乳餅加工中乳清水制備乳清蛋白粉的工藝研究

郭其洪，張燕，王雪峰，2*，普岳紅，2，范江平，2，黃艾祥

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省畜產(chǎn)品加工工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650201）

乳餅是云南三大民族特色乳制品（乳餅、乳扇、酥油）之一，被人們形象地稱為“中國式奶酪”，深受消費(fèi)者歡迎，其原料可以是羊奶或牛乳，5公斤羊奶可制1公斤乳餅[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，云南乳餅的年生產(chǎn)量大約在1 400萬噸，大部分乳清水被當(dāng)做廢水排放，少部分被用來飼養(yǎng)畜牧。乳清水中含有大量的乳清蛋白，乳清蛋白生物價(jià)為88，屬于全價(jià)蛋白，含有組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸，其必需氨基酸含量高于普通的食用蛋白質(zhì)[2]。主要以乳球蛋白、乳白蛋白、免疫球蛋白和乳鐵蛋白等蛋白為主，在人體內(nèi)能被充分吸收利用[3]。乳清蛋白具有很多功能特性，曾經(jīng)被當(dāng)作一種常規(guī)化合物用來治療燒傷、各種疾病和激發(fā)活力，還能提高谷胱甘肽濃度從而起到抗癌作用[4]。此外，還具有免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能[5]、抗菌抗病毒功能、預(yù)防骨質(zhì)疏松的功能[6]。在牛奶中乳清蛋白的含量僅為0.7%，因其易消化吸收、氨基酸組成非常合理被稱為蛋白之王。乳清蛋白在酸奶生產(chǎn)中提供非脂乳固體，能為酸奶提供獨(dú)特的功能特性[7]。此外，乳清蛋白還能夠促進(jìn)有益菌生長，對(duì)于益生菌產(chǎn)品和保健乳制品的生產(chǎn)尤為重要[8]。因此，在酸奶中添加乳清蛋白可以改善產(chǎn)品的風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)，增加產(chǎn)品自身的價(jià)值。

在美國，約65%的乳清水經(jīng)噴霧干燥技術(shù)制成乳清蛋白粉或經(jīng)超濾膜技術(shù)濃縮成乳清蛋白液，再處理加工成其它類型的乳清產(chǎn)品。在利用鮮牛乳生產(chǎn)干酪或乳餅的過程中會(huì)產(chǎn)生大量乳清水，將其作為廢水排放至環(huán)境中會(huì)引起水體富營養(yǎng)化、過量氧消耗等環(huán)境危害，不僅浪費(fèi)了資源，還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。除此之外，廢棄液中生物需氧量 （biological oxygen demand，BOD）和化學(xué)需氧量 （chemical oxygen demand，COD）含量較高，直接排放后污染嚴(yán)重，不符合節(jié)能減排的要求[9]。目前，我國對(duì)乳餅生產(chǎn)過程中所排放的乳清水的開發(fā)利用尚少，本試驗(yàn)以乳餅加工副產(chǎn)物——乳清水為原料，通過超濾技術(shù)（ultrafiltration technology，UT）截留、濃縮乳清水主要固形物成分，采用響應(yīng)面法（response surface method，RSM）優(yōu)化乳清蛋白粉的噴霧干燥工藝，并將該工藝條件下獲得的乳清蛋白粉應(yīng)用于酸奶加工，為云南乳餅加工副產(chǎn)物乳清水的綜合利用提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳清水：市售；聚醚砜超濾膜：上海摩速有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、海砂、十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）、酚酞、95%乙醇、乙醚、三氯甲烷、氮?dú)猓ň鶠榉治黾儯簢幖瘓F(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UFSC40001型攪拌式超濾裝置：上海摩速有限公司；雷磁PHSJ-4A型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；XHF-D型高速分散器：寧波新芝生物科技股份有限公司；SP-1500型實(shí)驗(yàn)性噴霧干燥機(jī)：上海順儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；TGL20M型高速冷凍離心機(jī)：湖南湘立科學(xué)儀器有限公司；A360型紫外可見分光光度計(jì)：上海翱藝儀器有限公司；SVJ-358型智能商用型酸奶機(jī)：北京世紀(jì)陽光科技發(fā)展有限公司；GMSX-280型壓力蒸汽滅菌器：北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 乳清水超濾濃縮的單因素試驗(yàn)

將乳餅加工副產(chǎn)物——乳清水原料在85℃條件下殺菌15 min，于25℃溫度下進(jìn)行離心（4 000 r/min、30 min）去除酪蛋白和乳脂，分離上清液，再用30 kDa分子量的超濾膜進(jìn)行超濾，得到的濾液濃縮后置于4℃冷藏備用。將離心后的上清液進(jìn)行超濾，以超濾膜通量（mL/h）為指標(biāo)，考察超濾溫度（35、45、55 ℃）、超濾壓力（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa）2個(gè)參數(shù)對(duì)膜通量的影響，確定最佳超濾條件。

1.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化乳清蛋白粉的噴霧干燥工藝

噴霧干燥成本低、干燥時(shí)間短、水分去除率高，是乳制品行業(yè)最常見的干燥加工技術(shù)。乳清蛋白粉干燥過程受進(jìn)出口溫度、霧化類型、氣流方向和進(jìn)料速度等的影響[10]。將1.3.1超濾濃縮液用噴霧干燥機(jī)制備出乳清蛋白粉。基于前期試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置噴霧干燥的物料溫度（10℃～30℃）、泵速（20%～40%、400 mL/h～700 mL/h）、進(jìn)風(fēng)溫度（120℃～180℃），用響應(yīng)面法優(yōu)化乳清蛋白粉噴霧干燥工藝。中心復(fù)合試驗(yàn)（central composite design，CCD）設(shè)計(jì)如表 1。

表1 中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Central composite design

續(xù)表1 中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)Continue table 1 Central composite design

1.3.3 酸奶加工工藝流程

原料乳的預(yù)處理→配料（加入適量的乳清蛋白粉）→均質(zhì)（60℃，8 MPa～10 MPa）→殺菌（90℃～95℃下保持5 min）→發(fā)酵（40℃～42℃下靜置4 h～5 h）→冷卻（10℃冷風(fēng)冷卻）→冷藏→后熟→產(chǎn)品。

1.3.4 指標(biāo)測定

1.3.4.1 膜通量的測定

參照王平等[11]的測定方法，膜通量為單位時(shí)間單位有效膜面積產(chǎn)生的冷凝液的體積。

1.3.4.2 干物質(zhì)含量測定

參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》方法測定干物質(zhì)含量。

1.3.4.3 溶解度的測定

參照GB 5413.29—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)嬰幼兒食品和乳品中溶解性的測定》方法測定溶解度。

1.3.4.4 乳化性測定

參照刁靜靜等[12]的方法，測定乳清蛋白乳化性。

1.3.4.5 熱穩(wěn)定性測定

參照王飛等[13]的方法，測定熱穩(wěn)定性。

1.3.5 乳清蛋白粉對(duì)酸奶品質(zhì)的影響

將試驗(yàn)1.3.2中得到的乳清蛋白粉，利用酸奶生產(chǎn)工藝制作酸奶，并進(jìn)行理化指標(biāo)分析。

1.3.5.1 持水率測定

參考姚旻晶等[14]的測定持水率方法；黏度采用黏度儀直接測定。

1.3.5.2 酸度測定

酸度參照GB 5009.239—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品酸度的測定》中的方法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照軟件設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，采用origin9.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超濾濃縮乳清水的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 超濾溫度的確定

將離心后的上清液進(jìn)行超濾，以超濾膜通量為指標(biāo)，在超濾壓力為0.3MPa時(shí)，隨著時(shí)間變化考察超濾溫度（35、45、55℃）對(duì)膜通量的影響，結(jié)果見圖 1。

圖1 超濾溫度對(duì)膜通量的影響Fig.1 Effect of ultrafiltration temperature on membrane flux

由圖1可知，不同溫度下乳清蛋白溶液膜通量不同，溫度越高，通量越大；40 min后，35、45℃膜通量差距不大。過高的超濾溫度會(huì)破壞超濾膜，導(dǎo)致蛋白質(zhì)等熱敏性物質(zhì)受到損傷，過低溫度又會(huì)使料液黏度增加不利于超濾和設(shè)備清洗[15]，因此，本試驗(yàn)選取超濾溫度為55℃時(shí)開始超濾，此時(shí)膜通量最大。隨著時(shí)間的延長，由于料液黏稠度增加和膜的壓實(shí)作用或膜被污染、膜孔被堵塞，造成膜通量減小[16]，所以在超濾過程中應(yīng)該控制超濾時(shí)間。

2.1.2 超濾壓力的確定

將離心后的上清液進(jìn)行超濾，以超濾膜通量為指標(biāo)，超濾溫度為55℃，超濾時(shí)間30 min，考察超濾壓力（0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa）對(duì)膜通量的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 超濾壓力對(duì)膜通量的影響Fig.2 Effect of ultrafiltration pressure on membrane flux

由圖2可知，隨著超濾壓力的增加，膜通量隨之增加，當(dāng)壓力達(dá)到0.5 MPa后，膜通量逐漸減小。這是由于超濾壓力增大到一定程度時(shí)，增加了超濾膜和物料之間的濃度差，使膜面上凝膠層形成較快，增大了物料通透阻力，使膜通量減小[17]，當(dāng)壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，超濾通量達(dá)到最大，當(dāng)膜的表面上形成凝膠層后，若再增加超濾的壓力差，則凝膠層的厚度會(huì)增加，而溶劑的通量不增加。這是因?yàn)樵黾拥膲毫Σ畋辉龊竦哪z層阻力所抵消，此時(shí)溶劑的滲透通量為極限通量[18]。為了克服透過膜的阻力和膜表面的流體壓力損失，超濾過程往往在極限通量附近進(jìn)行，因此本試驗(yàn)選取超濾壓力為0.5 MPa。

2.2 乳清蛋白粉噴霧干燥工藝的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 中心復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果與分析

建立CCD中心復(fù)合試驗(yàn)?zāi)Ｐ停x擇物料溫度（X1）、進(jìn)風(fēng)溫度（X2）、泵速（X3）進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 中心復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of central composite

方差分析結(jié)果見表3。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis

由表3可知，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)中回歸模型顯著性檢驗(yàn)P＜0.01，說明二次多元回歸模型極顯著，回歸模型失擬項(xiàng)檢驗(yàn)P＞0.05，模型失擬項(xiàng)不顯著，表明此模型可用于試驗(yàn)擬合[19]。回歸診斷表明，當(dāng)決定系數(shù)R2趨近于1，表明模型的擬合度和可信度均很高[20]，試驗(yàn)中的各個(gè)因素的決定系數(shù)R2均趨近于1。CV定義為標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值。CV值越低，說明偏離均值越低，可信度與精密度越高，試驗(yàn)的可靠性越高[21]，本回歸模型的CV值為干物質(zhì)含量22%、溶解度54%、熱穩(wěn)定性49%、乳化性22%。預(yù)測的誤差平方和越低說明模型與理想值一致[22]。綜上所述，回歸模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，能夠準(zhǔn)確的分析干物質(zhì)含量、溶解度、熱穩(wěn)定性、乳化性。

2.2.2 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面的變化情況和等高線的稀疏程度可直觀地反映噴霧干燥過程中物料溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、泵速之間交互作用對(duì)乳清蛋白粉干物質(zhì)含量、溶解度、熱穩(wěn)定性、乳化性的影響[23]，結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 泵速與物料溫度交互作用對(duì)干物質(zhì)含量的影響Fig.3 Effects of interaction between pump speed and material temperature on dry matter content

圖4 泵速與物料溫度交互作用對(duì)溶解度的影響Fig.4 Effects of pump speed and material temperature on solubility

圖5 泵速與進(jìn)風(fēng)溫度交互作用對(duì)熱穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effects of pump speed and inlet air temperature on thermal stability

圖6 泵速與物料溫度交互作用對(duì)乳化性的影響Fig.6 Effect of pump speed and material temperature on emulsification

如圖3所示，在響應(yīng)面法優(yōu)化乳清蛋白粉噴霧干燥過程中，物料溫度及泵速的交互作用對(duì)乳清蛋白粉干物質(zhì)含量有影響，響應(yīng)曲面閉合程度不明顯，可能與試驗(yàn)過程中的系統(tǒng)誤差有關(guān)系。如圖4所示，噴霧干燥過程中，泵速與物料溫度的交互作用對(duì)溶解度的影響有差異。如圖5所示，泵速與進(jìn)風(fēng)溫度的交互作用對(duì)熱穩(wěn)定性有影響。如圖6所示，泵速與物料溫度的交互作用對(duì)噴霧干燥產(chǎn)物的乳化性有影響，響應(yīng)曲面有閉合的趨勢。

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

回歸模型通過響應(yīng)面法優(yōu)化乳清蛋白粉最佳噴霧干燥工藝參數(shù)，并根據(jù)設(shè)備情況對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)乳清蛋白粉最佳工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表4所示。

表4 乳清蛋白粉最佳工藝參數(shù)驗(yàn)證Table 4 Verification of optimum process parameters of whey protein powder

由表4可知，回歸模型通過響應(yīng)面法優(yōu)化乳清蛋白粉最佳噴霧干燥工藝參數(shù)為物料溫度15.96℃、進(jìn)風(fēng)溫度165.84℃、泵速32.24%；考慮實(shí)際操作情況與設(shè)備參數(shù)狀況，確定乳清蛋白粉最優(yōu)噴霧干燥工藝參數(shù)為物料溫度16℃、進(jìn)風(fēng)溫度166℃、泵速32%。在上述最佳條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到乳清蛋白粉干物質(zhì)含量95.83%、溶解度94.61 g/100 g、熱穩(wěn)定性1.62 g、乳化性69.46%與理論值接近。

2.3 添加乳清蛋白粉對(duì)酸奶品質(zhì)的影響

酸奶風(fēng)味是由發(fā)酵過程中的產(chǎn)物以及所加入輔料的風(fēng)味共同決定[24]。在酸奶生產(chǎn)中，由于乳清蛋白味道柔和，利用乳清蛋白粉代替一部分脫脂乳粉，可突出風(fēng)味發(fā)酵乳的特殊風(fēng)味。當(dāng)利用乳清蛋白代替淀粉或其它增稠劑使用時(shí)，酸奶風(fēng)味可得到較大改善。

2.3.1 酸奶發(fā)酵性能

添加自制乳清蛋白粉與對(duì)照組酸奶發(fā)酵性能結(jié)果見表5。

表5 添加乳清蛋白粉與對(duì)照組試驗(yàn)Table 5 Test of add protein powder and control group

由表5可知，添加乳清蛋白粉酸奶的pH值比未添加乳清蛋白粉的高；酸度的變化也很明顯，加入乳清蛋白粉酸奶酸度在103.1°T，而對(duì)照組為98.7°T；酸奶等食品在一定濃度內(nèi)呈現(xiàn)非牛頓流體流變特性，因此測定其黏度時(shí)可以使用黏度計(jì)，發(fā)酵乳的黏度與乳清蛋白粉有關(guān)，在酸奶中加入乳清蛋白粉，黏度也會(huì)隨著上升；添加乳清蛋白粉與不添加的對(duì)照組發(fā)酵乳所測得的持水性是不同的，試驗(yàn)組持水率在77.9%，對(duì)照組只有63.4%。

2.3.2 酸奶感官評(píng)分

添加自制乳清蛋白粉及不添加的對(duì)照組感官評(píng)分結(jié)果見圖7。

圖7 添加自制乳清蛋白粉及不添加的對(duì)照組感官評(píng)分結(jié)果Fig.7 Sensory score results of the control group with and without self-made whey protein powder

由圖7可知，添加自制乳清蛋白粉及不添加的對(duì)照組感官評(píng)價(jià)存在著一定的差異，添加自制乳清蛋白粉對(duì)酸奶綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)都高，而酸甜比、色澤兩個(gè)指標(biāo)感官評(píng)價(jià)無明顯差別。因此，適量添加乳清蛋白可以改善酸奶的感官特性。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用30 kDa的超濾膜進(jìn)行超濾，在進(jìn)口壓力0.5 MPa、溫度55℃條件下，膜通量最大，且超濾運(yùn)行穩(wěn)定。利用噴霧干燥制備乳清蛋白粉，在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)整個(gè)工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳噴霧干燥工藝參數(shù)為物料溫度16℃、進(jìn)風(fēng)溫度166℃、泵速32%，各項(xiàng)指標(biāo)測定為干物質(zhì)含量95.83%、溶解度94.61 g/100 g、熱穩(wěn)定性1.62 g、乳化性69.46%。在該條件下獲得的乳清蛋白粉應(yīng)用于酸奶制作，得到的酸奶產(chǎn)品風(fēng)味、組織狀態(tài)良好，其pH值、酸度、黏度、持水率分別為 4.28、103.1 °T、7 800 mPa·s、77.9%。研究可為乳餅加工副產(chǎn)物——乳清水的綜合利用提供參考。