■岳 巖 楊 潔 陳 嘯 孔丹丹 呂 芳 方 鵬 王紅英

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

乳清粉是由液態(tài)乳清經(jīng)過凈化、殺菌、濃縮、噴霧干燥、包裝等工序生產(chǎn)出來的。而液態(tài)乳清是奶酪、酪蛋白或乳制品凝結(jié)后從凝乳中分離出來的一種液態(tài)乳產(chǎn)品。所以乳清粉是制造干酪或奶酪的副產(chǎn)物。近年來，我國的養(yǎng)豬業(yè)不斷壯大，乳清粉已經(jīng)成為幼畜尤其是仔豬料中不可缺少的原料之一。但由于國情和人們的生活習(xí)慣不同，乳清粉的產(chǎn)量主要集中在歐美地區(qū)[1]，國人對奶酪干酪的需求較少，因此國內(nèi)生產(chǎn)乳清粉的廠家較少，國內(nèi)飼料生產(chǎn)企業(yè)使用的乳清粉還是以進口為主。

乳清粉的組織狀態(tài)呈松散的粉末，為乳白色或淡黃色，乳清粉的顏色和加工程序關(guān)系較大。一般認為褐色乳清粉是在加工過程中伴隨有過度加熱并伴有美拉德反應(yīng)發(fā)生，研究表明，褐色乳清粉對仔豬的作用效果較差會導(dǎo)致仔豬采食量降低[2]。由于是屬于乳制品的，聞起來有天然的乳香味，咀嚼起來有香甜的味道，可以促進仔豬的食欲，提高采食量。院東等利用泌乳后期的奶牛做試驗發(fā)現(xiàn)，甜味劑對奶牛的體重和健康狀況有較好的改善趨勢[3]。乳清粉的主要營養(yǎng)成分是乳糖、乳蛋白和礦物質(zhì)，其獨特的營養(yǎng)成分非常適宜于生產(chǎn)幼畜飼料。乳糖是雙糖，可以為仔豬提供能量，哺乳仔豬胃底腺不發(fā)達，在生理上缺乏產(chǎn)生足夠胃酸的能力，乳糖可以被腸道內(nèi)的乳酸微生物利用導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)生乳酸和乙酸，降低腸道pH值，抑制有害微生物的繁殖，并加強消化道的蠕動，防止下痢[4]。乳清粉中還含有豐富的礦物質(zhì)包括少量的鎂、磷、鉀、鈣等。這些礦物質(zhì)以礦物質(zhì)-蛋白質(zhì)復(fù)合物的形式存在，更加容易被消化吸收，有很高的生物可利用率[5]。很多科研人員通過飼養(yǎng)試驗證明了乳清粉具有很高的飼用價值。很多科研人員通過調(diào)整仔豬日糧的結(jié)構(gòu)對飼養(yǎng)后的仔豬進行試驗，得出結(jié)論證明乳清粉中的優(yōu)質(zhì)蛋白可以減小腹瀉率，顯著降低抗營養(yǎng)因子和抗原物質(zhì)的含量，有助于腸道消化道健康[6-10]。

研究表明，仔豬開口料（6.2 kg仔豬）用20%乳清粉時日增重最大[11]；早期隔離斷奶仔豬（2.2～5 kg仔豬）飼糧中乳清粉的用量通常是15%～30%；過渡飼糧（5～7 kg仔豬）乳清粉的用量通常是10%～20%。但在實際的飼料加工過程中，乳清粉原料受理化特性的影響營養(yǎng)特性的優(yōu)勢并不能完全顯現(xiàn)出來，目前國內(nèi)飼料加工過程中乳清粉添加量一般在5%～10%左右，這是由于乳清粉含量過高會導(dǎo)致制粒性能變差。這也是對乳清粉加工特性進行研究的重要意義。營養(yǎng)特性會對乳清粉在配方中的應(yīng)用產(chǎn)生影響。而飼料原料的物理特性包括摩擦特性等參數(shù)的大小可以作為衡量物料在設(shè)備中流動情況的指標，可以反映不同粉體顆粒間結(jié)合的過程及效果，從而對飼料加工質(zhì)量和加工效率產(chǎn)生影響，對物理特性的研究可以指導(dǎo)飼料加工過程中存儲、粉碎、制粒等多個工段的工藝參數(shù)。乳清粉的熱特性參數(shù)主要包括熱導(dǎo)率、比熱等，是飼料加工過程中調(diào)質(zhì)、制粒及冷卻等存在熱傳遞過程進行傳熱計算的重要參數(shù)，對這些參數(shù)的測定可以為飼料加工中調(diào)制器、冷卻器的參數(shù)設(shè)計及加工工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料

乳清粉樣品的采集通過與國內(nèi)主要飼料生產(chǎn)廠商聯(lián)系，由其原料供應(yīng)部門提供。共采集來自全國17個飼料企業(yè)共21個乳清粉樣品。21個乳清粉樣品分別來自美國、法國、荷蘭等不同國家。采集樣品后，進行檢查是否變質(zhì)并分別裝袋儲存，以備試驗需要。

1.2 試驗儀器與方法

1.2.1 乳清粉營養(yǎng)成分測定

試驗儀器：近紅外分析儀（Infraxact Lab）。

試驗方法：樣品采集與分樣按照GB5491的規(guī)定進行,整理樣品并清除雜質(zhì)。儀器經(jīng)預(yù)熱及自檢模式后，取適量乳清粉樣品（體積不少于樣品容積杯二分之一），用近紅外分析儀進行測定，記錄測定數(shù)據(jù)，每個樣品測定兩次。第1次測定后的測定樣品應(yīng)與原待測樣品混勻后，再次取樣進行第2次測定。

1.2.2 乳清粉水分測定

試驗儀器：電熱恒溫鼓風干燥箱(PHG-9240A)；高速萬能粉碎機(FW100)；電子天平(0.01 g)(PL2002)。

試驗方法：參照烘箱法[12]進行測定（GB6435-86）。

1.2.3 乳清粉容重測定

試驗儀器：GHCS-1000型谷物容重器：鄭州中谷科技有限公司。

試驗方法：參照容重器法[13]進行測定（GB 1353-2009）。

1.2.4 乳清粉休止角測定

休止角指物料堆積層的自由斜面與水平面所形成的最大角，又稱堆積角。散粒體物料的休止角越小，說明摩擦力越小，流動性越好。本試驗按照國家標準GB/T 5262—1985中規(guī)定的注入法原理，采用自主研發(fā)的休止角測定裝置進行測量。

試驗儀器：基于Kansas State University推薦方法所制作的休止角測定裝置，如圖1所示。

試驗方法：Kansas State University推薦方法：將乳清粉緩慢添加至空間狹長的長方形容器內(nèi)形成截面接近三角形的堆積體，待堆積體形狀穩(wěn)定后停止添加，然后在截面的輪廓線上找到斜率最大的點，以該點為切點做直線與輪廓線相切，此切線與水平線的夾角即為物料的休止角。

圖1 休止角測定裝置

1.2.5 乳清粉摩擦系數(shù)測定

滑動摩擦角是衡量散粒體物料散落性能的重要指標，表示每個物料顆粒與斜面材料間的摩擦特性，與物流含水率、粒徑、顆粒外殼特性、接觸材料表面特性有關(guān)。

試驗儀器：基于斜面儀法[14]自主研制的測定摩擦角的斜面儀裝置[15]，如圖2所示；電子天平（0.01 g）（PL2002）。

試驗方法：將乳清粉平鋪在斜面儀的平板上，形成薄薄的一層，緩慢轉(zhuǎn)動手動搖桿，逐漸增加平板的傾斜度。當物料開始下滑或者有下滑的趨勢時，停止轉(zhuǎn)動，記錄平板的傾斜角度α，即為物料的滑動摩擦角，其正切值即物料的摩擦系數(shù)。

圖2 斜面儀裝置

1.2.6 乳清粉熱導(dǎo)率和導(dǎo)溫系數(shù)（熱特性參數(shù)）測定

試驗儀器：KD2 Pro熱特性分析儀：美國，Decagon公司。

試驗方法：將被測的乳清粉樣品置于直徑25 mm,高35 mm的小燒杯內(nèi)，裝滿后壓實。并用封口膜和保鮮膜將燒杯口密封。將長30 mm、直徑1.28 mm、間距6 mm的SH-1探針垂直插入樣品中，加熱絲提供一定的熱量，熱電偶不斷測量溫度的變化。經(jīng)過2 min后，讀取儀器顯示屏上的熱導(dǎo)率與導(dǎo)溫系數(shù)數(shù)值。每個樣品至少進行3次試驗，取3次試驗平均值作為最終結(jié)果。

1.2.7 乳清粉比熱（熱特性參數(shù)）測定

試驗儀器：DSC-60型差式掃描熱量儀：日本，島津公司。

試驗方法：將兩個空白坩堝在25℃保持5 min，并以10℃/min的速度升溫到130℃，在此溫度條件下保持10 min獲得基線；放入標準物藍寶石樣品，在同樣的條件下獲得標準樣品曲線；在同樣的條件下測定乳清粉樣品的DSC曲線，乳清粉樣品取樣量為8～10 mg。每個樣品至少進行2次試驗，取2次試驗平均值作為最終結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2013進行整理分析，并使用JMP10.0.0進行統(tǒng)計分析及差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳清粉主要營養(yǎng)成分分析(見表1)

由表1數(shù)據(jù)可以看出，乳糖為乳清粉的主要成分，占54.85%～72.89%，其余營養(yǎng)成分主要包括粗蛋白（含量在2%～13%）、粗脂肪（含量均值為0.55%）、灰分（含量均值為8.22%），而水分含量均值為2.05%，范圍為0.62%～3.54%。乳清粉依據(jù)蛋白含量不同分為低蛋白乳清粉、中蛋白乳清粉、高蛋白乳清粉3種。從變異程度方面分析可以發(fā)現(xiàn)，低蛋白的乳糖成分屬于弱變異，灰分屬于中等變異，其余營養(yǎng)成分均屬于強變異。中蛋白乳清粉除乳糖外其余營養(yǎng)成分全部屬于強變異，最高變異系數(shù)為水分達到59.59%。高蛋白乳清粉中粗蛋白含量屬于弱變異，乳糖含量屬于中等變異，其余營養(yǎng)成分均屬于強變異。乳清粉樣品全部來自國外不同企業(yè)，說明企業(yè)生產(chǎn)的乳清粉樣品的各個營養(yǎng)成分差異比較明顯，這可能是由于各個生產(chǎn)企業(yè)的奶酪干酪生產(chǎn)工藝、干燥工藝不同導(dǎo)致的。

根據(jù)NY/T 1563-2007飼料級乳清粉的標準，乳糖含量≥61.0%、粗蛋白含量≥2.0%、粗脂肪含量≤1.5%、水分含量≤5.0%、灰分含量≤8.0%，與本文所測數(shù)據(jù)相比較，其中水分和粗蛋白含量均在標準范圍內(nèi)，灰分含量有部分低蛋白和高蛋白乳清粉樣品偏高，乳糖含量有部分高蛋白乳清粉偏低，粗脂肪含量有部分中蛋白乳清粉樣品偏高。

2.2 乳清粉物理特性分析(見表2)

表1 不同品種乳清粉營養(yǎng)成分分析（%，干基）

表2 不同品種乳清粉物理特性分析

由表2數(shù)據(jù)可以看出，低蛋白乳清粉樣品的休止角、摩擦系數(shù)、容重的均值分別是33.81°、0.79、777.61 g/l，中蛋白乳清粉樣品的休止角、摩擦系數(shù)、容重的均值分別是37.67°、0.92、676.78 g/l，高蛋白乳清粉樣品的休止角、摩擦系數(shù)、容重的均值分別是33.90°、0.91、709.33 g/l。乳清粉的休止角和容重指標都處于弱變異水平，而乳清粉的摩擦系數(shù)變異程度較不穩(wěn)定，低蛋白樣品處于中等變異水平，中蛋白樣品處于20%～30%的強變異水平，高蛋白樣品處于弱變異水平。說明不同國家不同企業(yè)生產(chǎn)的乳清粉樣品的休止角和容重并無太大差異，而種類對摩擦特性存在較為顯著的影響。

2.3 乳清粉熱特性分析

農(nóng)業(yè)物料的熱特性參數(shù)主要包括比熱、熱導(dǎo)率、導(dǎo)溫系數(shù)、對流換熱系數(shù)等，在飼料加工中是調(diào)質(zhì)、制粒、冷卻等熱傳遞過程中進行傳熱計算的重要參數(shù)。比熱是食品及農(nóng)產(chǎn)品熱特性的重要工程參數(shù)之一，指單位質(zhì)量物質(zhì)溫度每升高（或降低）1 K所增加（或減少）的能量，由式（1）表示：

式中：C——比熱[J/(g·K)]；

Q——熱量(J)；

m——質(zhì)量(kg)；

△t——溫差(K)。

本文對不同品種乳清粉樣品的比熱、熱導(dǎo)率進行了測定，測定及分析結(jié)果見表3、表4。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，所有乳清粉樣品的比熱值均隨著溫度的升高而增大，低蛋白乳清粉從1.909 1 J/(g·K)(室溫25 ℃)最終達到了4.256 5 J/(g·K)(100 ℃)，中蛋白乳清粉從1.711 9 J/(g·K)（室溫25℃）最終達到了4.112 8 J/(g·K)(100 ℃)，高蛋白乳清粉從2.150 9 J/(g·K)(室溫25 ℃)最終達到了3.967 3 J/(g·K)(100 ℃)。由表3還可以看出，蛋白含量對比熱數(shù)據(jù)的影響相當不顯著。在每種蛋白含量水平下，每個溫度點水平的比熱值變異系數(shù)基本都處在中等偏弱程度。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，低蛋白乳清粉樣品的導(dǎo)熱率變異系數(shù)處于弱變異水平，中蛋白和高蛋白乳清粉樣品處于15%～35%的強變異水平。

表3 不同品種乳清粉比熱特性分析

表4 不同品種乳清粉導(dǎo)熱率分析

3 結(jié)論

①不同國家、不同企業(yè)生產(chǎn)的乳清粉營養(yǎng)成分、物理特性、熱特性均存在不同程度的差異。其中，乳清粉的營養(yǎng)成分指標和熱特性指標差異較物理特性要明顯。

②通過分析乳清粉樣品的主要營養(yǎng)成分可以發(fā)現(xiàn)，來自不同國家不同企業(yè)的乳清粉樣品除乳糖營養(yǎng)成分為弱變異，其它營養(yǎng)成分均達到了強變異程度，其中低蛋白乳清粉的粗脂肪成分變異程度達到了101.17%。不同企業(yè)乳清粉生產(chǎn)加工工序不同，干燥工藝不同對干酪奶酪的品質(zhì)要求不同，導(dǎo)致乳清粉作為奶酪干酪的副產(chǎn)品其營養(yǎng)成分出現(xiàn)了較大差異。

③乳清粉樣品物理特性指標顯示，乳清粉滑動摩擦系數(shù)、休止角以及容重的變異系數(shù)均處于不太強的程度，可能是因為乳清粉粒度細小而且較為均勻一致，導(dǎo)致物理特性差異不大。

④乳清粉的熱特性指標顯示，樣品比熱值隨著溫度的上升而增加，比熱值的變異程度基本處于中等變異水平，說明各個溫度水平下比熱差異不大。低蛋白乳清粉樣品的導(dǎo)熱率變異系數(shù)處于弱變異水平，中蛋白和高蛋白乳清粉樣品處于15%～35%的強變異水平。

本文對不同國家不同企業(yè)生產(chǎn)的乳清粉樣品的營養(yǎng)成分、物理特性及熱特性進行了測定和分析，分析了不同廠家對各指標的影響程度。本文數(shù)據(jù)及結(jié)論可對其作為飼料原料在配方中發(fā)揮相應(yīng)作用，飼料加工過程如粉碎、調(diào)質(zhì)、制粒、冷卻的加工工藝參數(shù)優(yōu)化，以及顆粒飼料成型特性的預(yù)測和產(chǎn)品質(zhì)量的改善提供理論依據(jù)。