磷酸盐在胶束酪蛋白浓缩物中的双重功能：在改善复原性的同时，调节酸诱导的凝胶结构特性

《Food Research International》：Dual functionality of phosphates in a micellar casein concentrate: reconstitution enhancement while tailoring acid-induced gel structural properties

磷酸盐调控乳清蛋白浓缩物复溶与凝胶特性的研究显示，STPP（20-60 mEq/L）最优，使复溶性达97%、储能模量增至2.8×10? Pa、持水能力＞92%，纳米结构重塑及氢键/离子-偶极作用增强是其机制。分隔符：

　　

高逸芳|韩思怡|赵宏福|张英华

教育部乳品科学重点实验室，东北农业大学食品科学系，哈尔滨150030，中国

摘要

我们研究了磷酸氢二钾（DKP）、柠檬酸三钠（TSC）和三聚磷酸钠（STPP）在0–60 mEq/L浓度范围内如何调节10%（w/w）胶束酪蛋白浓缩物（MCC）的复原性和由葡萄糖-δ-内酯（GDL）诱导的凝胶化过程。磷酸盐显著提高了复溶性，通过可分散蛋白分数来量化：使用20 mEq/L的STPP时，从45%（水）提高到97%；DKP和TSC在60 mEq/L时分别达到88–90%。同时，胶体结构的改变——表现为更小的流体动力学直径、更低的多分散性指数、降低的浊度和更高的表面疏水性——转化为更强的酸凝胶。STPP的效果最为显著：最大储能模量（G′）从2.6 × 10³ Pa增加到2.8 × 10⁴ Pa，凝胶硬度从约180 N增加到2.35 × 10³ N，持水能力从约20%增加到超过92%（30–60 mEq/L）。低场核磁共振（LF-NMR）表明中间/自由水转化为结合更紧密的状态，而傅里叶变换红外（FT-IR）光谱显示蛋白质基质内的氢键和离子-偶极相互作用得到加强。总体而言，磷酸盐的种类和浓度（STPP > TSC > DKP）提供了一种可调的方法，可以同时增强MCC的复原性和调节酸凝胶的质地。

引言

酪蛋白胶束是由αs1-、αs2-、β-和κ-酪蛋白通过磷酸钙桥连接而成的球形胶体颗粒，是乳制品系统中的主要蛋白质成分。膜分离技术的进步使得高纯度胶束酪蛋白浓缩物（MCC）粉末的生产成为可能，保留了约87%的天然酪蛋白胶束（Ross等人，2022年），并促进了其运输、储存和工业应用。关键的是，酪蛋白胶束的两亲性结构（疏水核心，亲水表面）使其具有结合水并在酸化条件下形成致密、弹性凝胶的能力——这是酸奶和奶酪等产品功能的基础（Xia等人，2024年）。

尽管具有这些优势，MCC粉末仍面临复溶性差、水合速度慢和溶解度有限的挑战，这限制了它们在高价值应用中的全面使用（Da Silva等人，2018年；Zhong等人，2025年）。在希腊酸奶（Bong & Moraru，2014年）、奶酪（Lu等人，2017年）、3D打印甜点（Daffner等人，2021年；Ross等人，2022年）和高蛋白配方奶粉（Wilbanks等人，2023年）等高蛋白产品中，这些问题更加突出。添加磷酸盐已成为提高MCC水合能力的关键策略（McCarthy等人，2017年；McCarthy, Fenelon和O'Mahony，2018年；McSweeney等人，2021年）。其机制包括：碱性偏移，使pH值远离酪蛋白的等电点（约pH 4.6）（McCarthy等人，2017年）；静电修饰，负电荷磷酸盐的吸附增加了胶束表面电荷（Zhong等人，2025年）；胶体重构，以及胶体磷酸钙的螯合作用导致胶束解离为纳米级亚单位，从而改变颗粒大小分布和粘度（Deshwal等人，2023年；Hussain等人，2010年）。重要的是，这些胶体变化显著影响酸凝胶的性质，调节微观结构、凝胶化pH值和质地（Auty等人，2005年；Wilbanks等人，2023年）。

由于MCC形成的是胶体分散体而非真正的分子溶液，我们使用多种互补指标精确评估了其复溶性：体积浊度；动态光散射（DLS）得到的流体动力学直径（强度加权）和多分散性指数（PDI）；以及超速离心后上清液中的可分散蛋白分数（DPF）。我们假设具有更强Ca²⁺螯合能力的盐——三聚磷酸钠（STPP）>柠檬酸三钠（TSC）>磷酸氢二钾（DKP）——可以通过部分解离胶束并缩小颗粒大小分布来提高复溶性，从而在酸化前降低浊度并增加DPF。

新兴证据表明，磷酸盐介导的结构变化可能对凝胶质地有积极影响。TSC在冷固化MCC系统中增强了凝胶强度（Pougher等人，2024年）。它通过微流控技术实现了凝胶性质的定制（Reiter等人，2025年），同时改变了3D打印应用中的质地（Ross等人，2022年）。然而，系统研究将磷酸盐类型/浓度与葡萄糖-δ-内酯（GDL）诱导的MCC系统中的胶体性质和凝胶特性相关联的研究仍然有限，其背后的机制尚未明确。为了阐明分散阴离子在酸诱导凝胶化前如何调节酪蛋白胶束，我们重点研究了DKP、TSC和STPP。DKP（正磷酸盐）主要提供离子强度和缓冲作用，但螯合Ca²⁺的能力有限；TSC（三羧酸盐）是一种强Ca²⁺螯合剂，可以脱矿胶束并增加净负电荷；STPP（短链多磷酸盐）提供多齿Ca²⁺螯合，并作为一种常见的食品级乳化盐促进胶束解离。因此，这些盐涵盖了钙螯合/离子强度的连续体（正磷酸盐 < 柠檬酸 < 多磷酸盐），支持将这一趋势推广到其他磷酸盐和螯合剂（Deshwal, Gómez-Mascaraque, Fenelon和Huppertz，2023年；Deshwal, Fenelon, Gómez-Mascaraque和Huppertz，2024年）。

因此，本研究探讨了这些磷酸盐（0–60 mEq/L）在10%（w/w）MCC悬浮液中的双重功能。我们首先表征了胶体性质——ζ电位（ζ-potential）、表观流体动力学直径、蛋白质分散性和粘度，然后量化了酸凝胶特性——质地、持水能力（WHC）和流变学特性。最后，我们通过微观结构成像、低场核磁共振（LF-NMR）和傅里叶变换红外（FT-IR）光谱研究了相关机制。总体而言，我们的结果表明，磷酸盐的种类和浓度可以通过胶体纳米重构同时优化MCC的复原性和调节酸凝胶的质地，为高蛋白、对质地要求严格的食品提供了途径。

章节片段

MCC悬浮液的制备

MCC1900粉末（Vitalus Nutrition Inc.，加拿大阿伯茨福德），含有约38.1 g kg^?1的盐，包括钙（21 g kg^?1）、镁（1 g kg^?1）、磷（13 g kg^?1）和钾（2.5 g kg^?1），分别用DKP（Sigma-Aldrich，美国）、STPP（Sigma-Aldrich，美国）和TSC（Sigma-Aldrich，美国）溶液以0、10、20和60 mEq/L的浓度分散，制备了一系列浓度为10%（w/w）的MCC悬浮液，并添加了0.02%（w/v）的叠氮化钠以防止...

磷酸盐修饰MCC悬浮液的胶体性质

在磷酸盐溶液中复原的MCC粉末的水合行为决定了它们的酸凝胶化性能。我们表征了含有不同类型磷酸盐（DKP、TSC和STPP）和浓度（0–60 mEq/L）的10% MCC悬浮液的关键性质——ζ电位、颗粒大小、表面疏水性、溶解度和粘度。这些参数通过调节酸化过程中的胶束稳定性直接预测凝胶性质（Xia等人，2024年；Yuan等人，2024年）。

结论

本研究表明，无机磷酸盐在胶束酪蛋白浓缩物（MCC）中具有双重、浓度依赖性的效应：它们（i）提高粉末的复溶性；（ii）通过靶向胶束解离来调控酸诱导凝胶的纳米结构。与对照组相比，磷酸盐——STPP > TSC > DKP——使MCC的复溶性提高到约97%，同时表面电荷更负（ζ电位约为-30 mV），表观Dh更小（约150 nm），多分散性指数更低（约0.20）。

CRediT作者贡献声明

高逸芳：撰写——原始草稿，可视化，软件，实验研究。韩思怡：软件。赵宏福：方法学。张英华：撰写——审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了内蒙古国家乳品技术创新中心有限公司和内蒙古乳品技术研究院有限公司（2023-JSGG-18）的资助。