乳制品相关pH条件下亲水胶体结构特异性调控WPC80、WPI及米蛋白体系胶体组织与流变功能

《Journal of Dairy Science》：Hydrocolloid-specific structuring of whey and rice protein systems under pH conditions relevant to dairy foods

　　

亲水胶体（hydrocolloids）广泛用于控制乳制品及杂合乳制品配方中的稳定性和质构，但其作用强烈依赖于蛋白质类型、pH和多糖结构。本研究考察了3种结构不同的亲水胶体——阿拉伯胶（acacia gum, AG）、结冷胶（gellan gum, GG）和黄原胶（xanthan gum, XG）——如何调控乳清蛋白浓缩物（whey protein concentrate, WPC₈₀）、乳清蛋白分离物（whey protein isolate, WPI）和米蛋白（rice protein, RP）体系中pH依赖的胶体组织及流变功能。含2.0%蛋白质和0.2%多糖的蛋白质-胶体混合物在pH 3.0、4.0、5.0、6.8和7.4下制备，并采用浊度测定、视觉观察、振荡和稳态剪切流变学、动态光散射（dynamic light scattering, DLS）和主成分分析（principal component analysis, PCA）进行表征。亲水胶体类型强烈决定体系行为。含XG体系在较宽pH范围内表现出高浊度和升高黏度，表明连续相由黏度主导的结构化。GG促进最强的弹性主导流变响应，尤其在pH 4.0的乳清蛋白体系中。相反，含AG体系以较大流体动力学直径和有限弹性响应为特征，表明其为富颗粒异质体系而非弹性主导结构化。DLS和PCA证实颗粒增长与流变结构化是不同现象，因为较大流体动力学直径不一定对应弹性增加。这些结果表明，亲水胶体结构（architecture）和pH决定蛋白体系形成分散、大颗粒、黏度主导或弹性主导的功能状态。对于乳制品配方，研究结果表明仅凭浊度或粒径不能预测成构能力；在酸化乳清蛋白基及杂合乳制品型体系的预配方筛选中，应同时评估流变学和粒径分布。解释性摘要：亲水胶体常用于控制乳制品配方中的质构和稳定性，但其作用依赖蛋白类型和pH。本研究表明，结冷胶在乳清蛋白体系中促进弹性主导流变响应，黄原胶主要增加黏度，阿拉伯胶倾向形成大颗粒体系且弹性响应有限。仅凭粒径和浊度不能预测成构能力。这些发现可能支持设计具有受控黏度、物理稳定性和弹性主导结构的酸化乳清蛋白基及杂合乳制品配方。

Jagoda O. Szafrańska的论文围绕乳制品相关pH条件下亲水胶体结构特异性如何调控乳清蛋白与米蛋白体系的胶体组织和流变功能展开。研究背景在于，乳清蛋白浓缩物（WPC₈₀）和乳清蛋白分离物（WPI）因营养品质和功能特性广泛用于乳制品及高蛋白乳饮料，乳清蛋白粉也可作为减脂乳化型食品的功能组分；乳制品蛋白功能尤其溶解性和热稳定性受pH和热处理影响。亲水胶体常用于调节黏度、持水、质构和物理稳定性，但其效果依赖蛋白类型、多糖浓度及蛋白-多糖相互作用；pH、热处理、矿物组成和亲水胶体相互作用可决定蛋白保持可溶、聚集或相分离，或形成黏度发展和弹性主导结构化。结构不同的胶体可能引导不同组织路径：AG可在酸性条件下与WPI形成静电驱动复合物/凝聚层；XG为高分子阴离子多糖，具有增稠和稳定作用；GG为线性阴离子微生物多糖，具有胶凝和水凝胶形成能力。杂合乳制品及乳制品型配方中植物蛋白受到关注，米蛋白作为植物蛋白比较物，与乳清蛋白混合凝胶及乳基质流变、质构和结构相关。研究目的是确定亲水胶体类型和pH如何调控乳清蛋白体系胶体组织和流变功能，并以米蛋白作为与杂合乳制品应用相关的植物蛋白比较物；体系被设计为预配方筛选的乳制品相关模型分散体而非最终加工乳制品，以识别物理稳定和失稳条件。研究假设为亲水胶体分子结构决定蛋白体系pH依赖结构化路径，宏观功能由物理稳定性、颗粒组织和流变响应共同决定，而非仅由粒径决定。研究人员将WPC₈₀、WPI和RP分别与AG、GG、XG在pH 3.0、4.0、5.0、6.8和7.4下组合，采用浊度、视觉观察、振荡和稳态剪切流变学、DLS及PCA表征。结论表明，GG在WPC₈₀和WPI体系pH 4.0时表现最强弹性主导流变响应；XG主要形成黏度主导体系；AG倾向形成大颗粒、有限弹性响应状态；流体动力学粒径不能可靠预测流变行为。其意义在于，乳制品配方中亲水胶体选择不能仅依据浊度或粒径，预配方筛选应联合评估流变学和粒径分布。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员制备含2.0%蛋白质和0.2%多糖的蛋白-亲水胶体模型体系，在pH 3.0、4.0、5.0、6.8和7.4下冷态水合混合；原料来源包括Mlekovita的WPC₈₀、Carbery的WPI、BENEO-Remy的RP、Food Colors的AG、Sosa Ingredients S.L.U.的GG及Fufeng Group Co., Ltd.的XG。方法包括原料组成分析、OD₆₀₀浊度与视觉观察、小振幅振荡流变（G′、G′′、δ）、稳态剪切流变（0.1–100 s^?1，表观黏度η）、DLS测定Z-average与PDI，以及三因素方差分析、Tukey检验、PCA和热图分析。

研究结果如下。Composition of protein and hydrocolloid ingredients：通过原料组成分析显示，RP和WPI蛋白含量高于WPC₈₀，WPC₈₀灰分较高；GG和XG的灰分/矿物组分高于AG。结论是蛋白粉不能视为组成或功能等同，后续差异应解释为蛋白类型、亲水胶体结构、矿物组成和pH依赖相互作用的综合效应。pH-dependent physical stability of whey- and rice-protein systems：通过浊度和视觉观察发现，XG体系OD₆₀₀最高，并呈不透明和可见沉淀，尤其XG-WPC₈₀和XG-WPI跨pH范围及XG-RP在pH 6.8和7.4；AG体系低至中等浊度且沉淀有限；GG呈蛋白和pH依赖响应，RP在酸性pH浊度低，而pH 6.8和7.4尤其GG-RP浊度增加。结论是物理稳定性由亲水胶体类型、蛋白源和pH共同决定；浊度是胶体重构或物理不稳定指标，并非质构直接预测指标；出现沉淀或相分离的体系不直接适用于加工乳饮料，但保留用于界定配方稳定性边界。Rheological functionality after physical-stability screening：通过振荡和稳态剪切流变发现，GG结构化能力最强，尤其GG-WPC₈₀在pH 4.0时G′=207.5 Pa、tan δ=0.22、η=13.96 Pa·s；GG-WPI在pH 4.0时G′=27.1 Pa、tan δ=0.24、η=5.87 Pa·s，G′和黏度同时升高且tan δ<1表明弹性主导结构化。XG体系虽高浊度，但总体弹性弱于最强GG体系，主要呈黏度主导；XG-WPI在pH 4.0时G′=19.3 Pa、tan δ=0.22、η=21.10 Pa·s，XG-WPC₈₀在pH 4.0时G′=7.9 Pa、η=5.48 Pa·s，XG-WPI在pH 6.8时tan δ=25.17。AG体系整体流变结构化最弱，多数样品G′和η低，即使浊度或粒径较大；AG-WPC₈₀在pH 5.0时tan δ=21.73。结论是GG促进弹性主导流变行为，XG主要增黏，AG形成弱关联、大颗粒或分散体系。DLS characterization of colloidal organization：通过DLS测定Z-average和PDI显示，AG-WPI在pH 4.0时粒径超过5000 nm，AG-RP在pH 5.0时约4000 nm，但未伴随弹性增加；AG-RP的PDI常接近1.0，呈高度异质颗粒群；GG-WPI在pH 5.0时约2720 nm、PDI=0.93而G′很低；GG-WPC₈₀在pH 4.0时约303 nm却G′=207.5 Pa；XG体系粒径常低于100 nm但黏度较高。结论是粒径、粒径分布和流变功能反映不同组织层次，DLS应与流变学联合解释而不能独立预测质构。Multivariate analysis and operational classification of functional states：通过PCA和功能态图发现，前2个主成分解释59.3%总方差，其中PC1为35.3%、PC2为24.0%；PC1主要关联G′和η，PC2主要关联Z-average，tan δ和PDI反向贡献，证实颗粒增长与流变结构化是不同维度。功能态图显示AG体系主要为大颗粒、低弹性状态，XG主要为黏度主导状态，GG-WPC₈₀和GG-WPI在pH 4.0表现最强弹性主导响应；该分类基于视觉稳定性、浊度、DLS和流变指标，是操作筛选工具而非微观结构直接证据。结论是仅凭粒径不能预测蛋白-亲水胶体体系的技术功能。

讨论部分总结：原料组成差异提示蛋白粉不能按组成或功能等同处理；GG和XG较高灰分及离子种类可能屏蔽静电电荷并改变蛋白-多糖相互作用强度。AG虽可在酸性条件下与WPI形成静电驱动凝聚层，但本模型条件下弱流变响应表明这种关联不足以生成连续弹性网络；GG在有利酸性和离子条件下可促进增强的弹性流变行为；XG主要通过连续相增黏和稳定作用影响宏观行为；DLS证实大颗粒不等同于高弹性，小颗粒可与增黏共存，中等粒径也可对应强弹性。整体上，浊度和粒径不能可靠预测成构能力，乳制品及杂合乳制品预配方筛选应综合评价物理稳定性、颗粒组织、流变响应以及蛋白类型、pH和亲水胶体结构之间的平衡。

研究结论翻译：本研究表明，亲水胶体类型和pH是控制乳清蛋白与米蛋白体系胶体组织和流变功能的关键因素。结冷胶表现出最强的弹性主导流变响应，尤其在pH 4.0的WPC₈₀和WPI体系中。黄原胶主要产生黏度主导体系，而阿拉伯胶倾向于形成有限弹性响应的大颗粒状态。重要的是，流体动力学粒径不能可靠预测流变行为。含AG体系中的大颗粒与高弹性无关，而GG-WPC₈₀在pH 4.0时尽管流体动力学直径中等，却形成最强弹性主导响应。从乳制品配方角度看，这些发现表明亲水胶体选择不应仅基于浊度或粒径；相反，成构能力取决于颗粒组织、流变响应以及蛋白类型、pH和亲水胶体结构之间的平衡。