功能型乳清蛋白热改性技术的研究与应用

乳品加工
Da ir y In d u s t r y
5[摘要]本文介绍了乳清蛋白热变性聚合技术的凝胶机理及主要工艺参数，以此开发具有一定胶粘特性的产品，可替代果胶在乳品工业等食品中的应用，节省果胶的开支，同时乳清蛋白特殊的营养功能特性也是果胶所不具备的。

改性后的乳清蛋白不但能够改善产品的组织状态和感官特征，而且能够为乳清的综合利用开辟新的应用途径。

关键词：乳清蛋白；热
改性；凝胶机理；影响因素
乳清是干酪生产过程中所得的副产品。

随着干酪产品在中国不断普及，副产物乳清的合理利用引起了广泛关注。

由乳清经特殊工艺浓缩精制而成的乳清蛋白，不仅具有很好的营养价值，而且具有许多独特的功能特性，其中乳清蛋白的凝胶性在食品制造中起着重要的作用。

本文主要介绍通过热变性方法使乳清蛋白形成凝胶的机理，说明凝胶形成的过程。

乳清蛋白热改性后可以提高持水性，改善凝胶特性，提高热稳定性。

利用此功能特性使其达到类似于果胶的效果，并且能够在乳品工业中替代果胶。

这样不但减少了乳制品中外来成分的添
加，而且又使干酪的副产物得到再利用，避免了大量乳清蛋白资源的浪费。

1乳清蛋白热变性
宏观上，凝胶是多成分结构的物理化学体系，为液相但又表现类似固体的特性。

可溶的聚合物大分子（或凝聚物）之间发生凝胶是由于聚合物（或它们的官能团）在溶剂中溶解度部分下降所致。

这种凝胶作用的发生受1种或几种外部因素（如pH 值、温度、离子强度）的变化影响。

1.1乳清蛋白凝胶
从乳清制得的蛋白质产品有乳清浓缩蛋白和乳清分离蛋白（蛋白质含量各为70%和90%），它们能形成不可逆的热变性凝胶，在食品行业中有很重要的应用。

β-乳球蛋白和牛血清蛋白
（BSA ）是乳清中能形成凝胶的2种蛋白质，但由于β-乳球蛋白在乳清中含量是后者的10~20倍，因此，β-乳球蛋白被认为是主要的凝胶蛋白。

用离子交换制得95%蛋白质含量的乳清分离蛋白，这种蛋白含有68％~73%的β-乳球蛋白，16％~19%的α-乳白蛋白和6%的BSA ，因此这种乳清蛋白可以看成是β-乳球蛋白的浓缩形式。

在乳清中这些蛋白质都有紧缩的三维结构，其疏水性氨基酸侧链包埋在蛋白质分子内部，而一些极性基团暴露在分子外部。

这些蛋白质的分子结构由一些弱非共价键所
维系，β-乳球蛋白主要是由二硫键维持形状。

乳清蛋白热变性凝胶的产生开始于
蛋白质凝胶，溶液粘度升高而最后形成不透明的凝胶。

研究表明，乳清蛋白加热到65℃左右开始成胶，蛋白质质量分数为10％～12％、温度为70～90℃、p H 值为4.6～6.0是成胶的最佳条件。

在水溶液中蛋白质质量分数达到７％时，乳清蛋白开始成胶。

但只有蛋白质含量高的乳清浓缩蛋白（ＷＰＣ）和乳清分离蛋白（ＷＰＩ）才能形成典型的凝胶。

凝胶过程涉及较大范围的状态变化，也就是说从溶胶态向凝胶态转化，这一过程可以认为是由温度或压力变化引起状态的改变。

从聚合物物理观点来看，凝胶的形成是从溶液中分子无序状态向网络结构中的比较有序状态的转变。

1.2乳清蛋白凝胶形成的步骤
在球蛋白热凝胶过程中，发生了与蛋白质固有特性相关的分子水平状态的转变：蛋白质变性→展开→凝聚→形成凝胶。

这些变化也可由压力的变化引起，可以产生在质地、消化性、风味等方面与热变性凝胶不同的蛋白质凝胶。

球蛋白在某一条件（如加热）下，能从单一的天然状态而展开或变性，发生凝聚，最后形成凝胶，这一过程可以按以下个简单的步骤来说明。

天然乳清蛋白变性（分子展开）
功能型乳清蛋白
热改性技术的研究与应用
李铁红黑龙江摇篮乳业股份有限公司
戴显祺史亚丽何述栋东北农业大学乳品科学教育部重点实验室
2009.1
41.2.1
5□乳品加工
D a i r y I n d u s t r
y
蛋白质分子在60~80℃间展开。

在变性温度下，蛋白质分子开始展开成盘卷状，发生分子间交联。

球蛋白热凝胶要求蛋白质分子首先能够有一定程度的展开，并不一定是全部的展开，这通常发生在100℃以下的温度。

凝胶过程中蛋白质展开的一个很有意义的现象是与蛋白质相吸附的水分子的量也上升。

乳清蛋白变性的影响因素极为复杂，主要是与蛋白质天然状态、p H 值、离子强度等有关。

最近用逆相高效液相色谱进行研究发现乳清蛋白分子在40℃受热开始展开并在62℃缓慢地达到10%左右的变性。

由于分子结构的打开，大量的反应基团暴露出来有利于进行分子间反应，在70℃以上就可以看到乳清蛋白凝胶的形成。

有学者认为凝胶的最初步骤与分子中构型有关，球蛋白的二级结构完整而
没有受到破坏或者仅仅发生轻微的扩展，而分子内的侧链释放出来，分子表面疏水能力增强。

也可以认为蛋白质从天然状态转化为这种所谓的“熔融”状态类似于分子内部玻璃态变化。

1.2.2乳清蛋白展开分子的凝聚
溶液中变性或部分变性球蛋白的凝聚可以认为是热凝胶过程中一个完整的小过程。

M a t s udo m i 等人发现0.2%的β-乳球蛋白在80℃加热30m i n 能形成凝胶物，而相同浓度的α-乳白蛋白却没有这种现象的发生。

但是当将这2种蛋白质稀溶液混合后加热，它们能相互反应，通过巯基—二硫键交互反应而形成可溶的凝聚物。

这种反应对凝胶网络的形成至关重要，并能显著地增强凝胶的硬度。

添加α-乳白蛋白到BSA 中也能由于这一相同机理而形成可溶性凝聚物，形成更为纤细和更均一的网络而导致半透明的凝胶。

在蛋白质分子展开过程中或之后，凝聚物形成的分子机理仍然没有得到明确的解释。

据推测，通过一系列展开反应和双分子交联步骤，凝聚反应形成
较有序的聚合物结构，如同天然蛋白质的折叠那样。

一般认为形成凝聚物的动力是展开的多肽链间疏水性区域非专一反应，不过氢键键合与离子相互反应也有可能同时发生。

可溶性凝聚物的稳定化作用可能是通过多肽链间二硫键交联作用而达到，这对于蛋白质凝聚物的结构保持和凝聚网络的形成极为重要。

1.2.3乳清蛋白凝聚胶束的形成
乳清蛋白所形成的凝聚物最显著的微结构特征是交联蛋白质颗粒均相网络的存在或内部含有水溶液的三维凝聚物的形成。

β-乳球蛋白、BS A 和乳清蛋白产品形成何种凝胶依赖于p H 值和离子强度。

例如，β-乳球蛋白产生凝聚，形成“微胶束”热凝胶，依赖于pH 值条件。

凝聚网络或颗粒凝胶由或多或少的球蛋白颗粒交联在一起，形成网络的胶束。

β-乳球蛋白在很高的加热速度
（5~12℃/m i n ）下形成颗粒状胶束，凝胶显示均一大小（直径在0.5μm ）；球状颗粒由于单一颗粒的链间交联而成“串球状”胶束，而在较低加热速度下会形成大颗粒的稠厚胶束。

分子水平的一些影响凝胶稳定的作用认为是静电作用力、共价键和疏水作用。

虽然不很清楚这些作用是否能稳定凝聚物或凝聚物胶束，但疏水性反应和可能的离子反应具有较强的稳定作用。

1.2.4胶束交联与凝胶网络的形成
最终凝胶的形成，是网络胶束间相互交联的结果。

蛋白质凝胶通常被分为物理凝聚和交联网络。

物理凝聚是较强的凝胶，而交联网络是分子胶束由于外形的交缠而形成的。

乳清蛋白凝胶是具有很大分子量的物理凝胶，凝胶强度比较大。

在乳清蛋白凝胶的过程中，一些因素比如温度、pH 值、金属盐和底物浓度等都会影响凝胶的形成。

金属盐对乳清蛋白凝胶的影响
乳清蛋白的凝胶过程可以分几步进
行，首先进行一些加工处理使蛋白质分子展开，一些反应基团（非极性基团和半胱氨酸残基等）暴露出来，这一步可以通过加热、加压等来实现。

然后在各种适宜条件下使蛋白质分子相互接近，发生凝聚作用，最后形成凝胶。

2.1　金属盐对凝胶形成产生影响的机理
变性后展开的蛋白质分子在远低于蛋白质等电点的p H 值和较低离子浓度时，由于静电排斥力而保持分离状态，不能相互接近而凝聚，加入矿物质盐，可以屏蔽这些静电排斥力，这样蛋白质分子就能相互接近、聚集，形成凝胶。

一价和二价盐离子都能屏蔽带电蛋白质分子间的静电相互作用力，然而，二价阳离子如钙离子对交联的带负电荷羧酸基团有另外的影响作用。

由于具有较强的屏蔽力，二价离子在较低浓度下也能使蛋白质发生凝胶。

形成蛋白质凝胶中所使用的盐的浓度，是对蛋白质凝聚物结构和空间形状的形成具有决定性作用的因素之一。

低的盐浓度能形成纤细丝状的凝胶，而较高的盐浓度能形成颗粒状结构。

颗粒结构类型决定了凝胶的持水能力、渗透能力、质地和外观。

提高盐浓度可通过降低蛋白质分子间的静电排斥力而提高凝胶比率。

由于蛋白质网络胶束的增厚而增加了凝胶的浊度，也增加了凝胶的空隙度从而降低其持水能力，同时改变了流变学特性。

凝胶形成的不透明性与凝胶微结构有相当大的关系。

当蛋白质凝聚生成相对大的颗粒结构时会形成不透光的凝胶，而凝聚成丝状结构时形成半透明凝胶。

在体系中，添加金属盐后溶液的浊度刚开始能快速地上升，然后是比较缓慢地升高，这显示了在添加金属盐后大部分的凝聚立即发生，在此后的时间里凝聚物的数量和大小继续上升。

2.2金属盐影响凝胶形成的比率
在测定盐离子的种类和浓度对乳清
蛋白溶液凝胶的影响时发现，N 和这种常用的盐浓度上升，溶液中
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2009.1
2a Cl CaCl 22
乳品加工
Da ir y In d u s t r y
5凝胶形成的比率也升高。

盐浓度升高时，凝胶中的结构单元（蛋白质凝聚）形成的速度加快，因而形成颗粒硬度也很快地上升。

对于Na Cl 和Ca Cl 2，形成同样凝胶所需Ca Cl 2的量比较少。

随着盐浓度上升凝胶比率升高的最可能解释是盐改变了蛋白质分子间的静电相互作用力。

静电排斥力通常能阻止蛋白质分子相互接近，这2种盐都能降低带电蛋白质分子间的静电排斥力，因而加入这2种盐，蛋白质凝胶的比率上升。

Ca Cl 2相比于N a Cl 可以在较低浓度下使蛋白质凝聚，这是由于Ca Cl 2具有较高的价态而更有效地屏蔽蛋白质分子间的静电作用，并且钙离子在带负电蛋白质分子之间具有架桥作用，形成离子桥，这必然促使蛋白质分子间凝聚的发生。

2.3盐对最终凝胶强度的影响
乳清蛋白凝胶形成后，凝胶过程还将持续一段时间，在这段时间过后，凝胶才达到相对稳定的状态。

将凝胶压裂破碎，进行流变学测定，结果显示，随着盐浓度上升，所形成凝胶也越来越脆。

脆度的上升很大程度上归因于乳清蛋白形成更细小的凝聚核。

同时测定结果也发现，随着N aCl 浓度升高，蛋白质凝胶网络在更广的范围内形成。

而对CaCl 2所引起的蛋白质凝胶进行测定发现，在较高C a C l 2浓度时，即使凝胶比率上升，最终形成的凝胶强度对盐浓度的影响也不是很敏感。

因此可以通过改变Ca C l 2的浓度，在不同时间内形成具有相同流变学特性的乳清蛋白凝胶，这在实际应用中很有用处。

2.4pH 值对乳清蛋白凝胶的影响
乳清蛋白中所含的大部分蛋白质等电点pH 值在4.5～5.5之间。

一些研究发现，在乳清蛋白等电点附近，由于蛋白质分子带静电量最少，相互之间静电排斥力也最小，分子能最大程度的接近，发生碰撞，蛋白质分子因此形成凝聚。

另一方面，乳清蛋白质分子在加工
条件下发生一定程度的变性，分子结构从盘卷状而展开，一些疏水性基团或区域暴露于分子表面。

在适宜p H 值下蛋白质分子能接近到足够近的距离，有利于分子间发生疏水性键合如巯基—二硫键作用，形成分子间交联，有助于蛋白质凝聚物的形成，最后生成具有不可逆性的蛋白质凝胶。

也有研究发现，在pH 值高于乳清蛋白等电点（如pH 值为7）的情况下，乳清蛋白所形成的凝胶也具有不可逆性。

这可能是在该条件下，乳清蛋白之间凝胶的发生主要是由于分子间巯基发生二硫键作用，所形成的凝胶在强烈机械振荡下不能恢复到原来溶胶状态。

在pH 值低于乳清蛋白等电点的情况下，主要通过分子间静电作用而形成蛋白质凝胶，分子间二硫键作用不是很强烈，因而所形成的凝胶具有可逆性。

2.5　加热对乳清蛋白凝胶的影响
目前在乳清蛋白凝胶过程中，使蛋白质发生变性展开的加工很多是采用热处理的方法。

加热时，乳清蛋白分子间原有作用受到破坏，分子结构被改变而发生变性凝聚。

同样，加热也有加速巯基发生二硫键键合的作用。

乳清蛋白的变性温度在60～85℃之间，在此温度范围，乳清蛋白发生变性，分子展开，这样蛋白质分子就能够开始形成凝胶。

有研究发现，乳清蛋白中β_乳球蛋白凝胶颗粒形成的大小与加热的速度有很大的关系。

β_乳球蛋白以较快的凝胶速度形成的凝胶颗粒较小，平均直径在0.5μm 左右；而在较慢的凝胶速度时，所形成的凝胶直径比较大，大部分在0.5～2.0μm 之间。

同时，较高的凝胶速度也能使乳清蛋白凝胶形成的硬度加大。

通过研究这些因素影响凝胶形成的机理可以确定各因素的最佳条件，然后在凝胶过程中进行良好的控制以获得所需的产品。

3乳清蛋白热改性技术的应用
目前我国乳品工业产品的发展，离不开果胶的使用，酸奶、果奶等产品都广泛地使用果胶作为一种稳定增稠剂，高甲氧基果胶可以有效地稳定酸奶制品并改善它的风味，特别是对人工发酵的酸奶和使用化学方法酸化的牛奶饮料效果更好。

另外，在生产果汁奶时，在一定p H 值范围内，牛奶中酪蛋白会沉淀出来，产品分离成两相，加热杀菌后分层现象更加严重，而果胶作为一种稳定剂，可以有效地抑制酪蛋白的沉淀现象，使产品保持良好的稳定性。

因此果胶在乳品工业用添加剂中具有重要的地位。

目前果胶在国内外市场上销路很好，但作为一种食品添加剂在我国的生产还比较落后，虽然有些企业生产，但质量和数量都不理想，仍需进口，进口价格达160～200元/kg 。

所以如果能找到其它的产品替代果胶在乳品工业中的作用，那将会为乳品工业节省一大笔开支。

利用乳清蛋白的改性聚合技术，将乳清蛋白聚合成具有一定的胶粘特性的产品，产品的特点和性质类似于果胶，可以替代果胶在乳品工业等食品中的应用，从而改善产品的组织状态和感官特征，并可以节省大量的果胶开支。

在美国已有乳清蛋白改性成胶的专利，且已推广应用。

同时，乳清蛋白必需氨基酸种类齐全、数量充足、比例适当，与FA O/W H O 必需氨基酸需要量模式相近，是一种营养价值很高的优质蛋白质。

这种基于乳清蛋白、通过聚合技术生产的胶粘剂，其特殊的营养功能特性也是果胶所不具备的，添加到食品中可提高产品的营养功能特性。

综上所述，乳清蛋白凝胶代替果胶应用于乳制品工业中，不仅可以降低成本，而且其特殊的营养功能特性也是果胶所不具备的。

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2009.1。