第一节　原料乳的组成

乳是生命之源。它是雌性动物体内分泌的为哺育后代提供高品质营养的液体物质。数千年来，人们饲养多种类型的哺乳动物，在漫长的产奶期为人们提供优质的乳。这种被营养学家称为“接近完美的食品”“白色血液”的乳是自然界馈赠给人们最理想的天然食品之一。

原料乳也被称为生鲜乳或者生乳。按照我国相关食品安全国家标准规定，生鲜牛乳是指从正常饲养的、无传染病和乳房炎的健康奶牛乳房中挤出的无任何成分改变的常乳。

全世界各地的人们享用着各种从乳加工而来的美食，乳制品工业在食品工业中的地位也举足轻重不可动摇。在所有食品当中，乳制品也占有非常特殊的地位。

乳制品是乳类制品的简称，亦称奶制品、奶类食品或奶食品，是以乳为基本原料加工而成的食品。除各种直接使用乳制成的饮料外，还包括通过发酵获得的食品（奶酪和发酵奶油），以及对乳进行干燥或者提炼后获得的高浓度制品（如奶粉、炼乳等）。

在全球，尤其在亚洲，一部分人因对乳糖不耐受而无法接受牛乳，而在欧洲这种情况却比较少见。研究表明，这是由于单基因突变而导致的结果。正是因为这样的一个小小的突变，生活在欧洲的人们能够更好地消化牛乳，从而能够更好地适应以乳为主要食物来源的环境。Enattah等人最近的研究发现，在沙特阿拉伯人中由于另一个不同的基因突变也导致了类似的乳糖耐受结果。这些突变引起的结果是肠道细胞产生降解乳糖的酶，即持续表达β-半乳糖苷酶。这一突变被认为最早发生在冰河时代未迁徙到欧洲大陆的高加索人中。社会中存在这样的观点，认为“乳并不适合普通成年人饮用”。而以上关于突变年代的推测，正是对这种观点最有力的驳斥。在冰河时代，人们需要在有限的食物中索取更多的能量与营养。最早在人群中的某个人发生了这样一个小小的突变，随后的年代中，这一突变被迅速传播并分布在世界各地。这说明人类在进化的过程中把降解乳糖这一更能适应生存的基因突变保存并传播开来。

从市售的纯奶、酸奶、奶酪到各种品类繁多的乳制品，它们的品质与特性都依赖于最初从那些哺乳动物体内直接产出的乳。同时乳的质地变化很多且十分复杂。因此，更好地理解泌乳机制、乳的组成、乳的营养价值十分重要。本节旨在以大多数国家广泛供应的牛乳为例，讨论关于乳的组成以及相关特性。

一、乳的分泌

哺乳动物的泌乳过程是一次对资源与能量的复杂运用过程。通过将原料从血液转运到乳房，血乳屏障有效地将乳糖、矿物质、酶和体细胞等双向转运。其他的原料则进入哺乳动物的分泌细胞，经包装及转化为可利用的乳成分进入乳中。

乳中的甘油三酯是在乳腺细胞的糙面内质网（rough endoplasmic reticulum，rough ER）上合成的。小的脂肪球从糙面内质网上释放出来进入细胞质。原本包裹一层双层膜结构的脂肪被继续覆以蛋白质。一些小的脂肪球在前往细胞顶膜区时互相融合为更大的脂肪球（见图1-1中的A途径），而另一些则不经融合直接分泌（见图1-1中的B途径）。当脂肪球到达顶层质膜时，以“出芽”的方式从胞膜上分泌出来，因此也包覆上第二层双层膜。

大多数乳蛋白，即包括酪蛋白及大多数乳清蛋白，也是在糙面内质网上完成合成过程的，然后被转移到高尔基体进行后转录修饰，如磷酸化或糖基化等。被修饰过的蛋白质随即以分泌球的方式被释放，到达顶膜后与膜融合。内容物通过胞外分泌的方式释放到乳中（见图1-1中的C途径）。

泌乳细胞中的滤泡形成小的球形空腔结构排列在泌乳细胞内，这便是乳的初级储存地。随后若干个滤泡汇集成一系列导管，将新鲜合成的乳转移到中心空腔或乳房的蓄乳池内。挤奶时，无论手工或者机械刺激的信号传入大脑，使得大脑释放荷尔蒙催产素，使得滤泡的肌肉层收缩，将乳挤出，使得乳房的蓄乳池内压力增高，乳头管道括约肌被顶开，乳随后便被释放出来。

二、乳的组成

牛乳是一种非常复杂的体系，在不同时期和状态受不同外力的作用会呈现不同的组成及形态。它可以变为不稳定状态引起分层或改变质地。在牛乳被系统的进行机制研究之前，广大勤劳而聪慧的劳动人民已经利用这一特性开始制造大量的乳制品。

1.蛋白质

蛋白质是生命体中最丰富和最重要的大分子之一，在生命活动中起到重要作用。正常牛乳中蛋白质含量为2.2％～4.4％，是牛乳中最重要的营养物质之一。乳中的蛋白质，根据其在牛乳pH调节到4.6时溶解度特性的不同可分为两大类。约占蛋白质总质量75％的蛋白质，称为酪蛋白，呈现沉淀或者胶体等不溶的状态。具体形成沉淀或者胶体状态与调节pH时的快慢有关。这一酪蛋白组分根据美国乳品科学协会委员会的分类方法可以分为四种：α_s1-酪蛋白、α_s2-酪蛋白、β-酪蛋白以及κ-酪蛋白。酪蛋白在奶牛中因遗传变异以及磷酸化而产生多种形态。如κ-酪蛋白可以被糖基化为半乳糖胺、半乳糖等。

酪蛋白在牛乳的液体环境中由多类型的酪蛋白混合形成酪蛋白胶束。酪蛋白含有大量的脯氨酸，这些脯氨酸通常不参与有机体中的化学反应。酪蛋白也没有双硫键，因此它没有明显的二级结构。胶束内的酪蛋白受钙离子与疏水效应而被束缚。目前有许多不同的模型试图解释胶束内酪蛋白的特殊结构。其中一种模型认为胶束是由许多更小的胶束组成的，而κ-酪蛋白包在更小的胶束周围；另一种模型推测胶束是由酪蛋白之间交错的极细纤维组成的。最新提出的模型则认为酪蛋白间的双键胶合而构成了胶束。这些模型的相似处在于它们都认为胶束是酪蛋白聚集产生的微小悬浮粒子，并被可溶于水的κ-酪蛋白所包裹。

在pH4.6时仍保持稳定的蛋白质即为乳清蛋白。大多数乳清蛋白都是球蛋白。它们有很高的疏水性且细密的折叠结构，大多数含有一个α螺旋，电荷分布均一。从数量角度讲，乳清蛋白主要含有的是β-乳球蛋白和α-乳白蛋白，还有少数蛋白质包括血清蛋白、免疫球蛋白、乳过氧化酶以及乳铁蛋白。随着蛋白质组学技术的不断发展，乳清蛋白的种类仍在不断增加。乳清蛋白最主要的特点，尤其对β-乳球蛋白来讲，就是受热后去折叠，与自身或其他蛋白质相互作用形成复合物。当乳清蛋白浓度足够高时，这种反应可以导致形成凝胶，可能造成灭菌时牛奶凝结以及UHT牛奶货架期内形成胶体。近年来对牛奶蛋白的研究更多的集中于对健康具有促进作用的蛋白质以及酪蛋白经过蛋白质降解后形成的生物活性肽。

2.乳糖

从浓度的角度来说，牛乳最主要的成分是乳糖，它也是牛乳中最主要的糖类，是由葡萄糖和半乳糖交联形成的二糖。乳中的乳糖含量相对稳定，对于乳的产量有很大影响。因为乳是由乳腺合成的，决定了乳中水分的含量。由于乳糖的存在，使得乳成为营养丰富的发酵底物，许多细菌都可以在β-D-半乳糖苷酶的作用下将乳糖转化为葡萄糖和半乳糖，随后发酵生成乳酸，使乳的pH值降低。当达到一定的pH值，如达到酪蛋白的等电点（isoelectric point）pH4.6，便会发生交联现象。在自然发酵的牛乳中发生这一反应使得其成为相对安全的产品，这也是生产发酵乳制品的基础。乳糖水解酶在工业生产中也被用于减少乳糖结晶和生产供应乳糖不耐人群的产品。而当不可控的发酵发生时，牛乳的品质便被破坏，因此，对发酵的控制是乳制品（如干酪和酸奶等）生产的基础。当牛乳加热到高温，在氨基酸的存在下会发生美拉德反应，使牛乳颜色加深。牛乳中的乳糖主要和蛋白质中赖氨酸残基发生反应，包括在氨基和醛基之间形成席夫碱（Schiff base）。最初的反应产物经过一系列的重排，除了焦糖化，还产生一些含氮反应产物，进一步反应带来褐色，营养受损、产生异味。这些变化通常都会在延长保质期的产品中出现，尤其在加热状态。

3.脂肪

在乳中第二丰富的物质就是脂肪。在乳中脂肪含量可达到3％～5％，这也是乳中成分变化幅度最大的组分。牛乳中超过95％的脂肪类型是由三种脂肪酸组成的甘油三酯。牛乳中几乎所有的脂肪都是以直径为0.1～10μm的脂肪球的形式存在的。由于奶油的相对密度较小，脂肪很容易被浓缩和分离。富含脂肪的产品（如奶油和稀奶油），都会形成特定的风味和质构；另外，由于牛乳脂肪易腐败，也会带来强烈的异味。高脂肪产品的稠度主要和脂肪的结晶化有关。

与其他食品相比较，乳脂肪的成分变化幅度较大。脂肪酸的种类从4碳变化为20碳，包括由微生物转化后的分支脂肪酸。这些脂肪酸的特性与牛乳的营养成分和品质相关，也与生产时的技术特征相关。例如碳链的长度和脂肪酸的饱和程度决定了甘油三酯的熔点，因此也决定了乳脂肪在不同温度下的硬度。与牛乳脂肪相比，植物中的脂肪（如橄榄油）含有较多的不饱和脂肪酸，相对质地也更加偏软，相对也更加健康。

牛乳脂肪也含有低水平的甘油单酯和甘油二酯以及少量的胆固醇、磷脂等。近年来对乳中脂肪酸有益成分的研究也在开展，包括交联亚油酸CLA以及短链脂肪酸等。

磷脂常被发现游离于脂肪球之外，较乳脂肪球的核心——甘油三酯更加不饱和。因此牛乳中较小脂肪球的不饱和磷脂含量更高。甘油三酯和磷脂的含量与奶牛的饲养状况有关。

对于牛乳以及乳制品加工来说，脂肪的氧化都是一件麻烦的事。它会使牛乳及其他乳制品发生哈喇味以及营养成分的损失。脂肪氧化由乳中氧化剂和抗氧化剂的平衡状态决定。多聚不饱和脂肪酸的浓度被认为是稳定性的重要决定因素。光诱发的氧化也被认为是乳制品哈喇味的另一主要原因。牛乳中含有相对较多的核黄素，作为光敏感剂可从两方面作用：一方面它可以直接氧化蛋白质和脂肪；另一方面与氧发生作用，形成活性单线态氧，进一步氧化脂肪。牛乳含有一系列潜在的抗氧化剂，例如维生素E、类胡萝卜素、尿酸等，这也是目前广泛讨论关于保护牛乳不被氧化的热门话题。

4.乳盐

牛乳含有种类繁多的矿物盐，其中一些与维持酪蛋白胶体的结构有关，一些以离子或非离子状态存在于乳清中。乳中的阳离子盐，依据浓度依次为钾盐、钙盐、钠盐以及镁盐；阴离子盐依次为氯盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐以及柠檬酸盐。与酪蛋白交联有关的矿物盐称为胶态磷酸钙（Colloidal Calcium Phosphate，CCP），主要由磷酸根与钙离子组成，也含有少量的镁离子和柠檬酸根。牛乳中的矿物盐平衡状态对加工条件很敏感，尤其是温度和pH。降低pH可以使CCP溶解度增高，而加热使钙离子的溶解度下降，同时增加了酪蛋白胶体中的CCP含量。

由于存在乳矿物盐和乳糖，使得乳的冰点低于水，一般在-0.516～-0.545℃之间。例如在瑞典的一项调查结果显示，牛乳的冰点平均值为-0.529℃。为了维持一定的渗透压，牛乳中盐分的改变会导致乳中乳糖的含量也发生改变，反之亦然。总的来说，乳中的乳糖、氯离子、钾离子以及钠离子构成了80％的冰点贡献。冰点是生鲜乳日常监测的主要指标之一，如果存在掺水现象，冰点也会升高。因此，监控冰点对于了解牛乳掺假情况具有重要意义。

5.酶

各类乳制品含有的酶的种类和活性复杂多样。牛乳约含有70种酶类，其中只有约20种被深入研究。乳中最重要的酶系主要有四种：碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，AKP）、血纤蛋白溶酶（plasmin）、体细胞蛋白酶（somatic cell protease）以及脂蛋白脂肪酶（Lipo Protein Lipase，LPL）。

（1）碱性磷酸酶

碱性磷酸酶是乳中最广为所知的酶类。然而它对于乳的品质的贡献却并不显著。它的重要性主要源于其热失活酶动力学与在病原菌结核分枝杆菌中研究的相似性。此外，采用比色或荧光底物的方法易于研究也是碱性磷酸酶的重要特性之一。传统巴氏杀菌法建立的依据是使结核分枝杆菌失活的条件，即72℃、15s，通过对其碱性磷酸酶的活性的快速检测，被广泛用作检测巴氏杀菌法的重要指标。

（2）血纤蛋白溶酶

在血液中一类被称作血纤蛋白溶酶的酶类对于控制血凝结十分重要。对血纤蛋白溶酶的调节需要通过失活酶的前体——血纤蛋白溶酶原、一系列血纤蛋白溶酶原的激活因子以及血纤蛋白溶酶和其激活因子的抑制剂。如果奶牛患有乳腺炎，那么牛乳中可能存在全血系统（即乳中混入血液成分以及体细胞），这些血纤蛋白溶酶原的相关因子水平就会升高。当pH值为7.5时，作为一种丝氨酸蛋白酶的血纤蛋白溶酶，是健康奶牛体内的初级蛋白水解酶系统。乳血纤蛋白溶酶可水解α_s-酪蛋白和β-酪蛋白，从而改变乳的组成。实际上，血纤蛋白溶酶及血纤蛋白溶酶原的抑制剂本身具有较好的热稳定性，不仅在UHT乳中发现存在的活性血纤蛋白溶酶，而且类似巴氏杀菌的灭菌方法能导致牛乳中血纤蛋白溶酶活性升高，从而增大了酪蛋白的水解。血纤蛋白溶酶及血纤蛋白溶酶原系统在牛乳中已被广泛研究，尤其是在对奶酪的生产加工以及UHT乳货架期的研究中。

（3）体细胞蛋白酶

牛乳中可能存在一系列体细胞，关于体细胞的种类、体细胞总数（Somatic Cell Count，SCC）以及细胞类型与很多因素有关。最典型的情况就是当存在乳腺炎时，牛乳体细胞数会大幅升高。很多蛋白酶水解系统都被认为与牛乳中存在的体细胞有关。这些酶类源自体细胞自我分泌或者被释放自经破坏裂解的细胞。近年来的一些报道认为还存在另一种可能，即这些蛋白酶由哺乳动物的乳腺表皮细胞分泌而来。不同的细胞类型会产生不同的酶系，因此，体细胞总数与种类都会对牛乳中酶的性质产生影响。如在急性乳腺炎的牛乳中，蛋白酶主要分泌自多形核白细胞，而在慢性乳腺炎的牛乳中则大多是巨噬细胞。

（4）脂蛋白脂肪酶

脂蛋白脂肪酶属于解脂酶，在牛乳中主要负责酶类脂解，也就是水解甘油三酯以及磷脂中的脂肪酸。LPL也与乳脂肪的生物合成有关。当短链脂肪酸或其氧化为酮体后，释放出的脂肪酸便会产生腐臭气味。当乳脂肪球膜完整时，LPL无法接触到其底物（主要是甘油三酯）。然而当乳脂肪球膜被破坏时，例如未经冷却的原料乳或者被均质的牛乳，甘油三酯被脂解，导致乳中游离脂肪酸升高。有些被冷却或新鲜生乳样本中会产生自发的脂解，这可能与乳中的激活底物（如载脂蛋白）与抑制底物（如某些蛋白质和肽类）的平衡有关。巴氏杀菌可降低牛乳的LPL含量，然而其彻底失活则要依仗于更严格的热处理。比如在冰淇淋生产中，脂解可能会导致产品品质问题，因此需要实施条件苛刻的热处理。

三、乳的营养价值

牛乳因其营养丰富、易于消化、食用方便，被人们称为“人类的保姆”，是人类最为理想的天然食品。

1.乳蛋白质的营养价值

牛乳中的蛋白质为全蛋白，氨基酸种类齐全，含有人体所需的所有8种必需氨基酸（见表1-1）。乳蛋白质为非单一的蛋白质，其种类很多，主要是酪蛋白（约占乳蛋白质总量的80％）和乳清蛋白（包括乳白蛋白、乳球蛋白及其他酶和免疫球蛋白，约占20％）。0.5L牛乳，即可供应人体每日全蛋白质需要量的20％～25％或动物性蛋白质需要量的40％～45％。

牛乳蛋白质在人体内的消化率高达100％（黄豆中蛋白质为80％，鸡蛋中蛋白质为95％），而且消化速度也比肉、蛋、鱼、面包等快，可被人体很好地吸收，保证人体生长的正常需要，特别有利于促进儿童的生长发育。酪蛋白及乳清蛋白，比其他动植物蛋白质具有更高的生物价（机体储留氮与被吸收氮的百分比，称为蛋白质的生物价）。其中乳清蛋白因其高营养价值，被营养学界誉为“蛋白质之王”。因此，牛乳常用作肝病、胆囊疾病、高脂血症、糖尿病患者的饮食，也是高尿酸血症和痛风患者的理想蛋白质来源。

此外，牛乳蛋白质也是老年人良好的蛋白质来源。由于老年人的基础代谢速率降低，所需能量也减少，但对蛋白质和氨基酸的需要则增加。因为体蛋白合成的能力和蛋白质代谢速率均降低，所以老年人饮食中应含有足量的动物性蛋白质，而牛乳则是较好的动物性蛋白质供源。

牛乳蛋白质也是重要的能量来源。每100g牛乳（平均组成）可提供288kJ能量，其中来自乳蛋白质约占19％。

因此，牛乳蛋白质是各类蛋白质（包括动物性蛋白质和植物性蛋白质）中最为物美价廉的蛋白质。

2.乳脂肪的营养价值

牛乳中的脂肪主要为甘油三酯，这些脂肪以较小的球状微粒分散在乳浆中，使得牛乳口感细腻，易于消化吸收，其消化率在95％以上。

乳脂肪不仅消化率高，吸收速度快，而且营养全面。它含有二十多种脂肪酸（其他动植物脂肪只含有5～7种脂肪酸），其中约含有3％的亚麻酸和0.5％的花生油酸，以及少量的亚油酸，这三种脂肪酸为人体所需的必需脂肪酸（必须从饮食中摄取的人体所必需的脂肪酸，称为必需脂肪酸），在营养学上具有重要的意义。对患有胃、肠、肝、胆囊和肾疾病，以及脂肪消化失调等的患者，乳脂肪属于高价值的饮食成分。有观点认为，乳脂肪中含有胆固醇，饮食后会引起胆固醇浓度增高，从而导致心血管疾病。研究证明，乳脂肪中虽含有胆固醇，但含量却较其他动物性食品低。牛乳中胆固醇含量仅为0.01％，占乳脂肪量的0.3％～0.4％，所以食用牛乳，不会造成过高的胆固醇摄取。

乳脂肪还是脂溶性维生素的重要来源，包括维生素A、维生素D、维生素E、维生素K及胡萝卜素，后者可在体内转化为维生素A。乳脂肪还是重要的能量来源，牛乳提供的能量有50％来自乳脂肪。

3.乳糖的营养价值

乳糖虽属于糖类，但其营养价值却比其他糖类高。乳糖作为牛乳中特有的糖类物质，占牛乳中总糖的99.8％，水解后分解为半乳糖和葡萄糖。葡萄糖可提供能量，半乳糖能促进脑苷脂类和黏多糖类的生成，对于幼儿智力发育极为重要。

乳糖具有调节胃酸，促进胃肠蠕动和消化腺分泌的作用，在肠道中能帮助有益乳酸菌的繁殖和抑制肠道腐败菌的生长，有助于肠道菌群的调节，可促进肠道中双歧杆菌自行合成维生素B₁、维生素B₂、维生素B₆、烟酸等，具有整肠、通便等作用。

乳糖还可以促进钙、磷、镁等无机离子被人体吸收，预防佝偻病的发生。

4.牛乳中矿物质的营养价值

牛乳中的矿物质种类和数量比较丰富，主要含有钙、钾、磷、氯、钠、硫、镁、铁、铜、锌、锰、硒、钴等人体所需的各种矿物质元素，其中以钙最为重要。牛乳含钙量可达1200mg/L，是钙的良好来源。

牛乳中的钙不仅含量高，而且多以酪蛋白磷酸钙的形式存在，钙磷比例适当（约为1.4:1），是有利于人体吸收利用的最佳比例，因此，牛乳是人类每日所需钙和磷的优良来源。钙质是构成人体骨骼和牙齿的材料，缺钙会引起儿童佝偻病和老年人骨质疏松症，所以无论幼儿或老年人饮用牛乳，均可补充其钙的不足，防止缺钙所引起的疾病。另外，牛乳中存在的维生素D和乳糖也有助于提高钙的吸收率。

5.牛乳中维生素的营养价值

维生素是维持生命和健康所必需的营养要素，人体自身无法合成，必须从食物中摄取。虽然需要量不多，但却不能缺少，缺乏任何一种维生素，都可能引起严重的疾病。牛乳富含各种维生素（包括脂溶性维生素和水溶性维生素），是人体所需维生素的重要来源。尤其是维生素A和维生素B₂含量较高，能够满足人体膳食中的不足（如表1-2所示）。