乳脂肪球膜制備方法及其乳化特性的研究進展

王吉棟,鄭遠榮,劉振民*,徐蘊桃,黨慧杰

1(光明乳業股份有限公司乳業研究院,乳業生物技術國家重點實驗室,上海乳業生物工程技術研究中心,上海,200436) 2(上海海洋大學 食品學院,上海,201306)

乳脂肪球膜(milk fat globule membrane,MFGM)是包被乳脂肪球的復雜膜結構,因為MFGM的存在,使乳脂肪球具有一定的穩定性[1]。MFGM厚度為10～50 nm[2],為3層膜結構,由內單層膜和外磷脂雙分子層構成。內單層膜來源于內質網和泌乳細胞細胞質,外膜磷脂雙分子層來源于乳腺上皮細胞的頂端質膜[3],具有一定流動性。黃嘌呤氧化還原酶(xanthinedehydrogenase,XDH)、脂肪分化蛋白質(adipophilin,ADPH)等與膜結構密切相關的整合蛋白鑲嵌于膜內,乳凝集素(lactadherin,PAS6/7)、分化抗原簇(cluster of differentiation 36,CD36)等與膜結合較弱的外周蛋白突出于膜外[4],磷脂在膜表面不均勻分布,圖1為MFGM結構示意圖。MFGM主要成分為蛋白質和脂質,占其干重的90%以上。其中MFGM蛋白質含量占MFGM總量的25%～60%,占總乳蛋白1%～4%,脂質多為極性脂質,也含有部分中性脂質如甘油三酯、膽固醇等[5]。

圖1 MFGM結構示意圖[1]Fig.1 Schematic illustration of milk fat globule membrane structure[1]

隨著對MFGM的研究不斷深入,發現其在抗炎癥反應、抑制病毒、抗癌及促進嬰幼兒大腦發育等方面具有獨特的營養功能[6]。并且MFGM具有親水親油性,是一種性能良好的天然乳化劑,其優越的乳化特性也逐漸引起人們的關注。近年來為了更好地利用MFGM的功能特性,其制備方法逐漸成為研究熱點。常用的MFGM制備方法有離心濃縮法和膜過濾法,通過對這2種方法進行工藝改進,可以提高MFGM的得率和純度。本文根據目前的研究進展,對工業規模生產MFGM原料來源、分離方法及其乳化特性進行了綜述,以期為進一步的加工利用提供參考。

1 工業規模生產MFGM原料來源

黃油和干酪加工過程中產生的副產物富含MFGM成分,但這些副產物經濟價值較低,進行二次加工將大大提高其工業附加值,減少資源浪費和環境污染。

在黃油生產過程中,完整的乳脂肪球被破壞,大量MFGM碎片進入酪乳、黃油乳清等副產物中[2]。通過對黃油工業生產過程中,不同工藝處理階段得到的酪乳、黃油乳清等物質進行蛋白質組學分析,發現黃油乳清中MFGM蛋白質種類最多,且MFGM最主要的蛋白質如XDH、嗜乳脂蛋白(butyrophilin,BTN)等含量極高[7]。而干酪加工過程中排出的乳清則富含MFGM脂質,干酪乳清一般用于分離乳清蛋白和濃縮乳清蛋白的商業生產,MFGM脂質在此過程中作為副產物被丟棄。ZHU等[8]以干酪乳清為原料萃取MFGM中的脂質,萃取物中磷脂含量為31%,其中鞘磷脂含量最為豐富,占總磷脂含量的33%左右。大量研究表明干酪乳清是制備MFGM極性脂質的極好來源,但到目前為止,尚未見有對干酪乳清中MFGM蛋白質定性定量的研究。

2 MFGM的制備方法

在原料乳的加工過程中,均質和熱處理都會對MFGM成分和結構造成影響[9]。尤其是熱處理,對MFGM蛋白質影響較大。在加熱過程中酪蛋白會與MFGM蛋白發生交聯反應,乳清蛋白會以巰基-二硫鍵的形式與MFGM蛋白結合,造成MFGM上蛋白質的負載量隨著時間和溫度的增加而增加[10],導致MFGM成分發生改變,從而對功能造成一定影響。MFGM成分具有乳化和有益健康的特性,促進了其作為功能性食品成分的應用研究,目前成功制備的MFGM已經應用于嬰幼兒配方乳粉中,顯著提高了24周嬰幼兒的認知能力,縮小了配方乳粉喂養與母乳喂養嬰兒在身體健康方面的差距[11]。制備MFGM主要有離心濃縮、膜過濾以及超臨界萃取等方法。由于超臨界萃取主要針對MFGM極性脂質的分離,并且建立在膜過濾基礎之上,所以本文主要對離心濃縮法和膜過濾法進行詳細綜述。

2.1 離心濃縮技術在制取MFGM中的應用

離心濃縮技術利用脂肪球和水連續相的密度差異,使在牛乳中分離脂肪球膜物質成為可能[12]。該分離方法大致通過以下幾個步驟進行,首先原料乳離心分離出乳脂,在37 ℃條件下用去離子水或鹽類緩沖液作為洗滌劑洗滌乳脂3次,目的是去除附著在脂肪球上乳清蛋白、酪蛋白及其他小分子物質,從而得到潔凈乳脂肪球。將得到的乳脂肪球在攪拌器中攪拌,破壞乳脂肪球結構,從中釋放MFGM成分,收集得到的酪乳,并將熔化的黃油顆粒加入同體積蒸餾水中,離心分離回收黃油乳清。最后將酪乳和黃油乳清混合并高速離心得到MFGM懸浮液,再次高速離心并冷凍干燥即得到MFGM顆粒[13],具體操作流程見圖2。

圖2 離心濃縮法制備MFGM流程圖[18]Fig.2 Flow chart of MFGM production by centrifugal concentration method[18]

離心濃縮技術制備MFGM操作簡單,但是得率不高。將乳脂洗滌4次后,MFGM蛋白質損失高達60%～90%[12]。LE等[14]對洗滌過的MFGM蛋白進行分析,發現即使是XDH和嗜乳脂蛋白等與MFGM聯系緊密的整合蛋白[15],也會在洗滌過程中被消耗殆盡。除蛋白質外,極性脂質在洗滌過程中也有損失。BRITTEN等[16]將脂肪含量為45%～50%的乳脂稀釋10倍并洗滌,在完成第一次洗滌以后乳脂中磷脂含量下降了20%,在隨后的洗滌步驟中,每重復洗滌1次就會造成大概10%的磷脂損失。在后續的研究中,研究人員發現諸如洗滌次數、洗滌液體積、洗滌液種類和離心條件變化等洗滌條件會對MFGM得率產生影響。通過對這些條件進行優化,能夠減少原料乳中制備MFGM材料的損失[17]。

2.1.1 洗滌次數和洗滌液體積對MFGM分離的影響

在制備MFGM材料過程中,洗滌次數和洗滌液體積都可以根據實際情況的不同而發生變化,這些參數沒有固定的標準。但是在分析乳脂肪球洗滌效果和MFGM得率的時候,這些參數作為影響因素也要被考慮進去。理論上,乳脂洗滌次數越多,雜質蛋白殘留量會越少。但是,增加洗滌次數可能會對脂肪球的穩定性產生一些負面影響,造成一定程度的聚集,進而影響MFGM的分離效果[17]。LE等[17]研究MFGM分離過程中洗滌條件對MFGM蛋白質回收率的影響,為了最大限度地減少MFGM材料的損失,建議將洗滌次數控制在1～2次,但是得到的MFGM蛋白質的純度不高,與進行了3～4次洗滌的乳脂相比,有較高的乳清蛋白殘留。乳脂與洗滌液的體積比例一般差別很大[19],因為有研究表明增大洗滌液的體積會使乳脂中的酪蛋白和乳清蛋白去除的更徹底[17]。通過綜合比較洗滌次數和洗滌液體積2個變量對MFGM蛋白分離的影響,當洗滌液體積從6.75 L增加至13.5 L,MFGM蛋白總量保持不變。然而將洗滌次數由2次增加到3次時,MFGM蛋白含量由4.5 mg/g降低至4.2 mg/g[17]。由此可見,為了減少MFGM的損失,增大洗滌液的體積較增加洗滌次數更有效。

2.1.2 洗滌液種類對MFGM分離的影響

去離子水是洗滌乳脂常用的洗滌液,但也有使用鹽水緩沖液代替去離子水的研究。ZHANG等[20]分析鹽離子濃度對磷脂酰乙醇胺-磷脂酰甘油雙分子層膜的影響,通過AA-MD模擬計算,當模擬時間超過100 ns時,各濃度的鈣離子穩定地吸附在磷脂雙分子層膜上,鎂離子動態地吸附于磷脂膜上。并且隨著鹽離子濃度的增高,減小了磷脂雙分子層膜的單個磷脂面積,同時使膜的厚度增加。由此可見,鹽離子的加入會作用于MFGM的磷脂雙分子層,保護了生物膜結構,從而減少了MFGM材料的損失。

BASCH等[21]比較了6種不同組成成分的洗滌液對MFGM分離的影響,結果表明用NaCl和MgCl2配制的鹽水緩沖液比去離子水對酪蛋白的清除能力更強,并且MFGM組分損失較少。然而LE等[17]卻發現去離子水比NaCl配制的鹽水緩沖液洗滌乳脂得到的MFGM蛋白含量高10%左右,并且用去離子水洗滌去除的乳清蛋白更多。此外,他們還發現用鹽溶液洗滌乳脂,會導致更多的脂肪小球聚集,MFGM表面積比變小[22],從而使產量變低。因此,還需對鹽水緩沖液和去離子水的洗滌效果進行綜合分析,確定合適的洗滌液,以減少MFGM的損失。

2.1.3 離心條件變化對MFGM分離的影響

離心是制備MFGM物質的關鍵步驟,轉速越快以及離心時間越長,乳脂分離的效果越好。同時在離心過程中,如果脂肪濃度高,轉速快會使MFG之間相互摩擦,造成MFGM的損失[23]。因此,脂肪的濃度水平要根據轉速和離心時間進行相應的調整[19]。

ZHENG等[13]分析離心條件對MFGM影響,發現在轉速低、時間短的溫和離心條件下,MFG的聚集更為明顯,粒度分布模態直徑增加了大概19%。但是在轉速高、時間長的強化離心條件下,直徑僅增加了6%左右。此外他們還發現強化離心并洗滌后的MFGM蛋白質含量和ζ-電位增加,猜測可能與MFGM最外層的磷脂雙分子層有關。為了深入探究出現該現象的原因,ZHENG等[24]利用激光掃描共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscope,CLSM)觀察強化離心過程中MFGM磷脂雙分子層的結構變化。圖像顯示MFGM蛋白質的染色加深,磷脂酰乙醇胺和磷脂酰膽堿等極性脂質有不同程度的缺失。因此可以進一步說明在強化離心的條件下,膜表面的蛋白質增加,極性脂質在離心過程中脫落或者發生了一定程度的重排。因此在對脂肪含量高的乳脂進行離心操作時,可以考慮加入脫脂乳調節脂肪含量,再采取強化離心的手段,以減少MFGM的損失。

2.2 膜濃縮技術在制取MFGM中的應用

切向流過濾(tangential flow filtration,TFF)是實驗室規模制備MFGM普遍采用的技術,通過尺寸排除將膠體顆粒從懸浮液中分離出來[25]。該方法制備MFGM即是利用MFGM片段與酪蛋白膠束、乳清蛋白尺寸的差異,利用合適的膜孔徑,在合適的跨膜壓力、溫度等條件下[19]將MFGM富集液中的雜質分離出去,得到較純的MFGM物質。表1為在部分原料中過濾分離MFGM的實驗條件。相比起離心濃縮制取MFGM,膜濃縮原料多為乳品工業生產中的副產物,能夠顯著降低能耗并且提高MFGM得率,適宜在工業規模上應用。

表1 膜過濾分離MFGM的實驗條件Table 1 Experimental conditions for separation of MFGM by membrane filtration

MFGM片段與酪蛋白膠束的尺寸有部分重疊是TFF技術分離MFGM面臨的最大挑戰[34]。MFGM片段大小為0.1～3 μm,酪蛋白膠束大小為0.05～0.6 μm[35],因此在MFGM富集液前處理階段需要對酪蛋白膠束進行一定程度的尺寸重構,使其整體尺寸<0.1 μm,或使其凝結形成塊狀沉淀并去除[36]。除酪蛋白尺寸外,濾膜材質、跨膜壓力和跨膜溫度等也能影響膜通量,須對其進行優化,才能保證濾膜不被堵塞并提高MFGM材料的純度。

2.2.1 酪蛋白尺寸重構在膜濃縮技術中的應用

檸檬酸鈉是重構酪蛋白尺寸常用的試劑,加入檸檬酸鈉處理并靜置一段時間后,大部分酪蛋白膠束尺寸會減小至0.1 μm以下。有研究以檸檬酸鈉作為解離劑對酪蛋白膠束尺寸進行重構,后用孔徑為0.1 μm的濾膜過濾,得到的濾液中MFGM蛋白含量顯著高于未加入檸檬酸鈉的對照組[30]。ROMBAUT等[31]以溫度和檸檬酸鈉濃度為變量設計正交實驗,得到其最佳解離溫度為50 ℃,在此溫度下過濾得到的MFGM蛋白含量較高,且加入檸檬酸鈉提高了滲透通量,使污垢最小化。但是同時也造成脂質失穩,導致極性脂質大量損失。MFGM材料中不僅蛋白質具有生物活性功能,極性脂質也有不可替代的作用,因此檸檬酸鈉是否為最適合的酪蛋白膠束解離液仍有待考究。

除檸檬酸鈉外,凝乳酶也是重構酪蛋白尺寸的常用試劑,其原理與檸檬酸鈉解離酪蛋白膠束使其尺寸變小不同,凝乳酶能誘導酪乳中的酪蛋白膠束聚結,尺寸變大,形成塊狀沉淀。HOLZMüLLER[37]等以酪乳為原料,經凝乳酶凝結后過濾制取MFGM,具體流程圖見圖3。

圖3 凝乳酶凝結后微濾制取MFGM流程圖[37]Fig.3 Flow chart of microfiltration to produce MFGM after rennet[37]

首先使用凝乳酶使酪乳中的天然酪蛋白膠束凝結,待聚集的酪蛋白膠束沉淀后取上清液,得到酪乳乳清。第2步過濾乳清,去除乳清蛋白,乳糖和礦物質等,即得到純凈的MFGM。結果表明,該方法對于分離MFGM材料效果明顯,MFGM蛋白含量遠高于乳脂洗滌方法。但是與分離之前的原料酪乳相比,蛋白質仍然有較大的損失。必須要對凝乳酶凝結條件如溫度、pH等,做進一步的優化。因此他們對之前兩步法制取MFGM的凝乳條件進行了改進,在凝乳過程中,通過改變酪乳的溫度和pH,確定既能完全去除酪蛋白膠束同時又得到最多的MFGM蛋白的最佳凝乳條件。結果表明,在25 ℃、pH 6.4和40 ℃、pH 7.5的環境下,所有的酪蛋白膠束都被去除[30]。與酸化制取MFGM[38]相比,30%～40%的嗜乳脂蛋白、40%～50%的XDH等MFGM整合蛋白被保留下來。對于凝乳酶聚集酪蛋白膠束制取MFGM,不僅凝乳條件需要進一步的優化。對于之后的微濾過程也要進行研究,合理的微濾次數和膜孔徑等對MFGM純度的影響是未來研究的重點。

2.2.2 切向流過濾系統在膜濃縮制備MFGM中的應用

切向流過濾與傳統的垂直過濾(normal flow filtration,NFF)不同,在TFF中酪乳等原料呈切向流過膜表面,蠕動泵產生的跨膜壓力將部分料液壓過濾膜到達透過端口,而不能通過濾膜的截留部分則在體系中循環流動,整個過程中料液以一定的速度流過濾膜表面同時對膜表面進行沖刷,使富集液中殘留的部分酪蛋白膠束不會在膜表面堆積,保證濾膜有足夠的通量,提高過濾效率及MFGM純度[39]。TFF技術制備MFGM物質對濾膜的材質有一定的要求,在之前的研究中大多采用陶瓷材質的濾膜,這種濾膜具有較高的耐化學性,可承受溫度范圍較寬等優勢。但是該材質的濾膜與一部分MFGM蛋白質所帶電荷相反,會導致蛋白質與膜之間靜電吸引,使部分MFGM蛋白質吸附于膜表面,造成了一定程度的蛋白質損失且降低膜通量。而改性聚醚砜材質的濾膜對蛋白質表現出較低的吸附性[31],可以在制備MFGM時保證足夠的通量,但是能夠生產該材質濾膜的廠家較少,因此在制備MFGM的研究中應用也較少。除濾膜材質外,跨膜壓力、溫度等因素也會對膜通量和MFGM分離效果有一定的影響,但是由于TFF系統在運行過程中會由于膜堵塞導致通量變低等因素導致跨膜壓力發生一定程度變化且跨膜溫度也無法進行精確控制,所以目前還缺乏對這些因素的優化研究。

TFF技術制備MFGM,雖然能夠降低能耗且提高得率,但是其價格昂貴,后續對濾膜的清洗及保養過程較為繁瑣,若清洗不徹底會對濾膜的通量及使用壽命造成一定的影響,所以這也是膜濃縮制備MFGM在工業規模上應用的最大障礙。

3 MFGM的乳化特性

乳液體系由被分散的油相和連續的水相組成,由于油相與水相之間存在密度差,隨著時間的推移,乳液內部會出現重力分離、顆粒聚集、絮凝、相分離和Ostwald熟化等現象[40]。為了克服這些問題,通常將乳化劑加入到水包油型乳液中。乳化劑包括合成乳化劑和天然乳化劑,目前已經證明合成乳化劑在穩定乳液方面效果顯著,但是考慮到將其加入食品中的安全問題,研究人員更傾向于探索一些天然乳化劑。MFGM在牛乳中即扮演乳化劑的角色,對阻止脂肪球聚集起著關鍵作用。研究表明,MFGM主要組分蛋白質和極性脂質,都具有很強的乳化性。并且MFGM作為一種在牛乳中提取到的物質,安全性有保證,具有替代合成乳化劑的潛力。

3.1 MFGM各組分的乳化性

3.1.1 MFGM蛋白質的乳化性

MFGM蛋白質具有親水親油性,可像酪蛋白等具有乳化性的乳蛋白一樣,吸附到液滴表面。有研究分析了MFGM蛋白質對水包油乳液的影響,發現在相同濃度下,MFGM蛋白質比低分子量表面活性物質更容易吸附于水油界面上[5]。待MFGM蛋白質吸附于水油界面后,會在油滴周圍形成一層黏彈性吸附膜。這種膜會產生靜電斥力,防止液滴之間的聚集,使乳液具有穩定性[41]。SHIMIZU等[42]觀察到在洗滌過的潔凈乳脂中,當MFGM蛋白質被木瓜蛋白酶消化時,聚集的脂肪球使乳脂穩定性大大降低,較直觀地體現了MFGM蛋白質是通過中斷脂肪球聚集從而在穩定乳脂中發揮重要作用。

乳液物理指標如液滴粒徑大小、ζ-電位等可作為判斷乳化劑乳化性效果強弱的標準。一般來說,在水包油乳液中加入乳化劑并混合均勻后,所形成的乳液ζ-電位(正或負)絕對值越高,乳狀液液滴粒徑越小,表明乳液體系越穩定[43]。HE等[44]發現在相同的濃度下MFGM蛋白質制備的水包油型乳劑比用MFGM極性脂質制備的粒徑更小,并且在pH影響乳液穩定性實驗中,ζ-電位始終略高于以MFGM極性脂質為乳化劑制備的乳液。目前對MFGM蛋白質乳化性強弱的研究大多以同為MFGM組分的極性脂質為對照,尚缺乏與同類具有乳化性的乳蛋白對比分析,還需要在進一步的研究中完善。

MFGM蛋白質的乳化能力強弱與加入乳液的pH值有關,在乳液pH<6時,MFGM蛋白質的乳化能力會降低,導致其出現明顯的液滴聚集現象[6]。進一步的研究表明,大部分MFGM蛋白質的pI值在4～6,當pH<6時,一些MFGM蛋白質會沉淀下來導致排斥性電荷減少,進而液滴之間的排斥力減小,造成一定程度的聚集。因此,在MFGM蛋白質穩定的乳液pH值較低時,可以向乳液體系中加入多價陽離子,如Ca2+、Fe2+等[45],用于平衡排斥性電荷減少導致的液滴聚集。

越來越多的研究證明MFGM蛋白質具有較強的乳化作用,但是其乳化性與MFGM諸多種蛋白質中哪一種有關,目前還沒有確切結論。MFGM蛋白質種類多含量少,且多數為與膜結構緊密相關的整合蛋白,對分離純化造成了很大的困難,因此尚且沒有分析具體特定蛋白質在起乳化作用的研究。

3.1.2 MFGM極性脂質的乳化性

極性脂質是MFGM重要組成部分,其乳化功能特性極大地取決于頭部極性基團磷酸酯。SHIMIZU等[42]利用磷脂酶C去除磷脂的極性頭基團,造成奶油乳液出現液滴聚集現象,穩定性明顯下降。猜測可能是磷脂通過極性頭離子基團產生的排斥力阻斷了脂肪球的結合。頭部極性基團不同的磷脂主要有卵磷脂、磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇、磷脂酰絲氨酸和磷脂酸等,其中磷脂酰肌醇和磷脂酰絲氨酸在MFGM磷脂中占比較高。在用于覆蓋乳液液滴的各種表面活性劑中,MFGM磷脂由于其良好的生物相容性比簡單的表面活性劑更有效[44]。ZHU等[8]以干酪乳清為原料分離出MFGM,并用乙醇萃取MFGM中的磷脂,探究MFGM極性脂質的乳化性。以2%MFGM磷脂濃度配制的乳液在常溫下放置14 d,無明顯液滴聚集現象。以大于4% MFGM磷脂濃度制備的乳液能非常穩定地在室溫下保存60 d以上,且平均液滴尺寸保持在0.4 μm,沒有出現明顯的液滴聚集現象。

此外,HE等[44]研究了MFGM極性脂質作為乳化劑制備乳液的流變特性,結果表明其制備的乳液黏度較高,流變性能較MFGM蛋白質制備的乳液差。因此對MFGM極性脂質在產品上的應用造成一定局限。

3.1.3 MFGM蛋白質與極性脂質協同乳化作用

單一乳化劑作用于乳液,都有其缺點。例如單獨以蛋白質作為乳化劑,它們在液滴表面形成的黏彈性吸附膜韌性通常不夠,不能長時間保持液滴分散,難以滿足乳液穩定的需求[44]。單獨以極性脂質作為乳化劑,雖然在降低界面張力,形成更薄、延展性更強的界面層方面效率更高,但界面層由于缺乏空間排斥,易受脂肪滴聚結的影響。而蛋白質與極性脂類物質協同作用于乳液液滴,在蛋白質形成黏彈性膜的同時,極性脂質會作用于界面蛋白膜網絡之間的小孔或缺陷,從而降低表面張力,增加吸附膜的韌性,達到乳液長期貯存保持穩定的效果[46],圖4為該協同過程示意圖。而MFGM組分的特殊性則可以滿足上述條件,MFGM主要由蛋白質和極性脂質組成,可以近似地看做兩者協同。HE等[44]發現用完整的MFGM材料比僅用MFGM極性脂質作為乳化劑制備的乳液具有更小的液滴粒徑且穩定性更高。

圖4 蛋白質與極性脂質協同穩定乳液液滴過程示意圖[46]Fig.4 Schematic diagram of the process of protein and polar lipids synergistically stabilizing emulsion droplets[46]

目前,MFGM蛋白質與極性脂質協同作用,在減小乳液液滴尺寸和維持穩定性方面效果明顯。但是蛋白質與極性脂質協同作用于乳液還會產生競爭性吸附問題,極性脂質屬于小分子表面活性劑,會因濃度問題與液滴表面蛋白質產生置換現象,使液滴界面形成以極性脂質為主體的界面層,導致液滴表面排斥性電荷減少。最直觀的體現就是隨著極性脂質濃度的不斷升高,乳液的ζ-電位逐漸降低,從而對乳液穩定性產生一定的影響。目前對MFGM蛋白質和MFGM極性脂質協同作用于乳液的研究不多,是否會發生競爭性吸附問題還需要進一步的研究闡明。

3.2 MFGM作用于乳液的界面性質

界面性質是微觀角度上衡量乳化劑性能強弱的標準,乳化劑的最佳使用取決于對其界面物理化學特性的了解,如表面活性、可混溶性、表觀黏度等,特別是分析在流體界面形成吸附膜動力學[47]。PHAN等[5]發現MGFM受到其組分蛋白質和脂質相互作用的影響,導致界面性質不同。在這一研究結果基礎之上,PRIYANKA等[48]利用朗繆爾等溫線研究乳脂球膜各組分的界面性質,朗繆爾薄膜是表征單分子層和分子間相互作用的有效工具,能有效地對MFGM各組分的界面性質進行表征。結果發現富含蛋白質的MFGM組分在空氣/水界面形成的薄膜表面彈性低于其他組分,說明其對泡沫和懸浮液的穩定能力不理想。具有豐富極性脂質的MFGM組分相對于其他組分具有更好的表面彈性,對泡沫和懸浮液具有更好的穩定作用。

迄今為止,所有表征MFGM界面性能的研究都是在空氣/水界面進行的,由于膠體組成體系的復雜性,因此鮮有對MFGM乳液油/水界面性能的研究。與MFGM空氣/水界面相比,油/水界面處形成的膜具有更大的膨脹相。造成膨脹的原因是因為相轉變,在第一次轉變期間,一些分子被迫進入油相,這導致液體膨脹相的擴展,油層與MFGM中的一些在油中高度溶解且帶有疏水側鏈氨基酸的蛋白質以及MFGM中性脂質結合。第2次相轉變期間,MFGM極性脂質發生位移,與部分蛋白質結合進入油相[48]。為了更好地理解這一問題,未來的研究可以轉向分析MFGM極性脂質、蛋白質的行為及其在油/水界面上的相互作用。

3.3 MFGM的乳化性應用

3.3.1 仿MFGM結構脂質體系構建

牛乳中甘油三酯是在粗面內質網膜上合成的,它將磷脂、糖脂、膽固醇和蛋白質轉移到微脂滴上,形成了主要的界面層。這些微脂滴通過合并而增長,最終運輸到頂端質膜被原生質膜包裹,通過budding-off機制被排泄到乳汁中,再次被來自于乳腺上皮細胞的雙層膜包裹,從而形成MFGM的3層納米結構。這種獨特的膜結構既能阻止脂滴之間的聚集,又能保護脂滴免受酶的降解[2]。受該結構的啟發,可以用來制備封裝含天然食品成分的乳狀液滴。這種結構的預期好處是對包封脂滴核心含有的氧化敏感食品成分起到一定的保護作用,并且可以有效地阻止液滴聚集,保持乳液長時間穩定。LIVNEY等[49]以乳鐵蛋白作為主乳化劑,外層利用磷脂雙分子層包覆,制備了類似MFGM結構的“涂層乳液”并對其進行表征。在透射電子顯微鏡圖像中觀察到了不同磷脂濃度下層片狀磷脂結構的形成,以及1個或幾個油滴的包覆/包封。但是層狀結構不完整,還需要進一步優化工藝以提高涂層的均勻性。CHEN等[50]受MFGM結構啟發,以植物磷脂和乳蛋白作為包封材料制備DHA油乳液,成功制備的DHA油乳液具有納米級顆粒,顯著降低了DHA油乳液的表面張力,從而增加了乳液的穩定性。且噴霧干燥后形成的DHA微膠囊體外消化實驗表明,能有效抵抗胃蛋白酶酶解,保護其在腸道內的生物活性。這種對敏感物質起保護作用的新型封裝方法,是一種潛在的工業應用。若要成功應用這項技術,還需對包封參數進行優化[49]。進一步研究將集中于在包封的均勻性和完整性兩方面,以達到完全保護敏感食品成分和維持乳液穩定性的效果。

3.3.2 MFGM改善發酵食品的持水性

食品的持水能力關系到其香氣、滋味及營養成分等,在發酵食品制作過程中添加MFGM,能改善其持水性并且增加產品的營養成分。LE等[51]利用膜濃縮技術從酪乳中分離出MFGM,觀察MFGM應用于發酵酸奶生產的效果。結果表明酸奶的發酵效果沒有因為MFGM的加入而改變,并且隨著MFGM濃度的增加使得酸奶持水能力顯著提高。通過CLSM觀察,富含MFGM酸奶的微觀結構比普通酸奶更為致密。除了發酵乳制品外,在發酵烘焙制品中有同樣的效果。TANG等[52]研究了MFGM的添加對面團性質、微觀結構和小麥面包保鮮的影響。結果表明,MFGM的加入改變了面團的性質。與對照組相比,采用MFGM制備的面團持水性較好。通過掃描電鏡觀察面包片的微觀結構,加入了MFGM的面包片中,面筋與淀粉之間形成了具有層狀結構的薄膜,有效地提高小麥面包的品質,延長面包的保質期。

3.3.3 MFGM改善稀奶油攪打性

稀奶油的攪打性與其脂肪含量有關,脂肪含量越高攪打性越好,這與當前崇尚低脂飲食的生活理念相悖。而低脂稀奶油加工過程中必須加入一定量的乳化劑,用以延長貨架期且改善攪打性。目前稀奶油常用乳化劑如單、雙甘油脂肪酸酯等大多為人工合成,安全性不如MFGM這類天然乳化劑。且有研究表明,MFGM蛋白質可以與具有乳化作用的乳蛋白乳清蛋白、酪蛋白一樣,改善稀奶油的攪打性,MFGM蛋白質可以在界面處吸收,從而降低界面張力,穩定脂滴和泡沫[53]。該研究為MFGM應用于脂肪含量較低的稀奶油中提供了一定理論基礎,但是目前尚無MFGM添加到低脂稀奶油的應用研究,還需要對添加MFGM成分的低脂稀奶油攪打性進行綜合評價,看有無替代單、雙甘油脂肪酸酯等常用乳化劑的可能性。

4 結語

MFGM以其獨特的結構和成分,有效地保證了牛乳在貯藏期間的穩定性。將它從牛乳或其他原料中提取出來,依然保持著其原始功能。在MFGM的制備方面,國外技術已經相對成熟,丹麥Arla食品公司產品如Lacprodan?MFGM-10等工藝相對完善,且已應用于多款旗下產品中。但是國內目前對MFGM的研究剛剛起步,制備技術仍然停留在實驗室階段,真正大規模工業化應用還任重道遠。因此,研究除離心濃縮法和膜過濾法之外的制備技術,或者在2種方法的基礎上進行工藝的優化是未來研究的重點。隨著對MFGM功能研究的不斷深入,其乳化特性逐漸引起了人們的廣泛關注。考慮到加入食品中的安全性問題,天然乳化劑代替合成乳化劑是當前的趨勢。MFGM作為天然乳化劑,除了具有乳化性外,還有抗炎、抗病毒等生物功能。將其加入到食品中,既能改善食品的性質又能增加其營養成分。但是現在將其乳化特性應用于產品中的研究較少,還需要在未來的研究中進一步完善。