乳蛋白浓缩物特性、加工关键技术及应用

李春梅，王芸，肖明，李晓东，曲雅楠

（1.黑龙江省绿色食品科学研究院，哈尔滨 150028；2.东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030；3.哈尔滨职业技术学院哈尔滨 150081）

0 引言

乳蛋白浓缩物(milk protein concentrate,MPC)作为食品原料截至目前，国际法典委员会、国际标准化组织、欧盟、澳新、加拿大标准委员会和日本厚生劳动省以及我国都没有MPC的质量安全标准和统一的定义。按照国际乳品联合会（IDF）的推荐名词以及美国乳制品协会标准，MPC是指利用膜分离方法生产的乳蛋白质含量40%以上的产品。MPC是为各种食品中提供营养和功能性的首选产品。由于传统的膜分离、加热浓缩蒸发以及高温喷雾干燥会导致MPC粉复水性差，从而降低其乳化性、起泡性、凝胶性等功能特性，使得以其为原料制得的产品品质下降。以物理、化学、生物学等手段改进加工工艺，提高其复水性以及功能性成为了研究热点。此外，由于我国没有相关标准，使得相关产品质量难以保证，同时，MPC作为原料在终产品配料表中存在多种不同的标识情况。因此，急需制定相关标准。

1 MPC的组成及其生物活性

乳中含有大量不同种类的蛋白质，其结构、带电基团和电荷分布都有一定的差异，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

酪蛋白等电点pH值为4.6，约占牛乳蛋白的80%，分为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为β-酪蛋白和κ-酪蛋白，没有α-酪蛋白[1]，β-酪蛋白与钙、锌等金属离子结合，对婴幼儿骨骼和神经系统的发育有重要的影响。β-酪蛋白水解后释放的多生物活性肽，调节睡眠，清除自由基，调节血压[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）、乳铁蛋白（Lf）、乳过氧化物酶（LPO）及糖巨肽（GMP）等，约占牛乳蛋白的20%。

1.2.1 α-乳白蛋白

α-La氨基酸序列与人乳α-La有76%一致性，α-La作为母乳蛋白质的重要组分，在婴儿配方乳粉母乳化方面发挥着重要作用，是目前婴幼儿配方奶粉模拟母乳化主要添加的蛋白质。α-La约占乳清蛋白的20%，分子质量约为14.4 ku，等电点pH值为4.2～4.5。有研究表明α-La在促进双歧杆菌增值，二价氧离子钙、锌等元素的吸收有一定的作用，此外，还具有杀菌，诱导肿瘤细胞凋亡的作用[4]。

1.2.2β-乳球蛋白

β-Lg是由乳腺上皮细胞分泌的一种特有蛋白，约占乳清蛋白的50%，分子质量约为36 ku，等电点约为5.3，在人乳中几乎没有。β-Lg可作为生物制剂基础成分，促进维生素与脂肪酸的机体吸收，与羟基磷苯二甲酸酐形成的复合物对人类免疫缺陷病毒具有很强的干扰作用[5-6]。

1.2.3 免疫球蛋白

免疫球蛋白是构成机体体液免疫的主要物质。免疫球蛋白主要是IgG，IgM，lgA 3种，对热敏感，当温度超过65℃免疫球蛋白即发生变性而失活[7]。IgG能够促进单核巨噬细胞的吞噬作用[8]；IgA能够阻挡病原体入侵机体黏膜细胞受体[9]；IgM能够激活哺乳动物免疫防御系统，可用于制备疫苗佐剂及预防疫苗[10]。

1.2.4 乳铁蛋白

Lf是一种非血红素铁结合糖蛋白，分子质量约为80 ku，与人乳中的Lf的氨基酸顺序具有高达69%的同源性[11]。Lf的稳定性差，一般在中性条件下，70℃加热处理15～30 min，Lf就会完全失活[12-13]。Lf具有多种生物活性，参与机体铁的代谢吸收；与革兰氏阴性菌外壁的脂多糖（LPS）结合使细菌溶解；通过细胞内干扰病毒的复制以及阻断细胞受体受到病毒颗粒攻击；抑制三价铁离子所诱导的脂质过氧化过程，阻断氧自由基的生成；竞争肿瘤细胞的铁源，增加肿瘤对化疗药物的敏感性，发挥抗肿瘤作用；增强B细胞的抗原表达能力，调节机体免疫力的作用[14-19]。

1.3 乳脂球膜（MFGM）蛋白

MFGM是一层由蛋白质、鞘脂、甘油磷脂及胆固醇等多种复杂成分构成的单层薄膜[20]。加热会引起乳清蛋白与MFGM结合。经蛋白组学技术分析鉴定出有上千种功能各异的蛋白质[21],MFGM对健康有一定作用，如抑制乳腺癌，减少轮状病毒感染等[22]。

2 MPC的制备与开发

2.1 MPC的加工技术

根据美国ADPI标准、新西兰初级产业部、欧盟对乳蛋白产品原料的描述以及国内、外乳蛋白实际生产及市场调研情况，该类产品应包括其他动物来源的乳。以生乳、食品工业用浓缩乳为原料，经脱脂、膜分离、浓缩、干燥或不干燥等工序制得的含有酪蛋白和乳清蛋白的产品，且蛋白质含量不低于40.0%，不高于90%的产品，工业上一般称为MPC，而蛋白含量大于等于90%的称为MPI。对于以生乳、食品工业用浓缩乳为原料，经脱脂、化学调节pH值、分离、洗脱、干燥等工序制得的，蛋白质含量不低于90%的产品，称为TMP。

根据澳大利亚乳品原料参考手册，MPC粉的生产方式有3种：酪蛋白和乳清蛋白粉混合；酪蛋白和乳清蛋白共同沉淀；脱脂乳超滤分离乳糖后并浓缩喷雾干燥。干混法制造的产品均匀性差，沉淀法制造的产品溶解性差，超滤分离法制备的产品品质最佳。超滤分离工艺是选取工艺条件较为温和的膜分离技术，基于蛋白质与乳中其它成分不同的分子量，经一系列步骤，去除大部分脂肪和乳糖，制成乳蛋白含量较高的产品。MPC蛋白质含量高，含有较高钙和较低的乳糖。蛋白含量主要是由膜过滤工艺决定，根据分离体积倍数，蛋白质的最高干基上限可达65%，需进一步通过洗滤提高蛋白浓度，生产工艺如下。

牛（羊）乳→脱脂→超滤/微滤膜分离→膜/蒸发浓缩→巴氏杀菌/UHT→喷雾干燥→MPC粉

首先，生乳预热至温度为35～40℃后用乳脂分离机进行脱脂。脱脂奶在72℃，15 s条件下巴氏杀菌，杀菌后置于超滤膜设备中进行过滤。膜过滤的条件为：温度50～55℃，进口压力和出口压力分别为170 kPa和105 kPa。适宜的浓缩CF(Concentration Factor)是关系到膜分离效率高低的关键因素；超滤后填加去离子水对截留液进行洗滤，洗滤的次数是关系到脱盐率和乳糖脱出率的关键因素。最后通过对截留物的蒸发浓缩和低温喷雾干燥获得MPC粉类产品[23]。陈建行[24]等人采用孔径10 nm的中空纤维陶瓷膜，研究确定当CF=3时，超滤分离效率最高，膜通量、累计乳糖脱除率和累计灰分脱除率均为最高；经1、2、3、4和5次洗滤，分别制得MPC56，MPC70，MPC80，MPC85和MPI的浓缩料液；喷雾干燥最佳的进口温度为130℃，MPC粉水分含量低于5%。Rathod将浓缩胶束酪蛋白与牛奶乳清分离蛋白混合溶液，以80∶20的比例制备出酪蛋白与乳清蛋白的模拟对照模型MPC[25]。

2.2 加工技术对MPC溶解性的影响

目前,MPC在应用过程中存在的一个突出的问题就是溶解度的问题：随着蛋白质、钙含量的提高,溶解度及其功能特性会随之越低，见图1。良好的溶解性是实现乳化性、凝胶性、起泡性等功能性质的先决条件，这一弊端引起了国内外学者的关注[26-28]。MPC溶解度的降低主要原因与加工条件导致的α-酪蛋白和β-酪蛋白通过磷酸钙桥、疏水和氢键等非共价键作用形成直径约50～500 nm的球状化合物导致MPC表面壳层致密性有关[29-31]。此外，还有研究表明MPC溶解度的降低与脱氢丙氨酸与其他氨基酸交联度的升高以及蛋白质和多糖在不同pH值，离子强度和温度下通过物理混合、化学交联和酶促交联等方式形成美拉德反应的复合物有关[32]。

超临界CO2挤出，可防止美拉德褐变[33]，超滤前注入CO2，喷雾干燥前进行离子交换脱钙，可减少牛奶蛋白浓缩物的钙含量[34]，会提高MPC溶解性；添加六甲磷酸钠和磷酸二钠、纳滤浓缩替代蒸发浓缩，可改变MPC中的蛋白质构型和蛋白质-蛋白质相互作用[35]，能够显著地（P<0.05）改善MPC粉末的发泡和乳化性、溶解性、黏度、热稳定性、分散性、比表面积和缓冲指数[36-37]。此外，喷雾干燥前通入高压氮气或是静态高压处理，会导致粉末颗粒结构重构，出现较高的孔隙率和空隙，促进了水分迁移，加速粉体颗粒破碎，使MPC复水性提高[38-39]。Bouvier通过挤压膨化与常规的喷雾干燥对MPC粉体的物理性能和复水性能进行研究比较，结果表明挤压成型的MPC粉末颗粒的微观结构发生了变化，支持了复水性能的显著改善[40]。

2.3 贮存稳定性的影响

MPC粉的溶解度随贮存时间和温度的增加而降低，这往往限制了其在食品工业中的应用。贮存过程中，MPC粉末表面相邻酪蛋白胶束会发生交联，增加了颗粒表面的疏水作用，使得粉末颗粒表面形成致密的壳层，从而降低了复水过程中酪蛋白胶束的释放。Jialu Cao研究表明，在一定的贮藏温度下，膜浓缩比蒸发浓缩的MPC的溶解性、黏度、浊度、粒径等复水性，可溶性蛋白质、钙、磷、镁的含量高，具有更好的储存稳定性[41]。Khalesi阐述了降低贮存温度，降低MPC中的乳糖含量，会降低MPC不溶性[42]。蛋白氧化、脂质氧化都不是MPC在储藏过程中溶解度下降的关键因素[43]。

图1中，A和B分别表示新制MPC复水10 min和80 min的表面壳层结构；C和D分别表示在20℃下储藏2个月的MPC复水10 min和80 min的表面壳层结构。

图1 MPC复水时的粉体颗粒表面形态[32]

3 MPC的应用

MPC具有优良的功能特性，被应用到各种食品中，参见表1。

表1 MPC功能性的应用

Kenneth研究了牛奶蛋白质浓度和种类对饮料风味的影响，发现蛋白质含量为10.5%的饮料感官黏度较高，香兰素风味较低，随着贮存时间的延长，各种饮料中的硫挥发物的含量均降低[44]。康志远[45]研究了MPC-70替代10%以内牛奶，酸奶的感官品质、表观黏度、乳清析出以及硬度、黏性明显提高。Li Hongbo[46]等人用玉米谷氨酰胺转胺酶(TGZ)改性MPC用来改善酸奶质构，改性后的牛奶浓缩蛋白可以达到未改性MPC浓度的1.5倍所起到的改善酸奶品质的效果。Mostafavi[47]等人研究在轻质低脂冰淇淋中使用MPC可以有效地提高其蛋白质含量，降低其热值，改善其感官品质。Ali等人研究表明MPC基食性膜可作为益生菌包装冷冻温度贮藏食品的适宜载体[48]。此外，有大量文献报到MPC与姜黄素、丹宁、维生素A、D2等功能活性物质结合，制备纳米胶囊，提高活性物质的生物利用度[49-51]。但是MPC作为壁材对芯材的保护效果与WPC相比仍存在较大的缺陷，需对芯材的包埋率、物理化学稳定性的保护和改善效果进一步提高。李翔[52]通过酶法糖基化改性乳浓缩蛋白，调控其蛋白交联密度和糖基化程度，将修饰过的MPC作为微胶囊壁材包埋不饱和脂肪酸。庄丰辰[53]通过对酪蛋白胶束进行脱钙处理探讨了在微胶囊壁材制备上的应用，阐明离子交换脱钙处理达到45%以上，才会对微胶囊壁材包埋效果有一定的作用。余韵等人以不同脱钙度的MPC为原料制备高蛋白营养棒模型体系，脱钙率为28.3%的MPC，营养棒硬度适中[54]。另有文献表明MPC在运动营养制品、婴儿配方食品、不同种类的奶酪有一定的应用[55-57]。

4 结束语

综上所述，MPC作为牛乳的浓缩蛋白制品，保留了其中各蛋白成分的功能特性和生物活性。可以作为蛋白补充剂和功能性配料添加到其他乳制品和食品中。其加工后复水性和保藏过程中溶解性降低的问题可以通过加工技术的改进得到较好的解决。未来应该在MPC的生物利用和通过加工技术改进提高产品目标功能性方面以及相关标准制定方面做进一步研究，为我国MPC的产业化生产提供可行路径。