从过期巴氏杀菌牛奶中升级回收酪蛋白制备薄膜 —— 酪蛋白酸钠薄膜的开发与表征：开启绿色包装新征程

为解决过期巴氏杀菌牛奶浪费及可持续包装材料开发问题，研究人员以不同脂肪含量的过期牛奶制备酪蛋白酸钠（NaCas）并制成薄膜。结果显示，脂肪含量和超声处理影响薄膜多项性能。该研究为绿色包装提供新方案，有重要意义。

　　在全球乳制品行业蓬勃发展的当下，牛奶及其衍生产品的需求与日俱增，然而，这也带来了大量的浪费问题。其中，流体牛奶在整个乳制品供应链中产生的废弃物占比颇高，仅在美国，其重量就约占乳制品食物损失总量的 67%。巴氏杀菌牛奶，作为一种优质的饮用牛奶，虽经过最低限度的热处理以确保微生物安全和营养完整，但因其保质期受多种因素影响，常常会因过期而沦为废弃物。目前，这些过期牛奶大多被用于动物饲料或厌氧消化生产生物燃料，其中高价值的牛奶蛋白质却未得到充分利用。

与此同时，随着人们对可持续发展的关注度不断提高，开发可持续包装材料成为研究热点。生物聚合物因具有生物相容性和可降解性等优点，被视为替代合成聚合物的理想选择。酪蛋白，作为牛奶中的主要蛋白质成分，可从流体牛奶中轻松回收，且产量可观（约 27g/L），但传统从各种动植物来源提取生物聚合物的过程复杂且昂贵，限制了其商业应用。酪蛋白制成的薄膜在包装领域虽有潜力，但也存在脆性大、水蒸气阻隔性和热性能差等问题。

为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们以过期巴氏杀菌牛奶为原料，制备了含有不同脂肪含量的酪蛋白酸钠（NaCas），并将其制成薄膜，研究不同条件对薄膜性能的影响。该研究成果发表在《Applied Food Research》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们从不同脂肪含量的过期牛奶中制备 NaCas 粉末，通过调节牛奶 pH 值至 4.6 使酪蛋白沉淀，经过多次洗涤、溶解和冻干等步骤获得粉末，并对其成分进行分析。接着，将 NaCas 粉末制成薄膜形成溶液，添加甘油作为增塑剂，并分别采用超声浴和超声探头两种方式进行处理。最后，将溶液浇铸在模具上，干燥后得到薄膜，并对薄膜的微观结构、热性能、机械性能、气体阻隔性能和光学性能等进行全面表征。

研究结果如下：

1. 粉末表征：不同来源的 NaCas 粉末成分差异显著，脂肪含量从 1 - 32g/100g 不等，蛋白质含量在 56 - 92g/100g 之间。从脱脂牛奶制备的 P_LAB_S 粉末蛋白质含量最高，与商业 NaCas 粉末成分相近，但水分含量更低。
2. 薄膜形成溶液表征 - 流变行为：所有溶液近似牛顿流体行为，超声探头处理的溶液一致性系数（K）和粘度更高，这可能与脂肪分散情况有关。在脱脂样品中，超声处理方式对粘度影响较小。
3. 薄膜成分和厚度：薄膜的脂肪含量因原料粉末而异，范围在 0.7 - 25% 之间。含有较高脂肪含量的 F_LAB_PS 和 F_LAB_RF 薄膜厚度较大，而低脂肪含量的 F_COM_S 和 F_LAB_S 薄膜较薄。超声处理方式对薄膜厚度影响不显著。
4. 薄膜微观结构：共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，薄膜微观结构受脂肪含量和超声处理方式影响。高脂肪含量薄膜的脂肪结构较大且不均匀，超声探头处理可减小脂肪结构尺寸，使分布更均匀。SEM 显示，高脂肪含量薄膜表面粗糙，有较多孔隙，超声探头处理可减少孔隙数量和尺寸。
5. 热和热机械行为：差示扫描量热法（DSC）分析显示，在第一个加热循环中，多吸热转变可能与基质复杂性有关，超声探头处理使高脂肪含量样品熔点降低。第二个加热循环中，可观察到牛奶甘油三酯（TAGs）的熔化，高脂肪含量样品的玻璃化转变温度（Tg）难以检测，仅在 F_LAB_S 薄膜中检测到微弱的 Tg。动态机械热分析（DMTA）表明，所有样品有两个主要松弛过程，分别与甘油和 NaCas 的 Tg 有关。F_LAB_S_B 薄膜初始储能模量最高，高脂肪含量薄膜塑性更好，超声探头处理可使薄膜结构更有序、更刚性。
6. 机械和气体阻隔性能：F_LAB_S_B 和 F_LAB_S_P 薄膜拉伸强度（TS）最高，高脂肪含量薄膜的 TS 较低，这可能与脂肪削弱蛋白质网络有关。超声探头处理的薄膜 TS 值更低。高脂肪含量薄膜的杨氏模量（YM）较低，超声探头处理可显著降低 YM。所有薄膜氧气阻隔性能良好，脂肪含量增加会提高氧气渗透率（KPO₂），超声探头处理使 KPO₂值更高。水蒸汽渗透（KPWV）受薄膜成分和超声处理影响，在 F_LAB_RF 样品中，超声处理降低了 KPWV，而在其他样品中则相反。
7. 光学性能：含有脂肪的薄膜在绿色 - 红色（a*）和蓝色 - 黄色（b*）尺度上与脱脂薄膜有显著差异，脂肪含量和超声处理方式对颜色指数（WI、YI）和雾度（Haze）影响显著。高脂肪含量薄膜雾度更高，超声探头处理可降低雾度，雾度与薄膜表面粗糙度和脂肪分散有关。
8. 主成分分析（PCA）：PCA 分析表明，前两个主成分解释了数据集 77% 的变异性。样品在主成分空间的分布受脂肪含量、水分含量、机械性能、气体阻隔性能和光学性能等多种因素影响。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次突出了内源性牛奶脂肪在 NaCas 薄膜中的独特作用。过期牛奶中的脂肪含量直接影响 NaCas 及薄膜中的脂肪含量，不同超声处理方式会导致薄膜微观结构显著差异。超声探头处理在减小脂肪结构尺寸和表面不连续性方面更有效，但对氧气阻隔性能有负面影响。该研究为从过期巴氏杀菌牛奶中升级回收酪蛋白制备薄膜提供了理论依据，在绿色包装领域具有重要意义。这种方法提高了过期牛奶中固体的回收率，增加了工艺产量，降低了生产成本。未来可进一步研究如何优化条件，使薄膜性能更符合特定包装应用需求，如开发多层复合材料或水溶性包装，为可持续包装发展开辟新方向。