磷酸鹽及鈣離子對濃縮乳清蛋白熱穩(wěn)定性的影響

李妍 ，李海梅，楊與爭，王紅，張列兵，4

（1.北京工商大學(xué)北京市食品添加劑工程技術(shù)研究中心，北京100048；2.中國糧油控股有限公司研發(fā)部，北京100020；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083；4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，哈爾濱150030）

0 引言

濃縮乳清蛋白（WPC）是干酪加工副產(chǎn)物乳清經(jīng)膜過濾后濃縮干燥得到的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在34%～80%的乳基配料。其富含各種必需氨基酸，尤其是支鏈氨基酸，并且具有良好乳化、凝膠、持水性和發(fā)泡性，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[1-2]。然而乳清蛋白應(yīng)用中面臨的最大挑戰(zhàn)是其在熱處理過程中的穩(wěn)定性。熱處理是多數(shù)食品加工必不可少的工序，乳清蛋白在熱處理過程中容易發(fā)生變性，產(chǎn)生絮凝、分層沉淀，使其應(yīng)用受到一定的限制[3]。

乳清蛋白的熱穩(wěn)定性受離子環(huán)境、pH值、熱處理溫度等影響[3]。磷酸鹽可以改善牛乳蛋白的熱穩(wěn)定性[4-5]，研究認(rèn)為磷酸鹽對牛乳環(huán)境鈣離子及酪蛋白結(jié)構(gòu)的影響而增強其熱穩(wěn)定性[6]。對于磷酸鹽對乳清蛋白熱穩(wěn)定性的影響研究很少。本研究探討了各種磷酸鹽和鈣離子濃度對WPC80熱穩(wěn)定性的影響，并分析磷酸鹽改善WPC熱穩(wěn)定的能力與鈣離子濃度的關(guān)系。

1 實驗

1.1 WPC溶液制備

按溶液蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%將WPC80溶于40℃去離子水中，攪拌器轉(zhuǎn)速為500 r/min，攪拌30 min后備用。

1.2 熱穩(wěn)定性測定

向WPC水溶液中分別添加不同濃度的三聚磷酸鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、焦磷酸鈉以及乙二胺四乙酸二鈉，充分溶解后，用HCl或NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值至所需值，140℃油浴中測定各溶液的熱絮凝時間（HCT）。

1.3 鈣離子濃度

鈣離子濃度采用鈣離子選擇電極測定

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用SPASS進(jìn)行多重比較分析，采用Excel軟件進(jìn)行作圖和標(biāo)準(zhǔn)差分析。

2 結(jié)果分析

2.1 磷酸鹽對WPC80熱穩(wěn)定性的影響

圖1為不同磷酸鹽不同質(zhì)量濃度下WPC80的HCT變化。由圖1可以看出，磷酸鹽種類和濃度的變化對WPC熱穩(wěn)定性的影響不同。磷酸氫二鈉和三聚磷酸鈉鹽對WPC熱穩(wěn)定性影響趨勢相近，隨著鹽濃度增加，HCT值呈先上升后下降的趨勢，添加量質(zhì)量濃度為1 g/L時WPC溶液的熱穩(wěn)定性最高。磷酸氫二鈉和焦磷酸鈉改善WPC溶液熱穩(wěn)定性的效果也是隨著磷酸鹽質(zhì)量濃度的增加而逐漸增加，添加1.5 g/L的HCT值最高。磷酸氫二鈉和焦磷酸鈉對HCT的影響低于磷酸氫二鈉和三聚磷酸鈉。

在pH值為6.8～7.2范圍內(nèi)，添加相同磷酸鹽相同質(zhì)量濃度條件下，WPC80的熱穩(wěn)定性都會隨pH的增大而增強。說明pH值變化對WPC80熱穩(wěn)定性有重要影響，前面的研究也證實這一點[7]。

圖1 不同磷酸鹽不同質(zhì)量濃度下WPC80的HCT變化

2.2 鈣離子對WPC熱穩(wěn)定性的影響

通過向WPC溶液中添加不同濃度乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）螯合鈣離子，改變?nèi)芤旱拟}離子濃度，分析鈣離子變化對WPC熱穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，WPC溶液鈣離子濃度變化對其熱穩(wěn)定性影響很大，隨鈣離子濃度降低HCT增大，WPC熱穩(wěn)定性增強，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。并且，在pH值為6～7.5范圍內(nèi)，相同鈣離子濃度下，隨著pH值增大，HCT有增大的趨勢，pH越高、鈣離子濃度越低，這種趨勢越明顯。

圖2 鈣離子濃度與WPC熱穩(wěn)定性關(guān)系

2.3 磷酸鹽對WPC溶液鈣離子濃度的影響

不同磷酸鹽對WPC溶液游離鈣離子的影響差異明顯（見圖3）。三聚磷酸鈉與焦磷酸鈉對鈣離子的影響變化趨勢相近，隨著鹽濃度增加，鈣離子濃度顯著降低（P＜0.05）；相同鹽濃度下，三聚磷酸鈉比焦磷酸鈉對WPC溶液游離鈣離子的螯合作用更大，鈣離子濃度更低（P＜0.05）。磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉對鈣離子的降低效果隨濃度的增加變化趨勢不明顯，僅磷酸氫二鈉添加量質(zhì)量濃度1.5g/L（pH=7.0和pH=7.2）時，WPC溶液游離鈣離子濃度有較明顯降低（P＜0.05）。

圖3為添加不同磷酸鹽對WPC80溶液鈣離子濃度影響。由圖3可以看出，在所研究的pH值范圍內(nèi)，隨著pH值升高，WPC溶液鈣離子濃度呈明顯降低趨勢。

2.4 WPC熱穩(wěn)定性與游離鈣離子濃度間的相關(guān)性分析

添加不同濃度的磷酸鹽后，WPC溶液的游離鈣離子濃度和熱穩(wěn)定性都發(fā)生變化，分析鈣離子濃度和HCT之間的相關(guān)性（spearman檢驗），具有相關(guān)性的結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，只有pH值為7.2條件下，添加不同質(zhì)量濃度的磷酸氫二鈉和焦磷酸鈉的WPC溶液中鈣離子濃度與HCT值變化呈顯著負(fù)相關(guān)，其他各組樣品中兩參數(shù)之間均不具有統(tǒng)計相關(guān)性。

圖3 不同磷酸鹽對WPC80溶液鈣離子影響

表1 不同pH值鈣離子濃度與HCT之間的相關(guān)性檢驗

3 討論

磷酸鹽可以提高牛乳的熱穩(wěn)定性。研究認(rèn)為磷酸鹽能改善乳制品熱穩(wěn)定性的主要原因是其可減少鈣離子與酪蛋白的結(jié)合，保持酪蛋白原有的負(fù)電荷，從而保持分子間的靜電排斥作用；同時磷酸鹽同鈣離子的結(jié)合減弱酪蛋白的疏水互相作用，避免酪蛋白間的聚集或沉淀[8]。但是磷酸鹽對乳清蛋白熱穩(wěn)定性的影響報道不多。Dewit等對脫鹽和非脫鹽乳清的熱穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，在pH值為6.2～7.4范圍內(nèi)，相同鈣離子濃度的脫鹽乳清受熱時會發(fā)生大量蛋白質(zhì)凝集，而正常乳清并未發(fā)生這種現(xiàn)象[9]。分析兩者的區(qū)別，主要在于磷酸鹽和檸檬酸鹽存在形式不同，脫鹽乳清中磷酸根離子少可能與其熱不穩(wěn)定性有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)添加磷酸鹽可以改善WPC溶液中清蛋白的熱穩(wěn)定性，三聚磷酸鈉和磷酸氫二鈉的改善效果最好。并且這種改善作用在pH值為6.8～7.2范圍內(nèi)隨pH值增大作用增強。pH是影響WPC熱穩(wěn)定的重要因素，前期研究也表明在pH值為6-8范圍內(nèi)，隨pH升高，WPC熱穩(wěn)定性增強[7,10]。本研究在磷酸鹽存在的情況下，兩者存在一定的協(xié)同作用。

鈣離子也是影響WPC熱穩(wěn)定性的重要因素，在乳清蛋白等電點的堿性范圍內(nèi)隨著鈣離子濃度增加，乳清蛋白熱凝聚增強[11]。乳清蛋白變性后展開的蛋白質(zhì)分子在遠(yuǎn)離蛋白質(zhì)等電點的pH值和較低離子濃度時，由于靜電斥力而保持分離狀態(tài)，不會互相接近而凝聚，而較高的鈣離子濃度會屏蔽這些靜電斥力，使變性的蛋白質(zhì)分子互相接近、聚集，形成凝膠[12]。本研究也表明在pH值為6～7.5范圍內(nèi)鈣離子濃度與WPC溶液熱穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。

已有研究證實鈣離子螯合劑可以改變?nèi)榈鞍兹芤旱碾x子環(huán)境，尤其是鈣離子濃度，從而增強乳清的溶解性[13-15]。磷酸鹽改善清蛋白的熱穩(wěn)定性也與其鈣離子螯合作用有關(guān)。本研究分析了添加不同種類和不同濃度磷酸鹽的WPC溶液游離鈣離子含量的變化。添加磷酸鹽一定程度上可以降低WPC溶液的游離鈣離子濃度，但大部分情況下鈣離子濃度降低程度與乳清蛋白熱穩(wěn)定性改善效果并不具有相關(guān)性。這說明除螯合鈣離子之外，磷酸鹽與乳清蛋白之間還存在其他有助于增強后者熱穩(wěn)定性的作用機制，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

添加磷酸鹽能夠改善WPC溶液的熱穩(wěn)定性，改善效果因磷酸鹽種類、濃度以及溶液pH值的不同而不同。在pH值為6.8～7.2范圍內(nèi)，三聚磷酸鹽和磷酸氫二鈉的效果較好。WPC溶液鈣離子濃度的變化與其熱穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)。磷酸鹽對鈣離子的螯合作用并非磷酸鹽改善WPC熱穩(wěn)定性的唯一原因，磷酸鹽改善乳清蛋白熱穩(wěn)定性的作用機制有待進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果為生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用磷酸鹽改善WPC熱穩(wěn)定性提供參考。

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