基于SEC技术的燕麦与牛乳分子组成及颗粒尺度相互作用研究：植物基乳制品分析新策略

《Journal of Food Composition and Analysis》：Molecular composition and particle-scale interactions in oat and bovine milks: Development of SEC-based protocols for plant-based milk analysis

本研究针对植物基乳替代品（特别是长保质期燕麦奶）分子相互作用机制不清的问题，开发了基于尺寸排阻色谱（SEC）的分析方案，系统比较了燕麦奶与牛乳在组成、颗粒结构和分子组装上的差异。研究发现燕麦奶存在脂肪-蛋白质和碳水化合物-蛋白质两种复合颗粒，且其组分分布与牛乳有本质区别。该研究为植物基乳制品的质量控制、配方优化和稳定性评估提供了新的分析思路和方法学基础。

　　

随着健康意识和环保理念的提升，植物基乳替代品市场近年来呈现爆发式增长，2023年全球市值已超过190亿美元。消费者因乳糖不耐受、牛奶蛋白过敏、膳食偏好或环境因素（如畜牧业温室气体排放）而转向燕麦奶、杏仁奶等产品。然而，与成分和结构相对明确的牛乳（主要包含酪蛋白胶束和乳脂球膜两种颗粒）相比，植物基乳制品（尤其是长保质期燕麦奶）的分子组成、颗粒尺度相互作用及其对产品稳定性和功能性的影响仍知之甚少。例如，将燕麦奶倒入酸性咖啡中有时会出现分层现象，这与其分子组装方式和在复杂环境下的稳定性密切相关。此外，植物基乳品的质量控制通常侧重于成分含量是否符合标准，而较少关注分子排列方式和乳液稳定性，这限制了产品问题的根本原因分析和品质提升。为了深入理解植物基乳与牛乳在分子层面的根本差异，并为产品开发和质量控制提供新的分析工具，研究人员在《Journal of Food Composition and Analysis》上发表了题为“Molecular composition and particle-scale interactions in oat and bovine milks: Development of SEC-based protocols for plant-based milk analysis”的研究论文。

本研究采用了一系列分析技术来系统表征和比较UHT（超高温处理）燕麦奶和UHT全脂牛乳。关键方法包括：使用动态光散射（DLS）测量颗粒流体动力学尺寸，使用电泳光散射（ELS）测定颗粒表面电位（ζ-电位）；通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析矿物质含量；采用重量法测定总脂肪，布拉德福德（Bradford）法测定蛋白质，蒽酮法测定总碳水化合物；利用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析脂肪酸组成（经脂肪酸甲酯化衍生）；通过尺寸排阻色谱-示差折光检测（SEC-RID）和高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）分析糖类组成。研究的核心创新点是利用原本用于细胞外囊泡分离的重力驱动式尺寸排阻色谱柱（qEV系列，包括qEV10/70 nm GEN 2和qEVoriginal 35 nm）对牛奶样品进行组分分离，获得不同馏分，并对各馏分进行上述成分和颗粒性质分析。样品为市售UHT长保质期燕麦奶（由Sanitarium Health Food Company惠赠）和UHT全脂牛乳（市售）。

3.1. 视觉外观、颗粒尺寸和表面电荷

视觉上，燕麦奶呈乳白色或奶油色，而牛乳为白色，这反映了其成分和光散射特性的差异。DLS分析显示，燕麦奶颗粒呈双峰分布，主要粒径范围在200-1000纳米，平均约400纳米；牛乳颗粒则呈单峰分布，平均粒径约300纳米。ζ-电位测量表明，两种乳在水中均带负电荷（燕麦奶约-38 mV，牛乳约-33 mV），理论上乳液在中性条件下相对稳定。

3.2. 成分分析：蛋白质、矿物质、碳水化合物和脂肪

成分分析结果显示，燕麦奶的蛋白质含量（6.2 ± 0.14 mg/mL）显著低于牛乳（25.2 ± 0.79 mg/mL），而碳水化合物含量（62 ± 9.1 mg/mL）高于牛乳（46 ± 3.8 mg/mL）。脂肪含量测定值（重量法）为燕麦奶24.6 ± 0.66 mg/mL，牛乳30.8 ± 5.88 mg/mL。矿物质分析显示，燕麦奶中钾、钙、钠、磷含量与标签声称值基本一致或略有差异，其中钙和磷的强化添加可能影响了其存在形态。糖分析（HPAEC-PAD）表明，燕麦奶主要含麦芽糖、葡萄糖、果糖和蔗糖，而牛奶主要含乳糖以及少量葡萄糖和半乳糖。脂肪酸分析（GC-MS）揭示，燕麦奶的主要脂肪酸为棕榈酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）和亚油酸（C18:2），符合其添加的植物油来源；牛乳则显示出更复杂的脂肪酸谱，包含多种饱和及单不饱和脂肪酸。

3.3. 通过重力制备型尺寸排阻色谱分离主要牛奶组分

利用qEV色谱柱进行分离后发现，燕麦奶的组分呈现明显的分离趋势：早期馏分（如F1-F25）富含脂肪和少量蛋白质，后期馏分（如F35-F60）则富含碳水化合物和蛋白质，表明燕麦奶中可能存在脂肪-蛋白质和碳水化合物-蛋白质两种不同的复合颗粒。蛋白质在各馏分中分布相对均匀，提示其可能与两种颗粒均有结合。牛乳的脂肪、蛋白质和碳水化合物在各馏分中的分布相对均匀，碳水化合物（主要是乳糖）在后期馏分中有逐渐增加的趋势，可能更多以游离形式存在。馏分的脂肪酸和糖组成分析进一步支持了上述颗粒组成的差异性。DLS对馏分的分析显示，燕麦奶不同馏分的颗粒尺寸分布与全乳相似，但后期馏分（碳水化合物-蛋白质颗粒）粒径分布更宽，可能表明颗粒在分离过程中发生了某种程度的变化或聚集。ζ-电位测量显示，馏分在PBS洗脱液中的稳定性与其在全乳水相中有所不同。

3.4. 结论

本研究通过比较UHT燕麦奶和牛乳，揭示了它们在分子组织和颗粒组装上的根本差异。研究表明，样品前处理（如均质、超声）对成分分析的准确性至关重要。燕麦奶中存在脂肪-蛋白质和碳水化合物-蛋白质复合颗粒，它们与色谱柱基质（多糖基）的相互作用不同导致其在不同时间被洗脱。而牛乳的组分分布则相对均匀。这些结构差异直接影响产品的物理化学性质和稳定性。尽管所使用的SEC色谱柱并非专为食品乳液设计，但其基于分子相互作用（如氢键）的分离能力为解析植物基乳品的复杂组装结构提供了新的视角。

该研究的意义在于，它首次系统地将用于生物样本（如细胞外囊泡）分离的SEC技术应用于植物基乳制品的颗粒级组分分析，并开发了相应的分析流程。研究结果强调了植物基乳与牛乳在分子组装层面的本质区别，这不仅有助于理解现有产品（如燕麦奶在咖啡中稳定性问题）的表现，更重要的是为植物基乳替代品的配方优化、稳定性预测和质量控制提供了新的分析思路和潜在的方法学工具。未来可将此方法扩展至其他植物基乳（如杏仁奶、豆奶）的分析，并结合其他分离表征技术，以更全面地揭示植物基乳复杂的微观结构与其宏观功能性质之间的关系。