乳清蛋白及其凝胶性研究

摘要：乳清蛋白是从生产干酪的副产品乳清中经分离、浓缩、干燥等工艺而得到的优质蛋白，营养价值极高，因此乳清蛋白在食品工业中具有广泛的应用。凝胶性是乳清蛋白重要的功能特性之一，其凝胶行为及其流变性质影响了食品独特的质构、感官和风味。本文对乳清蛋白的组成成分、营养价值和凝胶性做阐述，同时介绍了乳清蛋白凝胶性的研究现状及其在食品工业中的应用。

关键词：乳清蛋白 组成 营养 凝胶性 热致凝胶

牛奶含有约3.5％的蛋白质，其中80％为酪蛋白（casein），20％为乳清蛋白（whey protein）。牛奶经酸化或凝乳酶处理后形成的凝乳状沉淀就是干酪（cheese）（主要成分是酪蛋白），同时产生了大量液体副产品乳清。将乳清经过分离、浓缩、干燥等特殊工艺制得的高蛋白产品就是乳清蛋白。乳清蛋白具有高蛋白、低脂肪、低胆固醇的特点，有很高的营养价值和生物学效价。目前随着食品加工技术的发展与应用，乳清蛋白已成为婴儿配方奶粉的主要辅料，临床蛋白质补充剂、运动营养产品、保健品和减肥产品的重要组成成分[1]。

乳清蛋白具有很多重要的功能特性（如溶解性、持水性、凝胶性、粘弹性、起泡性和乳化性等），合理利用这些功能特性能够大大改善食品的品质。凝胶性是乳清蛋白最重要的功能性之一，蛋白质的凝胶行为及其流变性质是形成某些食品独特的质构、感官和风味的决定性因素之一。

1. 乳清蛋白

1.1 乳清蛋白的组成

乳清蛋白中主要成分是β-乳球蛋白（β-LG）和α-乳白蛋白(α- LA)，这两种蛋白约占乳清蛋白的70%～80%。其他的蛋白成分包括乳铁蛋白(LG)、糖巨肽(GMP)、牛血清白蛋白（BSA）、免疫球蛋白（Ig）、乳过氧化物酶(LPO)以及大量的生物活性因子等。

β-乳球蛋白 约占乳清蛋白的45%～48%，富含人体必需氨基酸。能结合视黄醇、维生素E等，促进营养物质的转运和吸收。但对于婴儿来说β-乳球蛋白却是主要的过敏原，因为婴幼儿胃肠道发育尚未成熟，消化液分泌不足，免疫球蛋白分泌极低，加上肠壁穿透性较高，不能完全消化吸收β-乳球蛋白，而是以未被消化的形式进入人体，从而引起过敏反应[2]。因此目前通过热处理和酶处理来水解乳清蛋白，将完整的蛋白质切成较小的肽段，从而降低牛奶蛋白的过敏性。

α-乳白蛋白 约占乳清蛋白的13%～19%。用加热酸凝法凝固乳清中的蛋白质，乳清蛋白在高温热处理下变性凝结成细小的颗粒。然后通过离心得到的沉淀再经干燥就是乳白蛋白。α-乳白蛋白是乳清蛋白中惟一能结合钙的乳清蛋白。富含色氨酸, 可促进神经系统发育；是乳糖合成酶的成分之一，促进乳汁分泌，氨基酸组成接近母乳，不易过敏。乳白蛋白营养价值极高，主要用于烘焙业。但是由于乳白蛋白溶解度低，因此无法用于凝胶、发泡和粘结。富含半胱氨酸和蛋氨酸，这些含硫氨基酸能维持人体内抗氧化剂的水平，防止氧化腐败，提高食品稳定性。

乳铁蛋白 是一种铁结合性糖蛋白（主要是Fe2+和Fe3+，也包括Cu2+、Zn2+、Mn2+），分子量为78kDa，由1个多肽链通过N-糖苷键和2个多糖相连接。具有杀菌、抗病毒、调节免疫、抗氧化、促进铁吸收和转移等功能。

1.2 乳清蛋白的营养[3]

首先，乳清蛋白含有人体必需的8种氨基酸和2种条件必需氨基酸（半胱氨酸和酪氨酸），且配比合理，接近人体的需求比例，是优质蛋白（或完全蛋白）。虽然大豆蛋白也是完全蛋白，但是大豆蛋白的吸收利用率低于乳清蛋白。因此乳清蛋白的营养价值在各种动植物蛋白中是最高的。

其次，乳清蛋白容易被消化吸收。虽然酪蛋白是乳中含量最丰富的蛋白，但是其质地坚硬，极难消化。相反，乳清蛋白在胃内可形成较稀软的凝乳，易于吸收，所以在婴儿配方奶粉中通常添加提高α-乳白蛋白，使蛋白质组成接近人乳，促进婴幼儿生长发育。

此外，乳清蛋白是含硫氨基酸的良好来源，能维持体内的谷胱甘肽（GSH ）水平，发挥抗氧化作用。它也是钙的良好来源，生物利用率高，可预防骨质疏松。

1.3 常见乳清蛋白产品[4]

目前，人们利用乳清已开发生产了浓缩乳清蛋白、分离乳清蛋白、甜乳清粉等不同蛋白质含量具有多种功能特性的产品。

1.3.1 浓缩乳清蛋白(whey protein concentrate, WPC)

WPC是采用超滤技术和低温喷雾干燥工艺制成蛋白质含量35 %～80%的产品。由于在低温条件下进行，保持了蛋白质的天然形式，具有极好的溶解性能。新西兰是世界上最大的浓缩乳清蛋白粉生产国。浓缩乳清蛋白广泛用于食品加工业，比如火腿、糖果、蟹肉棒、蛋糕、婴儿配方奶粉、运动饮料、配方营养饲料等。由于超滤除去了乳糖，因此WPC为乳糖不耐症患者提供优质蛋白。

1.3.2 分离乳清蛋白(whey protein isolate, WPI)

WPI是在WPC的基础上经过进一步的工艺处理得到的高纯度乳清蛋白，蛋白质含量高达90%以上。WPI其价格昂贵，是WPC的2～3倍。但是它也更容易消化吸收，能为某些特定需要的人群比如婴儿和需要补充蛋白质的病人提供所需蛋白。

1.3.3甜乳清粉

液态乳清经过净化、分离、巴氏杀菌、蒸发浓缩、喷雾干燥制成的产品统称为乳清粉。蛋白质含量为11 %～15%，乳糖60 %～80 %。主要用于食品工业，特别是焙烤、糕饼点心中。

2 乳清蛋白的凝胶性

食品蛋白质分子的凝胶性在食品工业中有着重要的地位。凝胶是一种交联的亲水聚合物,其网状结构能吸收和保持大量水分,具有一定的粘弹性和强度[5]。近20年来国内外已广泛研究了很多食品蛋白质,特别是球蛋白(乳清蛋白) 的胶凝作用。

2.1 凝胶类型

蛋白凝胶的制备方式很多,已报道且适合食品体系的包括有加热诱导、多价盐离子诱导(如Ca2+和Fe2+)[6]、酸诱导（如葡萄糖酸内酯GDL）[7]、酶水解或交联诱导（如蛋白酶/转谷氨酰胺酶）[8]、化学交联诱导（如美拉德反应）[9]和高压处理诱导，甚至上述两种方式联用。归纳起来分为热致凝胶和冷致凝胶两种类型。

2.1.1 热致凝胶（Heat-induced gel）

加热诱导蛋白形成凝胶是最常见的制备凝胶方式，相关研究也最为深入。其凝固机理可认为：加热处理导致蛋白的多肽链结构逐渐展开，从而暴露出原本隐藏在内部的一些疏水基团，后者可进一步絮凝形成可包裹水分的三维网络结构。根据网络结构不同，可分为纤维型（fibrillar）或线性型（fine-stranded）和颗粒型（particulate）两类蛋白凝胶。通常前者的结构更为均匀细腻，部分变性的蛋白质之间形成很强烈的静电斥力，形成透明型凝胶；而后者则相反，颗粒型凝胶往往形成不规则形状的不透明凝胶。

形成蛋白凝胶的属性及微结构与胶凝过程中形成的絮凝物的属性紧密相关。但在热致凝胶的场合，后者又取决于体系的pH和离子强度等。如图1所示，如果溶液的pH值远离蛋白质的等电点和溶液的离子强度很低，则疏水聚集和静电排斥力平衡的结果容易使球蛋白分子之间形成线性型的聚集体（linear aggregates）。反之，如果溶液的pH接近离蛋白质的等电点或溶液的离子强度很大足以屏蔽蛋白质之间的静电排斥作用时，疏水相互作用导致球状蛋白分子形成无规则的聚集体（random aggregates）。当蛋白质浓度高于其临界成胶浓度时，这些串珠状的线性聚集体或者无规则聚集体进一步相互作用可形成宏观交联的网络结构，即蛋白质凝胶[10]。Langton等人[11]报道在pH 4和pH 6条件下加热处理乳清蛋白，形成的凝胶是浑浊的，且凝胶网络是大量的颗粒型聚集体，当pH < 4或pH > 6时，形成的是线性聚集体。离子强度对蛋白凝胶行为也有影响。当NaCl浓度为25mM～150mM，形成凝胶网络的聚集体会随着离子强度的增加而显著增大，但是Chantrapornchai等人报道 [12]当NaCl浓度 >200 mM 聚集体会从高度有序的纤维型变成无规则的颗粒型。

图1 球状蛋白质聚集示意图

目前，研究在低pH值和低离子强度条件下加热后形成良好的透明凝胶，可以通过延长加热时间降低蛋白质浓度实现。Aymard等人研究了pH 2不同离子强度条件下乳球蛋白的热聚集，研究发现离子强度从0.013M-0.1 M，随着离子强度的增大，纤维从在0.1 M的离子强度下可形成长度约38nm的线性聚集，而在0.013 M离子强度的作用下，可以形成600nm的线性聚集，这些蛋白线性聚集都可以通过透射电镜观察[13]。在较高的β-乳球蛋白浓度下（10%, wt），在pH 2和低离子强度下可以形成透明的凝胶。Ikeda和Morris用原子力显微镜研究pH2条件下β-乳球蛋白和乳清蛋白形成线性纤维聚集的微观结构，发现β-乳球蛋白线性聚集形成串珠状结构，而乳清蛋白聚集发现其中包含有许多颗粒状聚集 [14]。Gosal等也用原子力显微镜研究了β-乳球蛋白形成线性纤维聚集的网络结构，蛋白质形成串珠似的结构[15]。

2.1.2 冷致凝胶（Cold-set gel）

冷致凝胶是与热致凝胶是相对而言的，包括多价盐离子诱导、酸诱导和酶诱导。冷致凝胶在作为热敏活性物质输送载体方面更具优势。其实，在诸多冷致凝胶场合也需要对蛋白进行一定的加热前处理，以使其结构展开进而有利于凝胶网络的形成。图2所示[10]在盐离子条件下冷致凝胶形成示意图。关于冷致凝胶，可通过选择添加时机使活性物质避免受到热处理的破坏。国际上在此方面的探索尚处于初级阶段。其中，加拿大Laval大学Subirade教授领导的小组在系统地揭示了Fe2+ 或Ca2+诱导β-乳球蛋白形成冷致凝胶的过程及机理之上，通过调节盐浓度制备得到两种微结构不同（纤维型或颗粒型）的亲水凝胶，发现Fe2+诱导的纤维型乳清蛋白凝胶在Fe2+的小肠靶向输送功能方面显著优于颗粒型凝胶[16]。由此推测纤维型蛋白凝胶在作为活性物质包埋缓释载体方面可能更具有优势，不过仍需深入而广泛的研究探索。

与Fe2+ 或Ca2+胶凝方式相比，转谷氨酰胺酶（简称TGase）诱导形成的冷致蛋白凝胶的过程更为温和、可控，而且在一些场合，甚至不需要额外的加热前处理形成品质的蛋白凝胶[17]。此外，马来西亚Gan等指出MTGase交联作用与美拉德化学交联技术联用可显著提高BSA凝胶对咖啡因的缓释输送效果[18]。

图2 冷致凝胶的示意图

2.2 蛋白凝胶理论模型

在蛋白凝胶研究中一些具有缩放比例的模型已经应用在蛋白质胶体系统中。其中Fractal模型和Percolation模型最为重要。

2.2.1 Fractal模型

要求蛋白浓度尽量远离形成胶体的临界浓度或者假设临界成胶浓度为0，并且形成胶体的颗粒容积要求大于在临界点时的粒径，并且一般认为要小于0.3μm。

热凝胶的弹性模量（G’）作为衡量模型的指标应用到Fractal模型公式中。Fractal模型可以用下列指数公式简单描述：

G’~ c n

c是蛋白质浓度，n是关于蛋白质不规则聚集形成凝胶的指数[19]。

2.2.2 Percolation模型

研究显示Percolation模型的应用面要比Fractal模型多,而且Percolation模型能够适合更大浓度范围的蛋白溶液。另外，Percolation模型可以估算某些条件下蛋白凝胶的临界点，并且也为在临界点形成胶体的机理和微观结构提供了良好的解释。

G’~（c-cp）t

c是蛋白质浓度，cp是形成凝胶的理论临界浓度，G’为凝胶的弹性模量，t是缩放临界浓度的指数。两种凝胶理论对比，总的来说，percolation理论比fractal理论更适合于具有弹性凝胶的应用[20,21]。

2.3 蛋白凝胶结构观察

差示热量扫描仪（DSC）通过与标准物质参比测定蛋白质溶液在程序升温/降温形成凝胶过程中吸热、放热峰形的变化，从而可推断凝胶形成时蛋白质变性以及蛋白聚集体形成与解聚的情况。Simon M. Gotham等人报道β-乳球蛋白的变性温度随pH的增加而降低，特别是当pH>6，即热稳定性随着pH的增加而降低[22]。

蛋白凝胶中分子的构象变化可以通过波谱观察，例如红外光谱、核磁共振和圆二色谱。红外谱图中酰胺特征吸收峰的变化可推测蛋白质分子的改性程度和交联情况。核磁共振发能测定溶液中不同因素（pH、稳定等）对蛋白分子的构象影响及构象动力学。圆二色光谱可以推算蛋白质分子的α-螺旋、β-折叠和β-转角以及无规则卷曲的含量。由于蛋白质变性时，常发生α-螺旋、β-折叠含量的变化，因此可以用来描述蛋白质的变性情况。

蛋白质凝胶的微观结构可以通过原子力显微镜（AFM）、激光共聚焦显微镜（CLSM）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等仪器观察，这些仪器可以从纳米的范围内表征蛋白质凝胶的形态。E. van der Linden 等人[23]在pH2和30 mM 离子强度下对β-乳球蛋白80℃加热10h， TEM观察到形成了明显的纤维状聚集体。

图3 β-乳球蛋白在pH2和30 mM 离子强度下纤维状聚集TEM图

3 乳清蛋白凝胶性在工业中应用

3.1 乳制品

我国乳品工业都广泛使用果胶作为稳定增稠剂。另外，在生产果汁奶时，在一定pH值范围内，牛奶中酪蛋白会沉淀出来，加热杀菌后分层现象更加严重，此时果胶作为一种稳定剂，能有效地抑制酪蛋白的沉淀现象，保证产品良好的感官品质。但是果胶在中国产量少，价格昂贵。因此，有人对乳清蛋白进行改性，将乳清蛋白聚合成具有一定的粘弹特性类似于果胶的产品，可以替代果胶在乳品工业和食品中的应用，从而改善产品的组织状态和感官特征，具有极大的经济价值[24]。卢延辉等人[25]报道进行脱脂酸奶发酵时，使用乳清蛋白替代脱脂奶粉会使发酵乳凝胶的硬度下降，能改善搅拌型酸奶的贮存稳定性,抑制乳清析出。

3.2 肉制品

乳清蛋白在肉制品中具有广泛应用。在香肠和午餐肉中，将肉切碎再混入其他配料后加入乳清配料，有助于整体的粘弹性，可加工低脂肉制品，增加产品弹性和液汁感，用WPC生产鱼靡制品能为之提供必要的强度。有人用80%的乳清蛋白浓缩物和20%的玉米淀粉混合、挤压、烘干，生产出一种富含蛋白质的颗粒状食品，其口感就象肉。这种浓缩物可作为肉的添加物和替代品[26]。

参考文献：

[1] 蒋与刚，庞伟.乳清蛋白的生物学作用研究进展[J]. 中国食物与营养. 2008, 10: 40-52

[2] 蒲玲玲，郭长江.乳清蛋白的组成及其主要保健功能[J]. 中国食物与营养. 2011, 6: 35-37

[3] 张丹风.乳清蛋白的营养价值及其应用[J]. 新疆畜牧业. 2006, 6: 17-19

[4] 乳清蛋白产品的发展趋势[J]. 中国食品添加剂. 2009, 1: 24-26

[5] 蛋白质凝胶机理的研究进展[J].食品工业科技. 2006, 27(6): 202-204

[6] Gabriel E. Remondetto, Muriel Subirade. Molecular mechanisms of Fe2+-induced β-lactoglobulin cold gelation[J]. Biopolymers. 2003, 69(4): 461-469

[7] Zhi Yong Ju, Arun Kilara. Gelation of pH-Aggregated Whey Protein Isolate Solution Induced by Heat, Protease, Calcium Salt, and Acidulant. [J] Journal of Agricultural and Food Chemistry.1998, 46 (5):1830–1835

[8] Van-Den Truong, Debra A. Clare , et al. Cross-Linking and Rheological Changes of Whey Proteins Treated with Microbial Transglutaminase [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry.2004, 52 (5): 1170–1176

[9] Lezli M. Rich, E. Allen Foegeding. Effects of Sugars on Whey Protein Isolate Gelation[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2000, 48 (10): 5046–5052

[10]Cecile Veerman. Properties of Fibrillar Protein Assemblies and their Percolating Networks[D]. Wageningen, Wageningen University.2004

[11] Langton, M.; Hermansson, A.-M. Fine-stranded and particulate gels of β-lactoglobulin and whey protein at varying pH [J]. Food Hydrocolloids 1992, 5 (6): 523−539

[12]Chantrapornchai, W.; McClements, D. J. Influence of NaCl on optical properties, large-strain rheology and water holding capacity of heat-induced whey protein isolate gels[J]. Food Hydrocolloids. 2002, 16(5): 467–476

[13] Aymard, P., Nicolai, T., Durand, D.. Clark, A. Static and dynamic scattering of β-lactoglobulin aggregates formed after heat-Induced denaturation at pH 2 [J]. Macromolecules. 1999, 32: 2542-2552.

[14] Ikeda, S. Spectrosc. The Corynebacterium glutamicum genome: features and impacts on biotechnological processes[J]. Applied Microbiology and Biotechnology. 2003, 62: 99-109.

[15] Gosal, W. S., Clark, A. H., Pudney, P. D. A., Ross-Murphy. Novel Amyloid Fibrillar Networks Derived from a Globular Protein: β-Lactoglobulin[J]. Langmuir. 2002, 18 (19): 7174–7181

[16]Romandetto, G., Beyssac, E., Subirade, M. (2004). Iron availability from whey protein hydrogel: An in vitro study [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry.2004, 52(26):8137-8143

[17] Kavanagh, G. M., Clark, A. H. et al. Heat-induced gelation of globular: part 3. Molecular studies on low pH β-lactoglobulin gels [J]. International Journal Biological Macromolecules. 2000, 28:41-50

[18]Gan,C.,Cheng, L.,et al. Combined cross-linking treatments of bovine serum albumin gel beadlets for controlled-delivery of caffeine[J]. Food Hydrocolloids. 2003, 23(5): 1398-1405

[19] Shih, W.H., Kim, S. I., et al. Scaling behavior of the elastic properties of colloidal gels [J]. Physics Review. 1990, 42: 4772-4779

[20] Wu, H., Morbidelli, M. A model relating structure of colloidal gels to their elastic properties [J]. Langmuir. 2001, 17:1030-1036.

[21] Van der Linden, E., Sagis, L. M. C. Isotropic force percolation in protein gels [J]. Langmuir. 2001, 17: 5821-5824.

[22] Simon M. G., Peter J. F., Andrew M. P. β-lactoglobulin denaturation and aggregation reactions and fouling deposit formation: a DSC study [J]. International Journal of Food Science & Technology. 1992, 27(3): 313–327

[23] C. Veerman, L.M.C. Sagis, E. van der Linden. Gels at extremely low weight fractions formed by irreversible self-assembly of proteins [J]. Macromolecular Bioscience. 2003, 3: 243-247

[24]李铁红, 戴显祺, 史亚丽等. 功能型乳清蛋白热改性技术的研究与应用[J] . 乳品加工. 2009, 1: 49-51

[25]赵谋明, 卢延辉, 林伟锋等. 乳清蛋白对脱脂发酵乳的流变特性及贮存稳定性的影响[J] . 中国乳品工业. 2006, 2: 4-6

[26]刘国信.乳清蛋白在肉类加工中的新应用[J] .肉类研究. 2007, 3: 6-9

营养学作业 - 乳清蛋白及其凝胶性研究