微波处理对乳清蛋白凝胶影响的探讨

文/邢绍平（黑龙江省完达山乳业股份有限公司）



微波处理对乳清蛋白凝胶影响的探讨

文/邢绍平
（黑龙江省完达山乳业股份有限公司）

摘 要：乳清蛋白是生产干酪过程中的一种副产品，被广泛用于食品中。由于乳清蛋白有良好的凝胶特性，因此凝胶制备工艺被广泛研究。以WPC-80乳清分离蛋白粉为研究对象，研究了不同蛋白浓度、pH值、微波功率、微波温度、微波时间对WPC-80蛋白凝胶特性的影响，为婴幼儿配方乳粉生产企业前处理工艺参数的确定提供参考。

关键词：微波；乳清蛋白；凝胶

乳清蛋白由于优良的理化功能特性受到了广泛的关注。在适当条件下制备的乳清蛋白胶体，具有类似脂肪的柔滑特性和口感，与传统热变性蛋白具有显著不同，能够作为代脂品用于低脂产品的生产中［1］。

由于乳清蛋白具有良好的凝胶特性，因此凝胶制备工艺被广泛研究。传统的蛋白凝胶方法主要通过热处理或酶解手段来完成。乳清蛋白凝胶的形成主要受乳清蛋白浓度［2］、加热温度、加热时间、pH值［3］、离子强度［4］等因素的影响。热处理和酶解能够非常有效地改变乳清蛋白的各种特性和结构，其中热处理能够改变乳清蛋白的凝胶温度、起泡性以及溶解性；而对乳清蛋白进行酶解，可以显著改善乳清蛋白在酸性饮料中的热凝胶特性、热稳定性以及稳定性。除此之外，酶解还会使乳清蛋白具有一定的生物活性。目前微波对乳清蛋白凝胶特性影响的相关研究相对比较空白。

本试验以微波时间、功率、温度为变量，研究了对乳清蛋白凝胶持水力和质构特性的影响，为进一步利用乳清蛋白凝胶提供理论依据，同时也为婴幼儿配方乳粉生产提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料和主要仪器

1.1.1 原料

WPC-80乳清分离蛋白粉。

1.1.2 主要试剂

1 mol/L的HCl和NaOH溶液：用于调节WPC-80蛋白溶液的pH值；蒸馏水：用于充分溶解WPC-80乳清分离蛋白粉。

1.1.3 仪器和设备

质构仪、电子天平、pH计、温度计、微波炉、离心机、保温箱、水浴锅、烧杯、玻璃棒。

1.2 试验方法

1.2.1 乳清蛋白凝胶最佳形成条件的确定

首先是乳清蛋白凝胶的制备阶段，向不同质量的WPC-80乳清分离蛋白粉中加入一定量的蒸馏水，配成不同浓度的WPC-80溶液；然后在80 ℃水浴锅中加热30 min，确保WPC-80溶液成为凝胶状态。通过改变乳清蛋白溶液的浓度和pH值，并测定凝胶的硬度和弹性来确定凝胶的最佳形成条件。

（1）蛋白浓度对乳清蛋白凝胶特性的影响

分别准确称量不同质量的WPC-80乳清分离蛋白粉，加入一定量的蒸馏水，将蛋白浓度调节为10%、12%、14%、16%、18%，然后在80 ℃下水浴30 min，对凝胶的质构特性进行测定。

（2）pH值对乳清蛋白凝胶特性的影响

利用1 mol/L的HCl或NaOH溶液将WPC-80蛋白凝胶的pH值分别调至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，然后80 ℃下水浴加热30 min，测定凝胶的质构特性。

以上试验是从WPC-80蛋白浓度和pH值2 个因素探索蛋白凝胶的最佳形成条件。在确定最佳形成条件之后，再通过改变微波参数，探讨微波对WPC-80蛋白凝胶形成的影响。

1.2.2 微波条件对凝胶特性的影响

微波炉处理WPC-80蛋白凝胶的工艺参数如表1所示。取出经微波炉处理的凝胶，放入恒温箱保存，摇匀后迅速测定凝胶的失水率和质构特性。

1.2.3 测定失水率

取出一定量的凝胶进行称量，质量记作m1，放入离心管中，离心管总质量记作m，离心除去表面的水分之后再进行称量，离心管总质量记作m2，则失水率的计算公式为：W=（m-m2）/m1×100%。

将5 g左右凝胶放入离心管中，5 000 r/min离心20 min，除去水分，每个样品平行测定3 次，取平均值。

1.2.4 测定质构特性

质构特性主要包括弹性和硬度2 个因素，利用质构仪对WPC-80蛋白凝胶的这些特性进行了研究，测定乳清分离蛋白凝胶的质构参数［5］。

将WPC-80蛋白凝胶于室温下放置0.5 h后进行测定。质构仪采用P 0.5圆柱探头，前进、测定、后撤速度均设置为1.0 mm/s。重复测定3 次，取平均值，每次测试时质构仪移动2 次。WPC-80蛋白凝胶的尺寸为：高度约30 mm，直径约50 mm。

表1　微波炉处理WPC-80蛋白凝胶的工艺参数

2 结果与讨论

2.1 确定最佳乳清蛋白浓度及pH值

WPC-80乳清分离蛋白粉中大部分蛋白质的pH值在4.5～5.5之间。在加工过程中，蛋白质会产生一定的变性，分子结构从盘卷状态展开，疏水性基团被暴露到分子表面，适宜pH值作用下蛋白质分子能接近到足够近的距离，有利于分子间发生疏水性键交联，进而形成凝胶［6］。

乳清蛋白浓度和pH值对形成凝胶的质构参数有比较重要的影响［7］，硬度和弹性可以作为凝胶质构性质的主要指标。硬度值与凝胶胶体结构的致密程度有关，是反映凝胶表面抗力程度的主要指标；弹性值与凝胶网络结构的相互连接程度有关，反映的是凝胶局部抗形变的能力。因此，可以将凝胶的弹性和硬度结合起来作为衡量凝胶质量的指标。

通过对不同浓度、不同pH值条件下形成的凝胶进行硬度及弹性测试，综合比较测试结果，确定最佳WPC-80蛋白浓度为18%，最佳pH值为7，选取以该浓度及pH值制备的凝胶进行微波影响性试验。

2.2 微波条件对乳清蛋白凝胶特性的影响采用单因素试验研究微波对乳清蛋白持水能力、弹性和硬度为主的质构特性的影响，即通过改变微波的功率、温度和时间3 个单因素，来得到乳清蛋白形成凝胶的最佳微波参数。

2.2.1 微波功率对乳清蛋白凝胶特性的影响

使用不同微波功率（100、300、500、700、900 W）处理WPC-80蛋白凝胶，测得的数据如表2所示。从表2可知，随着微波功率增大，乳清蛋白凝胶的失水率持续降低。从图1和2可以看出，乳清蛋白凝胶的质构特性（弹性及硬度），随微波功率的增大而提高；在微波功率达到500 W时，质构特性（弹性及硬度）开始降低。这主要是因为温和的加热（100～300 W）对乳清蛋白结构和溶解度的影响是可逆的，主要是通过多肽链间二硫键交联作用；功率加大到500 W以上时，分子间发生疏水性键交联作用加强，功率继续增大，蛋白质变性（即肽链的伸展过程）绝大多数为不可逆的变化，但仍有一小部分是可逆变化，凝结过程大多数伴随着肽链的不可逆伸展。

2.2.2 微波温度对乳清蛋白凝胶特性的影响

使用不同微波温度（20、40、60、80、100 ℃）处理WPC-80蛋白凝胶，测得的数据如表3所示。从表3可知，随着微波温度的升高，乳清蛋白凝胶的失水率持续降低。从图3和4可以看出，微波温度在60～70 ℃之间时乳清蛋白凝胶的弹性达到最大。温度影响的是蛋白质变性，一般蛋白质变性的温度在60～80 ℃之间，从试验数据来看，这个温度范围是乳清蛋白凝胶弹性及硬度特性表现比较良好的曲线范围。因此微波温度在蛋白质变性范围内时，形成凝胶的弹性及硬度较好，在这个范围以外时，凝胶的硬度和弹性较差。

2.2.3 微波时间对乳清蛋白凝胶特性的影响

使用不同微波时间（30、60、90、120、150 s）处理WPC-80蛋白凝胶，测得的数据如表4所示。从表4可知，随着微波时间的延长，乳清蛋白凝胶的失水率持续降低。从图5和6可以看出，微波时间超过60 s后，凝胶表现出更大的脆性和较高的硬度，黏度和内聚性都降低。

表2　微波功率对乳清蛋白失水率的影响

图1　微波功率对乳清蛋白弹性的影响

图2　微波功率对乳清蛋白硬度的影响

3 结论

本文研究了在适宜的乳清蛋白浓度和pH值条件下，微波因素对WPC-80蛋白凝胶形成的影响。根据文献和试验得到的最佳凝胶条件为：WPC-80蛋白浓度18%，pH值中性，微波温度60 ℃，微波功率500 W，作用时间60 s，此时形成WPC-80蛋白凝胶的质构特性最佳。

乳清蛋白在65 ℃以上会发生不可逆的变性，温度升高、蛋白质浓度增大都会促进蛋白质的聚集。在这个过程中，加入微波协同作用，能使乳清蛋白凝聚过程发生较好的变化。

因此，在婴幼儿配方乳粉生产过程中，要尽量减少较高浓度乳清蛋白在65 ℃以上温度区域的处理时间；在WPC-80浓缩乳清蛋白参与混料时，尽量在偏碱性条件下进行，避免在婴幼儿配方乳粉生产过程中料液黏度增大，进而影响混料后的蒸发及干燥工序。

表3　微波温度对乳清蛋白失水性的影响

图3　微波温度对乳清蛋白弹性的影响

图4　微波温度对乳清蛋白硬度的影响

表4　微波时间对乳清蛋白失水性的影响

参考文献

［1］ 李玉美，卢蓉蓉，许时婴. 蛋白质为基质的脂肪替代品研究现状及其应用. 中国乳品工业，2005，33（8）：34-37.

［2］ 连喜军，鲁晓翔，李香兰，等. 乳清蛋白凝胶条件的研究. 乳业科学与技术，2007（1）：9-11.

［3］ 谷俊男，毛学英，任发政，等. 不同因素对酶诱导乳清蛋白凝胶性质的影响. 中国奶业协会2009年会论文集，2009.

［4］ 王岩，王存堂，蒋继丰，等. 离子强度和温度对乳清蛋白凝胶的影响. 食品科学，2010，31（1）：123-126.

［5］ 陈冲，于国萍. 不同因素对乳清蛋白乳化凝胶特性的影响. 食品工业科技，2011，32 （11）：127-130.

［6］ 南海函，郑建仙. 乳清蛋白凝胶及其影响因素的机理研究. 广西轻工业，2001（4）：22-25.

［7］ 徐静波. 酪蛋白巨肽影响乳清蛋白功能性质研究：［硕士论文］. 杭州：浙江工业大学，2008.

The Impact of Microwave Treatment on Whey Protein Gel

XING Shao-ping
（Heilongjiang Wondersun Dairy Co.， Ltd.）

Abstract：Whey protein is a by-product in cheese production process，and is widely used in food. Whey protein has the excellent gel properties，so the gel preparation technology has been widely studied. The impacts of protein concentration，pH，microwave temperature，microwave power and microwave time on the protein gel properties of WPC-80 whey protein were studied，and the reference for infant formula powder production enterprises before the determination of process parameters was provided.

Key words：microwave；whey protein；gel

作者简介：

邢绍平（1983-），男，食品工程师，主要从事乳品生产、工艺管理方面工作。

图5　微波时间对乳清蛋白弹性的影响

图6　微波时间对乳清蛋白硬度的影响

收稿日期：（2016-02-19）