理解复配胶束酪蛋白分散体系中冷凝胶形成的机制

《Food Hydrocolloids》：Understanding the mechanism of cold gel formation in reconstituted micellar casein dispersions

　　

摘要

微胶束酪蛋白浓缩物在低温下的凝胶化现象给高蛋白即饮乳制品的配方设计带来了巨大挑战，尤其是在冷藏条件下。本研究探讨了蛋白质浓度对微胶束酪蛋白浓缩物低温凝胶化行为的影响，并揭示了其背后的微观机制。研究人员制备了蛋白质含量为5–23%的微胶束酪蛋白浓缩物分散液，通过粒径分析、ζ电位测定、可溶性钙含量检测、尿素-PAGE分析、透射电子显微镜观察以及流变学测试等方法研究了样品的物理化学性质。随着温度从60°C降至5°C，微胶束的水动力直径从120纳米增加到150纳米，ζ电位则从-22毫伏变为-26毫伏。透射电子显微镜图像显示，冷却后微胶束会出现膨胀并紧密堆积。此外，钙离子浓度的上升以及β-酪蛋白向溶液相的迁移，使得微胶束结构变得更加松散，类似海绵状。

低温凝胶化转变温度会随着蛋白质浓度的增加而上升。对低温凝胶化数据的模型拟合表明，当蛋白质浓度超过16.4%时，低温凝胶化现象会显著加剧。在5°C的冷藏条件下，凝胶结构会持续强化，储存模量G′值上升，频率依赖性降低，这表明形成了更为稳定的弹性网络。软球模型拟合结果显示，酪蛋白微胶束的体积分数等参数是影响微胶束间相互作用强度的关键因素，进而决定了长期储存过程中凝胶强度的提升。总体而言，研究结果表明，低温凝胶化主要是由酪蛋白微胶束的浓度依赖性膨胀、变形以及堵塞作用所驱动的。这些发现有助于优化基于酪蛋白的高蛋白饮料配方。

引言

酪蛋白因其多种功能性特性而被广泛应用于乳品、食品和制药行业，这些特性包括保水、起泡、打发、乳化、改善质地以及提供营养价值。酪蛋白主要以称为酪蛋白微胶束的大型水合结构存在。在牛奶中，主要有四种酪蛋白组分，即α_s1、α_s2、β-酪蛋白和κ-酪蛋白，它们的比例大致为4:1:3.5:1.5（Dalgleish 2011）。最新的结构模型表明，各种酪蛋白组分通过疏水相互作用、静电相互作用和氢键的作用，结合胶体磷酸钙桥接，共同形成微胶束结构。其中，α_s1、α_s2和β-酪蛋白通常位于微胶束的内部，而κ-酪蛋白则覆盖在微胶束的外表面，为微胶束提供负电荷并起到空间阻碍作用，从而提升微胶束的稳定性（Horne, 1998; Dagliesh & Corredig, 2012; McMahon and Oommen, 2012; Holt et al., 2013; Anema, 2026）。已知β-酪蛋白和胶体磷酸钙会随着温度的变化而在微胶束内外移动（M?ller et al., 2023），温度还会影响酪蛋白微胶束的膨胀与收缩状态（N?bel et al., 2012; de kruif et al., 2015）。pH值和离子强度等其他因素也可能影响微胶束结构的完整性、水合状态以及膨胀程度（Sinaga et al 2017）。

微胶束酪蛋白浓缩物是通过微滤（0.1-0.2微米）以及用水或牛奶中的血清组分进行渗滤处理，从脱脂牛奶中提取得到的。微滤过程可以去除乳清蛋白、乳糖和可溶性矿物质，同时保持酪蛋白微胶束的天然状态，因此微胶束酪蛋白浓缩物成为高蛋白乳饮料配方中的重要功能性成分（Grossbier, 2016）。不过需要指出的是，微滤和渗滤过程可能会对酪蛋白微胶束产生一定影响，具体来说，微胶束中的某些酪蛋白组分可能会溶解到分散液中（Co?kun et al., 2022; Raak et al., 2023）。在浓缩过程中，压力或剪切力还可能导致微胶束拉长，表面变得更为平滑（Christiansen et al., 2021; Gebhardt, 2014; Nair and Corredig, 2015）。

干燥形式的微胶束酪蛋白浓缩物在食品和饮料行业中越来越受到重视，因为它能够提供较高的蛋白质含量、纯净的风味，且消化速度较慢，非常适合用于即饮乳制品的生产。酪蛋白的微胶束结构有助于形成稳定的胶体悬浮液，从而在不影响饮料口感和质地的前提下，保留其感官和营养价值。然而，蛋白质含量为10-20%的即饮乳制品在冷藏储存时面临着稳定性方面的问题。当蛋白质浓度高于15%时，微胶束酪蛋白浓缩物在冷却后会形成凝胶，这给那些需要具备良好口感和质地、且保质期较长的即饮乳制品的开发带来了困难（Zad Bagher Seighalani et al, 2021; Dunn et al., 2021; Lu et al., 2015; 2016; Hammam et al., 2021）。解决这些稳定性问题对于将微胶束酪蛋白浓缩物成功应用于商业即饮乳制品中、进一步提升其在该市场领域的应用前景至关重要。

在高浓度微胶束酪蛋白浓缩物中，低温下凝胶的形成与pH值和钙离子的螯合作用有关（Pougher et al., 2024）。虽然过去有一些研究试图解释这类分散液的流变学行为（Pougher et al., 2024; Zad Bagher Seighalani, 2021; Lu et al., 2015; 2016; N?bel et al., 2012），但低温凝胶形成的确切机制至今仍未明确。因此，本研究的目的是利用先进的流变学技术、透射电子显微镜、电泳技术以及粒径测量方法，探究高浓度微胶束酪蛋白浓缩物水溶液在冷却及冷藏过程中的微观结构变化、尺寸变化以及重排行为，从而了解低温凝胶化的机制。对这些参数的系统性研究有助于深入了解酪蛋白微胶束在冷却和冷藏过程中的结构动态，确定促进或抑制微胶束酪蛋白浓缩物低温凝胶化的关键阈值和条件。

章节节选

材料

微胶束酪蛋白浓缩物粉末（蛋白质含量为81.92%，酪蛋白与乳清蛋白的比例大于95:5）由Leprino Foods公司提供。实验室自行制备蒸馏水，LCMS级水则从Fisher Scientific公司购买，丙酮则从Sigma-Aldrich公司购买。用于透射电子显微镜样品制备的试剂包括：甲醛/戊二醛2.5%的钠钙 Codylate缓冲液、四氧化锇、Embed-812、十二烯基琥珀酸酐、Nadic甲酸酯、苯基二甲胺等。

粒径、超微结构与ζ电位

图1A展示了酪蛋白微胶束的平均水动力直径在冷却过程中的变化情况。实验结果显示，随着温度从60°C降至5°C，酪蛋白微胶束的水动力直径从119.8 ± 3.06纳米上升至149.2 ± 4.19纳米。虽然仅凭水动力直径的增加还不能确定微胶束发生了膨胀，但这通常反映出颗粒尺寸有所增大，而颗粒尺寸的变化也可能源于微胶束的水合状态、聚集状态等方面的改变。

讨论

复原后的微胶束酪蛋白浓缩物分散液在低温下出现凝胶化现象，这一现象可以通过酪蛋白微胶束在冷却及冷藏过程中的结构重排来解释。我们认为，冷却过程促使β-酪蛋白和胶体磷酸钙逐渐从酪蛋白微胶束结构中迁移到基质的水相中，也就是迁移到膨胀的微胶束内部及其周围区域（见图10）。

酪蛋白中的胶体磷酸钙纳米簇……

结论

总体而言，研究结果表明，微胶束酪蛋白浓缩物的低温凝胶化是由微胶束膨胀、钙离子重新分布、β-酪蛋白迁移以及浓度引发的堵塞作用共同作用的结果，而非等电点聚集作用所致。显然，β-酪蛋白的迁移以及胶体磷酸钙的溶解都是随时间变化而发生的现象，它们在储存过程中对凝胶网络的强化起着关键作用。本研究提出的机制框架为后续的配方设计提供了理论基础。

CRediT作者贡献说明

Md Asaduzzaman：负责原文撰写、可视化处理、方法设计、正式分析以及概念构思工作。Jasper Shekin J：负责原文撰写、方法设计、正式分析、数据整理工作。Prateek Sharma：负责文本审阅与编辑、可视化处理、研究指导、资源协调、资金筹集、数据整理以及概念构思工作。

未引用参考文献

Avallone等人，2022年；Bouchoux等人，2009年；de Kruif等人，2015年；Holt，1998年；Holt等人，1998年；Huppertz等人，2017年；Liu等人，2013年；Rouwhorst等人，2021年。

利益冲突声明

作者声明在本研究中不存在任何利益冲突，且所有作者均已同意发表该论文。

数据可用性

数据可根据需求提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了美国农业部国家食品与农业研究所的农业与食品研究计划竞争性资助项目——基础与应用科学计划的支持，项目编号为2023-67018-40750。此外，部分研究工作还得到了犹他州农业试验站、犹他州立大学的支持，该研究作为期刊论文的编号为UAES #9800。本研究中使用的商品名并不代表犹他州对其的认可。

Jasper Shekin J|Md Asaduzzaman|Prateek Sharma

犹他州立大学营养、饮食与食品科学系，美国犹他州洛根市老主山路8700号，邮编84322