等电点以上热诱导WPI–LMP可溶性复合物改善乳清蛋白泡沫稳定性的机制及其天使蛋糕应用

《Journal of Dairy Science》：Improving whey protein foam stability via soluble complexation with low methoxyl pectin above the isoelectric point: Mechanisms and angel food cake application

　　

乳清分离蛋白（WPI）因其优异起泡性而被广泛认可；然而，其在食品体系中的应用受泡沫稳定性差的限制。本研究考察了WPI（4% wt/wt）与低甲氧基果胶（LMP，0–0.5% wt/wt）在pH 5.6、6.0和6.2（高于WPI等电点，pI≈5.2）下加热形成的热诱导可溶性复合物（HCPX）的起泡性质，并在以乳清蛋白浓缩物（WPC）制备的模型天使蛋糕体系中评价其功能表现。复合物表征显示，与单独加热WPI相比，HCPX形成导致更小的聚集体尺寸、更高的负表面电荷和改变的本体流变性质。Zeta电位测量表明，WPI与LMP之间的静电相互作用在0.3% LMP时达到饱和，与复合物形成pH无关。增加LMP浓度提高溶液黏度并增强剪切变稀行为，pH 5.6时效应最明显。尽管存在这些流变变化，HCPX形成对初始或平衡表面张力无显著影响，且泡沫膨胀率在所有条件下得以保持。然而，与加热WPI相比，所有HCPX体系的泡沫稳定性均显著改善，在pH 6.2且LMP浓度≥0.2%时观察到完全抗排液。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）证实HCPX泡沫中聚并和歧化减少，这与通过增加本体相黏度和增强泡沫薄层流变学而改善泡沫稳定性相一致。泡沫稳定性增强归因于本体相黏度增加和泡沫薄层流变性质增强的组合。这些功能改善成功转化至应用烘焙体系，其中以HCPX部分替代WPC使天使蛋糕体积更大、密度更低、组织更细。这些发现表明，在优化条件下WPI–LMP复合是改善乳清蛋白泡沫稳定性并直接适用于食品制造的有效策略。

研究背景与问题：WPI具有良好表面活性和快速迁移至气–水界面的能力，起泡性优异，但其泡沫易快速塌陷，缺乏许多食品应用所需的结构稳健性。蛋白–多糖复合可增稠连续相、增强界面层，但多数研究集中于pH低于WPI等电点（pI≈5.2）的酸性条件；在pH 5.6–6.2的近中性区间，WPI与LMP虽均带净负电荷，加热可暴露WPI局部阳离子斑块并与LMP羧基静电复合，该pH区间对食品体系更具实际相关性。已有研究使用卡拉胶等，但卡拉胶电荷密度高、冷却可能凝胶且存在消费者接受度问题；LMP为柑橘或苹果渣来源的清洁标签配料，中等电荷密度，可在本研究条件下形成可溶性复合物而不凝胶。因此，研究人员旨在开发清洁标签策略改善乳清蛋白起泡性能，并评估其在天使蛋糕中替代蛋清蛋白的能力。研究目标为：（i）考察pH和果胶浓度对WPI起泡性质的影响；（ii）评估所得复合物在天使蛋糕中替代蛋清蛋白的功能。

关键技术方法：以WPI（4% wt/wt）与LMP（0–0.5% wt/wt）在pH 5.6、6.0、6.2下85°C加热15 min制备HCPX；采用搅打体系测定泡沫膨胀率和1/5排液寿命；用Zetasizer、Mastersizer和Kinexus流变仪分别测定Zeta电位、粒径及本体/泡沫流变；用悬滴法测动态表面张力，CLSM观察泡沫微观结构；并以WPC为基质制作天使蛋糕，部分替代WPC并测蛋糕体积、密度和面糊屈服应力。原料来源：WPI和WPC由Grande Custom Ingredient Group提供，LMP（LM-12，甲酯化度40%）由CPKelco提供，糖和蛋糕粉本地购买。

研究结果：
预泡沫溶液的Zeta电位：4% WPI在pH 5.6、6.0、6.2的Zeta电位分别为?11.7±0.5、?14.7±1.3、?18.7±0.7 mV；加入0.1% LMP后显著更负，增至0.3%后无显著变化，表明WPI–LMP静电相互作用饱和；相同LMP浓度下pH影响不显著，结合LMP的电荷贡献主导表面电位。结论为HCPX具有较强静电排斥和胶体稳定性。
预泡沫溶液的粒径：加热WPI在pH 5.6呈多峰分布并含80 nm、7.79 μm和136 μm群体，pH 6.0聚集体较小，pH 6.2呈300 nm单分散。加入LMP改变粒径分布；pH 5.6下0.1% LMP形成243 nm与36.3 μm双峰，0.3%时大聚集体增加，0.5%时逆转；pH 6.0下0.1% LMP为298 nm单分散，0.3%出现15.3 μm大聚集体，0.5%降低；pH 6.2下≤0.3% LMP聚集体更小，0.4%出现更小更少的大聚集体。结论为LMP结合限制加热时蛋白自聚集，过量LMP可因局部相分离促进未反应蛋白聚集，pH 6.2聚集体最小。
预泡沫溶液的流变性质：加热WPI近牛顿、低黏度；随LMP浓度升高，稠度系数K增加、流动行为指数n降低，呈剪切变稀，pH 5.6效应最明显，pH 6.0次之，pH 6.2最弱。0.1% LMP仅在pH 5.6显著改变流变，与pH 5.6大聚集体出现一致；pH 6.2高LMP无大聚集体仍增黏，作者归因于 elongated HCPX颗粒及较高电荷密度引起的电黏效应。结论为果胶浓度和复合pH共同决定HCPX分散体流变特征。
预泡沫溶液的界面张力：加热WPI初始表面张力约53.5–54.2 mN/m，pH和HCPX形成均无显著影响；所有样品表面张力随时间快速下降，HCPX与加热WPI曲线接近，600 s终值略高但不显著；pH 5.6、0.5% LMP因黏度过高无法可靠悬滴测定。结论为WPI仍是主要表面活性物种，LMP复合未阻碍蛋白吸附的速率或程度。
起泡能力：加热WPI在pH 5.6、6.0、6.2的膨胀率分别为1474、1584、1596%；HCPX膨胀率1320–1563%，果胶浓度和pH均无显著影响；最低值出现在pH 6.0、0.4% LMP，仅较对照降低13%。膨胀率与125 s^?1黏度关系拟合较差（R²=0.41）；HCPX虽高黏但剪切变稀，搅打高剪切下有效黏度降低，且表面张力与吸附动力学未受损，从而维持空气混入。结论为HCPX在增黏同时保持起泡能力。
泡沫稳定性：加热WPI泡沫1/5寿命在pH 5.6、6.0、6.2分别为11、25、23 min；0.1% LMP仅轻微改善；0.2% LMP显著改善且具pH依赖性，pH 6.2泡沫8 h内无可见排液，pH 5.6和6.0分别95和452 min排液；pH 5.6在≥0.3% LMP、pH 6.0在≥0.4% LMP时完全阻止排液。pH 5.6和6.0排液与8 s^?1黏度呈较好线性（R²=0.91和0.89），pH 6.2仅R²=0.59；0.1% LMP时pH 5.6黏度0.046 Pa·s高于pH 6.2的0.014 Pa·s，但前者26 min排液、后者无排液，说明pH 6.2另有稳定机制。作者提出本体黏度增加、HCPX增强吸附蛋白层、以及较大HCPX聚集体可能的Pickering型颗粒稳定三者共同作用；pH 5.6以黏度效应为主，pH 6.2以表面层性质和颗粒效应为主，Pickering贡献为基于粒径和稳定性数据的推断而非直接证明。
泡沫的流变行为：应变扫描中所有泡沫在屈服前G′>G″；加热WPI泡沫G′最低，随LMP浓度增加G′升高，HCPX泡沫更呈类固体结构。WPI泡沫屈服应力在pH 5.6、6.0、6.2分别为10.8±1.2、6.6±1.1、15.3±3.7 Pa，加入LMP后各pH均显著增加，HCPX需更高应变才发生黏性流动。结论为HCPX形成更稳健的泡沫薄层，增强抗变形和抗塌陷能力。
泡沫微观结构：CLSM在搅打后5、15、25 min观察泡沫；初始空气相分数为47.9–65.4%，处理间无显著差异，说明稳定性差异非初始空气含量所致。加热WPI泡沫随时间发生明显聚并和歧化，25 min空气相分数在pH 5.6、6.0、6.2分别下降53%、31%、16%；HCPX在≥0.2% LMP时空气相分数和气泡形态变化可忽略。结论为HCPX泡沫抵抗聚并和歧化，与排液和泡沫流变结果一致。
天使蛋糕：WPC对照蛋糕体积320±13 mL、密度0.33±0.01 g/cm³；以pH 6.2形成的HCPX部分替代WPC，0.1%和0.3% LMP使体积显著增至401±21和372±13 mL、密度降低；0.5% LMP体积略降至342±11 mL、密度0.31±0.01 g/cm³，可能与面糊高黏限制气泡膨胀有关。WPC+游离LMP蛋糕体积仅轻度改善且低于同等LMP的HCPX蛋糕。截面显示WPC对照凹顶、底部厚密胶层；WPC+LMP仍凹顶并见大气泡；HCPX 0.3% LMP蛋糕平顶、组织细密均匀、无底部冷凝层，0.5%稍密，0.1%仍略凹。结论为热复合而非游离果胶带来更优烘焙品质。
蛋糕面糊流变：WPC对照面糊屈服应力5.99±0.11 Pa；HCPX 0.1% LMP使屈服应力近5倍增至28.7±0.3 Pa，0.3% LMP最高为42.8±1.6 Pa，并与最大蛋糕体积、最细组织和最稳定结构对应；0.5% LMP降至16.3±1.5 Pa，与较低体积和较密外观一致。WPC+LMP仅轻度增加屈服应力且显著低于同等LMP的HCPX面糊，说明HCPX面糊结构差异非仅由空气含量造成，而反映更强泡沫网络。结论为HCPX增强面糊抗重力排液和抗热塌陷能力，pH 6.2、0.3% LMP为最佳配方。

讨论与结论总结：讨论指出HCPX泡沫稳定性由本体相黏度、增强的吸附蛋白层和可能的颗粒稳定共同贡献，且各机制相对贡献随pH变化；商业化需精确控制混合pH、热处理温度时间和蛋白/果胶比例，局限包括可溶性复合物形成需较低蛋白浓度（4% wt/wt）及额外上游步骤，未来可研究连续热处理、喷雾干燥和在其他充气食品中的应用。研究结论翻译：WPI与LMP在pH 5.6–6.2（高于WPI等电点）下热诱导相互作用产生热诱导可溶性复合物，与单独加热WPI相比具有更小聚集体尺寸和更高负表面电荷。Zeta电位分析显示这些相互作用在0.3% LMP达到饱和，与复合形成pH无关。增加LMP浓度逐步提高溶液黏度并增强剪切变稀行为，pH 5.6形成的HCPX效应最明显。尽管黏度增加，HCPX保持高膨胀率且表面张力无可测影响。HCPX最显著功能优势是泡沫稳定性显著改善。在LMP浓度≥0.2%时，pH 6.2形成的HCPX与单独加热WPI相比表现出完全抗排液。这种增强稳定性归因于本体相黏度增加和泡沫薄层流变性质增强的组合，表现为HCPX泡沫G′和屈服应力升高。CLSM数据进一步证实抗聚并和抗歧化。直接界面流变表征仍是未来重要方向。模型泡沫体系中的功能改善成功转化至应用食品基质。在天使蛋糕中以优化配方的HCPX部分替代WPC显著提高蛋糕体积、外观和整体品质。总体而言，这些发现表明优化条件下制备的HCPX具有优越起泡功能，并为改善乳清蛋白配料的烘焙性能提供有意义的商业潜力。