1.2　牛乳的成分、結構及營養(yǎng)價值

1.2.1　牛乳的成分概述

乳色澤為白色或略帶黃色，不透明，味微甜，并具有特有香味。乳中含有幼畜生長發(fā)育需要的各種營養(yǎng)成分，包括碳水化合物、脂肪、蛋白質、礦物質和維生素、酶、其他微量成分，以及保護幼畜免受感染的抗體。乳是當今世界上人類最適宜食用的食品之一。

牛乳中的水分含量約為87%，乳中的碳水化合物和礦物質為溶液狀態(tài)，脂肪為乳濁液狀態(tài)，蛋白質為膠體懸浮液狀態(tài)。牛乳成分的一般分類是分為水分和乳固體兩部分，其中乳固體又分為脂質和非脂乳固體。

牛乳中主要成分的含量如表1-12所示。

鮮牛乳中多種碳水化合物、部分蛋白質、可溶性鹽類和維生素溶于水中。同時還分散著兩個膠體系統(tǒng)：一個是脂肪球系統(tǒng)，每個脂肪球表面都包裹著極薄的脂肪球膜；另一個是酪蛋白膠束系統(tǒng)，由蛋白質分子和不溶性鹽（主要是磷酸鈣絡合物）構成。因為這兩個膠體系統(tǒng)比較穩(wěn)定，因此乳能形成均勻的膠體乳狀液體。

1.2.2　蛋白質

牛乳中的蛋白質含量為2.8%～3.8%。乳蛋白質有乳清蛋白、酪蛋白和少量脂肪球膜蛋白。乳清蛋白包括對熱不穩(wěn)定的乳白蛋白和乳球蛋白，還有對熱穩(wěn)定的和胨。牛乳中氮的主要分布見表1-13。

采用電泳、超速離心、電子顯微鏡、原子吸收光譜分析等方法，確定了乳蛋白質的組成、結構及性質。牛乳中主要蛋白質的分類見表1-14。

牛乳蛋白質中氨基酸含量大約在20種以上，主要組成見表1-15。

乳清蛋白和酪蛋白在特性上區(qū)別很大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

①pH值4.6時，酪蛋白會發(fā)生沉淀，乳清蛋白不沉淀，利用此性質可分離酪蛋白和乳清蛋白。

②在Ca2+存在下，酪蛋白可被凝乳酶水解并凝固，而乳清蛋白則不凝固。

③酪蛋白熱穩(wěn)定性高。pH值6.7，100℃加熱24 h，酪蛋白不會凝固，可耐受140℃熱處理20min；而乳清蛋白熱穩(wěn)定性較差，90℃處理10min即可全部變性。

④酪蛋白中含磷酸基團，平均含磷量0.85%，乳清蛋白中不含磷。磷酸基團的存在使酪蛋白具有許多獨特性質。

⑤酪蛋白含硫量低（0.8%），主要來自甲硫氨酸，其次來自半胱氨酸和胱氨酸。乳清蛋白含硫量較高（1.7%），主要來自于半胱氨酸和胱氨酸，此外還有少量甲硫氨酸。乳清蛋白中的含硫氨基酸是導致蒸煮味產(chǎn)生的主要原因。

1.2.2.1　酪蛋白

將脫脂乳的pH值調節(jié)至4.6，在20℃下沉淀出來的蛋白質即為酪蛋白，占乳蛋白總含量的80%～82%。乳中酪蛋白的類型有4種：αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白，它們占酪蛋白總量的比例分別為37%、10%、35%和12%。

（1）酪蛋白的分類及性質

αs1-酪蛋白分子是由多個疏水性殘基區(qū)域和磷酸化組成的負電荷基團組成的簇狀結構。αs-酪蛋白對鈣敏感，在pH值為7.0時Ca2+可使αs-酪蛋白沉淀。

β-酪蛋白分子的48～209位含有很多疏水基團，其多肽鏈N末端區(qū)含有親水氨基酸殘基和5個磷酸化殘基。因此β-酪蛋白聚集體是由疏水內核的相互作用形成，N末端的親水部分暴露在溶劑中。

κ-酪蛋白只含有一個磷酸化殘基，還有寡糖基成分和一個二硫鍵。

（2）酪蛋白在乳中的存在狀態(tài)

酪蛋白是典型的含磷蛋白，含磷量的多寡即為區(qū)分4種酪蛋白的依據(jù)。在乳中酪蛋白是含鈣、磷酸鹽的絡合物粒子，不同類型的酪蛋白可自行結合形成聚集體，進一步形成膠束。正常乳中的酪蛋白以分散膠粒形式存在，膠粒直徑為20～600nm（平均120nm），平均分子量為1×108，以海綿狀結構存在，有利于蛋白質水解酶進入分子內部。

膠束的特性對乳的加工性能影響很大。膠束某種程度上決定了乳制品在加熱、濃縮和貯存期間的穩(wěn)定性，也決定了酸乳和濃縮乳制品的流變特性，還會影響產(chǎn)品的某些特性（如穩(wěn)定性、黏滯性）。

未冷卻乳中的酪蛋白都以粗糙的球形顆粒形式存在，直徑0.02～0.30μm，含20～150000個酪蛋白分子。此外，酪蛋白中還含有少量其他蛋白質，如脂肪酶、胞質素和部分、胨等。

（3）酪蛋白的存在形式及膠束的結構

牛乳酪蛋白與磷酸鈣會形成膠束狀態(tài)的“酪蛋白酸鈣-磷酸鈣復合體”，其中含95.2%酪蛋白酸鈣和4.8%磷酸鈣，組成如表1-16所示。

酪蛋白酸鈣-磷酸鈣復合體膠粒呈球形，直徑分布為30～300nm，大部分為80～120nm，如表1-17所示。每毫升乳中含5×1022～15×1022個酪蛋白膠粒。

酪蛋白膠束主要有三種：αs-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白。這三種酪蛋白中，一般會有一兩個含有羥基的氨基酸與磷酸發(fā)生酯化，磷酸能和鈣、鎂及其他鹽在分子間或分子內發(fā)生鍵合。酪蛋白膠束結構如圖1-1所示，由亞酪蛋白膠束（圖1-2）混合組成。亞酪蛋白膠束的直徑為10～15nm。不同酪蛋白膠束含有的αs-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白比例是不同的。

1.2.2.2　乳清蛋白

乳清蛋白占乳蛋白總量的18%～20%，具有較高的營養(yǎng)價值。乳清蛋白包含對熱不穩(wěn)定的乳白蛋白和乳球蛋白，以及對熱穩(wěn)定的和胨。

pH值為4.6～4.7時，將乳清液煮沸20min，此時沉淀的蛋白質就屬于對熱不穩(wěn)定的乳清蛋白，占乳清蛋白總量的81%左右。中性狀態(tài)下，向乳清中加入飽和硫酸銨、飽和硫酸鎂進行鹽析，得到溶解而不析出的蛋白質稱為乳白蛋白，約占乳清蛋白總量的68%；得到不溶解的蛋白質為乳球蛋白，約占乳清蛋白總量的13%。

（1）乳白蛋白

乳白蛋白又分為α-乳白蛋白、β-乳白蛋白和血清白蛋白，三者含量分別占乳清蛋白的19.7%、43.6%和4.7%。α-乳白蛋白比較穩(wěn)定，在70℃下僅有6%會變性；而β-乳白蛋白會有32%發(fā)生變性。

（2）乳球蛋白

乳球蛋白分為真球蛋白和假球蛋白，分別占乳清蛋白質量的5.2%和4.8%，等電點分別為pH 6.0和pH 5.6。

乳球蛋白具有抗原作用，與乳的免疫性有關，又稱為免疫球蛋白。初乳中的免疫球蛋白含量高，可增強嬰幼兒機體抗病能力，促進生長發(fā)育；對老年人具有抗衰老作用，在輔助治療成人胃炎和糖尿病等方面效果明顯。

（3）對熱穩(wěn)定的乳清蛋白

在pH值為4.6～4.7時，將乳清液煮沸20min，得到的不沉淀蛋白屬于對熱穩(wěn)定的乳清蛋白，主要為和胨，約占乳清蛋白總量的19%。

1.2.2.3　脂肪球膜蛋白

牛乳中含少量吸附在脂肪球表面的蛋白，2分子這種蛋白質和1分子磷脂質結合，形成脂肪球膜，即脂肪球膜蛋白，其成分組成如表1-18所示。100g乳脂肪中脂肪球膜蛋白的含量為0.4～0.8g。

脂肪球膜蛋白含大量硫，對熱敏感，在70～75℃條件下對牛乳進行瞬間加熱，—SH基即游離出來產(chǎn)生蒸煮味。脂肪球膜蛋白中含有卵磷脂，在細菌性酶的作用下形成魚腥味的三甲胺而被破壞。

1.2.3　乳脂肪

牛乳脂質中含97%～99%乳脂肪、1%左右的磷脂和少量甾醇、游離脂肪酸、脂溶性維生素等。乳脂肪由一分子甘油和三分子脂肪酸組成，是一種甘油三酸酯的混合物。乳脂肪以脂肪球的狀態(tài)分散于乳中，不溶于水。

1.2.3.1　乳脂肪的結構及理化性質

乳脂肪以小脂肪球的形式存在，是水包油型的乳濁液。脂肪球表面由脂肪球膜包裹，在乳中保持穩(wěn)定，并且各個脂肪球獨立分散于乳中。脂肪球的直徑為0.1～22μm，平均為3μm，大部分為4μm以下，在10μm以上的很少。1mL牛乳中含有2×109～4×109個呈球形或橢球形的脂肪球。

脂肪球膜的厚度為5～10nm。由蛋白質、磷脂、甾醇、維生素、高熔點甘油三酸酯、金屬離子、酶類及結合水等組成。

牛乳在容器中靜置一段時間，乳脂肪會逐漸上浮形成脂肪層，稱為稀奶油層，下面稱為脫脂乳。乳脂肪的主要理化常數(shù)如表1-19所示。

乳脂肪具有水溶性脂肪酸值和皂化值高、揮發(fā)性脂肪酸和低級脂肪酸多、不飽和脂肪酸少、碘值低等特點。

1.2.3.2　乳脂肪的脂肪酸組成

乳脂肪是一種甘油三酯的混合物，包含各種脂肪酸，其含量如表1-20所示。

脂肪酸可分為三類：一是水溶性揮發(fā)性脂肪酸，如丁酸、己酸、辛酸、癸酸等；二是非水溶性揮發(fā)性脂肪酸，如十二烷酸；三是非水溶性不揮發(fā)性脂肪酸，如十四烷酸、十六烷酸、十八烷酸、二十烷酸、十八碳烯酸、十八碳二烯酸等。

水溶性揮發(fā)性脂肪酸組成的脂肪風味較好，易于消化吸收。在所有動植物性油脂中，乳脂肪中水溶性揮發(fā)性脂肪酸的含量高，所以其風味最佳，而且最易消化。

1.2.3.3　乳脂肪的特點及價值

乳脂肪具有以下特點：

①乳脂肪中含14%左右短鏈低級揮發(fā)性脂肪酸，其中水溶性揮發(fā)性脂肪酸（丁酸、己酸、辛酸等）的含量高達8%。乳脂肪是一種具有特殊香味和質地柔軟的高檔食品原料。

②乳脂肪易于氧化，在光照、氧、熱、銅、鐵等的作用下都可能發(fā)生氧化，產(chǎn)生脂肪氧化味。

③解脂酶和微生物可以將乳脂肪水解，導致酸度升高，產(chǎn)生刺激性氣味。

④乳脂肪容易吸收環(huán)境中的其他氣味而具有異味，如牛舍味、飼料味、柴油味等。

⑤乳脂肪在5℃以下呈固態(tài)，11℃以下呈半固態(tài)。

在乳與乳制品中，乳脂肪具有營養(yǎng)價值高、風味好、物理性質和經(jīng)濟價值高等重要作用。

①乳脂肪發(fā)熱量高，是一種能量來源；乳脂肪還是脂溶性維生素的傳遞者和含有者，必需脂肪酸含量豐富，易于消化。

②乳脂肪具有豐潤圓熟的風味，在奶油、稀奶油、冰淇淋等乳制品加工時，乳脂肪不能由其他廉價代用脂肪替代，就是因為其風味特點。

③乳脂肪為乳制品賦予的柔潤滑膩的組織狀態(tài)和風味，也是其他脂肪所不能代替的。

④乳脂肪的經(jīng)濟價值也很高，比其他乳成分的價格高。

1.2.3.4　磷脂、甾醇與脂肪球膜

（1）磷脂

牛乳中含磷脂約0.03%，其中包括卵磷脂0.0045%～0.005%、腦磷脂0.0127%～0.0156%和神經(jīng)鞘磷脂0.0073%～0.0084%。磷脂的60%都在脂肪球膜中，磷脂類物質在動物機體的磷代謝中起著重要作用。

（2）甾醇

乳脂肪的甾醇主要由膽固醇組成。乳中甾醇含量較低，僅7～17mg/100mL，主要與脂肪球膜結合存在。

（3）脂肪球膜

脂肪球表面有5～10nm厚的脂肪球膜，使乳中的脂肪球保持乳濁液穩(wěn)定性。脂肪球膜吸附于脂肪球和脫脂乳乳漿的界面之間，是一組穿插排列的化合物。乳脂質在脂肪球、脂肪球膜和乳漿中的分布見表1-21。

1.2.4　乳糖

乳糖（C12H22O11）是從哺乳動物乳腺中分泌出的一種特有化合物。動、植物組織中幾乎不含乳糖，僅存在于乳中。乳糖屬于雙糖，牛乳中約含乳糖4.5%，為干固物含量的38%～39%。兔乳中乳糖含量最少（約1.8%），馬乳中含量較多（約7.6%），人乳中乳糖含量為6%～8%。乳糖是乳中甜味的主要原因，乳糖的甜度約為蔗糖的1/6，在乳中呈溶解狀態(tài)。

牛乳中碳水化合物的99.8%以上為乳糖。除乳糖外，牛乳中還含有少量單糖、寡糖和氨基己糖等糖類，單糖一般為半乳糖和葡萄糖。

乳糖不僅是乳和乳制品的重要營養(yǎng)來源之一，在發(fā)酵乳制品中作用也很大。此外，乳糖溶解度低，結晶后會影響甜煉乳、冰淇淋的品質及其冷凍穩(wěn)定性。

1.2.4.1　乳糖的結構

乳糖是由一分子D-葡萄糖和一分子D-半乳糖以β-1，4-糖苷鍵結合形成的雙糖。乳糖有兩個異構體，即α-乳糖和β-乳糖。α-乳糖右旋性大，溶解度低；β-乳糖右旋性小，溶解度高，甜度高。

1.2.4.2　乳糖的溶解度

乳糖的溶解度小于蔗糖，其α-型與β-型的溶解度也有所區(qū)別。將乳糖投入水中，即有部分溶解于水中，達到飽和溶液時的溶解度，即為乳糖的溶解度，也稱最初溶解度。振蕩或攪拌達到最初溶解度的飽和乳糖溶液，再加入乳糖，乳糖仍可繼續(xù)溶解再次達到飽和，此時的溶解度稱為最終溶解度。乳糖最終溶解度是β-乳糖和α-含水乳糖在某一溫度下的平衡溶解度，即為β-乳糖和α-含水乳糖的綜合溶解能力。在25℃下，乳糖水溶液的最初溶解度和最終溶解度分別為8.6g/100mL水和21.6g/100mL水。乳糖溶解度隨溫度的升高而增大的規(guī)律見表1-22。

1.2.4.3　乳糖的化學變化

（1）水解反應

乳糖與稀酸共同加熱，水解為葡萄糖和半乳糖；還可被β-D-半乳糖苷酶水解為半乳糖和葡萄糖，副反應可生成多種寡糖類。

（2）氧化反應

乳糖可被溴氧化生成乳糖酸，某些微生物也有這種作用；被25%～30%的硝酸氧化生成糖酸和黏液酸；被濃硝酸氧化生成草酸和碳酸。乳糖與高錳酸鉀在酸件條件反應生成L-酒石酸和D-酒石酸，在堿性條件下被完全氧化生成二氧化碳和水。

（3）異構反應

乳糖中的葡萄糖分子在堿性溶液中部分異構化形成異構乳糖，即乳果糖或二蔗酮糖，是一種新型功能性物質。異構乳糖熔點為158℃。異構乳糖可以促進腸道內的雙歧桿菌增殖，又稱雙歧增殖因子。乳糖可在高溫加熱條件下生成異構乳糖、半乳糖、塔格糖等糖類，以及蟻酸、乳酸等有機酸。乳糖是一種還原性雙糖，與乳中蛋白質容易發(fā)生美拉德反應，是乳制品褐變的主要原因。

1.2.4.4　乳糖的營養(yǎng)價值

乳糖是人體的熱能來源，1g乳糖分解產(chǎn)生16.72kJ熱量。乳糖提供的熱量占牛乳中總熱量的1/4。乳糖在胃中不被消化吸收，在腸道內被乳糖酶分解為半乳糖和葡萄糖而被吸收。半乳糖參與構成腦及神經(jīng)組織的糖脂質，對智力發(fā)育非常重要，能促進腦苷及黏多糖類物質的生成。乳糖還能促進人體腸道內乳酸菌的生成，抑制腐敗菌生長，促進腸蠕動。嬰兒食品中需強化乳糖以促進鈣及其他物質的吸收，防止佝僂病。乳糖被乳酸菌分解生成乳酸，用于制造酸乳制品。

剛出生時消化道內的乳糖酶最多，此后部分人群隨著年齡增長，消化道內乳糖酶減少，不能分解、吸收乳糖。乳糖進入大腸后，使大腸滲透壓增高，大腸黏膜吸收水分，細菌繁殖產(chǎn)生乳酸和CO2，使pH值降至6.5以下，從而刺激大腸，引起腹痛等癥狀，即乳糖不適應癥，或稱乳糖不耐癥。我國南方地區(qū)比北方地區(qū)的人更容易出現(xiàn)乳糖不適應。

1.2.5　乳中的酶

牛乳中酶的來源有兩種，一是由乳腺產(chǎn)生，二是由微生物代謝產(chǎn)生。酶的種類很多，與乳制品的生產(chǎn)密切相關的為水解酶類和氧化還原酶類等。牛乳中存在的各種酶主要分為如下三類。

水解酶：脂酶、磷酸酶、淀粉酶、蛋白酶、半乳糖酶、溶菌酶等。

氧化還原酶：過氧化物酶、過氧化氫酶、黃嘌呤氧化酶及醛縮酶等。

還原酶等。

1.2.6　維生素

牛乳中維生素B2（核黃素）含量豐富，維生素D含量較少。牛乳中維生素的含量如表1-23所示。

牛乳中不同的維生素，其熱穩(wěn)定性不同。維生素A、維生素D、維生素B2、尼克酸等對熱穩(wěn)定，經(jīng)熱處理后不會損失。維生素C對熱敏感。維生素B1和維生素C等經(jīng)過日光照射后會被破壞，用褐色避光容器來包裝乳與乳制品可減少其損失。

1.2.7　礦物質

牛乳中的無機鹽含量為0.7%～0.75%，無機鹽、礦物質或灰分含義相近，又有所不同。牛乳中的灰分是指在550℃以下，牛乳燃燒灰化得到的無機物。牛乳中的礦物質、無機鹽是指除C、H、O以外的無機元素，主要有K、Na、Mg、Ca、Cl、S等。

牛乳中灰分的含量一般為0.70%～0.72%。牛乳中礦物質和微量元素的含量分別見表1-24和表1-25。

乳中的微量元素具有重大意義，尤其是對于嬰幼兒機體發(fā)育更加重要。人體內的氧化反應中，錳起催化劑作用，并參與維生素D、維生素B的形成和作用；鈷參與構成維生素B12；銅刺激垂體產(chǎn)生激素，也參與構成黃嘌呤氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶等；碘是甲狀腺素的結構成分，含量不足會導致甲狀腺腫。牛乳中鐵的含量為100～900μg/L，較人乳中少，嬰幼兒配方奶粉應補充鐵含量。

1.2.8　牛乳中的其他成分

牛乳中還含有有機酸、細胞成分、氣體等其他成分。

牛乳中的有機酸主要是檸檬酸，還有少量乳酸、丙酮酸和馬尿酸等。乳中含檸檬酸0.18%，主要以鹽類形式存在。檸檬酸鹽大部分是酪蛋白膠粒，此外還有離子態(tài)和分子態(tài)的檸檬酸鹽，主要是檸檬酸鈣。

牛乳中的細胞成分主要是白細胞和一些上皮細胞，還有少量紅細胞。牛乳中細胞（體細胞）的數(shù)量多少是乳房健康狀況的指標，正常乳中的細胞數(shù)不高于50萬個/mL。

剛擠出的牛乳含氣量較高，主要是二氧化碳，其次是氮氣和氧氣。不能用剛擠出的生乳來檢測原料乳的密度和酸度。牛乳的貯存和處理過程中，二氧化碳因逸散導致氣體含量降低，因與大氣接觸而使氧氣、氮氣含量增加。氧氣的存在會促使維生素氧化和脂肪變質，所以應盡量在密閉容器和管路內輸送、貯存及處理牛乳，避免在敞口容器內處理。