牛、水牛、山羊和骆驼乳清蛋白提取及纤维化特性的比较研究

《Food Hydrocolloids》:Comparative Study on the Extraction and Fibrillization Properties of Whey Protein from Cow, Buffalo, Goat and Camel

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月27日 来源:Food Hydrocolloids 13.8

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   摘要不同奶源的乳清蛋白已从副产品演变为食品工业中具有重要商业价值的成分,但其功能特性(如纤维化)仍缺乏充分的比较。本研究提取并纯化了牛、水牛、山羊和骆驼乳清蛋白,并系统地比较了它们的理化性质、纤维化行为以及纤维结构和功能。与高温灭菌相比,巴氏杀菌能更好地保留乳清蛋白的可提取性

  

摘要

不同奶源的乳清蛋白已从副产品演变为食品工业中具有重要商业价值的成分,但其功能特性(如纤维化)仍缺乏充分的比较。本研究提取并纯化了牛、水牛、山羊和骆驼乳清蛋白,并系统地比较了它们的理化性质、纤维化行为以及纤维结构和功能。与高温灭菌相比,巴氏杀菌能更好地保留乳清蛋白的可提取性,并确定 pH 4.1 为常见的酪蛋白沉淀条件。牛、水牛和山羊乳清蛋白主要由β-乳球蛋白和α-乳白蛋白组成,而骆驼乳清蛋白天然缺乏β-乳球蛋白。水牛和山羊乳清蛋白纤维表现出形态特征、组装模式和功能特性与牛乳清蛋白纤维相似,纤维化伴随着从无规卷曲/α-螺旋向有序β-折叠的构象转变。相比之下,骆驼乳清蛋白在相同条件下未能形成纤维,表明在所施加的条件(90°C, pH 2)下,β-乳球蛋白是参与纤维化的主要成分。本研究发现牛、水牛和山羊乳清蛋白纤维在结构和功能上具有高度相似性,并突出了骆驼乳清蛋白的物种特异性组成。这些发现为特色乳清蛋白的高值化利用提供了理论基础。

引言

乳清蛋白已从历史上未被充分利用的奶酪和酪蛋白制造副产品演变为食品工业中的主流高价值成分。全球每年产生超过 2 亿吨液态乳清 (Mukherjee, Raj, & Sivaprakasam, 2023)。乳清蛋白成分,如β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、免疫球蛋白、乳铁蛋白和乳过氧化物酶,具有优异的营养价值和多样的功能特性,并引起了广泛关注 (Bo?ani?, Barul?i?, Lisak Jakopovi?, & Tratnik, 2023; Yadav, et al., 2015; Zandona, Bla?i?, & Re?ek Jambrak, 2021)。在临床营养中,乳清蛋白预负荷已被证明能有效调节食欲,减少热量摄入,并改善超重和肥胖成年人的身体成分,同时还能降低慢性阻塞性肺疾病患者的炎症并增加肌肉量 (Ahmadi, et al., 2020; Tahavorgar, Vafa, Shidfar, Gohari, & Heydari, 2014)。在配方食品中,水解乳清蛋白支持婴儿正常生长,并表现出良好的安全性和耐受性 (Picaud, et al., 2020)。作为食品成分,乳清蛋白可以改善产品的质地特性、持水能力和营养价值 (Ammar, et al., 2021; Foegeding, Davis, Doucet, & McGuffey, 2002)。然而,天然乳清蛋白表现出热稳定性低、凝胶强度不足和乳液储存稳定性低等局限性,这限制了进一步的加工和开发 (L. Liu, et al., 2025; Yu, He, Ke, & Jacquier, 2025; Zhang, et al., 2025)。
乳清蛋白的纤维化已被广泛研究,并被越来越多地用于增强蛋白质的功能特性。在酸性 pH 条件下受控加热下,乳清蛋白发生展开和肽重排,随后自组装成具有高纵横比、丰富表面基团和强机械强度的纳米纤维 (Akkermans, et al., 2008; Bolisetty, Adamcik, & Mezzenga, 2011; Cao & Mezzenga, 2019; Goldschmidt, Teng, Riek, & Eisenberg, 2010; Pan & Zhong, 2015)。由于其独特的结构和化学特征,乳清蛋白纤维已被应用于远超传统食品质构化的广泛领域。例如,乳清蛋白纤维已被制成高效吸附膜,用于从受污染的水中去除重金属和有机污染物 (Bolisetty & Mezzenga, 2016; Peydayesh, et al., 2020)。在健康和营养领域,乳清蛋白纤维已被证明可作为铁强化的有效载体,在保持胶体稳定性的同时显著提高其生物利用度 (Shen, et al., 2017)。最近,由乳清蛋白纤维形成的凝胶显示出作为口服预防制剂的潜力,能够通过将乙醇转化为醋酸在进入血液流之前催化降低血液酒精水平 (Su, et al., 2024)。这些跨越环境修复到预防医学的多样化应用,突显了乳清蛋白纤维卓越的技术通用性。
目前,绝大多数商业乳清蛋白产品源自牛乳,而水牛、山羊和骆驼等特种奶源合计占全球乳清产量的 20% 以上,但作为纯化的乳清蛋白来源仍 largely 未得到开发 (FAOSTAT, 2024)。近年来,特色乳清蛋白的研究主要集中在化学成分和营养功能上。水牛乳清蛋白的成分与牛乳清蛋白高度相似,并且在水解后可释放具有免疫调节、抗炎和抗菌活性的肽 (Grando, et al., 2024; R. Liu, et al., 2024; Qiong Zhao, Fu, Zheng, & Huang, 2025)。山羊乳清蛋白富含具有抗氧化特性的蛋白质,其水解物显示出调节脂质和碳水化合物代谢的潜力 (Borba, et al., 2025; Sansi, et al., 2026)。骆驼乳清蛋白天然缺乏β-乳球蛋白,富含生物活性成分,表现出免疫增强、抗炎、抗癌、抗菌、抗糖尿病和抗病毒效应 (Badr, et al., 2017)。然而,从这些特种奶源提取的乳清蛋白的纤维化行为、纤维结构及其产生的功能特性仍未被表征。这种对单一奶源的狭义关注不仅限制了非牛乳制品链的增值潜力,也使行业缺乏明确的指导,即现有的牛乳清蛋白技术是否可以转移到其他乳清流中。
因此,本工作选择在中国原奶产量排名前五的四类奶源——牛、水牛、山羊和骆驼(图 S1)——并对它们的乳清蛋白进行了并排比较。目的是:(i)优化适用于所有四种乳清类型的通用提取方案;(ii)系统比较它们的基本理化性质;(iii)研究它们的纤维化动力学、纤维形态。通过解决这些问题,本研究旨在拓宽特色乳清蛋白的应用场景,并支持乳制品行业资源的充分利用。

章节摘要

材料

超高温瞬时灭菌(UHT)和巴氏杀菌牛奶购自金典(上海,中国)。UHT 水牛奶购自壮牛(广西,中国);巴氏杀菌水牛奶购自法大格(广东,中国)。UHT 羊奶购自九羊(辽宁,中国);巴氏杀菌羊奶购自秦牧(陕西,中国)。UHT 骆驼奶购自源溪玉(新疆,中国);巴氏杀菌骆驼奶购自驼振洋(甘肃,中国)。

四种奶源乳清蛋白的提取

来自四种不同来源的牛奶——包括牛、水牛、山羊和骆驼——被用作乳清蛋白提取的原料。提取过程如图 1a 所示,遵循等电点沉淀法 (Campos, et al., 2022; Jafar, Kamal, Mudgil, Hassan, & Maqsood, 2018; Toro-Sierra, Tolkach, & Kulozik, 2013) 并稍作修改,包括脂肪分离、酪蛋白沉淀、透析、离心和冷冻干燥。为了系统地比较...中的差异

结论

本研究系统比较了牛、水牛、山羊和骆驼乳清蛋白的提取和纤维化特性。牛、水牛和山羊乳清蛋白形成了具有相似形态特征、组装模式和功能特性的纤维,纤维化伴随着从无规卷曲/α-螺旋向有序β-折叠的构象转变。牛、水牛和山羊乳清蛋白纤维在结构和功能上的高度相似性表明...

CRediT 作者贡献声明

Wenzhe Jia: 写作 - 初稿,方法论,调查,形式分析,数据管理。Xihua Liu: 可视化,方法论,数据管理。Shuangjian Li: 方法论,数据管理。Saiya Li: 方法论,数据管理。Cuixia Sun: 验证。Yiguo Zhao: 验证。Wei Lu: 验证。Yiping Cao: 写作 - 审阅和编辑,资金获取,概念化。Xiaoyang Li: 写作 - 审阅和编辑,监督,资金获取。Yapeng Fang: 监督,资金

未引用参考文献

Ge et al., 2022; Liu et al., 2022; Liu and Zhong, 2013; Recio et al., 1997; vandenAkker et al., 2011; Zhao et al., 2025; Zhao et al., 2023.

竞争性利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能被认为影响了本文中报告的工作。我们确认草稿中的数据和研究均未公开或发表。

数据可用性

数据可根据要求提供。

竞争性利益声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能被认为影响了本文中报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金 (22261142665 和 32402018) 的支持。
Wenzhe Jia|Xihua Liu|Shuangjian Li|Saiya Li|Cuixia Sun|Yiguo Zhao|Wei Lu|Yiping Cao|Xiaoyang Li|Yapeng Fang
上海交通大学农业与生物学院食品科学与工程系,中国上海 200240
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