《International Dairy Journal》：Effects of transglutaminase and soluble fibers on the properties of hydrolyzed milk powders
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摘要专业翻译
含有水解乳糖的干燥乳制品在生产与储存过程中面临诸多技术挑战，如溶解度下降、粘性增加、美拉德反应（MR）加剧以及褐变增强。本研究考察了转谷氨酰胺酶（TGase）与可溶性纤维对乳糖水解全脂乳粉特性的影响。乳糖水解导致加工后及储存后样品中5-羟甲基糠醛
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含有水解乳糖的干燥乳制品在生产与储存过程中面临诸多技术挑战，如溶解度下降、粘性增加、美拉德反应（MR）加剧以及褐变增强。本研究考察了转谷氨酰胺酶（TGase）与可溶性纤维对乳糖水解全脂乳粉特性的影响。乳糖水解导致加工后及储存后样品中5-羟甲基糠醛（HMF）含量升高，且水解产物呈现明显更黄的色泽。然而，与其它水解产物相比，同时含有TGase与水解乳糖的样品中HMF含量较低。如预期所料，经TGase处理的样品聚合度升高，电泳分析显示其存在高分子量条带，而其它样品中未出现该条带，这共同表明发生了蛋白质交联。微观结构分析显示，乳糖水解乳粉中出现颗粒聚集现象。就粒径分布而言，含有水解乳糖的乳粉呈现更大的粒径。对四种美拉德反应标志物（HMF、2-糠醛（F）、2-呋喃甲基酮（FMC）和5-甲基-2-糠醛（MF））及色泽的分析表明，在室温储存五个月后，经TGase处理的样品较其它水解样品具有更低的HMF含量和更低的褐变程度。在50 °C加速储存条件下，水解产物在16天储存期内较其对应的非水解产物褐变加剧。添加TGase可能是一种有前景的策略，可减少乳糖水解乳粉在货架期内的HMF形成与褐变。相比之下，添加可溶性纤维对这些参数未表现出积极作用。
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一、研究背景与目的
全球约65%的人口存在不同程度的乳糖不耐受，消费者对无乳糖或低乳糖乳制品的需求持续增长，相关市场规模预计到2033年将达到239亿美元。然而，生产乳糖水解乳粉面临显著的技术挑战：乳糖经酶解生成葡萄糖和半乳糖，这两种单糖具有较低的玻璃化转变温度（Tg）和高反应活性，会加速美拉德反应（MR），导致产品褐变加剧、营养价值损失，并引发吸湿性和粉末粘附干燥腔体等操作性问题。
已有研究探索了多种添加剂策略以缓解乳糖水解乳粉中的美拉德反应，包括使用麦芽糊精等多糖类物质，通过提高Tg和形成保护屏障来减少褐变。转谷氨酰胺酶（TGase）也被纳入研究视野，该酶催化ε-(γ-谷氨酰)赖氨酸共价键的形成，促进乳中蛋白质（主要涉及酪蛋白）聚合。蛋白质交联过程消耗赖氨酸残基——这是参与美拉德反应起始阶段的一种必需氨基酸——从而限制其与还原糖反应的可及性。然而，已有文献报道存在矛盾结果：Francisquini等（2024）在TGase处理的水解脱脂乳中观察到HMF水平出现意外升高。鉴于这些相互矛盾的发现和有限的文献报道，本研究旨在不同条件下考察TGase和可溶性纤维对乳糖水解全脂乳粉中美拉德反应缓解效果及其关键理化性质（如粒径分布和微观结构）的影响。
二、研究设计与方法概述
研究人员设计了六组处理方案，每组三次重复，共18次喷雾干燥实验。处理组包括：T1对照（全脂乳，40% w·w?1总固形物）、T2（添加8.0% w·w?1可溶性纤维）、T3（添加3 U·g?1蛋白质TGase）、T4（添加0.20% w·w?1乳糖酶）、T5（纤维+乳糖酶）和T6（TGase+乳糖酶）。关键工艺要点为：TGase在5 °C反应4小时后于75 °C灭活5分钟，随后添加乳糖酶并在5 °C孵育24小时完成乳糖水解，最后在进料温度50 ± 5 °C下进行喷雾干燥（进风温度170 ± 5 °C，出风温度88 ± 2 °C）。
三、主要研究结果
3.1 干燥后粉末的视觉特征
水解乳糖处理组（T4、T5和T6）在干燥过程中表现出更强的粉末粘附设备现象，主要粘附于干燥腔体和旋风分离器。T4和T5样品呈现明显更黄的色泽，表明美拉德反应进展更显著；而含TGase的水解样品T6在水解处理组中黄色程度较轻。
3.2 粉末成分分析
各组间水分含量和水活度无显著差异（p > 0.05），表明干燥过程标准化良好。含纤维的处理组（T2和T5）蛋白质含量显著低于其它处理组，这归因于纤维添加产生的稀释效应。
3.3 拉曼光谱分析
所有样品在生产后糖类均处于无定形态，未观察到乳糖结晶特征峰。水解样品中乳糖特征拉曼带强度下降，而葡萄糖和半乳糖对应波段（525和424 cm?1）强度增加，确认了T4、T5和T6中乳糖水解的发生。
3.4 SDS-PAGE蛋白质谱分析
TGase处理组（T3和T6）电泳图谱中出现高分子量条带，表明TGase诱导乳蛋白间发生交联，形成高分子量聚合物。这与已有文献中TGase处理后酪蛋白条带强度降低的报道一致。
3.5 聚合度测定
尺寸排阻色谱分析显示，含TGase样品（T3和T6）的聚合度比不含TGase处理组平均高约10个百分点（聚合度高出1.9–2.3倍）。本研究获得的聚合度约18%，低于文献中报道的81%和87%，可能与本研究采用较低温度（5 °C）和较短孵育时间（4小时）有关。
3.6 粒径分布分析
水解乳糖样品中Dv10值显著增大。TGase处理组T3的Dv10值（4.14 ± 1.33 μm）高于其它非水解样品，表明TGase通过谷氨酰胺与赖氨酸交联增加了颗粒尺寸。水解样品T4和T6的粒径分布曲线未呈现典型液态乳的双峰特征，仅显示单一区域（>1 μm），表明存在聚集颗粒，提示乳糖水解乳粉在复水过程中可能快速吸水形成难以充分溶解的大聚集体。
3.7 微观结构特征
扫描电子显微镜观察显示，T4呈现聚集态粉末特征，可能与乳糖水解促进结块有关；含纤维处理组（T2和T5）仅呈现分散的球形颗粒，无聚集。多分散指数（PDI）分析表明，T4的PDI值（2.13）显著高于T2和T5（分别为1.64和1.41），纤维的添加有助于降低体系异质性。
3.8 美拉德反应标志物分析
生产后仅检出HMF。TGase处理的水解样品T6中HMF含量（20.27 μg·g?1蛋白质）显著低于其它水解处理组（T4为41.33，T5为62.52），与对照T1（16.23）无显著差异。室温储存5个月后，水解样品HMF水平仍高于非水解样品，但T6（50.86 μg·g?1蛋白质）显著低于T4（83.16）和T5（87.23）。褐变指数分析显示，T6在所有处理组中显著区别于其它组，表现出较低的褐变程度。此外，储存5个月后所有样品中均检出MF，表明该呋喃化合物可能与储存过程中更高级阶段的化学转化相关。
3.9 50 °C加速储存16天研究
仅水解乳糖处理组（T4、T5和T6）在储存期间吸光度和HMF浓度发生显著变化。从第8天起吸光度增加，表明棕色色素形成；HMF浓度先升后降——T5从第8天开始下降，T4和T6从第12天开始下降，这与HMF作为中间产物进一步转化为类黑精的机理一致。相关性分析显示，吸光度与储存时间呈强正相关（r = 0.93–0.98），吸光度与HMF呈强负相关（r = -0.70至-0.95）。值得注意的是，在加速储存条件下，TGase处理组T6未能维持比水解对照T4更浅的色泽，表明约18%的聚合度在更高热应力下不足以阻止褐变发展。在最终分析日（D16），含纤维处理组T5表现出最低的HMF浓度和较浅的色泽，这归因于纤维的稀释效应降低了美拉德反应底物的相对含量。
四、讨论与结论
本研究表明，微生物转谷氨酰胺酶（TGase）是缓解乳糖水解乳粉中美拉德反应的一种有前景的策略。关键发现是酶应用顺序至关重要——在乳糖水解前使用TGase促进蛋白质交联，可在常规储存条件下显著减少HMF形成和褐变发展。约18%的聚合度可能通过降低赖氨酸ε-氨基的可及性，减少其在美拉德反应起始阶段的参与。然而，在50 °C加速热应力条件下，该交联水平不足以阻止褐变，提示需要优化蛋白质聚合程度以实现更强热条件下的保护作用。另一方面，添加可溶性纤维（聚葡萄糖）未能提供与TGase处理相当的稳定性，在评估条件下不足以防止褐变发展。总体而言，本研究结果展示了TGase作为增强乳糖水解乳粉稳定性的技术潜力，为工业化规模开发和稳定低乳糖或无乳糖脱水乳制品提供了重要参考信息。
