搅打稀奶油是一类以鲜牛乳离心得到的脂肪层为原料,通常乳脂质量分数为30%～40%的水包油型乳液,其广泛应用于冰淇淋、蛋糕等食品的加工中[1]。作为一种热力学不稳定的乳液,在储存和打发过程中,搅打稀奶油极易出现不稳定现象,如聚集、絮凝、脱水和泡沫坍塌[2],因此,常需添加稳定剂如黄原胶和其他来自藻类的阴离子多糖等,以改善产品稳定性和延长保质期[3]。随着绿色健康消费趋势的兴起,消费者对清洁标签需求日益增长,尽管该领域正在持续研究以进一步优化配方,但迄今为止,针对无稳定剂搅打稀奶油产品的研究仍较少。

乳清蛋白(whey protein,WP)是稀奶油中重要的组成成分,其优异的界面吸附、乳化、起泡等特性使其具有替代稳定剂的强大潜力。天然WP功能有限,因此需要对其改性以满足特定食品应用的需求。其中,WP的热诱导聚合在为特定应用设计功能方面具有巨大潜力。近年来,热处理因其操作简便、经济高效且适用场景广泛的特点,成为工业食品加工领域中一项至关重要的基础加工手段[4]。在热处理过程中,WP结构展开,内部疏水基团暴露[5],导致变性和聚集体的产生。这些聚集体的特性与其天然蛋白质完全不同[6]。研究表明,蛋白聚集体增强了界面膜的黏弹性,有助于提高化合物的稳定性[7]。李月等[8]发现WP变性程度为60%的乳液稳定性和搅打特性均较优。然而,过度聚集的蛋白质会导致乳液浊度增大、相分离和沉淀等[9]。现有研究大多集中在调控热处理温度和时间上,而将变性程度与搅打稀奶油应用品质、乳液特性和蛋白结构相联系的研究有待完善。

本研究通过热处理制备了不同变性程度(28%、46%、64%、82%和100%)的WP溶液,并将其作为外源性蛋白质,用于制备无稳定剂的搅打稀奶油。随后,分析了蛋白变性程度对搅打稀奶油搅打性质、乳液稳定性、流变学特性及界面性质的影响。此外,该研究还评估了热变性对WP溶液性质的影响,如游离巯基和表面疏水性等,以便全面分析应用品质差异产生的原因,为开发无稳定剂的搅打稀奶油产品提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鲜稀奶油,光明乳业股份有限公司;二喹啉甲酸(Bicinchoninic acid,BCA)蛋白浓度测定试剂盒,上海碧云天生物技术股份有限公司;TGX 12%丙烯酰胺免染制胶试剂盒,Bio-Rad伯乐公司;8-苯胺基-1-萘磺酸(8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid,ANS),苏州格瑞特医药技术有限公司;K2SO4、十二烷基硫酸钠、三氯乙酸、甘氨酸,中国国药集团上海化学试剂公司;乳清分离蛋白(whey protein isolate,WPI),上海博飞美科化学科技有限公司;酪蛋白,梯希爱(上海)化成工业发展有限公司

1.2 仪器与设备

DN-103F自动定氮仪,上海纤检仪器有限公司;Panda Plus 2000 高压均质机,意大利GEA Niro Soavi公司;TW-PT-20T管式超高温杀菌机,上海沃迪智能装备股份有限公司;小熊打蛋器,小熊电器股份有限公司;DHR3 流变仪,美国TA 仪器公司;TA-XT plus 物性分析仪,英国 Stable Micro Systems 公司;高效离心机,美国Beckman Coulter公司;MAZ3000 激光粒度仪,英国马尔文仪器公司;DV2TLVTJ0旋转黏度计,美国博勒飞公司;DCAT 25表面张力仪,德国Data physics Instruments公司;F-7000荧光光谱仪,日本日立公司;M2酶标仪,美国Molecular Devices公司。

1.3 外添加不同变性程度WP的搅打稀奶油制备

本实验所用的WPI通过凯氏定氮法测定初始变性程度为10.00%。随后,将10%变性的WPI通过水合处理,依据已有的研究[10],将WPI溶液经85 ℃加热30 min实现完全变性。以未处理WPI(在25 ℃下溶解30 min)与完全变性的WPI的质量比为4∶1、3∶2、2∶3、1∶4和0∶5进行混合,制备出变性程度分别为28%、46%、64%、82%和100%的改性WPI溶液[8]。制备酪蛋白分散液,并将所得分散液均匀加入到鲜稀奶油中,同时加入先前制备的不同变性WP溶液,并将脂肪和蛋白质含量标准化为36%和2.0%。混合物经剪切3 min、高压均质后迅速冷却。随后,将乳液在139 ℃下进行超高温灭菌7 s[11],冷却至4 ℃储藏待用。

1.4 外添加不同变性程度WP的搅打稀奶油泡沫特性

1.4.1 搅打特性

1.4.1.1 搅打时间

称取搅打稀奶油乳液150 g,使用打发器以1 300 r/min转速打发。当打发器的顶端形成挺立的锥尖时停止打发,使用秒表记录开始搅打到搅打终点的时间(s)。

1.4.1.2 搅打起泡率

参照文献[12]的方法,称取150 g乳液并进行打发,当达到搅打终点时,称取在相同容积内奶油泡沫质量。搅打起泡率计算如公式(1)所示:

搅打起泡率

(1)

式中:m1,搅打前乳液的质量,g;m2,相同体积的容器盛装的搅打后奶油的质量,g。

1.4.1.3 硬度

对搅打稀奶油进行打发,到达打发终点时,采用配备P5探头的质构仪测量奶油泡沫的硬度,测试参数参考已有的研究[13],具体参数设置为1 mm/s的测试前和测试中速率,5 mm/s的回程速率,30 mm的测定距离,0.5 g的触发力。

1.4.1.4 乳清泄漏率

将打发结束后的20 g奶油转移到筛网上,将筛网置于烧杯上方。样品在恒温恒湿箱中于37 ℃放置2 h,乳清泄露率计算如公式(2)所示[14]:

乳清泄漏率

(2)

式中:m4,筛网上奶油泡沫的质量,g;m3,滴漏的乳清的质量,g。

1.4.2 裱花特性

称取150 g搅打稀奶油乳液进行打发并裱花。将裱花样品在室温下放置90 min,拍照观察奶油泡沫纹路形态,并记录初始和结束时奶油泡沫的高度。坍塌率计算如公式(3)所示:

坍塌率

(3)

式中:H1和H2分别为裱花样品在0 min和90 min时的高度,mm。

1.4.3 黏弹性

取打发后奶油评估泡沫的黏弹性。使用直径40 mm、间隙3 000 μm、频率扫描范围0.1～10.0 Hz的平板来选择线性黏弹性区域应变[12]。并记录弹性模量(G′)和黏性模量(G″)。

1.5 外添加不同变性程度WP的搅打稀奶油乳液特性

1.5.1 平均粒径与粒度分级

对乳液适量稀释后测量粒度分布和平均粒径。参照文献[15]进行参数设定:分散剂为水,分散剂折射率为1.330,搅拌器转速为2 500 r/min,进样器Hydro-2000MU(A),颗粒吸收率为0.001,颗粒折射率为1.414。

1.5.2 表观黏度

使用旋转黏度计测试搅打奶油乳液的表观黏度。称取适量乳液样品于离心管中,使用62号转子以50 r/min的转速下测量7 s并记录稳定后数值。

1.5.3 表面张力

依据已有方法使用配备铂板PT11的表面张力仪测定了乳液的表面张力[16]。每个样品称取80 g乳液后进行测定。

1.5.4 界面特性

1.5.4.1 界面蛋白含量与吸附率

4 ℃、10 000×g对适量乳液离心45 min。离心后,用注射器提取下层未吸附层,并使用BCA试剂盒测定其蛋白质浓度。界面蛋白含量(mg/m2)和吸附率(%)分别参照先前建立的方法[17],计算如公式(4)和公式(5)所示:

界面蛋白含量

(4)

界面蛋白吸附率

(5)

式中:d3,2,乳液面积平均粒径,μm;C1,离心前乳液中的蛋白质量浓度,mg/mL;C2,离心后未吸附乳液的蛋白质量浓度,mg/mL;Φ,乳液中油的体积分数,%。

1.5.4.2 界面蛋白分布

采用SDS-PAGE分析界面蛋白的分布情况。将冷冻离心后的样品与4×还原性或非还原性样品缓冲液混合,在沸水浴中加热5 min,然后10 000×g离心10 min。使用TGX免染12%丙烯酰胺凝胶进行电泳,每孔上样7 μL,恒定电压150 V。

1.5.4.3 界面流变

使用配备界面环夹具的流变仪对乳液的界面流变进行了表征。在动态时间扫描之后,在0.1%应变下进行了频率扫描,角频率范围为0.1～10 rad/s。

1.6 不同变性程度的WP溶液特性

1.6.1 浊度与溶解度

使用酶标仪测定2 mg/mL WP溶液在633 nm处的吸光度即为浊度。将蛋白溶液稀释至0.5 mg/mL,10 000 r/min离心 15 min,取上清液及蛋白溶液,以牛血清白蛋白为标准蛋白,用 Bradford法测定溶解度[18]。蛋白质溶解度的计算如公式(6)所示:

溶解度

(6)

式中:C1,上清液中的蛋白质质量浓度,mg/mL;C2,蛋白质溶液质量浓度,mg/mL。

1.6.2 表面疏水性

依据已有方法,采用ANS(8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid,ANS)荧光探针技术测定表面疏水性[19]。使用酶标仪在荧光模式下进行测量,以荧光强度随蛋白质浓度增加的初始斜率作为样品的表面疏水性。

1.6.3 游离巯基与二硫键

WP溶液游离巯基与二硫键含量的测定方法基于王涛等[20]的方法。取5 mg/mL脱脂乳液样品,加入Tris-Gly缓冲溶液。此后,加入0.02 mL Ellman试剂,混合物避光反应15 min。在412 nm处,用酶标仪测定吸光度。游离巯基含量计算如公式(7)所示:

游离巯基含量

(7)

式中:A412,样品在 412 nm 处的吸光度;D,稀释倍数;C,样品固形物质量浓度,mg/mL。

二硫键含量根据总巯基和游离巯基之间的差异,计算如公式(8)所示:

二硫键含量

(8)

式中:SH1,总巯基的含量,μmol/g;SH2,游离巯基的含量,μmol/g。

1.7 数据分析

所有实验均至少重复3次,数据以“平均值±标准差”表示。使用Origin 2022软件进行数据图的绘制,采用SPSS软件对数据进行显著性分析,显著性水平设定为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 外添加不同变性程度WP对搅打稀奶油泡沫特性的影响

2.1.1 搅打特性

外添加WP变性程度显著影响搅打稀奶油的搅打特性。如表1所示,随着变性程度的增大,搅打时间最初下降,在外添加WP变性程度为64%时达到最小值131.45 s。随后在高程度的变性条件下再次增加。这一趋势可归因于蛋白质表面活性成分与脂肪球聚集之间的相互作用。在适度变性(46%～64%)时,WP分子展开,增强其在气-水界面的吸附,促进气泡形成并缩短搅打时间[13]。起泡率在变性程度为64%时达到最大值120.46%,然后趋于平稳。最初呈增大趋势是由于形成了部分聚集的脂肪球稳定网络,能有效地包裹气泡[21]。然而,在过度变性(82%～100%)下,可能会发生严重的蛋白质聚集,形成较大的复合物。在搅打过程中会破坏脂肪网络并使气泡破裂,从而限制起泡率的进一步增加,并导致搅打时间延长。

质构在食品质量和加工条件中起着关键作用。搅打稀奶油的质地和稳定性是关键的质量参数。添加的WP变性程度显著影响泡沫硬度和乳清泄露率。随着变性程度的增大,硬度显著增加,在程度为64%时达到最高为8.73 g,而乳清泄漏率在同一程度下达到最小值。该变性程度下的最佳质地和稳定性可能归因于部分变性的WP功能增强,这是因为适度的聚结程度导致搅打结束时形成更稳定的空间网络结构,使乳液的黏度增加,同时减少搅打奶油泡沫脱水收缩[22]。

2.1.2 裱花特性

如图1所示,随着添加的WP变性程度的增加,搅打稀奶油泡沫的坍塌率先降低后升高。在外添加WP变性程度为28%时,塌陷率达到最大值12.86%,泡沫花纹逐渐消失,表现出较差的形状保持性和尖峰硬度。相比之下,在外添加WP变性程度为64%时,塌陷率降至最低,为4.03%。在此水平下,奶油泡沫呈现出最清晰的表面纹理,同时具有最佳的硬度和保形性。这种最佳稳定性可归因于部分展开的WP形成了具有内聚力的弹性界面膜,该膜可以有效稳定泡沫结构,防止塌陷以保持形状[23]。

2.1.3 黏弹性

对添加不同程变性度WP的搅打稀奶油泡沫进行频率扫描。如图2所示,搅打稀奶油泡沫的G′和G″均随WP变性程度的增加先升高后降低。这一趋势表明泡沫的刚性和稳定性相应地先升高后降低。在外添加WP变性程度为64%时,体系达到最坚固的状态,此时G′达到峰值21 615 Pa, tanφ值最低。这证实了其具有高度弹性、类似固体的结构。这些结果与搅打性质结果相符,即在该程度下,硬度最高,乳清泄漏率最低。可能的原因是,WP的适度变性增强了蛋白质的表面活性,促进了更致密的界面膜的形成,导致G′显著增加。同时,WP结构的展开以及疏水相互作用和氢键网络的增强提高了泡沫的机械强度,增强了网络结构的稳定性[24]。

2.2 外添加不同变性程度WP对搅打稀奶油乳液特性的影响

2.2.1 表观特性

如图3-a所示,随着外添加的WP变性程度增加,乳液粒度分布中的第一个峰面积减小,分布向右移动。这表明稀奶油乳液脂肪球可能出现聚集,脂肪球分布不均匀,乳液稳定性降低。当外添加WP变性程度达到64%时,平均粒径降至3.81 μm;而当外添加WP变性程度达到100%时,平均粒径增加到4.45 μm(图3-b)。这是因为WP变性程度增加,蛋白质之间的相互作用增强,导致液滴显著聚集,从而使乳液的粒径显著增加[25],对乳液的稳定性产生不利影响。如图3-c所示,当添加的WP变性程度达到64%时,乳液的表观黏度达到最大值。可能的原因是较小的液滴在流动过程中受到更高的摩擦阻力,提升了体系黏度[26]。随着WP变性程度的增加,暴露更多的疏水基团和巯基,促进凝胶网络的形成和分子间交联,从而提高黏度。而当变性程度过高时,蛋白质会显著聚集,脂肪球晶体刺穿膜导致破裂,破坏乳液的稳定性,从而降低黏度。

2.2.2 界面特性

如图4-a、图4-b所示,随着外添加WP变性程度的增加,搅打奶油乳液的界面张力先降低后升高。当添加WP的变性程度增加到64%时,界面张力达到最低值,界面蛋白含量最高(6.02 mg/m2),此时界面蛋白吸附率也达到峰值(43.54%)。这是因为适度的热会使蛋白质部分展开,扩大蛋白质与界面的接触面积,从而改善油水界面的吸附行为[27]。蛋白更容易迁移到油水界面。当过度变性导致的蛋白质大量聚集或沉淀时,会减少有效吸附分子,使界面膜不连续并增加局部张力。当WP变性程度达到100%时,蛋白聚集严重,界面蛋白含量下降至5.84 mg/m2。此时,界面蛋白吸附率降至38.96%,影响乳液的稳定性和起泡特性。

为进一步考察WP变性程度对搅打稀奶油乳液界面吸附特性的影响,对乳液进行了SDS-PAGE分析。结果如图5和表2所示,随着添加WP变性程度的增加,搅打稀奶油乳液界面处的WP含量大致呈持续下降趋势。当外添加WP变性程度为64%时,界面上WP含量较高,酪蛋白含量达到最高值,WP与酪蛋白的协同作用促进界面吸附。界面上蛋白聚集体的含量总体呈持续上升趋势。当外添加WP变性程度达到100%时,聚集体含量达到最大值1.80 mg/m2,对乳液稳定性产生不利影响。

界面流变对界面处蛋白质构象的变化极为敏感。如图6所示,所有样品界面的G′均大于G″,这表明界面膜本身具有较强的固态或刚性行为特征,有利于搅打后乳液的储存稳定性和泡沫稳定性。当外添加WP的变性程度为64%时,界面G′达到最高值7.42 Pa,此时tanφ达到了最小值,G″也相对较高。界面稳定性增加,界面膜不易变形,这与此时搅打稀奶油的泡沫网络结构最稳定的结果相一致。

2.3 不同变性程度对WP溶液特性的影响

2.3.1 浊度、溶解度与表面疏水性

浊度是蛋白质聚集程度的理想宏观指标。如图7-a所示,浊度随变性程度的增加而显著升高,这表明WP粒径不断增大,且形成了小分子聚集体[28]。随着变性程度的增加,溶解度略有下降。这种下降可能是由于随着变性程度的不断增加,蛋白质结构松散,疏水区域暴露,导致溶解度降低。浊度与溶解度共同影响了蛋白质的发泡特性和乳化特性[29]。采用ANS荧光探针法评估蛋白质中暴露的疏水位点和三级结构变化[30]。如图7-b所示,表面疏水性随变性程度的增加先升高后降低,但仍显著高于未处理的对照组。在外添加WP变性程度为64%时,表面疏水性达到到最大值(1 130.61 AU),表明此时WP疏水基团与水环境相互作用的倾向最强。这归因于随着WP变性程度的增加,蛋白质在三级水平上展开,导致内部疏水基团显著暴露。当变性程度超过64%时,表面疏水性下降。这种趋势逆转可能是由于聚集体掩埋和包裹了疏水位点,降低了疏水基团的暴露程度,这与已有的研究结果相一致[29]。

2.3.2 游离巯基与二硫键

天然蛋白质分子的巯基基团埋藏在三级结构内部。变性使蛋白质展开,巯基基团从而参与反应[9]。如表3所示,对照组的游离巯基含量处于最低水平,而总巯基和二硫键含量处于最高水平。这是因为其紧密的结构埋藏了游离巯基,而二硫键保持完整和稳定。随着变性程度的增加,游离巯基含量先增加后减少,而总巯基和二硫键含量先减少后增加。当添加的WP变性程度达到64%时,游离巯基含量达到最高水平。可能的原因是WP结构展开,暴露了疏水基团,进而暴露了游离巯基,同时二硫键解离,导致总巯基损失。随着变性程度的增加,WP中的巯基基团发生氧化或巯基与二硫键之间发生相互转化[20]。

3 结论与讨论

本文通过研究以不同热变性程度的WP作为外源蛋白制备无稳定剂的搅打稀奶油,探究WP变性程度对搅打稀奶油应用品质的影响,并分析乳液稳定性、界面性质以及WP溶液特性。研究发现以64%变性程度的WP作为外源蛋白制备的搅打稀奶油表现出最高的泡沫硬度和最低的塌陷率,具有最佳的整体搅打和裱花性能。这可能归因于其最大的G′和G″,它们增强了泡沫网络结构的强度,进而提高了稳定性。对乳液性质的进一步分析表明,该变性程度体系显示出较小的平均粒径、均匀的粒径分布和最高的表观黏度。同时本研究进一步丰富已有研究对泡沫稳定性的原因分析,该体系乳液具有最佳的界面蛋白含量和吸附率,界面膜具有较强的刚性,表面张力降低,促进了蛋白在油水界面的有效吸附,有助于提高乳液稳定性和搅打性能。此外,对WP特性的分析进一步拓宽了搅打稀奶油已有研究的维度,外添加的64%变性程度WP溶液表现出适度的浊度和溶解度,同时具有最大的表面疏水性。构象变化导致疏水基团暴露和最高的游离巯基含量。WP的性质变化与乳液的界面特性等具有强相关性,最终影响了搅打奶油的应用品质。

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Effect of denaturation degree of whey protein on application quality properties of whipped cream without stabilizers

MA Yingying1,2,3,4, CHEN Ling1,2,4, XU Feifei1,2,3,4, LIU Fei1,2,3,4, CHEN Maoshen1,2,3,4*, ZHONG Fang1,2,3,4

1(Science Center for Future Foods, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

2(School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

3(Key Laboratory of Food Sensory Science and Technology, China National Light Industry, Wuxi 214122, China)

4(Jiaxing Institute of Future Food, Jiaxing 314015, China)

ABSTRACT Stabilizer-free whipped cream, motivated by the growing consumers’ desire for clean-label products, has received considerable attention.Heat-denatured whey protein (WP), with altered function due to structural unfolding, has been identified as a promising natural ingredient in place of conventional stabilizers.The current study made use of WP with varied denaturation levels (28%-100%) as the natural stabilizer.The interfacial rheological properties and other characteristics were analyzed to systematically investigate the impact of the degree of denaturation on the application quality of whipped light cream.This study aimed to select WP with the optimal degree of denaturation to provide a theoretical basis and technical support for the industrial preparation of clean-label whipped light cream.The results demonstrated that the denaturation level significantly influenced product quality:the foam collapse rate and serum separation first decreased and then increased, while overrun and hardness exhibited a corresponding initial increase followed by a decrease.The cream stabilized with 64% denatured WP showed optimal whipping properties and overall stability.Analysis of the cream emulsion characteristics revealed that rheological properties initially improved but diminished with further denaturation, whereas notable differences were observed in interfacial properties.At 64% denaturation, interfacial protein adsorption reached its maximum (43.54%), and the loss factor tanφ of the interfacial film was minimized, indicating superior emulsion stability.Further analysis of the WP solutions revealed that progressive denaturation modified protein characteristics, surface hydrophobicity first rose before declining, reaching its peak at 64% denaturation (1 130.61 AU).

Key words whey protein;whipped cream;denaturation;interface properties;rheological

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.045458

引用格式：马莹莹,陈羚,徐菲菲,等.乳清蛋白变性程度对无稳定剂搅打稀奶油的应用品质影响研究[J].食品与发酵工业,2026,52(19):189-197.MA Yingying , CHEN Ling, XU Feifei, et al.Effect of denaturation degree of whey protein on application quality properties of whipped cream without stabilizers[J].Food and Fermentation Industries,2026,52(19):189-197.

第一作者：硕士研究生(陈茂深教授为通信作者,E-mail:chenmaoshen@jiangnan.edu.cn)

基金项目：国家自然科学基金面上项目(32272470,32302282)

收稿日期：2025-12-10,改回日期：2026-02-11