乳制品副产物中回收富含酪蛋白粉末的组成及其界面功能特性

《Journal of Dairy Science》：Composition and interfacial functionality of casein-rich powders recovered from dairy side-streams

　　

专业摘要翻译：从乳制品副产物中回收的富含酪蛋白粉末（casein-rich powders）可提供功能性乳蛋白配料，但其依赖于组成的界面性能仍未得到充分表征。本研究通过酸沉淀法（acid precipitation）从脱脂乳（skim milk）、变质脱脂乳（spoiled skim milk）、全脂乳（whole milk）以及抗生素停药期生乳（antibiotic-withdrawal raw milk）中回收富含酪蛋白的粉末，并将其与商业酪蛋白（commercial casein）进行比较。研究人员对所回收粉末进行了近似组成分析（proximate composition）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance, FTIR-ATR）、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（sodium dodecyl sulfate-PAGE, SDS-PAGE）、差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）、热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）、在3种植物油中48小时内的乳化能力（emulsifying capacity）、60分钟内的发泡性能（foaming performance）、持水性与持油性（water- and oil-holding capacity）以及NIH/3T3成纤维细胞中的初步细胞相容性（preliminary cytocompatibility）。脱脂乳和变质脱脂乳来源的粉末蛋白质高度富集，并显示出与商业酪蛋白大致相当的酰胺I带和酰胺II带、电泳图谱及热降解模式。相比之下，全脂乳和抗生素停药期生乳来源的粉末含有较高的残留脂质组分，表现为酯羰基（ester carbonyl）和脂肪族C–H键（aliphatic C–H）吸收带以及与脂质相关的热转变。这些组成差异与较低的早期乳化能力和降低的泡沫稳定性相关，尤其是在全脂乳来源的粉末中；而脱脂乳来源的粉末表现出更接近商业酪蛋白的界面性能。在测试的体外条件下，细胞活力保持在细胞毒性阈值以上，但这些数据并不能确定食品或生物材料安全性。总体而言，研究结果表明，酸沉淀法可以从异质乳制品副产物流中回收富含酪蛋白的粉末，但其界面功能性随共回收组分，尤其是残留脂质和矿物质相关物质的变化而变化。这些发现支持进一步开发乳制品副产物来源的富含酪蛋白粉末，作为适用于胶体食品及相关界面系统的组成可调配料。解释性摘要：本研究评估了能否从乳制品副产物流中回收富含酪蛋白的粉末并将其用作功能性配料。从脱脂乳和变质脱脂乳中回收的粉末富含蛋白质，并显示出接近商业酪蛋白的界面特性；而从全脂乳和抗生素停药期生乳中回收的粉末则更容易受到共回收脂质和矿物质的影响。结果表明，乳制品副产物流可以转化为组成可调的富含酪蛋白粉末，但在食品或受监管应用之前，仍需进行安全性和纯度验证。

论文解读文章：

一、研究背景与问题

酪蛋白（casein）是牛乳中的主要蛋白质，因其柔性两亲性分子结构和在油-水或空气-水界面形成黏弹性界面膜的能力，被广泛用作水包油乳液和泡沫的界面稳定剂。然而，酪蛋白的功能特性高度依赖于其组成以及共回收组分，包括残留脂质、矿物质以及部分水解的磷酸肽，这些成分可能改变吸附动力学和界面膜内聚力。在零浪费制造和食品副产物循环回收日益受到重视的背景下，一个关键未解问题在于：从异质乳制品副产物流中回收的富含酪蛋白粉末，是否能够保留与胶体食品体系相关的化学和功能特性。乳制品生产中，牛奶可能因抗生素治疗和停药期、乳腺炎相关质量缺陷、处理储存过程中的变质而被分流。这些流仍富含蛋白质，具有作为替代原料的潜力，但其工业价值取决于回收粉末是否保留有用的技术功能特性。来源不同的乳基质在微生物状态、脂质负荷、矿物质平衡和加工历史方面存在差异，可能产生蛋白质富集程度、聚集状态、水化行为和界面性能各异的粉末。因此，建立流来源、粉末组成与功能之间的关联，可帮助乳品加工商判断哪些分流乳适合开发功能性配料，哪些需要额外组成控制，如脱脂或矿物质标准化，哪些更适合非食品再利用途径。以往乳制品废弃物增值研究多集中于回收可行性或下游材料开发，而非系统比较组成差异较大的乳源所回收酪蛋白粉末是否具有功能上可比的乳蛋白配料特性。为此，研究人员提出假设：等电沉淀法可从不同乳制品流中回收保留主要酪蛋白化学和热学特征的富含酪蛋白粉末，但其技术功能性能将因流特有组成而异；脱脂乳来源粉末应具有更接近商业酪蛋白的界面行为，而全脂乳和抗生素停药期生乳来源粉末因脂质共回收、矿物质相关物质及聚集状态变化而表现出更大的功能偏差。

二、研究内容与总体结论

研究人员采用等电沉淀法（isoelectric precipitation）从脱脂乳（SM）、变质脱脂乳（SSM）、全脂乳（WM）和抗生素停药期生乳（AWRM）中回收富含酪蛋白粉末，并以商业酪蛋白（CCM）为参考。研究结合FTIR-ATR、SDS-PAGE、DSC、TGA与定量乳化、发泡、持水持油测定，系统评估粉末的结构完整性和功能性能，并识别导致偏差的流特异性因素。结果表明，酸沉淀法可从异质乳制品副产物流中回收富含酪蛋白的粉末，但其界面功能随粉末组成变化。脱脂乳和变质脱脂乳来源粉末具有高蛋白富集度、保留酪蛋白样光谱和电泳特征，界面性能接近商业酪蛋白；全脂乳和抗生素停药期生乳来源粉末表现出较低早期乳化能力和有限的泡沫形成，主要与有效蛋白质可用性降低及残留脂质、矿物质相关物质等共回收成分有关。该研究支持进一步开发乳制品副产物来源的富含酪蛋白粉末作为组成可调的胶体食品配料。

三、主要关键技术方法

研究人员从4种乳源各进行3批独立提取（n=3），每批处理1 L乳（变质脱脂乳每批2 L）；全脂乳和抗生素停药期生乳在沉淀前采用重力法部分奶油分离（4°C 24 h，后40°C 30 min促进乳脂上浮并去除脂肪层）。添加CaCl₂（2.0 g/L）促进钙介导的酪蛋白胶束聚集，用冰乙酸调节至pH 4.60±0.02形成凝乳，经洗涤、冷冻干燥、研磨得粉末。样品队列来源明确：SM、WM为市售UHT乳；SSM为市售UHT变质脱脂乳（未表征微生物特性，视为非标化概念模型）；AWRM为供应商报告曾用Albipen治疗史的冷冻生乳（未做抗生素残留定量分析）。主要表征技术包括：凯氏定氮法和索氏提取等近似组成分析；FTIR-ATR（4000–400 cm^-1）；SDS-PAGE；DSC（0–300°C）；TGA（25–600°C）；均质乳化实验（3种植物油、48 h）；高速搅拌发泡实验（60 min）；持水/持油能力测定；NIH/3T3成纤维细胞MTT细胞活力初步评估；并使用R软件进行统计分析和探索性主成分分析（PCA）。

四、研究结果

（1）表观回收率与近似组成
CSSM的平均表观回收率（AR）最低（66.82±14.10%），CWM最高（201.42±4.86%）。CWM蛋白含量最低（45.9%）、脂肪含量最高（45.3%），表明其高回收质量主要由脂质共回收驱动；CAWRM灰分最高（4.7%）提示矿物共回收作用。CSM和CSSM蛋白含量分别达90.0%和89.5%，脂肪仅0.2%和0.1%，显示脱脂乳源有效蛋白富集。

（2）乳化性能
在橄榄油、葵花油和甜杏仁油中，CSM和CSSM在1 h和5 h表现出与CCM相当的乳化能力（E_t），且CSSM在橄榄油中48 h内始终与CCM无统计差异；CWM和CAWRM早期E_t显著较低（P < 0.05至P < 0.0001），在24 h后差异趋于消失，表明脂质共回收和有效蛋白稀释主要影响早期乳化稳定性。

（3）发泡性能
CSM（194.9±110.5%）和CSSM（113.3±40.6%）的发泡能力（FC）数值上高于CCM（40.0±29.1%）；CWM和CAWRM无可测泡沫形成（NF），与高脂含量或中等脂质加矿物质相关聚集态改变有关。泡沫稳定性随时间下降，CWM和CAWRM无法形成稳定泡沫结构。

（4）持水持油能力
CSSM持水性最高（3.26±0.24 g/g），CWM最低（2.33±0.64 g/g）；CSM持油性最高（3.95±0.40 g/g），超过CCM（2.53±0.10 g/g），CWM也显示较高持油性（3.51±0.13 g/g），反映脂质共回收增加疏水性。

（5）探索性PCA
PC1和PC2解释79.8%方差。CWM沿脂肪向量方向分离；CCM、CSM、CSSM聚集在蛋白含量及E_t、FC、WHC、OHC向量附近；CAWRM位置独特，但灰分向量贡献有限，矿物解释需谨慎。

（6）DSC
CCM呈现三个热事件，低温事件归因于水分蒸发（可能重叠约60°C玻璃化转变），高温事件为酪蛋白基质比较性热特征。CWM在9.6°C和33.2°C出现明显吸热转变，对应残留乳脂熔融，且高温蛋白相关事件减弱；CAWRM在第二加热循环中脂质相关低温转变更明显，提示脂质材料热重排。脱脂乳来源粉末热谱更接近CCM。

（7）TGA
所有样品均有2个主要热事件：低于100°C的失水事件和主降解事件。CWM具有最高起始降解温度（201.4°C）和最高最大失重速率温度（355.7°C），但在600°C残留率最低（13.51%），且DTG主峰宽而不对称，提示脂质共回收导致更复杂的多步降解。CCM和CSSM主降解峰较窄，CSM和CAWRM的降解参数相似（T_max约328°C）。

（8）FTIR-ATR
所有样品均显示酰胺I（约1650 cm^-1）和酰胺II（约1540 cm^-1）特征带，与CCM光谱轮廓大致相当。CWM和CAWRM额外在约1740 cm^-1出现酯羰基C=O伸缩带，并在约2920/2850 cm^-1显示更强的脂肪族CH₂伸缩带，证实残留脂质共回收，但不能推断脂质降解。

（9）SDS-PAGE
所有粉末在约25–35 kDa范围显示优势条带（对应主要牛酪蛋白组分），约75–100 kDa有微弱高分子量条带，带型与CCM基本可比，说明回收了主要酪蛋白富集组分，但该结果仅为定性证据，不能排除中等程度水解。

（10）初步细胞相容性
在12.5–200 μg/mL浓度范围内，所有粉末暴露的NIH/3T3细胞活力均高于70%阈值（ISO 10993–5），表明在所测条件下未观察到细胞毒性；但该结果仅作为初步体外筛选，不代表食品安全性评价，因未进行微生物学谱分析、抗生素残留定量、毒素筛查等。

五、讨论与结论

讨论部分指出，粉末组成受乳源固有组成、脂质富集物共回收以及CaCl₂辅助沉淀过程中矿物质共回收的共同影响，不可将功能偏差仅归因于残留脂肪。乳化、发泡、持水持油等性能均需按粉末整体进行解释，蛋白归一化测定是后续工作方向。结论部分确认：酸沉淀法可从异质乳制品副产物流中回收富含酪蛋白粉末，但功能随粉末组成变化；脱脂乳和变质脱脂乳来源粉末高度富集蛋白并保留酪蛋白样光谱及电泳特征，界面性能接近商业酪蛋白；全脂乳和抗生素停药期生乳来源粉末早期乳化性能较低且泡沫形成有限，主要与有效蛋白降低及残留脂质和矿物质相关物质共回收有关；持水持油能力进一步确认水化和油亲和力随乳源和粉末组成变化。在食品、饲料、生物材料或受监管应用前，仍需对来源流和回收粉末进行微生物谱分析、抗生素残留定量、毒素筛查、降解标志物分析、感官评估及纯度验证。