从奶酪副产品中分离并表征乳清蛋白粉

《Applied Food Research》：Separation and characterization of whey protein powder from cheese by-product

本研究利用真空微过滤和干燥技术，将Bangladesh产的三种牛种奶酪乳清（Bos taurus、Jersey、Buffalo）制备成乳清蛋白粉（WPP），系统比较了其营养成分、植物化学特性及功能性。结果显示，水牛来源的WPP（BuWPP）在蛋白质含量（49.68%）、总酚含量（143.16 mg GAE/100g）和抗氧化活性（30.26%）方面显著优于其他两组。物理性质方面，BuWPP吸水率最高（154.3%），油吸收率与Jersey WPP（JWPP）相当，但流动性更好。研究证实水牛乳清是制备高附加值蛋白粉的潜力原料，为乳品副产物资源化利用提供了新思路。

　　本研究围绕乳清这一在乳制品工业中常被视为废弃物的副产品展开，重点探讨了其转化为乳清蛋白粉（WPP）后的营养价值、功能特性及植物化学属性。在孟加拉国，每年都会产生大量乳清，而这些乳清通常未被有效利用，直接排放到环境中，不仅造成资源浪费，还对生态环境构成威胁。乳清中富含蛋白质、乳糖、脂肪、矿物质和水溶性维生素，但其生物需氧量和化学需氧量较高，若处理不当，可能引发严重的环境问题。此外，乳清在厌氧条件下分解会产生甲烷气体，加剧全球气候变化。因此，如何高效利用乳清，将其转化为具有高附加值的产品，成为当前研究的重点。

乳清的来源多样，包括牛乳、荷斯坦牛乳和水牛乳。不同种类的乳清在营养成分和功能特性上存在显著差异，这主要与乳源动物的种类和品种有关。例如，水牛乳的蛋白质和总固体含量均高于牛乳，而荷斯坦牛乳在某些条件下表现出更高的脂肪含量。这些差异不仅影响乳清蛋白粉的生产效率，也决定了其在食品加工中的应用潜力。通过真空微滤和干燥等技术手段，乳清可以被转化为稳定的乳清蛋白粉，为食品工业、保健品开发和生物燃料生产提供原材料。本研究旨在通过对不同乳源乳清蛋白粉的系统比较，揭示其在营养、功能及植物化学方面的差异，为实现乳清的高值化利用提供科学依据。

实验采用真空微滤法对乳清进行浓缩处理，并通过干燥工艺制备乳清蛋白粉。真空微滤是一种高效且温和的分离技术，能够在较低温度下进行，从而减少对乳清中热敏性成分的破坏，提高其微生物质量。干燥过程则采用恒温箱干燥机进行，以确保乳清蛋白粉的稳定性和运输性。通过比较不同乳源乳清蛋白粉的化学组成、植物化学特性以及物理功能特性，研究团队发现水牛乳来源的乳清蛋白粉（BuWPP）在蛋白质含量、总酚含量（TPC）、总黄酮含量（TFC）及抗氧化活性方面均显著优于荷斯坦牛乳（BTWPP）和荷斯坦牛乳（JWPP）。这种差异可能与水牛乳中蛋白质种类的分布和浓度有关，也反映出不同乳源在营养成分上的系统性差异。

从化学组成来看，BuWPP的蛋白质含量高达49.68 ± 0.14%，显著高于BTWPP和JWPP的46.37 ± 0.15%和42.00 ± 0.06%。这表明，水牛乳在乳清蛋白粉生产过程中能够提供更高的蛋白质浓缩效果，从而提升最终产品的营养价值。同时，BuWPP在总酚含量和总黄酮含量方面也表现出显著优势，其TPC值达到143.16 ± 3.89 mg GAE/100 g，TFC值为0.72 ± 0.36 mg Rutin Equivalents/100 g，且其抗氧化活性在5 mg/mL浓度下达到30.26%。这些特性不仅有助于提升乳清蛋白粉的营养价值，也为其在功能性食品和保健品中的应用提供了可能性。

物理功能特性方面，不同乳源乳清蛋白粉在粒径分布、比表面积、流动性、水和油吸收能力、浊度、粘度等参数上存在显著差异。例如，BuWPP的粒径分布范围较小，粒径有效直径（D?）仅为1792.50 ± 16.74 nm，而JWPP的粒径（1821 ± 16.17 nm）则相对较大。粒径的差异可能与乳清中蛋白质的组成和微滤过程中的分离效率有关。此外，BuWPP的粒径分布聚散度（PDI）较低，表明其颗粒分布更加均匀，而JWPP的PDI较高，可能与蛋白质聚集现象有关。这种差异对于乳清蛋白粉在食品加工中的使用具有重要意义，因为均匀的粒径分布有助于提高产品的流动性和加工性能。

流动性方面，BuWPP和BTWPP表现出相似的压实密度，而JWPP的流动性则较差。流动性的差异可以通过Carr指数和Hausner比值进行评估，其中JWPP的Carr指数较高，表明其颗粒之间的结合力较强，流动性较低。这种差异可能与不同乳源中蛋白质的种类、含量以及微滤和干燥工艺的差异有关。高流动性有助于乳清蛋白粉在干燥混合系统中的应用，提高其在食品加工过程中的操作便利性。

在水和油吸收能力方面，BuWPP表现出最强的水吸收能力（154.30 ± 0.41%），其次是BTWPP（136.47 ± 0.45%）和JWPP（115.15 ± 3.36%）。油吸收能力方面，BTWPP表现最佳，达到106.29 ± 0.32%，而JWPP和BuWPP的油吸收能力分别为78.79 ± 0.31%和80.47 ± 0.20%。这些差异可能与不同乳源乳清中蛋白质的种类和结构有关，其中较高的蛋白质浓度和特定的蛋白质构型可能增强其对水和油的吸收能力，从而影响乳清蛋白粉的功能特性。

颜色分析显示，BuWPP在L*（亮度）、a*（红度）和b*（黄度）三个参数上均表现出较低的亮度和较高的黄度，这可能与其较高的蛋白质浓度及加工过程中发生的美拉德反应有关。相比之下，JWPP的亮度较高，黄度较低，表明其颜色更接近白色。颜色的变化不仅影响乳清蛋白粉的外观，也可能与其中的营养成分和功能特性相关，例如较高的黄度可能与脂肪含量或维生素的浓度有关。

在pH值方面，BuWPP的pH值为4.60 ± 0.01，BTWPP为4.18 ± 0.02，JWPP为4.03 ± 0.01。这一范围在食品工业中具有重要意义，因为pH值会影响乳清蛋白粉在食品中的应用效果。例如，酸性乳清蛋白粉可能更适合用于开发具有特定功能的食品产品，如增强肠道健康或提高营养吸收的配方。

粘度方面，BuWPP的粘度最高，达到64.78 ± 0.06 mPa·s，而JWPP和BTWPP的粘度分别为50.54 ± 0.33 mPa·s和54.26 ± 0.01 mPa·s。粘度的差异可能与乳清中蛋白质的种类和浓度有关，较高的蛋白质含量通常会导致更高的粘度。这一特性对于乳清蛋白粉在食品加工中的应用至关重要，例如在乳制品或营养补充剂的配制过程中，粘度直接影响产品的质地和口感。

浊度方面，BuWPP和JWPP的浊度分别为4.85 ± 0.08 cm?1和5.61 ± 0.03 cm?1，而BTWPP的浊度为3.15 ± 0.03 cm?1。浊度的差异可能与乳清中蛋白质的浓度和分布有关，较高的蛋白质含量会导致更高的浊度。这一特性在食品加工中同样具有重要意义，因为浊度可以影响产品的外观和感官特性。

泡沫特性方面，BuWPP在pH 3.4和pH 6.8下均表现出较高的泡沫容量和稳定性。在pH 6.8条件下，BuWPP的泡沫容量达到73.33 ± 2.89%，而BTWPP和JWPP分别为58.33 ± 2.89%和52.67 ± 1.73%。泡沫稳定性方面，BuWPP在pH 6.8下表现最佳，达到28.67 ± 2.05%，而在pH 3.4下其稳定性则稍逊于BTWPP。这表明，BuWPP在多种pH条件下均表现出优异的泡沫性能，这可能与其较高的蛋白质浓度和特定的蛋白质构型有关。

本研究的结果表明，不同乳源乳清蛋白粉在营养、功能及植物化学特性方面存在显著差异，其中水牛乳来源的BuWPP在蛋白质含量、抗氧化活性、水吸收能力等方面表现最佳，适合用作蛋白质补充剂和功能性食品成分。而荷斯坦牛乳来源的JWPP则表现出较高的溶解性和吸湿性，这使其在某些食品加工应用中更具优势。此外，BuWPP和BTWPP的流动性较好，适合用于干燥混合系统。这些发现为乳清的高值化利用提供了科学依据，同时也揭示了乳清蛋白粉在不同乳源中的潜在应用价值。

本研究的创新之处在于，它不仅比较了不同物种的乳清蛋白粉，还涵盖了不同品种的乳源，如荷斯坦牛乳和荷斯坦奶牛乳。这种系统性的比较有助于揭示乳清蛋白粉在功能特性上的来源差异，从而为乳制品工业提供更全面的参考。然而，本研究也存在一定的局限性，例如仅选取了三种乳源进行分析，未能涵盖更多品种，且未对感官特性进行验证。此外，由于实验条件的限制，未能使用高效液相色谱（HPLC）或十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）等方法进一步分析蛋白质的结构和功能差异。因此，未来的研究可以扩展乳源种类，增加对感官特性的评估，并采用更先进的分析技术，以更全面地了解乳清蛋白粉的特性。

总体而言，本研究为乳清的高值化利用提供了重要的数据支持，揭示了不同乳源乳清蛋白粉在营养、功能及植物化学特性上的差异。这些发现不仅有助于优化乳清蛋白粉的生产工艺，也为乳制品行业的可持续发展提供了新的思路。通过有效利用乳清这一副产品，不仅可以减少环境污染，还能提高资源利用率，推动食品工业向更加环保和高效的方向发展。