噴霧干燥溫度對酪蛋白膠束粉理化性質及微觀結構的影響

張瑞華 劉 鷺 逄曉陽 蘆 晶 楊 洋 趙 璞 許 樂 張書文 呂加平

（中國農業(yè)科學院農產品加工研究所 北京 100193）

酪蛋白膠束粉（Micellar casein powder）是通過膜過濾技術生產的乳蛋白制品。根據(jù)各組分分子質量的不同，膜過濾技術可以實現(xiàn)不同組分的分離[1]。在脫脂乳膜分離過程中，乳清蛋白、乳糖、礦物質等分子質量較小的物質可以透過膜，而酪蛋白等分子質量較大的物質被截留，對截留液進行噴霧干燥，可以得到不同蛋白含量的MPC。因為此工藝條件溫和，不涉及酸化、酶凝等化學變化，所以生產出來的MCP更接近天然狀態(tài)，功能性質較優(yōu)越。隨著膜分離技術的發(fā)展，MCP已經可以工業(yè)化生產[2]。在實際生產中，MCP具有廣闊的市場前景，MCP可用于生產高蛋白飲料，其營養(yǎng)豐富，口味清淡[3]；MCP可代替脫脂乳粉生產再制干酪，不需要排乳清，其得率與口感都有明顯的提升[4]。

隨著噴霧干燥技術的發(fā)展，乳粉因便于運輸，貨架期長，在工業(yè)中獲得廣泛的應用[5]。粉體的性質與噴霧干燥條件尤其是進、出口溫度密切相關[6]。目前，國內外關于MCP的噴霧干燥條件對粉體特性的影響研究較少，考慮到MCP工業(yè)實際應用，十分有必要研究噴霧干燥條件對MCP性質的影響。本研究模擬國外工藝，采用100 nm陶瓷膜生產MPC，并探討不同噴霧干燥溫度130℃/65℃，160℃/78℃，180℃/90℃對MCP理化性質及微觀結構的影響，為MCP的工業(yè)化生產提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛奶，北京市昌平區(qū)盛隆養(yǎng)殖場，硫酸、硫酸銅、硫酸鉀、硼酸、氫氧化鈉、鹽酸，均為分析純級。

1.2 儀器與設備

FT-15乳脂分離機，英國Armfield公司；100 nm孔徑管式陶瓷膜、陶瓷膜中試設備，上海凱鑫分離技術有限公司；3K15離心機，德國Sigma公司；FT4粉體流變儀，英國Freeman Technology公司；T18高速剪切機，德國IKA公司；2300型全自動凱氏定氮儀，丹麥FOSS公司；噴霧干燥設備，德國GE；Microtrac S3500激光粒度分析儀，美國Microtrac公司；電子眼，英國VireVide公司；紅外光譜，德國Buruker公司；掃描電鏡，日本Hitachi公司。

1.3 MCP生產和噴霧干燥工藝

MCP的制備方法參考文獻[7]的方法，如圖1所示。從奶牛養(yǎng)殖廠采集42 kg原料乳，預熱至40℃左右，用碟片式乳脂分離機進行脫脂，反復2次。取36 kg脫脂乳進行巴氏殺菌（72℃，15 s），之后料液過100 nm陶瓷膜進行乳清蛋白與酪蛋白的分離。膜過濾條件：溫度50℃，過膜壓力0.18 MPa。待濃縮3倍時，補水24 kg進行洗濾，共做3次循環(huán)。將最后得到的酪蛋白濃縮液在不同的噴霧溫度下干燥。粉末收集在密閉的容器中，室溫保存，備用。

圖1 MCP生產流程圖Fig.1 Flowsheet of micellar casein powder

1.4 截留液成分的測定

采用凱式定氮法，測定截留液中的總氮、非蛋白氮和非酪蛋白氮，其中總氮按照GB 5009.5-2010《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》方法測定；非蛋白氮參照GB/T 21704-2008《乳與乳制品中非蛋白氮含量的測定》方法測定；截留液中非酪蛋白氮采用文獻[8]方法測定。粗蛋白=總氮×6.38，真蛋白=（總氮-非蛋白氮）×6.38，酪蛋白=（總氮-非酪蛋白氮）×6.38。固形物質量分數(shù)參考GB 5009.3-2010《食品國家安全標準食品中水分的測定》方法測定。截留液的成分如表1所示。

表1 酪蛋白截留液成分組成Table1 Chemical composition of casein powder

1.5 微觀結構的測定

參考文獻[9]的方法，將MCP粉末鋪成薄層，然后對其粘樣、鍍金，用掃面電鏡觀察，放大倍數(shù)為8 000倍，加速電壓為10 kV。

1.6 粒徑的測定

采用Microtrac S3500型激光粒度分析儀分別測定不同噴霧溫度下MCP粉末的粒徑及其分布。使用時，儀器先進行自動較零，再進行樣品的測定。

1.7 二級結構的測定

將MCP粉末置于衰減全發(fā)射（ATR）晶體反射面上掃描，掃描次數(shù)為64次，分辨率為4 cm-1，掃描波段為4 000～400 cm-1。采用OPUS 7.2軟件進行光譜掃描，在測試前扣除背景光譜。采用Peak Fit 4.12對光譜酰胺I帶（1 600～1 700 cm-1）進行二級結構分析。所有操作在室溫下進行。

1.8 溶解性的測定

參考文獻[10]的方法，取MCP粉末配成質量分數(shù)為5%的溶液，取10 g溶液于50 mL離心管中4 400×g離心10 min，平皿預先恒重。分別取5 g未離心的原樣液與經過離心的上清液于平皿中，將平皿放入105℃烘箱，放置6 h后取出平皿于干燥器中，冷卻至室溫。分別計算原樣與上清的固形物質量分數(shù)。溶解性的計算方法見公式（1）。

1.9 色度的測定

采用色差儀來測定脫脂乳、各階段截留液與透過液溶液顏色的變化，儀器使用前先用白板進行校正。將樣品置于室溫下1 h后，分別測定各樣品的L*，a*和b*值。L*代表亮度，a*代表由綠到紅的色彩變化，b*代表由藍到黃的色彩變化。

1.10 流動性的測定

參考文獻[11]的方法，采用FT4粉體流變儀測定粉體的流動性。采用48 mm剪切頭和85 mL直徑為50 mm的硼硅酸鹽玻璃容器測定粉體的流動性。測試前，儀器自帶預混合功能，這樣可以使粉體性質更加均一，并且剪切性測試都是按照標準自動進行，消除了人為誤差，提高了數(shù)據(jù)的準確性。

1.11 數(shù)據(jù)處理

各試驗重復3次，結果以平均值±標準差表示。數(shù)據(jù)在P<0.05水平上的顯著性采用SAS9.0統(tǒng)計軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 噴霧干燥溫度對MCP微觀結構的影響

MCP微觀結構與其理化性質存在一定聯(lián)系，而且也可以進一步解釋其性質變化的原因，因此十分有必要對微觀結構進行觀察。圖2為不同噴霧干燥溫度對MCP微觀結構的影響。由圖可以看出，當噴霧溫度為130℃/65℃時，MCP的顆粒表面比較光滑，伴隨有較小的凹陷；當溫度上升到180℃/90℃時，MCP表面變得粗糙，而且伴有較大的褶皺。說明130℃/65℃是MCP較理想的噴霧溫度，沒有破環(huán)蛋白的微觀結構，得到的酪蛋白粉末的表面飽滿且光滑。

圖2 不同噴霧干燥溫度對MCP微觀結構的影響Fig.2 Effect of spray drying temperature on scanning electron micrograph of micellar casein powder

2.2 噴霧干燥溫度對MCP粒徑的影響

表2表示不同噴霧干燥溫度對MCP粒徑的影響。由表2可以看出，當噴霧溫度從130℃/65℃上升到160℃/78℃，MCP的粒徑D50值從14.13 μm減小到11.02 μm；當噴霧溫度從160℃/78℃上升到180℃/90℃，粒徑變化不明顯。圖3表示不同噴霧干燥溫度對粒徑分布的影響。由圖3可以看出，隨著噴霧溫度的升高，粒徑逐漸變窄。因為如果噴霧溫度較高，料液水分快速蒸發(fā)，顆粒表面收縮嚴重，導致粒徑減小，粒徑分布也相應變窄[12]。

表2 不同噴霧溫度對MCP粒徑的影響Table2 Effect of spray drying temperature on the particle size of micellar casein powder

圖3 噴霧干燥溫度對MCP粒徑分布的影響Fig.3 Effect of spray drying temperature on particle size distribution of micellar casein powder

2.3 噴霧干燥溫度對MCP二級結構的影響

采用傅里葉紅外光譜儀測定MCP的紅外譜圖，之后用PeakFit軟件對蛋白酰胺Ⅰ帶進行擬合，得到不同噴霧干燥溫度處理MCP的二級結構，結果如表3所示。從表中可以看出，隨著噴霧干燥溫度的上升，α-螺旋和β-折疊含量減少，而β-轉角和無規(guī)卷曲含量增加。這可能是因為隨著噴霧溫度的增加，蛋白結構發(fā)生變化，二級結構也發(fā)生相應的改變。

此外，在酪蛋白分子中以脯氨酸為中心的β-折疊與β-轉角所組成的剛性區(qū)域會受到彈性基團（α-螺旋）的調節(jié)，使酪蛋白處于一種張力與壓力平衡的狀態(tài)，因而使酪蛋白表現(xiàn)為球形結構[13]。由表可以看出，噴霧干燥溫度的升高，維系酪蛋白穩(wěn)定的α-螺旋含量減少，這使得酪蛋白的平衡狀態(tài)被打破，因而球形結構發(fā)生變化，這與本研究的電鏡觀察結果一致。

表3 噴霧干燥溫度對MCP二級結構的影響Table3 Effect of spray drying temperature on secondary structure of micellar casein powder

2.4 噴霧干燥溫度對MCP溶解性的影響

在工業(yè)應用中，MCP的溶解性是乳化性、起泡性、凝膠性的基礎，因此較好的溶解性可以拓寬其在食品工業(yè)的應用。圖4是噴霧干燥溫度對MCP溶解性的影響。由圖4可以看出，隨著噴霧干燥溫度的升高，MCP的溶解性從84.14%降低到60.44%。Davenel等[14]通過核磁共振技術觀察乳蛋白濃縮物的復水過程，結果表明此過程分為2個階段。首先，大量水迅速吸附在粉體表面，之后水分子緩慢滲入粉末的每個微孔，吸附到顆粒表面，從而使顆粒溶解到溶液中。結果表明，隨著噴霧干燥溫度的升高，溶解度降低，可能由于過高的噴霧溫度使蛋白發(fā)生變性，在溶解過程中水分子不容易滲透到粉末的微孔中，從而造成溶解性下降。

2.5 噴霧干燥溫度對MCP水分含量的影響

水是引起食品化學變化及微生物作用的重要原因，直接關系到食品的貯藏特性，因此在粉體貯藏期間，應將粉體的水分含量控制在合理的范圍之內。通常當脫脂乳粉的含量控制在5%以內，便可以貯存12～24個月。圖5為噴霧干燥溫度對粉末水分含量的影響。由圖5可以看出，當噴霧溫度從130℃/65℃上升到180℃/90℃，粉末的水分含量從4.07%下降到3.20%。不同噴霧溫度的MCP粉末的水分含量都在5%以下，說明這3種工藝都可以滿足貯藏期間的水分要求。

圖4 噴霧干燥溫度對MCP溶解性的影響Fig.4 Effect of spray drying temperature on solution of micellar casein powder

2.6 噴霧干燥溫度對MCP色度的影響

用肉眼觀測不同噴霧溫度得到的MCP樣品，均為白色粉末，看不出明顯變化。為了進一步研究噴霧溫度對MCP顏色的影響，采用電子眼分別測定不同噴霧溫度下的色度，結果如表4所示。由表4可以看出，隨著噴霧溫度的升高，MCP的L*值增加，a*值減小，這主要是因為MCP粉末水分含量逐漸減小[15]。當溫度從130℃/65℃上升到160℃/78℃時，b*值降低，這是因為粉末的水分含量降低；當溫度從160℃/78℃上升180℃/90℃時，b*值升高，這可能是因為高溫導致MCP發(fā)生輕微的褐變[16]。

2.7 噴霧干燥溫度對MCP流動性的影響

在粉體的管道運輸過程中，流動性扮演者重要的角色。如果粉體的流動性較差，很容易堵塞管道，因此提高粉體的流動性對粉體的工業(yè)應用有重要意義。粉體流動性的好壞可以用流動性指數(shù)（Flow index，ffc）表示，其定義為最大主應力與無側界屈服強度應力之比，ffc值越大說明粉體的流動性越好。圖6為噴霧干燥溫度對粉末流動性的影響。由圖6可以看出，當噴霧溫度從130℃/65℃增加到160℃/78℃，MCP粉末的流動性從4.16減小到1.65。之后當噴霧溫度增加到180℃/90℃，ffc值減小到1.27。結果表明，噴霧溫度越高，MCP的流動性越差。Fitzpatrick等[17]研究表明粉體顆粒越小，其比表面積越大，顆粒間黏性力也越大，粉末的流動性越差。本文的粒徑結果表明，隨著噴霧溫度的升高，MCP的粒徑逐漸減小。因此本研究中ffc值降低可能是因為在較高的噴霧溫度條件下，MCP的粒徑變小，顆粒間的黏性增加，導致流動性降低。此外，本文的電鏡結果表明，隨著噴霧溫度升高，顆粒表面變得粗糙而且有較大的凹陷。因此本研究中ffc值降低可能是因為隨著噴霧溫度的升高，顆粒間的摩擦和咬合程度增加，造成粉體的流動性降低。

圖5 噴霧干燥溫度對MCP水分含量的影響Fig.5 Effect of spray drying temperature on moisture of micellar casein powder

表4 噴霧干燥溫度對MCP色度的影響Table4 Effect of spray drying temperature on the color value of micellar casein powder

圖6 噴霧干燥溫度對MCP流動性的影響Fig.6 Effect of spray drying temperature on flow properties of micellar casein powder

3 結論

噴霧干燥溫度對MCP的功能特性有非常顯著的影響。通過電鏡的結果可以發(fā)現(xiàn)，當噴霧干燥溫度為130℃/65℃時，得到的MCP分子表面平整，而當噴霧干燥溫度上升到180℃/90℃時，分子表面有較大的褶皺，說明130℃/65℃是較合適的進出口溫度，對蛋白的微觀結構破壞小。隨著噴霧干燥溫度的增加，蛋白的溶解性逐漸降低。這是因為如果噴霧溫度較低，蛋白的微觀結構破壞較小，更容易復溶，這與本文的電鏡觀察結果一致。隨著噴霧溫度升高，MCP的粒徑逐漸變小，粒徑分布也逐漸變窄，粒徑的大小與粉體的溶解性成正相關，較低噴霧溫度下，粉體的粒徑較大，因此有較好的溶解性，這與本文粒徑的觀察結果一致。當噴霧干燥溫度為130℃/65℃時，MCP粉末的水分含量達到最高值4.07%，而水分含量仍然在5%以下，因此可以滿足粉體貯存的要求。在色度方面，噴霧干燥溫度為180℃/90℃時，得到的MCP粉末更白，不過肉眼看不出明顯差別，因此130℃/65℃的噴霧干燥溫度仍可以滿足人們的視覺要求。在粉體的流動性方面，當噴霧干燥溫度為130℃/65℃時，粉體的流動性最好，這與本文的電鏡結果和粒徑結果一致。因此，綜合來看，130℃/65℃是合適的噴霧干燥進出口溫度。