张瑞华 刘 鹭 逄晓阳 芦 晶 杨 洋 赵 璞 许 乐 张书文 吕加平

（中国农业科学院农产品加工研究所 北京 100193）

酪蛋白胶束粉（Micellar casein powder）是通过膜过滤技术生产的乳蛋白制品。根据各组分分子质量的不同，膜过滤技术可以实现不同组分的分离[1]。在脱脂乳膜分离过程中，乳清蛋白、乳糖、矿物质等分子质量较小的物质可以透过膜，而酪蛋白等分子质量较大的物质被截留，对截留液进行喷雾干燥，可以得到不同蛋白含量的MPC。因为此工艺条件温和，不涉及酸化、酶凝等化学变化，所以生产出来的MCP更接近天然状态，功能性质较优越。随着膜分离技术的发展，MCP已经可以工业化生产[2]。在实际生产中，MCP具有广阔的市场前景，MCP可用于生产高蛋白饮料，其营养丰富，口味清淡[3]；MCP可代替脱脂乳粉生产再制干酪，不需要排乳清，其得率与口感都有明显的提升[4]。

随着喷雾干燥技术的发展，乳粉因便于运输，货架期长，在工业中获得广泛的应用[5]。粉体的性质与喷雾干燥条件尤其是进、出口温度密切相关[6]。目前，国内外关于MCP的喷雾干燥条件对粉体特性的影响研究较少，考虑到MCP工业实际应用，十分有必要研究喷雾干燥条件对MCP性质的影响。本研究模拟国外工艺，采用100 nm陶瓷膜生产MPC，并探讨不同喷雾干燥温度130℃/65℃，160℃/78℃，180℃/90℃对MCP理化性质及微观结构的影响，为MCP的工业化生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牛奶，北京市昌平区盛隆养殖场，硫酸、硫酸铜、硫酸钾、硼酸、氢氧化钠、盐酸，均为分析纯级。

1.2 仪器与设备

FT-15乳脂分离机，英国Armfield公司；100 nm孔径管式陶瓷膜、陶瓷膜中试设备，上海凯鑫分离技术有限公司；3K15离心机，德国Sigma公司；FT4粉体流变仪，英国Freeman Technology公司；T18高速剪切机，德国IKA公司；2300型全自动凯氏定氮仪，丹麦FOSS公司；喷雾干燥设备，德国GE；Microtrac S3500激光粒度分析仪，美国Microtrac公司；电子眼，英国VireVide公司；红外光谱，德国Buruker公司；扫描电镜，日本Hitachi公司。

1.3 MCP生产和喷雾干燥工艺

MCP的制备方法参考文献[7]的方法，如图1所示。从奶牛养殖厂采集42 kg原料乳，预热至40℃左右，用碟片式乳脂分离机进行脱脂，反复2次。取36 kg脱脂乳进行巴氏杀菌（72℃，15 s），之后料液过100 nm陶瓷膜进行乳清蛋白与酪蛋白的分离。膜过滤条件：温度50℃，过膜压力0.18 MPa。待浓缩3倍时，补水24 kg进行洗滤，共做3次循环。将最后得到的酪蛋白浓缩液在不同的喷雾温度下干燥。粉末收集在密闭的容器中，室温保存，备用。

图1 MCP生产流程图Fig.1 Flowsheet of micellar casein powder

1.4 截留液成分的测定

采用凯式定氮法，测定截留液中的总氮、非蛋白氮和非酪蛋白氮，其中总氮按照GB 5009.5-2010《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》方法测定；非蛋白氮参照GB/T 21704-2008《乳与乳制品中非蛋白氮含量的测定》方法测定；截留液中非酪蛋白氮采用文献[8]方法测定。粗蛋白=总氮×6.38，真蛋白=（总氮-非蛋白氮）×6.38，酪蛋白=（总氮-非酪蛋白氮）×6.38。固形物质量分数参考GB 5009.3-2010《食品国家安全标准食品中水分的测定》方法测定。截留液的成分如表1所示。

表1 酪蛋白截留液成分组成Table1 Chemical composition of casein powder

1.5 微观结构的测定

参考文献[9]的方法，将MCP粉末铺成薄层，然后对其粘样、镀金，用扫面电镜观察，放大倍数为8 000倍，加速电压为10 kV。

1.6 粒径的测定

采用Microtrac S3500型激光粒度分析仪分别测定不同喷雾温度下MCP粉末的粒径及其分布。使用时，仪器先进行自动较零，再进行样品的测定。

1.7 二级结构的测定

将MCP粉末置于衰减全发射（ATR）晶体反射面上扫描，扫描次数为64次，分辨率为4 cm-1，扫描波段为4 000～400 cm-1。采用OPUS 7.2软件进行光谱扫描，在测试前扣除背景光谱。采用Peak Fit 4.12对光谱酰胺I带（1 600～1 700 cm-1）进行二级结构分析。所有操作在室温下进行。

1.8 溶解性的测定

参考文献[10]的方法，取MCP粉末配成质量分数为5%的溶液，取10 g溶液于50 mL离心管中4 400×g离心10 min，平皿预先恒重。分别取5 g未离心的原样液与经过离心的上清液于平皿中，将平皿放入105℃烘箱，放置6 h后取出平皿于干燥器中，冷却至室温。分别计算原样与上清的固形物质量分数。溶解性的计算方法见公式（1）。

1.9 色度的测定

采用色差仪来测定脱脂乳、各阶段截留液与透过液溶液颜色的变化，仪器使用前先用白板进行校正。将样品置于室温下1 h后，分别测定各样品的L*，a*和b*值。L*代表亮度，a*代表由绿到红的色彩变化，b*代表由蓝到黄的色彩变化。

1.10 流动性的测定

参考文献[11]的方法，采用FT4粉体流变仪测定粉体的流动性。采用48 mm剪切头和85 mL直径为50 mm的硼硅酸盐玻璃容器测定粉体的流动性。测试前，仪器自带预混合功能，这样可以使粉体性质更加均一，并且剪切性测试都是按照标准自动进行，消除了人为误差，提高了数据的准确性。

1.11 数据处理

各试验重复3次，结果以平均值±标准差表示。数据在P<0.05水平上的显著性采用SAS9.0统计软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 喷雾干燥温度对MCP微观结构的影响

MCP微观结构与其理化性质存在一定联系，而且也可以进一步解释其性质变化的原因，因此十分有必要对微观结构进行观察。图2为不同喷雾干燥温度对MCP微观结构的影响。由图可以看出，当喷雾温度为130℃/65℃时，MCP的颗粒表面比较光滑，伴随有较小的凹陷；当温度上升到180℃/90℃时，MCP表面变得粗糙，而且伴有较大的褶皱。说明130℃/65℃是MCP较理想的喷雾温度，没有破环蛋白的微观结构，得到的酪蛋白粉末的表面饱满且光滑。

图2 不同喷雾干燥温度对MCP微观结构的影响Fig.2 Effect of spray drying temperature on scanning electron micrograph of micellar casein powder

2.2 喷雾干燥温度对MCP粒径的影响

表2表示不同喷雾干燥温度对MCP粒径的影响。由表2可以看出，当喷雾温度从130℃/65℃上升到160℃/78℃，MCP的粒径D50值从14.13 μm减小到11.02 μm；当喷雾温度从160℃/78℃上升到180℃/90℃，粒径变化不明显。图3表示不同喷雾干燥温度对粒径分布的影响。由图3可以看出，随着喷雾温度的升高，粒径逐渐变窄。因为如果喷雾温度较高，料液水分快速蒸发，颗粒表面收缩严重，导致粒径减小，粒径分布也相应变窄[12]。

表2 不同喷雾温度对MCP粒径的影响Table2 Effect of spray drying temperature on the particle size of micellar casein powder

图3 喷雾干燥温度对MCP粒径分布的影响Fig.3 Effect of spray drying temperature on particle size distribution of micellar casein powder

2.3 喷雾干燥温度对MCP二级结构的影响

采用傅里叶红外光谱仪测定MCP的红外谱图，之后用PeakFit软件对蛋白酰胺Ⅰ带进行拟合，得到不同喷雾干燥温度处理MCP的二级结构，结果如表3所示。从表中可以看出，随着喷雾干燥温度的上升，α-螺旋和β-折叠含量减少，而β-转角和无规卷曲含量增加。这可能是因为随着喷雾温度的增加，蛋白结构发生变化，二级结构也发生相应的改变。

此外，在酪蛋白分子中以脯氨酸为中心的β-折叠与β-转角所组成的刚性区域会受到弹性基团（α-螺旋）的调节，使酪蛋白处于一种张力与压力平衡的状态，因而使酪蛋白表现为球形结构[13]。由表可以看出，喷雾干燥温度的升高，维系酪蛋白稳定的α-螺旋含量减少，这使得酪蛋白的平衡状态被打破，因而球形结构发生变化，这与本研究的电镜观察结果一致。

表3 喷雾干燥温度对MCP二级结构的影响Table3 Effect of spray drying temperature on secondary structure of micellar casein powder

2.4 喷雾干燥温度对MCP溶解性的影响

在工业应用中，MCP的溶解性是乳化性、起泡性、凝胶性的基础，因此较好的溶解性可以拓宽其在食品工业的应用。图4是喷雾干燥温度对MCP溶解性的影响。由图4可以看出，随着喷雾干燥温度的升高，MCP的溶解性从84.14%降低到60.44%。Davenel等[14]通过核磁共振技术观察乳蛋白浓缩物的复水过程，结果表明此过程分为2个阶段。首先，大量水迅速吸附在粉体表面，之后水分子缓慢渗入粉末的每个微孔，吸附到颗粒表面，从而使颗粒溶解到溶液中。结果表明，随着喷雾干燥温度的升高，溶解度降低，可能由于过高的喷雾温度使蛋白发生变性，在溶解过程中水分子不容易渗透到粉末的微孔中，从而造成溶解性下降。

2.5 喷雾干燥温度对MCP水分含量的影响

水是引起食品化学变化及微生物作用的重要原因，直接关系到食品的贮藏特性，因此在粉体贮藏期间，应将粉体的水分含量控制在合理的范围之内。通常当脱脂乳粉的含量控制在5%以内，便可以贮存12～24个月。图5为喷雾干燥温度对粉末水分含量的影响。由图5可以看出，当喷雾温度从130℃/65℃上升到180℃/90℃，粉末的水分含量从4.07%下降到3.20%。不同喷雾温度的MCP粉末的水分含量都在5%以下，说明这3种工艺都可以满足贮藏期间的水分要求。

图4 喷雾干燥温度对MCP溶解性的影响Fig.4 Effect of spray drying temperature on solution of micellar casein powder

2.6 喷雾干燥温度对MCP色度的影响

用肉眼观测不同喷雾温度得到的MCP样品，均为白色粉末，看不出明显变化。为了进一步研究喷雾温度对MCP颜色的影响，采用电子眼分别测定不同喷雾温度下的色度，结果如表4所示。由表4可以看出，随着喷雾温度的升高，MCP的L*值增加，a*值减小，这主要是因为MCP粉末水分含量逐渐减小[15]。当温度从130℃/65℃上升到160℃/78℃时，b*值降低，这是因为粉末的水分含量降低；当温度从160℃/78℃上升180℃/90℃时，b*值升高，这可能是因为高温导致MCP发生轻微的褐变[16]。

2.7 喷雾干燥温度对MCP流动性的影响

在粉体的管道运输过程中，流动性扮演者重要的角色。如果粉体的流动性较差，很容易堵塞管道，因此提高粉体的流动性对粉体的工业应用有重要意义。粉体流动性的好坏可以用流动性指数（Flow index，ffc）表示，其定义为最大主应力与无侧界屈服强度应力之比，ffc值越大说明粉体的流动性越好。图6为喷雾干燥温度对粉末流动性的影响。由图6可以看出，当喷雾温度从130℃/65℃增加到160℃/78℃，MCP粉末的流动性从4.16减小到1.65。之后当喷雾温度增加到180℃/90℃，ffc值减小到1.27。结果表明，喷雾温度越高，MCP的流动性越差。Fitzpatrick等[17]研究表明粉体颗粒越小，其比表面积越大，颗粒间黏性力也越大，粉末的流动性越差。本文的粒径结果表明，随着喷雾温度的升高，MCP的粒径逐渐减小。因此本研究中ffc值降低可能是因为在较高的喷雾温度条件下，MCP的粒径变小，颗粒间的黏性增加，导致流动性降低。此外，本文的电镜结果表明，随着喷雾温度升高，颗粒表面变得粗糙而且有较大的凹陷。因此本研究中ffc值降低可能是因为随着喷雾温度的升高，颗粒间的摩擦和咬合程度增加，造成粉体的流动性降低。

图5 喷雾干燥温度对MCP水分含量的影响Fig.5 Effect of spray drying temperature on moisture of micellar casein powder

表4 喷雾干燥温度对MCP色度的影响Table4 Effect of spray drying temperature on the color value of micellar casein powder

图6 喷雾干燥温度对MCP流动性的影响Fig.6 Effect of spray drying temperature on flow properties of micellar casein powder

3 结论

喷雾干燥温度对MCP的功能特性有非常显著的影响。通过电镜的结果可以发现，当喷雾干燥温度为130℃/65℃时，得到的MCP分子表面平整，而当喷雾干燥温度上升到180℃/90℃时，分子表面有较大的褶皱，说明130℃/65℃是较合适的进出口温度，对蛋白的微观结构破坏小。随着喷雾干燥温度的增加，蛋白的溶解性逐渐降低。这是因为如果喷雾温度较低，蛋白的微观结构破坏较小，更容易复溶，这与本文的电镜观察结果一致。随着喷雾温度升高，MCP的粒径逐渐变小，粒径分布也逐渐变窄，粒径的大小与粉体的溶解性成正相关，较低喷雾温度下，粉体的粒径较大，因此有较好的溶解性，这与本文粒径的观察结果一致。当喷雾干燥温度为130℃/65℃时，MCP粉末的水分含量达到最高值4.07%，而水分含量仍然在5%以下，因此可以满足粉体贮存的要求。在色度方面，喷雾干燥温度为180℃/90℃时，得到的MCP粉末更白，不过肉眼看不出明显差别，因此130℃/65℃的喷雾干燥温度仍可以满足人们的视觉要求。在粉体的流动性方面，当喷雾干燥温度为130℃/65℃时，粉体的流动性最好，这与本文的电镜结果和粒径结果一致。因此，综合来看，130℃/65℃是合适的喷雾干燥进出口温度。