浓缩乳蛋白体系中蛋白非共价聚集导致溶解性下降的机理

Milk protein concentrate (MPC) has been widely used to develop dairy foods, bakery foods, infant formula and foods for sports nutrition. However, the decrease in solubility during storage is a common problem for MPC， which leads to the loss of its functionalities. Previous studies have suggested several possible mechanisms that responsible for the decrease in solubility, including lactose crystallization, protein aggregation by covalent bonding, and protein aggregation by non-covalent internations. We proposed that the aggregation of protein by non-covalent internations, which include hydrophobic internation and electrostatic internation, is the major mechanism resulting in the loss of solubility. The objective of present study is to investigate the changes of microstructure in MPC resulting from the formation of protein aggregation by non-covalent interactions and its effects on the solubility. Our overall goal is to identify the molecular mechanism and controlling factors for the formation of protein aggregation, and to evaluate the change in solubility with the goal of determining ways to inhibit such changes and improve the stability of MPC. The accomplishment of present research will be expected to lead to new strategies for controlling the stability of MPC during long-term storage thereby providing such food protein ingredients better quality and longer shelf life.

浓缩乳蛋白被广泛用于乳制品、焙烤食品、婴幼儿食品和运动营养食品。但是目前困扰浓缩乳蛋白的突出问题是在贮藏中它的溶解性极易下降，从而极大地影响其在应用时的功能特性。国内外学者针对浓缩乳蛋白溶解性下降的诱因提出了乳糖结晶假说、蛋白共价聚集假说、以及我们研究组的蛋白非共价聚集假说。我们推测浓缩乳蛋白在贮藏过程中，颗粒表面壳层中的蛋白及蛋白胶束间会发生非共价聚集，导致壳层结构变得更加致密从而降低其溶解性能；我们还推测导致蛋白非共价聚集的分子机制可能包括疏水作用及钙盐介导的离子键（静电作用）。本研究旨在从分子水平上验证我们提出的蛋白非共价聚集假说，即阐明导致浓缩乳蛋白在贮藏中发生蛋白非共价聚集的机制及其如何降低体系溶解性；同时通过揭示影响体系内蛋白非共价聚集的主要控制因素，为延缓或阻止浓缩乳蛋白在贮藏中溶解性下降的现象提供参考。本研究结果将为今后提高浓缩乳蛋白的品质及贮藏稳定性提供有力的理论依据。

浓缩乳蛋白（MPC）具有高蛋白、低脂肪、低乳糖含量的特点，但是其溶解性的缺陷限制了它在食品中的应用。针对该应用缺陷，我们根据既定计划开展了以下三方面的研究：探究 MPC在贮藏过程中粉体颗粒表面壳层的形成机制及其导致溶解性下降的机理；探究贮藏温度和湿度、光诱导氧化等关键控制因素对 MPC溶解性的影响；在前两方面研究的基础上，探究如何通过离子交换脱钙和 pH调控脱钙等制备工艺来延缓MPC在贮藏过程中溶解性的下降。..研究结果表明：MPC在贮藏过程中，其粉体颗粒表面的酪蛋白胶束之间会通过钙离子桥连作用产生交联聚集，使颗粒表面形成致密的壳层结构，该结构会阻碍水分向颗粒内部的渗透以及颗粒内组分向水中的溶出，从而导致 MPC溶解性的降低；高温（>25 ºC）、高湿（>33%）或光诱导氧化等环境因素会加速MPC粉体颗粒表面壳层的形成，从而导致MPC溶解性的快速降低；基于MPC的膜分离生产工艺，对脱脂乳的超滤截留液做离子交换脱钙处理、或者对脱脂乳做酸化处理，脱除MPC中的部分钙离子，可定向调控酪蛋白胶束的结构，使粉体颗粒表面呈现出疏松的多孔隙结构，该结构有利于水分向颗粒内部的渗透以及颗粒内组分向水中的溶出，从而使MPC的溶解性得到提高。本研究结果将为今后提高MPC的贮藏稳定性提供有力的科学理论依据，同时这也对MPC在乳蛋白饮料、婴幼儿食品、焙烤食品、高蛋白运动营养食品中的广泛应用具有十分重要的现实意义。..项目执行期间，在国际交流合作方面，邀请了乳品领域知名专家澳大利亚昆士兰大学Bhesh Bhandari教授和新西兰奥克兰大学Hemar Yacine教授，来实验室共同合作并联合指导学生，先后共培养了1名博士和6名硕士研究生，并联合举办了名为“The 3rd International Symposium on Minerals & Dairy Products”的国际乳品会议。目前，所取得的与本项目相关的研究成果如下：发表SCI论文9篇，中文核心期刊论文7篇，申请专利10项。此外，还撰写了《乳蛋白功能配料的加工及应用》一书，总字数30余万，已交付“科学出版社”做技术处理，现在已进入文案编辑排版阶段。