牛奶[3]。乳中无机盐的组成及分布以及蛋白质的组成等都会对乳的热稳定产生影响，其中蛋白质和无机盐之间的相互作用以及无机盐的平衡都在乳的热稳定性中起着关键作用[4～6]。有研究报道指出，牛乳的pH值及其无机盐、乳蛋白及多态性、非蛋白氮、乳脂肪、乳糖含量和体细胞数等都会给牛乳热稳定性带来显著影响[7]。针对以上影响因素及相关作用机理，本文将一一进行介绍。

1 牛乳pH值

pH值是牛乳稳定性影响因素中极为重要的因素之一。牛乳因β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-LG）的基因型不同而分为A型乳、B型乳和C型乳，C型乳较少。在不同的pH条件下，A、B两种类型牛乳的热稳定性差异显著。Koutina等[8]研究了牛乳的热稳定性与pH值之间的关系：两者间的相关曲线A型乳具有与驼峰相近的双峰结构形式，并且在pH=6.7时具有最大的热稳定性。在远离pH6.7时，稳定性降低。当在pH＝6.9的情况下，其热稳定性降至最低点，随后随着pH值的继续升高，其稳定性也随之升高。对于大部分A型乳而言，其天然pH值与其最稳定的pH值表现出相近性。B型乳的热稳定性水平会随着pH的升高而增加。在pH6.9时，绵羊奶的初乳和成熟牛乳的稳定性最佳。当pH＜6.9时，伴随pH持续下降，乳的沉淀速率显著增加，其稳定性明显降低[9]。

2 牛乳中无机盐种类及含量

牛乳中的无机盐以胶体和游离态两种存在方式呈现，超过90%的钾盐、柠檬酸盐以及钠盐都处在游离状态，而66%的钙盐以及57%的磷酸盐都以胶体形式存在[10]。牛乳中无机盐的占比，尤其是钙盐、磷酸盐和柠檬酸盐之间的比例，对牛乳的稳定性影响较大。当它们之间的平衡被破坏时，将导致牛乳的热稳定性降低[11]。Fox报道了乳的热稳定性和乳中的盐类之间的关系。研究表明，易溶解的盐类，尤其是钙和磷酸盐，在原料乳和浓缩乳的热稳定性中起着重要作用[9]。随着钙盐浓度的增加，牛乳的热稳定性降低。如果添加柠檬酸盐或磷酸盐以降低钙离子的浓度，则热稳定性会提高[12]。

乳清相和胶体中的钙、磷分布对于牛乳的热稳定性起着关键性的影响作用，特别是胶体磷酸钙(CCP)的存在，在维系酪蛋白胶束结构完整性方面发挥着关键性作用。Deeth等提到Sommer的“平衡理论”认为在最稳定的牛乳中，钙、镁之和与磷酸盐、柠檬酸盐之和在一定范围内应该有一个合理的比值。如果偏离此值，牛乳的热稳定性就会下降。若牛乳偏酸性，则表明牛乳中钙镁含量不足。如果牛乳碱性过强，则说明牛乳中磷酸盐和柠檬酸盐的含量不足[13]。由此可见，加入柠檬酸会使牛乳的pH值出现变化，使原本接近中性水平的牛乳呈酸性状态，并且在持续添加柠檬酸的情况下，牛乳的pH值也会随之明显降低。当pH值下降到酪蛋白的等电点时，大量酪蛋白胶束会发生絮凝沉淀，使得乳液质量明显变差[14]。因此，在乳制品的生产加工过程中，柠檬酸的添加量不宜过多，应控制在0～0.5mg/100mL添加范围。当柠檬酸浓度持续增加，乳蛋白具有的稳定性将显著下降；当Ca2+浓度在0.1～2.0mg/100mL之间时，酪蛋白胶束的稳定性水平随Ca2+浓度持续增加而有所下降[15]。

研究发现，用渗析或者是酸化技术对CCP进行一定去除后，能够显著增强乳的热稳定性水平；在去除40%CCP的情况下，能够在最差稳定性区域内实现稳定性的增长；但是，当CCP去除超出60%以及pH＞7.1时，乳热稳定性将会明显降低；在CCP升高一倍的情况下，在整个pH范围中，乳的热稳定性均下降[16]。pH的变化对乳热稳定性的影响以及CCP的相关作用机理目前并不是很明确，很大程度上是因为酪蛋白呈现出了脱磷酸化作用，从而影响了其表面结构的稳定性，使得酪蛋白与CCP两者的结合度下降，导致了胶束的解聚，从而使得乳的热稳定性降低[17]。

3 牛乳中蛋白质组成及其多态性

3.1 乳蛋白的组成

牛乳中的蛋白质有乳清蛋白和酪蛋白两种类型，其中，酪蛋白是乳蛋白的主要组成部分，占比76%～86%，包含αs1-酪蛋白以及β-酪蛋白等。在牛乳中，α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、血清白蛋白、免疫球蛋白等组成了乳清蛋白。酪蛋白在牛乳中以胶束形式呈现，酪蛋白胶束的稳定性是影响牛乳热稳定性的重要因素。κ-酪蛋白形成的具有流动特性的表面扩散层构成酪蛋白胶束表面，以此来保证胶束的空间稳定性[5,6]。

此外，胶束表面的κ-酪蛋白以及可溶性β-乳球蛋白两者间的比例影响着牛乳的热稳定性水平，胶束的粒径变大则热稳定性低，反之则高。酪蛋白胶束的尺寸大小与其蛋白质组成表现出紧密地联系[18]。牛乳中κ-酪蛋白比例的增加降低了酪蛋白胶束的体积，从而增加了牛乳的热稳定性[19～21]。在进行热处理的过程中，酪蛋白会发生解聚现象，尤其是酪蛋白胶束中的κ-酪蛋白发生解聚，改变了牛乳的热稳定性。在pH=6.8时，乳清蛋白以及酪蛋白胶束表面的κ-酪蛋白通过热诱导发生聚合，从而提高了牛乳的热稳定性水平。当pH＞6.8时，κ-酪蛋白从酪蛋白胶束中解聚出来，使得胶束表面电荷量降低，从而热稳定性减弱[5]。当以pH＜6.8处理时，变性状态的乳清蛋白以及κ-酪蛋白经由二硫键的作用实现连接，再与酪蛋白胶束彼此作用后，形成复合物。在高pH环境下，乳清蛋白的状态从与酪蛋白胶束聚合转变为解聚，κ-酪蛋白的解聚程度伴随pH值的升高而增加。结果，能够对酪蛋白胶束起到稳定作用的表面电荷力下降，牛乳整体的热稳定性减弱[22,23]。Mcmahon等通过经由凝乳酶对κ-酪蛋白进行水解作用的方式进行证实，明确当pH≥6.9时，κ-酪蛋白对牛乳热稳定性起到重要的影响作用。在浓缩牛乳前加入κ-酪蛋白可以增加浓缩牛乳的热稳定性[24]。B型牛乳的热稳定性水平要取决于κ-酪蛋白和β-乳球蛋白两者的占比情况。如果直接去除β-乳球蛋白，牛乳的热稳定性会明显降低[5]。在一定强度的热处理情况下，β-乳球蛋白存在着变性的情况，并且能够与κ-酪蛋白发生交联[25]。当热处理强度持续增加，α-乳清蛋白也将面临变性的问题，并且能够与已经发生变性作用的β-乳球蛋白进行结合，形成的复合物会结合在酪蛋白胶束表面[26]，使得酪蛋白胶束粒径变大并相互聚集。牛乳的热稳定性不仅会因为κ-酪蛋白和β-乳球蛋白两者的占比情况而发生改变，而且其他的酪蛋白以及乳清蛋白的变化也会对牛乳的热稳定性带来影响[5]。

3.2 乳蛋白的多态性

国外学者的研究结果表明，κ-酪蛋白以及β-乳球蛋白二者的多态性也会对牛乳热稳定性产生重要影响。当乳pH值达到最大稳定性pH值时，含有κ-酪蛋白的AB基因型乳其热稳定性要明显高于同样分布着κ-酪蛋白的AA基因型乳[27]。β-乳球蛋白存在十二种异构体类型，其中相对较多的是β-乳球蛋白A、B和C，含有β-乳球蛋白的AA基因型乳呈现的热稳定性水平高于含有β-乳球蛋白的BB基因型乳。含β-乳球蛋白的BB基因型乳以及存在着κ-酪蛋白的AB基因型乳比含其余多态性异构体的牛乳具有更高水平的热稳定性。结果还发现，κ-酪蛋白和β-乳球蛋白异构体的不同组合对牛乳的热稳定性的影响差异显著。国外学者指出，β-乳球蛋白异构体对牛乳的热稳定性影响明显，其中，含有β-乳球蛋白BB基因型乳的热稳定性较差，而κ-酪蛋白具有的多态性给牛乳的热稳定性带来的影响并不明显[28]。

4 牛乳中非蛋白氮含量

研究表明，牛乳中的非蛋白氮，尤其是尿素的含量，会显著影响牛乳的热稳定性。尿素是一种内源性化合物，与牛乳热稳定性表现出高度的正相关性。因此，在添加尿素的情况下，牛乳热稳定性会显著升高[5]，添加尿素酶水解尿素则会明显减弱牛乳的热稳定性[29,30]。此外，尿素的热降解产物能够与氨发生作用产生缩二脲、缩三脲、甲基脲等，这些产物也能增加牛乳的热稳定性水平[31]。有报道显示，尿素可以提高牛乳中蛋白质的缓冲能力，这是其可以增强牛乳热稳定性的重要原因所在。尿素经过高温处理后，被分解为具有缓冲能力的氨以及二氧化碳（CO2）。其中，氨可以避免牛乳因热诱导酸化而引起的pH下降，CO2则可以抑制牛乳在热处理过程中的pH下降[32,33]。另一项研究报道，尿素可使酪蛋白发生溶胀，通过增加酪蛋白胶束的静电屏障，对酪蛋白胶束发生的聚合和絮凝起到抑制的作用，以此来提高牛乳的热稳定性水平[34]。

5 牛乳中乳脂含量

乳脂对牛乳的热稳定性影响不大[35]。有研究表明，在31MPa压力下，均质后脱脂乳的热稳定性基本不受影响，但均质后的全脂乳的热稳定性会显著降低[36]。

6 牛乳中乳糖含量

在乳糖含量持续升高的情况下，将会使得牛乳的热稳定性有所降低，牛乳中乳糖的来源主要是半乳糖以及葡萄糖等物质，约占牛乳总成分的4.8%。在乳糖浓度出现变化的情况下，牛乳的热稳定性水平也会随之改变[37]。研究表明，乳糖含量持续增加，会使在整个pH范围内的牛乳热稳定性减弱。乳糖能增加Ca2+的活性，而Ca2+和乳糖浓度的增加会引起牛乳热稳定性的降低。乳糖水解后的牛乳其热稳定性会显著提高，尤其是A型乳[38]。

7 牛乳中体细胞数含量

王芳等人的研究已经表明牛乳中的体细胞数与热稳定性密切相关，体细胞的增加会导致热稳定性的降低，尤其是在乳制品加工过程中[39]。牛乳中的无机盐成分在乳制品加工过程中对其稳定性有着重要的影响。保持牛乳中钙、镁、磷酸盐和柠檬酸盐的动态平衡性是确保牛乳具有良好热稳定性的必要条件[40]。而体细胞数过多则会引起乳盐含量的变化，导致乳盐的平衡被破坏，从而降低了牛乳的热稳定性。乳中体细胞数量与奶牛是否患有乳房炎、泌乳牛牛龄、产犊胎次、泌乳期、产奶量、季节变化、环境应激因素、挤奶间隔和挤奶频率、遗传因素等有关[41～43]。

8 奶牛所处泌乳时期

原奶因来自奶牛的不同泌乳时期，其热稳定性具有明显差异，这很大程度上是由原奶成分的差异造成的。一般来说，泌乳早期以及晚期产生的牛乳乳清蛋白的含量较高，pH值相较常乳也有所不同，均不在常乳pH（6.6～6.7）的热稳定性范围内。总柠檬酸盐以及可溶性柠檬酸盐的含量在奶牛整个泌乳周期中显著降低，因此初乳和终乳的热稳定性普遍比常乳差[44]。

随着泌乳时间的延长，乳中蛋白质含量逐渐降低，乳热稳定性逐渐升高。对羊奶进行不同程度的热处理时，酪蛋白的理化性质和分子结构也将呈现出相应的改变。超出70℃的热处理能够让乳清蛋白发生热变性现象，使得β-乳球蛋白和酪蛋白胶束表面的κ-酪蛋白结合形成复合物，黏附在胶束表面位置[45,46]，造成蛋白质的变性，乳随即发生絮凝沉淀。

9 牛乳加工工艺

9.1 热处理工艺

在实际的牛乳加工期间，针对不同的加工目的，热处理所达到的效果也有所差别。牛乳经由不同的加工工艺，可获得不同的液体产品，例如：巴氏杀菌奶、ESL奶、UHT奶等[47]。三种产品加工工艺的显著差别来自于热处理操作的目的和强度的不同。在对牛乳进行加热处理期间，乳蛋白极易因受热而发生变性，当加热工艺存在差别的情况下，对牛乳的热处理强度也有很大的差异。在UHT灭菌过程中，温度越高、加热强度越大，热稳定性越弱[48]。牛乳经过热处理后，其pH值和钙离子浓度也会发生变化，从而影响牛乳的热稳定性详见表1。

表1 不同工艺水平下牛乳pH值以及钙离子浓度的变化

9.2 膜过滤技术

膜过滤技术（包括微滤、超滤、纳滤、反渗透等）用在脱脂牛乳浓缩时，该技术容易使酪蛋白胶束之间发生黏附，并且会在膜表面形成凝胶层物质，同时，在浓缩液体系中也极易发生酪蛋白胶束黏结的情况，从而使得牛乳在热处理过程中更容易发生凝固[49]。采用膜过滤技术对脱脂乳进行浓缩时，也会改变脱脂乳的pH值、钙离子浓度、蛋白质含量等组分，最终牛乳的热稳定性会因牛乳组分的改变而受到影响[50,51]。

热稳定性是牛乳极为关键的加工特性，是评估其工艺合理性以及牛乳品质优劣的关键参考指标。牛乳的热稳定性受其pH值、无机盐、乳蛋白及其多态性、非蛋白氮、乳脂肪、乳糖和体细胞等多重因素影响。并且，即便是牛乳的来源相同，其热稳定性和成分也会有所不同。由此可知，牛乳的热稳定性是经由诸多因素相互作用影响的结果。今后，随着生物学、基因组学以及遗传学等相关研究技术的持续发展与进步，其研究范围将得到不断地延伸与扩大。