脉冲电场(PEF)技术对乳清蛋白分离物(WPI)的影响

《Journal of Dairy Science》：Impact of pulsed electric field technology on whey protein isolate

　　

摘要：研究人员采用市售脉冲电场(pulsed electric field, PEF)系统，在喷雾干燥前对总固形物含量23%的乳清蛋白分离物(whey protein isolate, WPI)溶液进行PEF处理。本研究设3个试验组，PEF参数为场强(field strength)17–21 kV/cm、比能量(specific energy)8–15 kJ/L。PEF处理使料液表观黏度(apparent viscosity)在24 h内最大降低32.8%，喷雾干燥粉末的溶解性(solubility)最高提升12.2%，乳化活性指数(emulsifying activity index, EAI)和乳化稳定性指数(emulsifying stability index, ESI)较未处理对照组分别提高6.5倍和250%。通过凝胶电泳(gel electrophoresis)、圆二色光谱(circular dichroism, CD)、荧光光谱(fluorescence spectroscopy)及差示扫描量热法(differential scanning calorimetry, DSC)评估蛋白结构，最高强度PEF处理仅引起CD检测到β?折叠(β?strand)的轻微变化，中、高强度PEF处理影响荧光强度，DSC显示变性焓(denaturation enthalpy)升高。这些微小结构变化可解释PEF处理WPI理化及功能性质的改变。本研究首次报道使用商业相关浓度WPI在流通式PEF处理室中以170 L/h流速经PEF处理后的物理及功能性质数据。

论文解读：《Impact of pulsed electric field technology on whey protein isolate》——发表于《Journal of Dairy Science》

乳清蛋白含全部必需氨基酸、生物价高且富含支链氨基酸，全球乳清蛋白市场价值约120亿美元，工业化需求持续增长。乳清蛋白浓缩物(whey protein concentrate, WPC，蛋白≥70%)和乳清蛋白分离物(whey protein isolate, WPI，蛋白≥90%)通常在浓缩至约25%总固形物后喷雾干燥，但更高浓度会导致料液黏度过高、出现沉降，限制进一步浓缩，且喷雾干燥能耗高、效率低，成为制约产能的瓶颈。脉冲电场(pulsed electric field, PEF)是非热加工技术，可通过调整场强(field strength, kV/cm)和比能量(specific energy, kJ/L)微调处理效果，已有研究表明PEF可降低WPC/WPI溶液黏度、改善溶解性与乳化性，并在工业规模乳制品加工中具有应用潜力，但此前缺乏对工业相关浓度(～23%总固形物)WPI在连续流PEF系统中处理效果的系统性研究。因此研究人员以23%总固形物WPI浓溶液为对象，采用商用连续流PEF系统处理，考察PEF对料液理化功能性质、喷雾干燥粉末性质及WPI蛋白多级结构的影响，以评估PEF技术在WPI粉生产工艺中集成的可行性。

为开展本研究，研究人员从美国爱达荷州Agropur奶酪厂经超滤和离子交换后的WPI浓溶液储罐取样(总固形物22.76±0.90%，pH 7.3，电导率2.30 mS/cm)，使用Elea PEF Pilot Dual系统配备DN?10流通池，以170 L/h流速单次通过，设置低(17 kV/cm，8 kJ/L)、中(19 kV/cm，12 kJ/L)、高(21 kV/cm，15 kJ/L)三组PEF处理，未通电对照组同等条件泵送；PEF处理后料液与对照均经实验室喷雾干燥(进风180°C，出风80–90°C)得粉末(水分≈3%，蛋白90.24±0.54%)。主要检测指标与方法包括：Brookfield锥/板流变仪测浓缩液表观黏度(apparent viscosity)；重量法测定30%(m/m)复溶粉末溶解性(solubility)；浊度法测乳化活性指数(emulsifying activity index, EAI)与乳化稳定性指数(emulsifying stability index, ESI)，手工摇泡法测起泡过载(foam overrun, FO)与泡沫体积保留率(foam volume, FV)；动态光散射测复溶样品粒径与ζ电位(zeta potential)；还原SDS?PAGE分析一级结构；圆二色光谱(circular dichroism, CD，180–270 nm)结合DichroWeb(CDSSTR算法，Reference Set 4)分析二级结构；荧光分光光度计(激发290 nm，发射305–400 nm)分析三级结构(色氨酸微环境)；Nano DSC(升温20–100°C，1°C/min)分析变性温度(T_d)与变性焓(ΔH)；所有实验三重复，Student's t检验(P<0.05)判定显著性。

PEF Treatment

WPI浓溶液经PEF单次通过，料温由7.3°C升至最高13.7°C，无热损伤迹象。PEF处理组电导率较对照(2.30 mS/cm)升高11.68%–16.09%，pH保持7.3不变。

Physical and Functional Properties — Apparent Viscosity

PEF处理后料液4°C保存约20 h测定，各组PEF均显著降低表观黏度：低强度组降幅最大(19.67→13.22 cP，降低32.8%)，中、高强度组分别降至14.48 cP(降26.4%)和14.40 cP(降26.8%)。黏度降低归因于PEF诱导蛋白极化及轻微展开增强蛋白?水相互作用，有利于降低管路输送能耗并提高喷雾干燥前处理效率。

Physical and Functional Properties — Concentrate Solubility

30%(m/m)复溶喷雾干燥WPI粉末溶解度随PEF强度增加而升高：低、中强度组分别为60.91%(↑5.7%)和60.84%(↑5.6%)，高强度组达64.64%(↑12.2%，具统计学显著性)。溶解度提升同样与蛋白?水相互作用增强有关，高溶解性有利于终端产品冲调性能。

Physical and Functional Properties — Emulsification and Foamability

EAI方面，低强度组与对照(0.4030 m²/g)无差异，中强度组升至0.4779 m²/g(↑18.5%)，高强度组大幅升至3.0309 m²/g(为对照6.5倍)。ESI方面，低、中强度组略增至约105–106 h(对照96.25 h)，高强度组增至337.50 h(较对照↑250%)。起泡过载(FO)与120 min泡沫体积保留率(FV)各处理组与对照均无显著差异，表明PEF不影响WPI起泡能力与泡沫稳定性。

Physical and Functional Properties — Particle Size and Zeta Potential

低、中强度PEF对复溶WPI平均粒径(对照164.3 nm)和多分散指数(polydispersity index, PDI，对照0.532)无影响；高强度PEF使平均粒径增至222.5 nm、PDI降至0.290，源于<100 nm小颗粒减少、发生弱相互作用形成较均一中大颗粒，未见聚集峰(～5500 nm大颗粒在对照和处理组均少量存在且未增加)。ζ电位各处理组(－31.50 mV左右)与对照无显著差异，绝对值>30 mV表明胶体稳定，PEF未改变表面电荷。

Structural Properties — Gel Electrophoresis – Protein Primary Structure

还原SDS?PAGE条带显示α?乳白蛋白(～14.2 kDa)、β?乳球蛋白(～18.3 kDa)、免疫球蛋白G重链(～55 kDa)及牛血清白蛋白(～66.3 kDa)，PEF处理组与对照条带位置及强度一致，表明所用PEF参数未破坏WPI一级结构(肽键完整)。

Structural Properties — Circular Dichroism – Protein Secondary Structure

CD远紫外区(180–270 nm)光谱形状及各处理组与对照相似，经DichroWeb解卷积，仅最高强度PEF处理使β?折叠(β?strand)含量由31.7%微降至30.3%(具显著性)，α?螺旋(α?helix)、β?转角(β?turn)、无规卷曲(random coil)比例均无显著变化，说明PEF对WPI二级结构影响极轻微。

Structural Properties — Fluorescence Spectroscopy – Protein Tertiary Structure

激发290 nm下最大荧光强度：对照114.6 a.u.，低强度组115.6 a.u.(微升)，中强度组117.5 a.u.(显著升高，指示芳香族/疏水残基更多暴露于溶剂)，高强度组降至109.4 a.u.(显著降低，可能因小颗粒相互作用形成较大聚集体使疏水残基埋入内部)。表明中强度PEF引起三级结构轻微展开，高强度下发生有限的分子间缔合但未形成不可逆聚集。

Structural Properties – Differential Scanning Calorimetry – Protein Thermal Properties

DSC热谱图及变性温度(T_d≈65°C和83°C)在PEF处理组与对照间无显著差异，但变性焓(ΔH)随PEF强度递增而显著升高，即需更多热能才能使PEF处理WPI发生热变性，反映PEF诱导的结构重排使蛋白热稳定性略有增强。

Comparison to PEF Treatment of Reconstituted WPC

与前期对10%(m/v)复溶WPC的PEF研究相比，23%总固形物WPI浓溶液PEF效应更明显——黏度降幅更大(最大32.8% vs 6.32%)、溶解度提升更显著(最大12.2% vs 2.13%)、EAI与ESI增幅更大(分别达652%和250% vs 16%和179%)，且高浓度WPI在荧光强度和ΔH上出现可检测的结构变化，而复溶WPC无结构改变，说明较高浓度料液中更多蛋白分子受电场作用产生改性效果。

讨论与结论翻译

本工作表明PEF技术可改善WPI粉生产的工艺效率与产品质量。低强度PEF(17 kV/cm，8 kJ/L)使浓缩液黏度降幅最大(32.8%)；高强度PEF(21 kV/cm，15 kJ/L)使喷雾干燥WPI粉末溶解度提升最大(12.2%)，并使EAI提高6.5倍、ESI延长2.5倍。所试PEF参数范围内均未观察到蛋白聚集。荧光光谱显示三级结构有轻微变化(中强度升高、高强度降低荧光强度)，DSC显示随PEF强度增加变性焓升高，表明蛋白热变性需更多能量。本研究以工业相关浓度的WPI浓溶液和具备处理设施所需通量的商用PEF系统开展试验，为在WPI粉生产线中集成PEF技术提供了依据。未来研究应记录PEF处理后WPI浓溶液在不同暂存时间下的黏度与粒径变化，以进一步明确暂存效应对喷雾干燥前料液性质的影响。