微波處理對乳清蛋白凝膠影響的探討

文/邢紹平（黑龍江省完達山乳業股份有限公司）

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微波處理對乳清蛋白凝膠影響的探討

文/邢紹平
（黑龍江省完達山乳業股份有限公司）

摘 要：乳清蛋白是生產干酪過程中的一種副產品，被廣泛用于食品中。由于乳清蛋白有良好的凝膠特性，因此凝膠制備工藝被廣泛研究。以WPC-80乳清分離蛋白粉為研究對象，研究了不同蛋白濃度、pH值、微波功率、微波溫度、微波時間對WPC-80蛋白凝膠特性的影響，為嬰幼兒配方乳粉生產企業前處理工藝參數的確定提供參考。

關鍵詞：微波；乳清蛋白；凝膠

乳清蛋白由于優良的理化功能特性受到了廣泛的關注。在適當條件下制備的乳清蛋白膠體，具有類似脂肪的柔滑特性和口感，與傳統熱變性蛋白具有顯著不同，能夠作為代脂品用于低脂產品的生產中［1］。

由于乳清蛋白具有良好的凝膠特性，因此凝膠制備工藝被廣泛研究。傳統的蛋白凝膠方法主要通過熱處理或酶解手段來完成。乳清蛋白凝膠的形成主要受乳清蛋白濃度［2］、加熱溫度、加熱時間、pH值［3］、離子強度［4］等因素的影響。熱處理和酶解能夠非常有效地改變乳清蛋白的各種特性和結構，其中熱處理能夠改變乳清蛋白的凝膠溫度、起泡性以及溶解性；而對乳清蛋白進行酶解，可以顯著改善乳清蛋白在酸性飲料中的熱凝膠特性、熱穩定性以及穩定性。除此之外，酶解還會使乳清蛋白具有一定的生物活性。目前微波對乳清蛋白凝膠特性影響的相關研究相對比較空白。

本試驗以微波時間、功率、溫度為變量，研究了對乳清蛋白凝膠持水力和質構特性的影響，為進一步利用乳清蛋白凝膠提供理論依據，同時也為嬰幼兒配方乳粉生產提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料和主要儀器

1.1.1 原料

WPC-80乳清分離蛋白粉。

1.1.2 主要試劑

1 mol/L的HCl和NaOH溶液：用于調節WPC-80蛋白溶液的pH值；蒸餾水：用于充分溶解WPC-80乳清分離蛋白粉。

1.1.3 儀器和設備

質構儀、電子天平、pH計、溫度計、微波爐、離心機、保溫箱、水浴鍋、燒杯、玻璃棒。

1.2 試驗方法

1.2.1 乳清蛋白凝膠最佳形成條件的確定

首先是乳清蛋白凝膠的制備階段，向不同質量的WPC-80乳清分離蛋白粉中加入一定量的蒸餾水，配成不同濃度的WPC-80溶液；然后在80 ℃水浴鍋中加熱30 min，確保WPC-80溶液成為凝膠狀態。通過改變乳清蛋白溶液的濃度和pH值，并測定凝膠的硬度和彈性來確定凝膠的最佳形成條件。

（1）蛋白濃度對乳清蛋白凝膠特性的影響

分別準確稱量不同質量的WPC-80乳清分離蛋白粉，加入一定量的蒸餾水，將蛋白濃度調節為10%、12%、14%、16%、18%，然后在80 ℃下水浴30 min，對凝膠的質構特性進行測定。

（2）pH值對乳清蛋白凝膠特性的影響

利用1 mol/L的HCl或NaOH溶液將WPC-80蛋白凝膠的pH值分別調至6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5，然后80 ℃下水浴加熱30 min，測定凝膠的質構特性。

以上試驗是從WPC-80蛋白濃度和pH值2 個因素探索蛋白凝膠的最佳形成條件。在確定最佳形成條件之后，再通過改變微波參數，探討微波對WPC-80蛋白凝膠形成的影響。

1.2.2 微波條件對凝膠特性的影響

微波爐處理WPC-80蛋白凝膠的工藝參數如表1所示。取出經微波爐處理的凝膠，放入恒溫箱保存，搖勻后迅速測定凝膠的失水率和質構特性。

1.2.3 測定失水率

取出一定量的凝膠進行稱量，質量記作m1，放入離心管中，離心管總質量記作m，離心除去表面的水分之后再進行稱量，離心管總質量記作m2，則失水率的計算公式為：W=（m-m2）/m1×100%。

將5 g左右凝膠放入離心管中，5 000 r/min離心20 min，除去水分，每個樣品平行測定3 次，取平均值。

1.2.4 測定質構特性

質構特性主要包括彈性和硬度2 個因素，利用質構儀對WPC-80蛋白凝膠的這些特性進行了研究，測定乳清分離蛋白凝膠的質構參數［5］。

將WPC-80蛋白凝膠于室溫下放置0.5 h后進行測定。質構儀采用P 0.5圓柱探頭，前進、測定、后撤速度均設置為1.0 mm/s。重復測定3 次，取平均值，每次測試時質構儀移動2 次。WPC-80蛋白凝膠的尺寸為：高度約30 mm，直徑約50 mm。

表1　微波爐處理WPC-80蛋白凝膠的工藝參數

2 結果與討論

2.1 確定最佳乳清蛋白濃度及pH值

WPC-80乳清分離蛋白粉中大部分蛋白質的pH值在4.5～5.5之間。在加工過程中，蛋白質會產生一定的變性，分子結構從盤卷狀態展開，疏水性基團被暴露到分子表面，適宜pH值作用下蛋白質分子能接近到足夠近的距離，有利于分子間發生疏水性鍵交聯，進而形成凝膠［6］。

乳清蛋白濃度和pH值對形成凝膠的質構參數有比較重要的影響［7］，硬度和彈性可以作為凝膠質構性質的主要指標。硬度值與凝膠膠體結構的致密程度有關，是反映凝膠表面抗力程度的主要指標；彈性值與凝膠網絡結構的相互連接程度有關，反映的是凝膠局部抗形變的能力。因此，可以將凝膠的彈性和硬度結合起來作為衡量凝膠質量的指標。

通過對不同濃度、不同pH值條件下形成的凝膠進行硬度及彈性測試，綜合比較測試結果，確定最佳WPC-80蛋白濃度為18%，最佳pH值為7，選取以該濃度及pH值制備的凝膠進行微波影響性試驗。

2.2 微波條件對乳清蛋白凝膠特性的影響采用單因素試驗研究微波對乳清蛋白持水能力、彈性和硬度為主的質構特性的影響，即通過改變微波的功率、溫度和時間3 個單因素，來得到乳清蛋白形成凝膠的最佳微波參數。

2.2.1 微波功率對乳清蛋白凝膠特性的影響

使用不同微波功率（100、300、500、700、900 W）處理WPC-80蛋白凝膠，測得的數據如表2所示。從表2可知，隨著微波功率增大，乳清蛋白凝膠的失水率持續降低。從圖1和2可以看出，乳清蛋白凝膠的質構特性（彈性及硬度），隨微波功率的增大而提高；在微波功率達到500 W時，質構特性（彈性及硬度）開始降低。這主要是因為溫和的加熱（100～300 W）對乳清蛋白結構和溶解度的影響是可逆的，主要是通過多肽鏈間二硫鍵交聯作用；功率加大到500 W以上時，分子間發生疏水性鍵交聯作用加強，功率繼續增大，蛋白質變性（即肽鏈的伸展過程）絕大多數為不可逆的變化，但仍有一小部分是可逆變化，凝結過程大多數伴隨著肽鏈的不可逆伸展。

2.2.2 微波溫度對乳清蛋白凝膠特性的影響

使用不同微波溫度（20、40、60、80、100 ℃）處理WPC-80蛋白凝膠，測得的數據如表3所示。從表3可知，隨著微波溫度的升高，乳清蛋白凝膠的失水率持續降低。從圖3和4可以看出，微波溫度在60～70 ℃之間時乳清蛋白凝膠的彈性達到最大。溫度影響的是蛋白質變性，一般蛋白質變性的溫度在60～80 ℃之間，從試驗數據來看，這個溫度范圍是乳清蛋白凝膠彈性及硬度特性表現比較良好的曲線范圍。因此微波溫度在蛋白質變性范圍內時，形成凝膠的彈性及硬度較好，在這個范圍以外時，凝膠的硬度和彈性較差。

2.2.3 微波時間對乳清蛋白凝膠特性的影響

使用不同微波時間（30、60、90、120、150 s）處理WPC-80蛋白凝膠，測得的數據如表4所示。從表4可知，隨著微波時間的延長，乳清蛋白凝膠的失水率持續降低。從圖5和6可以看出，微波時間超過60 s后，凝膠表現出更大的脆性和較高的硬度，黏度和內聚性都降低。

表2　微波功率對乳清蛋白失水率的影響

圖1　微波功率對乳清蛋白彈性的影響

圖2　微波功率對乳清蛋白硬度的影響

3 結論

本文研究了在適宜的乳清蛋白濃度和pH值條件下，微波因素對WPC-80蛋白凝膠形成的影響。根據文獻和試驗得到的最佳凝膠條件為：WPC-80蛋白濃度18%，pH值中性，微波溫度60 ℃，微波功率500 W，作用時間60 s，此時形成WPC-80蛋白凝膠的質構特性最佳。

乳清蛋白在65 ℃以上會發生不可逆的變性，溫度升高、蛋白質濃度增大都會促進蛋白質的聚集。在這個過程中，加入微波協同作用，能使乳清蛋白凝聚過程發生較好的變化。

因此，在嬰幼兒配方乳粉生產過程中，要盡量減少較高濃度乳清蛋白在65 ℃以上溫度區域的處理時間；在WPC-80濃縮乳清蛋白參與混料時，盡量在偏堿性條件下進行，避免在嬰幼兒配方乳粉生產過程中料液黏度增大，進而影響混料后的蒸發及干燥工序。

表3　微波溫度對乳清蛋白失水性的影響

圖3　微波溫度對乳清蛋白彈性的影響

圖4　微波溫度對乳清蛋白硬度的影響

表4　微波時間對乳清蛋白失水性的影響

參考文獻

［1］ 李玉美，盧蓉蓉，許時嬰. 蛋白質為基質的脂肪替代品研究現狀及其應用. 中國乳品工業，2005，33（8）：34-37.

［2］ 連喜軍，魯曉翔，李香蘭，等. 乳清蛋白凝膠條件的研究. 乳業科學與技術，2007（1）：9-11.

［3］ 谷俊男，毛學英，任發政，等. 不同因素對酶誘導乳清蛋白凝膠性質的影響. 中國奶業協會2009年會論文集，2009.

［4］ 王巖，王存堂，蔣繼豐，等. 離子強度和溫度對乳清蛋白凝膠的影響. 食品科學，2010，31（1）：123-126.

［5］ 陳沖，于國萍. 不同因素對乳清蛋白乳化凝膠特性的影響. 食品工業科技，2011，32 （11）：127-130.

［6］ 南海函，鄭建仙. 乳清蛋白凝膠及其影響因素的機理研究. 廣西輕工業，2001（4）：22-25.

［7］ 徐靜波. 酪蛋白巨肽影響乳清蛋白功能性質研究：［碩士論文］. 杭州：浙江工業大學，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

作者簡介：

邢紹平（1983-），男，食品工程師，主要從事乳品生產、工藝管理方面工作。

圖5　微波時間對乳清蛋白彈性的影響

圖6　微波時間對乳清蛋白硬度的影響

收稿日期：（2016-02-19）