乳蛋白濃縮物特性、加工關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

李春梅，王蕓，肖明，李曉東，曲雅楠

（1.黑龍江省綠色食品科學(xué)研究院，哈爾濱 150028；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030；3.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院哈爾濱 150081）

0 引言

乳蛋白濃縮物(milk protein concentrate,MPC)作為食品原料截至目前，國際法典委員會、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、歐盟、澳新、加拿大標(biāo)準(zhǔn)委員會和日本厚生勞動省以及我國都沒有MPC的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的定義。按照國際乳品聯(lián)合會（IDF）的推薦名詞以及美國乳制品協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，MPC是指利用膜分離方法生產(chǎn)的乳蛋白質(zhì)含量40%以上的產(chǎn)品。MPC是為各種食品中提供營養(yǎng)和功能性的首選產(chǎn)品。由于傳統(tǒng)的膜分離、加熱濃縮蒸發(fā)以及高溫噴霧干燥會導(dǎo)致MPC粉復(fù)水性差，從而降低其乳化性、起泡性、凝膠性等功能特性，使得以其為原料制得的產(chǎn)品品質(zhì)下降。以物理、化學(xué)、生物學(xué)等手段改進加工工藝，提高其復(fù)水性以及功能性成為了研究熱點。此外，由于我國沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使得相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，同時，MPC作為原料在終產(chǎn)品配料表中存在多種不同的標(biāo)識情況。因此，急需制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1 MPC的組成及其生物活性

乳中含有大量不同種類的蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)、帶電基團和電荷分布都有一定的差異，主要包含有酪蛋白、乳清蛋白以及乳脂球膜蛋白等。

1.1 酪蛋白

酪蛋白等電點pH值為4.6，約占牛乳蛋白的80%，分為αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白，平均分子量在23 ku。α-酪蛋白占酪蛋白的75%，然而人乳酪蛋白主要為β-酪蛋白和κ-酪蛋白，沒有α-酪蛋白[1]，β-酪蛋白與鈣、鋅等金屬離子結(jié)合，對嬰幼兒骨骼和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育有重要的影響。β-酪蛋白水解后釋放的多生物活性肽，調(diào)節(jié)睡眠，清除自由基，調(diào)節(jié)血壓[2-3]。

1.2 乳清蛋白

牛乳清中含有α-乳白蛋白（α-La）、β-乳球蛋白（β-Lg）、免疫球蛋白（IgG,IgM,IgA）、乳鐵蛋白（Lf）、乳過氧化物酶（LPO）及糖巨肽（GMP）等，約占牛乳蛋白的20%。

1.2.1 α-乳白蛋白

α-La氨基酸序列與人乳α-La有76%一致性，α-La作為母乳蛋白質(zhì)的重要組分，在嬰兒配方乳粉母乳化方面發(fā)揮著重要作用，是目前嬰幼兒配方奶粉模擬母乳化主要添加的蛋白質(zhì)。α-La約占乳清蛋白的20%，分子質(zhì)量約為14.4 ku，等電點pH值為4.2～4.5。有研究表明α-La在促進雙歧桿菌增值，二價氧離子鈣、鋅等元素的吸收有一定的作用，此外，還具有殺菌，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的作用[4]。

1.2.2β-乳球蛋白

β-Lg是由乳腺上皮細(xì)胞分泌的一種特有蛋白，約占乳清蛋白的50%，分子質(zhì)量約為36 ku，等電點約為5.3，在人乳中幾乎沒有。β-Lg可作為生物制劑基礎(chǔ)成分，促進維生素與脂肪酸的機體吸收，與羥基磷苯二甲酸酐形成的復(fù)合物對人類免疫缺陷病毒具有很強的干擾作用[5-6]。

1.2.3 免疫球蛋白

免疫球蛋白是構(gòu)成機體體液免疫的主要物質(zhì)。免疫球蛋白主要是IgG，IgM，lgA 3種，對熱敏感，當(dāng)溫度超過65℃免疫球蛋白即發(fā)生變性而失活[7]。IgG能夠促進單核巨噬細(xì)胞的吞噬作用[8]；IgA能夠阻擋病原體入侵機體黏膜細(xì)胞受體[9]；IgM能夠激活哺乳動物免疫防御系統(tǒng)，可用于制備疫苗佐劑及預(yù)防疫苗[10]。

1.2.4 乳鐵蛋白

Lf是一種非血紅素鐵結(jié)合糖蛋白，分子質(zhì)量約為80 ku，與人乳中的Lf的氨基酸順序具有高達(dá)69%的同源性[11]。Lf的穩(wěn)定性差，一般在中性條件下，70℃加熱處理15～30 min，Lf就會完全失活[12-13]。Lf具有多種生物活性，參與機體鐵的代謝吸收；與革蘭氏陰性菌外壁的脂多糖（LPS）結(jié)合使細(xì)菌溶解；通過細(xì)胞內(nèi)干擾病毒的復(fù)制以及阻斷細(xì)胞受體受到病毒顆粒攻擊；抑制三價鐵離子所誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化過程，阻斷氧自由基的生成；競爭腫瘤細(xì)胞的鐵源，增加腫瘤對化療藥物的敏感性，發(fā)揮抗腫瘤作用；增強B細(xì)胞的抗原表達(dá)能力，調(diào)節(jié)機體免疫力的作用[14-19]。

1.3 乳脂球膜（MFGM）蛋白

MFGM是一層由蛋白質(zhì)、鞘脂、甘油磷脂及膽固醇等多種復(fù)雜成分構(gòu)成的單層薄膜[20]。加熱會引起乳清蛋白與MFGM結(jié)合。經(jīng)蛋白組學(xué)技術(shù)分析鑒定出有上千種功能各異的蛋白質(zhì)[21],MFGM對健康有一定作用，如抑制乳腺癌，減少輪狀病毒感染等[22]。

2 MPC的制備與開發(fā)

2.1 MPC的加工技術(shù)

根據(jù)美國ADPI標(biāo)準(zhǔn)、新西蘭初級產(chǎn)業(yè)部、歐盟對乳蛋白產(chǎn)品原料的描述以及國內(nèi)、外乳蛋白實際生產(chǎn)及市場調(diào)研情況，該類產(chǎn)品應(yīng)包括其他動物來源的乳。以生乳、食品工業(yè)用濃縮乳為原料，經(jīng)脫脂、膜分離、濃縮、干燥或不干燥等工序制得的含有酪蛋白和乳清蛋白的產(chǎn)品，且蛋白質(zhì)含量不低于40.0%，不高于90%的產(chǎn)品，工業(yè)上一般稱為MPC，而蛋白含量大于等于90%的稱為MPI。對于以生乳、食品工業(yè)用濃縮乳為原料，經(jīng)脫脂、化學(xué)調(diào)節(jié)pH值、分離、洗脫、干燥等工序制得的，蛋白質(zhì)含量不低于90%的產(chǎn)品，稱為TMP。

根據(jù)澳大利亞乳品原料參考手冊，MPC粉的生產(chǎn)方式有3種：酪蛋白和乳清蛋白粉混合；酪蛋白和乳清蛋白共同沉淀；脫脂乳超濾分離乳糖后并濃縮噴霧干燥。干混法制造的產(chǎn)品均勻性差，沉淀法制造的產(chǎn)品溶解性差，超濾分離法制備的產(chǎn)品品質(zhì)最佳。超濾分離工藝是選取工藝條件較為溫和的膜分離技術(shù)，基于蛋白質(zhì)與乳中其它成分不同的分子量，經(jīng)一系列步驟，去除大部分脂肪和乳糖，制成乳蛋白含量較高的產(chǎn)品。MPC蛋白質(zhì)含量高，含有較高鈣和較低的乳糖。蛋白含量主要是由膜過濾工藝決定，根據(jù)分離體積倍數(shù)，蛋白質(zhì)的最高干基上限可達(dá)65%，需進一步通過洗濾提高蛋白濃度，生產(chǎn)工藝如下。

牛（羊）乳→脫脂→超濾/微濾膜分離→膜/蒸發(fā)濃縮→巴氏殺菌/UHT→噴霧干燥→MPC粉

首先，生乳預(yù)熱至溫度為35～40℃后用乳脂分離機進行脫脂。脫脂奶在72℃，15 s條件下巴氏殺菌，殺菌后置于超濾膜設(shè)備中進行過濾。膜過濾的條件為：溫度50～55℃，進口壓力和出口壓力分別為170 kPa和105 kPa。適宜的濃縮CF(Concentration Factor)是關(guān)系到膜分離效率高低的關(guān)鍵因素；超濾后填加去離子水對截留液進行洗濾，洗濾的次數(shù)是關(guān)系到脫鹽率和乳糖脫出率的關(guān)鍵因素。最后通過對截留物的蒸發(fā)濃縮和低溫噴霧干燥獲得MPC粉類產(chǎn)品[23]。陳建行[24]等人采用孔徑10 nm的中空纖維陶瓷膜，研究確定當(dāng)CF=3時，超濾分離效率最高，膜通量、累計乳糖脫除率和累計灰分脫除率均為最高；經(jīng)1、2、3、4和5次洗濾，分別制得MPC56，MPC70，MPC80，MPC85和MPI的濃縮料液；噴霧干燥最佳的進口溫度為130℃，MPC粉水分含量低于5%。Rathod將濃縮膠束酪蛋白與牛奶乳清分離蛋白混合溶液，以80∶20的比例制備出酪蛋白與乳清蛋白的模擬對照模型MPC[25]。

2.2 加工技術(shù)對MPC溶解性的影響

目前,MPC在應(yīng)用過程中存在的一個突出的問題就是溶解度的問題：隨著蛋白質(zhì)、鈣含量的提高,溶解度及其功能特性會隨之越低，見圖1。良好的溶解性是實現(xiàn)乳化性、凝膠性、起泡性等功能性質(zhì)的先決條件，這一弊端引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[26-28]。MPC溶解度的降低主要原因與加工條件導(dǎo)致的α-酪蛋白和β-酪蛋白通過磷酸鈣橋、疏水和氫鍵等非共價鍵作用形成直徑約50～500 nm的球狀化合物導(dǎo)致MPC表面殼層致密性有關(guān)[29-31]。此外，還有研究表明MPC溶解度的降低與脫氫丙氨酸與其他氨基酸交聯(lián)度的升高以及蛋白質(zhì)和多糖在不同pH值，離子強度和溫度下通過物理混合、化學(xué)交聯(lián)和酶促交聯(lián)等方式形成美拉德反應(yīng)的復(fù)合物有關(guān)[32]。

超臨界CO2擠出，可防止美拉德褐變[33]，超濾前注入CO2，噴霧干燥前進行離子交換脫鈣，可減少牛奶蛋白濃縮物的鈣含量[34]，會提高MPC溶解性；添加六甲磷酸鈉和磷酸二鈉、納濾濃縮替代蒸發(fā)濃縮，可改變MPC中的蛋白質(zhì)構(gòu)型和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用[35]，能夠顯著地（P<0.05）改善MPC粉末的發(fā)泡和乳化性、溶解性、黏度、熱穩(wěn)定性、分散性、比表面積和緩沖指數(shù)[36-37]。此外，噴霧干燥前通入高壓氮氣或是靜態(tài)高壓處理，會導(dǎo)致粉末顆粒結(jié)構(gòu)重構(gòu)，出現(xiàn)較高的孔隙率和空隙，促進了水分遷移，加速粉體顆粒破碎，使MPC復(fù)水性提高[38-39]。Bouvier通過擠壓膨化與常規(guī)的噴霧干燥對MPC粉體的物理性能和復(fù)水性能進行研究比較，結(jié)果表明擠壓成型的MPC粉末顆粒的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，支持了復(fù)水性能的顯著改善[40]。

2.3 貯存穩(wěn)定性的影響

MPC粉的溶解度隨貯存時間和溫度的增加而降低，這往往限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。貯存過程中，MPC粉末表面相鄰酪蛋白膠束會發(fā)生交聯(lián)，增加了顆粒表面的疏水作用，使得粉末顆粒表面形成致密的殼層，從而降低了復(fù)水過程中酪蛋白膠束的釋放。Jialu Cao研究表明，在一定的貯藏溫度下，膜濃縮比蒸發(fā)濃縮的MPC的溶解性、黏度、濁度、粒徑等復(fù)水性，可溶性蛋白質(zhì)、鈣、磷、鎂的含量高，具有更好的儲存穩(wěn)定性[41]。Khalesi闡述了降低貯存溫度，降低MPC中的乳糖含量，會降低MPC不溶性[42]。蛋白氧化、脂質(zhì)氧化都不是MPC在儲藏過程中溶解度下降的關(guān)鍵因素[43]。

圖1中，A和B分別表示新制MPC復(fù)水10 min和80 min的表面殼層結(jié)構(gòu)；C和D分別表示在20℃下儲藏2個月的MPC復(fù)水10 min和80 min的表面殼層結(jié)構(gòu)。

圖1 MPC復(fù)水時的粉體顆粒表面形態(tài)[32]

3 MPC的應(yīng)用

MPC具有優(yōu)良的功能特性，被應(yīng)用到各種食品中，參見表1。

表1 MPC功能性的應(yīng)用

Kenneth研究了牛奶蛋白質(zhì)濃度和種類對飲料風(fēng)味的影響，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)含量為10.5%的飲料感官黏度較高，香蘭素風(fēng)味較低，隨著貯存時間的延長，各種飲料中的硫揮發(fā)物的含量均降低[44]?？抵具h(yuǎn)[45]研究了MPC-70替代10%以內(nèi)牛奶，酸奶的感官品質(zhì)、表觀黏度、乳清析出以及硬度、黏性明顯提高。Li Hongbo[46]等人用玉米谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶(TGZ)改性MPC用來改善酸奶質(zhì)構(gòu)，改性后的牛奶濃縮蛋白可以達(dá)到未改性MPC濃度的1.5倍所起到的改善酸奶品質(zhì)的效果。Mostafavi[47]等人研究在輕質(zhì)低脂冰淇淋中使用MPC可以有效地提高其蛋白質(zhì)含量，降低其熱值，改善其感官品質(zhì)。Ali等人研究表明MPC基食性膜可作為益生菌包裝冷凍溫度貯藏食品的適宜載體[48]。此外，有大量文獻(xiàn)報到MPC與姜黃素、丹寧、維生素A、D2等功能活性物質(zhì)結(jié)合，制備納米膠囊，提高活性物質(zhì)的生物利用度[49-51]。但是MPC作為壁材對芯材的保護效果與WPC相比仍存在較大的缺陷，需對芯材的包埋率、物理化學(xué)穩(wěn)定性的保護和改善效果進一步提高。李翔[52]通過酶法糖基化改性乳濃縮蛋白，調(diào)控其蛋白交聯(lián)密度和糖基化程度，將修飾過的MPC作為微膠囊壁材包埋不飽和脂肪酸。莊豐辰[53]通過對酪蛋白膠束進行脫鈣處理探討了在微膠囊壁材制備上的應(yīng)用，闡明離子交換脫鈣處理達(dá)到45%以上，才會對微膠囊壁材包埋效果有一定的作用。余韻等人以不同脫鈣度的MPC為原料制備高蛋白營養(yǎng)棒模型體系，脫鈣率為28.3%的MPC，營養(yǎng)棒硬度適中[54]。另有文獻(xiàn)表明MPC在運動營養(yǎng)制品、嬰兒配方食品、不同種類的奶酪有一定的應(yīng)用[55-57]。

4 結(jié)束語

綜上所述，MPC作為牛乳的濃縮蛋白制品，保留了其中各蛋白成分的功能特性和生物活性?？梢宰鳛榈鞍籽a充劑和功能性配料添加到其他乳制品和食品中。其加工后復(fù)水性和保藏過程中溶解性降低的問題可以通過加工技術(shù)的改進得到較好的解決。未來應(yīng)該在MPC的生物利用和通過加工技術(shù)改進提高產(chǎn)品目標(biāo)功能性方面以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定方面做進一步研究，為我國MPC的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供可行路徑。