趙 烜,李向瑩,秦于思,陳 笛,王存芳*
(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟南 250353)
熱處理是乳制品生產(chǎn)加工中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),可以保證產(chǎn)品的生物安全性,延長乳制品的貨架期,還可以改善乳制品的加工性能[1-2]。α-乳白蛋白(α-lactalbumin,α-La)是乳清蛋白中主要成分之一,經(jīng)熱處理發(fā)生變性,伴隨著其天然結(jié)構(gòu)的破壞和與其他乳蛋白的相互反應(yīng),導(dǎo)致乳的性能和乳中蛋白形態(tài)發(fā)生改變[3]。本文闡述了α-La在熱處理過程的自身變化和與其他乳蛋白之間的相互作用,可以為液態(tài)乳的加工提供理論依據(jù)。
目前對乳的熱處理方式有巴氏殺菌、高溫滅菌。巴氏殺菌旨在除去乳中的有害微生物,盡量保留乳中的營養(yǎng)物質(zhì)[4];滅菌的目的是實現(xiàn)商業(yè)無菌,主要是使最耐熱的致病菌肉毒桿菌芽孢失活,一般最低滅活條件為121 ℃、3 min[5]。滅菌乳又可分為保持滅菌乳和超高溫滅菌(ultra-high temperature,UHT)乳兩類。保持滅菌是將經(jīng)過巴氏殺菌、均質(zhì)、灌裝入容器并密封等處理之后,然后乳連同容器再次滅菌。UHT工藝包括:預(yù)熱(80~95 ℃)、預(yù)熱溫度的保持、升溫至滅菌溫度、滅菌溫度的保持、冷卻和無菌灌裝。嗜溫微生物孢子滅活的有效性和控制化學(xué)變化的有限化,分別界定了滅菌溫度和保持時間組合的下限和上限[6]。表1總結(jié)了典型的熱處理方式及其特點[7-8]。熱變性程度受到熱處理溫度和持續(xù)時間的影響,溫度越高,持續(xù)時間越長,變性程度越高。乳清蛋白各成分的變性溫度不同,例如α-La在66 ℃開始變性,β-乳球蛋白(β-lactoglobulin,β-Lg)的變性溫度則在75 ℃。因此,若熱處理方式不同,達到的溫度不同,可能引起蛋白質(zhì)變性的程度不同。
表 1 不同的熱處理方式及其特點Table 1 Different heat treatment methods and their characteristics
乳清蛋白中各蛋白組分的含量及所含有的二硫鍵(S—S)、巰基(—SH)個數(shù)是乳蛋白聚集的基礎(chǔ),其具體機制是在達到蛋白的變性溫度后,—SH和S—S暴露,—SH具有反應(yīng)活性,通過—SH/S—S的交換反應(yīng)連接蛋白質(zhì),形成蛋白聚集體。不同乳源乳清蛋白中各蛋白組分的含量具有一定的差異,如表2所示,山羊乳中β-Lg在乳清蛋白中含量最高,而牛乳中含量較高的乳清蛋白組分為α-La。不同乳源乳清蛋白中α-La、β-Lg、SA含量的差異,導(dǎo)致在實際生產(chǎn)中不同乳源會出現(xiàn)蛋白聚集體的差異,從而對不同乳源的乳品品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。
表 2 不同乳源的主要乳清蛋白及特殊化學(xué)鍵Table 2 Major whey proteins and special chemical bonds from different milk sources
α-La是低分子質(zhì)量的球形乳清蛋白,約為14.2 kDa[13]。天然的α-La的結(jié)構(gòu)由兩個部分組成:一個大的α-螺旋結(jié)構(gòu)域和一個小的β-折疊結(jié)構(gòu)域,它們通過鈣結(jié)合環(huán)連接[14]。α-La是金屬結(jié)合蛋白,每分子結(jié)合1 個Ca2+。Ca2+結(jié)合在蛋白質(zhì)的10 個序列氨基酸之內(nèi),稱之為轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu),它形成一個由二硫鍵連接殘基73和殘基19包圍的環(huán)狀部分。轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)中有5 個天冬氨酸(Asp)殘基存在,其中有3 個參與Ca2+的結(jié)合[12]。α-La通過4 個分子間二硫鍵(6-120、61-77、73-91和28-111)保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,α-La中最活躍的S—S是處在蛋白結(jié)構(gòu)表面的Cys6-120,一旦被切割開,就可以與其他分子上的—SH發(fā)生—SH/S—S反應(yīng)[15]。α-La有兩種構(gòu)象,在乳正常pH值時天然構(gòu)象為N構(gòu)象,當(dāng)pH<5.0時,會由N構(gòu)象向A構(gòu)象(酸構(gòu)象)轉(zhuǎn)變[12]。
α-La熱變性的本質(zhì)是蛋白結(jié)構(gòu)的去折疊化,三級結(jié)構(gòu)被破壞,暴露出包埋在分子內(nèi)部的二硫鍵,形成改性單體蛋白。由于α-La不含有游離的—SH,變性的α-La不具有反應(yīng)活性,不能發(fā)生巰基-二硫鍵的交換[15],因此自身不能形成聚合物及良好的凝膠結(jié)構(gòu)。Schokker等[16]的研究證實了這一點,其對α-La溶液(10 g/L)進行75 ℃、70 min的熱處理,未生成聚合物。α-La的熱力學(xué)轉(zhuǎn)變溫度為66 ℃,即在66 ℃時有部分發(fā)生變性,其變性溫度為96 ℃[17-18]。在60~120 ℃下,其變性程度與熱敏指標(biāo)糠氨酸、乳果糖含量均存在很強的相關(guān)性(R2>0.99),可作為高溫?zé)崽幚淼闹甘疚颷19]。
由于Ca2+的存在,α-La會反復(fù)發(fā)生一種熱力學(xué)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象[20]。當(dāng)α-La與Ca2+相結(jié)合時具有較好的穩(wěn)定性,表現(xiàn)為即使發(fā)生變性,冷卻后仍可復(fù)性。當(dāng)1 molα-La中含有的Ca2+低于1 mol時,熱力學(xué)轉(zhuǎn)變溫度從66 ℃降低到34 ℃左右,但若提高體系中Ca2+含量,熱轉(zhuǎn)變溫度回升至60 ℃左右[21]。α-La與Ca2+的結(jié)合常數(shù)與pH值有關(guān),熱力學(xué)轉(zhuǎn)變現(xiàn)象也受到pH值的影響。pH 6~8時,α-La與Ca2+的結(jié)合常數(shù)恒定;當(dāng)pH值小于4時,結(jié)合常數(shù)快速降低;pH值小于3.5時,環(huán)境中高濃度的H+會與Ca2+競爭在蛋白上的結(jié)合位點,減弱了Ca2+與α-La的結(jié)合,使α-La的構(gòu)象發(fā)生酸轉(zhuǎn)變,鈣結(jié)合位點處的Asp殘基發(fā)生質(zhì)子化,α-La失去結(jié)合Ca2+的能力。此時,α-La在較低溫度時便可發(fā)生變性,且不能復(fù)性[22]。α-La對Ca2+具有較高的親和力,一旦與Ca2+重新結(jié)合,α-La就可重新獲得天然構(gòu)象,復(fù)性程度可達80%~90%[22-24]。Anema等[25]的研究表明,即使α-La與Ca2+的結(jié)合常數(shù)恒定,α-La的熱變性也受pH值調(diào)控。90 ℃熱處理α-La 20min,隨著pH值從6.5升高到6.9,α-La的變性比例從90%升高到接近100%。說明在同一加熱時間,pH值越高,α-La的變性程度越高。
α-La的變性程度與溫度也有關(guān)。Jeanson等[26]研究發(fā)現(xiàn),在65 ℃下處理60 min,α-La依然沒有發(fā)生熱力學(xué)轉(zhuǎn)變,基本沒有發(fā)生變性;當(dāng)加熱至75~85 ℃,變性速率隨著加熱時間延長明顯加快;當(dāng)溫度升高到85 ℃時,α-La的變性比例進一步升高,在加熱40 min時,α-La幾乎全部變性;在90 ℃加熱30 min就可使天然α-La完全變性。α-La熱變性隨著溫度的升高和冷卻可以分為5 個階段(表1)。在30 min內(nèi)對牛乳中天然α-La進行不同溫度的熱處理,結(jié)果表明,加熱溫度越高,蛋白發(fā)生變性的比例越高(圖1)。若以10%的天然α-La殘存率為標(biāo)準(zhǔn),溫度越高,則所需時間越短[26](圖1)。
表 3 α-La熱變性的5 個階段[27-29]Table 3 Five stages of α-La thermal denaturation[27-29]
圖 1 不同溫度下30 min熱處理與天然α-La殘存率的關(guān)系、當(dāng)殘存率為10%時加熱溫度與加熱時間的關(guān)系[26]Fig. 1 Effect of heat treatment for 30 minutes at different temperatures on residual rate of natural α-La and relationship between heating temperature and heating time at residual rate of 10%[26]
總之,α-La的變性程度受到pH值、加熱溫度、加熱時間的影響。當(dāng)pH值不影響α-La與Ca2+結(jié)合常數(shù)時,隨著pH值升高,蛋白的變性程度增大,變性速率加快。若α-La與Ca2+結(jié)合常數(shù)受pH值的影響,則α-La的復(fù)性能力減弱。加熱溫度越高,則蛋白變性程度越高,所需熱處理時間越短。同樣地,加熱時間越長,在能導(dǎo)致蛋白變性的溫度下,變性程度越高。
β-Lg存在的情況下,熱變性的α-La能與β-Lg的—SH發(fā)生—SH/S—S交換而形成聚集體,可以推測β-Lg在蛋白聚集的反應(yīng)中起到主導(dǎo)作用。天然β-Lg以二聚體的形式存在,其熱轉(zhuǎn)變溫度高于α-La,且受熱后解聚成單體,進一步受熱則暴露出分子內(nèi)部的—SH和疏水側(cè)鏈,易于發(fā)生—SH/S—S反應(yīng)并形成疏水鍵,此時再與1分子未變性β-Lg內(nèi)的S—S反應(yīng)形成分子間二硫鍵,同時釋放出一個新的具有反應(yīng)活性的—SH[30]。若對α-La和β-Lg的混合溶液進行熱處理,蛋白高度變性后出現(xiàn)4 種聚集體:β-Lg聚集體、α-La/β-Lg二聚體、α-La/β-Lg聚合物和α-La二聚體。Schokker等[16]闡明了α-La與β-Lg加熱產(chǎn)物的反應(yīng)機制:天然β-Lg受熱變性后暴露出—SH具有反應(yīng)活性繼而發(fā)生聚合,形成了β-Lg聚集體(二聚體、三聚體、多聚體);熱變性的α-La暴露出分子內(nèi)部的二硫鍵,與1分子具有反應(yīng)活性的β-Lg發(fā)生—SH/S—S交換生成α-La/β-Lg二聚體;1分子β-Lg三聚體先與1分子去折疊化的α-La形成中間產(chǎn)物,另一分子去折疊化的α-La結(jié)合到中間產(chǎn)物的α-La上形成α-La/β-Lg聚合物;當(dāng)β-Lg三聚體從α-La/β-Lg聚合物上脫落,剩下的部分即為α-La二聚體(圖2)[12,16,31]。α-La只有在β-Lg存在時才會發(fā)生聚合反應(yīng),Dalgleish等[32]的研究證實:當(dāng)少量的β-Lg加入到α-La溶液中進行熱處理,僅生成數(shù)量相當(dāng)少的聚合物,提高溶液中β-Lg的含量,聚合物的含量也隨之增加。β-Lg不僅起到催化作用,并且提供了游離—SH與α-La分子內(nèi)的S—S(可能是Cys6-Cys120)發(fā)生—SH/S—S交換作用。這也充分說明,β-Lg在與α-La的聚合反應(yīng)中起到了關(guān)鍵作用。
圖 2 α-La、β-Lg與酪蛋白膠束結(jié)合示意圖[12,16,31]Fig. 2 Binding mechanism of α-La and β-Lg to casein micelles[12,16,31]
α-La與β-Lg的反應(yīng)受到熱處理溫度和時間影響。王立楓等[33]對α-La與β-Lg混合溶液60~90 ℃加熱10、20、30 min,結(jié)果表明,60 ℃時,還未達到β-Lg的變性溫度,已有部分α-La發(fā)生變性并與β-Lg形成極少量α-La/β-Lg二聚物;70 ℃時,α-La/β-Lg二聚物生成率上升到1.63%;80 ℃時,達到了β-Lg的熱轉(zhuǎn)變溫度,α-La與其形成了蛋白聚合物,蛋白聚合率為16.95%,而α-La/β-Lg二聚物的生成率持續(xù)降低,當(dāng)時間延長到30 min,蛋白聚合物的生成率隨著時間延長稍有增加;90 ℃時,溫度明顯高于β-Lg的變性溫度,蛋白聚合物的生成率達到23.10%,此時α-La/β-Lg二聚物的生成率降到1.23%,延長加熱時間使蛋白聚合物增幅更明顯。因此隨著溫度的升高以及時間的延長,α-La/β-Lg二聚物的質(zhì)量分數(shù)下降,而α-La/β-Lg聚合物的質(zhì)量分數(shù)明顯增加(圖3)。
圖 3 不同加熱溫度和時間下α-La/β-Lg聚合物的質(zhì)量分數(shù)變化[32]Fig. 3 Variation in α-La/β-Lg complex concentration at different heating temperatures and times[32]
王立楓等[33]從β-Lg含有—SH的角度解釋了α-La與β-Lg的聚合反應(yīng)主要受溫度影響的原因,β-Lg暴露出—SH的臨界溫度為70 ℃。在60~70 ℃加熱乳清蛋白10 min,基本未檢測到釋放出的—SH,但在80 ℃加熱1 min,—SH的釋放量則大幅度增長。在高溫下,α-La分子內(nèi)S—S的斷裂也會略有助于—SH的釋放。在產(chǎn)生α-La/β-Lg蛋白質(zhì)聚合物的過程中,這兩種蛋白含量都顯示出不同程度的降低,其中β-Lg含量減少尤為明顯,且高于α-La,表明在聚合作用中β-Lg的主導(dǎo)地位。采用HTST巴氏殺菌熱處理原料乳,形成的可溶性α-La/β-Lg乳清蛋白聚合物具有高電荷、結(jié)構(gòu)致密的特點,可用于生產(chǎn)低黏度、低濁度和高溶解性的蛋白飲料[34]。
在乳的加熱過程中,α-La和β-Lg的聚合物表現(xiàn)出與κ-酪蛋白(κ-casein,κ-CN)的反應(yīng)性[17]。在乳的熱加工過程中,最主要的反應(yīng)是乳清蛋白與κ-CN的聚合,這種聚合由β-Lg主導(dǎo),伴隨著α-La的參與。目前的研究大多以乳清蛋白為整體來探究與κ-CN的聚合反應(yīng),κ-CN以毛發(fā)狀附著在酪蛋白膠束表面[35],α-La與酪蛋白膠束的結(jié)合依賴β-Lg的存在[36]。在α-La/β-Lg聚集體中,帶有活性—SH的β-Lg結(jié)合到κ-CN上,實現(xiàn)了α-La與酪蛋白膠束的間接反應(yīng)。因此,α-La、β-Lg與酪蛋白膠束結(jié)合形成的聚集體有兩種:第一種是β-Lg聚集體與κ-CN結(jié)合;第二種是α-La/β-Lg聚合物的首端β-Lg與κ-CN結(jié)合[37]。
至今有兩種有關(guān)α-La、β-Lg與κ-CN的熱聚合機制被提出。第一種機制是:κ-CN先從酪蛋白膠束上解聚下來進入乳清相,然后與α-La/β-Lg聚集體、β-Lg聚集體通過—SH/S—S交換發(fā)生相互作用形成聚集體[38]。第二種機制是:乳清蛋白與位于酪蛋白膠束表面的κ-CN發(fā)生聚合,形成不溶性聚合物(圖2)[31]。另外αs2-CN也可以與乳清蛋白發(fā)生反應(yīng),但是由于αs2-CN處在膠束內(nèi)部,難以與乳清蛋白接近,只有膠束結(jié)構(gòu)被破壞才會暴露出來[39]。具體哪種聚合機制處于主導(dǎo)地位至今尚不明確,許維怡[40]的研究證明可能是第二種機制占主導(dǎo)。乳清蛋白/酪蛋白膠束聚合物機制中,pH 6.8是一個臨界值,此時結(jié)合在酪蛋白膠束上的不溶性聚合物開始解聚進入乳清相。在pH值從6.8上升至7.2的過程中,α-La、κ-CN和β-Lg在乳清相中的質(zhì)量分數(shù)均升高,這表明形成的聚合物(含α-La、κ-CN和β-Lg)從酪蛋白膠束表面解聚進入了乳清相中,形成了可溶性的乳清蛋白/κ-CN聚合物;當(dāng)pH值大于7.2時,乳清相中的α-La、β-Lg和κ-CN形成的聚合物含量出現(xiàn)小幅度下降,目前導(dǎo)致這種變化的原因還不清楚[41-43],可能是由于在堿性條件下,αs2-CN和β-CN也逐漸從膠束中解離,與κ-CN發(fā)生競爭,導(dǎo)致了α-La、β-Lg和κ-CN三者形成的聚合物減少。在70~110 ℃的熱處理條件下,對這種聚合物的結(jié)構(gòu)影響不大,但在超高溫處理下,聚合物遭到一定程度的破壞[40]。α-La、β-Lg與κ-CN的相互作用產(chǎn)生的兩種聚合物可以有效縮短酸凝乳的凝乳時間,使酸凝乳具有更致密、均勻的凝膠微結(jié)構(gòu),可溶性聚合物的作用要優(yōu)于乳清蛋白/膠束聚合物。在熱加工時調(diào)節(jié)pH值也不會影響酸凝乳的最終pH值,可將該現(xiàn)象運用到酸凝乳生產(chǎn)中,用于提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品性能[40]。采用75 ℃/15 min的條件處理原料乳,將pH值控制在7.0左右,既可以減少能耗,也可利用此反應(yīng)提高酸凝乳的特性[40,43]。
血清白蛋白(serum albumin,SA)是形成凝膠的一個重要蛋白,變性溫度為62 ℃。在80 ℃時,變性速率比β-Lg快50~100 倍[43]。SA在Cys34處有一個—SH,分子內(nèi)有17 個二硫鍵。SA受熱變性可分為兩個階段:第一階段是在高于變性溫度時會可逆地形成熔融態(tài)SA,第二階段是緩慢地向另一個熔融狀態(tài)不可逆轉(zhuǎn)變,此時的熔融狀態(tài)具有更高的表面疏水性,分子間的疏水作用力更強,分子內(nèi)部的—SH暴露從而具有反應(yīng)活性[44]。SA與α-La的反應(yīng)結(jié)合機制和α-La與β-Lg的反應(yīng)機制較為相似。Havea等[45]研究了牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)與α-La可能的聚合途徑:具有反應(yīng)活性的BSA之間相互作用,通過—SH/S—S交換反應(yīng)形成二聚體、三聚體;熔融態(tài)的α-La和具有反應(yīng)活性的BSA可以通過疏水鍵不可逆地締合形成絡(luò)合物;進一步加熱則發(fā)生—SH/S—S鍵交換,形成α-La/BSA的聚合物,從而使得α-La分子(Cys6或Cys120)獲得游離—SH基團使反應(yīng)繼續(xù)進行。由于SA含有比β-Lg更多的二硫鍵,熱處理乳中α-La/BSA聚合物的數(shù)量可能多于α-La/β-Lg[46]。HTST處理乳中生成的α-La/BSA聚合物的凝膠性強于BSA單獨加熱后的凝膠性,因此,α-La/BSA聚合物可作為食品添加劑改善產(chǎn)品的凝膠結(jié)構(gòu)。
牛乳中α-La的氨基酸殘基與人乳α-La具有74%的同源性,6%的殘基具有相似的化學(xué)性質(zhì),但α-La仍是乳中主要的過敏原之一[47-49]。α-La具有3 個與免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)結(jié)合的位點,并且能被半數(shù)以上的過敏人群識別。加熱可以誘導(dǎo)蛋白結(jié)構(gòu)的變化,防止過敏反應(yīng)的發(fā)生,從而降低乳的致敏性。α-La結(jié)合IgG抗原表位的關(guān)鍵氨基酸序列為6~20、21~35、36~50和86~100,關(guān)鍵氨基酸為Phe9、Leu15、Pro24、Try26和His32[50]。α-La與IgG的結(jié)合能力可反映熱處理后變性過敏原蛋白的抗原性變化。在60~80 ℃的熱處理條件下,α-La與IgG的結(jié)合能力呈上升趨勢,但在60~75 ℃范圍內(nèi),結(jié)合能力都小于未經(jīng)熱處理的對照組,60 ℃時的下降幅度最大,與對照組相比下降了0.11%,與IgG的結(jié)合能力最低。需要說明的是,溫度達到75 ℃時,α-La的抗原性升高到與對照組α-La相同的水平。溫度達到80 ℃時,這種結(jié)合能力升高到最大值,抗原性較對照組α-La增加了5%[49]。在溫度上升到90 ℃的過程中,抗原性隨著溫度的升高繼續(xù)增加,并在90 ℃時達到最大。溫度繼續(xù)上升,抗原性則呈顯著下降趨勢;當(dāng)溫度上升至120 ℃,加熱時間為20 min時,抗原性下降到低于對照組α-La的水平[51]。因此,將熱加工溫度控制在60~75 ℃(HTST)或120 ℃以上(UP、UHT),在此條件下α-La與IgG的結(jié)合水平低于未經(jīng)熱處理的原料乳,從而可控制α-La的抗原性,有效降低乳制品的致敏性。
不同程度的熱處理導(dǎo)致α-La的變性程度不同,與其他蛋白成分的相互反應(yīng)也處在不同的階段??赏ㄟ^控制熱處理條件達到不同的需求,例如降低乳的致敏性、改善酸凝乳的凝膠特性。對乳進行熱處理時,發(fā)生的最重要的反應(yīng)是α-La/β-Lg聚集體與κ-CN的可溶性聚合物的生成,α-La/β-Lg聚集體與κ-CN的可溶性聚合物的生成有利于縮短生產(chǎn)發(fā)酵乳的時間,改善酸乳凝膠結(jié)構(gòu),對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)凝固型酸奶具有重要的實際意義和借鑒價值[52-54]。HTST是原料乳生產(chǎn)最常用的殺菌方式,可在保留營養(yǎng)價值的同時發(fā)生一些有利反應(yīng),形成的α-La/β-Lg聚集體可用于生產(chǎn)低黏度、低濁度和高溶解性的蛋白飲料,α-La/BSA聚合物具有良好的凝膠結(jié)構(gòu)。α-乳白蛋白與IgG的結(jié)合能力在HTST、UP和UHT處理條件下強于原料乳,可以用于降低乳品的致敏性。
α-La不僅在乳的熱加工中具有重要的地位,并且可以單獨運用于食品工業(yè)中,具有安全、天然、營養(yǎng)的特點,能滿足消費者對食品安全和營養(yǎng)的需求。α-La具有良好的乳化性,可添加到β-胡蘿卜素乳液中增強其溶解度,亦能提高其營養(yǎng)價值[55]。在嬰幼兒配方乳粉中添加α-La使其含量接近母乳水平,以完善嬰幼兒乳粉的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)[56]。在實際生產(chǎn)中,可以根據(jù)需要選擇不同的熱處理方式,把握好安全與營養(yǎng)的平衡[57],利用一些有益反應(yīng)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。隨著科學(xué)技術(shù)和加工工藝的不斷發(fā)展,相信α-La在食品領(lǐng)域中會有更多的應(yīng)用[58]。因此深入開展熱處理對α-La及與其他乳蛋白相互作用的研究具有重要意義。