乳脂肪球膜制備方法及其乳化特性的研究進(jìn)展

王吉棟,鄭遠(yuǎn)榮,劉振民*,徐蘊(yùn)桃,黨慧杰

1(光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院,乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心,上海,200436) 2(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306)

乳脂肪球膜(milk fat globule membrane,MFGM)是包被乳脂肪球的復(fù)雜膜結(jié)構(gòu),因?yàn)镸FGM的存在,使乳脂肪球具有一定的穩(wěn)定性[1]。MFGM厚度為10～50 nm[2],為3層膜結(jié)構(gòu),由內(nèi)單層膜和外磷脂雙分子層構(gòu)成。內(nèi)單層膜來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和泌乳細(xì)胞細(xì)胞質(zhì),外膜磷脂雙分子層來源于乳腺上皮細(xì)胞的頂端質(zhì)膜[3],具有一定流動(dòng)性。黃嘌呤氧化還原酶(xanthinedehydrogenase,XDH)、脂肪分化蛋白質(zhì)(adipophilin,ADPH)等與膜結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的整合蛋白鑲嵌于膜內(nèi),乳凝集素(lactadherin,PAS6/7)、分化抗原簇(cluster of differentiation 36,CD36)等與膜結(jié)合較弱的外周蛋白突出于膜外[4],磷脂在膜表面不均勻分布,圖1為MFGM結(jié)構(gòu)示意圖。MFGM主要成分為蛋白質(zhì)和脂質(zhì),占其干重的90%以上。其中MFGM蛋白質(zhì)含量占MFGM總量的25%～60%,占總?cè)榈鞍?%～4%,脂質(zhì)多為極性脂質(zhì),也含有部分中性脂質(zhì)如甘油三酯、膽固醇等[5]。

圖1 MFGM結(jié)構(gòu)示意圖[1]Fig.1 Schematic illustration of milk fat globule membrane structure[1]

隨著對(duì)MFGM的研究不斷深入,發(fā)現(xiàn)其在抗炎癥反應(yīng)、抑制病毒、抗癌及促進(jìn)嬰幼兒大腦發(fā)育等方面具有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)功能[6]。并且MFGM具有親水親油性,是一種性能良好的天然乳化劑,其優(yōu)越的乳化特性也逐漸引起人們的關(guān)注。近年來為了更好地利用MFGM的功能特性,其制備方法逐漸成為研究熱點(diǎn)。常用的MFGM制備方法有離心濃縮法和膜過濾法,通過對(duì)這2種方法進(jìn)行工藝改進(jìn),可以提高M(jìn)FGM的得率和純度。本文根據(jù)目前的研究進(jìn)展,對(duì)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)MFGM原料來源、分離方法及其乳化特性進(jìn)行了綜述,以期為進(jìn)一步的加工利用提供參考。

1 工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)MFGM原料來源

黃油和干酪加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物富含MFGM成分,但這些副產(chǎn)物經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低,進(jìn)行二次加工將大大提高其工業(yè)附加值,減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

在黃油生產(chǎn)過程中,完整的乳脂肪球被破壞,大量MFGM碎片進(jìn)入酪乳、黃油乳清等副產(chǎn)物中[2]。通過對(duì)黃油工業(yè)生產(chǎn)過程中,不同工藝處理階段得到的酪乳、黃油乳清等物質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)黃油乳清中MFGM蛋白質(zhì)種類最多,且MFGM最主要的蛋白質(zhì)如XDH、嗜乳脂蛋白(butyrophilin,BTN)等含量極高[7]。而干酪加工過程中排出的乳清則富含MFGM脂質(zhì),干酪乳清一般用于分離乳清蛋白和濃縮乳清蛋白的商業(yè)生產(chǎn),MFGM脂質(zhì)在此過程中作為副產(chǎn)物被丟棄。ZHU等[8]以干酪乳清為原料萃取MFGM中的脂質(zhì),萃取物中磷脂含量為31%,其中鞘磷脂含量最為豐富,占總磷脂含量的33%左右。大量研究表明干酪乳清是制備MFGM極性脂質(zhì)的極好來源,但到目前為止,尚未見有對(duì)干酪乳清中MFGM蛋白質(zhì)定性定量的研究。

2 MFGM的制備方法

在原料乳的加工過程中,均質(zhì)和熱處理都會(huì)對(duì)MFGM成分和結(jié)構(gòu)造成影響[9]。尤其是熱處理,對(duì)MFGM蛋白質(zhì)影響較大。在加熱過程中酪蛋白會(huì)與MFGM蛋白發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),乳清蛋白會(huì)以巰基-二硫鍵的形式與MFGM蛋白結(jié)合,造成MFGM上蛋白質(zhì)的負(fù)載量隨著時(shí)間和溫度的增加而增加[10],導(dǎo)致MFGM成分發(fā)生改變,從而對(duì)功能造成一定影響。MFGM成分具有乳化和有益健康的特性,促進(jìn)了其作為功能性食品成分的應(yīng)用研究,目前成功制備的MFGM已經(jīng)應(yīng)用于嬰幼兒配方乳粉中,顯著提高了24周嬰幼兒的認(rèn)知能力,縮小了配方乳粉喂養(yǎng)與母乳喂養(yǎng)嬰兒在身體健康方面的差距[11]。制備MFGM主要有離心濃縮、膜過濾以及超臨界萃取等方法。由于超臨界萃取主要針對(duì)MFGM極性脂質(zhì)的分離,并且建立在膜過濾基礎(chǔ)之上,所以本文主要對(duì)離心濃縮法和膜過濾法進(jìn)行詳細(xì)綜述。

2.1 離心濃縮技術(shù)在制取MFGM中的應(yīng)用

離心濃縮技術(shù)利用脂肪球和水連續(xù)相的密度差異,使在牛乳中分離脂肪球膜物質(zhì)成為可能[12]。該分離方法大致通過以下幾個(gè)步驟進(jìn)行,首先原料乳離心分離出乳脂,在37 ℃條件下用去離子水或鹽類緩沖液作為洗滌劑洗滌乳脂3次,目的是去除附著在脂肪球上乳清蛋白、酪蛋白及其他小分子物質(zhì),從而得到潔凈乳脂肪球。將得到的乳脂肪球在攪拌器中攪拌,破壞乳脂肪球結(jié)構(gòu),從中釋放MFGM成分,收集得到的酪乳,并將熔化的黃油顆粒加入同體積蒸餾水中,離心分離回收黃油乳清。最后將酪乳和黃油乳清混合并高速離心得到MFGM懸浮液,再次高速離心并冷凍干燥即得到MFGM顆粒[13],具體操作流程見圖2。

圖2 離心濃縮法制備MFGM流程圖[18]Fig.2 Flow chart of MFGM production by centrifugal concentration method[18]

離心濃縮技術(shù)制備MFGM操作簡(jiǎn)單,但是得率不高。將乳脂洗滌4次后,MFGM蛋白質(zhì)損失高達(dá)60%～90%[12]。LE等[14]對(duì)洗滌過的MFGM蛋白進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)即使是XDH和嗜乳脂蛋白等與MFGM聯(lián)系緊密的整合蛋白[15],也會(huì)在洗滌過程中被消耗殆盡。除蛋白質(zhì)外,極性脂質(zhì)在洗滌過程中也有損失。BRITTEN等[16]將脂肪含量為45%～50%的乳脂稀釋10倍并洗滌,在完成第一次洗滌以后乳脂中磷脂含量下降了20%,在隨后的洗滌步驟中,每重復(fù)洗滌1次就會(huì)造成大概10%的磷脂損失。在后續(xù)的研究中,研究人員發(fā)現(xiàn)諸如洗滌次數(shù)、洗滌液體積、洗滌液種類和離心條件變化等洗滌條件會(huì)對(duì)MFGM得率產(chǎn)生影響。通過對(duì)這些條件進(jìn)行優(yōu)化,能夠減少原料乳中制備MFGM材料的損失[17]。

2.1.1 洗滌次數(shù)和洗滌液體積對(duì)MFGM分離的影響

在制備MFGM材料過程中,洗滌次數(shù)和洗滌液體積都可以根據(jù)實(shí)際情況的不同而發(fā)生變化,這些參數(shù)沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)。但是在分析乳脂肪球洗滌效果和MFGM得率的時(shí)候,這些參數(shù)作為影響因素也要被考慮進(jìn)去。理論上,乳脂洗滌次數(shù)越多,雜質(zhì)蛋白殘留量會(huì)越少。但是,增加洗滌次數(shù)可能會(huì)對(duì)脂肪球的穩(wěn)定性產(chǎn)生一些負(fù)面影響,造成一定程度的聚集,進(jìn)而影響MFGM的分離效果[17]。LE等[17]研究MFGM分離過程中洗滌條件對(duì)MFGM蛋白質(zhì)回收率的影響,為了最大限度地減少M(fèi)FGM材料的損失,建議將洗滌次數(shù)控制在1～2次,但是得到的MFGM蛋白質(zhì)的純度不高,與進(jìn)行了3～4次洗滌的乳脂相比,有較高的乳清蛋白殘留。乳脂與洗滌液的體積比例一般差別很大[19],因?yàn)橛醒芯勘砻髟龃笙礈煲旱捏w積會(huì)使乳脂中的酪蛋白和乳清蛋白去除的更徹底[17]。通過綜合比較洗滌次數(shù)和洗滌液體積2個(gè)變量對(duì)MFGM蛋白分離的影響,當(dāng)洗滌液體積從6.75 L增加至13.5 L,MFGM蛋白總量保持不變。然而將洗滌次數(shù)由2次增加到3次時(shí),MFGM蛋白含量由4.5 mg/g降低至4.2 mg/g[17]。由此可見,為了減少M(fèi)FGM的損失,增大洗滌液的體積較增加洗滌次數(shù)更有效。

2.1.2 洗滌液種類對(duì)MFGM分離的影響

去離子水是洗滌乳脂常用的洗滌液,但也有使用鹽水緩沖液代替去離子水的研究。ZHANG等[20]分析鹽離子濃度對(duì)磷脂酰乙醇胺-磷脂酰甘油雙分子層膜的影響,通過AA-MD模擬計(jì)算,當(dāng)模擬時(shí)間超過100 ns時(shí),各濃度的鈣離子穩(wěn)定地吸附在磷脂雙分子層膜上,鎂離子動(dòng)態(tài)地吸附于磷脂膜上。并且隨著鹽離子濃度的增高,減小了磷脂雙分子層膜的單個(gè)磷脂面積,同時(shí)使膜的厚度增加。由此可見,鹽離子的加入會(huì)作用于MFGM的磷脂雙分子層,保護(hù)了生物膜結(jié)構(gòu),從而減少了MFGM材料的損失。

BASCH等[21]比較了6種不同組成成分的洗滌液對(duì)MFGM分離的影響,結(jié)果表明用NaCl和MgCl2配制的鹽水緩沖液比去離子水對(duì)酪蛋白的清除能力更強(qiáng),并且MFGM組分損失較少。然而LE等[17]卻發(fā)現(xiàn)去離子水比NaCl配制的鹽水緩沖液洗滌乳脂得到的MFGM蛋白含量高10%左右,并且用去離子水洗滌去除的乳清蛋白更多。此外,他們還發(fā)現(xiàn)用鹽溶液洗滌乳脂,會(huì)導(dǎo)致更多的脂肪小球聚集,MFGM表面積比變小[22],從而使產(chǎn)量變低。因此,還需對(duì)鹽水緩沖液和去離子水的洗滌效果進(jìn)行綜合分析,確定合適的洗滌液,以減少M(fèi)FGM的損失。

2.1.3 離心條件變化對(duì)MFGM分離的影響

離心是制備MFGM物質(zhì)的關(guān)鍵步驟,轉(zhuǎn)速越快以及離心時(shí)間越長(zhǎng),乳脂分離的效果越好。同時(shí)在離心過程中,如果脂肪濃度高,轉(zhuǎn)速快會(huì)使MFG之間相互摩擦,造成MFGM的損失[23]。因此,脂肪的濃度水平要根據(jù)轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[19]。

ZHENG等[13]分析離心條件對(duì)MFGM影響,發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速低、時(shí)間短的溫和離心條件下,MFG的聚集更為明顯,粒度分布模態(tài)直徑增加了大概19%。但是在轉(zhuǎn)速高、時(shí)間長(zhǎng)的強(qiáng)化離心條件下,直徑僅增加了6%左右。此外他們還發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化離心并洗滌后的MFGM蛋白質(zhì)含量和ζ-電位增加,猜測(cè)可能與MFGM最外層的磷脂雙分子層有關(guān)。為了深入探究出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因,ZHENG等[24]利用激光掃描共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscope,CLSM)觀察強(qiáng)化離心過程中MFGM磷脂雙分子層的結(jié)構(gòu)變化。圖像顯示MFGM蛋白質(zhì)的染色加深,磷脂酰乙醇胺和磷脂酰膽堿等極性脂質(zhì)有不同程度的缺失。因此可以進(jìn)一步說明在強(qiáng)化離心的條件下,膜表面的蛋白質(zhì)增加,極性脂質(zhì)在離心過程中脫落或者發(fā)生了一定程度的重排。因此在對(duì)脂肪含量高的乳脂進(jìn)行離心操作時(shí),可以考慮加入脫脂乳調(diào)節(jié)脂肪含量,再采取強(qiáng)化離心的手段,以減少M(fèi)FGM的損失。

2.2 膜濃縮技術(shù)在制取MFGM中的應(yīng)用

切向流過濾(tangential flow filtration,TFF)是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備MFGM普遍采用的技術(shù),通過尺寸排除將膠體顆粒從懸浮液中分離出來[25]。該方法制備MFGM即是利用MFGM片段與酪蛋白膠束、乳清蛋白尺寸的差異,利用合適的膜孔徑,在合適的跨膜壓力、溫度等條件下[19]將MFGM富集液中的雜質(zhì)分離出去,得到較純的MFGM物質(zhì)。表1為在部分原料中過濾分離MFGM的實(shí)驗(yàn)條件。相比起離心濃縮制取MFGM,膜濃縮原料多為乳品工業(yè)生產(chǎn)中的副產(chǎn)物,能夠顯著降低能耗并且提高M(jìn)FGM得率,適宜在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用。

表1 膜過濾分離MFGM的實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions for separation of MFGM by membrane filtration

MFGM片段與酪蛋白膠束的尺寸有部分重疊是TFF技術(shù)分離MFGM面臨的最大挑戰(zhàn)[34]。MFGM片段大小為0.1～3 μm,酪蛋白膠束大小為0.05～0.6 μm[35],因此在MFGM富集液前處理階段需要對(duì)酪蛋白膠束進(jìn)行一定程度的尺寸重構(gòu),使其整體尺寸<0.1 μm,或使其凝結(jié)形成塊狀沉淀并去除[36]。除酪蛋白尺寸外,濾膜材質(zhì)、跨膜壓力和跨膜溫度等也能影響膜通量,須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,才能保證濾膜不被堵塞并提高M(jìn)FGM材料的純度。

2.2.1 酪蛋白尺寸重構(gòu)在膜濃縮技術(shù)中的應(yīng)用

檸檬酸鈉是重構(gòu)酪蛋白尺寸常用的試劑,加入檸檬酸鈉處理并靜置一段時(shí)間后,大部分酪蛋白膠束尺寸會(huì)減小至0.1 μm以下。有研究以檸檬酸鈉作為解離劑對(duì)酪蛋白膠束尺寸進(jìn)行重構(gòu),后用孔徑為0.1 μm的濾膜過濾,得到的濾液中MFGM蛋白含量顯著高于未加入檸檬酸鈉的對(duì)照組[30]。ROMBAUT等[31]以溫度和檸檬酸鈉濃度為變量設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),得到其最佳解離溫度為50 ℃,在此溫度下過濾得到的MFGM蛋白含量較高,且加入檸檬酸鈉提高了滲透通量,使污垢最小化。但是同時(shí)也造成脂質(zhì)失穩(wěn),導(dǎo)致極性脂質(zhì)大量損失。MFGM材料中不僅蛋白質(zhì)具有生物活性功能,極性脂質(zhì)也有不可替代的作用,因此檸檬酸鈉是否為最適合的酪蛋白膠束解離液仍有待考究。

除檸檬酸鈉外,凝乳酶也是重構(gòu)酪蛋白尺寸的常用試劑,其原理與檸檬酸鈉解離酪蛋白膠束使其尺寸變小不同,凝乳酶能誘導(dǎo)酪乳中的酪蛋白膠束聚結(jié),尺寸變大,形成塊狀沉淀。HOLZMüLLER[37]等以酪乳為原料,經(jīng)凝乳酶凝結(jié)后過濾制取MFGM,具體流程圖見圖3。

圖3 凝乳酶凝結(jié)后微濾制取MFGM流程圖[37]Fig.3 Flow chart of microfiltration to produce MFGM after rennet[37]

首先使用凝乳酶使酪乳中的天然酪蛋白膠束凝結(jié),待聚集的酪蛋白膠束沉淀后取上清液,得到酪乳乳清。第2步過濾乳清,去除乳清蛋白,乳糖和礦物質(zhì)等,即得到純凈的MFGM。結(jié)果表明,該方法對(duì)于分離MFGM材料效果明顯,MFGM蛋白含量遠(yuǎn)高于乳脂洗滌方法。但是與分離之前的原料酪乳相比,蛋白質(zhì)仍然有較大的損失。必須要對(duì)凝乳酶凝結(jié)條件如溫度、pH等,做進(jìn)一步的優(yōu)化。因此他們對(duì)之前兩步法制取MFGM的凝乳條件進(jìn)行了改進(jìn),在凝乳過程中,通過改變酪乳的溫度和pH,確定既能完全去除酪蛋白膠束同時(shí)又得到最多的MFGM蛋白的最佳凝乳條件。結(jié)果表明,在25 ℃、pH 6.4和40 ℃、pH 7.5的環(huán)境下,所有的酪蛋白膠束都被去除[30]。與酸化制取MFGM[38]相比,30%～40%的嗜乳脂蛋白、40%～50%的XDH等MFGM整合蛋白被保留下來。對(duì)于凝乳酶聚集酪蛋白膠束制取MFGM,不僅凝乳條件需要進(jìn)一步的優(yōu)化。對(duì)于之后的微濾過程也要進(jìn)行研究,合理的微濾次數(shù)和膜孔徑等對(duì)MFGM純度的影響是未來研究的重點(diǎn)。

2.2.2 切向流過濾系統(tǒng)在膜濃縮制備MFGM中的應(yīng)用

切向流過濾與傳統(tǒng)的垂直過濾(normal flow filtration,NFF)不同,在TFF中酪乳等原料呈切向流過膜表面,蠕動(dòng)泵產(chǎn)生的跨膜壓力將部分料液壓過濾膜到達(dá)透過端口,而不能通過濾膜的截留部分則在體系中循環(huán)流動(dòng),整個(gè)過程中料液以一定的速度流過濾膜表面同時(shí)對(duì)膜表面進(jìn)行沖刷,使富集液中殘留的部分酪蛋白膠束不會(huì)在膜表面堆積,保證濾膜有足夠的通量,提高過濾效率及MFGM純度[39]。TFF技術(shù)制備MFGM物質(zhì)對(duì)濾膜的材質(zhì)有一定的要求,在之前的研究中大多采用陶瓷材質(zhì)的濾膜,這種濾膜具有較高的耐化學(xué)性,可承受溫度范圍較寬等優(yōu)勢(shì)。但是該材質(zhì)的濾膜與一部分MFGM蛋白質(zhì)所帶電荷相反,會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)與膜之間靜電吸引,使部分MFGM蛋白質(zhì)吸附于膜表面,造成了一定程度的蛋白質(zhì)損失且降低膜通量。而改性聚醚砜材質(zhì)的濾膜對(duì)蛋白質(zhì)表現(xiàn)出較低的吸附性[31],可以在制備MFGM時(shí)保證足夠的通量,但是能夠生產(chǎn)該材質(zhì)濾膜的廠家較少,因此在制備MFGM的研究中應(yīng)用也較少。除濾膜材質(zhì)外,跨膜壓力、溫度等因素也會(huì)對(duì)膜通量和MFGM分離效果有一定的影響,但是由于TFF系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)由于膜堵塞導(dǎo)致通量變低等因素導(dǎo)致跨膜壓力發(fā)生一定程度變化且跨膜溫度也無法進(jìn)行精確控制,所以目前還缺乏對(duì)這些因素的優(yōu)化研究。

TFF技術(shù)制備MFGM,雖然能夠降低能耗且提高得率,但是其價(jià)格昂貴,后續(xù)對(duì)濾膜的清洗及保養(yǎng)過程較為繁瑣,若清洗不徹底會(huì)對(duì)濾膜的通量及使用壽命造成一定的影響,所以這也是膜濃縮制備MFGM在工業(yè)規(guī)模上應(yīng)用的最大障礙。

3 MFGM的乳化特性

乳液體系由被分散的油相和連續(xù)的水相組成,由于油相與水相之間存在密度差,隨著時(shí)間的推移,乳液內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)重力分離、顆粒聚集、絮凝、相分離和Ostwald熟化等現(xiàn)象[40]。為了克服這些問題,通常將乳化劑加入到水包油型乳液中。乳化劑包括合成乳化劑和天然乳化劑,目前已經(jīng)證明合成乳化劑在穩(wěn)定乳液方面效果顯著,但是考慮到將其加入食品中的安全問題,研究人員更傾向于探索一些天然乳化劑。MFGM在牛乳中即扮演乳化劑的角色,對(duì)阻止脂肪球聚集起著關(guān)鍵作用。研究表明,MFGM主要組分蛋白質(zhì)和極性脂質(zhì),都具有很強(qiáng)的乳化性。并且MFGM作為一種在牛乳中提取到的物質(zhì),安全性有保證,具有替代合成乳化劑的潛力。

3.1 MFGM各組分的乳化性

3.1.1 MFGM蛋白質(zhì)的乳化性

MFGM蛋白質(zhì)具有親水親油性,可像酪蛋白等具有乳化性的乳蛋白一樣,吸附到液滴表面。有研究分析了MFGM蛋白質(zhì)對(duì)水包油乳液的影響,發(fā)現(xiàn)在相同濃度下,MFGM蛋白質(zhì)比低分子量表面活性物質(zhì)更容易吸附于水油界面上[5]。待MFGM蛋白質(zhì)吸附于水油界面后,會(huì)在油滴周圍形成一層黏彈性吸附膜。這種膜會(huì)產(chǎn)生靜電斥力,防止液滴之間的聚集,使乳液具有穩(wěn)定性[41]。SHIMIZU等[42]觀察到在洗滌過的潔凈乳脂中,當(dāng)MFGM蛋白質(zhì)被木瓜蛋白酶消化時(shí),聚集的脂肪球使乳脂穩(wěn)定性大大降低,較直觀地體現(xiàn)了MFGM蛋白質(zhì)是通過中斷脂肪球聚集從而在穩(wěn)定乳脂中發(fā)揮重要作用。

乳液物理指標(biāo)如液滴粒徑大小、ζ-電位等可作為判斷乳化劑乳化性效果強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說,在水包油乳液中加入乳化劑并混合均勻后,所形成的乳液ζ-電位(正或負(fù))絕對(duì)值越高,乳狀液液滴粒徑越小,表明乳液體系越穩(wěn)定[43]。HE等[44]發(fā)現(xiàn)在相同的濃度下MFGM蛋白質(zhì)制備的水包油型乳劑比用MFGM極性脂質(zhì)制備的粒徑更小,并且在pH影響乳液穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中,ζ-電位始終略高于以MFGM極性脂質(zhì)為乳化劑制備的乳液。目前對(duì)MFGM蛋白質(zhì)乳化性強(qiáng)弱的研究大多以同為MFGM組分的極性脂質(zhì)為對(duì)照,尚缺乏與同類具有乳化性的乳蛋白對(duì)比分析,還需要在進(jìn)一步的研究中完善。

MFGM蛋白質(zhì)的乳化能力強(qiáng)弱與加入乳液的pH值有關(guān),在乳液pH<6時(shí),MFGM蛋白質(zhì)的乳化能力會(huì)降低,導(dǎo)致其出現(xiàn)明顯的液滴聚集現(xiàn)象[6]。進(jìn)一步的研究表明,大部分MFGM蛋白質(zhì)的pI值在4～6,當(dāng)pH<6時(shí),一些MFGM蛋白質(zhì)會(huì)沉淀下來導(dǎo)致排斥性電荷減少,進(jìn)而液滴之間的排斥力減小,造成一定程度的聚集。因此,在MFGM蛋白質(zhì)穩(wěn)定的乳液pH值較低時(shí),可以向乳液體系中加入多價(jià)陽離子,如Ca2+、Fe2+等[45],用于平衡排斥性電荷減少導(dǎo)致的液滴聚集。

越來越多的研究證明MFGM蛋白質(zhì)具有較強(qiáng)的乳化作用,但是其乳化性與MFGM諸多種蛋白質(zhì)中哪一種有關(guān),目前還沒有確切結(jié)論。MFGM蛋白質(zhì)種類多含量少,且多數(shù)為與膜結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的整合蛋白,對(duì)分離純化造成了很大的困難,因此尚且沒有分析具體特定蛋白質(zhì)在起乳化作用的研究。

3.1.2 MFGM極性脂質(zhì)的乳化性

極性脂質(zhì)是MFGM重要組成部分,其乳化功能特性極大地取決于頭部極性基團(tuán)磷酸酯。SHIMIZU等[42]利用磷脂酶C去除磷脂的極性頭基團(tuán),造成奶油乳液出現(xiàn)液滴聚集現(xiàn)象,穩(wěn)定性明顯下降。猜測(cè)可能是磷脂通過極性頭離子基團(tuán)產(chǎn)生的排斥力阻斷了脂肪球的結(jié)合。頭部極性基團(tuán)不同的磷脂主要有卵磷脂、磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇、磷脂酰絲氨酸和磷脂酸等,其中磷脂酰肌醇和磷脂酰絲氨酸在MFGM磷脂中占比較高。在用于覆蓋乳液液滴的各種表面活性劑中,MFGM磷脂由于其良好的生物相容性比簡(jiǎn)單的表面活性劑更有效[44]。ZHU等[8]以干酪乳清為原料分離出MFGM,并用乙醇萃取MFGM中的磷脂,探究MFGM極性脂質(zhì)的乳化性。以2%MFGM磷脂濃度配制的乳液在常溫下放置14 d,無明顯液滴聚集現(xiàn)象。以大于4% MFGM磷脂濃度制備的乳液能非常穩(wěn)定地在室溫下保存60 d以上,且平均液滴尺寸保持在0.4 μm,沒有出現(xiàn)明顯的液滴聚集現(xiàn)象。

此外,HE等[44]研究了MFGM極性脂質(zhì)作為乳化劑制備乳液的流變特性,結(jié)果表明其制備的乳液黏度較高,流變性能較MFGM蛋白質(zhì)制備的乳液差。因此對(duì)MFGM極性脂質(zhì)在產(chǎn)品上的應(yīng)用造成一定局限。

3.1.3 MFGM蛋白質(zhì)與極性脂質(zhì)協(xié)同乳化作用

單一乳化劑作用于乳液,都有其缺點(diǎn)。例如單獨(dú)以蛋白質(zhì)作為乳化劑,它們?cè)谝旱伪砻嫘纬傻酿椥晕侥ろg性通常不夠,不能長(zhǎng)時(shí)間保持液滴分散,難以滿足乳液穩(wěn)定的需求[44]。單獨(dú)以極性脂質(zhì)作為乳化劑,雖然在降低界面張力,形成更薄、延展性更強(qiáng)的界面層方面效率更高,但界面層由于缺乏空間排斥,易受脂肪滴聚結(jié)的影響。而蛋白質(zhì)與極性脂類物質(zhì)協(xié)同作用于乳液液滴,在蛋白質(zhì)形成黏彈性膜的同時(shí),極性脂質(zhì)會(huì)作用于界面蛋白膜網(wǎng)絡(luò)之間的小孔或缺陷,從而降低表面張力,增加吸附膜的韌性,達(dá)到乳液長(zhǎng)期貯存保持穩(wěn)定的效果[46],圖4為該協(xié)同過程示意圖。而MFGM組分的特殊性則可以滿足上述條件,MFGM主要由蛋白質(zhì)和極性脂質(zhì)組成,可以近似地看做兩者協(xié)同。HE等[44]發(fā)現(xiàn)用完整的MFGM材料比僅用MFGM極性脂質(zhì)作為乳化劑制備的乳液具有更小的液滴粒徑且穩(wěn)定性更高。

圖4 蛋白質(zhì)與極性脂質(zhì)協(xié)同穩(wěn)定乳液液滴過程示意圖[46]Fig.4 Schematic diagram of the process of protein and polar lipids synergistically stabilizing emulsion droplets[46]

目前,MFGM蛋白質(zhì)與極性脂質(zhì)協(xié)同作用,在減小乳液液滴尺寸和維持穩(wěn)定性方面效果明顯。但是蛋白質(zhì)與極性脂質(zhì)協(xié)同作用于乳液還會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性吸附問題,極性脂質(zhì)屬于小分子表面活性劑,會(huì)因濃度問題與液滴表面蛋白質(zhì)產(chǎn)生置換現(xiàn)象,使液滴界面形成以極性脂質(zhì)為主體的界面層,導(dǎo)致液滴表面排斥性電荷減少。最直觀的體現(xiàn)就是隨著極性脂質(zhì)濃度的不斷升高,乳液的ζ-電位逐漸降低,從而對(duì)乳液穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。目前對(duì)MFGM蛋白質(zhì)和MFGM極性脂質(zhì)協(xié)同作用于乳液的研究不多,是否會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性吸附問題還需要進(jìn)一步的研究闡明。

3.2 MFGM作用于乳液的界面性質(zhì)

界面性質(zhì)是微觀角度上衡量乳化劑性能強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn),乳化劑的最佳使用取決于對(duì)其界面物理化學(xué)特性的了解,如表面活性、可混溶性、表觀黏度等,特別是分析在流體界面形成吸附膜動(dòng)力學(xué)[47]。PHAN等[5]發(fā)現(xiàn)MGFM受到其組分蛋白質(zhì)和脂質(zhì)相互作用的影響,導(dǎo)致界面性質(zhì)不同。在這一研究結(jié)果基礎(chǔ)之上,PRIYANKA等[48]利用朗繆爾等溫線研究乳脂球膜各組分的界面性質(zhì),朗繆爾薄膜是表征單分子層和分子間相互作用的有效工具,能有效地對(duì)MFGM各組分的界面性質(zhì)進(jìn)行表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)富含蛋白質(zhì)的MFGM組分在空氣/水界面形成的薄膜表面彈性低于其他組分,說明其對(duì)泡沫和懸浮液的穩(wěn)定能力不理想。具有豐富極性脂質(zhì)的MFGM組分相對(duì)于其他組分具有更好的表面彈性,對(duì)泡沫和懸浮液具有更好的穩(wěn)定作用。

迄今為止,所有表征MFGM界面性能的研究都是在空氣/水界面進(jìn)行的,由于膠體組成體系的復(fù)雜性,因此鮮有對(duì)MFGM乳液油/水界面性能的研究。與MFGM空氣/水界面相比,油/水界面處形成的膜具有更大的膨脹相。造成膨脹的原因是因?yàn)橄噢D(zhuǎn)變,在第一次轉(zhuǎn)變期間,一些分子被迫進(jìn)入油相,這導(dǎo)致液體膨脹相的擴(kuò)展,油層與MFGM中的一些在油中高度溶解且?guī)в惺杷畟?cè)鏈氨基酸的蛋白質(zhì)以及MFGM中性脂質(zhì)結(jié)合。第2次相轉(zhuǎn)變期間,MFGM極性脂質(zhì)發(fā)生位移,與部分蛋白質(zhì)結(jié)合進(jìn)入油相[48]。為了更好地理解這一問題,未來的研究可以轉(zhuǎn)向分析MFGM極性脂質(zhì)、蛋白質(zhì)的行為及其在油/水界面上的相互作用。

3.3 MFGM的乳化性應(yīng)用

3.3.1 仿MFGM結(jié)構(gòu)脂質(zhì)體系構(gòu)建

牛乳中甘油三酯是在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成的,它將磷脂、糖脂、膽固醇和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到微脂滴上,形成了主要的界面層。這些微脂滴通過合并而增長(zhǎng),最終運(yùn)輸?shù)巾敹速|(zhì)膜被原生質(zhì)膜包裹,通過budding-off機(jī)制被排泄到乳汁中,再次被來自于乳腺上皮細(xì)胞的雙層膜包裹,從而形成MFGM的3層納米結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的膜結(jié)構(gòu)既能阻止脂滴之間的聚集,又能保護(hù)脂滴免受酶的降解[2]。受該結(jié)構(gòu)的啟發(fā),可以用來制備封裝含天然食品成分的乳狀液滴。這種結(jié)構(gòu)的預(yù)期好處是對(duì)包封脂滴核心含有的氧化敏感食品成分起到一定的保護(hù)作用,并且可以有效地阻止液滴聚集,保持乳液長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。LIVNEY等[49]以乳鐵蛋白作為主乳化劑,外層利用磷脂雙分子層包覆,制備了類似MFGM結(jié)構(gòu)的“涂層乳液”并對(duì)其進(jìn)行表征。在透射電子顯微鏡圖像中觀察到了不同磷脂濃度下層片狀磷脂結(jié)構(gòu)的形成,以及1個(gè)或幾個(gè)油滴的包覆/包封。但是層狀結(jié)構(gòu)不完整,還需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝以提高涂層的均勻性。CHEN等[50]受MFGM結(jié)構(gòu)啟發(fā),以植物磷脂和乳蛋白作為包封材料制備DHA油乳液,成功制備的DHA油乳液具有納米級(jí)顆粒,顯著降低了DHA油乳液的表面張力,從而增加了乳液的穩(wěn)定性。且噴霧干燥后形成的DHA微膠囊體外消化實(shí)驗(yàn)表明,能有效抵抗胃蛋白酶酶解,保護(hù)其在腸道內(nèi)的生物活性。這種對(duì)敏感物質(zhì)起保護(hù)作用的新型封裝方法,是一種潛在的工業(yè)應(yīng)用。若要成功應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù),還需對(duì)包封參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[49]。進(jìn)一步研究將集中于在包封的均勻性和完整性兩方面,以達(dá)到完全保護(hù)敏感食品成分和維持乳液穩(wěn)定性的效果。

3.3.2 MFGM改善發(fā)酵食品的持水性

食品的持水能力關(guān)系到其香氣、滋味及營(yíng)養(yǎng)成分等,在發(fā)酵食品制作過程中添加MFGM,能改善其持水性并且增加產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分。LE等[51]利用膜濃縮技術(shù)從酪乳中分離出MFGM,觀察MFGM應(yīng)用于發(fā)酵酸奶生產(chǎn)的效果。結(jié)果表明酸奶的發(fā)酵效果沒有因?yàn)镸FGM的加入而改變,并且隨著MFGM濃度的增加使得酸奶持水能力顯著提高。通過CLSM觀察,富含MFGM酸奶的微觀結(jié)構(gòu)比普通酸奶更為致密。除了發(fā)酵乳制品外,在發(fā)酵烘焙制品中有同樣的效果。TANG等[52]研究了MFGM的添加對(duì)面團(tuán)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)和小麥面包保鮮的影響。結(jié)果表明,MFGM的加入改變了面團(tuán)的性質(zhì)。與對(duì)照組相比,采用MFGM制備的面團(tuán)持水性較好。通過掃描電鏡觀察面包片的微觀結(jié)構(gòu),加入了MFGM的面包片中,面筋與淀粉之間形成了具有層狀結(jié)構(gòu)的薄膜,有效地提高小麥面包的品質(zhì),延長(zhǎng)面包的保質(zhì)期。

3.3.3 MFGM改善稀奶油攪打性

稀奶油的攪打性與其脂肪含量有關(guān),脂肪含量越高攪打性越好,這與當(dāng)前崇尚低脂飲食的生活理念相悖。而低脂稀奶油加工過程中必須加入一定量的乳化劑,用以延長(zhǎng)貨架期且改善攪打性。目前稀奶油常用乳化劑如單、雙甘油脂肪酸酯等大多為人工合成,安全性不如MFGM這類天然乳化劑。且有研究表明,MFGM蛋白質(zhì)可以與具有乳化作用的乳蛋白乳清蛋白、酪蛋白一樣,改善稀奶油的攪打性,MFGM蛋白質(zhì)可以在界面處吸收,從而降低界面張力,穩(wěn)定脂滴和泡沫[53]。該研究為MFGM應(yīng)用于脂肪含量較低的稀奶油中提供了一定理論基礎(chǔ),但是目前尚無MFGM添加到低脂稀奶油的應(yīng)用研究,還需要對(duì)添加MFGM成分的低脂稀奶油攪打性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),看有無替代單、雙甘油脂肪酸酯等常用乳化劑的可能性。

4 結(jié)語

MFGM以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和成分,有效地保證了牛乳在貯藏期間的穩(wěn)定性。將它從牛乳或其他原料中提取出來,依然保持著其原始功能。在MFGM的制備方面,國(guó)外技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,丹麥Arla食品公司產(chǎn)品如Lacprodan?MFGM-10等工藝相對(duì)完善,且已應(yīng)用于多款旗下產(chǎn)品中。但是國(guó)內(nèi)目前對(duì)MFGM的研究剛剛起步,制備技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段,真正大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還任重道遠(yuǎn)。因此,研究除離心濃縮法和膜過濾法之外的制備技術(shù),或者在2種方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝的優(yōu)化是未來研究的重點(diǎn)。隨著對(duì)MFGM功能研究的不斷深入,其乳化特性逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注?？紤]到加入食品中的安全性問題,天然乳化劑代替合成乳化劑是當(dāng)前的趨勢(shì)。MFGM作為天然乳化劑,除了具有乳化性外,還有抗炎、抗病毒等生物功能。將其加入到食品中,既能改善食品的性質(zhì)又能增加其營(yíng)養(yǎng)成分。但是現(xiàn)在將其乳化特性應(yīng)用于產(chǎn)品中的研究較少,還需要在未來的研究中進(jìn)一步完善。