濃縮乳蛋白的脫鈣處理對高蛋白營養棒質構的影響

余韻，劉大松，周鵬

(江南大學，食品科學與技術國家重點實驗室，食品安全與質量控制協同創新中心，江蘇 無錫，214122)

高蛋白營養棒(high protein nutrition bar, HPNB)是一種蛋白含量高達15%～50%，水分活度介于0.5～0.8的中間水分食品，其商業配方主要包括蛋白質、糖類及脂肪，一些小分子多羥基化合物如山梨醇、甘油等也會加入其中以控制水分活度，同時起到增塑劑和保濕劑的作用[1]。HPNB應用廣泛，但其在儲藏過程中發生的理化性質變化極大限制了它的貨架期，其中質地劣變最顯著。HPNB在儲藏后期的質地劣變主要是由蛋白質的自聚集、美拉德反應或相分離所導致，而小分子遷移則是引起儲藏前期質地劣變的主要誘因[2-4]。在儲藏初期，由于體系中的蛋白相與小分子相間未達到熱力學平衡狀態，小分子相中的水、增塑劑等將向蛋白相遷移以使體系變得均勻，而這一遷移則會引起體系微觀結構的變化，直接表現為體系的質地變化[5-6]。HPNB中的小分子遷移與蛋白配料的水合性質直接相關，而蛋白配料的水合性質又受蛋白分子結構等的影響。

不同種類的蛋白質由于其分子的親水性不同使得其水合性質存在差別。HPNB的蛋白質來源主要為乳蛋白如乳清分離蛋白(whey protein isolate, WPI)和酪蛋白酸鈉(sodium caseinate, NaCN)以及大豆分離蛋白(soyproteinisolate,SPI)，其中乳清蛋白的溶解性最好，以其為原料制備的HPNB質地最為均勻柔軟[7-8]。濃縮乳蛋白(milk protein concentrate,MPC)作為一種廣泛應用于酸奶、冰淇淋、奶酪等乳制品中的新型乳配料，其在高蛋白營養棒中的應用較為少見，主要是由于其溶解性較差，尤其是經儲藏后，其溶解性更是顯著降低。HOGAN等的研究顯示，在以MPC為原料制備HPNB模型體系的過程中，MPC與小分子相混合后，蛋白顆粒無法完全坍塌溶解，使得難以形成均勻體系，其內聚性較差[9]。MPC溶解性較差主要是由于Ca2+會通過離子鍵介導蛋白和酪蛋白膠束間的非共價聚集，使得MPC表面殼層結構變得致密，從而遏制溶解過程中顆粒的潤濕、分散、溶解等步驟，導致其溶解性下降，已有研究表明，通過對MPC進行脫鈣處理，可以抑制膠束間的交聯，從而提高MPC的溶解性和儲藏穩定性[10-11]。然而，將脫鈣MPC作為蛋白原料用于HPNB中的研究還較少見，其是否能改善HPNB的質地還有待研究。

本論文通過離子交換制備了一系列不同脫鈣率的MPC，以其為蛋白原料制備HPNB模型體系，并將其置于25 ℃下儲藏0～14 d，分別通過低場核磁(low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR)、激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡、全質構分析(texture profile analysis, TPA)等方法探究不同脫鈣率MPC對HPNB模型體系小分子遷移、微觀結構和質構的影響，以拓展濃縮乳蛋白在高蛋白營養棒領域的應用。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

超濾系統，三達膜科技(廈門) 有限公司；Spectr AA 220 原子吸收光譜分析儀，美國Varian公司；B-290噴霧干燥器，瑞士BUCHI公司；S3500激光粒度分析儀，美國Microtrac公司；TM-3030掃描電鏡，日本Hitachi高科技公司；Heraeus Multifuge XIR冷凍離心機，美國Thermo Fisher Scientific公司；LSM-710激光共聚焦顯微鏡，德國Carl Zeiss公司；MesoMR23-060V-I低場核磁共振成像儀，蘇州紐邁分析儀器股份有限公司； TA-XT-plus質構分析儀，英國Stable Micro System公司。

1.2 實驗材料

巴氏殺菌脫脂乳，上海光明集團；羅門哈斯Amberlite SR1L Na樹脂，美國Dow’s化學品公司；濃HNO3、濃HCl、HCLO4、氧化鑭、疊氮化鈉，丙三醇(甘油)、山梨醇，中國國藥集團化學試劑有限公司；異硫氰酸熒光素(fluorescein isothiocyanate, FITC)，美國Sigma-Aldrich公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 脫鈣MPC的制備及脫鈣率測定

以光明優倍脫脂乳為原料，選用10 kDa截留分子質量的聚醚砜超濾膜進行超濾，待脫脂乳濃縮3倍后，進行洗濾(超濾截留液中補加去離子水至原脫脂乳體積后再次超濾)，重復洗濾步驟3次，最終將樣品濃縮3倍，在獲得的截留液中補加0.2 g/L(質量分數)疊氮化鈉以抑制微生物生長。參考徐雨婷的脫鈣方法及實驗結果，根據樹脂交換容量和截留液中的鈣含量，預設理論脫鈣率為0%、10%、30%、45%、60%，在截留液中分別加入0%、1.5%、3%、5%、8%(質量分數)的離子交換樹脂，在1 300 r/min轉速及室溫下離子交換3 h得到不同脫鈣率的截留液[12]。調節進出口溫度分別為135、75 ℃，氣體流量為36 mm， 泵流速為30%對脫鈣截留液進行噴霧干燥，得到不同脫鈣率的MPC。將所得MPC分裝于鋁箔袋中，儲藏于4 ℃下備用。

取0.15 g備用MPC粉末樣品，在其中加入20 mL濃HNO3及5 mL HClO4，高溫消化至剩余2～3 mL液體后，用超純水定容至50 mL。取5 mL定容樣品，在其中加入1 mL鑭溶液(50 g/L)，用超純水定容至50 mL。稀釋后樣品用原子吸收光譜分析儀測定其鈣含量。

1.3.2 脫鈣MPC的微觀結構及溶解性表征

采用掃描電鏡觀察不同脫鈣MPC的表面微觀結構。取少量樣品粉末置于導電膠上，用洗耳球吹去未黏附的粉末后對其進行噴金，在15 kV加速電壓下觀察并拍照。用激光粒度分析儀測定樣品粉末的粒徑，在干法模式下測定，顆粒形狀設置為“irregular”。

參考HAVEA的方法，稱取0.75 g MPC樣品，在其中加入15 mL去離子水，在25 ℃下攪拌溶解30 min，取5 mL溶解液直接置于干燥皿中，另取5 mL溶解液在700×g下離心10 min，將離心上清液轉移至干燥皿中，105 ℃下烘干18 h，所得上清液固形物含量占溶解液固形物含量的百分比即為樣品粉末的溶解度[13]。

脫鈣MPC的溶解粒徑參考LIU等的方法，采用S3500激光粒度分析儀分別對溶解0和30 min的MPC溶解液進行溶解粒徑測定，其中水及蛋白顆粒的折射率分別為1.33和1.57[14]。測試模式為濕法，測量0.02～2 000 μm，顆粒形狀為“irregular”。脫鈣MPC的溶解液中顆粒的微觀結構采用激光共聚焦顯微鏡進行觀察，方法參照MCKENNA的方法并做適當調整[15]。制備2.5 g/L的FITC/乙醇儲備液，采用超純水將其稀釋50倍，取0.75 g MPC，用15 mL該稀釋液溶解，分別在溶解0和30 min時取樣，激發波長488 nm，發射波長510 nm，20倍物鏡下觀察。

1.3.3 HPNB模型體系的制備

HPNB模型體系的制備參考張靚的方法并做一定調整[16]。模型體系配方(質量分數)為37.0% MPC，28.6%山梨醇，20.0%甘油和14.3%水。將山梨醇、甘油、水先按質量比(10∶7∶5)混合為均勻溶液，在其中加入MPC后混合5 min，使其完全混合均勻，將所得蛋白團揉搓為圓球狀，每個圓球1.5 g，直徑約為15 mm。將小球置于聚苯乙烯小分裝盒中，蓋好蓋子后用封口膜密封。將小分裝盒置于水分活度密閉容器中于25 ℃ 下儲藏，根據預實驗中HPNB模型體系儲藏期間質構變化情況，確定儲藏時間為0～14 d，取樣時間點分別為0、3、7、14 d。

1.3.4 橫向弛豫時間(T2)的測定

采用MesoMR23-060V-I低場核磁共振成像儀測定HPNB模型體系的橫向弛豫時間。該儀器的1H振動頻率為21.3 MHz。將1.3.3中制備的樣品體系用聚四氟乙烯膜包好以防止測試過程中的水分蒸發，樣品準確稱重，用于結果的標準化。將其置于 25 mm核磁管中，并置于射頻線圈中心位置，選用硬脈沖序列進行校準獲得中心頻率后，選用多脈沖回波序列(CPMG)進行掃描測定，其中回波個數為1 000，重復掃描次數為8次，所有樣品在25 ℃下測試，每個樣品重復2遍。測試完畢后軟件根據“連續分布指數模型”對獲得的回波衰減曲線進行反演，得到T2分布圖。

1.3.5 微觀結構的觀察

HPNB模型體系的微觀結構用激光共聚焦顯微鏡進行觀察。激光共聚焦顯微鏡的觀察參考JONG等的方法并作調整[17]。配制3.2 mg/mL的FITC/乙醇染色液，將36 μL染色液與1.5 g樣品體系混合均勻后，取0.05 g混合物于載玻片上，蓋上蓋玻片，用AB膠封邊防止水分蒸發。將樣品載玻片裝在鋁箔袋中避光。將樣品置于25 ℃下儲藏0～14 d，分別于0、3、7、14 d取樣，激發波長488 nm，發射波長510 nm，40倍物鏡下觀察。

1.3.6 質構的測定

HPNB模型體系的質構采用全質構分析(TPA)方法測定。選用直徑為35 mm的圓柱探頭(P35)進行2次下壓，下壓速度為1 mm/s，觸發力5 g，下壓比為50%[18]。樣品硬度以下壓過程中獲得的最大應力來表征，破碎力以第1次下壓樣品破碎時對應的應力來表征，內聚性以第2次下壓峰面積占第1次下壓峰面積的百分比來表征。同時對樣品下壓前及下壓后的外觀形態進行拍照，每個樣品重復測定3次。

1.3.7 統計分析

采用SPSS Statistics 20.0軟件對數據進行單因素方差分析，檢驗組間顯著性差異，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 脫鈣MPC的微觀結構及溶解性

圖1為不同脫鈣率MPC的微觀結構圖，由圖1可以看出，不同脫鈣率MPC的微觀結構沒有明顯差異，均為表面光滑，略帶褶皺的圓球形。

圖1 脫鈣MPC的微觀結構圖Fig.1 Microstructures of decalcified MPC

由表1可以發現，顆粒平均粒徑大小隨脫鈣率升高略有減小，但幅度較小，均處于20～22 μm。對于新鮮脫鈣MPC，其脫鈣率越高，溶解性越好，當脫鈣率>28.3%時，其溶解性差異不大，均>98%，這是因為當脫鈣率>27%時，MPC中大部分酪蛋白膠束均已完全解離，轉變為非膠束態，減少了Ca2+介導的蛋白間的交聯，從而使其溶解性提高[8]；由圖2也可以看出，在相同溶解時間內，隨脫鈣率升高，蛋白顆粒粒徑分布向小粒徑方向偏移，溶解液中蛋白顆粒越來越不明顯，其中未脫鈣MPC在0～30 min均能看到明顯完整的蛋白顆粒，脫鈣率為18.9%的樣品在溶解30 min 后完整蛋白顆粒不明顯，脫鈣率為28.3%的樣品在溶解30 min后基本看不到顆粒，說明顆粒完全溶解；而脫鈣率>39.6%的樣品則能在一開始便迅速溶解，說明MPC的溶解性隨著脫鈣率的升高而提高。

表1 脫鈣MPC的平均粒徑及溶解性Table 1 Mean particle size and solubility of decalcified MPC

注：同一行中小寫字母不同代表對應的數據之間差異顯著(P<0.05)。

2.2 HPNB模型體系的小分子遷移

LF-NMR可用于檢測樣品中氫質子在周圍化學環境中的分布情況，所得的橫向弛豫時間(T2)越小，說明氫質子所受環境束縛越大，自由度越小，也就表明這一部分質子與周圍大分子環境結合越緊密，其流動性越弱[19-20]。由于HPNB是一個多相不均勻體系，其中T2分布圖常常呈現出多個峰，表明了小分子在體系中的不同分布，儲藏過程中T2的變化可以反映出體系中的小分子在不同相間的遷移情況，這一小分子遷移使得體系增塑能力降低，又是導致HPNB在儲藏初期微觀結構和質地變化的重要原因[21]。圖2和圖3為以不同脫鈣率MPC為原料制備的HPNB模型體系在新制備及25 ℃下儲藏0～14 d的T2分布變化圖，其中第0天數據為新制備樣品在25 ℃下平衡2 h 后測定得到。從中可以發現小分子主要以2種形式存在，其中在0.1～10 ms的主峰T21表示與蛋白質相結合的小分子相中的氫質子，而在10～100 ms的小峰T22則表示處于蛋白相間的游離小分子相中的氫質子[3,8]。未脫鈣和脫鈣18.9%的模型體系在新制備時其峰分布較寬，尤其是未脫鈣樣品，表明模型體系不均勻，在平衡2 h后，二者T21峰寬均變窄，說明平衡過程中小分子相和蛋白相間發生融合，使體系慢慢變得均勻；而對于脫鈣率>28.3%的樣品體系，在新制備好時體系即表現出較為均勻的狀態，說明蛋白相與小分子相能快速融合，且隨著脫鈣率升高，T21主峰越來越窄，說明體系隨脫鈣率增加而更均勻。在平衡時間內，脫鈣率<28.3%的樣品體系的T21和T22峰均向左偏移，其值逐漸減小，說明體系中的小分子相一直在向蛋白相遷移；而脫鈣率>39.6%的樣品體系在制備60 min后，體系即基本達到平衡。對于所有儲藏樣品體系，其T21值在0～7 d均較穩定，在儲藏14 d后有所減小，而T22值則隨儲藏時間延長而減小，說明在儲藏過程中，游離小分子相不斷向蛋白相遷移，使得體系流動性降低，且隨著脫鈣率升高，其值越小，說明脫鈣率越高，小分子相與蛋白相結合越緊密(表2)。對于脫鈣率28.3%、39.6%、51.0%的樣品體系，其T2分布差異較小，這可能是由于這3種脫鈣率MPC的溶解性差異不大，使得蛋白相與小分子相結合程度差異較小。隨脫鈣率升高，體系在儲藏過程中小分子分布變化較小，體系更均一穩定，從而有利于保持質構和提高儲藏穩定性。

圖2 不同脫鈣率MPC溶解0和30 min的粒徑分布和微觀結構圖Fig.2 Particle size distributions and microstructures of decalcified MPC at 0 and 30 min of rehydration

圖3 不同脫鈣率HPNB模型體系新制備及儲藏0～14 d T2分布圖Fig.3 Changes in T2 distribution spectra of HPNB model systems formulated with decalcified MPC during 0-14 d storage

表2 不同脫鈣率HPNB模型體系平衡2 h及0～14 d儲藏時間內T2弛豫時間常數Table 2 Changes of the T2 peak time of HPNB model systems formulated with decalcified MPC during 2 h equilibration time and 0-14 d storage

注：同一參數同一列中不同小寫字母代表對應的數據之間差異顯著(P<0.05)。

2.3 HPNB模型體系的微觀結構

HPNB模型體系制備過程中蛋白顆粒與小分子相混合的過程也是蛋白顆粒水合的過程，由于不同脫鈣率MPC溶解性不同，其體系中小分子遷移速度和程度不同，使得HPNB體系的微觀結構存在差異。圖4為以不同脫鈣率新鮮MPC為原料制備的HPNB模型體系在25 ℃下儲藏0～14 d的微觀結構變化圖。

圖4 不同脫鈣率HPNB模型體系在儲藏0～14 d的微觀結構圖Fig.4 Microstructure changes of HPNB model systems formulated with decalcified MPC during 0-14 d storage

其中，圖4中半透明、邊緣較暗的不規則區塊為部分水合的結構完整的蛋白顆粒聚集體，而綠色熒光較強且均勻的部分為溶解了的蛋白質與水、甘油、山梨醇這些小分子共同組成的連續相[22]。未脫鈣樣品和脫鈣率18.9%的樣品體系隨著儲藏時間延長，蛋白顆粒越來越明顯，而這一現象在未脫鈣樣品中更為顯著。在第0天時，脫鈣率較低的這2種樣品體系中還可以看到典型圓球形帶褶皺的蛋白顆粒輪廓，但由于此時溶解了部分蛋白顆粒的小分子相充滿了蛋白顆粒的間隙，使得蛋白顆粒形狀被掩蓋而不明顯；隨著儲藏時間延長，間隙中的小分子相向蛋白相遷移，一部分蛋白溶解變成蛋白碎片，而一些不溶解的蛋白顆粒由于吸收小分子相中的水和甘油而溶脹變大，使得顆粒越來越明顯。對于脫鈣率為28.3%的樣品體系，在儲藏時間內，體系較為均勻，僅存在少許蛋白顆粒；而對于脫鈣率為39.6%和51.0%的樣品體系，在儲藏時間內其體系均表現為均勻的連續相，說明其中蛋白顆粒完全與小分子相融合，不存在未溶解的蛋白顆粒。

2.4 HPNB模型體系的質構分析

HPNB在儲藏過程中的質地劣變是影響其消費者接受度和貨架期的最重要的因素[23]。圖5為不同脫鈣率HPNB模型體系在儲藏0～14 d的TPA結果。

圖5 不同脫鈣率HPNB模型體系在儲藏0～14 d的TPA圖Fig.5 Changes in TPA profiles of HPNB model systems formulated with decalcified MPC during 0-14 d storage

由圖5可以發現，在相同儲藏時間內，脫鈣率越高的樣品體系硬度越大，所有樣品體系硬度均隨著儲藏時間延長而增加，其中脫鈣率為39.6%和51.0%的樣品體系硬度始終相接近。對于未脫鈣和脫鈣率為18.9% 的模型體系，其內聚性隨著儲藏時間的延長而下降，在實驗下壓過程中體系易發生碎裂；而對于脫鈣率>28.3%的模型體系，其內聚性均隨儲藏時間延長而有所增加，其中脫鈣率為28.3%的模型體系在儲藏0～3 d時，體系在下壓過程中發生碎裂，而在儲藏7 d后，體系在下壓時不發生碎裂，而脫鈣率>39.6%的樣品，體系在0～14 d內聚性均較好，在下壓過程中始終能保持結構完整而不發生碎裂(表3、圖6)。

表3 不同脫鈣率HPNB模型體系在儲藏0～14 d硬度、內聚性及破碎力的變化Table 3 Hardness, cohesiveness and fracturability changes of HPNB model systems formulated with decalcified MPC during 0-14 d storage

注：同一參數同一列中小寫字母不同代表對應的數據之間差異顯著(P<0.05)；“—”代表樣品不發生破碎。

如2.2中結果所述，由于在儲藏期間小分子向蛋白相遷移，使得體系流動性和增塑性降低，從而導致硬度增大。對于脫鈣率<18.9%的模型體系，由于其中存在較多的未溶解的蛋白顆粒，隨著蛋白顆粒與小分子相融合，蛋白顆粒溶脹變大，蛋白聚集體間堆積更為緊密，這可能也是導致體系變硬的原因之一。隨著脫鈣率升高，MPC中的酪蛋白膠束解離程度越大，使得膠束內部疏水基團暴露更多，隨著儲藏時間延長，蛋白間發生相互作用交聯的可能性更大，使得體系硬度更大[24]。HOGAN等選用酪蛋白酸鈉、酪蛋白

圖6 不同脫鈣率HPNB模型體系在儲藏0 d和14 d時下壓前后外觀圖Fig.6 Visual appearance before and after compression of HPNB model systems formulated with decalcified MPC at 0 and 14 d storage

膠束、濃縮乳清蛋白、水解乳清蛋白等蛋白原料制備蛋白棒，發現酪蛋白酸鈉體系硬度最大而酪蛋白膠束體系則最柔軟，即當酪蛋白以非膠束形式存在時，以其為原料制備的蛋白棒硬度較大[7]。在未脫鈣和脫鈣率為18.9%模型體系中，由于小分子遷移，使得蛋白顆粒間存在的小分子相減少，空隙變多變大，從而使得模型體系更為松散易碎，內聚性較差；而脫鈣>28.3%的模型體系由于其在儲藏過程中始終為連續均一相，且在儲藏過程中蛋白間進一步發生作用交聯，從而使得體系呈現出很好的內聚性。當脫鈣率<18.9%時，所得模型體系不連續均一且在儲藏過程中不穩定，結構松散易碎，不利于產品的儲藏和運輸；當脫鈣率>39.6%時，樣品體系內聚性有極大的改善，但硬度較高且鈣含量較低，不易被消費者接受；脫鈣率為28.3%的樣品體系在儲藏過程中始終保持均一穩定，且其硬度適中，內聚性好并保留有較多的鈣成分，可同時滿足運輸、儲藏及消費者的需求[25]。

3 結論

以脫鈣率分別為0.0%、18.9%、28.3%、39.6%、51.0%的MPC為蛋白原料，與山梨醇、甘油、水混合制備HPNB模型體系，探究不同脫鈣率MPC對高蛋白營養棒體系小分子遷移、微觀結構及質構的影響。MPC溶解性隨著脫鈣率增加而提高，當脫鈣率>于28.3%時，其溶解性均高于98%。在蛋白棒模型體系中，脫鈣率越高，小分子遷移的速度越快，小分子與蛋白相間結合越緊密，體系越容易達到均一穩定狀態；對于脫鈣率>28.3%的模型體系，在儲藏7 d后體系間小分子的狀態分布差異不大。對于未脫鈣和脫鈣率為18.9%的模型體系，體系中未溶解的蛋白顆粒隨儲藏時間延長而越來越明顯，而脫鈣率為28.3%的模型體系只看到少量的蛋白顆粒，脫鈣率>39.6%的體系則在儲藏過程中始終為均一的連續相。對于所有HPNB模型體系，其硬度均隨儲藏時間延長而增加，脫鈣率越高，體系硬度越大，但內聚性越好，體系在下壓過程中越不容易碎而保持完整的結構。綜上所述，以脫鈣率為28.3%的MPC為蛋白原料制備HPNB模型體系，其體系均一穩定，硬度能滿足儲藏要求，內聚性得到極大改善，同時也可較多地保留MPC中的鈣成分。研究為拓展濃縮乳蛋白在高蛋白營養棒領域的應用提供了理論基礎。