热处理和调节pH改性乳清蛋白浓缩物对搅打稀奶油加工性质的影响

孙颜君，莫蓓红，郑远荣，石春权，朱　培，焦晶凯，刘振明（乳业生物技术国家重点实验室，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海200436）

热处理和调节pH改性乳清蛋白浓缩物对搅打稀奶油加工性质的影响

孙颜君，莫蓓红，郑远荣，石春权，朱培，焦晶凯，刘振明*
（乳业生物技术国家重点实验室，光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海200436）

通过热处理和调节pH对乳清蛋白浓缩物80（Whey protein concentrate，WPC80）进行改性处理，并将改性后的WPC80添加至低脂稀奶油中，以改善其搅打性质。结果表明调节WPC80溶液的pH为3，在80℃下加热15min时具有最佳的溶解性和起泡性，相同pH条件下，不同的热处理时间会对溶解性和起泡性产生不同的影响；将热处理和pH改性后WPC80加入搅打稀奶油中，研究发现不同热处理时间，pH为5改性的WPC80可以显著提高搅打稀奶油的打发率（p＜0.05），但是pH为7处理的WPC80使稀奶油的泡沫稳定性增加了154.67%～193.42%。因此可通过热处理和调节pH改性的WPC80来提高低脂稀奶油的搅打特性，且此操作方法简单易行。

热处理，pH，乳清蛋白浓缩物80，低脂搅打稀奶油

乳清蛋白营养组成丰富，且具有较好的加工特性，在食品中有较为广泛的应用。乳清中含有多种功能性蛋白，如β-乳球蛋白（β-Lg）、α-乳白蛋白（α-La）、免疫球蛋白和乳铁蛋白等，这些蛋白多为球状蛋白，其疏水基团使其能很好的吸附于油/水或者气/水界面，从而保持乳状液和泡沫的稳定性［1-2］。对蛋白结构进行修饰可以提高和改善其功能性质。Zisu等［3］研究了超声波处理对乳清蛋白浓缩物（Whey protein concentrate，WPC）物理和加工特性的影响，结果表明WPC的凝胶能力显著提高；Nicorescu等［4］采用80℃热处理对乳清蛋白分离物（Whey protein isolate，WPI）进行改性，研究发现80℃热处理可以改善WPI的起泡性，稀奶油的脂肪含量会影响其搅打特性，通常脂肪含量为30%～40%时，易于搅打，且产生的泡沫细腻、稳定性好，但含脂率低于30%时，搅打性能降低［5］。研究表明，低脂肪饮食是治疗肥胖Ⅱ型糖尿病一种有效的方法［6］。因此，开发出脂肪含量较低且搅打性能较好的稀奶油是稀奶油研究的重要方向。Camacho等［7］研究表明添加不同比例的刺槐豆胶和角叉胶可以改善低脂稀奶油的搅打特性。Padiernos等［8］研究了乳清蛋白超高压改性后对低脂搅打稀奶油性质的影响。本研究采用热处理和调节pH对WPC80进行改性，并研究了加入改性后WPC80对低脂稀奶油的物理和搅打特性的影响。与超高压处理相比，热处理和调节pH处理方式简单易行；与添加胶体相比，WPC80不仅改善稀奶油的搅打性质，还可以提高产品的蛋白含量，从而扩大产品的应用范围。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

新鲜稀奶油上海光明乳业乳品四厂；乳清蛋白浓缩物WPC80新西兰恒天然集团提供；UHT脱脂奶光明乳业乳品二厂；氢氧化钠、盐酸分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

Mastersizer3000激光粒度分析仪英国马尔文仪器有限公司；IKAT25高速剪切分散机德国IKA公司；DV-Ⅲ黏度计美国Brookfield公司；TA-XTplus物性仪英国Stable Micro Systems有限公司；Labconco冷冻干燥机美国Labconco公司；3K-15离心机德国Sigma公司；SP-754PC分光光度计。

1.2实验方法

1.2.1WPC80的改性处理参考Sajedi等［9］的方法并略加改进。配制10%（w/v）的WPC80溶液，于室温下搅拌2h，然后置于4℃冰箱中冷藏过夜以使WPC80充分溶解。取溶解好的WPC80溶液用1mol/L HCl或1mol/L NaOH调节pH至3.0、5.0和7.0，且过15min再次测定各个溶液的pH，确保溶液pH保持不变。在80℃下水浴分别处理WPC80溶液5、15、30min，随之将其快速冷却并置于4℃冰箱冷藏，待样品温度达到4℃左右时，置于-18℃冰箱中进行冷冻4h，再于-45℃进行冷冻干燥，干燥时间为24h。其中，未进行任何处理的WPC80溶液同样条件下处理后作为对照样品。

1.2.2低脂搅打稀奶油的制备取脂肪含量为40%的新鲜稀奶油，按照一定的比例边搅拌边加入UHT脱脂奶，标准化至稀奶油脂肪含量为30%，其中将1.2.1中经热处理和调节pH的WPC80粉末按照3%（w/v）的比例加入脂肪含量为30%的稀奶油中，另取1.2.1中的对照WPC80加入稀奶油作为对照样品。加入WPC80后，将稀奶油于85℃下保温5min，迅速将样品冷却至50℃后10MPa均质处理。然后将样品置于4℃冰箱中进行老化，以促使脂肪晶体的形成，从而提高稀奶油的搅打性。

1.2.3热处理和调节pH改性后对WPC80加工性质的影响

1.2.3.1溶解性测定改性后WPC80溶解性的测定参考孙颜君等［10］的方法，取10g溶液于50mL的离心管中，在室温下4400×g离心10min，取上清液5g置于预先恒重的平板上，同时称取未离心的原样5g于预先恒重的平板，将平板同时于105℃的烘箱中烘干4h至恒重。取出后于干燥器中冷却至室温。分别计算上清和原样的固形物质量分数，则溶解性（Solubility，S）即为

其中，A表示上清液中固形物的质量分数，B表示原样中固形物质量分数。

1.2.3.2粒径测定配制1%（w/v）的WPC80溶液，于室温下搅拌2h，然后置于4℃冰箱中冷藏过夜以使WPC80充分溶解。采用马尔文激光粒度分析仪Mastersizer3000中湿法测定WPC80溶液的粒径，其中WPC80和介质水的折光系数分别设定为1.56和1.33，测定转速为2000r/min，取D50代表WPC80粒径大小。每个样品测定三次，并取三次测定的平均值作为最终结果。

1.2.3.3浊度测定取1.2.3.2中配制的1%（w/v）WPC80溶液，用去离子水以1∶10的比例进行稀释，采用分光光度计于600nm处测定吸光度值，并以吸光度值表示浊度［11］。

1.2.3.4起泡性测定起泡性的测定参考Nicorescu等［12］的方法并略加改进。取100mL 5%的WPC溶液于100mL量筒中，采用IKA T25高速剪切机11200r/min剪切2min，记录剪切后溶液增加的体积，WPC的起泡力（Foaming Capacity，FC）即为

其中，V0为剪切完成时泡沫体积（mL）

将样品在室温下放置30min，记录泡沫体积变化，计算泡沫稳定性（Foaming Stability，FS）

其中，V0为剪切完成时泡沫体积（mL），Vt为静置30min后泡沫的体积。

1.2.4添加WPC80后低脂搅打稀奶油搅打特性的分析

1.2.4.1表观黏度的测定将冷藏后的稀奶油取出后，采用黏度仪（Brookfield DV-Ⅲ）迅速测定其冷藏后的表观黏度，选用64号转子，测定时温度为10～12℃，转速为15r/min。

1.2.4.2打发率将600g在4℃预冷过的奶油倒入搅拌缸内，使用CS-BT搜拌器中速（约120r/min）进行搅打并计时，以稀奶油能够形成坚挺的锥形为搅打终点，测定其打发率。打发率计算公式如下：

式中：M1为同体积未搅打的搅打鲜奶油的质量，g；M2为同体积搅打好的搅打鲜奶油的质量，g。

1.2.4.3泡沫稳定性取搅打好的稀奶油泡沫5g，置于40目格网上，并在30℃下恒温箱中保持1h，测量1h内滴下的液体质量占总质量的比率（%）。

1.2.4.4硬度测定采用SMS公司的TA-XTplus型物性仪测定稀奶油所形成泡沫的硬度，取打发完成后稀奶油立即置于模具中，其中选用HDP/SR-TTC探头进行测定。测定参数设定参考赵谋明等［13］的方法：测试前探头行进速度和测试中探头行进速度都为1mm/s，探头回程速度为5mm/s；测定距离为30mm，触发力为Auto-5g，数据获取率为200pps；每个样品至少平行测定三次，取平均值作为样品的硬度值（g）。

1.2.5数据分析每组实验重复测定3次，最后结果以均值+标准方差（mean±SD）表示。采用SPSS 18.0软件对实验结果在p＜0.05水平上的显著性进行分析。

2　结果与分析

2.1不同pH和热处理时间WPC性质的影响

2.1.1不同pH和热处理时间对溶解性的影响由图1可知，热处理和调节pH可以不同程度的改变WPC80的溶解性。与对照样品相比，pH为5显著降低了WPC80的溶解性（p＜0.05）。在相同pH条件下，不同的热处理时间会对溶解性产生不同的影响，在pH为7时，随着热处理时间的延长，溶解性由93.43%降低至88.50%，但在pH为5的条件下，呈现相反的变化趋势。在低离子强度和室温下，乳清蛋白制品具有较高的溶解性。乳清蛋白由α-La、β-Lg、免疫球蛋白等组成，由于各个组分的等电点（pI）不同，因此乳清蛋白的pI具有一定的变化范围（pI在4.5～5.5之间变化）［5］。Wong等［14］研究表明，蛋白的溶解性在pI处最低，这是因为在pI处蛋白质分子所带的静电荷量最小，从而蛋白质与水的相互作用力下降。但由图1中看出所有的pH处理WPC80的溶解性都不同程度的降低，主要是因为高温会使蛋白变性，热处理后，肽链舒展结构发生变化，大量疏水基团暴露在蛋白质表面，蛋白质发生热变性，从而溶解性下降［15］。

图1　不同pH和热处理时间对WPC80溶解性的影响Fig.1　Effect of thermal treatment and pH on the solubility of WPC80

2.1.2不同pH和热处理时间对粒径的影响当WPC80完全溶解后，WPC80溶液中粒径为1.487μm（如图2中对照样品）。热处理和调pH后，WPC80的粒径都显著（p＜0.05）的增加，其中pH为5的溶液中粒径为46.54～49.13μm，其次pH3溶液中WPC80的粒径为29.27～34.70μm，pH为7的溶液中WPC80的粒径范围最小，为20.01～22.31μm。在相同pH条件下，不同的热处理时间对粒径的影响不同。pH为5，热处理15min的WPC80的粒径最大，为49.13μm。蛋白溶液的粒径大小及其分布可以一定程度反映蛋白的聚合情况。Nicorescu等［1］研究了热处理对β-Lg性质的影响，结果发现，在68～75℃的范围内，乳清蛋白中二级聚合物分散同时形成蛋白单体。但随着处理温度和时间的延长，重新形成二聚物和低聚物。当温度超过75℃时，乳清蛋白中会形成多聚物，并形成β-Lg与α-La的共聚物。pH和热处理时间会影响蛋白质中单体/多聚物的比例，从而影响蛋白质的粒径分布，因此为得到良好的乳清蛋白结构，需选用合适的pH和热处理时间［16］。

图2　不同pH和热处理时间对WPC粒径的影响Fig.2　Effect of thermal treatment and pH on the particle size of WPC80

2.1.3不同pH和热处理时间对浊度的影响pH为5的溶液中，浊度范围为0.882～0.974，且随着热处理时间的延长，浊度变小；pH为3的WPC80溶液中，浊度较小，与对照样品没有显著差异（p＞0.05）。由溶解性和粒径的结果可知，在pH为5条件下，WPC80的溶解性最小且粒径较大，相应的，所有样品稀释相同倍数后在同一条件下测定显示，pH为5的WPC80溶液的浊度最大，进一步证明了在pH为5时，蛋白的变性程度较大，更多的疏水基团暴露，各个疏水基团间相互作用，从而形成蛋白聚合物。

图3　不同pH和热处理时间对WPC溶液浊度的影响Fig.3　Effect of thermal treatment and pH on the turbidity of WPC80

2.1.4不同pH和热处理时间对起泡性的影响由表1可知，与对照样品相比，热处理和改变pH后，WPC80溶液的FC和FS都有不同程度的提高。其中，pH3溶液热处理30min后，FC较对照样品提高了119.35%。这主要与WPC80变性后蛋白结构的变化有关。Zhu和Damodaran等［17］研究表明温和的热处理能够提高WPI的起泡性，相反，过度的热处理会降低蛋白的加工性质。Zhu等［17］还指出热处理后WPI中蛋白单体/聚合物的比例会影响其起泡性，未变性的乳清蛋白能够快速的吸附于气泡表面，从而增加了起泡性，然而热处理后部分变性的WPI有助于形成较稳定的泡沫结构，当变性和未变性的蛋白比例为3∶2时，WPI具有最好的起泡性。单体种类的不同会影响形成泡沫的能力，但多聚体的种类却会对泡沫的稳定性产生影响。

表1　不同pH和热处理时间对WPC80起泡性的影响Table 1　Effect of thermal treatment and pH on the foaming ability of WPC80

图4　加入改性后WPC80对搅打稀奶油黏度的影响Fig.4　Effect of modified WPC80 on the viscosity of whipping cream

2.2热处理和pH处理改性WPC80对搅打稀奶油特性的影响

2.2.1黏度将热处理和调节pH改性后的WPC80和未经改性的WPC80加入搅打稀奶油中，比较后发现，改性后的WPC80可以显著（p＜0.05）提高搅打稀奶油的黏度。与对照样品相比，加入pH为3的WPC80的稀奶油黏度提高了89.23%～186.54%。加入pH为5和7但是不同热处理时间改性的WPC80后，热处理时间对稀奶油的黏度没有显著影响（p＞0.05）。

这主要是因为不同pH和热处理改变了WPC80中蛋白结构，增强蛋白间交联作用，更易于形成网状结构，从而使得WPC可以在稀奶油内部通过分子内的作用力形成网状结构［16］。WPC的持水力对搅打稀奶油的黏度有重要影响，WPC的持水力越高，加入稀奶油后黏度相应提高。由2.1.2可知，在pH为3和7条件下处理WPC80后，形成的聚合物粒径较小，从而持水能力较低。当pH为WPC的pI时（pH=4.5～5.5），WPC中形成较大的聚合物，具有较好的持水力，与对照样品相比，黏度提高了32.61%～63.38%。

图5　加入改性WPC80对搅打稀奶油打发率的影响Fig.5　Effect of modified WPC80 on the overrun of whipping cream

2.2.2打发率打发率是评价稀奶油质构特性和稳定性的有效指标。通常在最大打发率处稀奶油有最大的硬度和泡沫稳定性［18］。由图5可知，热处理时间和pH对打发率都有显著影响。

在相同热处理条件（85℃，15min）下，随着pH由3增加至5，打发率相应的由89%增加至126%。且在pH为5处，增加至最大值，随着pH继续增加至7，打发率呈下降趋势。相同pH条件下，不同热处理时间的WPC80对稀奶油的打发率没有显著影响（p＞0.05）。

在不添加稳定剂的情况下，通常脂肪含量越高形成的搅打稀奶油性状越好，但是如果脂肪含量过高，会产生较软的质地，搅打后泡沫的结构也会被破坏或者变得不稳定［5］。改性后的乳清蛋白有助于脂肪球在气泡表面形成合适的结构，当聚合的脂肪球形成的网状结构将气泡完全包裹时，搅打稀奶油就可以形成较为稳定的结构，从而在搅打过程中具有较好的打发性，并且所形成的泡沫具有较高的稳定性，这与Sajedi等［9］的研究结果一致。

图6　加入改性WPC80后对搅打稀奶油泡沫稳定性影响Fig.6　Effect of modified WPC80 on the foam stability of WPC80

2.2.3泡沫稳定性泡沫稳定性即为完整的气泡持续的时间，测定泡沫稳定性可以反映稀奶油质地等性质［8］。泡沫稳定性主要由连续的液相的性质和气泡表面膜的粘弹性决定［16］。由图6可知，随着WPC80改性pH的升高，其加入稀奶油后泡沫稳定性相应的增加，相同的pH条件下，热处理时间对稀奶油泡沫稳定性没有显著影响（p＞0.05）。在pH为7条件下，通过增加热处理时间，泡沫稳定性稍有下降。其中与对照样品相比，稀奶油中加入pH为7的WPC80后，泡沫稳定性增加了154.67%～193.42%。

在搅打稀奶油中，液相、固相和气相三相的平衡有助于形成较好的泡沫结构。蛋白质作为稳定剂能够影响搅打稀奶油的黏度，较高黏度的搅打稀奶油搅打后所形成的泡沫稳定性较差，这与2.2.1关于黏度的研究结果一致，相同的热处理条件下，随着加入的WPC80的pH降低，搅打稀奶油的黏度增加。这是因为蛋白质能够在气/液界面形成合适的界面膜，从而提高泡沫的稳定性，且蛋白中变性和未变性的蛋白质的比例会影响搅打稀奶油的起泡性和泡沫稳定性。未变性的蛋白质能够在气泡表面迅速伸展，并且可以和变性的蛋白质相互作用，使得变性蛋白更好在气泡表面进行吸附，随着大量蛋白包裹在泡沫表面，泡沫的结构越趋于稳定［2］。

2.2.4硬度在搅打稀奶油中添加了WPC80后均提高了稀奶油的硬度。且随着加入的WPC80的pH的增加，搅打稀奶油的硬度也相应的增加，与对照样品相比，添加了pH为5的WPC80后，稀奶油的硬度增加了92.35%～97.64%，添加pH为7的WPC80后，稀奶油的硬度增加了116.18%～148.14%。

图7　加入改性后WPC80对搅打稀奶油硬度的影响Fig.7　Effect of modified WPC80 on the firmness of whipping cream

搅打稀奶油要在搅打过程中由一个粘稠的液体转变为一个塑性固体，在搅打稀奶油的结构形成过程中很大程度依赖于部分附聚作用。在搅打过程中，空气进入稀奶油中，形成了新的气/水界面，从而脂肪球和蛋白吸附于这些界面的表面，形成膜结构。所形成的膜结构能够很好地保持泡沫结构的稳定性。其中，膜结构的稳定性与吸附于其表面的蛋白结构密切相关。由以上研究可知，热处理和改变pH后都会使得WPC80的蛋白内部交联发生改变，形成聚合物，从而增加了稀奶油的硬度。

除了界面吸附的蛋白质和脂肪球性质外，液相的黏度也会影响质构的稳定性。增加WPC溶液的pH能够降低搅打稀奶油的黏度，黏度的增加有助于提高稀奶油的搅打特性。较高pH处理的样品在冷冻干燥过程中，形成了较大的聚合物，从而降低了进一步交联的可能性，而低pH改性的WPC更易于交联，进一步增加液相的黏度，加入到搅打稀奶油中有助于增强稀奶油的硬度。搅打后稀奶油泡沫硬度主要是由脂肪球部分凝结形成的半连续固态结构赋予的，稀奶油乳状液脂肪球界面膜吸附的蛋白质数量增加使得脂肪球膜更完整，强度更大。从泡沫稳定性的结果也可以看出，随着pH的降低和热处理时间的延长，泡沫稳定性相应的增加。

3　结论

通过调节WPC80溶液的pH为3、5和7时，并结合80℃热处理，可以改变WPC80的溶解性、粒径和起泡性；经改性后的WPC80添加至低脂的搅打稀奶油，pH为5，80℃下热处理30min的WPC80能够显著提高稀奶油的打发率、泡沫稳定性以及打发后稀奶油的硬度。

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Effect of thermal and pH modified whey protein concentrate on functionality of whipping cream

SUN Yan-jun，MO Bei-hong，ZHENG Yuan-rong，SHI Chun-quan，ZHU Pei，JIAO Jing-kai，LIU Zhen-ming*
（State Key Laboratory of Dairy Biotechnology，Dairy Research Institute，Bright Dairy and Food Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

The effects of thermal and pH modified Whey protein concentrate（WPC80）on low-fat whipping cream was studied in this paper.The results showed that after adjusting pH of WPC80 solution to 3，and then heating at 80℃ for 15min，the WPC80 presented the best solubility and foaming ability.The solubility and foaming of WPC80 were different with the same pH and different thermal treated time.Adding thermal and pH 5 modified WPC80 to the low-fat whipping cream could improve the overrun of whipping cream significantly（p＜0.05）.But the foaming stability of whipping cream with pH 7 modified WPC80 increased by 154.67%～193.42%.In a conclusion，thermal and pH treatment modified WPC80 could improve the functionality of the whipping cream. Besides，the modified method was easy and operable.

thermal treatment；pH；WPC80；low-fat whipping cream

TS201.1

A

1002-0306（2015）02-0133-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.021

2014-04-10

孙颜君（1988-），女，硕士研究生，工程师，研究方向：乳品加工与技术。

刘振民（1974-），男，博士研究生，高级工程师，研究方向：乳品加工与技术。