CN106417888A - 一种低温微滤分离牛乳β‑酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法 - Google Patents

一种低温微滤分离牛乳β‑酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温微滤分离牛乳β‑酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，其是以脱脂乳、全脂乳、脱脂乳粉、浓缩乳蛋白粉等为原料，首先采用柠檬酸盐、葡萄糖酸‑δ‑内酯等螯合剂或酸化剂做脱钙预处理，然后在低温(0‑15℃)条件下采用陶瓷膜或聚醚砜膜等进行微滤和洗滤，选择性的使β‑酪蛋白和乳清蛋白富集到透过液中，所得透过液经超滤浓缩脱除乳糖和矿物质后，再通过喷雾干燥脱水，制备得到富含β‑酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。本发明所采用的技术工艺具有绿色高效、可操作性强、安全性好等特点，适合于工业化大规模生产。所得复合蛋白粉可作为一种新型的功能性乳蛋白配料，以替代乳清蛋白而用于配方乳粉等婴幼儿食品的研制，使其在蛋白分子组成水平上更接近人乳蛋白。

Description

一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白 组成的方法
技术领域
本发明涉及一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，属于乳粉加工领域。
背景技术
随着社会的发展和国民生活水平的提高，在母乳喂养不足或者母亲体质不好的前提下，越来越多的人会选择用以牛乳蛋白为原料的婴幼儿配方乳粉来代替母乳。牛乳蛋白和人乳蛋白都主要含酪蛋白和乳清蛋白，但其在具体的蛋白组成和分子配比上仍有较大的区别。牛乳蛋白中酪蛋白和乳清蛋白的比例约为80:20，而人乳蛋白中酪蛋白与乳清蛋白的比例约为40:60。目前，婴幼儿配方乳粉的母乳化研制主要集中在增加乳清蛋白含量这一方面，而较少考虑到酪蛋白配比的差异。牛乳中主要的酪蛋白为αs1、αs2、β和κ，其比例约为4:1:3:1；而人乳中的酪蛋白主要为β-酪蛋白，且含有少量的αs1-酪蛋白。牛乳酪蛋白的等电点约为4.6，且占牛乳总蛋白的比例较高，因而其在婴幼儿的酸性胃液中易形成致密的絮凝结构，降低消化酶与蛋白之间接触的概率，从而降低蛋白的消化性。因此，同时提高牛乳蛋白中乳清蛋白和β-酪蛋白的含量，可以使其在蛋白分子组成水平上更接近人乳蛋白，并提高蛋白的消化性，从而为配方乳粉等婴幼儿食品的研制提供更加优质的乳蛋白配料。
牛乳中的酪蛋白主要是以胶束形式存在，胶束粒径在50-700nm之间，而乳清蛋白和极少量的酪蛋白则游离于胶束之外的乳清中。在胶束中，αs1、αs2和部分β-酪蛋白通过其所带的磷酸基团与胶体磷酸钙相互作用形成了胶束骨架，而部分β-酪蛋白则通过疏水作用镶嵌在胶束骨架之间。酪蛋白胶束与乳清处于动态平衡之中，在低温条件下，蛋白疏水作用会减弱，部分β-酪蛋白则会逐渐从胶束解离到乳清中，并以分子单体或低分子量聚集体的形式存在。此外，在牛乳中添加螯合剂和酸化剂，会使维持胶束骨架的胶体磷酸钙发生部分解离，从而在一定程度上破坏胶束结构，使参与形成胶束骨架的αs1、αs2和部分β-酪蛋白部分在低温条件下，也逐渐从胶束中解离。膜分离技术是根据分离物尺寸的不同而选择相应孔径的膜材料来实现物料分离的，具有非热、高效、绿色等特点。因此，通过设定合适的微滤条件和预脱钙程度，可选择性的使部分β-酪蛋白从胶束中解离，并保留胶束骨架结构，从而使解离的β-酪蛋白、乳清蛋白、乳糖和矿物质等一起通过微滤膜进入到透过液中，而胶束骨架则被保留在截留液中。所得透过液经超滤浓缩处理去除乳糖和矿物质后，再采用喷雾干燥脱水，即可得到富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉，可作为一种新型的功能性乳蛋白配料，以替代乳清蛋白而用于配方乳粉等婴幼儿食品的研发和生产。目前，乳清蛋白通常是从奶酪加工的副产物(乳清)中分离得到的，而采用膜技术直接从牛乳中分离乳清蛋白和酪蛋白可更好的维持蛋白原有的营养和功能特性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种通过低温微滤技术，以制备富含β-酪蛋白和乳清蛋白的新型功能性乳蛋白配料，旨在使牛乳蛋白在分子组成水平上更接近人乳蛋白，从而推进配方乳粉等婴幼儿食品的研制。该方法工艺条件绿色高效，可操作性强，安全性好，适合工业化生产。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，其是以脱脂乳、全脂乳、脱脂乳粉、浓缩乳蛋白粉等为原料，采用柠檬酸盐、葡萄糖酸-δ-内酯等螯合剂或酸化剂做脱钙预处理后，再在低温(0-15℃)条件下进行微滤和洗滤，选择性的使β-酪蛋白和乳清蛋白富集到透过液中，所得透过液经过超滤浓缩以脱除乳糖和矿物质后，再通过喷雾干燥脱水，制备得到富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。
本发明科学合理的揭示了酪蛋白胶束平衡体系对低温胁迫和脱钙预处理的应答模式，实现了牛乳蛋白组成的定向调控，并通过多种膜分离技术的同步偶联实现了牛乳蛋白的高效分离，最终制得富含β-酪蛋白和乳清蛋白新型功能性乳蛋白配料，以用于配方乳粉等婴幼儿食品的研制，使其蛋白分子组成与人乳蛋白更加匹配，具有较好的应用前景和社会经济效益。
附图说明
图1为本发明中实施案例1的脱脂乳粉经复溶后，再在4℃条件下经不同孔径陶瓷膜微滤浓缩后所得透过液的高效液相色谱图。
图2为本发明中实施案例2的全脂乳经脱脂处理后，再在不同温度条件下经30nm孔径陶瓷膜微滤浓缩后所得透过液的高效液相色谱图。
图3为本发明中实施案例3的脱脂乳在4℃条件下经30nm孔径陶瓷膜微滤1次和洗滤4次后所得透过液的高效液相色谱图。
图4为本发明中实施案例4的浓缩乳蛋白粉经复溶后，酸化至pH6.0，再在4℃条件下经30nm孔径陶瓷膜微滤1次和洗滤4次后所得透过液的高效液相色谱图。
具体实施方式
下面结合实施案例对本发明做进一步说明。
实施案例1
一种以脱脂乳粉为原料，通过低温微滤技术以制备富含β-酪蛋白和乳清蛋白的新型功能性乳蛋白配料的方法，其具体工艺步骤如下：
取3份15kg脱脂乳粉，分别加入150L的水，在50℃搅拌溶解1h，所得复溶液加入到微滤系统的储液罐中，通过低温循环器将其温度冷却至4℃左右，并在此温度下平衡稳定1h后，分别采用30、50、100nm三种不同孔径的陶瓷膜进行微滤浓缩，微滤过程中仍控制4℃的温度，直至透过液体积为100L时停止微滤。所得透过液在常温条件下，采用截留分子量为10kDa的超滤膜进行超滤浓缩以脱除乳糖和矿物质，最后在135℃进风温度和75℃出风温度的条件下喷雾干燥，制备得到富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。
从图1可以看出，脱脂乳粉经复溶后，再在4℃条件下经不同孔径陶瓷膜微滤浓缩后所得的透过液中，主要含β-乳球蛋白、α-乳白蛋白和β-酪蛋白，并含少量的αs-酪蛋白。对高效液相色谱图中各蛋白峰的峰面积进行积分分析，可得到各对应蛋白的相对含量。30nm膜的透过液中，αs-酪蛋白的总量占原复溶液中αs-酪蛋白的比例约为0.8％，这对应于复溶液中游离的αs-酪蛋白；50nm和100nm膜的透过液中，αs-酪蛋白的总量所占比例分别为1.4％和2.0％，说明部分酪蛋白胶束进入到了透过液中，这表明50nm和100nm孔径的陶瓷膜在分离过程中对酪蛋白胶束的阻挡能力不如30nm陶瓷膜。
实施案例2
一种以全脂乳为原料，通过低温微滤技术以制备富含β-酪蛋白和乳清蛋白的新型功能性乳蛋白配料，其具体工艺步骤如下：
取3份300L巴氏杀菌全脂乳，采用乳脂分离器脱除脂肪，将所得脱脂乳加入到微滤系统的储液罐中，通过低温循环器将其温度分别冷却至4、25、50℃左右，并在对应温度下平衡稳定1h后，采用30nm孔径的陶瓷膜进行微滤浓缩，微滤过程中仍控制对应的温度，直至浓缩倍数为3时停止微滤。所得透过液在常温条件下，采用截留分子量为5kDa的超滤膜进行超滤浓缩以脱除乳糖和矿物质，最后在140℃进风温度和80℃出风温度的条件下喷雾干燥，制备得到富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。
如图2所示，全脂乳经脱脂处理后，再在不同温度条件下经30nm孔径陶瓷膜微滤浓缩后所得透过液中，主要含β-乳球蛋白、α-乳白蛋白和β-酪蛋白，并含少量的αs-酪蛋白。在4℃条件下，β-酪蛋白对应的峰较为明显，但在25℃和50℃条件下其所对应的峰较小。通过峰面积积分分析可以得到，在4℃条件下分离所得的透过液中，β-酪蛋白占原脱脂乳中β-酪蛋白的比例约为9.4％；在25℃和50℃条件下分离所得的透过液中，β-酪蛋白所占比例分别为2.6％和2.1％。这进一步说明控制低温条件能使β-酪蛋白从胶束中解离而进入到透过液中，而酪蛋白胶束由于其直径较大则被阻挡在截留液中。
实施案例3
一种以脱脂乳为原料，通过低温微滤技术以制备富含β-酪蛋白和乳清蛋白的新型功能性乳蛋白配料，其具体工艺步骤如下：
取2份150L巴氏杀菌脱脂乳，在4℃条件下，采用30nm孔径的微滤陶瓷膜进行分离。整个过程分为1次微滤和4次洗滤：第1次微滤是原始脱脂乳的浓缩分离，即将150L脱脂乳浓缩3倍，收集100L的透过液；洗滤操作是在微滤结束后，补加水至料液原体积150L，继续浓缩3倍。收集分离各阶段所得的透过液，采用截留分子量为10kDa的超滤膜在室温条件下进行超滤浓缩以脱除乳糖和矿物质，最后在145℃进风温度和85℃出风温度的条件下喷雾干燥，制备得到富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。
从图3中可以看出，脱脂乳在4℃条件下经30nm孔径陶瓷膜微滤1次和洗滤4次后所得透过液中，主要含β-乳球蛋白、α-乳白蛋白和β-酪蛋白。通过峰面积积分分析可以得到，在分离各阶段所得透过液中，β-酪蛋白占原脱脂乳中β-酪蛋白的比例分别为9.4％、12.6％、11.2％、9.9％、8.7％，由此可得β-酪蛋白的累积脱除率为51.7％。在最终所到的高蛋白粉中，β-酪蛋白和乳清蛋白所占比例分别为51.1％和40.0％，而αs-酪蛋白的比例极低。
实施案例4
一种以浓缩乳蛋白粉为原料，通过低温微滤技术以制备富含β-酪蛋白和乳清蛋白的新型功能性乳蛋白配料，其具体工艺步骤如下：
取20kg浓缩乳蛋白粉(MPC80)，加入400L的水，在50℃搅拌溶解1.5h，在所得复溶液中加入盐酸，使其pH值降低到6.0，然后将酸化的复溶液加入到微滤系统的储液罐中，通过低温循环器将其温度冷却至2℃左右，并在此温度下平衡稳定0.5h后，采用30nm孔径的陶瓷膜进行微滤浓缩，微滤过程中仍控制2℃的温度，直至透过液体积为300L时停止微滤。所得透过液在常温条件下，采用截留分子量为10kDa的超滤膜在室温条件下进行超滤浓缩，最后在150/85℃条件下喷雾干燥，制备得到富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。
从图4中可以看出，将浓缩乳蛋白粉复溶后，酸化至pH6.0，再在4℃条件下经30nm孔径陶瓷膜微滤1次和洗滤4次后所得透过液中，主要含β-乳球蛋白、α-乳白蛋白和β-酪蛋白。通过峰面积积分分析可以得到，在分离各阶段所得透过液中，β-酪蛋白的含量都较高，而αs-酪蛋白的含量极低，说明酸化预处理能在一定程度上破坏胶束结构，提高β-酪蛋白的脱除率。经1次微滤和4次洗滤后，β-酪蛋白的累积脱除率为60％。

Claims (5)

1.一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，其特征在于，经过如下具体的工艺步骤：
a.预脱钙：在原料乳中添加螯合剂或酸化剂，以脱除0-60％胶束态的钙；
b.预冷：将步骤a所得的预脱钙原料乳冷却至0-15℃，并在0-15℃保持0.5-2h；
c.微滤分离：采用10-500nm微滤膜，对步骤b得到的预冷原料乳进行浓缩分离，浓缩过程中保持料液温度为0-15℃，收集透过液，直至浓缩倍数为2-6；
d.洗滤分离：将洗滤液预冷到0-15℃，并补加至步骤c得到的微滤截留液中以达到原料乳初始体积，并在0-15℃保持0.5-2h，然后在进行浓缩分离，浓缩过程中保持料液温度为0-15℃，收集透过液，直至浓缩倍数为2-6，重复洗滤步骤0-6次；
e.浓缩与脱盐：将步骤c和d得到的透过液混合，并采用截留分子量为5-20kDa的超滤膜进行浓缩分离，以脱除乳糖和矿物质等，得浓缩液；
f.干燥：将步骤e得到的浓缩液在150-190℃进风温度、60-90℃出风温度和0.3-0.5MPa喷雾压力的条件下喷雾干燥，得富含β-酪蛋白和乳清蛋白的高蛋白粉。
2.根据权利要求1所述的一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，其特征在于，步骤a所述的原料乳包括脱脂乳、全脂乳、脱脂乳粉、浓缩乳蛋白粉等。
3.根据权利要求1所述的一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，其特征在于，步骤a所述的螯合剂或酸化剂包括柠檬酸、柠檬酸盐、草酸、草酸盐、乙二胺四乙酸、盐酸、硫酸、乙酸、乙酸酐、葡萄糖酸-δ-内酯等。
4.根据权利要求1所述一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，其特征在于，步骤c所述的微滤膜包括陶瓷膜、不锈钢膜、聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜等。
5.根据权利要求1所述一种低温微滤分离牛乳β-酪蛋白和乳清蛋白以模拟人乳蛋白组成的方法，其特征在于，步骤d所述的洗滤液包括水、脱脂乳的超滤透过液、脱脂乳微滤透过液的超滤透过液等。
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