第1章 乳清蛋白质生产及其发展
Mingruo Guo1， 2 and Guorong Wang1
1. Department of Nutrition and Food Science， University of Vermont， Burlington， USA
2. College of Food Science， Northeast Agriculture University， Harbin， People’s Republic of China
1.1 乳清蛋白质种类
牛奶是由脂肪球、酪蛋白微粒和清蛋白或乳清相组成的复杂的胶体悬浮溶液（图1.1）。乳清是牛奶由凝乳酶或酸凝固后压滤获得的一种黄色到绿色的透明溶液。乳清组分是指那些不参与凝乳并能被滤出的小分子成分。乳清固形物包括乳糖、蛋白质（主要是乳清蛋白质）和矿物质等，如表1.1所示。液体乳清固形物占全乳固形物的50%左右，包括大多数矿物质、几乎全部的乳清蛋白质和乳糖。
图1.1 牛奶是由脂肪球、酪蛋白微粒和清蛋白或乳清相组成的一个复杂的胶体悬浮溶液。乳清蛋白质、乳糖和矿物质存在于乳清相中
表1.1 乳和乳清的组成
不同方法凝固的牛奶会产生不同类型的乳清。一般可分为甜乳清和酸乳清。甜乳清和酸乳清没有明确的定义来区分，但通常以pH5.6为界，甜乳清pH高于5.6，酸乳清pH低于5.6。甜乳清来源于干酪生产（凝乳酶凝乳工艺），有时也称为干酪乳清；酸乳清来源于发酵凝乳工艺（乳糖转化为乳酸，如希腊酸奶）或酸凝乳工艺（酸法生产酪蛋白）（Tunick，2008）。甜乳清和酸乳清的组成列于表1.2。
表1.2 甜乳清和酸乳清的组成
1.1.1 甜乳清
牛、绵羊和山羊等哺乳动物已被驯化超过10000年（Clutton-Brock，1999；Beja-Pereira et al.，2006）。DNA分析技术表明哺乳动物被驯化历史可以追溯到17000年以前（Beja-Pereira et al.，2006），驯化的牛和其他哺乳动物可以用来耕地以及提供奶类、皮毛和肉，但牛在东亚、中非地区却没有用来提供牛奶（Clutton-Brock，1999）。直到现在，这些地区患乳糖不耐受的人数远比北欧和近东等地区的多。史前时期，在不屠宰珍贵牲畜的情况下，奶的生产非常重要，奶可持续提供营养食物。干酪的制造是人类文明史上的里程碑，它比新鲜牛奶更容易保存。古今干酪制造工艺有许多共同点，包括自然发酵、熬煮、挤压和干燥。
第一块干酪可能来自反刍动物的胃（Smithers，2008），胃中天然存在的凝乳酶使牛奶凝成凝乳，然后凝乳经挤压分离乳清，这可能是人类第一次获得乳清。世界各地的考古工作者发现了古时利用牛奶的证据（陶器中牛奶/干酪残留物）（Evershed et al.，2008；Salque et al.，2013；Scott et al.，1998；Yang et al.，2014）。北欧*早制作干酪的证据是公元前6000年（Salque et al.，2013）的压榨乳清的陶瓷筛子碎片[图1.2（a）]、修复的筛子容器碎片[图1.2（b）]与法国上卢瓦尔的现代干酪筛非常相似（Briggs，2012）。
图1.2 （a）复原的筛子、（b）发现于波兰Kuyavia地区的筛子碎片（7000年历史）、（c）现代用于干酪压滤的陶瓷滤锅
典型的干酪生产包括添加凝乳酶以破坏酪蛋白微粒丝（κ-酪蛋白丝），进而破坏蛋白胶束结构，促进牛奶凝固（O’Callaghan et al.，2002），再通过切割和挤压凝乳块滤出乳清。凝乳酶凝乳过程如图1.3所示。凝乳酶是来源于反刍动物胃中的复合酶，它可以切断κ-酪蛋白丝（一种稳定酪蛋白微粒结构的蛋白），从而使酪蛋白微粒凝固（Daviau et al.，2000）。脂肪球被酪蛋白凝乳包裹或乳化；而乳清则挤压滤出，称为甜乳清或干酪乳清。生产1份干酪同时产生9份液体乳清。由凝乳酶切割的κ-酪蛋白片段称为糖巨肽（GMP）（Brody，2000），通常存在于甜乳清中。凝乳酶不能将乳糖转化为乳酸，因而得到中性pH的甜乳清。目前全球干酪产量巨大，其副产物甜乳清成为主要的商品乳清。
1.1.2 酸乳清
酸乳清是生产酸性酪蛋白和希腊酸奶等酸凝乳产品的副产物。中性pH时，κ-酪蛋白丝（通过静电斥力）和磷酸钙胶体（CCP）使酪蛋白微粒状态稳定（de Kruif and Holt，2003）。酸凝乳机制如图1.4所示。当pH下降时，一方面，κ-酪蛋白静电斥力被中和，并导致胶束收缩（de Kruif，1997）；另一方面，与酪蛋白分子结合的磷酸钙胶体在乳清相中溶解（Le Graёt and Gaucheron，1999），酪蛋白微粒被破坏形成凝乳（Lucey，2003），从酸凝乳中压滤出的乳清称为酸乳清。酸凝乳过程可以通过添加无机酸或有机酸（如盐酸或乳酸）和/或发酵作用（乳糖转化为乳酸）实现。
图1.3 凝乳酶作用下的凝乳和甜乳清
图1.4 酸凝乳和酸乳清
凝乳酶和酸诱导的凝乳机理不同，产生的甜乳清和酸乳清的物理化学性质也有差异，如酸乳清的pH更低，通常不含GMP，灰分（从胶束释放到乳清中的钙）高，乳糖略低（一些乳糖转化为乳酸）；发酵前的热处理使酸乳清中一些乳清蛋白质（尤其是β-乳球蛋白）与κ-酪蛋白通过二硫键-巯基转换作用（Lucey，2002；Lu et al.，2013）成为凝乳的一部分，导致酸乳清中蛋白质含量降低。
1.2 乳清的利用
乳清曾经是乳制品工业中污染*严重的废弃物，其生化需氧量（BOD）是35～45kg/m3，化学需氧量（COD）是60～70kg/m3（Mawson，1994），大多数国家和地区禁止未经处理的乳清直接排放。实际上，乳清营养丰富，含有约50%的乳固形物。乳清的开发利用进程就是变废为宝的生动写照（Smithers，2008）。
1.2.1 古代时期
铜器时代，可能从来没有考虑过如何处理乳清的问题，人们喝乳清的习惯一直延续到二十世纪初。现在，乳清用来制造各种功能性饮料，包括能量饮料（Singh and Singh，2012）、发酵饮料（Pescuma et al.，2010）、酒精饮料（Dragone et al.，2009）和碳酸饮料（Singh and Singh，2012）。早在公元前460年，希腊医生Hippocrates就给患者开了乳清药方，用于提高免疫力、治疗胃肠道疾病和皮肤病（Heffernan，2015；Smithers，2015；Susli，1956）；Smithers（2008）在文献中提到，十七世纪时乳清就用来治疗脓毒症、胃病和促进伤口愈合，那时欧洲的乳清消费成为时尚（Holsinger，1978）。从十七世纪到十九世纪，欧洲“乳清餐馆”（Whey House）菜单上的乳清粥、乳清汤、乳清茶和乳清黄油非常受欢迎（Smithers，2015）。现在，瑞士和阿尔卑斯山区豪华的乳清水疗浴场吸引着成千上万的游客。
1.2.2 工业革命时期
二十世纪初，干酪和酪蛋白生产迅速增长，导致乳清产量爆发式增长，已经超出了利用极限，只能直接排放，造成严重的环境污染，因此，学术界和工业界共同努力聚焦乳清的综合利用。
液体乳清的浓缩或干燥可以使其更容易保存或运输。1908年，Merrell通过喷雾干燥获得了甜乳清粉（Merrell，1911），在这个重要发明中，液体乳清通过雾化器分散为小颗粒，然后在干燥室中由“吸湿空气”干燥。早期的乳清干燥方式包括滚筒干燥（Golding and Rowsell，1932）、喷雾干燥（Merrell，1911；Peebles and Manning，1939）以及两种方式相结合（Tunick，2008）。这些干燥技术存在的问题是乳糖的吸湿性导致的能耗和成本过高，乳清蛋白质变性严重，导致溶解性和功能性差（Tunick，2008）。为了提高蛋白质溶解性，开发了多段真空蒸发器（Webb and Whittier，1948；Francis，1969），但由于缺乏从液体中回收和纯化乳清蛋白质的技术，早期的工业乳清仅用于生产动物饲料和加工乳糖（如用于婴儿食品、焙烤食品或糖果）（Berry，1923）。
1.2.3 现代发展
膜过滤分离组分是根据颗粒的大小（Zydney，1998），其机制将在第2章中讨论。采用膜过滤，可使乳清粉中蛋白质含量从11%（甜乳清粉）提高到90%[乳清分离蛋白（WPI）]。膜技术是非热加工过程，能使蛋白质热变性程度*小，液体乳清蛋白质可通过微滤或超滤回收（Morr and Ha，1993）。为了克服蒸发工艺生产浓缩乳清粉的缺陷（如溶解性差、褐变等），现代工艺采用纳滤技术浓缩原料再进行喷雾干燥生产乳清浓缩蛋白（WPC）和乳清分离蛋白（Atra et al.，2005）。
1.3 乳清产品概况
1.3.1 乳糖
乳糖是乳清中含量*高的组分，可以通过结晶方法获得，广泛应用于婴儿配方奶粉、糖果、烘焙和医药产品等（Holsinger，1988）。
1.3.2 乳清粉
液体甜乳清和酸乳清经过巴氏杀菌和喷雾干燥得到甜乳清粉和酸乳清粉（含有液体乳清所有成分），可作为乳固体替代品。乳清粉在烘焙和糖果生产中发生褐变从而产生良好色泽（Dattatreya et al.，2007），但其蛋白质含量低、灰分含量高，应用受到一定限制。利用离子交换、膜过滤或电渗析技术可去除乳清中部分盐（Houldsworth，1980）生产脱盐乳清，一般脱盐率分别为25%、50%和90%，其可用于婴儿配方奶粉、酸奶和其他方面（Jost et al.，1999；Penna et al.，1997；Tratnik and Krsev，1987）。
1.3.3 乳清浓缩蛋白和乳清分离蛋白
乳清蛋白质营养丰富和功能性好，是乳清中*有价值的成分（de Wit，1998；Marshall，2004）。超滤技术可浓缩乳清蛋白质，使之占总固形物的80%，*常见的WPC包括WPC34、WPC60和WPC80，分别含有34%、60%和80%的蛋白质（表1.3）。在蛋白质、乳糖和脂肪含量方面，WPC34与脱脂奶粉组成相似，常用于替代脱脂奶粉（Hoppe et al.，2008）。
WPC80经微滤处理去除脂肪，蛋白质浓缩至90%，称为WPI。WPI有优良的功能性，包括胶凝性、乳化性和发泡性（Berry et al.，2009；Gaonkar et al.，2010）。
展开
