1.2　牛乳的成分、结构及营养价值

1.2.1　牛乳的成分概述

乳色泽为白色或略带黄色，不透明，味微甜，并具有特有香味。乳中含有幼畜生长发育需要的各种营养成分，包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、矿物质和维生素、酶、其他微量成分，以及保护幼畜免受感染的抗体。乳是当今世界上人类最适宜食用的食品之一。

牛乳中的水分含量约为87%，乳中的碳水化合物和矿物质为溶液状态，脂肪为乳浊液状态，蛋白质为胶体悬浮液状态。牛乳成分的一般分类是分为水分和乳固体两部分，其中乳固体又分为脂质和非脂乳固体。

牛乳中主要成分的含量如表1-12所示。

鲜牛乳中多种碳水化合物、部分蛋白质、可溶性盐类和维生素溶于水中。同时还分散着两个胶体系统：一个是脂肪球系统，每个脂肪球表面都包裹着极薄的脂肪球膜；另一个是酪蛋白胶束系统，由蛋白质分子和不溶性盐（主要是磷酸钙络合物）构成。因为这两个胶体系统比较稳定，因此乳能形成均匀的胶体乳状液体。

1.2.2　蛋白质

牛乳中的蛋白质含量为2.8%～3.8%。乳蛋白质有乳清蛋白、酪蛋白和少量脂肪球膜蛋白。乳清蛋白包括对热不稳定的乳白蛋白和乳球蛋白，还有对热稳定的和胨。牛乳中氮的主要分布见表1-13。

采用电泳、超速离心、电子显微镜、原子吸收光谱分析等方法，确定了乳蛋白质的组成、结构及性质。牛乳中主要蛋白质的分类见表1-14。

牛乳蛋白质中氨基酸含量大约在20种以上，主要组成见表1-15。

乳清蛋白和酪蛋白在特性上区别很大，主要表现在以下几个方面。

①pH值4.6时，酪蛋白会发生沉淀，乳清蛋白不沉淀，利用此性质可分离酪蛋白和乳清蛋白。

②在Ca2+存在下，酪蛋白可被凝乳酶水解并凝固，而乳清蛋白则不凝固。

③酪蛋白热稳定性高。pH值6.7，100℃加热24 h，酪蛋白不会凝固，可耐受140℃热处理20min；而乳清蛋白热稳定性较差，90℃处理10min即可全部变性。

④酪蛋白中含磷酸基团，平均含磷量0.85%，乳清蛋白中不含磷。磷酸基团的存在使酪蛋白具有许多独特性质。

⑤酪蛋白含硫量低（0.8%），主要来自甲硫氨酸，其次来自半胱氨酸和胱氨酸。乳清蛋白含硫量较高（1.7%），主要来自于半胱氨酸和胱氨酸，此外还有少量甲硫氨酸。乳清蛋白中的含硫氨基酸是导致蒸煮味产生的主要原因。

1.2.2.1　酪蛋白

将脱脂乳的pH值调节至4.6，在20℃下沉淀出来的蛋白质即为酪蛋白，占乳蛋白总含量的80%～82%。乳中酪蛋白的类型有4种：αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白，它们占酪蛋白总量的比例分别为37%、10%、35%和12%。

（1）酪蛋白的分类及性质

αs1-酪蛋白分子是由多个疏水性残基区域和磷酸化组成的负电荷基团组成的簇状结构。αs-酪蛋白对钙敏感，在pH值为7.0时Ca2+可使αs-酪蛋白沉淀。

β-酪蛋白分子的48～209位含有很多疏水基团，其多肽链N末端区含有亲水氨基酸残基和5个磷酸化残基。因此β-酪蛋白聚集体是由疏水内核的相互作用形成，N末端的亲水部分暴露在溶剂中。

κ-酪蛋白只含有一个磷酸化残基，还有寡糖基成分和一个二硫键。

（2）酪蛋白在乳中的存在状态

酪蛋白是典型的含磷蛋白，含磷量的多寡即为区分4种酪蛋白的依据。在乳中酪蛋白是含钙、磷酸盐的络合物粒子，不同类型的酪蛋白可自行结合形成聚集体，进一步形成胶束。正常乳中的酪蛋白以分散胶粒形式存在，胶粒直径为20～600nm（平均120nm），平均分子量为1×108，以海绵状结构存在，有利于蛋白质水解酶进入分子内部。

胶束的特性对乳的加工性能影响很大。胶束某种程度上决定了乳制品在加热、浓缩和贮存期间的稳定性，也决定了酸乳和浓缩乳制品的流变特性，还会影响产品的某些特性（如稳定性、黏滞性）。

未冷却乳中的酪蛋白都以粗糙的球形颗粒形式存在，直径0.02～0.30μm，含20～150000个酪蛋白分子。此外，酪蛋白中还含有少量其他蛋白质，如脂肪酶、胞质素和部分、胨等。

（3）酪蛋白的存在形式及胶束的结构

牛乳酪蛋白与磷酸钙会形成胶束状态的“酪蛋白酸钙-磷酸钙复合体”，其中含95.2%酪蛋白酸钙和4.8%磷酸钙，组成如表1-16所示。

酪蛋白酸钙-磷酸钙复合体胶粒呈球形，直径分布为30～300nm，大部分为80～120nm，如表1-17所示。每毫升乳中含5×1022～15×1022个酪蛋白胶粒。

酪蛋白胶束主要有三种：αs-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白。这三种酪蛋白中，一般会有一两个含有羟基的氨基酸与磷酸发生酯化，磷酸能和钙、镁及其他盐在分子间或分子内发生键合。酪蛋白胶束结构如图1-1所示，由亚酪蛋白胶束（图1-2）混合组成。亚酪蛋白胶束的直径为10～15nm。不同酪蛋白胶束含有的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

乳清蛋白占乳蛋白总量的18%～20%，具有较高的营养价值。乳清蛋白包含对热不稳定的乳白蛋白和乳球蛋白，以及对热稳定的和胨。

pH值为4.6～4.7时，将乳清液煮沸20min，此时沉淀的蛋白质就属于对热不稳定的乳清蛋白，占乳清蛋白总量的81%左右。中性状态下，向乳清中加入饱和硫酸铵、饱和硫酸镁进行盐析，得到溶解而不析出的蛋白质称为乳白蛋白，约占乳清蛋白总量的68%；得到不溶解的蛋白质为乳球蛋白，约占乳清蛋白总量的13%。

（1）乳白蛋白

乳白蛋白又分为α-乳白蛋白、β-乳白蛋白和血清白蛋白，三者含量分别占乳清蛋白的19.7%、43.6%和4.7%。α-乳白蛋白比较稳定，在70℃下仅有6%会变性；而β-乳白蛋白会有32%发生变性。

（2）乳球蛋白

乳球蛋白分为真球蛋白和假球蛋白，分别占乳清蛋白质量的5.2%和4.8%，等电点分别为pH 6.0和pH 5.6。

乳球蛋白具有抗原作用，与乳的免疫性有关，又称为免疫球蛋白。初乳中的免疫球蛋白含量高，可增强婴幼儿机体抗病能力，促进生长发育；对老年人具有抗衰老作用，在辅助治疗成人胃炎和糖尿病等方面效果明显。

（3）对热稳定的乳清蛋白

在pH值为4.6～4.7时，将乳清液煮沸20min，得到的不沉淀蛋白属于对热稳定的乳清蛋白，主要为和胨，约占乳清蛋白总量的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分子这种蛋白质和1分子磷脂质结合，形成脂肪球膜，即脂肪球膜蛋白，其成分组成如表1-18所示。100g乳脂肪中脂肪球膜蛋白的含量为0.4～0.8g。

脂肪球膜蛋白含大量硫，对热敏感，在70～75℃条件下对牛乳进行瞬间加热，—SH基即游离出来产生蒸煮味。脂肪球膜蛋白中含有卵磷脂，在细菌性酶的作用下形成鱼腥味的三甲胺而被破坏。

1.2.3　乳脂肪

牛乳脂质中含97%～99%乳脂肪、1%左右的磷脂和少量甾醇、游离脂肪酸、脂溶性维生素等。乳脂肪由一分子甘油和三分子脂肪酸组成，是一种甘油三酸酯的混合物。乳脂肪以脂肪球的状态分散于乳中，不溶于水。

1.2.3.1　乳脂肪的结构及理化性质

乳脂肪以小脂肪球的形式存在，是水包油型的乳浊液。脂肪球表面由脂肪球膜包裹，在乳中保持稳定，并且各个脂肪球独立分散于乳中。脂肪球的直径为0.1～22μm，平均为3μm，大部分为4μm以下，在10μm以上的很少。1mL牛乳中含有2×109～4×109个呈球形或椭球形的脂肪球。

脂肪球膜的厚度为5～10nm。由蛋白质、磷脂、甾醇、维生素、高熔点甘油三酸酯、金属离子、酶类及结合水等组成。

牛乳在容器中静置一段时间，乳脂肪会逐渐上浮形成脂肪层，称为稀奶油层，下面称为脱脂乳。乳脂肪的主要理化常数如表1-19所示。

乳脂肪具有水溶性脂肪酸值和皂化值高、挥发性脂肪酸和低级脂肪酸多、不饱和脂肪酸少、碘值低等特点。

1.2.3.2　乳脂肪的脂肪酸组成

乳脂肪是一种甘油三酯的混合物，包含各种脂肪酸，其含量如表1-20所示。

脂肪酸可分为三类：一是水溶性挥发性脂肪酸，如丁酸、己酸、辛酸、癸酸等；二是非水溶性挥发性脂肪酸，如十二烷酸；三是非水溶性不挥发性脂肪酸，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。

水溶性挥发性脂肪酸组成的脂肪风味较好，易于消化吸收。在所有动植物性油脂中，乳脂肪中水溶性挥发性脂肪酸的含量高，所以其风味最佳，而且最易消化。

1.2.3.3　乳脂肪的特点及价值

乳脂肪具有以下特点：

①乳脂肪中含14%左右短链低级挥发性脂肪酸，其中水溶性挥发性脂肪酸（丁酸、己酸、辛酸等）的含量高达8%。乳脂肪是一种具有特殊香味和质地柔软的高档食品原料。

②乳脂肪易于氧化，在光照、氧、热、铜、铁等的作用下都可能发生氧化，产生脂肪氧化味。

③解脂酶和微生物可以将乳脂肪水解，导致酸度升高，产生刺激性气味。

④乳脂肪容易吸收环境中的其他气味而具有异味，如牛舍味、饲料味、柴油味等。

⑤乳脂肪在5℃以下呈固态，11℃以下呈半固态。

在乳与乳制品中，乳脂肪具有营养价值高、风味好、物理性质和经济价值高等重要作用。

①乳脂肪发热量高，是一种能量来源；乳脂肪还是脂溶性维生素的传递者和含有者，必需脂肪酸含量丰富，易于消化。

②乳脂肪具有丰润圆熟的风味，在奶油、稀奶油、冰淇淋等乳制品加工时，乳脂肪不能由其他廉价代用脂肪替代，就是因为其风味特点。

③乳脂肪为乳制品赋予的柔润滑腻的组织状态和风味，也是其他脂肪所不能代替的。

④乳脂肪的经济价值也很高，比其他乳成分的价格高。

1.2.3.4　磷脂、甾醇与脂肪球膜

（1）磷脂

牛乳中含磷脂约0.03%，其中包括卵磷脂0.0045%～0.005%、脑磷脂0.0127%～0.0156%和神经鞘磷脂0.0073%～0.0084%。磷脂的60%都在脂肪球膜中，磷脂类物质在动物机体的磷代谢中起着重要作用。

（2）甾醇

乳脂肪的甾醇主要由胆固醇组成。乳中甾醇含量较低，仅7～17mg/100mL，主要与脂肪球膜结合存在。

（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浊液稳定性。脂肪球膜吸附于脂肪球和脱脂乳乳浆的界面之间，是一组穿插排列的化合物。乳脂质在脂肪球、脂肪球膜和乳浆中的分布见表1-21。

1.2.4　乳糖

乳糖（C12H22O11）是从哺乳动物乳腺中分泌出的一种特有化合物。动、植物组织中几乎不含乳糖，仅存在于乳中。乳糖属于双糖，牛乳中约含乳糖4.5%，为干固物含量的38%～39%。兔乳中乳糖含量最少（约1.8%），马乳中含量较多（约7.6%），人乳中乳糖含量为6%～8%。乳糖是乳中甜味的主要原因，乳糖的甜度约为蔗糖的1/6，在乳中呈溶解状态。

牛乳中碳水化合物的99.8%以上为乳糖。除乳糖外，牛乳中还含有少量单糖、寡糖和氨基己糖等糖类，单糖一般为半乳糖和葡萄糖。

乳糖不仅是乳和乳制品的重要营养来源之一，在发酵乳制品中作用也很大。此外，乳糖溶解度低，结晶后会影响甜炼乳、冰淇淋的品质及其冷冻稳定性。

1.2.4.1　乳糖的结构

乳糖是由一分子D-葡萄糖和一分子D-半乳糖以β-1，4-糖苷键结合形成的双糖。乳糖有两个异构体，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-型与β-型的溶解度也有所区别。将乳糖投入水中，即有部分溶解于水中，达到饱和溶液时的溶解度，即为乳糖的溶解度，也称最初溶解度。振荡或搅拌达到最初溶解度的饱和乳糖溶液，再加入乳糖，乳糖仍可继续溶解再次达到饱和，此时的溶解度称为最终溶解度。乳糖最终溶解度是β-乳糖和α-含水乳糖在某一温度下的平衡溶解度，即为β-乳糖和α-含水乳糖的综合溶解能力。在25℃下，乳糖水溶液的最初溶解度和最终溶解度分别为8.6g/100mL水和21.6g/100mL水。乳糖溶解度随温度的升高而增大的规律见表1-22。

1.2.4.3　乳糖的化学变化

（1）水解反应

乳糖与稀酸共同加热，水解为葡萄糖和半乳糖；还可被β-D-半乳糖苷酶水解为半乳糖和葡萄糖，副反应可生成多种寡糖类。

（2）氧化反应

乳糖可被溴氧化生成乳糖酸，某些微生物也有这种作用；被25%～30%的硝酸氧化生成糖酸和黏液酸；被浓硝酸氧化生成草酸和碳酸。乳糖与高锰酸钾在酸件条件反应生成L-酒石酸和D-酒石酸，在碱性条件下被完全氧化生成二氧化碳和水。

（3）异构反应

乳糖中的葡萄糖分子在碱性溶液中部分异构化形成异构乳糖，即乳果糖或二蔗酮糖，是一种新型功能性物质。异构乳糖熔点为158℃。异构乳糖可以促进肠道内的双歧杆菌增殖，又称双歧增殖因子。乳糖可在高温加热条件下生成异构乳糖、半乳糖、塔格糖等糖类，以及蚁酸、乳酸等有机酸。乳糖是一种还原性双糖，与乳中蛋白质容易发生美拉德反应，是乳制品褐变的主要原因。

1.2.4.4　乳糖的营养价值

乳糖是人体的热能来源，1g乳糖分解产生16.72kJ热量。乳糖提供的热量占牛乳中总热量的1/4。乳糖在胃中不被消化吸收，在肠道内被乳糖酶分解为半乳糖和葡萄糖而被吸收。半乳糖参与构成脑及神经组织的糖脂质，对智力发育非常重要，能促进脑苷及黏多糖类物质的生成。乳糖还能促进人体肠道内乳酸菌的生成，抑制腐败菌生长，促进肠蠕动。婴儿食品中需强化乳糖以促进钙及其他物质的吸收，防止佝偻病。乳糖被乳酸菌分解生成乳酸，用于制造酸乳制品。

刚出生时消化道内的乳糖酶最多，此后部分人群随着年龄增长，消化道内乳糖酶减少，不能分解、吸收乳糖。乳糖进入大肠后，使大肠渗透压增高，大肠黏膜吸收水分，细菌繁殖产生乳酸和CO2，使pH值降至6.5以下，从而刺激大肠，引起腹痛等症状，即乳糖不适应症，或称乳糖不耐症。我国南方地区比北方地区的人更容易出现乳糖不适应。

1.2.5　乳中的酶

牛乳中酶的来源有两种，一是由乳腺产生，二是由微生物代谢产生。酶的种类很多，与乳制品的生产密切相关的为水解酶类和氧化还原酶类等。牛乳中存在的各种酶主要分为如下三类。

水解酶：脂酶、磷酸酶、淀粉酶、蛋白酶、半乳糖酶、溶菌酶等。

氧化还原酶：过氧化物酶、过氧化氢酶、黄嘌呤氧化酶及醛缩酶等。

还原酶等。

1.2.6　维生素

牛乳中维生素B2（核黄素）含量丰富，维生素D含量较少。牛乳中维生素的含量如表1-23所示。

牛乳中不同的维生素，其热稳定性不同。维生素A、维生素D、维生素B2、尼克酸等对热稳定，经热处理后不会损失。维生素C对热敏感。维生素B1和维生素C等经过日光照射后会被破坏，用褐色避光容器来包装乳与乳制品可减少其损失。

1.2.7　矿物质

牛乳中的无机盐含量为0.7%～0.75%，无机盐、矿物质或灰分含义相近，又有所不同。牛乳中的灰分是指在550℃以下，牛乳燃烧灰化得到的无机物。牛乳中的矿物质、无机盐是指除C、H、O以外的无机元素，主要有K、Na、Mg、Ca、Cl、S等。

牛乳中灰分的含量一般为0.70%～0.72%。牛乳中矿物质和微量元素的含量分别见表1-24和表1-25。

乳中的微量元素具有重大意义，尤其是对于婴幼儿机体发育更加重要。人体内的氧化反应中，锰起催化剂作用，并参与维生素D、维生素B的形成和作用；钴参与构成维生素B12；铜刺激垂体产生激素，也参与构成黄嘌呤氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等；碘是甲状腺素的结构成分，含量不足会导致甲状腺肿。牛乳中铁的含量为100～900μg/L，较人乳中少，婴幼儿配方奶粉应补充铁含量。

1.2.8　牛乳中的其他成分

牛乳中还含有有机酸、细胞成分、气体等其他成分。

牛乳中的有机酸主要是柠檬酸，还有少量乳酸、丙酮酸和马尿酸等。乳中含柠檬酸0.18%，主要以盐类形式存在。柠檬酸盐大部分是酪蛋白胶粒，此外还有离子态和分子态的柠檬酸盐，主要是柠檬酸钙。

牛乳中的细胞成分主要是白细胞和一些上皮细胞，还有少量红细胞。牛乳中细胞（体细胞）的数量多少是乳房健康状况的指标，正常乳中的细胞数不高于50万个/mL。

刚挤出的牛乳含气量较高，主要是二氧化碳，其次是氮气和氧气。不能用刚挤出的生乳来检测原料乳的密度和酸度。牛乳的贮存和处理过程中，二氧化碳因逸散导致气体含量降低，因与大气接触而使氧气、氮气含量增加。氧气的存在会促使维生素氧化和脂肪变质，所以应尽量在密闭容器和管路内输送、贮存及处理牛乳，避免在敞口容器内处理。