从泥坑到钢槽：白酒酿造中合成微生物群落的微生物演替与定向管理 综述：从泥坑到钢槽：白酒酿造中合成微生物群落的微生物演替与定向管理

本综述探讨了在不当储存条件下（暴露于潮湿空气），奶粉（特别是脱脂奶粉和脂肪填充奶粉）中乳糖（Lactose）的分子流动性（mobility）。通过运用魔角旋转核磁共振（1H MAS NMR）、扫描电子显微镜（SEM）等先进技术，研究首次为乳糖在吸湿后获得的显著旋转流动性（rotational mobility）提供了直接证据。这解释了乳糖如何参与表面结晶（crystallization）及与蛋白质（如β-乳球蛋白）的化学反应（Maillard反应），从而影响奶粉结块（caking）、褐变（browning）及货架期稳定性。研究指出，湿度是解锁乳糖流动性、进而引发不良理化过程的关键，为理解及控制乳基粉状食品（如婴儿配方奶粉）的储存稳定性提供了新视角。

从泥坑到钢槽：白酒酿造中合成微生物群落的微生物演替与定向管理

摘要

乳糖是奶粉的主要成分，通常以无定形状态存在。在储存过程中，尤其是在不适当的条件下（如高湿度环境），乳糖会参与各种物理化学过程，包括在颗粒表面结晶以及与蛋白质发生反应。这些过程的前提是乳糖分子必须具备足够的流动性。然而，关于乳糖在奶粉中是否具备以及如何获得这种流动性的直接证据一直缺乏。本研究首次利用魔角旋转核磁共振（¹H MAS NMR）光谱等技术，直接证明了当奶粉暴露于潮湿空气中时，其中一部分乳糖分子获得了显著的旋转流动性，其行为近乎液态。这一发现为理解奶粉在储存期间的质量变化机制提供了关键的分子层面见解。

引言

奶粉因其货架期长、运输成本效益高，在婴儿营养、医疗营养及人道主义供应链中具有重要价值。然而，其品质极易受储存条件影响。通常建议将奶粉储存在相对湿度（RH）低于65%、温度低于27°C的环境中，但在实际物流和储存中极易超过这些阈值。一旦超标，可能导致结块、复溶性差、化学褐变等问题，造成食品浪费并增加成本。

奶粉是一个复杂的多组分系统，包含乳糖、蛋白质、矿物质、脂肪和水，其中乳糖是主要成分。喷雾干燥后的奶粉中，乳糖最初处于无定形状态。在储存期间，尤其是在潮湿或高温条件下，乳糖会参与多种改变产品质量的物理化学过程。例如，扫描电子显微镜（SEM）已观察到乳糖在奶粉颗粒表面结晶；乳糖还能通过其还原端与蛋白质（如β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、α_S2-酪蛋白）上的赖氨酸残基发生美拉德反应。此外，乳糖的降解产物可能促进储存期间奶粉中的蛋白质聚集。因此，阐明乳糖在不同储存条件下是否以及如何获得流动性，对于理解其如何参与结晶和化学反应至关重要，这直接影响奶粉的稳定性和货架期。

核磁共振（NMR）是一种对分子（旋转）流动性高度敏感的光谱技术。本研究假设，可以利用NMR光谱观察到奶粉中乳糖的流动性，特别是在暴露于潮湿空气的条件下。

材料与方法

研究使用了商业牛乳粉，包括脂肪填充奶粉、脱脂奶粉、乳清蛋白浓缩物、胶束酪蛋白分离物和乳糖。通过将粉末暴露于由饱和盐溶液控制的特定相对湿度环境（如33%、75%、85% RH）中来制备样品。

核心技术手段包括：

• •
  魔角旋转核磁共振（MAS NMR）：在400 MHz和700 MHz谱仪上进行，以探测样品中各组分的流动性和化学环境。
• •
  扫描电子显微镜（SEM）：用于观察暴露于潮湿空气前后奶粉颗粒的表面形态变化。
• •
  二维相关光谱：如¹H-¹³C异核单量子相干（HSQC）光谱，用于确认信号来源。
• •
  纵向弛豫时间（T₁）测量：用于研究水分和乳糖之间的动态耦合。

结果与讨论

3.1. 乳糖在奶粉表面的结晶

SEM图像显示，在干燥条件下储存的奶粉颗粒表面光滑。而当脱脂奶粉暴露于推荐阈值以上（75% RH，21°C）的条件三天后，其颗粒表面出现了明显的乳糖晶体。结晶的出现意味着乳糖必须获得足够的流动性才能迁移到表面并重新排列。这为后续NMR研究提供了宏观证据。

3.2. 魔角旋转¹H NMR光谱揭示官能团

静态¹H NMR光谱主要显示脂肪（~1.29 ppm）和水（~4.8 ppm）的宽峰。当以中等转速（2.5-5 kHz）进行魔角旋转（MAS）后，光谱分辨率显著提高，揭示了脂肪中不同甘油三酯官能团的精细信号1H NMR光谱。(a, b)为静态光谱，(c, d)为MAS光谱，显示分辨率大幅提升，并标注了脂肪官能团和移动乳糖(*)的信号。">。更重要的是，在脂肪填充和脱脂奶粉暴露于潮湿空气后的MAS光谱中，在3.5 ppm至4.0 ppm的化学位移范围内观察到一组额外的峰。

3.3. 魔角旋转¹H NMR光谱揭示移动的乳糖

这组出现在3.5-4.0 ppm范围内的峰，其化学位移与乳糖在水溶液中的共振峰完全吻合。通过将水、甘油三酯和乳糖的信号叠加，可以很好地拟合奶粉的MAS光谱1H MAS NMR光谱。">。因此，研究者将这些峰主要归因于当奶粉吸收水分后，一部分乳糖获得了显著的旋转流动性（接近液体状态）。这些峰在高湿度条件下尤为明显。作为对比，液态乳糖溶液谱峰尖锐，而固态结晶乳糖的谱峰则非常宽泛，无法分辨。

3.4. 移动乳糖含量随吸水量增加

通过光谱拟合定量分析发现，移动乳糖信号的相对强度随环境相对湿度和奶粉中水含量的增加而增加3峰）随相对湿度的变化，以及(c)两者的相关性。">。这表明乳糖的流动性直接受水分活化的影响。

进一步的二维纵向弛豫时间（T₁）-化学位移（δ_1H）相关谱分析显示，移动乳糖信号（3.5-4.0 ppm）的T₁弛豫时间常数（~2.3 s）与大部分水信号（~2.0 s）非常接近1H NMR纵向弛豫时间T₁-化学位移δ_1H相关图。移动乳糖（）和与之相关的水（*）具有相近的T₁值，表明两者存在交叉弛豫和/或交换过程。">。这种弛豫时间的相似性表明移动的乳糖与移动的水之间存在物理上的接近性，并可能发生交叉弛豫或化学交换，进一步支持了乳糖在吸水后呈现液态类似行为的结论。

3.5. 利用二维NMR验证乳糖流动性

为了排除蛋白质信号的可能干扰，并最终确认3.5-4.0 ppm信号的来源，研究者进行了溶液态二维¹H-¹³C HSQC实验。结果显示，暴露于高湿空气（100% RH）的脱脂奶粉的HSQC谱图，与乳糖水溶液的HSQC谱图高度匹配1H-¹³C HSQC谱，以及(c)两者的叠加图。奶粉谱中的峰群与乳糖的HSQC指纹完全匹配。">。这一确凿证据表明，在潮湿条件下，奶粉中观察到的信号确实主要来源于获得流动性的乳糖分子，而非蛋白质或其他成分。

结论

本研究首次为奶粉中的乳糖在暴露于潮湿空气后获得显著流动性提供了直接证据。通过¹H MAS NMR光谱，我们明确检测到3.5至4.0 ppm范围内的信号主要由具有显著旋转流动性的乳糖分子贡献。这些信号在HSQC实验中呈现出与溶液态乳糖一致的特征图谱，并且其纵向弛豫时间常数与水分相近，揭示了水与乳糖之间的邻近性和动态耦合。

湿度的关键作用在于“解锁”了乳糖的流动性，使得乳糖得以参与表面结晶和与蛋白质的化学反应，从而引发结块、褐变等品质劣变。理解这一分子层面的机制，对于预测和控制乳基粉状食品在储存、运输过程中的稳定性至关重要。本研究建立的¹H MAS NMR方法，为探究其他食品粉末中关键成分的流动性及其与宏观稳定性的关联提供了有力的工具。