CN106720925B

CN106720925B - 一种复合酶聚合偶联超滤回收乳清蛋白或mpc中蛋白的方法

Info

Publication number: CN106720925B
Application number: CN201611035056.6A
Authority: CN
Inventors: 张兰威; 王文琼; 易华西; 韩雪; 陈玉洁
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2016-11-23
Filing date: 2016-11-23
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2036-11-23
Also published as: CN106720925A

Abstract

本发明涉及一种复合酶聚合偶联超滤进而同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率的有效方法，具体顺序添加漆酶和转谷氨酰胺酶，将复合酶聚合与超滤有效契合；创造性地在复合酶聚合前采用两段式预处理方式，又结合漆酶作用后不灭酶的方式，大大提高了乳清蛋白或MPC中蛋白回收效率和纯度，提高膜通量，降低了乳糖截留率，与现有技术相比，乳清蛋白或MPC中蛋白回收率提高20%，膜通量提高30%~40%，乳糖的截留率降低10%，获得一个同时有效解决多个问题的方法。还提供一种高品质乳清蛋白或MPC中蛋白产品，意外发现产品致敏性明显降低；该效果是各工序及参数相辅相成、协同作用的结果，该方法可操作性强，仅采用一次过滤，利于产业化。

Description

一种复合酶聚合偶联超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白的方法

技术领域

本发明属于食品蛋白改性回收技术领域，本发明涉及一种复合酶聚合偶联超滤提高乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率同时降低膜污染的方法。该方法同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率。

背景技术

乳清是干酪生产的副产物，随着我国干酪产业的迅速发展，干酪乳清产量巨大，干酪乳清中含有牛乳干物质重量的一半，乳清中蛋白质的含量为0.6%~1%。目前工业中乳清蛋白的回收主要采用超滤技术，替代传统的加热沉淀、酸碱沉淀、化学试剂(如聚丙烯和三氯乙酸)沉淀等方式，并通过渗滤降低乳糖在乳清蛋白中的截留，同时降低膜污染，然而，上述方法存在乳清蛋白回收率低，蛋白品质性能不突出，并且渗滤工艺会消耗大量的纯水，纯水的大量消耗给整个后续的水处理工作带来巨大负担，同时长时间操作使得膜通量下降，膜被严重污染，膜使用寿命缩短，最终带来的生产成本的增加是目前限制超滤回收乳清蛋白广泛商业化推广的瓶颈问题，如何提高乳清蛋白的回收率，减缓膜污染仍然是目前乳清蛋白膜回收利用领域研究的热点。MPC透析液的蛋白回收也一直是食品领域工作者困扰的问题。

回收利用领域研究的热点。MPC透析液的蛋白回收也一直是食品领域工作者困扰的问题。

提高超滤回收乳清蛋白效率，降低膜污染正受到全球的广泛关注，目前大多数都是通过单一的超滤技术实现乳清蛋白的回收，最终获得乳清粉，关注膜污染问题，但并没有发现有效的解决办法。关于酶催化乳清蛋白聚合也有相关研究；CN104672919A公开了一种利用热稳定性重组漆酶制备乳清蛋白膜的方法，通过添加重组热稳定性的漆酶作为交联剂制备性能良好的乳清蛋白膜绿色可食用。CN104782878A公开了一种酶法改性乳清蛋白可溶性聚合物的制备方法，采用转谷氨酰胺酶聚合乳清，生产具有较高凝胶性的乳清蛋白聚合物；但以上都是采用蛋白聚合酶催化乳清蛋白生产功能性产品，通过复合酶聚合偶联超滤提高乳清蛋白回收率同时降低膜污染的有针对性的方法专利及专利申请到目前还没有。经过前期查新，浙江大学孟祥河（申请号200910095653）公开过一种膜分离回收豆腐黄浆水中的蛋白质处理方法，采用转谷氨酰胺酶聚合后进行超滤获得乳清蛋白，但原料来源差异大，虽然都属于蛋白，都具有蛋白的基本结构和性质，但是大豆蛋白与牛奶蛋白在组成及蛋白空间结构上都存在较大差异，另外，单一酶及常规操作得到的蛋白质量及回收率都有待于进一步提高。还有哈尔滨商业大学韩春然也是从大豆乳清蛋白中利用转谷氨酰胺酶获得蛋白粉，其目的仅是提高回收率。对于复合酶改性乳清蛋白制备，申请号2016103084510采用胰蛋白酶等和谷氨酰胺转氨酶联合制备得到功能特性突出的乳清蛋白质，但该技术并没针对蛋白回收率、膜污染等角度展开研究，解决相应技术问题。

将多种技术与膜技术的组合应用来解决单一膜技术的局限性同时生产高附加值的产品的研究已经成为膜技术研究领域一个新的方向。如何获得一种工艺简单、易于操作、不产生污染物、提高产品性能、并且能够同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率的方法是本领域急需解决的技术问题。

发明内容

发明目的：提供一种能够同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率的方法。同时也提供一种高品质乳清蛋白，增加产品附加值，提高企业的经济效益。

技术问题：本发明同时解决了现有技术中存在的乳清蛋白回收率低、膜污染得不到有效解决、乳糖截留率高、乳清蛋白功能性不突出的技术问题。

技术方案：一种复合酶聚合偶联超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白的方法，该方法同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率，按照以下步骤进行：

（1）原料准备：

取40ml干酪乳清或MPC透析液，可以于4 °C冷藏备用；其中MPC为牛乳超滤浓缩蛋白，MPC透析液为牛乳超滤透过液。

（2）复合酶聚合：

取40ml干酪乳清或MPC透析液放入丝口瓶中，用氢氧化钠和/或盐酸将干酪乳清或MPC透析液的pH值调至4.5-6.0，加入漆酶120 U和5 mol/l的阿魏酸3-5ml，然后将装有混合溶液的丝口瓶置于恒温水浴锅中，于35-45 °C反应1 -2h，灭酶，之后再次调节溶液pH值调至6.5-8.0，加入转谷氨酰胺酶160U和20mM DTT 3-5ml，继续于35-45 °C反应1 -2h，灭酶，得含有蛋白聚合物的乳清溶液；冷却至10°C以下；

（3）超滤：使用截留分量10kDa的超滤膜；优选PES聚醚砜超滤膜，采用死端过滤的方式，跨膜压力0.15MPa;

（4）指标测定：蛋白回收率、膜通量、乳糖截留率的测定。

其中优选漆酶反应1-2h后，采用不灭酶替换灭酶，直接调节溶液pH值调至4.5-6.0；其中所述漆酶来源于真菌。

进一步优选在执行复合酶聚合前，采用阶段式预处理，第一阶段：先以5°C/ min的速率上升温度至60-65°C、保温20min；第二阶段：再以5°C/ min的速率上升温度至75-80°C、保温10min。

具体优选步骤（2）复合酶聚合中，取40ml干酪乳清或MPC透析液放入丝口瓶中，用0.2N氢氧化钠和/或0.2N盐酸将干酪乳清或MPC透析液的pH值调至5.0，加入漆酶120 U和5mol/l的阿魏酸3-5ml，然后将装有混合溶液的丝口瓶置于恒温水浴锅中，于37-40°C反应1-2h，灭酶，之后再次调节溶液pH值调至8.0，加入转谷氨酰胺酶160U和20mM DTT 3-5ml，继续于37-40°C反应1 -2h，灭酶，得含有蛋白聚合物的乳清溶液；冷却至10°C以下。

优选转谷氨酰胺酶的活性为800U/g，漆酶活性为600U/g。DTT为二硫苏糖醇。

还提供一种致敏性低、乳化性、起泡性等性能均提高的乳清蛋白。

技术效果：

（1）本发明提供了一种同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白类物质回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率的方法，并且该方法同时适用于干酪乳清与MPC透析液，一法双用为领域做出了贡献。具体创新地针对干酪乳清蛋白或MPC中蛋白类成分采用特定的复合酶聚合偶联超滤的技术手段，在一定条件下先采用漆酶催化再采用转谷氨酰胺酶进行催化（二者顺序不可调换），超滤过程中相对膜通量以及蛋白回收率明显提高，膜总阻力和膜孔阻力增加，膜饼层阻力降低。尤其采用PES膜并通过死端过滤对乳清蛋白或MPC中蛋白类物质进行回收，蛋白粒径增加，Zeta 电位值增加，膜总阻力Rt降低，膜污染降低，可以延长膜操作时间，降低膜清洗频次，大大提高超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白成分效率。相对于单一酶以及现有技术中复合酶处理的样品，乳清蛋白或MPC中蛋白成分的膜回收效率和纯度明显提高，膜通量提高30%~40%，乳清蛋白或MPC中蛋白成分截留率和回收率提高20%左右，乳糖的截留率降低10%左右。现有技术中目前尚未有上述同时解决各问题的方法。

（2）在课题研究过程中意外发现，在执行复合酶聚合前，采用阶段式预处理，第一阶段：先以5°C/ min的速率上升温度至60°C、保温20min；第二阶段：再以5°C/ min的速率上升温度至85°C、保温15min，取得了未曾预期的技术效果，正是上述的预处理与两种酶的协同增效作用的有效结合，使得干酪乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率、纯度及品质大大提高，膜污染问题的有效解决，又明显迈上了一个新台阶。这可能是由于在温度不断变化以及保温的过程中，缓慢的加热使蛋白质多肽链有足够的时间展开，又由于乳中内源酶类的作用，第一阶段主要呈现乳清蛋白或MPC中蛋白类成分发生轻度水解，第二阶段在更高的温度下呈现“预凝胶化”，蛋白质分子多肽链展开，展开的多肽链在溶液中发生凝聚，凝聚的程度恰好控制在低于形成凝胶的最小临界水平，形成可溶性的微凝聚物，更利于后续复合酶聚合以及超滤，为后续打下了良好的基础，同时上述预处理过程也起到灭菌和防止微生物污染的作用，这是个微观而复杂的体系。实践也证明，并不是聚集体尺寸越大效果越好，因为在超滤的过程中较大颗粒的蛋白会在膜表面快速沉积形成饼层，导致膜通量迅速下降，降低生产效率，膜污染增强，因此只有在一定的条件下产生一定大小的聚集体才可以达到理想效果。所以恰是阶段式预处理与酶聚合的结合，使得聚合体粒子大小呈现极为理想的状态。并不是当所有蛋白全部聚合后，膜过滤过程中膜总阻力都会降低，有的膜阻力反而增加，使过滤更加困难，这是聚合不理想会导致饼层阻力(R_c)很快形成，然而，漆酶+TG催化乳清的膜孔阻塞显著低于其它单一酶或复合酶，饼层阻力阻低于其他样品组。通过酶法适当的聚合乳清中的蛋白可以提高膜通量，降低膜阻力，但并不意味中全部蛋白聚合后过滤效果提高，只有适当的聚合才能同时提高蛋白回收率和膜通量，降低乳糖截留率，延长膜操作时间。

（3）本发明克服常规中酶解后需灭酶活的技术偏见，独创性的在漆酶反应1 -2h后，采用不灭酶替换灭酶方式，使得酶聚合产生更好效果。本发明在转谷氨酰胺酶进行催化的过程中，残留微弱的漆酶活性有效增强转谷氨酰胺酶的聚合。漆酶是一种含铜金属酶类，能够起到蛋白交联作用，是由于它能催化蛋白质中的酪氨酸残基以及与蛋白质通过非肽键相连的酚类化合物的氧化来实现。更好效果产生可能是由于漆酶的在聚合的同时，也让更多的赖氨酸上的氨基和谷氨酸上的羟酰基暴露出来，在谷氨酰胺酶作用下进一步聚合。复合酶催化顺序不同，对乳清蛋白或MPC中蛋白类物质的聚合效果不同，主要是由于一种酶催化结束后会对溶液中蛋白的空间结构产生影响，进而影响另一种酶的催化效果，另外溶液中不同酶的活性会相互影响，以及每种酶催化的辅助因子不同，添加的先后顺序也会导致不同的催化结果。

（4）本发明经过蛋白聚合酶催化聚合后的乳清蛋白或MPC中蛋白成分可以提高乳清蛋白或MPC中蛋白成分的功能特性，例如乳化性、起泡性、成胶性都明显改善。更多的过敏原β-乳球蛋白被聚合，大大降低其含量；本发明乳清蛋白或MPC中蛋白成分在过敏原性方面，β-乳球蛋白过敏原性降低了50％，无苦味。这结果表明开发的乳清蛋白或MPC中蛋白类物质可用于婴幼儿食品，也可用于开发新蛋白食品，如各种人造肉、仿蟹肉、脂肪替代品等，以及可食用薄膜，胶棒。无论是在食品领域还是在化工领域都具有广泛的应用前景。

（5）本发明所获得的目标产品是各工序及参数相辅相成、共同协同作用的结果，减少工序，降低了成本，产生了预料不到的技术效果。

本发明制备的乳清蛋白粉的各项指标均符合乳清蛋白国家标准 GB11674-2010中理化标准。

效果试验：

指标的测定及计算方式

膜通量测定：膜通量是反应膜污染情况的重要指标。

相对膜通量= J/J₀。

膜通量变化采用方程：J=V/A*Δt

其中：J：膜通量；V：透过液体积ml；A：有效膜面积(cm²)；Δt：时间变化(min)，J₀为水通量。

蛋白回收率= (1-C_截留/C_原液) ×100%

蛋白截留率 = (1-C_透过/C_原液) ×100%

C_截留，C_透过和C_原液分别代表截流液，透过液和原液蛋白浓度。

乳糖截流率 = (1-C_透过液/C_原液) ×100%

C_透过液和C_原液分别代表透过液和原液乳糖浓度。

浓缩因子 (VCF)

V_i 初始体积，V_p 透过液体积。

在此需要说明的是，上述各指标的测定方法或计算方法也可以采用本领域常用的其它方法或计算方法。

试验1：

A组：采用本申请实施例1的方案，但步骤（2）替换为单独采用转谷氨酰胺酶，即添加160U和20mM DTT 3-5ml，继续于37 °C反应1-2h，然后灭酶。

B组：使用复合酶，顺序采用漆酶和转谷氨酰胺酶，即具体采用本申请实施例1的方案。

C组：采用本申请实施例2的方案，但步骤（2）替换为单独采用转谷氨酰胺酶，即添加160U和20mM DTT 3-5ml，继续于37 °C反应1 -2h，然后灭酶。

D组：使用复合酶，顺序采用漆酶和转谷氨酰胺酶，具体采用本申请实施例2的方案。

E组：现有技术中复合酶处理，具体采用申请号2016103084510 中的权利要求1的技术方案，其中蛋白酶选用胰蛋白酶。

本发明进行了对比试验，测定了蛋白回收率、膜通量、乳糖截留率等指标；结果见表1 （a，b，c，d表示各组的差异性显著情况（P<0.05），平行3次）。

表1

结果显示：先采用漆酶催化再采用转谷氨酰胺酶进行催化，超滤过程中相对膜通量以及蛋白回收率明显提高，乳糖截留率明显降低。相对于单一酶以及现有技术中复合酶处理的样品，乳清蛋白或MPC中蛋白成分的膜回收效率和纯度明显提高，膜通量提高30%~40%或更高。乳清蛋白或MPC中蛋白成分回收率提高20%左右或更高。乳糖的截留率降低10%左右或更高，三个指标同时达到理想效果是很难预料的。同时也进一步表明，在执行复合酶聚合前，采用阶段式预处理，第一阶段：先以5°C / min的速率上升温度至60°C、保温20min；第二阶段：再以5°C/ min的速率上升温度至85°C、保温15min，取得了更好的效果。后续课题组将进一步对预处理后的容易结构及成分进行研究和分析。

试验2：漆酶灭酶前后的对比试验：

第1组：

在漆酶反应1 -2h后进行100°C、5分钟的灭酶处理，其它均采用实施例1的技术方案；

第2组：

在漆酶反应1-2h后，不进行灭酶，紧接着顺序处理，其它均采用实施例1的技术方案。

第3组：

采用实施例2的技术方案；

第4组：

采用实施例3的技术方案。

进行了对比试验，测定了蛋白回收率、膜通量、乳糖截留率等指标；

结果见表2（a，b，c，d表示各组的差异性显著情况（P<0.05），平行3次）。

表2

从结果可以看出，独创性的在漆酶反应1 -2h后，采用不灭酶替换灭酶方式，使得酶聚合产生更好效果，尤其膜通量有了很大的提升。

试验:3：

选择两种蛋白聚合酶复合使用，分别先进行漆酶，酪氨酸酶，过氧化物酶催化然后再分别加入转谷氨酰胺酶进行催化，同时考察了先进行转谷氨酰胺酶催化再进行漆酶，酪氨酸酶和过氧化物酶催化。漆酶聚合蛋白+阿魏酸+TG+DTT，酪氨酸酶聚合蛋白+咖啡酸+TG+DTT，过氧化物酶聚合蛋白+H₂O₂+TG+DTT，TG酶+DTT+阿魏酸+漆酶 7 TG+DTT+咖啡酸+酪氨酸酶和TG+DTT+过氧化氢+过氧化物酶。SDS-PAGE结果表明漆酶+TG的低分子量条带明显降低，并通过凝胶渗透色谱进一步确定该效果最好。

具体实施方式

实施例1：一种复合酶聚合偶联超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白的方法，该方法同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率，按照以下步骤进行：

（1）原料准备：

取40ml干酪乳清或MPC透析液，可以于4 °C冷藏备用；

（2）复合酶聚合：

取40ml干酪乳清或MPC透析液放入丝口瓶中，用0.2N氢氧化钠和/或0.2N盐酸将干酪乳清或MPC透析液的pH值调至5.0，加入漆酶120 U和5 mol/l的阿魏酸3-5ml，然后将装有混合溶液的丝口瓶置于恒温水浴锅中，于37°C反应1 -2h，灭酶，之后再次调节溶液pH值调至8.0，加入转谷氨酰胺酶160U和20mM DTT 3-5ml，继续于37°C反应1 -2h，灭酶，得含有蛋白聚合物的乳清溶液；冷却至10°C以下。转谷氨酰胺酶的活性为800U/g，漆酶活性为600U/g。

（4）指标测定：蛋白回收率、膜通量、乳糖截留率的测定。

实施例2：一种复合酶聚合偶联超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白的方法，该方法同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率，按照以下步骤进行：

（1）原料准备：

取40ml干酪乳清或MPC透析液，可以于4 °C冷藏备用；

（2）两段预处理：第一阶段：先以5°C/ min的速率上升温度至60-65°C、保温20min；第二阶段：再以5°C/ min的速率上升温度至75-80°C、保温10min；

（3）复合酶聚合：

取40ml干酪乳清或MPC透析液放入丝口瓶中，用0.2N氢氧化钠和/或0.2N盐酸将干酪乳清或MPC透析液的pH值调至5.0，加入漆酶120 U和5 mol/l的阿魏酸3-5ml，然后将装有混合溶液的丝口瓶置于恒温水浴锅中，于37°C反应1-2h，灭酶，之后再次调节溶液pH值调至8.0，加入转谷氨酰胺酶160U和20mM DTT 3-5ml，继续于37°C反应1-2h，灭酶，得含有蛋白聚合物的乳清溶液；冷却至10°C以下。转谷氨酰胺酶的活性为800U/g，漆酶活性为600U/g。

（4）超滤：使用截留分量10kDa的超滤膜；优选PES聚醚砜超滤膜，采用死端过滤的方式，跨膜压力0.15MPa;

（5）指标测定：蛋白回收率、膜通量、乳糖截留率的测定。

实施例3：采用不灭酶的方式。

一种复合酶聚合偶联超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白的方法，该方法同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率，按照以下步骤进行：

（1）原料准备：

取40ml干酪乳清或MPC透析液，可以于4 °C冷藏备用；

（3）复合酶聚合：

取40ml干酪乳清或MPC透析液放入丝口瓶中，用0.2N氢氧化钠和/或0.2N盐酸将干酪乳清或MPC透析液的pH值调至5.0，加入漆酶120 U和5 mol/l的阿魏酸3-5ml，然后将装有混合溶液的丝口瓶置于恒温水浴锅中，于37°C反应1 -2h，不灭酶，直接调节溶液pH值调至8.0，加入转谷氨酰胺酶160U和20mM DTT 3-5ml，继续于37°C反应1 -2h，灭酶，得含有蛋白聚合物的乳清溶液；冷却至10°C以下。转谷氨酰胺酶的活性为800U/g，漆酶活性为600U/g。

（5）指标测定：蛋白回收率、膜通量、乳糖截留率的测定。

本发明源于课题项目的研究，我们做了大量的试验，也获得了大量的效果数据，基于篇幅受限，在此选择有代表性的数据进行说明。本发明蛋白粒径增加，Zeta 电位值增加，膜总阻力Rt降低，膜污染降低，延长膜操作时间，降低膜清洗频次，大大提高超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白类物质效率。蛋白质的乳化性、起泡性、成胶性都明显改善，也大大可以降低β-乳球蛋白的致敏性。

Claims

1.一种复合酶聚合偶联超滤回收乳清蛋白或MPC中蛋白的方法，其特征在于，同时提高乳清蛋白或MPC中蛋白类成分回收率、提高膜通量、降低乳糖截留率，按照以下步骤进行：

（1）原料准备：

取40 ml干酪乳清或MPC透析液，于4 ℃冷藏备用；

（2）两段预处理：第一阶段：先以5 ℃/ min的速率上升温度至60-65 ℃、保温20 min；第二阶段：再以5 ℃/ min的速率上升温度至75-80 ℃、保温10 min；

（3）复合酶聚合：

取40ml干酪乳清或MPC透析液放入丝口瓶中，用0.2N氢氧化钠和/或0.2N盐酸将干酪乳清或MPC透析液的pH值调至5.0，加入漆酶120 U和5 mol/L的阿魏酸3-5 ml，然后将装有混合溶液的丝口瓶置于恒温水浴锅中，于37 ℃反应1-2 h，不灭酶，直接调节溶液pH值调至8.0，加入转谷氨酰胺酶160U和20 mM DTT 3-5 ml，继续于37 ℃反应1-2 h，灭酶，得含有蛋白聚合物的乳清溶液；冷却至10 ℃以下，所述转谷氨酰胺酶的活性为800 U/g，漆酶活性为600 U/g；

（4）超滤：使用截留分子量10 kDa的超滤膜；所述超滤膜为PES聚醚砜超滤膜，采用死端过滤的方式，跨膜压力0.15MPa；

（5）指标测定：蛋白回收率、膜通量、乳糖截留率的测定。