在过去的三十年里，以牛奶为基础的产品产量增加了60%以上[1]，预计在未来十年里增长速度将超过大多数的农产品[2]。特别是酸奶对健康有益，已在世界范围内越来越受欢迎[3]。
生产酸奶的主要挑战之一是获得具有理想质地和稳定性的产品。在这方面，添加乳清蛋白可以得到更丝滑的质地，同时提供良好的营养，特别是在低脂酸奶中。为了了解这些改变功能特性的起因，确定在整个过程中添加乳清蛋白的产品所发生的结构变化是非常重要的。
酸奶的工业加工主要分为两个步骤，巴氏杀菌（热处理）和酸化。小角X射线散射技术（SAXS）特别适用于研究这种复杂结构体系的纳米和微观结构演化过程，特别是浑浊样品（例如酸化产生的样品），而这对于传统光散射技术来说具有挑战性。
最近，哥本哈根大学、丹麦技术大学和Arla食品公司的研究人员利用SAXS研究了三种不同类型的乳清蛋白成分和酪蛋白在酸化和热处理过程中的相互作用[4]。此研究使用并设计了9个不同样品，包括商业脱脂牛奶样品（Com SM）和参照商业脱脂牛奶的样品（SM）。它们的组成成分见下表。
Table 1. 样品及其酪蛋白和乳清蛋白含量概况。LCC是液态酪蛋白浓缩物，LWPC是液态乳清蛋白浓缩物，NWP是纳米微粒物乳清蛋白，WPC是乳清蛋白浓缩物。
热处理对乳清蛋白和酪蛋白的影响
在90℃热处理过程中，在不同的时间（0，2，5和10分钟）对所有样品进行原位SAXS测量。由于两个单组份体系（纯酪蛋白LCC和纯蛋白样品LWPC）是其余样品的构建模块，因此为了分离不同组分，先研究它们的行为是很重要的。从图1（a）的插图中可以明显看出，LCC样品内部结构仍然未被破坏。这与先前的研究结果一致，即在牛奶的原始pH6.7时，温度低于120℃可以保存酪蛋白的结构。
相反，随着热处理时间的增加，LWPC样品出现显著的变化，特别是在低q区域。为了解读这些数据，结合了局部椭球形和较大聚集体的统一模型可以拟合得到精确的结果。如图1（a）所示，在0分钟时，局部椭球形描述了散射曲线（在最低q值下的小幅上升表明少量较大聚集体开始形成）。随着热处理的进行，乳清蛋白的局部形状保持不变，但聚集体明显增多。随着热处理时间的增加，两种大小种群的存在（用从拟合中提取的回转半径Rg1和Rg2来描述）表明大多数原生乳清蛋白聚集成更大的结构。
Fig. 1 (a) 纯乳清蛋白样品和纯酪蛋白体系（插图）在热处理（90℃）后不同时间间隔记录的扣背底后的SAXS数据。(b) 拟合散射曲线的中间q范围（0.008 – 0.05 Å-1）得到的不同牛奶模型体系的平均半径。 Credit: Food Research International, 2022, DOI: 10.1016/j.foodres.2022.111292
对所有的混合牛奶模型体系来说，热处理过程中最显著的变化出现在中间q值范围（0.009 – 0.04 Å-1），由于在LCC样品中没有观察到反应，因此主要归因于乳清蛋白的变化。将10分钟时得到的散射曲线减去0分钟时的散射曲线，可以得到聚集产生的散射曲线。随后拟合这部分q范围得到聚集体的平均半径，然后用来确定不同乳清蛋白成分是否出现相同行为方式。如图1（b）所示，所有混合体系显示具有较大的平均回转半径，这说明在酪蛋白存在的情况下，将形成更复杂的聚集体，其中也包括单个酪蛋白。在含有纳米微粒乳清蛋白（N1和N2）的体系中，平均半径最大。较大尺寸聚集体的起源归因于小颗粒在加热前就已经聚集，因为它们具有较大的表面积 。
酸化对乳清蛋白和酪蛋白的影响
在酸化的情况下，pH变化的影响也高度取决于酪蛋白的存在。然而，与热处理相比观察到的是相反的趋势，纯乳清蛋白样品基本不受pH值影响，而含有酪蛋白的样品呈现出总体强度降低以及随着pH的降低高q值特征也逐渐平缓。
Fig. 2 在不同牛奶模型体系酸化过程中，随着不同pH的变化，在选定q值(a) 0.08 Å-1 和(b) 0.005 Å-1时散射强度的变化。Credit: Food Research International, 2022, DOI: 10.1016/j.foodres.2022.111292
对不同q值区域进行分析，强度的变化很明显是不同的（如图2所示）。在高q值下（图2a），观察到所有体系随着pH的增加强度呈线性下降，但在只有酪蛋白体系中和两个参考样品（脱脂牛奶和商业脱脂牛奶）中更为明显。在低q值区域（图2b），pH约为 5.2时，观察到所有样品散射强度急剧下降，这次在酪蛋白含量最高的样品中最为明显。组分的尺寸、数量和环境的变化等多种原因造成这种变化。一方面，增大聚集体的尺寸将导致强度降低，因为较大的聚集体将沉积出X射线光束。与LCC、SM和Com SM相比，混合体系的总体强度降低不显著，这表明酸化过程中形成了较小的酪蛋白-乳清蛋白聚集体（与较大的酪蛋白-酪蛋白聚集体相比）。环境的变化是由胶束的完全破坏和酪蛋白胶束中钙的释放所引起的，导致蛋白质溶液更加均匀。
结论
通过小角X射线散射详细研究了牛奶模型体系在酸化和热处理过程中发生的结构变化，发现了非常有趣的蛋白质之间相互作用机制。总之，热处理主要影响乳清蛋白成分，而酪蛋白基本不受影响。在酸化过程中观察到相反的结构，酪蛋白受到影响，而乳清蛋白成分保持完整。对于乳清-酪蛋白混合体系，整体行为可以理解为是上述影响的综合反应。此外，乳清蛋白组分的形式影响结构形成和动力学。
The research was originally published in the following article: [4] Li, Ruifen, Tanja Christine Jæger, Tijs AM Rovers, Birte Svensson, Richard Ipsen, Jacob J. K. Kirkensgaard, and Anni Bygvrå Hougaard. “In situ SAXS study of non-fat milk model systems during heat treatment and acidification.” Food Research International 157 (2022): 111292.
[1] Food and Agriculture Organization of the United Nations, “Milk production”, Accessed June 17, 2022, https://www.fao.org/dairy-production-products/production/en/
[2] OCDE/FAO (2021), OECD-FAO Agricultural Outlook 2021-2030, Éditions OCDE, Paris, https://doi.org/10.1787/19428846-en.
[3] Yıldız, Neslihan, and Ihsan Bakırcı. “Investigation of the use of whey powder and buttermilk powder instead of skim milk powder in yogurt production.” Journal of food science and technology 56, no. 10 (2019): 4429-4436.
[4] Li, Ruifen, Tanja Christine Jæger, Tijs A. M. Rovers, Birte Svensson, Richard Ipsen, Jacob J. K. Kirkensgaard, and Anni Bygvrå Hougaard. “In situ SAXS study of non-fat milk model systems during heat treatment and acidification.” Food Research International 157 (2022): 111292.
