《LWT》：Concentration of Native Whey through Refractance Window Drying (RWD) for the production of a novel ingredient containing Galacto-oligosaccharides and functional proteins.
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为解决浓缩乳清以生产低聚半乳糖（GOS）时蛋白易变性、传统方法耗时耗能等问题，研究人员评估了折射窗干燥（RWD）作为一种新颖、温和的浓缩技术。研究表明，RWD在70°C条件下可显著缩短浓缩时间，有效保留乳清蛋白的起泡性、色泽和α-氨基，并为后续酶法合成GOS提供了更佳的反应基质，实现了高达27%的GOS产率。该技术为开发集益生元和功能蛋白于一体的双功能乳品配料提供了高效、清洁标签的方案。
在追求健康和功能性的食品浪潮中，乳制品行业正致力于开发能兼顾营养、功能与风味的创新型配料。低聚半乳糖（Galacto-oligosaccharides, GOS）作为一种公认的益生元，能够像母乳低聚糖一样，选择性地促进肠道有益菌生长，带来多种健康益处。然而，高效的工业GOS生产通常需要极高浓度（> 40°Brix）的乳糖作为底物。这给乳品原料处理带来了巨大挑战：一方面，要从乳清中高效浓缩出高浓度的乳糖；另一方面，乳清中宝贵的天然蛋白质（如β-乳球蛋白、α-乳白蛋白）对热非常敏感，传统的高温或长时间浓缩工艺（如真空浓缩、蒸发）极易导致蛋白质变性、聚集，损害其功能性和营养价值。这种“既要高浓度，又要低损伤”的矛盾，使得开发新型、温和、高效的浓缩技术成为行业迫切的需求。
在此背景下，一项发表于《LWT》的研究，将目光投向了一种名为“折射窗干燥”（Refractance Window Drying, RWD）的创新脱水技术。RWD通过薄层物料与加热水浴间的热传导、对流和辐射协同作用，能在极短时间内去除水分，同时保持物料温度相对较低，被证明是保存果蔬、高蛋白食品中热敏性成分的有效手段。那么，这项“温和高手”能否成功应用于浓缩富含天然蛋白质的乳清，并为其后续转化为高价值的GOS铺平道路呢？
为了回答这个问题，研究人员系统评估了RWD浓缩天然乳清（通过冷微滤脱脂奶获得）的可行性。他们的研究主要运用了几个关键技术方法：首先，建立了一套RWD实验系统，通过控制水浴温度（40-80°C）和物料层厚度（2.0和3.4 mm），模拟不同浓缩条件。其次，通过监测物料重量变化，结合菲克第二定律和反常扩散模型，深入分析了不同条件下的干燥动力学。再者，他们采用CIELAB色度系统、起泡性/泡沫稳定性测定以及邻苯二甲醛（OPA）法测定游离α-氨基，综合评价了浓缩后乳清的色泽、功能特性和蛋白质完整性变化。最后，他们以浓缩后的乳清为底物，使用来自米曲霉（Aspergillus oryzae）的β-半乳糖苷酶进行GOS合成反应，并通过高效液相色谱（HPLC）监测产物生成，评估了RWD浓缩乳清作为GOS生产基质的潜力。
研究结果揭示了RWD技术在浓缩天然乳清方面的卓越性能：
3.1. RWD参数对天然乳清干燥动力学的影响
研究通过干燥动力学模型分析发现，RWD能显著缩短浓缩时间。当温度从40°C升至80°C，有效扩散系数（Deff）从4.01×10-10m2/s增加至1.65×10-8m2/s。一个有趣的现象是，干燥行为在60°C到70°C之间发生了从“超扩散”（反常扩散参数α > 1）到“菲克扩散”（α ≈ 1）的转变。研究人员推测，这可能是由于乳清蛋白在60-70°C区间发生变性聚集，改变了物料基质的结构，从而影响了水分迁移机制。相比传统的真空浓缩，RWD在温度高于60°C时展现出明显的速度优势。
3.2. RWD对天然乳清品质参数的影响
3.2.1. 对色泽的影响
通过CIELAB系统评估发现，在40-60°C下进行RWD浓缩能较好地保持乳清的亮度和色泽，褐变指数（Browning Index, BI）较低。当温度升至70-80°C时，虽然总色差（ΔE）变化不大，但厚度较大的样品因受热时间较长，BI值有所升高。不过，所有RWD处理的BI值均显著低于在60°C下长时间真空浓缩的样品，表明RWD能更有效地控制非酶褐变（美拉德反应）。
3.2.2. 对起泡性能的影响
起泡能力（FC）和泡沫稳定性（FS）是乳清蛋白重要的功能指标。研究发现，适度的热处理（如70°C，2 mm厚度）能部分打开蛋白质结构，暴露出疏水基团，从而显著提升浓缩乳清的起泡能力和泡沫稳定性，其FC值达到58.8%。而过高的温度（80°C）则会导致蛋白质过度聚集，反而损害了其起泡性能。
3.2.3. 通过游离α-氨基定量评估RWD对蛋白质完整性的影响
游离α-氨基含量的减少是蛋白质发生美拉德反应（糖化）或肽键断裂的标志。研究表明，在40-60°C的较长处理时间下，游离α-氨基含量显著下降，提示发生了早期的美拉德反应。然而，在70-80°C的快速RWD处理下，α-氨基含量部分恢复，这可能与快速干燥限制了长时间糖化反应，或热作用使部分聚集的蛋白质结构发生改变有关。这表明RWD可以通过控制参数来平衡加工效率和蛋白质修饰程度。
3.3. 利用RWD浓缩的天然乳清生产GOS
这是本研究最核心的验证环节。研究人员将在70°C、2 mm厚度下RWD浓缩的天然乳清（约50°Brix）作为底物，用于GOS的酶法合成。结果令人振奋：与使用商业分离乳清蛋白和乳糖配制的“模型乳清”相比，RWD浓缩乳清表现出更快的乳糖转化速度和更高的GOS产率（最高达27%）。研究人员认为，这得益于RWD浓缩乳清成分“纯净”，不含商业乳粉中可能添加的麦芽糊精等载体，提高了酶对底物乳糖的可及性。同时，RWD温和的加工条件也更好地保留了乳糖的非晶态或溶解状态，有利于酶促反应的进行。
结论与讨论
本研究得出结论，折射窗干燥（RWD）是一种高效且温和的技术，可用于浓缩天然乳清，以开发同时富含低聚半乳糖（GOS）和功能保存良好的乳清蛋白的双功能乳品配料。在70°C和2 mm厚度的优化条件下，RWD不仅能大幅缩短加工时间（仅19分钟即可浓缩至50°Brix），还在色泽保持、起泡功能优化以及控制蛋白质过度糖化方面取得了最佳平衡。更重要的是，由此获得的浓缩乳清成为合成GOS的优质底物，其反应效率甚至优于传统原料配制的体系。
这项研究的意义重大。它首次将RWD技术应用于天然乳清的浓缩，并成功对接了下游的GOS生物合成，为实现乳清资源的高值化、一体化利用提供了全新的技术路径。所产出的双功能配料——同时具备益生元和优质蛋白的特性，非常适合应用于功能性饮料、婴幼儿配方食品、高蛋白营养品和特定医学用途食品中，完美契合当前市场对“清洁标签”、可持续和健康功能性食品配料的追求。从技术经济角度看，RWD相比传统真空干燥可能具有更低的能耗，为未来规模化、节能化的乳品精深加工展示了颇具潜力的前景。总之，这项工作不仅为乳清加工提供了创新解决方案，也为开发下一代多功能食品配料奠定了坚实的技术基础。
