技术领域
本发明属于牛乳蛋白加工技术，主要涉及一种改性乳清蛋白凝胶的制备方法。
背景技术
乳清是干酪生产过程中得到的副产品。随着干酪产品在中国不断普及，副产物乳清的合理利用引起了广泛关注。由乳清浓缩精制而成的乳清蛋白属于全价蛋白质，必需氨基酸种类齐全，必需氨基酸需要量模式与 FAO/WHO相近，易于消化吸收，具有很高的营养价值，是一种营养价值很高的优质蛋白质。乳清蛋白的凝胶性有类似于果胶的效果，能够在乳品工业中替代果胶，使其在食品制造中起着重要的作用。由于乳清蛋白的凝胶性，不但减少了乳制品中外来成分的添加，又使干酪的副产物得到再利用，避免了大量乳清蛋白资源的浪费。
我国乳品工业产品的发展，离不开果胶的使用，酸奶、果奶等产品都广泛地使用果胶作为一种稳定增稠剂，果胶作为一种稳定剂，可以有效地抑制牛奶中酪蛋白的沉淀现象，使产品保持良好的稳定性。因此果胶在乳品工业用添加剂中具有着不可或缺的作用。目前果胶在国内外市场上都倍受欢迎，但其在我国的生产还比较落后，质量和数量都不理想，仍需进口，进口价格十分昂贵。所以如果能找到其它的产品替代果胶在乳品工业中的作用，那将会为乳品工业节省一大笔开支。
利用乳清蛋白的改性技术，将乳清蛋白制成具有一定的胶粘特性的产品，产品的特点和性质类似于果胶，可以替代果胶在乳品工业等食品中的应用，从而改善产品的组织状态和感官特征，并可以节省大量的果胶开支。
乳清蛋白在某一条件时，能从单一的天然状态而展开或变性，发生凝聚，最后形成凝胶，这个过程大致分为四个步骤，首先天然乳清蛋白变性（分子展开），展开的蛋白质分子表面疏水能力增强，吸附水分子的量也增大。然后展开的乳清蛋白分子经过双分子交联步骤，发生凝聚反应，内部含有水溶液的三维凝聚物生成，最终网络胶束间相互交联凝胶形成。
目前在乳清蛋白凝胶过程中，使蛋白质发生变性展开的加工很多是采用热处理的方法。加热时，乳清蛋白分子间原有作用受到破坏，分子结构被改变而发生变性凝聚，但这个过程处理时间长，耗能大。超声处理技术具有穿透力强、加热速度快、控制方便、体系受热均匀、节约能量等优点，在食品加工领域已有应用，如食品体系的乳化、杀菌、破碎、萃取功能成分、干燥、检测等。近几年来，随着各种不同型号超声设备的研制和完善，超声处理技术已渐成为食品工业中研究与开发的重点新型技术之一，超声处理时间快，耗能少，是处理蛋白常用手段。
无机磷酸与蛋白质上特定的氧原子或氮原子结合，进而引进磷酸根基团，增加蛋白的电负性，从而改性蛋白可提高其凝胶性。磷酸价格低廉、效果较好、对食品蛋白的消化率无显著影响、安全可行且能大规模生产，是提高蛋白功能性的有效手段。
本发明在乳清蛋白溶液中加入磷酸，磷酸的引入改善蛋白功能性，提高其凝胶性，使用水浴超声仪在水浴加热环境下同时伴随超声处理乳清蛋白，超声处理加速蛋白变性形成凝胶，大大缩短成胶时间。此方法安全，耗时短，耗能少，是制备乳清蛋白凝胶的理想手段。开发一种快速简单制备乳清蛋白凝胶代替果胶的方法，使其应用于乳制品工业中，不仅可以降低成本，而且其特殊的营养功能特性也是果胶所不具备的。因此该课题研究意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种改性乳清蛋白凝胶的制备方法，达到改善乳清蛋白凝胶性并代替果胶的目的。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：
一种改性乳清蛋白凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：（1）将乳清蛋白溶于水，配成15%蛋白溶液；（2）在乳清蛋白溶液中加入一定量的磷酸，所述的磷酸与蛋白质量比为0.01-0.05；（3）将磷酸处理过的蛋白溶液放置于90℃水浴中加热，同时调节溶液pH为8，进行超声处理，所述的超声功率为200-500W，超声时间为5-20min，超声处理结束后即形成乳清蛋白凝胶。
所述的优选磷酸与蛋白质量比为0.03。
所述的超声处理优选参数为：超声功率450W，超声时间13min。
本发明是通过磷酸提高乳清蛋白凝胶性，在水浴加热下超声处理促进凝胶形成，制备一种代替果胶的乳清蛋白凝胶的方法，此方法设计新颖合理、工艺方法简单、蛋白凝胶强度高、稳定性好等特点。
附图说明
图1 本发明方法的工艺路线；
图2 磷酸添加量对凝胶强度的影响；
图3 超声功率对凝胶强度的影响；
图4 超声时间对凝胶强度的影响；
图5 磷酸与蛋白质量比与超声时间交互对凝胶强度的响应面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细描述：
一种改性乳清蛋白凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：（1）将乳清蛋白溶于水，配成15%蛋白溶液；（2）在乳清蛋白溶液中加入一定量的磷酸，所述的磷酸与蛋白质量比为0.01-0.05；（3）将磷酸处理过的蛋白溶液放置于90℃水浴中加热，同时调节溶液pH为8，进行超声处理，所述的超声功率为200-500W，超声时间为5-20min，超声处理结束后即形成乳清蛋白凝胶。
所述的优选磷酸与蛋白质量比为0.03。
所述的超声处理优选参数为：超声功率450W，超声时间13min。
实验例 磷酸添加量及超声工艺条件最佳参数的筛选实验
1材料与方法
1.1材料、试剂
乳清蛋白 哈高科
三聚磷酸钠 苏州锦联化工有限公司
1.2主要仪器设备
TA质构仪 SMS英国
pHS-25型酸度计 上海伟业仪器厂
电子分析天平 梅勒特-托利多仪器(上海)有限公司
精密电动搅拌机 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司
超声清洗仪 余姚市东方电工仪器厂
1.3试验方法
1.3.1工艺流程
见附图1
1.3.2 凝胶强度的测定
25℃下测定蛋白的凝胶强度，操作条件：p0.5探头，测试前速度：5.0mm/s,测试速度：2.0mm/s,测试后速度：2.0mm/s,下压凝胶10mm所需压力为凝胶强度。
2结果与讨论
2.1磷酸添加量的选择
按1.3.1所述方法，三聚磷酸钠与蛋白之比为0.01，0.02，0.03，0.04，0.05。考察磷酸添加量对乳清蛋白凝胶性的影响，结果见图2。
由图2结果可以看出，磷酸与蛋白之比低于0.03时，随着磷酸添加量的增加，蛋白凝胶强度显著上升，变化程度较明显，当达到0.03时，凝胶强度接近最大值，超过0.03时，凝胶强度开始下降。所以在下面的响应面设计中磷酸与蛋白之比水平选择0.02-0.04。
2.2超声参数的选择
2.2.1超声功率的选择
按1.3.1所述方法， 超声功率选取200W，300W，400W，500W，600W，超声时间为15min，考察超声功率对蛋白凝胶强度的影响，结果见图3。
由图3结果可以看出，超声功率低于400W时，随着超声功率的增加，蛋白凝胶强度显著上升，变化程度较明显，当达到400W时蛋白凝胶强度接近最大值，超过400W时，蛋白凝胶强度开始下降。所以在下面的响应面设计中超声功率水平选择300-500W。
2.2.2超声时间的选择
按1.3.1所述方法，超声功率选取400W，超声时间分别为6min,8min,10min,12min,14min。考察超声时间对蛋白凝胶强度的影响，结果见图4。
如图4可以看出，当时间低于12min时，蛋白凝胶强度呈上升趋势，时间继续增加时，蛋白凝胶强度变化不显著，所以在下面的响应面设计中超声时间水平选择10-14min。
2.3蛋白凝胶强度响应面试验设计
2.3.1实验因素水平编码表
在单因素研究的基础上，确定各因素的水平值范围，采用响应面中心组和实验设计，研究超声和磷酸化反应各参数对考察指标的影响规律。选取超声功率，超声时间，磷酸与蛋白质量比例3个因素，以蛋白凝胶强度为响应值，优化凝胶形成的工艺的最佳参数。对试验结果数据采用Design-Expert8.0.5软件进行分析，响应面因素水平表见表1。
表1响应面试验因素水平表
Tab.1 Factors and levels of response surface analysis
2.3.2响应面实验安排及结果
在单因素实验的基础上，确定各因素的最佳水平值范围，采用响应面中心组和试验设计，研究各参数对考察指标的影响规律，并得到最佳条件。以各工艺参数超声时间（A）、超声功率（B）、磷酸与蛋白质量比（C）为自变量，以蛋白凝胶强度响应值。响应面实验方案及结果见表2。
表2响应面设计方案及结果
Tab.2 Design and result of response surface analysis
2.3.3响应面实验结果分析
利用Design- Expert8.0.5软件对试验结果进行二次回归拟合，以凝胶强度（Y1）为响应值，得到凝胶强度的回归方程模型为：
Y1=536.09+15.79A+10.90B+16.65C+11.54AB-12.98AC-6.45BC-4.01A2+5.39B2-9.96C2
对凝胶强度的试验数据进行方差分析并进行显著性检验，结果如表3所示。交互相显著的响应面分析见图5。
表3凝胶强度的试验结果方差分析表
Tba.3 The variance analysis of the result of gel strength
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 显著性 模型 17334.19 9 1926.022 30.97365 < 0.0001 极显著 A 3987.252 1 3987.252 64.12169 < 0.0001 *** B 1900.843 1 1900.843 30.56874 0.0003 8** C 4434.341 1 4434.341 71.31163 < 0.0001 *** AB 1065.334 1 1065.334 17.13236 0.0020 *** AC 1348.813 1 1348.813 21.69117 0.0009 *** BC 332.5072 1 332.5072 5.347272 0.0433 ** A2 403.959 1 403.959 6.496337 0.0289 ** B2 731.4142 1 731.4142 11.76237 0.0064 *** C2 2492.913 1 2492.913 40.09021 < 0.0001 *** 残差 621.8258 10 62.18258 失拟误差 389.7466 5 77.94932 1.679369 0.2916 不显著 纯误差 232.0792 5 46.41584 总和 17956.02 19 1926.022 30.97365 < 0.0001
注：p值<0.0500 显著（**），p值<0.0100极显著（***），p值>0.1000不显著。
由表3的方差分析结果可以看出，所得回归方程极显著（p<0.01），且模型失拟检验不显著，这说明用模型方程Y1与实际情况拟合较好，能够拟合真实响应面，反映出凝胶强度与超声功率、超声时间、磷酸与蛋白质量比之间的关系。模型决定系数R2=0.9654（R2>0.8000）R2Adj=93.42%，说明96.54%的变化能通过这个模型解释，试验误差较小，模型成立，可以通过此模型对凝胶形成进行预测和分析。
由表3中的各项系数的显著性检验可知，一次项A、B、C，D二次项AB、AC、BC、A2、B2、C2对乳化活性有显著的影响（p<0.05），这表明凝胶的形成变化相当复杂，各种影响因素对凝胶强度的影响不是简单的线性关系，而是呈二次关系，且各因素之间存在交互作用。对回归方程进行中心标准化处理，从回归方程Y1一次项回归系数的绝对值大小来判断3个因素对凝胶强度的影响程度。Y1一次项回归系数的绝对值大小依次为C、A、B，表明3个因素对凝胶强度的影响顺序为：磷酸与蛋白质量比>超声时间>超声功率。
3实验结论
利用响应面分析方法对乳清蛋白凝胶工艺参数进行优化。建立了相应的数学模型为以后的中试以及工业化生产提供理论基础，并且得到最佳工艺条件为：超声功率为450W，超声时间13min，磷酸与蛋白质比为0.03，在此最佳工艺条件下凝胶强度为575.897g/cm2，实验所得结果较为理想，为快速制备一种可替代果胶的蛋白凝胶提供了理论基础。