婴儿配方奶粉氧化稳定性的内在影响因素及检测方法研究

渠雪娜，于景华

（天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457）

0 引言

婴儿配方奶粉中最值得关注的稳定性质是脂质的氧化性，由于婴儿配方奶粉在配方上含有较多的多不饱和脂肪酸（PUFA），易发生氧化反应，产生自由基、氢过氧化物和聚合物[1]，导致奶粉营养价值下降，甚至对婴儿健康有不利影响。由于乳脂体系和氧化过程的复杂性，乳脂发生氧化的实际过程是相当复杂的。从婴儿配方奶粉本身的内在因素分析，其氧化稳定性在很大程度上取决于其脂肪酸组成和奶粉本身的颗粒结构特性等。

婴儿配方奶粉中脂肪的含量基本都在26%以上，作为婴儿生长发育的能量来源，并提供总能量供能比的45%～55%[2]。为满足婴儿的脑部发育需求，奶粉在配方设计时，会额外添加多不饱和脂肪酸。大量脂肪成分的存在对奶粉的氧化稳定性具有直接的显著影响。此外，奶粉本身独特的颗粒特性如奶粉颗粒大小，奶粉中脂肪球膜（M FGM）结构等会在一定程度上影响乳脂的氧化反应[3]，进而使奶粉的氧化稳定性发生变化。

目前，国内外对婴儿配方奶粉氧化稳定性的研究更多的集中于奶粉的储存条件、包装形式及抗氧化剂的添加等外部环境因素的影响，而奶粉本身的脂肪成分组成和奶粉颗粒结构特征等内在影响因素与氧化稳定性的相关机理研究较少。此外，一些研究已经报道了在婴儿配方奶粉中脂质氧化参数的变化[4]，但是食品体系和氧化过程的复杂性通常导致氧化测量的结果不一致，所获得的数据也比较混乱，因此，有必要对奶粉氧化稳定性的检测方法进行分析总结，全面准确的表征奶粉的氧化程度。

对婴儿配方奶粉的氧化机理、内在影响因素及检测方法的系统研究，有利于快速了解奶粉的氧化趋势，为婴儿配方奶粉的配方设计和加工工艺的控制等提供理论基础。

1 乳脂发生氧化的机理

以前，大家对乳脂氧化的理解有一定的偏差：大多数人认为不饱和脂质才会发生氧化，且发生氧化反应的速度与脂质的不饱和度正相关。其实，在含脂类的食品中，所有的脂质成分都能发生氧化。相比于不饱和脂质，饱和脂质的氧化条件相对比较苛刻，需在一定的外界辅助条件下才能反应化[5]。

文献数据表明，脂肪氧化产生不同产物的几种机制是已知的：自动氧化、光敏氧化和酶促氧化等几种氧化方式[6]。

在婴儿配方奶粉中，自动氧化是主要的脂质氧化反应[7]。室温下，不饱和脂类与氧气，在无光、无催化剂的条件下，直接发生的氧化反应为自动氧化反应。自动氧化过程其实是一个游离基反应的过程。初期阶段，不饱和的脂肪酸先生成游离基状态；此时的状态不稳定，易结合环境中的氧，生成过氧化物；最后过氧化物发生分解和聚合反应，形成更复杂的反应产物[8]。醛、酮等具有强烈风味的化合物就是氢过氧化物发生分解后产生的，这也是婴儿配方奶粉储存过程中不良风味产生的主要原因[9]。

2 脂肪酸组成对乳脂氧化的影响

母乳的重要营养品质在于其n-6和n-3系列长链多不饱和脂肪酸的含量，所以母乳中富含亚油酸（18:2n-6，LA）和α-亚麻酸（18:3n-3，ALA）等必需脂肪酸及花生四烯酸（ARA，C20:4n-6）和二十二碳六烯酸（DHA，C22:6n-3）[10]。由于人体缺乏在n-6和n-3位置形成双键的酶系，新生婴儿不能合成足够数量的这些脂肪酸来满足他们对脑发育和视网膜发育的需要，此类脂肪酸必需依赖于食物供给。将牛乳的脂质组成与脂肪酸谱与人乳脂质成分进行比较[11]，结果表明，牛奶脂肪不符合人乳脂肪替代品的要求，因此需要额外添加植物油来调整婴儿配方奶粉中的脂肪组成，尤其是脂肪酸的组成。与其它奶粉相比，婴儿配方奶粉中含有相对多数量的长链不饱和脂肪酸，导致其在加工和储存过程极易发生氧化。

乳脂肪氧化的程度除了受环境等外界因素的影响，起主导作用的还是自身的脂肪酸组成[12]，如脂肪酸的饱和度、脂肪酸链的长短、不饱和脂肪酸的双键位置及数量、游离脂肪酸含量等。从脂肪酸本身的性质来分析，相比于脂肪酸与甘油结合后的甘油三酯，游离状态的脂肪酸更易发生氧化且氧化速度更快；相比于饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸发生氧化的条件更简单，因此更易氧化。此外，不饱和脂肪酸中双键的立体结构与数量又与其氧化速率密切相关[13]。双键数方面，花生四烯酸有4个双键，亚麻酸有3个双键，亚油酸有2个双键，油酸有1个双键，因此四种脂肪酸氧化速度从高到低依次是花生四烯酸＞亚麻酸＞亚油酸＞油酸[14]。双键位置方面，脂肪酸中的双键主要以孤立、隔离和共扼这三种形式存在，其中，共扼形式的双键活性最高，孤立形式活性最低[15]，因此，氧化速度从低到高依次为n－9（孤立双键）＜n－6（隔离双键）＜n－3（共轭双键）。顺反构型方面，相比于顺式结构的不饱和脂肪酸，反式构型更加稳定，更不易被氧化[16]。

乳脂发生氧化期间，脂肪酸的氧化机理已经相对明确。但是这种氧化机理的理论分析还需应用到具体的奶粉体系中。因为奶粉氧化的过程是比较复杂的，影响乳脂氧化稳定性的因素也是复杂的，仅从双键的数量和结构来分析脂质氧化，显然是不够全面准确的。在随后的研究中，可以从奶粉脂质整体的脂肪酸含量和比例方面分析，应用相关性分析，建立相应的数学模型[17]，探索脂肪酸组成和乳脂氧化之间的关系。

3 奶粉颗粒结构对婴儿配方奶粉氧化稳定性的影响

3.1 奶粉的表面组成对乳脂氧化的影响

在婴儿配方奶粉中，脂肪是以球形结构存在，大部分脂肪球表面包裹着一层膜结构。但是，奶粉颗粒中除了均匀分布的含膜结构的脂肪球外，其表面和内部也有少量无膜包裹的脂肪球[18]，这种脂肪称为游离脂肪。

婴儿配方奶粉的喷雾干燥过程使几乎所有的脂肪在乳粉颗粒表面积累[19]。也就是说，奶粉颗粒表面会形成一个脂肪层，这层表面脂肪的存在会使乳粉更容易发生氧化反应，产生腐败变质。此外，均质过程也会影响乳粉表面游离脂肪的含量。因为婴儿配方奶的乳液经均质后，会形成由酪蛋白和乳清蛋白组成的人工膜[20]，可以保护喷雾干燥时粉体内部游离脂肪向表面迁移。而没有经过均质处理的乳液喷粉后，MFGM的损伤会引起奶粉颗粒中游离脂肪溶出，在奶粉表面积累。

除了化学表面组成外，还有颗粒的形态和孔隙度可影响奶粉的功能特性。由于乳粉颗粒是乳滴在高热热风接触下迅速干燥的产物，因此乳粉颗粒不可避免的会形成中空结构，中空结构中的中孔的连接和方向是随机的[21]，不同连通方式的孔可以在乳粉的表面吸附氧气，这将增加乳粉发生脂质氧化的风险。

3.2 奶粉颗粒的尺寸大小对乳脂氧化的影响

对于奶粉颗粒的大小来说，一方面，颗粒的尺寸越小，表示颗粒表面积越大，意味着氧扩散的速度越快，自由基和抗氧化剂之间的高电位接触[22]，这也意味着从颗粒的疏水核心到颗粒表面发生氧化的脂肪比例的增加，因此，认为婴儿配方奶粉的粉末颗粒尺寸减小会利于氧化的进行。另一方面，当颗粒尺寸减小时，每个粉末颗粒上的脂质分子的数量减少，颗粒表面吸附的表面活性化合物的数量增加[23]，而表面活性化合物会阻碍氧气发生渗透和扩散[24]，而此时，随着奶粉颗粒的尺寸减小，一定程度上会干扰氧化反应的进行。

3.3 脂肪球结构对乳脂氧化的影响

乳脂肪球表面包裹的脂肪球膜（M FGM），是由磷脂、蛋白质和糖蛋白类等几种物质组成的一层复合膜[25]。由于乳脂肪球膜的分隔作用，脂肪球能够相对稳定的分散在乳体系中，构成一个不连续的脂肪

层。婴儿配方奶粉中脂质氧化的不稳定性可能源自其脂肪球结构（尺寸分布和脂肪球膜组成），而脂质氧化的复杂性主要在于脂质相的不连续性[26]。

各种商业化婴儿配方奶粉的结构分析揭示了脂肪球表面蛋白质聚集体或脂肪和蛋白质之间形成的复合物的存在[27]，也就是说，婴儿配方奶粉中的脂肪球膜主要是通过磷脂和乳蛋白的匀浆来构建的[28]，可以隔绝氧气的扩散，减缓脂质自动氧化的速率。

相关研究人员认为[29]，母乳含有由生物膜覆盖的天然脂肪球，大致直径约为4μm，而婴儿配方奶粉中的脂肪球结构是在加热或均质过程中由配方中的脂质与蛋白质再构建形成的，再构建的脂肪球粒径很小，平均直径约为0.4μm，大约是母乳脂肪球直径的十分之一。因此，婴儿配方奶粉脂肪球表面积约为22㎡/g，远高于人乳（2㎡/g）。这种较大的脂肪球表面积会加快脂肪分解，增加氧气与脂质的反应接触面积，促进脂质氧化。

此外，M FGM中的蛋白质和脂类成分也与脂质氧化有一定的关系[30]。有研究表明在较高温度条件下巴杀灭菌的牛奶具有较好的氧化稳定性[31]，这是因为高温加热会导致牛奶脂肪球膜中的氧化酶发生热变性从而失去酶活。另有研究表明，牛奶中添加黄嘌呤氧化还原酶类底物会导致乳脂氧化速度增加；牛奶中添加超氧化物歧化酶或过氧化氢酶可导致乳脂氧化速度降低[32]。

4 婴儿配方奶粉氧化稳定性的分析方法

在乳脂氧化过程中，初级氧化产物的生成和分解之间存在动态平衡，而检测氧化性的方法通常只能反映乳脂氧化过程中某个时刻的氧化情况，利用单一手段来测定初级氧化产物或次级氧化产物含量并不能全面、准确地评价乳脂氧化状态。想要全面准确的表征乳脂氧化的稳定性，则需要综合采用多种方法来评估。

脂质氧化稳定性评价方法根据其测定产物的不同大致分为两类，即：测定初级阶段氧化产物的方法和测定次级阶段氧化产物的方法。

4.1 初级氧化产物的测定方法

测定初级氧化产物的方法包括测定氢过氧化物含量和共轭烯烃含量两种。

过氧化值是测定脂质氧化过程中氢过氧化物的含量。由于氢过氧化物主要存在于氧化的初期阶段，因此过氧化值的测定方法有一定的局限性，不太适用于氧化后期和氧化程度高的奶粉[33]。此外，测定奶粉的过氧化值时首先要对其进行复杂的前处理过程，即提取脂肪，这将导致测量时间的增加，并在一定程度上引入误差，对最后的测定结果有不利的影响，这也是该方法的局限之处。

脂质氧化产生的氢过氧化物通过共价键重排会形成共轭烯烃类物质，共轭双键在紫外区有强吸收[34]。因此，通常利用紫外分光光度法（UV-VIS）来测定脂质氧化过程中共轭烯烃的含量，以此来评价乳脂的氧化状态。同样地，共轭二烯值也存在一个动态的变化过程，只能反映某个时刻的氧化值，并不能准确的表征乳脂的氧化程度。

4.2 次级氧化产物的测定方法

次级氧化产物的测定方法是按照其沸点高低进行分类的：挥发性和非挥发性。

丙二醛是典型的不挥发性次级氧化产物[35]。硫代巴比妥酸值（TBA）就是通过测定乳脂次级氧化产物中丙二醛的量来表征婴儿配方奶粉的氧化稳定性。与过氧化值的测定类似，TBA在样品前处理方面有一定局限性。

丙醛、己醛和戊醛等醛类物质是次级氧化产物中主要的挥发性产物。目前已有许多学者利用顶空分析法（HSA）对奶粉中挥发性物质的含量进行检测，作为表征乳脂氧化程度的指标[36]。HSA的基本原理是气相和凝聚相在一定的条件下存在分配平衡，可以通过样品基质上方的气体成分来反应相应组分在样品中的含量。HSA是一种气体萃取法，成本低、精确度高、重现性好，已被逐渐推广使用。挥发性氧化产物的测定不需对样品进行过多前处理，是一种快速灵敏的检测方法。

5 总结与展望

婴儿配方奶粉的氧化稳定性除了受外界环境因素的影响外，其自身脂肪酸组成和乳粉颗粒结构也对氧化过程有显著影响。目前对奶粉内在因素的氧化机理研究，尚处于定性描述阶段，各因素对氧化过程的分析还不够系统、详细。在随后的研究中，应采用多维的分析手段、从分子或微观角度表征乳脂肪和氧化机制的相关性。而且，这种氧化理论分析还可以应用到具体的奶粉加工过程中，通过奶粉内在因素对氧化稳定性的影响，为奶粉的配方设计和加工工艺提供指导意义，为控制乳脂氧化奠定基础。

此外，一些更全面表征乳脂氧化的新型检测方法逐渐产生，包括Rancimat法、FTIR法、DSC法及拉曼光谱法（RS）等。这些方法大都建立在光谱分析的基础上，样品处理简单、测量精确度高、方法重现性好。