《Journal of Dairy Science》：Increasing the thermal stability of high-protein beverages through the modification of whey proteins through thermal processing
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为解决高蛋白乳饮料在热加工（如UHT）及储存中因乳清蛋白热不稳定性导致的聚集、沉淀和凝胶化问题，本研究通过“低pH热剪切处理-碱回调pH”技术对酸化乳清蛋白进行预修饰，发现所形成的小尺寸聚集体能在高蛋白（10%）及高乳清比例（50:50）体系中显著提升热凝时间（从0.8 min延长至2 min），为开发更稳定的高蛋白UHT饮料提供了新思路。
在当今追求健康饮食的时代，高蛋白饮料因其营养和便利性受到广泛欢迎。然而，要想生产出可以常温储存、保质期长的货架稳定型饮料，一道关键的坎儿就是超高温瞬时灭菌（UHT）处理。这个过程对蛋白质是个严峻考验，尤其是乳清蛋白。牛奶中的蛋白质主要分两大类：酪蛋白和乳清蛋白。酪蛋白结构相对稳定，而乳清蛋白则是个“热敏感分子”。它在高温下容易发生变性、展开，暴露出内部的疏水基团和活跃的硫基，然后就会像滚雪球一样与其他蛋白质分子（包括酪蛋白）发生聚集、交联。这不仅可能导致产品在热处理过程中就发生凝固（专业上叫热凝固），还会在后续储存中出现令人头疼的问题，比如饮料变得粘稠、分层，或者底部形成一层蛋白质沉淀，甚至发生“老化凝胶化”（age gelation），严重影响产品的感官品质和市场寿命。因此，如何提升乳清蛋白在低酸、高pH条件下的热稳定性，从而让高蛋白饮料配方中可以使用更多高营养价值的乳清蛋白，是食品工业面临的一大挑战。
为了应对这一挑战，研究人员开展了一项创新的研究。他们不选择传统的化学修饰或添加稳定剂路线，而是另辟蹊径，利用一种名为酸化乳清蛋白分离物（AWPI, Acidified Whey Protein Isolate）的商业原料，设计了一种物理-化学联合调控的预处理工艺。其核心思路是：在低pH环境下对乳清蛋白进行热剪切处理，形成特定的小尺寸聚集体，再将其调整到中性的应用pH，看看这种“预制”的乳清蛋白聚集体能否在复杂的高蛋白体系中减少与酪蛋白的不良相互作用，从而提升整体热稳定性。这项研究发表在食品科学领域的权威期刊《Journal of Dairy Science》上，为改善高蛋白饮料的加工性能提供了新见解。
为开展此项研究，作者主要运用了以下关键方法：研究分为两个阶段。第一阶段（Phase I）是乳清蛋白的修饰与表征：使用商业化供应的酸化乳清蛋白分离物，分别在未经处理仅调节pH至6.8（对照组）和经90°C高温、10,000 rpm高剪切处理10分钟后再调回pH 6.8（改性乳清蛋白，M-WP）两种条件下制备样品。随后，利用动态光散射技术（DLS）测定颗粒粒径与Zeta电位，使用流变仪测量表观粘度，通过ANS荧光探针法和DTNB分光光度法分别评估蛋白质表面疏水性（H0）和游离硫基含量，并测量了蛋白质内源荧光光谱以监测构象变化。第二阶段（Phase II）是高蛋白模型体系的构建与性能评估：将第一阶段制备的两种乳清蛋白与酪蛋白胶束浓缩物（MCC）按不同比例（酪蛋白：乳清蛋白为80:20, 60:40, 50:50）混合，配制总蛋白含量为8%和10%的模型饮料体系。对这些体系同样进行粒径、Zeta电位、表观粘度测量，并在140°C油浴中测定其热凝时间，这是评价体系耐热性的关键指标。数据采用双向ANOVA和Tukey检验进行统计分析。
结果部分：
1. 乳清蛋白修饰过程中的理化表征
研究人员首先详细观察了乳清蛋白在改性处理前后的变化。他们发现，当仅将酸化乳清蛋白的pH从3.5提高到6.8时（对照组），溶液外观和粒径没有明显变化，但Zeta电位由正变负（从+15.41 mV变为-33.65 mV），这表明蛋白质表面电荷性质发生了转变。然而，当在pH 3.5下进行加热和剪切处理后，情况截然不同：溶液变浑浊，粒径反而显著减小至约57.70 nm，同时Zeta电位升高至+29.41 mV。这种高表面电荷增强了静电排斥力，抑制了蛋白质间的聚集，从而形成了更小的颗粒。处理后，当pH被调回6.8时，颗粒尺寸略有增加至约61.93 nm，Zeta电位再次变为负值（-31.05 mV）。这种小尺寸的乳清蛋白聚集体正是他们希望获得的。同时，热处理显著增加了蛋白质的表面疏水性（H0）和游离硫基含量，表明蛋白质发生了展开，内部基团暴露。有趣的是，后续将pH调回6.8后，这两个指标有所下降，部分原因是pH调整过程中发生了聚集，掩蔽了一些暴露的位点。这些结果表明，低pH下的热剪切处理能产生尺寸更小、表面电荷更高、结构部分展开但尚未大规模交联的乳清蛋白聚集体。
2. 改性乳清蛋白对高蛋白体系热稳定性的影响
在构建了含8%和10%总蛋白，并混有不同比例酪蛋白和乳清蛋白（包括对照组和改性组）的模型体系后，研究人员开始评估其关键性能。
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粒径与Zeta电位：在8%蛋白体系中，使用改性乳清蛋白对粒径影响不大。但在10%蛋白体系中，随着改性乳清蛋白比例增加，粒径略有增大。更重要的是，在所有配方中，使用改性乳清蛋白都显著提高了体系的Zeta电位（绝对值更大），意味着颗粒表面电荷更高，稳定性更好。
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表观粘度：所有模型体系都表现出剪切稀化行为。在总蛋白含量为10%、酪蛋白与乳清蛋白比例为50:50的苛刻条件下，使用改性乳清蛋白的体系粘度显著高于对照组。这可能与颗粒间相互作用的增加有关。
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热凝时间：这是评估热稳定性的核心指标。研究得出了一个明确的趋势：随着乳清蛋白比例增加，所有体系的热凝时间都会缩短，这证实了乳清蛋白是体系热稳定性的短板。然而，引入经过预处理的改性乳清蛋白后，热稳定性得到了显著改善。在最具挑战性的条件——10%总蛋白、酪蛋白与乳清蛋白比例为50:50——下，使用未处理的乳清蛋白，体系仅能在140°C下保持约0.8分钟不发生凝固；而使用改性乳清蛋白后，热凝时间延长至2.0分钟。这标志着热稳定性的实质性提升。
结论与重要意义：
本研究成功地证明，通过“在低pH（3.5）下进行热剪切处理，随后回调pH至中性”的简单两步法，可以有效修饰酸化乳清蛋白，形成尺寸小（约61 nm）、表面电荷高的预聚集结构。当将这些预形成的乳清蛋白小聚集体引入到高蛋白（最高10%）的酪蛋白-乳清蛋白混合体系中时，它们展现出了显著增强的热稳定性。即便在乳清蛋白占比高达50%的“不稳定”配方中，热凝时间也得到了数倍的延长。
这项研究的重要意义在于：
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提供了一种创新的、物理-化学结合的乳清蛋白稳定化策略：相较于传统的化学交联或添加多糖共轭等方法，该方法工艺相对简单，不涉及外源添加剂，更符合清洁标签的趋势。
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揭示了其作用机制：研究通过系统的表征（粒径、Zeta电位、表面疏水性、硫基、荧光光谱等）表明，这种稳定性的提升归因于改性过程中产生的小尺寸聚集体和高表面电荷，这些特性减少了乳清蛋白与酪蛋白之间、以及乳清蛋白自身在后续热处理中的有害相互作用。
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具有明确的应用潜力：研究结果直接表明，通过这种预改性处理，可以在保持高乳清蛋白比例（提供更优营养和功能）的同时，生产出能耐受UHT等严苛热处理的低酸高蛋白乳饮料。这为开发新一代更稳定、更营养的高蛋白功能性饮品提供了重要的理论和实践依据。
未来，研究人员计划进一步将这种改性乳清蛋白应用于实际配方饮料中，并评估其在长期储存过程中对老化凝胶化和沉淀等稳定性问题的影响，以推动其走向商业化应用。
