加工過程對脂肪球膜蛋白質(zhì)的影響

（天津科技大學，天津300457）

加工過程對脂肪球膜蛋白質(zhì)的影響

戶行宇，于景華

（天津科技大學，天津300457）

綜述了牛乳在加工過程中，經(jīng)過加熱、均質(zhì)和噴霧干燥處理后，脂肪球膜（MFGM）自身蛋白質(zhì)的變性反應(yīng)及MFGM蛋白質(zhì)與乳清蛋白、酪蛋白之間的交互變化，研究了這些變化的反應(yīng)機理，為今后牛乳的加工條件提供理論依據(jù)。

脂肪球膜蛋白質(zhì)，加熱，均質(zhì)，噴霧干燥

0 引言

乳脂肪以脂肪球的形式存在，其表面包被著由蛋白質(zhì)和磷脂組成的具有乳化性的脂肪球膜[1]。超高溫殺菌（UHT）乳因其貨架期長，能夠擺脫乳制品生產(chǎn)和消費的地區(qū)和季節(jié)限制，在我國液態(tài)奶市場上占有較高的比例。但由于UHT乳在加工過程中都要經(jīng)過加熱和均質(zhì)，會導致乳脂肪球破裂，引起脂肪上浮。研究表明MFGM的組成和穩(wěn)定性主要受加熱和均質(zhì)的影響[2]。目前，國內(nèi)外許多關(guān)于MFGM的研究都集中在MFGM的組成和生理特性方面，很少有人關(guān)注牛乳在加工過程中，MFGM蛋白質(zhì)的變化情況。而MFGM蛋白質(zhì)作為牛乳系統(tǒng)乳化性的關(guān)鍵因素，其變化情況直接影響乳制品的穩(wěn)定性及其品質(zhì)。因此，有必要研究牛乳在加工處理過程中MFGM蛋白質(zhì)發(fā)生的變化，為今后優(yōu)化牛乳的處理工藝提供理論支持。

1 加熱對MFGM蛋白質(zhì)的影響

1.1加熱對MFGM自身蛋白的影響

牛乳在50℃下加熱10 min，MFGM蛋白質(zhì)損失率達到50%左右[3]，但目前尚不清楚為什么在相對溫和的環(huán)境中，MFGM蛋白質(zhì)仍有大量損失。Zou利用熒光團標記的磷脂探針發(fā)現(xiàn)不同溫度下，MFGM上神經(jīng)鞘磷脂的質(zhì)量分數(shù)會發(fā)生變化[4]，因此推測MFGM蛋白質(zhì)損失的原因可能是由于此溫度下磷脂在MFGM表面會重新分布，MFGM蛋白質(zhì)與磷脂分離，進入乳清體系中。

BTN（嗜乳脂蛋白，占MFGM總蛋白質(zhì)量40%以上）在加熱到58℃時，發(fā)生變性，形成分子間二硫橋，XO（黃嘌呤氧化還原酶，占MFGM總蛋白20%左右）通過二硫橋與之相結(jié)合形成二硫鍵。當溫度>60℃時，這種結(jié)合強度逐漸變小，到70℃時，兩者之間的二硫鍵斷裂，又被還原成單分子物質(zhì)[2]。而PAS6與PAS7（組織糖蛋白高碘酸薛夫6/7）在加熱過程中相對穩(wěn)定。

1.2加熱造成乳清蛋白與MFGM蛋白質(zhì)的結(jié)合

加熱時，乳清蛋白主要與MFGM中的XO和BTN結(jié)合。許多研究都表明牛乳在加熱過程中，乳清中的β-乳球蛋白和α-乳白蛋白會與MFGM相結(jié)合。Aiqian Ye在實驗中得到β-乳球蛋白和ɑ-乳白蛋白在65 ～95℃溫度范圍內(nèi)加熱時與MFGM的結(jié)合情況[5]。結(jié)果表明β-乳球蛋白在80℃以下和80℃以上表現(xiàn)出不同的結(jié)合速率。65 ～85℃范圍內(nèi)，結(jié)合速率緩慢，且質(zhì)量分數(shù)隨溫度升高和加熱時間的延長而增加，在85 ～95℃時，MFGM上吸附的β-乳球蛋白的質(zhì)量在開始加熱的幾分鐘內(nèi)迅速增加達到最大值（推測原因可能是β-乳球蛋白變性后暴露出更多的二硫鍵），然后趨于穩(wěn)定，而且最大值為1 mg/g，占乳中總β-乳球蛋白的1%左右。同樣，α-乳白蛋白與MFGM結(jié)合情況遵循相同的規(guī)律，只是溫度節(jié)點在80℃，達到的最大結(jié)合量為0.25 mg/g，占乳中總β-乳白蛋白的0.8%左右（在不同的泌乳期，兩者的最大值均沒有顯著差異）。目前還沒有弄清楚MFGM為什么只結(jié)合1%左右的乳清蛋白，但推測可能是因為酪蛋白膠束（直徑50 ～300 nm）提供了一個比MFGM（直徑0.5 ～10 μm）更好的吸附表面，β-乳球蛋白和α-乳白蛋白在變性時，可能最先發(fā)生的是自身的結(jié)合或者與酪蛋白膠束的結(jié)合，剩下的乳清蛋白再與MFGM進行結(jié)合。

β-乳球蛋白的變性溫度為78℃，也就是說β-乳球蛋白在變性之前就已經(jīng)開始與MFGM發(fā)生結(jié)合。但是具體的結(jié)合機理尚不清楚，推測可能是β-乳球蛋白與MFGM通過巰基-硫化物交互反應(yīng)進行結(jié)合，或者β-乳球蛋白通過競爭作用替代原有MFGM上的成分，或者β-乳球蛋白通過MFGM加熱發(fā)生破裂時產(chǎn)生的缺口進入脂肪球內(nèi)部，與脂肪發(fā)生結(jié)合。

綜合1.1中XO和BTN的變性溫度，可以推測在65 ～70℃溫度范圍內(nèi)，β-乳球蛋白通過二硫鍵同XO-BTN復合物相結(jié)合；在70 ～78℃溫度范圍內(nèi)，β-乳球蛋白通過二硫鍵分別與XO或BTN的單分子相結(jié)合；在78 ～95℃溫度范圍內(nèi)，由于β-乳球蛋白的二硫鍵增多，與XO或BTN的單分子結(jié)合的速率會加快。

2 均質(zhì)對MFGM蛋白質(zhì)的影響

在液態(tài)乳加工過程中，典型的均質(zhì)過程為將牛乳加熱到60 ～70℃，一級均質(zhì)壓力為10 ～25 MPa，牛乳以極高的速率通過均質(zhì)閥，脂肪球在湍流、剪切力和氣穴現(xiàn)象的作用下破裂，導致脂肪球的聚集，促進脂肪上浮。二級均質(zhì)壓力為5 MPa，對一次均質(zhì)后的乳提供有效的反壓力，使一次均質(zhì)后聚集的小脂肪球分開，重新形成小的脂肪球，抑制脂肪上浮，提高均質(zhì)效果。

在均質(zhì)過程中MFGM上的一些蛋白質(zhì)與MFGM分離，進入脫脂乳相中，由于XO和BTN的親油性，兩者依然通過共價作用與脂肪酸連接，并且它們與兩相之間的界面仍然存在緊密的聯(lián)系。

均質(zhì)過程中破裂的脂肪球表面會重新形成沒有全部被脂肪球膜包裹的界面，因此乳中其他的一些活性蛋白成分會吸附到脂肪球表面，從而形成一個新的脂肪球膜。而酪蛋白就是主要的蛋白吸附片段，當均質(zhì)時脂肪球與酪蛋白發(fā)生碰撞，酪蛋白膠束就會吸附到脂肪球上。由于均質(zhì)會減小酪蛋白膠束的尺寸，因此，其與脂肪球的結(jié)合會非常容易。β-乳球蛋白是乳清蛋白中與脂肪球結(jié)合的主要蛋白質(zhì)，同時還有一小部分α-乳白蛋白的結(jié)合[6]。在普通均質(zhì)過程中，乳清蛋白占總吸附蛋白的5%，覆蓋整個脂肪球20%的面積；當均質(zhì)壓力升高時，其比率會逐漸降低[7]。在商業(yè)化的超高溫牛乳中，原有MFGM仍占整個脂肪球表面積的25%[8]。當采取微流化均質(zhì)技術(shù)時，脂肪球表面的酪蛋白層會變薄，可能是酪蛋白膠束在微流化過程中會發(fā)生破裂。

3 均質(zhì)與加熱的不同順序?qū)FGM蛋白質(zhì)的影響

Lee總結(jié)了牛乳先加熱后均質(zhì)時，蛋白質(zhì)的反應(yīng)過程：乳清蛋白先發(fā)生變性，然后與MFGM自身蛋白質(zhì)（XO，BTN，PAS6/7）或酪蛋白膠束發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，然后κ-酪蛋白-乳清蛋白復合物在均質(zhì)過程中吸附到脂肪球表面，形成新的MFGM。而牛乳先均質(zhì)后加熱時，蛋白質(zhì)的反應(yīng)過程為：均質(zhì)后形成的酪蛋白膠束的碎片吸附到脂肪球表面，加熱后變性的乳清蛋白通過二硫鍵與原有MFGM蛋白質(zhì)和酪蛋白連接[9]。

Lee認為當牛乳先均質(zhì)后再加熱（至80℃），脂肪球上吸附的酪蛋白和乳清蛋白會比牛乳先加熱再均質(zhì)時吸附的少，可能原因是當牛乳進行加熱處理時，酪蛋白和乳清蛋白進行結(jié)合，形成κ-酪蛋白-乳清蛋白復合物，然后再通過均質(zhì)產(chǎn)生的相互碰撞結(jié)合到新形成的MFGM上。而Sharma和Dalgleish得出的結(jié)論恰好相反[7]，他們認為當牛乳先均質(zhì)后加熱時，有更多的乳清蛋白與脂肪球發(fā)生交互反應(yīng)，這表明新形成的MFGM比原有MFGM提供更多的乳清蛋白和酪蛋白粘合位點，如果先加熱會造成蛋白質(zhì)變性，與MFGM結(jié)合的傾向就會變小。針對兩種截然不同的觀點，我們需要針對乳清蛋白和酪蛋白與MFGM結(jié)合的機理進行深入研究。

在50℃下，用17 MPa和3.5 MPa的壓力對牛乳進行二次均質(zhì)會導致酪蛋白對MFGM的吸附，但是如果牛乳沒有進行加熱處理，就沒有乳清蛋白的吸附。而MFGM上吸附的蛋白質(zhì)總量（酪蛋白和乳清蛋白）對于加熱處理前后是否經(jīng)過均質(zhì)并沒有明顯的不同[10]。

4 超高壓均質(zhì)對MFGM蛋白質(zhì)的影響

高壓均質(zhì)技術(shù)（HPH）工作原理同普通均質(zhì)技術(shù)類似，但是均質(zhì)壓力為50 ～200 MPa。它能分散不互溶的液相，使牛乳中脂肪球和酪蛋白膠束大小明顯減小，因此經(jīng)過高壓均質(zhì)的牛乳經(jīng)過較長時間貯存仍具有良好的乳化性和穩(wěn)定性，同時高壓能降低牛乳中堿性磷酸鹽的質(zhì)量分數(shù)，抑制乳過氧化物酶的活性[11]，抑制微生物的生長[12]。然而，高壓均質(zhì)后的牛乳會導致原有風味的改變，而且高壓均質(zhì)的設(shè)備成本較高，目前還沒有應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。但是，高壓均質(zhì)技術(shù)有可能應(yīng)用到牛乳均質(zhì)-巴氏殺菌一體化技術(shù)當中[11]。

前面提到HPH可以減小酪蛋白膠束的大小，目前的研究只能證明HPH可以減小脫脂乳中酪蛋白膠束的大小，酪蛋白膠束的直徑從41 MPa的209 nm減小到186 MPa的190 nm。由于全脂乳中脂肪球成分復雜，還沒有相關(guān)數(shù)據(jù)證明HPH是否可以降低全脂乳中的酪蛋白膠束大小。當均質(zhì)壓力為200 MPa，牛乳在均質(zhì)機進口溫度4，14，24℃時，脂肪球直徑由(3.8±0.2)μm分別減小到(0.80±0.08)，(0.65±0.10)，(0.37±0.07)μm；用相同的壓力對牛乳進行二次均質(zhì)，乳脂肪球直徑分布比較集中，大部分都在0.2 μm左右。當?shù)谝淮尉|(zhì)壓力達到300 MPa時，脂肪球會形成脂肪球串，使其上面的蛋白質(zhì)更容易在SDS中分離，用10% ～20%的第一次均質(zhì)壓力對牛乳進行二次均質(zhì)，則會抑制這種脂肪球串的形成[12]。

5 噴霧干燥對MFGM蛋白質(zhì)的影響

噴霧干燥前，脂肪球的直徑大小取決于均質(zhì)時的壓力，當均質(zhì)壓力為4 MPa時，脂肪球直徑為(0.67± 0.01)μm；當均質(zhì)壓力為7 MPa時，脂肪球直徑為(0.61±0.01)μm。加熱溫度70℃和90℃時，測量結(jié)果無顯著性差異。然而，噴霧干燥后形成的乳粉具有相似的脂肪球大小，在上述的均質(zhì)壓力和溫度下，脂肪球直徑均為(0.50±0.01)μm，且小于噴霧干燥前的脂肪球直徑[13]。說明乳粉的脂肪球大小與噴霧干燥前的濃縮乳的脂肪球大小是不相關(guān)的，即在噴霧干燥的過程中，脂肪球破碎，然后又重新形成新的脂肪球，而造成脂肪球破碎的原因可能是濃縮乳在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)圓盤分離時，受到剪切力的作用，使脂肪球破碎，而且破碎程度相當劇烈。

Aiqian Ye對乳粉脂肪球膜上分離出的蛋白質(zhì)進行分析，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高于濃縮乳MFGM蛋白質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，同時，低壓（4 MPa）均質(zhì)后的乳粉膜蛋白質(zhì)量分數(shù)高于高壓（7 MPa）均質(zhì)的乳粉膜蛋白質(zhì)量分數(shù)。值得注意的是，在噴霧干燥前后，蛋白質(zhì)在脂肪球膜上的覆蓋面積基本無變化。大量的蛋白質(zhì)電泳條帶顯示乳粉MFGM上酪蛋白的質(zhì)量分數(shù)比濃縮乳MFGM上酪蛋白（主要是κ-酪蛋白）的質(zhì)量分數(shù)稍微高一些，而前者β-乳球蛋白、α-乳白蛋白和MFGM自身蛋白質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)卻略微低于后者。說明在新的脂肪球膜重新形成的過程中，脂肪球膜上的蛋白質(zhì)也在發(fā)生變化，可能原有MFGM蛋白質(zhì)與MFGM分離，乳清中的其他蛋白質(zhì)與MFGM發(fā)生結(jié)合。乳粉表面κ-酪蛋白與β-乳白蛋白的比率（0.65± 0.03）略微高于濃縮乳中的比例（0.60±0.02），說明在新的脂肪球表面吸附的主要蛋白質(zhì)為酪蛋白膠束，而且這種吸附作用導致MFGM自身蛋白質(zhì)和β-乳球蛋白、α-乳白蛋白的減少，同時也表明噴霧干燥不會引起β-乳球蛋白、α-乳白蛋白與MFGM的結(jié)合。噴霧干燥對乳清蛋白的變性沒有明顯的影響，只有免疫球蛋白的質(zhì)量分數(shù)出現(xiàn)不明顯的下降，血清白蛋白有一小部分的損失。

當濃縮乳離開噴霧圓盤，進入干燥空氣中時，乳滴表面水分開始蒸發(fā)，可能會降低脂肪表面蛋白質(zhì)的擴散速率，尤其是在新形成的原有乳滴表面的未覆蓋蛋白質(zhì)的脂肪球表面，這可以解釋為什么噴霧干燥后在新形成的乳粉顆粒表面MFGM自身蛋白質(zhì)減少。最近有研究表明，重新形成的乳滴的脂肪球內(nèi)表面在霧化后的干燥階段存在少量蛋白質(zhì)，但尚未確定存在的機理[14]，仍需進一步的研究。此外，乳粉顆粒表面的脂肪球與干燥乳滴空氣-水表面相接觸，會導致脂肪球膜的損失，進而造成脂肪在乳粉顆粒表面的擴散。

乳粉表面脂肪和脂肪球的大小分布具有重要的現(xiàn)實意義，目前已經(jīng)用顯微技術(shù)觀察到表面脂肪在全脂乳粉和復原全脂乳顆粒上的分布，但是不清楚在脂肪-空氣接觸處是否有蛋白質(zhì)單分子層的吸附。從CSLM鏡像中觀察到表面脂肪可能并沒有被吸附的蛋白層覆蓋，而這種表面脂肪的形成和噴霧干燥前的加工處理對脂肪球造成的破壞并沒有相關(guān)性，但是由于表面脂肪的存在，乳粉顆粒在噴霧干燥后的處理（成團、貯存）中會更容易形成較大的乳粉顆粒，對乳粉品質(zhì)造成不良影響。因此，對于表面脂肪的形成過程還需要更深入更系統(tǒng)地研究，以便解決乳粉在加工后和儲存中的品質(zhì)問題。

6 展望

目前，由于技術(shù)限制對MFGM的研究還不成熟，在未來的研究中，需要進一步依托一些領(lǐng)域的高新技術(shù)，例如蛋白互作分析技術(shù)中的蛋白質(zhì)親和色譜，某種特定的蛋白質(zhì)與改固定蛋白相互作用的配體蛋白被吸附，然后通過改變洗脫液或者洗脫條件而回收下來，從而達到分離單組份蛋白質(zhì)的效果。其他技術(shù)還包括蛋白質(zhì)碎片分析、質(zhì)譜分析、染色體組及蛋白質(zhì)組學技術(shù)等[15]，這些科技的發(fā)展有助于分離鑒定MFGM中的復雜組分，使人們對MFGM蛋白有更加充分的了解，從而更好地解決乳制品在加工和消費過程中出現(xiàn)的問題。

[1]LOPEZ C．Milk fat globules enveloped by their biological mem?brane：Unique colloidal assemblies with a specific composition and structure[J]．Current Opinion in Colloid&Interface Science，2011，16（5）：391-404．

[2]MULDER H W．The milk fat globule[M]．Farnham Royal/Eng?land：Bucks/Common wealth Agricultural Bureaux，1974．

[3]YE A，SINGH H，TAYLOR M W，et al．Characterization of pro?tein components of natural and heat-treated milk fat globule mem?branes[J]．International Dairy Journal，2002，12（4）：393-402．

[4]ZOU XQ，GUO Z，JIN Q Z．Composition and microstructure of colostrum and mature bovine milk fat globule membrance[J]．Food Chemistry，2015，5（185）：362-370．

[5]YE A，SINGH H，OLDFIELD D J，et al．Kinetics of heat-induced association of β-lactoglobulin and α-lactalbumin with milk fat glob?ule membrane in whole milk[J]．International Dairy Journal，2004，14（5）：389-398．

[6]LEE SJ，SHERBON JW．Chemical changes in bovine milk fat glob?ule membrane caused by heat treatment and homogenization of whole milk[J]．Journal of Dairy Research，2002，69（4）：555-567．

[7]SHARMA SK，DALGLEISH DG．Effect of heat treatments on the incorporation of milk serum proteins into the fat globule membrane of homogenized milk[J]． Journal of Dairy Research，1994，61：375-384．

[8]LOPEZ C．Focus on the supramolecular structure of milk fatin dairy products[J]．Reproduction Nutrition Development，2006，45（4）：497-511．

[9]LEE S J．Chemical changes in milk fat globule membrane due to heat treatment and homogenization of whole milk[D]．Thesis Cornell Uni?versity，USA，1997．[10]MARIE-CAROLINE M，CAROLINE J．Does homogenization af?fect the human health properties of cow's milk[J]．Trends in Food Science&Technology，2006，17（8）：423-437．

[11]HAYES M G，F(xiàn)OX P F，KELLY A L．Potential applicationsof high pressure homogenization in processing of liquid milk[J]．Jour?nal of Dairy Research，2005，72（1），25-33．

[12]THIEBAUD M，DUMAY E，PICART L，et al．High-pressure ho?mogenisation of raw bovine milk．Effects on fat globule size distribu?tion and microbial inactivation[J]．International Dairy Journal，2003，13（6）：427-439．

[13]YE A，ANEMA SG，SINGH H．Behaviour of homogenized fat globules during the spray drying of whole milk[J]．International Dairy Journal，2007，17（4）：374-382．

[14]FOERSTER M，GENGENBACH T，WOO M W，et al．The im?pact of atomization on the surface composition of spray-dried milk droplets[J]．Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2016，1（140）：460-471．

[15]EL-LOLY M M．Composition，properties and nutritional aspects of milk fat globule membrane-a review[J]．Polish Journal ofFood and Nutrition Sciences，2011，61（1）：27-32．

Effect of the processing of fat globule membrane proteins

HU Hang-yu,YU Jing-hua
(Tianjin university of science an technology,Tianjin 300457,China)

The paper reviewed the changes of fat globule membrane(MFGM)protein denaturation reaction itself and the MFGM protein in?teractions with whey proteins and casein during heating,homogeneity and spray drying process.Mean while,the reaction mechanisms of these changes have been studied to provide theoretical bases for milk processing conditions in the future.

MFGM protein;heating;homogeneity;spray drying

TS252.42

B

1001-2230（2016）11-0032-03

2016-03-29

國家自然科學基金(31271904)。

戶行宇(1993-)，女，碩士研究生，研究方向為乳品科學與工程。通訊作者：于景華