戴智勇，樊垚，汪家琦，董玲，潘麗娜，李輝宇，姜毅康

（澳優(yōu)乳業(yè)（中國(guó)）有限公司，長(zhǎng)沙410200）

0 引 言

近年來(lái)，隨著嬰幼兒配方奶粉工藝?yán)碚摰陌l(fā)展及生產(chǎn)設(shè)備的創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)外嬰配奶粉行業(yè)逐漸引入氣體調(diào)整包裝技術(shù)（MAP, Modified Atmosphere Packaging）的理念，在生產(chǎn)中對(duì)嬰配奶粉產(chǎn)品中充入惰性氣體，調(diào)整產(chǎn)品中氣體比例[1]。由于奶粉產(chǎn)品中脂肪含量較高，充入惰性氣體，有助于抑制奶粉在貨架期內(nèi)的氧化，延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期[2]。具體的操作方式通常為，奶粉混合傳輸過(guò)程中同步進(jìn)行充氣排氧。在預(yù)裝到對(duì)應(yīng)的包裝罐或包裝袋后，對(duì)包裝進(jìn)行抽真空的同時(shí)，迅速充入一定量的惰性氣體，之后再進(jìn)行包裝密封。

嬰配奶粉行業(yè)中常使用的惰性氣體主要為二氧化碳（CO2）及氮?dú)猓∟2），對(duì)于惰性氣體種類的選擇及比例的確定，企業(yè)根據(jù)各自產(chǎn)品配方有不同的參數(shù)設(shè)定。研究表明，惰性氣體工藝在物理方面作用類似，氮?dú)饧岸趸季膳懦霎a(chǎn)品中本身含有的氧氣成分。同時(shí)，二氧化碳對(duì)革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性微生物的生長(zhǎng)同時(shí)均具有抑制作用，可以降低細(xì)胞內(nèi)pH值。此外，二氧化碳與奶粉在長(zhǎng)期接觸過(guò)程中，會(huì)與奶粉中的脂肪發(fā)生一定程度的結(jié)合，進(jìn)一步增加奶粉罐內(nèi)真空度[3]。真空度增加，會(huì)使奶粉罐口鋁箔逐漸內(nèi)凹，進(jìn)一步緩解密封卷罐時(shí)發(fā)生的鋁箔褶皺等現(xiàn)象。

本文將惰性氣體組成工藝不同的嬰配奶粉作為研究對(duì)象，重點(diǎn)針對(duì)不同惰性氣體的選擇，對(duì)奶粉產(chǎn)品中的貨架期穩(wěn)定性的影響進(jìn)行全面研究。對(duì)比不同氣體組成對(duì)貨架期的影響，為未來(lái)生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供一定指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

嬰幼兒配方奶粉樣品組A（僅填充N2）；嬰幼兒配方奶粉樣品組B（填充N2及CO2），N2及CO2氣體，純度均大于98%。

實(shí)驗(yàn)主要試劑: 硫酸鉀，硫酸銅，濃硫酸，氫氧化鈉，硝酸，鹽酸，高氯酸，釩鉬酸銨，氫氧化鈉，二硝基酚，亞鐵氰化鉀，乙酸鋅，正己烷，無(wú)水乙醇，醋酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純；鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳、磷、硒、碘標(biāo)準(zhǔn)樣品，美國(guó)Sigma；氮?dú)?，氫氣，長(zhǎng)沙高科特種氣體廠；超純水，自制備；濾紙，分液漏斗，氯化鈉，氫氧化鈉，磷酸二氫鈉，磷酸氫二鈉，無(wú)水乙醇等。

全自動(dòng)凱氏定氮儀，電子天平，氣相色譜儀；FID檢測(cè)器，安捷倫7890A；高效液相色譜儀，安捷倫1260；原子吸收分光光度計(jì)，安捷倫AA-240FS；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器；紫外分光光度計(jì)，上海光譜儀器公司SP-1920；自動(dòng)高壓蒸汽滅菌器；超聲波清洗儀；高速電動(dòng)離心機(jī)；移液槍；PH 計(jì)；氮吹儀；馬弗爐；實(shí)驗(yàn)高溫烘箱等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

選取同一1 段嬰配奶粉產(chǎn)品配方，但惰性氣體組成工藝不同的2 批次嬰幼兒配方奶粉樣品。樣品組A為純氮?dú)猓∟2）填充工藝，樣品組B 為氮?dú)?二氧化碳（N2-CO2）混合填充工藝，混合比例7∶3。

1.2.2 加速實(shí)驗(yàn)

為縮短研究周期，選擇常用的加速破壞性試驗(yàn)（Arrhenius 模型）進(jìn)行產(chǎn)品貨架期模擬[4-5]。根據(jù)Ar?rhenius 經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于正常化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)溫度每升高 10 ℃ ，反應(yīng)速度升高 1 倍，即 K[T+10 ℃ ]/ K[T]=2（公式中K 為反應(yīng)速度），而反應(yīng)速度與食品貨架期壽命成反比，即反應(yīng)速度數(shù)越大，貨架壽命越短[6]。因此有Q[T+10℃]/Q[T]=2（公式中Q 為食品貨架壽命），見表1數(shù)據(jù)。

表1 溫度與貨架壽命的系數(shù)關(guān)系

由此可見，37 ℃溫度下儲(chǔ)存8 d，相當(dāng)于15 ℃溫度下儲(chǔ)存32 d。常規(guī)嬰配奶粉2 年的常溫貨架期，可以通過(guò)37 ℃溫度水平192 d（約6 個(gè)月）完成模擬。本文最終選擇，分別將兩批次樣品放入37 ℃溫度水平烘箱內(nèi)，模擬產(chǎn)品完整貨架期。

1.2.2.1 檢測(cè)周期及方法

根據(jù)產(chǎn)品各自生產(chǎn)日期，分別選擇生產(chǎn)后第0 天及6 個(gè)月后作為加速實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)間點(diǎn)。取樣后對(duì)產(chǎn)品中全營(yíng)養(yǎng)素項(xiàng)目含量進(jìn)行檢測(cè)。

覆蓋檢測(cè)項(xiàng)目包括：脂肪，蛋白質(zhì)，脂肪酸（DHA及ARA）、維生素（A, D, E, K, B1, B2, B6, B12, C）, 泛酸，煙酸（煙酰胺）、葉酸、鈣、鎂、鐵、鋅、銅、錳、硒、碘、磷。研究所用檢測(cè)方法為嬰幼兒配方奶粉各營(yíng)養(yǎng)素對(duì)應(yīng)的最新國(guó)標(biāo)分析檢測(cè)方法。

1.2.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

參照其他保健食品及營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑穩(wěn)定性研究[7]，各營(yíng)養(yǎng)素衰減率的計(jì)算方法確定為[（首次檢測(cè)結(jié)果-末次檢測(cè)結(jié)果）/首次檢測(cè)結(jié)果]×100%。如數(shù)值為負(fù)數(shù)，說(shuō)明特定檢測(cè)結(jié)果中末次檢測(cè)結(jié)果高于首次檢測(cè)結(jié)果，可認(rèn)為貨架期內(nèi)無(wú)衰減。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋白質(zhì)和脂肪

蛋白質(zhì)是構(gòu)成人體組織，維持機(jī)體健康的重要成分，屬于生命活動(dòng)的基礎(chǔ)物質(zhì)。研究表明，蛋白質(zhì)在體內(nèi)同時(shí)具有多種功能形態(tài)及生物學(xué)功能，如酶的催化作用，激素的生理調(diào)節(jié)作用，血紅蛋白的運(yùn)載作用及肌體的免疫作用等。脂肪是人體重要的組成部分，同時(shí)為嬰兒生長(zhǎng)發(fā)育提供能量。脂肪占嬰兒期攝入能量的15%～23%，可用于機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育[8]。研究表明，母乳脂肪在嬰幼兒的發(fā)育過(guò)程中可提供超過(guò)50%的能量，同時(shí)對(duì)多種維生素和礦物質(zhì)的吸收起到促進(jìn)作用[9]。 我國(guó)嬰幼兒配方奶粉的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10765-2010 也規(guī)定，脂肪能量應(yīng)占到總能量的41.4%～51.3%[10]。

不同惰性氣體組成工藝對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)及脂肪衰減率數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同氣體組成工藝蛋白質(zhì)脂肪貨架期衰減率對(duì)比

由表2 可知，貨架期結(jié)束0 d 后，不同惰性氣體組成工藝的產(chǎn)品中，脂肪和蛋白質(zhì)的衰減率均較低。B組樣品蛋白質(zhì)幾乎沒(méi)有衰減，但脂肪衰減率略高于A組樣品。食品在貨架期內(nèi)，自身含有的脂肪及蛋白質(zhì)易受空氣作用發(fā)生氧化變質(zhì)[11]。但本研究表明，嬰兒配方奶粉在處于未開封前的惰性氣體環(huán)境及密封條件下時(shí)，脂肪及蛋白質(zhì)發(fā)生衰減的程度極低。惰性氣體的不同選擇對(duì)脂肪蛋白質(zhì)的衰減率也沒(méi)有明顯區(qū)別。單純的充氮及氮?dú)?二氧化碳組合工藝，對(duì)于包裝內(nèi)氧氣成分的排除效果類似，沒(méi)有和脂肪蛋白質(zhì)發(fā)生特定的理化反應(yīng)。

2.2 脂肪酸（DHA 和ARA）

嬰幼兒配方奶粉的設(shè)計(jì)原則為充分模擬母乳。眾多研究表明，母乳中脂肪酸種類復(fù)雜，富含各種飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸及多不飽和脂肪酸、亞油酸、α-亞麻酸、、花生四烯酸（ARA）和二十二碳六烯酸（DHA，0.3%～1.9%）等[12-13]。隨著《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB-2760-1996》2000 年增補(bǔ)品種中規(guī)定，DHA 和ARA 可作為嬰兒配方奶粉的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑進(jìn)行添加（目前已納入GB14880 食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑使用標(biāo)準(zhǔn)）[14]。目前嬰配奶粉行業(yè)中，將DHA 和ARA 作為可選擇性多不飽和脂肪酸進(jìn)行強(qiáng)化是較為普遍的。DHA 與ARA 具有類似的結(jié)構(gòu)形式，在嬰兒配方乳粉中一般采用微膠囊的添加形式，通過(guò)微膠囊化后變成流散性更好的粉末，從而與奶粉更充分的混合。

不同惰性氣體組成工藝對(duì)應(yīng)的DHA 及ARA 衰減率數(shù)據(jù)如表3。

表3 不同氣體組成工藝DHA及ARA貨架期衰減率對(duì)比

表3 數(shù)據(jù)表明，不論何種惰性氣體工藝DHA 和ARA 在貨架期內(nèi)均會(huì)發(fā)生較明顯衰減，DHA 衰減程度遠(yuǎn)高于ARA。對(duì)比不同惰性氣體工藝的樣品組，充氮?dú)饨M衰減率較氮?dú)?二氧化碳組來(lái)說(shuō)衰減率均較低。

相對(duì)比脂肪及蛋白質(zhì)而言，DHA 及ARA 整體衰減趨勢(shì)更為明顯。這一衰減趨勢(shì)與脂肪酸本身性質(zhì)有一定關(guān)系，也有研究表明與奶粉中含量較高的微量元素及礦物質(zhì)有關(guān)[15]。DHA 及ARA 本身含有碳碳雙鍵，不飽和程度較高，容易與氧化劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，同時(shí)更容易受到外界因素的影響，如氧氣、溫度、光照及金屬離子等，發(fā)生進(jìn)一步衰減。惰性氣體填充工藝可以很大程度地降低產(chǎn)品中空氣（氧氣）含量，盡可能避免脂肪酸氧化。然而，在后續(xù)長(zhǎng)達(dá)2 年的保質(zhì)期內(nèi)，DHA 和ARA 仍會(huì)發(fā)生較大程度的衰減。

2.3 脂溶性維生素

嬰配奶粉中脂溶性維生素主要為維生素A、維生素E、維生素D 及維生素K，脂溶性維生素對(duì)于嬰兒生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的生理作用，是人體骨骼、視力發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[16]。表4 為不同惰性氣體工藝對(duì)應(yīng)產(chǎn)品中脂溶性維生素衰減數(shù)據(jù)。

表4 不同氣體組成工藝脂溶性維生素貨架期衰減率對(duì)比

由表4 數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)貨架期內(nèi)，嬰配奶粉中的脂溶性維生素衰減程度不同。維生素A 和維生素D均發(fā)生一定程度的衰減，維生素A 衰減率更高。純氮?dú)猸h(huán)境下維生素E 和維生素K 穩(wěn)定性較好，單次檢測(cè)顯示其基本沒(méi)有發(fā)生損失?；旌蠚怏w環(huán)境下，維生素K 發(fā)生一定程度的衰減。

兩種惰性氣體組成環(huán)境中，維生素A 的衰減程度均最高。結(jié)合相關(guān)研究可知[17]，目前奶粉行業(yè)普遍使用較為穩(wěn)定的醋酸棕櫚酸酯作為維生素A 強(qiáng)化劑型。維生素A 在高溫加速實(shí)驗(yàn)情況下，衰減率最高可達(dá)36.62%，溫度因素對(duì)于維生素A 的破壞作用較為明顯。另外也有研究表明，產(chǎn)品中礦物質(zhì)元素的存在也會(huì)對(duì)維生素A 的穩(wěn)定性產(chǎn)生消極影響[18]。

實(shí)驗(yàn)?zāi)谭蹣悠分校S生素D 添加形式為膽鈣化醇，其穩(wěn)定性同樣受到光照、溫度及氧氣等多方面因素影響，兩組惰性氣體環(huán)境情況下，均有一定程度衰減。維生素E 和維生素K 在貨架期內(nèi)衰減率幾乎可以忽略，可能是因?yàn)槎栊詺怏w所造成的幾乎無(wú)氧的包裝環(huán)境，避免了這兩種成分的進(jìn)一步氧化損失，從其他相關(guān)研究中也可得到證明[19]。此外，維生素E 除去營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑身份之外，本身還具有抗氧化作用。

表4 數(shù)據(jù)同時(shí)表明，氮?dú)?二氧化碳樣品組中的維生素A，D 及E 衰減率均較純氮?dú)獗Ｗo(hù)樣品組更低，穩(wěn)定性更好，維生素K 衰減率反而略微升高。排除檢測(cè)偏差及干法混合工藝差異，可能的原因在于，長(zhǎng)期貨架期儲(chǔ)存過(guò)程中，二氧化碳與脂肪的進(jìn)一步結(jié)合，增強(qiáng)了產(chǎn)品包裝內(nèi)真空度，對(duì)微生物的生長(zhǎng)抑制及pH 調(diào)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品中部分脂溶性維生素產(chǎn)生了一定的保護(hù)作用。

2.4 水溶性維生素

母乳中常見的水溶性維生素包括維生素B1、B2、B6、維生素C, 泛酸及煙酸（煙酰胺）等。眾多水溶性維生素對(duì)應(yīng)嬰兒成長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中能量代謝、蛋白質(zhì)代謝及紅細(xì)胞形成等均具有極為重要的理化作用[20]。嬰配奶粉中充分模擬強(qiáng)化了母乳中水溶性維生素的種類及含量水平。本研究中不同惰性氣體工藝對(duì)應(yīng)的貨架期數(shù)據(jù)如表5。

表5 不同氣體組成工藝水溶性維生素貨架期衰減率對(duì)比

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同氣體工藝生產(chǎn)的奶粉樣品，水溶性維生素整體均發(fā)生了比脂溶性維生素更高程度的衰減。純氮?dú)鈽悠方M維生素C 的衰減達(dá)到了6.9%，氮?dú)?二氧化碳樣品組衰減率稍低，也到達(dá)了4.2%。較高的衰減率可能與維生素C 本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。劉奕博[21]等人研究表明，維生素C 常見的兩種強(qiáng)化劑型，抗壞血酸(AA) 和抗壞血酸棕櫚酸酯(AP) 對(duì)于高溫、日光較敏感，銅離子也會(huì)引起很大程度的損失。

同時(shí)，泛酸、煙酸及葉酸的衰減率也較高，而維生素B1、B2和B6穩(wěn)定性相對(duì)較好。一般認(rèn)為煙酸、維生素B12及葉酸衰減率較低，但本研究中均發(fā)生了相對(duì)較高的損失。結(jié)合成品中含量，不排除產(chǎn)品配方、干混工藝及檢測(cè)方法等差異造成一定程度偏離。

在該組對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，純氮?dú)鈽悠方M與氮?dú)?二氧化碳樣品組之間的維生素衰減率數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯差別。初步推斷，不同惰性氣體填充工藝對(duì)于水溶性維生素貨架期穩(wěn)定性影響較小。原因可能為二氧化碳?xì)怏w主要與奶粉產(chǎn)品中脂肪發(fā)生反應(yīng)，影響氣調(diào)環(huán)境，對(duì)于水溶性維生素來(lái)說(shuō)，持續(xù)高溫及礦物質(zhì)元素對(duì)其貨架期的縮短才具有主導(dǎo)作用。對(duì)于產(chǎn)品配方開發(fā)而言，需要著重考慮礦物質(zhì)成分含量及成品后期儲(chǔ)存溫度，對(duì)理論值范圍進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.5 礦物質(zhì)與微量元素

礦物質(zhì)及微量元素廣泛存在于人體母乳中，生物利用率較高，含量比例合適，能廣泛滿足嬰兒后期生產(chǎn)發(fā)育需要。其中常見的礦物質(zhì)種類有鈣、鎂、磷、鐵、鋅、銅、錳、硒等[22]。鈣是嬰幼兒生長(zhǎng)發(fā)育所必須的一類礦物質(zhì)元素。相關(guān)研究表明，由于體內(nèi)具有恒定機(jī)制維持血鈣正常水平，母乳中含鈣量在哺乳期不會(huì)發(fā)生顯著變化[23]。人體不同泌乳期內(nèi)，鋅、銅的含量各有不同。一般產(chǎn)后12 天含量最高，之后伴隨泌乳期延長(zhǎng)而逐漸下降。鐵是人體含量最多的一種微量元素，其在母乳中的含量同樣隨著泌乳期的延長(zhǎng)而逐漸下降。鎂中人初乳時(shí)期含量最高。其他礦物質(zhì)乳磷、鉀、鈉、氯、硒、鈷、氟等含量泌乳期的延長(zhǎng)而逐漸下降。礦物質(zhì)微量元素在母乳中的含量大多受乳母膳食的影響，也與泌乳期的延長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)[24]。

嬰配奶粉一般均含有嬰兒生長(zhǎng)發(fā)育所必須的常見礦物質(zhì)及微量元素，用于維持嬰兒細(xì)胞正常滲透壓。本次研究中兩組樣品均按照法規(guī)要求強(qiáng)化了一定量的礦物質(zhì)及微量元素，具體貨架期數(shù)據(jù)如表6。

表6 不同氣體組成工藝礦物質(zhì)貨架期衰減率對(duì)比

由表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)奶粉貨架期內(nèi)，兩組樣品中各種礦物質(zhì)微量元素成分含量衰減差異較大，但衰減程度不強(qiáng)。樣品組A 衰減率較高的礦物質(zhì)是磷、鋅（衰減率3.49%和2.21%），衰減率最低的礦物質(zhì)是碘（衰減率0%），樣品組B 鋅、碘和磷基本沒(méi)有發(fā)生衰減。

對(duì)比兩種氣調(diào)組成工藝來(lái)說(shuō)，同種礦物質(zhì)元素衰減率存在差異性，不同氣調(diào)組成對(duì)礦物質(zhì)的貨架期整體衰減速度沒(méi)有顯著影響。相關(guān)研究表明[25]，奶粉中礦物質(zhì)及微量元素本身具有較高的穩(wěn)定性，對(duì)空氣、溫度、光照等因素均有一定程度的耐受性。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以認(rèn)為，氣調(diào)組成差異不是礦物質(zhì)在奶粉產(chǎn)品貨架期衰減的主要因素，礦物質(zhì)本身在嬰配奶粉貨架期內(nèi)也較為穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)各營(yíng)養(yǎng)素貨架期內(nèi)衰減率的綜合分析，不同惰性氣體氣調(diào)組成工藝對(duì)于嬰幼兒配方奶粉中營(yíng)養(yǎng)素穩(wěn)定性的影響程度基本類似。對(duì)脂肪和蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)，惰性氣體的不同選擇對(duì)其衰減率沒(méi)有明顯區(qū)別。兩種成分本身穩(wěn)定性較好，在充氣條件下，包裝內(nèi)氧氣含量極低，不易發(fā)生理化反應(yīng)。

其中，礦物質(zhì)元素在兩種工藝下，貨架期內(nèi)普遍比較穩(wěn)定，受氣調(diào)環(huán)境影響較小，應(yīng)該與礦物質(zhì)元素本身穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有關(guān)。

維生素和脂肪酸(DHA&ARA) 方面，氮?dú)?二氧化碳?xì)庹{(diào)工藝樣品組穩(wěn)定性比單純氮?dú)鈽悠方M更高。結(jié)合相關(guān)研究結(jié)論[26]，二氧化碳本身具有的對(duì)腐敗菌的生長(zhǎng)抑制，對(duì)食品部分酶的活性抑制以及高脂肪條件下易擴(kuò)散性等特征，可能會(huì)使其在脂肪含量較高的食品中具有更好的貨架期保險(xiǎn)作用。

需要注意的是，由于二氧化碳的在食品中擴(kuò)散系數(shù)同時(shí)受脂肪、蛋白質(zhì)及水分影響，理化反應(yīng)較氮?dú)飧鼮閺?fù)雜[27]，過(guò)量二氧化碳可能會(huì)引起食品酸敗速度加快。嬰配奶粉填充工藝中不宜完全使用二氧化碳作為填充氣體，一般均需要與氮?dú)獯钆涫褂谩１敬窝芯恐惺褂玫牡獨(dú)饧岸趸急壤秊?∶3，實(shí)際生產(chǎn)中也會(huì)根據(jù)成品脹罐情況，真空度及殘氧量等具體數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，具體的填充比例應(yīng)以實(shí)際生產(chǎn)制造企業(yè)的工藝水平為準(zhǔn)。而具體填充比例，填充速度，成品罐內(nèi)殘氧量、真空度等其他生產(chǎn)工藝參數(shù)，對(duì)于嬰配奶粉貨架期穩(wěn)定性是否也有一定影響，可作為下一步的研究方向。