不同加工處理方式對酪蛋白膠束的影響研究進(jìn)展

趙新琦，陳平華，米曉磊，程 明，王存芳,*

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250353；2.山東熊貓乳品有限公司，山東 濟(jì)南 251400；3.青島市畜牧獸醫(yī)研究所，山東 青島 266000）

酪蛋白是哺乳動物乳中的主要蛋白質(zhì)，也是影響液態(tài)乳、酸乳及干酪結(jié)構(gòu)特性、感官品質(zhì)的重要因素[1]。在乳蛋白的加工過程中，可能會使酪蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如疏水基團(tuán)外露、聚集、絮凝等，這些變化會影響蛋白功能的表達(dá)，從而影響食品的質(zhì)地。對牛乳蛋白進(jìn)行改性不僅可以改變其功能，而且可以提高對食品加工過程中酪蛋白膠束行為的認(rèn)知。本文從結(jié)構(gòu)和功能特性的角度，綜述乳品工業(yè)中廣泛應(yīng)用的加工處理方式（溫度變化、pH值調(diào)節(jié)、高壓、超聲處理）對酪蛋白產(chǎn)生的影響。通過分析不同加工處理方式對酪蛋白結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而產(chǎn)生功能性質(zhì)的變化，了解不同加工處理方法對酪蛋白結(jié)構(gòu)的影響以及產(chǎn)生變化的機(jī)理，有助于更好地控制乳品的加工生產(chǎn)，對調(diào)整乳制品的特性和質(zhì)量至關(guān)重要。

1 酪蛋白概述

酪蛋白以膠束的形式存在，是一個被結(jié)合成似球形的顆粒（圖1），主要有αs1-、αs2-、β-、κ-酪蛋白（含量比4∶1∶4∶1）4 種類型[2]。αs-、β-酪蛋白主要位于膠束內(nèi)部，含有磷酸化基團(tuán)簇，屬于鈣敏感類酪蛋白，增強(qiáng)了酪蛋白與鈣的結(jié)合能力，促進(jìn)了膠體磷酸鈣納米團(tuán)簇的形成，大量與酪蛋白膠體結(jié)合的鈣稱為膠體磷酸鈣（colloidal calcium phosphate，CCP），CCP有助于維持酪蛋白膠束的完整性以及酪蛋白分子間的疏水相互作用和氫鍵[3]，而κ-酪蛋白位于膠束外部，形成所謂的“毛層”結(jié)構(gòu)，疏水的N端存在于膠束內(nèi)部，親水的C端部分（酪蛋白糖巨肽）深入溶液中（圖1）。

圖 1 酪蛋白膠束模型圖[4-5]Fig. 1 Casein micelle model[4-5]

酪蛋白的主要功能是有效運(yùn)輸不溶于水的蛋白質(zhì)、鈣及磷酸鹽，并為哺乳動物幼體的生長提供足夠的營養(yǎng)[6]。酪蛋白具有流變性，可以對周圍環(huán)境的變化做出迅速反應(yīng)，所以不同加工處理方式引起的環(huán)境變化會使酪蛋白調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)，以此來適應(yīng)周圍環(huán)境。

2 不同加工處理方式對酪蛋白的影響

2.1 高溫及低溫處理

高溫處理作為乳品加工的重要手段，如巴氏殺菌、超高溫殺菌及乳品在加工和食用前的低溫存儲等都會對酪蛋白產(chǎn)生一定的影響。酪蛋白由于缺乏三級結(jié)構(gòu)對熱具有一定的穩(wěn)定性，高溫短時巴氏殺菌等溫和的熱處理并不會改變酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)[4]。但是在熱處理過程中，酪蛋白膠束的解離、膠束結(jié)構(gòu)及表面電荷的改變、乳膠體溶液中鹽平衡的破壞、乳清蛋白存在條件下的變性、乳清蛋白與膠束之間的相互作用等，都會影響乳體系的穩(wěn)定性。

磷酸鈣在低溫下有更好的溶解度，所以低溫狀態(tài)下，膠束磷酸鈣會發(fā)生部分且可逆的溶解，導(dǎo)致膠束體積增大[7]。礦物體系對溫度變化的響應(yīng)在加熱過程中是瞬間的，而酪蛋白膠束的再平衡在冷卻過程中較緩慢。

表 1 不同加工處理溫度對酪蛋白膠束的影響Table 1 Effects of different processing temperatures on casein micelles

不同的溫度會使酪蛋白發(fā)生不同程度的解離與凝聚（表1），變化過程如圖2所示。乳清蛋白會對膠束穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，乳清蛋白是引起膠束穩(wěn)定性下降的誘因，變性后的乳清蛋白與膠束表面的κ-酪蛋白發(fā)生巰基-二硫鍵相互作用，κ-酪蛋白的解聚行為極大影響了膠束穩(wěn)定性[12]。

圖 2 溫度對酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)的影響[4]Fig. 2 Effect of temperature on the structure of casein micelles[4]

可溶性鈣、pH值、可溶性酪蛋白、酪蛋白膠束的水合作用和顆粒體積均隨溫度的升高而降低，其中β-酪蛋白是主要的可溶性酪蛋白，溫度升高疏水作用增強(qiáng)，可溶性酪蛋白的膠束化使較小酪蛋白膠束有所增加[13]。熱處理對酪蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響顯著，其中α-螺旋結(jié)構(gòu)含量減少，而平行及反向平行的β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量增加[14]。

酪蛋白水解受熱處理溫度與時間的影響，其中溫度是主因，長時間的非高溫處理有利于酪蛋白水解[14]。溫度的改變會引起膠束的變化，從而對凝膠性質(zhì)產(chǎn)生影響，在凝乳過程中，β-酪蛋白的減少使凝乳時間縮短，斷裂力、硬度降低[15]，附著在膠束表面的變性乳清蛋白與κ-酪蛋白的復(fù)合物不利于熱誘導(dǎo)膠束的凝固[1]。對于乳化能力而言，適當(dāng)?shù)臒崽幚碛欣诘鞍踪|(zhì)分子在界面快速展開，疏水基團(tuán)暴露，多肽鏈展開，分子柔性增加，以及酪蛋白溶解度的增加，增強(qiáng)了界面吸附，從而使乳化性能顯著提高[16]。酪蛋白膠束對熱處理十分穩(wěn)定，可以將酪蛋白作為乳清蛋白的伴侶蛋白，從而抑制熱穩(wěn)定性較差的乳清蛋白發(fā)生聚集，使其超高溫穩(wěn)定性得以提高，擴(kuò)大在食品中的應(yīng)用范圍[17]。

2.2 pH值調(diào)節(jié)

酪蛋白分子的結(jié)構(gòu)和電荷取決于pH值。pH值改變會對酪蛋白分子間的靜電及疏水相互作用產(chǎn)生影響，從而使酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。隨著pH值升高，酪蛋白膠束凈負(fù)電荷隨之增加，更多的水分子與之發(fā)生相互作用，水化程度增加，從而使膠束尺寸增大[18]。酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)的松散有助于膠束聚集結(jié)構(gòu)的解離[19]。在pH值接近等電點(diǎn)（isoelectric point，pI）時，酪蛋白分子間疏水作用增強(qiáng)，酪蛋白膠束的結(jié)構(gòu)更加緊密[20]。酸化過程中，κ-酪蛋白的“毛層”結(jié)構(gòu)收縮并導(dǎo)致最終的塌陷，削弱了膠束的空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[21]。在牛乳加熱前將pH值升高到6.7以上，膠束中κ-酪蛋白的解離逐漸增加，在pH 6.7或更低條件下，幾乎不發(fā)生酪蛋白的解離[22]。κ-酪蛋白的pH值依賴性解離是可逆的，依賴于膠束表面的電荷，在一定的負(fù)電荷下，疏水力與靜電力可能會導(dǎo)致κ-酪蛋白從膠束相的解離[23]。

隨著pH值的改變，酪蛋白膠束產(chǎn)生不同程度的變化（表2）。有研究顯示，在堿性pH值（8.0～11.0）范圍內(nèi)，膠束的受破壞程度隨著pH值的增加、溫度升高、乳固體含量降低而增強(qiáng)，而且隨著pH值的增加，離子鈣、血清鈣、磷酸鹽含量呈對數(shù)下降[24]。pH＜3.0時，酪蛋白分子的凈正電荷可以起到穩(wěn)定酪蛋白膠束的作用[20]。

表 2 不同pH值對酪蛋白膠束的影響Table 2 Effects of different pH values on casein micelles

對于酪蛋白膠束與乳清蛋白的結(jié)合，在pH 6.5左右，乳清蛋白與酪蛋白膠束之間的結(jié)合增加，在pH值升高時由于酪蛋白膠束中κ-酪蛋白的部分分離使二者的結(jié)合減少[25]。pH 6.35～6.9條件下，當(dāng)pH＞6.6時加熱乳清蛋白會導(dǎo)致酪蛋白膠束的部分覆蓋，當(dāng)pH＜6.6時導(dǎo)致所有的乳清蛋白附著在酪蛋白膠束上[26]。

pH值會影響酪蛋白中離子的釋放以及膠束結(jié)構(gòu)的松散性，使水更容易滲透到酪蛋白膠束的聚集結(jié)構(gòu)中，從而影響其溶解行為[31]。酪蛋白溶解度受pH值和鹽濃度的影響顯著[32]。當(dāng)pH＞pI時，酪蛋白由于酸性側(cè)鏈的電離產(chǎn)生凈負(fù)電荷，會使酪蛋白在稀氫氧化鈉溶液中溶解；相反，pH＜pI時，由于堿性側(cè)鏈質(zhì)子化產(chǎn)生凈正電荷，使之在強(qiáng)酸性溶液中溶解[33]。在接近其pI（4.6）時，酪蛋白攜帶的電荷為零，溶解度達(dá)到最低，酪蛋白發(fā)生沉淀或凝膠。酪蛋白膠束在酸化后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性喪失，開始發(fā)生聚集和凝膠，凝膠的形成與酸化的溫度密切相關(guān)[34]。酸化溫度不同，形成的凝膠結(jié)構(gòu)不同，酸化溫度為40 ℃時形成粗鏈凝膠網(wǎng)絡(luò)，10 ℃形成細(xì)鏈凝膠網(wǎng)絡(luò)[25]。在堿化過程中，膠束酪蛋白溶液起泡性能穩(wěn)定且顯著增加，酪蛋白膠束大小和結(jié)構(gòu)對于泡沫的穩(wěn)定性起著決定性作用[35]。

2.3 高壓處理

高壓處理對酪蛋白結(jié)構(gòu)的改變受工藝參數(shù)（設(shè)備類型、壓力水平、保持時間、壓力釋放速率和溫度）及乳液成分（溶劑成分、蛋白質(zhì)含量、pH值和離子強(qiáng)度）的影響[36-37]。研究發(fā)現(xiàn)，在200～250 MPa壓力下，酪蛋白膠束粒徑增加，在高達(dá)400 MPa及600 MPa的壓力下，酪蛋白膠束尺寸減小，大膠束完全解體（圖3）[38]。在壓力≤400 MPa時，隨著壓力的增加，酪蛋白膠束粒徑減至最小之后，不再有明顯的壓力效應(yīng)，且在該壓力域中，酪蛋白顆粒發(fā)生廣泛的重排和壓縮，從而很大程度上改變了乳品的理化性質(zhì)和功能[38-40]。在壓力作用下酪蛋白膠束粒徑的增加可能是由于酪蛋白聚集體的形成，而酪蛋白膠束粒徑的減小是由于破壞了疏水和靜電相互作用及CCP的溶解作用[40]。

圖 3 酪蛋白膠束在不同壓力下的透射電子顯微照片[38]Fig. 3 Transmission electron micrograph of casein micelles under different pressures[38]

不同作用力對高壓的敏感性不同，疏水相互作用＞靜電作用＞氫鍵＞共價鍵[38]。酪蛋白在壓力下的分解是不可逆的，高壓降低了膠束內(nèi)酪蛋白之間的疏水相互作用，在壓力環(huán)境中隨著溫度的增加，抗壓力解離的穩(wěn)定性增加，表明疏水穩(wěn)定性增強(qiáng)，因此分離膠束所需的壓力隨著溫度的升高而增加[41]。

在高壓處理下，酪蛋白膠束發(fā)生分解，使溶解相中各膠束組分的含量顯著增加，其中β-酪蛋白最容易因壓力增加而解離，其次是αs-酪蛋白和κ-酪蛋白，從而對膠束結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[42]。無論高壓處理的溫度如何，壓力誘導(dǎo)的酪蛋白膠束解離都伴隨著鈣、磷及酪蛋白的釋放[43]。乳清蛋白的變性隨壓力的增加發(fā)生顯著增加，在對脫脂乳的壓力處理中，酪蛋白的存在會促進(jìn)乳清蛋白變性，而乳清蛋白發(fā)生變性的程度不會對酪蛋白向溶解相的釋放產(chǎn)生影響[44]。

高壓低溫處理可以使酪蛋白的溶解度得到提高，變性的β-乳球蛋白與膠束的結(jié)合以及膠束破裂為更小的不規(guī)則顆粒都增加了酪蛋白膠束的水合作用[36]。同時小顆粒之間的交聯(lián)與重組使得內(nèi)部疏水性的氨基酸殘基隱蔽，親水區(qū)暴露，降低了膠束表面的疏水性，從而使溶解度得以提高[45]。壓力釋放的速率與溶液中酪蛋白的含量會影響從溶膠到凝膠轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)，酪蛋白含量越高，壓力釋放越快，形成的凝膠組織越牢固、越細(xì)密[46]。高壓對牛乳凝乳特性的影響一方面取決于酪蛋白膠束的破壞及κ-酪蛋白的解離，另一方面取決于變性乳清蛋白與酪蛋白膠束的結(jié)合，前者使凝乳酶凝固時間縮短，凝膠形成的速率和強(qiáng)度明顯提高，后者阻礙了牛乳中凝乳酶凝結(jié)的相對程度[47]。富含酪蛋白膠束的乳蛋白溶液經(jīng)高壓低溫處理，往往會形成少量的大絮體，但這些絮體未對泡沫和乳液的穩(wěn)定性產(chǎn)生特殊影響，但加壓處理可能會使酪蛋白之間的吸引力增加，排斥力降低，從而使乳狀液的穩(wěn)定性降低[48]。適當(dāng)壓力水平的動態(tài)超高壓改善了酪蛋白的發(fā)泡性，提高了酪蛋白溶解度、分子柔性，降低了界面張力，使酪蛋白更容易在氣-水界面展開和吸附，并在界面形成硬膜，相反壓力過大反而不利于泡沫的形成[49]。

2.4 超聲處理

酪蛋白經(jīng)超聲處理會使致密的表面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)空洞化和層片化現(xiàn)象，酪蛋白結(jié)構(gòu)變得松散，增加了其表面積，便于后續(xù)的酶解和處理[50]。超聲波產(chǎn)生的剪切力不會使酪蛋白膠束礦物質(zhì)發(fā)生變化，膠束結(jié)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定[51]。經(jīng)超聲作用后，酪蛋白粒徑會出現(xiàn)略微縮小，該現(xiàn)象可以解釋為膠束表面κ-酪蛋白片段的斷裂[52]。在超聲和pH值共同作用于酪蛋白的研究中發(fā)現(xiàn)，任何pH值條件下超聲均會導(dǎo)致酪蛋白膠束的破碎（圖4），而且pH值越高超聲破碎效率越高[53]。另外，低頻超聲比高頻超聲對酪蛋白膠束的破壞性更大，導(dǎo)致蛋白質(zhì)從膠束相釋放又重新組合成小聚集體[54]。乳清蛋白在超聲作用下也會發(fā)生變性，使之與自身、游離的酪蛋白及酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)形成聚集體，但是處理時間過長會導(dǎo)致乳清蛋白與聚集體的部分分離[51]。

超聲波作用于酪蛋白會使其溶解度得以改善，原因可能是超聲波產(chǎn)生機(jī)械剪切力作用，使其粒度變小，增大了與水的接觸面積，同時空化作用導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子舒展開來，其親水性殘基暴露[55]。超聲波的機(jī)械均質(zhì)作用使酪蛋白粒度減小并均勻分散，溶解性改善、表面疏水性增加，從而使起泡性及起泡穩(wěn)定性增加[56]。超聲作用后的酪蛋白α-螺旋含量減少，無規(guī)則卷曲含量增加，從而使其柔性增加，更容易被酶解消化；超聲可以提高酪蛋白分子的乳化性，與超聲功率與處理時間有關(guān)，超聲功率越大，達(dá)到最佳乳化性的時間越短[57]。超聲波處理會增加酪蛋白分子的疏水性，更容易形成較穩(wěn)定的聚合物，從而產(chǎn)生彈性更高的凝膠，并縮短膠凝時間[58]。小尺寸的膠束顆粒使凝乳酶誘導(dǎo)的乳凝膠中含有更緊密的結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的凝膠硬度[59]。低頻、高強(qiáng)度的超聲應(yīng)用于酸乳中會顯著提高其硬度、保水性、黏度和凝膠強(qiáng)度[11]。

圖 4 超聲對酪蛋白膠束的影響[4]Fig. 4 Effect of ultrasound on casein micelles[4]

3 結(jié) 語

不同的加工處理方式通過改變表層的κ-酪蛋白、酪蛋白自身及與乳清蛋白的相互作用、可溶相與膠體相之間的平衡以及對膠體結(jié)構(gòu)形成的氫鍵、二硫鍵、靜電相互作用、疏水相互作用的影響使酪蛋白功能特性發(fā)生相應(yīng)改變。酪蛋白界面性質(zhì)隨著溶解性、疏水性和分子柔性的增加而增加，反應(yīng)位點(diǎn)的暴露可以使凝膠化的網(wǎng)絡(luò)組織得到相應(yīng)改善。單一的加工處理方法對于酪蛋白功能特性的改善有一定作用，但也有一定的局限性，不同加工方法之間的聯(lián)合處理，如壓力-溫度、超聲-pH值等的結(jié)合，會有更理想的效果。對于不同乳制品的生產(chǎn)，人們有不同的需求和期望，在干酪的生產(chǎn)中需要凝固時間短且牢固，對于濃縮乳粉的生產(chǎn)，則要求良好的熱穩(wěn)定性和溶解性。加工條件對乳制品的制備過程十分重要，因此，深入了解不同的加工處理方法對酪蛋白的影響，針對不同的生產(chǎn)加工需求選擇合適的加工處理方法具有十分重要的意義。