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牛乳加热及乳粉热相关工艺对蛋白聚合及凝固特性的影响

作　者: 王伟军
导　师: 张兰威
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 牛乳加热处理乳粉凝固特性蛋白聚合
分类号: TS252.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

牛乳加热处理是乳制品工业的重要环节。虽然出于感官、营养的考虑，低杀菌强度的使用已经成为人们的普遍愿望，而由于工艺和安全的原因也有使用较高杀菌强度的要求。同时，我国的原料乳供应在地域和季节上的不平衡使乳粉的生产和使用始终受到重视，然而乳粉加工中的热相关处理使其复原乳凝固特性受到很大影响。本研究的目的是分析加热处理以及乳粉加工中热相关工艺对乳凝固特性，包括酶诱凝固和酸诱凝固的影响；研究牛乳蛋白聚合和理化特性变化与乳凝固特性的关系以及相关机理；通过化学控制牛乳蛋白聚合和利用特定乳酸菌分别在乳粉加工环节和复原乳干酪生产环节初步解决复原乳酶凝胶及在干酪中的应用问题。不同强度加热乳的酶诱凝固和酸诱凝固特性研究表明：高强度热处理乳显示出更强的酸凝固促进作用，以及更大的酶凝固抑制效果。与同批次原料乳相比，70℃/15s加热乳的酶凝胶硬度降低了16.45%，而90℃/8min则降低了37.27%。采用分子排阻色谱（SEC）技术，本文首次分析了凝胶前的加热乳中乳浆蛋白聚合体（SPA）以及凝胶后的乳清中蛋白聚合体残留随不同加热强度的变化规律。发现SPA的变化与乳凝固质地参数之间存在高度相关性（|r|>0.75，P<0.001）；同时也发现乳清中蛋白聚合体残留与加热强度有高度依赖关系。采用SEC对SPA进行分离并对其性质和作用做进一步研究。结果表明SPA颗粒大小随着处理温度和时间的增加而增加，范围从低强度热处理的约30nm增加到高温处理的约100nm。在酶凝固添加试验中，发现SPA对酶凝固无抑制作用。随后考察了热诱酪蛋白胶束大小、表面疏水性以及活性钙离子浓度的变化，发现酪蛋白直径以及活性钙离子浓度变化是热诱酶凝固特性降低的主要因素。本文考察了乳粉加工中热相关工艺，包括预热杀菌、浓缩和喷雾干燥对乳凝固特性的影响。随着乳粉加工工艺的进行，乳样品酶凝胶的硬度逐步降低，同时，乳样品酸凝胶的硬度呈现逐步上升的趋势；发现经过加热、浓缩和干燥工艺后生产的乳粉，与同批次原料乳相比，其复原乳的酶凝胶硬度降低了73.99%-81.53%。对乳粉加工中不同乳样品的SPA变化、酪蛋白大小和钙离子浓度以及乳粉样品中蛋白二级结构进行了分析，结果表明这些属性均具有高度的热相关工艺及强度的相关性。为了考察热诱酪蛋白胶束与乳清蛋白，特别是与β-乳球蛋白之间的反应，以及其在乳凝固中的作用，本文采用蛋白免疫与电子显微镜结合技术研究了加热和乳粉工艺对乳蛋白聚合的影响。发现加热不会造成酪蛋白胶束的解离和聚集，然而加热会导致乳球蛋白在酪蛋白胶束表面的聚集反应；而在乳粉复原乳的微结构中，除上述发现外，也观察到酪蛋白胶束发生很大程度的解离和重排，因此认为酪蛋白胶束发生根本改变是造成乳粉复原乳酶凝胶特性降低的主要原因。研究了原料乳经碘酸钾（PI）或低聚异麦芽糖处理对随后热诱蛋白聚合分布的控制和修饰作用，SEC发现PI能明显增加SEC的乳清蛋白峰C的强度，降低SEC的蛋白聚合体峰B0和B1的强度。同时也发现这种修饰作用会提升加热乳和乳粉复原乳酶凝胶的质地特性。对PI处理乳的微结构观察也证明了热诱蛋白聚合是可控的，这为加热乳和乳粉复原乳酶凝固特性的改善提供了新的思路。在复原乳干酪（CRMP）的微生物改善研究中，发现直接酸化CRMP在成熟中会发生湿度的降低：从第1天的65.0%降低到第21天的62.5%再到45天的59.9%。而采用特定乳酸菌生产的CRMP能够在成熟期内保持湿度不变，同时使干酪质地得到改善，干酪产量轻微增加（4.6%）；并能极大改变CRMP的蛋白网络微结构，据此认为这是其改善干酪质地和技术特性的主要原因，该研究为CRMP的生产开发提供了理论支撑。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-17
第1章绪论  17-28
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  17-18
  1.2 研究现状及分析  18-26
    1.2.1 热处理对乳中主要蛋白质的影响  18-20
    1.2.2 加热对乳中钙及其存在形式的影响  20
    1.2.3 加热及干燥对乳粉复原特性的影响  20-21
    1.2.4 加热处理对乳凝固特性的影响  21-24
    1.2.5 乳粉加工与复原乳酶凝胶  24-25
    1.2.6 热诱乳蛋白聚合体与乳的凝固机理  25-26
  1.3 存在的问题和不足  26
  1.4 本文的主要研究内容  26-28
第2章试验材料与方法  28-41
  2.1 试验材料  28-30
    2.1.1 仪器与设备  28-29
    2.1.2 试剂与药品  29-30
  2.2 热诱乳蛋白聚合与乳凝固特性变化的研究方法  30-32
    2.2.1 原料乳加热处理  30
    2.2.2 分子排阻色谱分析  30-31
    2.2.3 洗脱液的 SDS-PAGE 分析  31
    2.2.4 凝胶制备与性质分析  31-32
  2.3 蛋白聚合体的作用分析以及牛乳中蛋白和钙分析方法  32-34
    2.3.1 SEC 收集液蛋白粒子的大小分析  32-33
    2.3.2 乳蛋白及蛋白聚合体的差示扫描量热分析  33
    2.3.3 乳凝固开始时间的测定  33
    2.3.4 乳蛋白组分的分离及乳酶凝固添加试验  33-34
    2.3.5 加热乳的酪蛋白胶束颗粒分析  34
    2.3.6 牛乳蛋白总疏水位点数量测定  34
    2.3.7 离子选择电极法测定牛乳中钙离子活性  34
  2.4 乳粉加工方法及乳蛋白聚合和乳凝固特性变化的研究方法  34-38
    2.4.1 试验设计  34-35
    2.4.2 乳粉加工  35-37
    2.4.3 乳的组成分析及复原乳制备  37
    2.4.4 凝固试验及质地剖面分析  37
    2.4.5 乳蛋白性质和活性钙测定方法  37
    2.4.6 乳样品微结构观察的分析方法  37-38
  2.5 蛋白聚合控制研究以及干酪加工和理化特性分析方法  38-40
    2.5.1 蛋白聚合的化学修饰研究方法  38-39
    2.5.2 复原平衡研究方法  39
    2.5.3 乳脂肪影响研究方法  39
    2.5.4 干酪加工方法和理化特性分析方法  39-40
  2.6 统计分析  40-41
第3章热诱乳蛋白聚合与乳凝固特性的变化  41-61
  3.1 引言  41-42
  3.2 低强度热处理的影响  42-53
    3.2.1 热诱乳浆蛋白聚合分布变化研究  42-46
    3.2.2 加热乳的凝胶特性分析  46-48
    3.2.3 乳清中蛋白分布的分子排阻色谱分析  48-50
    3.2.4 低强度加热对凝胶特性的影响及蛋白聚合的作用  50-53
  3.3 高强度热处理的影响  53-60
    3.3.1 热诱乳浆蛋白聚合分布变化  53-55
    3.3.2 不同加热乳间的凝胶质地特性差异  55
    3.3.3 干酪模拟产量与持水力  55-57
    3.3.4 原料乳批次的影响以及高强度和低强度加热间的差异  57-58
    3.3.5 高强度加热对凝胶特性的影响及蛋白聚合的作用分析  58-60
  3.4 本章小结  60-61
第4章蛋白聚合体的作用与加热乳凝固机制研究  61-73
  4.1 引言  61-62
  4.2 蛋白聚合体的理化分析及作用研究  62-66
    4.2.1 加热对蛋白聚合体颗粒直径分布的影响  62-63
    4.2.2 蛋白聚合体中蛋白变性情况的热力学分析  63-64
    4.2.3 蛋白聚合体分离及其在酶凝固中的作用  64-66
  4.3 乳中酪蛋白胶束的 DLS 表征  66-68
  4.4 荧光探针法分析蛋白质表面疏水性  68-69
  4.5 加热对牛乳中活性钙离子浓度的影响  69
  4.6 热致牛乳蛋白和钙离子变化与凝胶质地的关系分析  69-71
  4.7 本章小结  71-73
第5章乳粉生产中热相关工艺对凝胶特性的影响及机制研究  73-98
  5.1 引言  73-74
  5.2 乳粉理化分析  74
  5.3 乳粉加工中热相关工艺对凝胶特性的影响  74-77
  5.4 乳粉加工中热相关工艺对乳蛋白性质和钙离子的影响  77-85
    5.4.1 乳粉加工中蛋白聚合分布的变化  77-79
    5.4.2 乳粉蛋白质二级结构的红外光谱法表征  79-83
    5.4.3 复原乳中酪蛋白胶束的 DLS 表征  83-84
    5.4.4 乳粉加工中牛乳钙离子浓度的变化  84-85
  5.5 乳粉加工中热相关工艺影响的多因素分析  85-87
  5.6 热诱乳蛋白性质和活性钙变化与凝胶特性的关系  87-89
  5.7 热诱牛乳蛋白聚合的微观观察  89-94
    5.7.1 原料乳微结构的 TEM 分析  89-90
    5.7.2 TEM 图像的 IPP 分析  90-92
    5.7.3 加热乳和乳粉复原乳的微结构的变化  92-94
  5.8 复原乳与原料乳凝胶的微结构差异  94-97
    5.8.1 酶凝胶的微观结构观察  94
    5.8.2 酸凝胶的微观结构观察  94-97
  5.9 本章小结  97-98
第6章蛋白聚合的化学修饰与复原乳干酪的微生物学改善研究  98-117
  6.1 引言  98-99
  6.2 牛乳蛋白聚合分布的化学修饰作用  99-100
  6.3 蛋白聚合的化学修饰对乳酶凝特性的影响  100-101
  6.4 蛋白聚合的化学修饰对乳微结构的影响  101-103
  6.5 复原平衡中乳理化特性的改变  103-104
  6.6 乳脂肪对酶凝胶的影响  104-106
  6.7 复原乳干酪的生物学改善研究  106-116
    6.7.1 基础特性研究  107-108
    6.7.2 质地特性分析  108-111
    6.7.3 风味物质评估  111-115
    6.7.4 微结构观察  115-116
  6.8 本章小结  116-117
结论  117-118
创新点  118
展望  118-119
参考文献  119-136
附录一  136-137
附录二  137-138
附录三  138-139
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  139-142
致谢  142-143
个人简历  143

牛乳加热及乳粉热相关工艺对蛋白聚合及凝固特性的影响

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