一种低矿化胶束态酪蛋白的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低矿化胶束态酪蛋白的制备方法，属于乳粉加工领域。

背景技术

酪蛋白是牛乳中重要的营养组分，其含量约占总蛋白的80％左右。作为一种全价蛋白质，酪蛋白含有人体所必需的8种氨基酸，同时也是机体钙、磷元素的重要来源，加之其具有良好的乳化性、发泡性和凝胶性等功能特性，使得酪蛋白制品在食品工业中得到了广泛的应用。为保持乳清蛋白中的生物活性组分，采用膜过滤直接从脱脂乳中进行分离，已成为目前乳清蛋白的研发热点，这种制备方法会产生胶束态酪蛋白副产物，对其进行特定开发有助于提高乳原料的整体利用价值。酪蛋白分子结构具有展开且无规则卷曲的特点，其多肽链中的亲水和疏水残基呈嵌段式分布，因此具有较好的界面活性。但当以聚集态的酪蛋白胶束形式存在时，其乳化性和起泡性较差，同时钙离子桥连和疏水相互作用等非共价作用的发生，也是导致胶束态酪蛋白及浓缩乳蛋白等配料在储藏过程中出现聚集和溶解度下降的重要原因。

胶束钙含量是影响酪蛋白胶束结构和功能性的关键因素。一定程度的脱钙处理，即通过除去胶束磷酸钙中的钙离子，进而部分瓦解酪蛋白胶束结构，是改善胶束态酪蛋白溶解性及其它相关功能性质的有效方法。目前工业上脱钙乳配料的常用制备方法包括离子交换法，利用阳离子交换柱脱除配料中的钙，物料连续地流经固定的柱床层，在从上到下的流动过程中，所发生的离子交换具有动态性和先后性，由于树脂交换容量的限制，不同时间段得到的脱钙样品其脱钙率存在较大差异。另外乳配料的脱钙处理也可通过pH调控“一步法”实现，即先将乳基原料调整至合适的低pH条件，再结合超滤和多次洗滤除去游离的钙离子，之后喷雾干燥得到产品。但由于不同批次的原乳其pH值、钙含量和分布、缓冲能力等均存在差异，即使采用相同的工艺制备，最终产品在胶束钙含量和相关功能性质上差异仍较大。此外，应用这两种工艺制备多批次不同脱钙率配料时，需要不断重复脱钙操作步骤，前期条件摸索及整体处理工艺均较为繁琐，因此提供有效的改进工艺以实现脱钙酪蛋白胶束便捷和标准化制备是迫切需要的。

发明内容

[技术问题]

现有工艺制备多批次不同脱钙率配料时，需要不断重复脱钙操作步骤，且脱钙率难以准确控制，前期条件摸索及整体处理工艺均较为繁琐。

[技术方案]

本发明的目的在于提供一种低矿化胶束态酪蛋白的制备方法，本发明方法首先将除菌脱脂乳通过微滤和多次洗滤的方式得到酪蛋白胶束配料，部分配料接着用酸化剂调整至较低的pH条件解离胶束磷酸钙，并结合超滤和多次洗滤的方式除去游离钙，或者采用阳离子交换柱直接脱除配料中的游离钙和胶束钙。回调至初始pH值后，与未脱钙的酪蛋白复配以实现不同矿化水平的制备，之后再进行喷雾干燥得到系列低矿化的酪蛋白配料。本发明方法工艺简便，可快速实现系列化不同脱钙率酪蛋白配料的制备以满足不同的使用需求，且对脱钙率的控制精准，有利于实现产品品质的标准化。

具体的，本发明的技术方案为，一种低矿化胶束态酪蛋白的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)制备高度脱钙的酪蛋白

酸化法：采用微滤陶瓷膜分离除菌脱脂乳，洗滤多次，得到未脱钙的酪蛋白胶束，然后在未脱钙的酪蛋白胶束中加入酸化剂，调节pH至5.2-5.6，再采用超滤膜进行超滤和多次洗滤处理，同时采用NaOH将pH值回调至未脱钙的酪蛋白胶束的初始pH 6.9，即得到高度脱钙的酪蛋白配料；

或，

离子交换法：采用微滤陶瓷膜分离除菌脱脂乳，洗滤多次，得到未脱钙的酪蛋白胶束，之后采用阳离子交换柱进行脱钙处理，控制进样速度为25-30L/h，收集脱钙样品并将其pH值回调至未脱钙的酪蛋白胶束的初始pH，即可得到高度脱钙的酪蛋白配料；

(2)将步骤(1)得到的高度脱钙的酪蛋白配料与未脱钙的酪蛋白胶束按照一定的比例进行复配，25-35℃条件保持1-2h后进行喷雾干燥，即可得到不同矿化水平的低矿化酪蛋白胶束。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述除菌脱脂乳包括牛乳、羊乳、驼乳、水牛乳。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述微滤陶瓷膜的孔径为30-100nm，操作参数为：浓缩倍数为2-5倍，洗滤次数为2-6次，温度控制在40-60℃。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述酸化剂为葡萄糖-δ-内酯、盐酸、柠檬酸、硫酸的任一种，添加浓度为25-50mM。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述超滤膜的孔径为5-10kDa，操作参数为：浓缩倍数为2-5倍，洗滤次数为2-6次，控制处理温度在40-60℃。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述洗滤为利用水进行洗滤，优选去离子水，洗滤次数优选为4次。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述阳离子交换柱的活性基团包括磺酸基、羧基中的一种。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，所述喷雾干燥的进口温度和出口温度分别为130-190℃和70-90℃。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，未脱钙的酪蛋白胶束与高度脱钙的酪蛋白配料按照质量比0～1:0～1进行复配。

本发明还提供了上述制备方法在乳制品领域的应用。

本发明相对于现有技术，具有以下的优点和效果：

(1)本发明方法工艺简便，可快速实现系列化不同脱钙率胶束态酪蛋白配料的制备以满足不同的使用需求，无需经过繁琐工艺摸索pH调控“一步法”实现脱钙处理的条件，且对脱钙率的控制精准，实现产品品质的标准化；

(2)本发明的这种复配方式对脱钙酪蛋白的钙离子和蛋白分布及功能性的调控可实现与相同脱钙率“一步法”制备样品相一致，即，采用混合法与直接法制备的低矿化酪蛋白在基本性质及功能特性上十分接近，未脱钙和高脱钙酪蛋白混合后，其中的蛋白分子与钙离子可通过自组装作用重新达到平衡态，该平衡态与“一步法”制备的样品相接近，因此，利用混合法不仅能快速便捷地制备不同脱钙率的低矿化酪蛋白，且对其钙离子结合状态及蛋白性质影响较小，在工业生产中具有较高的实际应用价值。

(3)本发明中的复配方法对得到的低矿化酪蛋白的功能性质影响较大，在喷雾干燥前的湿混方式比在喷雾干燥后干混方式和脱脂乳微滤前混合方式，得到的配料表现出更好的溶解性。

附图说明

图1：(A)混合法低矿化胶束态酪蛋白标准化制备工艺流程图；(B)一步法低矿化胶束态酪蛋白制备工艺流程图。

图2：(A)脱脂乳微滤前混合制备低矿化胶束态酪蛋白工艺流程图；(B)喷雾干燥后干混制备低矿化胶束态酪蛋白工艺流程图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。

指标测定方法

1.低矿化胶束酪蛋白的钙含量和游离酪蛋白含量分析：采用超纯水将酪蛋白喷干粉复溶成浓度为2.5％的酪蛋白溶液，之后室温条件下100,000×g超速离心60min，得到的上清液再用截留分子量为10kDa的超滤离心管于2000×g转速下离心60min，得到超滤透过液。钙含量的测定参照国标5009.92-2016《食品安全国家标准食品中钙的测定》第一法，采用原子吸收光谱仪(Beckman Coulter,Inc.,Indianapolis,IN,USA)测定。其中酪蛋白溶液中测定的是总钙含量，超滤透过液中测定的是可溶性钙的含量，两者的差值认为是胶束钙的含量。蛋白含量的测定采用e2695高效液相色谱仪(Waters Corp.,Milford,MA,USA)，其中使用的色谱柱为XBridgeBEHC18柱(250mm×4.6mm)，检测波长为220nm。

脱钙率的计算公式：

2.低矿化酪蛋白的相对浊度分析：实验采用分光光度计测定脱钙后酪蛋白溶液的相对浊度。将蛋白溶液稀释12倍，控制未脱钙样品的吸光度值为1.0左右，稀释后于860nm条件下测定吸光值，相对浊度的计算公式如下所示：

3.低矿化酪蛋白的粒径分析：粒径的测定参照Silva等人(2013)的实验方法并稍作修改，将上述复溶后的蛋白溶液稀释100倍，设置纳米粒度电位仪(Malvern InstrumentsLtd.,Malvern,Worcestershire,UK)粘度参数值为0.89mPa·s，蛋白折射率为1.57。

4.低矿化酪蛋白的功能性分析：酪蛋白的功能性采用溶解度和乳化性表征。溶解性测定时，将配制的酪蛋白溶液室温下搅拌溶解30min，之后700×g条件离心10min得到上清，105℃烘干7h测得固形物含量，溶解度即为上清液固形物质量占溶解液中固形物质量的百分比，分别测定新鲜制备和40℃储藏60d后的溶解度变化。乳化性及乳化稳定性参照Luo等人(2015)的方法进行，酪蛋白复溶液与葵花籽油以3:1比例混合后，21500rpm转速下均质2min，接着将新鲜制备和4℃放置1d的样品分别加入到0.1％的SDS溶液中，观察500nm波长下吸光值的变化。

实施例1未脱钙胶束态酪蛋白制备工艺

取生鲜牛乳进行碟式离心脱脂处理，(脂肪含量为0.09％)，然后采用1.4μm孔径陶瓷膜进行除菌处理得到除菌脱脂乳，接着样品再采用100nm微滤陶瓷膜分离酪蛋白胶束，浓缩倍数为5倍，之后补充去离子水进行3次洗滤，减少乳清蛋白等杂质残留和提高酪蛋白纯度，微滤和洗滤温度控制在60℃，即得到未脱钙的酪蛋白胶束。

实施例2高脱钙酪蛋白制备工艺

主要工艺如图1-A所示，首先采用100nm微滤陶瓷膜分离除菌脱脂乳(同实施例1)中的酪蛋白胶束，采用的浓缩倍数为5倍，之后补充去离子水进行3次洗滤，温度控制在60℃，得到未脱钙的酪蛋白胶束。接着可采用酸化法或离子交换法制备高脱钙酪蛋白，具体步骤如下：

1.酸化法：在分离的未脱钙的酪蛋白胶束中补充4倍体积的去离子水，接着加入35mM的葡萄糖-δ-内酯，调节pH至5.3。然后采用孔径为10kDa的超滤膜进行超滤和洗滤处理，浓缩倍数为5倍，洗滤次数为3次，控制处理温度在60℃。同时将pH值回调至酪蛋白胶束的初始pH，得到高度脱钙的酪蛋白配料，经过测定可知，此时的脱钙率为80％。

2.离子交换法：采用强酸型磺酸基阳离子交换柱进行脱钙处理，交换柱容量为20L，酪蛋白胶束处理量为100kg，控制进样流速为25L/h。收集脱钙酪蛋白后采用氢氧化钠溶液回调pH值至酪蛋白胶束的初始pH，得到高度脱钙的酪蛋白配料，经过测定可知，此时的脱钙率为80％。

实施例3一步法低矿化胶束态酪蛋白制备工艺

传统一步法制备低矿化酪蛋白的工艺如图1-B所示，在实施例1得到的未脱钙的酪蛋白胶束中补充4倍体积的去离子水，接着加入12mM的葡萄糖-δ-内酯，调节pH值为6.2。之后采用孔径为10kDa的超滤膜进行超滤和洗滤处理，浓缩倍数为5倍，洗滤次数为3次，控制处理温度在60℃，之后回调pH至初始值。25℃条件保持60min后进行喷雾干燥，其中进口温度和出口温度分别为190℃和90℃。经过测定可知，此时的脱钙率为28％。

实施例4混合法低矿化胶束态酪蛋白(酪蛋白纯度为90％)制备工艺

将实施例1制备得到的未脱钙酪蛋白与实施例2利用酸化法或离子交换法得到的高脱钙酪蛋白进行复配，控制复配酪蛋白比例依次为1:0、0.85:0.15、0.75:0.25、0.65:0.35和0:1，以得到脱钙率分别为0％、12％、20％、28％和80％不同矿化程度的酪蛋白，最后35℃条件保持2h后进行喷雾干燥，其中进口温度和出口温度分别为190℃和90℃。通过混合法可直接得到一系列不同脱钙率的酪蛋白组分。

根据上述测定方法比较实施例3的一步法和实施例4的混合法低矿化胶束态酪蛋白的性质(脱钙率均为28％)。

结果如表1所示，可以发现，采用混合法(实施例4，以酸化法得到的高脱钙酪蛋白作为复配成分为例)和一步法(实施例3)制备的28％脱钙率酪蛋白，在总钙、胶束钙、游离钙和游离酪蛋白含量上无明显差异(P>0.05)，部分钙离子的脱除破坏了磷酸钙纳米簇结构，使得一定比例的酪蛋白从胶束中解离，酪蛋白分子以游离态形式存在于体系中，其占比可达40％左右。

在相对浊度方面，胶束结构的解离使得光的多重散射效应减弱，酪蛋白溶液的透明程度逐渐增加，当脱钙率为28％时，两种制备方式得到的低矿化酪蛋白溶液，其相对浊度分别为77.5％和77.9％，溶液整体呈半透明。酪蛋白胶束为酪蛋白分子的球状聚合物，其粒径分布在50-700nm之间。脱除部分钙离子后，溶液整体向小粒径方向偏移，数据显示，当脱钙率为28％时，其Z-均粒径大小降至165nm左右。

在功能性方面，酪蛋白胶束本身的溶解性较差，在进行部分脱钙处理后，蛋白溶解度增至95％。此外，酪蛋白胶束在储藏过程中容易相互交联并在颗粒表面形成致密壳层，从而抑制了内部酪蛋白在溶解过程中的释放。而脱钙处理诱导的胶束结构解离，不仅降低了整体结构的粒径大小，同时也降低了游离钙离子的含量，减少粉末体系中蛋白之间的交联聚集，非胶束酪蛋白有助于高孔隙率颗粒表面的形成，从而促进水分向颗粒内部的渗透。因此在储藏60d后，溶解度只下降了15％左右，溶解度仍有80％左右，这对于酪蛋白储藏稳定性的改善有一定积极作用。同时，两种低矿化酪蛋白也均表现出较好的乳化性和乳化稳定性，体系稳定时间分别延长至59h和57h，当部分酪蛋白从胶束态转变成了非胶束态时，相比于大粒径的酪蛋白胶束，生成的小粒径酪蛋白分子和聚集体表现出更好的界面活性。

总体而言，采用混合法与直接法制备的低矿化酪蛋白在基本性质(钙离子和蛋白分布)及功能特性上十分接近，未脱钙和高脱钙酪蛋白混合后，其中的蛋白分子与钙离子可通过自组装作用重新达到平衡态，该平衡态与“一步法”制备的样品相同。因此，利用混合法不仅能快速便捷地制备不同脱钙率的低矿化酪蛋白，且对其钙离子结合状态和蛋白性质影响较小，在工业生产中具有较高的实际应用价值(当以离子交换法得到的高脱钙酪蛋白进行复配时的结论和表1的结论几乎一致)。

表1混合法和一步法制备的28％脱钙酪蛋白性质的比较

注：相同字母表示不同处理组之间无显著性差异(P>0.05)。

实施例5混合法低矿化胶束态酪蛋白(酪蛋白纯度为80％)制备工艺

首先采用30nm微滤陶瓷膜分离除菌脱脂乳中的酪蛋白胶束，采用的浓缩倍数为2倍，之后补充去离子水进行6次洗滤，温度控制在40℃，得到未脱钙的酪蛋白胶束。接着采用混合法制备低矿化酪蛋白配料，具体步骤如下：在分离的未脱钙的酪蛋白胶束中补充1倍体积的去离子水，接着加入38mM的葡萄糖-δ-内酯，调节pH至5.3；然后采用孔径为5kDa的超滤膜进行超滤和洗滤处理，浓缩倍数为2倍，洗滤次数为6次，控制处理温度在40℃；将pH值回调至酪蛋白胶束的初始pH后，得到高度脱钙的酪蛋白，经过测定可知，脱钙率为75％；将高脱钙和未脱钙酪蛋白进行复配，控制复配酪蛋白比例为0.45:0.55，经喷雾干燥得到脱钙率为34％的低矿化酪蛋白配料，其中喷雾干燥的进口温度和出口温度分别为130℃和70℃。

再采用“一步法”制备低矿化酪蛋白配料，具体步骤如下：在分离的未脱钙的酪蛋白胶束中补充1倍体积的去离子水，接着加入14mM的葡萄糖-δ-内酯，调节pH值为6.1；之后采用孔径为5kDa的超滤膜进行超滤和洗滤处理，浓缩倍数为2倍，洗滤次数为6次，控制处理温度在40℃；回调pH至初始值，经喷雾干燥制得脱钙率为34％的低矿化酪蛋白胶束，其中进口温度和出口温度分别为130℃和70℃。

实验测得，混合法和一步法制备的脱钙率为34％的两种低矿化胶束态酪蛋白，其总钙、胶束钙、游离钙、游离酪蛋白的含量相同，依次为561μg/mL、532μg/mL、29μg/mL、47％，第0和60天的溶解度依次都为96％、89％，进一步说明混合法对低矿化酪蛋白胶束中钙离子结合状态和蛋白性质影响较小。

对比例1混合阶段——脱脂乳微滤前混合

对比例中主要比较了不同阶段混合处理对低矿化胶束态酪蛋白功能性的影响。如图2-A所示，对比例1将高脱钙酪蛋白先与除菌脱脂乳按不同比例进行复配，之后进行微滤洗滤及喷雾干燥处理，得到不同矿化程度的样品。具体步骤如下：

首先采用100nm微滤陶瓷膜分离除菌脱脂乳(同实施例1)中的酪蛋白胶束，浓缩倍数为5倍，之后补充去离子水进行3次洗滤，温度控制在60℃，得到未脱钙的酪蛋白胶束。接着在分离的未脱钙的酪蛋白胶束中补充4倍体积的去离子水，接着加入35mM的葡萄糖-δ-内酯，调节pH至5.3。然后采用孔径为10kDa的超滤膜进行超滤和洗滤处理，浓缩倍数为5倍，洗滤次数为3次，控制处理温度在60℃。同时将pH值回调至酪蛋白胶束的初始pH，得到高度脱钙的酪蛋白配料，加入4倍体积的去离子水。之后将除菌脱脂乳和制备的高脱钙酪蛋白按比例混合，控制复配酪蛋白比例为0.65:0.35，对应实施例4中脱钙率为28％的混合比例，用于功能性质的比较。采用30nm微滤陶瓷膜过滤混合后的样品，其中浓缩倍数为5倍，洗滤次数为3次，控制处理温度为60℃。喷雾干燥的进口温度和出口温度分别为190℃和90℃。其性能测试数据见表2。

对比例2混合阶段——喷雾干燥后混合

如图2-B所示，对比例2将高度脱钙和未脱钙的酪蛋白样品先进行喷雾干燥，然后按不同比例混合成不同矿化程度的样品。具体步骤如下：

首先采用100nm微滤陶瓷膜分离除菌脱脂乳中的酪蛋白胶束，浓缩倍数为5倍，之后补充去离子水进行3次洗滤，温度控制在60℃，得到未脱钙的酪蛋白胶束。接着在分离的未脱钙的酪蛋白胶束中补充4倍体积的去离子水，接着加入35mM的葡萄糖-δ-内酯，调节pH至5.3。然后采用孔径为10kDa的超滤膜进行超滤和洗滤处理，浓缩倍数为5倍，洗滤次数为3次，控制处理温度在60℃。同时将pH值回调至酪蛋白胶束的初始pH，得到高度脱钙的酪蛋白配料。之后将制备的未脱钙和高脱钙酪蛋白两种配料分别进行喷雾干燥，其中进口温度和出口温度分别为190℃和90℃。最后再将两种喷干粉按比例进行混合，控制复配酪蛋白比例为0.65:0.35，对应实施例4中脱钙率为28％的混合比例，用于功能性质的比较。。

比较对比例1～2和实施例4得到的低矿化酪蛋白的性质，其中未脱钙与高脱钙样品的酪蛋白复配比例均控制为0.65:0.35，结果如表2所示，对比例1采用在脱脂乳微滤前进行低矿化酪蛋白的复配，对比例2采用在喷雾干燥后进行混合，而实施例4则在微滤后、喷雾干燥前进行复配，可以得出，实施例4中得到的低矿化酪蛋白配料其溶解性和储藏稳定性均优于对比例1和对比例2，这可能是因为在喷雾干燥前和微滤后即进行复配更有利于蛋白分子与钙离子的平衡，以及更大程度地保留非胶束态酪蛋白，其在复溶以及储藏过程中，对于减少胶束态酪蛋白的聚集表现出明显作用。

表2对比例1～2和实施例4制备的低矿化酪蛋白性质的比较

注：不同字母表示不同处理组之间存在显著性差异(P<0.05)。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。