乳清蛋白分離（WPI）是一種通過特殊工藝從乳清中分離出來的高純度蛋白，而乳清是奶酪生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)物，主要由

-乳球蛋白（

-Lg）、

-乳白蛋白、免疫球蛋白和牛血清白蛋白組成 ，因其營養(yǎng)價(jià)值高、功能性多樣化和價(jià)格低等特點(diǎn)而在食品和飲料行業(yè)得到了相應(yīng)的應(yīng)用 。

WPI在低pH值、低離子強(qiáng)度、高溫和長時(shí)間加熱的條件下可以實(shí)現(xiàn)纖維化，其纖維聚合物具有凝膠化程度高、乳化和泡沫穩(wěn)定性好、抗氧化活性強(qiáng)、耐酸和耐熱性強(qiáng)、低過敏性等優(yōu)點(diǎn)。但是WPI形成纖維聚合物過程緩慢，耗時(shí)較長。影響纖維聚合物形成的因素還包括樣品的濃度、pH值、溫度和離子強(qiáng)度。鹽離子強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)原纖維構(gòu)建單元之間的靜電相互作用強(qiáng)度，添加鹽離子一定程度可以加速WPI聚集速率，形成的纖維更短和更柔韌。此外，超聲處理可以最大限度地縮短自組裝的滯后期。

超聲波主要是在水介質(zhì)環(huán)境下利用空化作用和空穴效應(yīng)改變蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)，使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變釋放小分子亞基或者肽，是一種新型綠色環(huán)保安全的蛋白質(zhì)加工技術(shù)。通過改變WPI纖維化聚合動力學(xué)可以縮短其形成纖維聚合物的周期，進(jìn)而節(jié)約成本，拓寬WPI纖維聚合物的應(yīng)用。

哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院的董世榮、孫宇、卞春*等基于WPI可以形成纖維聚合物，研究超聲和不同離子強(qiáng)度的NaCl協(xié)同修飾WPI后，WPI形成纖維聚合物動力學(xué)的變化，并且分析不同修飾后WPI形成纖維聚合物的微觀形態(tài)、乳化活性指數(shù)（EAI）和乳化穩(wěn)定性指數(shù)（ESI）的差異，旨在為開發(fā)新型蛋白聚合物提供理論和技術(shù)支持。

1 不同樣品微觀形態(tài)的變化

WPI纖維聚合物的形成遵循成核和增長機(jī)理。超聲可以有效地激發(fā)蛋白質(zhì)的成核。將WPI超聲不同時(shí)間（0、10、20 min和30 min）后，形成納米纖維的微觀形態(tài)見圖1。天然的WPI形成的納米纖維較短，但WPI沒有產(chǎn)生其他聚集形態(tài)。隨著超聲時(shí)間的延長，WPI形成的納米纖維的形態(tài)發(fā)生不同程度的變化。當(dāng)WPI超聲10 min和20 min后，WPI形成的納米纖維可以保持較好狀態(tài)，且纖維聚合物較長，但形成了團(tuán)簇狀的聚合物。延長超聲時(shí)間至30 min后，WPI形成了細(xì)長的形態(tài)良好的纖維聚合物，且沒有產(chǎn)生其他形態(tài)聚合物。所以本研究確定超聲時(shí)間為30 min。

利用TEM觀察超聲和NaCl協(xié)同作用對WPI形成纖維聚合物形態(tài)的影響，具體結(jié)果如圖1所示。不同濃度的NaCl協(xié)同超聲處理的WPI形成的纖維聚合物形態(tài)存在很大差異。15 mmol/L NaCl協(xié)同超聲處理后的WPI形成的纖維聚合物形態(tài)較好，保持細(xì)長的狀態(tài)。30 mmol/L NaCl協(xié)同超聲處理后的WPI形成的纖維聚合物仍然保持較好的形態(tài)，且纖維聚合物的長度較長。45 mmol/L NaCl和60 mmol/L NaCl協(xié)同超聲處理后的WPI形成了 大量的團(tuán)簇狀聚合物，而且形成的纖維聚合物較短。當(dāng)鹽離子濃度較低時(shí)，

-Lg形成了細(xì)長的纖維聚合物，而鹽離子濃度較高時(shí)形成的纖維聚合物變短且彎曲 。添加鹽 離子可以加速

-Lg的自組裝，當(dāng)NaCl濃度≥60 mmol/L時(shí)，纖維聚合物變短且緊密卷曲 。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲協(xié)同45 mmol/L NaCl處理的WPI形成的纖維聚合物較短，而且有大量的團(tuán)簇狀聚合物產(chǎn)生。WPI最終形成纖維聚合物形態(tài)的不同可能源于聚合動力學(xué)的改變。

2 不同樣品濁度變化分析

蛋白質(zhì)聚集體具有增強(qiáng)散射入射光的能力，可以通過監(jiān)測蛋白質(zhì)溶液在可見光區(qū)域的吸光度的變化反映蛋白質(zhì)聚集變化，本研究利用不同處理的WPI纖維化過程中聚合物在600 nm處的吸光度表示濁度。天然WPI，超聲30 min的WPI，超聲協(xié)同15、30、45、60 mmol/L NaCl修飾WPI纖維化過程中直觀圖和濁度變化結(jié)果見圖2。6 種樣品的濁度均隨著加熱時(shí)間的延長呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。這些樣品均在加熱2 h時(shí)濁度值最低。這可能是因?yàn)閃PI纖維化過程伴隨著水解，WPI先水解成小分子物質(zhì)，小分子物質(zhì)再聚合形成纖維聚合物。但是6 種樣品的變化程度不同。與天然WPI形成纖維聚合物過程相比較，超聲30 min協(xié)同30 mmol/L NaCl修飾WPI形成纖維聚合物濁度的變化過程更加平穩(wěn)，纖維聚合物的形成是一個(gè)緩慢的過程，聚合太快不利于纖維聚合物的形成。而濁度的變化一定程度能夠反映聚合速度，這種相對平穩(wěn)的變化說明聚合過程較為平穩(wěn)，而濁度平穩(wěn)的變化利于纖維聚合物的形成。但是當(dāng)鹽離子濃度增加至更高時(shí)，WPI纖維聚合物的濁度變化較大。這些濁度的變化反映了超聲和NaCl濃度影響了WPI纖維聚合物的形成過程。

3 硫黃素T熒光強(qiáng)度變化分析

硫黃素T是一種熒光劑，可以與纖維聚合物中的

-折疊結(jié)構(gòu)結(jié)合，使熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。通過測定熒光強(qiáng)度的變化可以評估纖維聚合物形成情況。超聲、超聲和NaCl協(xié)同作用對WPI纖維聚合物形成過程中硫黃素T熒光強(qiáng)度的影響見圖3。天然WPI形成 纖維聚合物的過程呈現(xiàn)先平穩(wěn)、后迅速上升、再平穩(wěn)的過程，熒光強(qiáng)度最大為626.43。超聲WPI形成纖維聚合物的過程也呈現(xiàn)相似的趨勢，但是熒光強(qiáng)度最大增加至694.60。與天然 WPI相比，超聲和NaCl協(xié)同作用修飾的WPI形成纖維聚合物的過程硫黃素T熒光強(qiáng)度發(fā)生變化。當(dāng)NaCl濃度為15 mmol/L時(shí)，WPI形成的纖維聚合物過程與天然WPI形成過程相似，但是最大熒光強(qiáng)度增加至985.213。當(dāng)NaCl濃度為30、45 mmol/L和60 mmol/L時(shí)，熒光強(qiáng)度直接進(jìn)入快速增長階段，最終的強(qiáng)度分別為887.32、842.30和985.39。鹽離子強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)原纖維構(gòu)建塊之間的靜電相互作用，離子強(qiáng)度和超聲作用對WPI聚合過程有加速作用。

4 動力學(xué)參數(shù)的分析

硫黃素T熒光數(shù)據(jù)擬合通過Morris等提出的公式（式（1））進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)曲線擬合，擬合結(jié)果見圖4。不同樣品的硫黃素T熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合度均較高。其中天然WPI，超聲30 min WPI，超聲協(xié)同15、30、45、60 mmol/L NaCl修飾WPI的硫黃素T熒光強(qiáng)度的擬合度（R2）分別為0.990、0.988、0.991、0.980、0.988和0.983（表1）。6 種樣品的最大熒光強(qiáng)度fmax分別為626.434、694.605、985.213、887.322、842.304和985.397（表1）。單一的超聲或者超聲和鹽離子協(xié)同作用后的WPI形成纖維聚合物的tlag明顯縮短，天然WPI的

t

lag 為 5.360 h，而超聲處理后的

t

lag 為3.042 h。隨著鹽離子濃度的增加，

t

lag進(jìn)一步縮短，當(dāng)鹽離子濃度增加至60 mmol/L時(shí)，

t

lag縮短至0.784 h。與天然WPI形成纖維聚合物滯后時(shí)間相比較，超聲修飾WPI，超聲協(xié)同15、30、45、60 mmol/L NaCl修飾WPI形成纖維聚合物的滯后時(shí)間縮短的幅度分別為43.24%、39.73%、55.19%、70.50%和85.37%。超聲或者超聲和鹽離子協(xié)同作用均縮短了

t

1/2 max，也改變了熒光強(qiáng)度的最大增加速率。超聲或者超聲協(xié)同鹽離子作用改變了WPI纖維聚合物的聚合動力學(xué)，這也可能是導(dǎo)致其在加熱相同時(shí)間后形成的纖維聚合物的形態(tài)有差異的原因。

5 EAI和ESI分析

不同處理后WPI形成的纖維聚合物的EAI和ESI結(jié)果見圖5。超聲或者超聲協(xié)同NaCl修飾WPI形成的纖維聚合物的EAI和ESI均有所改變。天然WPI纖維聚合物的EAI和ESI分別為0.75 m 2 /g和40.52%，超聲處理WPI形成的纖維聚合物的EAI和ESI分別為1.07 m 2 /g和60.38%。當(dāng)加入鹽離子后EAI和ESI進(jìn)一步提高，其中超聲協(xié)同30 mmol/L NaCl修飾WPI形成的纖維聚合物的EAI和ESI最高，分別為1.44 m 2 /g和73.21%。

6 乳化液微觀形態(tài)分析

為了進(jìn)一步確定超 聲協(xié)同30 mmol/L NaCl修飾WPI形成的纖維聚合物的ESI最好，利用激光共聚焦顯微鏡觀察了此條件下乳化液的微觀形態(tài)，如圖6所示。其乳化液液滴顆粒大小較為穩(wěn)定，纖 維聚合物均勻地包裹在油的表面。

結(jié)論

超聲可以改變WPI纖維聚合物的形態(tài)，超聲協(xié)同NaCl也改變了WPI纖維聚合物的形態(tài)，而且隨著鹽離子濃度（0、15、30、45、60 mmol/L）的增加，纖維聚合物的形態(tài)從原來的細(xì)長變得更短，而且形成了其他形態(tài)的聚集體。與天然WPI纖維聚合物相比較，超聲協(xié)同不同濃度的NaCl改變了WPI纖維聚合物的滯后時(shí)間、最大熒光強(qiáng)度、最大增加速率和達(dá)到最大熒光強(qiáng)度一半的時(shí)間。通過不同修飾的WPI形成的纖維聚合物的EAI和ESI也有所改變。其中超聲協(xié)同30 mmol/L NaCl修飾WPI形成的纖維聚合物的EAI和ESI最高，分別為1.44 m2/g和73.21%。激光共聚焦顯微鏡的觀察結(jié)果表明纖維聚合物可以均勻地包裹在油的表面。超聲協(xié)同NaCl作用改變了WPI纖維聚合物動力學(xué)過程，但是缺乏從WPI分子角度揭示改變動力學(xué)的機(jī)理的研究。本研究結(jié)果可為超聲協(xié)同NaCl修飾WPI制備纖維聚合物在食品加工行業(yè)的研究開發(fā)提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

第一作者：

董世榮 副教授

董世榮，1988年出生，博士，副教授。2017年9月至今于哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院從事一線教學(xué)工作，主講《食品營養(yǎng)學(xué)》、《食品原料學(xué)》、《食品工藝學(xué)》等課程。主要從事植物蛋白修飾及自組裝、植物蛋白納米材料制備及應(yīng)用、飼料營養(yǎng)等方面的研究。目前已主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目青年基金項(xiàng)目、黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目、2023年高等教育研究課題、哈爾濱學(xué)院青年博士科研啟動基金項(xiàng)目、哈爾濱學(xué)院教師教學(xué)發(fā)展基金項(xiàng)目哈苑青椒計(jì)劃項(xiàng)目各1 項(xiàng)，參與黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃省專項(xiàng)重點(diǎn)課題各1 項(xiàng)；主編著作1 部；以第一作者或通信作者發(fā)表科研論文20余篇，其中4 篇被SCI收錄；以第一作者發(fā)表教改論文4 篇；指導(dǎo)國家級、省級以及校級學(xué)生科研項(xiàng)目5 項(xiàng)。

通信作者：

卞春 教授

卞春，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)任哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院院長。主要從事天然化學(xué)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及功能方面的研究，致力于黑龍江省農(nóng)林產(chǎn)品精深加工技術(shù)等方面的研究。黑龍江省食品科技學(xué)會理事會成員，《食品工業(yè)科技》青年編委。主持完成省自然科學(xué)基金項(xiàng)目2 項(xiàng)，參與國家、省級科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表高水平文章10余篇，出版專著3 部，獲得哈爾濱市科技成果一等獎1 項(xiàng)，發(fā)明專利2 項(xiàng)。卞春教授主講《食品生物化學(xué)》、《食品機(jī)械與設(shè)備》和《食品工藝學(xué)》等課程，以其深厚的專業(yè)知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了一大批食品科學(xué)與工程領(lǐng)域的專業(yè)人才。

本文《超聲與鹽離子協(xié)同調(diào)控對乳清分離蛋白聚合動力學(xué)的影響》來源于《食品科學(xué)》2025年46卷第4期237-243頁，作者：董世榮，孫 宇，卞 春*，欒 澈。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20240617-104。點(diǎn)擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。

實(shí)習(xí)編輯：林安琪；責(zé)任編輯：張睿梅。點(diǎn)擊下方 閱讀原文 即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)

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