邵鉞馨,曲赫選,鐘玉玲,黃江濤,李雄龍,史懷平
(西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,楊凌 712100)
近年來(lái),隨著人們對(duì)乳制品的認(rèn)可,促使乳制品行業(yè)快速發(fā)展,對(duì)乳的營(yíng)養(yǎng)研究不斷深入。張志強(qiáng)等[1]研究表明,牛奶乳清蛋白占牛奶中蛋白質(zhì)的20%;乳清中的鈣含量占牛奶總鈣的38%,磷含量占牛奶總磷的50%。在乳制品生產(chǎn)中,高質(zhì)量的乳清粉可作為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑用于生產(chǎn)嬰兒配方奶粉,同時(shí)乳清粉也被應(yīng)用于羔羊犢牛代乳料、仔豬飼料的生產(chǎn)等,需求量呈逐年增加趨勢(shì)。2017年我國(guó)乳清進(jìn)口量達(dá)49.7萬(wàn)t[2],與2007年相比增長(zhǎng)近兩倍,其中很大一部分用于飼料生產(chǎn)。隨著乳清產(chǎn)品在市場(chǎng)上的廣泛利用,乳清蛋白的提取效果越發(fā)受到關(guān)注。乳清蛋白有多種提純方法,常見(jiàn)方法有乙醇分級(jí)沉淀法、等電點(diǎn)沉淀法、離心法、膜過(guò)濾法、CO2沉淀分離法,此外還有超臨界CO2萃取法、雙水相萃取法等,但以上方法提純過(guò)程單一,對(duì)乳清蛋白的分離效果不甚理想。本研究根據(jù)羊奶蛋白的特性,對(duì)比分析了多種分離方法的處理效果,以期獲得最佳乳清蛋白分離方法,提高乳清蛋白得率。
羊奶采自西北農(nóng)林科技大學(xué)薩能羊原種場(chǎng)。選擇6只同質(zhì)性良好的西農(nóng)薩能奶山羊,在母羊產(chǎn)羔后第35天采集奶樣進(jìn)行分析。
1.2.1 單一方法分離乳清
1.2.1.1 乙醇分級(jí)沉淀法
將一定體積的羊乳加入離心管中,添加占總體積20%的無(wú)水乙醇,攪拌均勻后放置1h過(guò)濾,去除沉淀物,保留上清液;然后在上清液中添加無(wú)水乙醇,使乙醇體積比例至35%,攪拌均勻;繼續(xù)添加無(wú)水乙醇直至乙醇體積比值至55%,攪拌均勻。放置1h后4 000r/min離心,收集沉淀物分析。
1.2.1.2 等電點(diǎn)沉淀法
羊乳在3 000g、2℃條件下離心15min,棄去上層脂肪,制得脫脂乳;用1mol/L鹽酸調(diào)脫脂羊乳pH至4.6,然后在5 000g、2℃條件下離心20min,收集上清液分析。
1.2.1.3 離心法
羊奶在17 800g、2℃條件下離心30min,然后棄去上層脂肪后收集上清液分析。
1.2.1.4 多種方法復(fù)合分離乳清
將上述3種分離方法經(jīng)不同方式復(fù)合使用分離羊乳清,主要包括:①等電點(diǎn)法+乙醇法+離心法;②等電點(diǎn)法+離心法+乙醇法;③離心法+乙醇法+等電點(diǎn)法;④等電點(diǎn)法+乙醇法;⑤離心法+乙醇法;⑥離心法+等電點(diǎn)法;⑦離心法+等電點(diǎn)法+乙醇法;⑧乙醇法+等電點(diǎn)法;⑨乙醇法+離心法;⑩等電點(diǎn)法+離心法;乙醇法+等電點(diǎn)法+離心法; 乙醇法+離心法+等電點(diǎn)法。然后,對(duì)收集到的乳清進(jìn)行分析,檢驗(yàn)分離效果。
1.2.2 乳清純度檢測(cè)
1.2.2.1 羊奶乳清中總蛋白含量測(cè)定
提取羊奶乳清后,使用 BCA 蛋白濃度測(cè)量試劑盒(碧云天,P0012),以 0.9% NaCl 為空白,1.0mg/mL牛血清白蛋白(BSA)為標(biāo)準(zhǔn),使用酶標(biāo)儀測(cè)定OD值,分析羊奶乳清中總蛋白含量。之后,將分離得到的乳清總蛋白保存于-80℃?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2.2 SDS-PAGE凝膠電泳
將提取的乳清蛋白與樣品緩沖液混合后,沸水加熱5min,進(jìn)行SDS-PAGE凝膠電泳。電泳程序設(shè)置為100V、30min,之后轉(zhuǎn)為140V、90min。電泳結(jié)束后對(duì)凝膠進(jìn)行考馬斯亮藍(lán)G-250染色,之后脫色至背景透明,分析所得乳清蛋白的主要蛋白組分。
1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
運(yùn)用GraphPad Prism 5.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,最終試驗(yàn)結(jié)果表示為“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”。
酪蛋白和乳清蛋白構(gòu)成乳蛋白[3]。通過(guò)不同分離方法對(duì)羊奶乳蛋白進(jìn)行分離,結(jié)果發(fā)現(xiàn)乙醇法、等電點(diǎn)法、離心法對(duì)羊奶乳清中總蛋白分離的效果有顯著差異,其中離心法的效果最好,總蛋白濃度是15.706mg/mL,乳清中總蛋白得率是68.40%。上述三種方法不同方式配合使用后,發(fā)現(xiàn)“離心+等電點(diǎn)”配合使用總體效果較好,總蛋白濃度是10.226mg/mL,乳清中總蛋白得率是44.5%(見(jiàn)表1)。采用乙醇法分離的乳清中總蛋白得率明顯偏低,與離心法或等電點(diǎn)法復(fù)合法相比分離得到乳清總蛋白濃度偏低,分離效果相對(duì)差。
表1 不同方法提取乳清的結(jié)果比較
奶樣經(jīng)SDS-PAGE電泳并通過(guò)imagej軟件分析發(fā)現(xiàn),乳清中α-乳清蛋白、β-乳球蛋白、酪蛋白含量相對(duì)較高,但在不同分離法中差異明顯。采用等電點(diǎn)、離心、離心+等電點(diǎn)、等電點(diǎn)+離心、離心+乙醇+等電點(diǎn)等分離法,α-乳清蛋白、β-乳球蛋白條帶明顯,說(shuō)明所獲得的乳清中這兩類(lèi)蛋白組分含量高;但是,采用乙醇法、等電點(diǎn)+乙醇法、離心+乙醇法、離心+等電點(diǎn)+乙醇法、乙醇+等電點(diǎn)法、乙醇+離心法、乙醇+等電點(diǎn)+離心法、乙醇+離心+等電點(diǎn)法、等電點(diǎn)+乙醇+離心法、等電點(diǎn)+離心+乙醇法、等電點(diǎn)+離心+乙醇法等分離法,α-乳清蛋白、β-乳球蛋白條帶微弱,說(shuō)明所獲得的乳清中這兩類(lèi)蛋白組分含量少(圖1)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),山羊乳清中α-乳清蛋白含量低于β-乳球蛋白(圖2)。
圖1 SDS-PAGE電泳圖
圖2 不同乳清分離方法的β-乳球蛋白和α-乳清蛋白imagej灰度值
表2 不同分離方法的酪蛋白去除率
由表2可知,不同乳清蛋白分離方法所去除的酪蛋白含量差異顯著。采用等電點(diǎn)法的酪蛋白去除率為48.5%,采用離心法酪蛋白去除率為25.9%,采用“離心法+等電點(diǎn)法”酪蛋白去除率為63.9%,采用“等電點(diǎn)法+離心法”酪蛋白去除率為48.4%,采用“離心+乙醇+等電點(diǎn)法”酪蛋白去除率為89.8%,可見(jiàn),“離心法+等電點(diǎn)法”、“離心+乙醇+等電點(diǎn)法”獲得的乳清純度較好。
酪蛋白為乳蛋白的重要成分,占總蛋白含量的80%左右,其成分主要包括κ-酪蛋白、αs2-酪蛋白、αs1-酪蛋白和β-酪蛋白[3]。由于αs1-酪蛋白為過(guò)敏源,在接下來(lái)的試驗(yàn)中分析其在純化乳清蛋白過(guò)程中的去除率。根據(jù)αs1-酪蛋白檢測(cè)試劑盒說(shuō)明,利用標(biāo)準(zhǔn)品繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)(圖4),然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算樣品中αs1-酪蛋白的濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用等電點(diǎn)法、離心法、“離心法+等電點(diǎn)法”、“等電點(diǎn)法+離心法”所獲得的乳清中αs1-酪蛋白濃度分別為2.233mg/mL、2.233mg/mL、2.285mg/mL、2.460mg/mL,去除率分別達(dá)到16.90%、16.90%、14.90%、8.40%(表3)。從中可見(jiàn),“等電點(diǎn)法+離心法”去除αs1-酪蛋白效果差。
圖4 αs1-酪蛋白標(biāo)準(zhǔn)品線(xiàn)性回歸曲線(xiàn)
表3 四種分離方法處理后的αs1-酪蛋白濃度
乙醇分級(jí)沉淀法在分離乳清蛋白時(shí),蛋白共沉多且有局部變性,試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng);等電點(diǎn)沉淀法雖然準(zhǔn)確到位,但操作較復(fù)雜,pH值也不容易精確測(cè)定;離心法可定性或定量分析,但對(duì)試驗(yàn)儀器要求較高。這些方法雖然都可以將乳清蛋白分離,但是提純過(guò)程都有不足。本試驗(yàn)中乙醇法分離乳清中總蛋白濃度偏低,邊艷杰等[4]研究表明,加入乙醇裂解液抽提牛奶乳清中總蛋白,得到的總蛋白濃度為5.01mg/mL,分析其值低的原因,可能為部分蛋白加入乙醇等裂解液變形失活。本試驗(yàn)中,“離心法+等電點(diǎn)法”是將羊奶樣品經(jīng)均質(zhì)處理后,用鹽酸調(diào)節(jié)羊奶上清液的pH至4.6~4.7,然后進(jìn)行靜置,直至不再析出沉淀,于18~25℃條件下離心,離心的轉(zhuǎn)速為≥17 000g,離心的時(shí)間≥0.5h,離心后棄去離心體系的上層脂肪和下層沉淀,吸取得到的清液為羊奶乳清總蛋白樣品,用等電點(diǎn)沉淀法分離羊奶上清液中的酪蛋白,收集分離酪蛋白后的羊奶上清液,得到羊奶乳清蛋白。本試驗(yàn)中離心法得到的總蛋白濃度為(15.706±0.101)mg/mL,“離心+等電點(diǎn)”得到的總蛋白濃度為(10.226±0.240)mg/mL,“等電點(diǎn)+離心”得到的總蛋白濃度為(12.438±0.081)mg/mL,與陳靜廷等[5]的研究結(jié)果相似,該研究在提取乳清蛋白時(shí),調(diào)節(jié)牛奶乳清pH值為4.6,等電點(diǎn)沉淀提取法蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度為(11.36±1.1)mg/mL。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于乳清蛋白分離方法的研究較少,尚未建立乳清蛋白提純方法,現(xiàn)有研究多采用等電點(diǎn)沉淀分離乳清蛋白,復(fù)合法研究報(bào)道較少。
乳清蛋白包括β-乳球蛋白、α-乳清蛋白、血清白蛋白等,還存在少量的乳鐵蛋白、生長(zhǎng)因子和乳過(guò)氧化物酶等成分[6,7]。乳清蛋白可以經(jīng)過(guò)高溫、磷酸化、酶水解等方法加工[8],能夠提高其乳化性,應(yīng)用到食品、飼料等不同領(lǐng)域。王潔雯等[9]研究發(fā)現(xiàn),乳清蛋白成分中α-乳清蛋白基本以單拷貝形式整合到宿主基因組中,是乳汁中酸性鈣結(jié)合蛋白,且穩(wěn)定遺傳。楊懷榮等[10]利用高效液相色譜儀測(cè)定豬乳中乳清蛋白含量發(fā)現(xiàn),α-乳清蛋白在分娩后含量逐漸上升,而β-乳球蛋白在第16天含量最低,為5.6mg/mL。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同分離乳清蛋白方法的探究發(fā)現(xiàn),分離過(guò)程中會(huì)造成乳清蛋白成分的損失。張清勇等[11]研究表明,在當(dāng)歸中提取多糖時(shí),乙醇能夠改變當(dāng)歸多糖中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),從而提高多糖提取率。有研究表明,20%乙醇可沉淀球蛋白,40%乙醇可沉淀白蛋白。由本試驗(yàn)結(jié)果可看出,乙醇法對(duì)α-乳清蛋白和β-乳球蛋白的含量影響最大。復(fù)合法中含乙醇法時(shí)分離效果均不理想。離心法較等電點(diǎn)法的乳清蛋白得率少,但兩種方法復(fù)合使用時(shí),β-乳球蛋白的得率高于50%。上述研究結(jié)果表明,為提高乳清生產(chǎn)價(jià)值,降低經(jīng)濟(jì)損失,應(yīng)避免使用“乙醇法”,高效利用“離心法”或“等電點(diǎn)法”。
有研究表明,山羊奶中酪蛋白含量與牛奶中酪蛋白含量相似[12];山羊奶中的αs1-酪蛋白含量比牛奶中低38.57%;山羊奶中的κ-酪蛋白和β-酪蛋白含量比牛奶中的κ-酪蛋白和β-酪蛋白含量高24.60%[13]。不同單體蛋白含量導(dǎo)致酪蛋白空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜不一[14],造成分離羊奶乳清蛋白時(shí)酪蛋白的殘余量不同。趙琦[15]研究表明,酪蛋白是以多種蛋白膠束方式存在,各種酪蛋白的穩(wěn)定性、敏感性不同,造成了在分離乳清蛋白過(guò)程中酪蛋白殘留的差異。張光馳[16]研究表明,酪蛋白膠束中磷酸鈣的存在,增強(qiáng)了酪蛋白穩(wěn)定性,當(dāng)pH值低于6.8時(shí),膠體磷酸鈣開(kāi)始溶解,pH值低于4.6時(shí),酪蛋白沉淀溶解。朱玉英等[17]研究表明,采用等電點(diǎn)沉淀法,嶗山奶山羊乳中酪蛋白的乳化穩(wěn)定性較好,這可能與酪蛋白的pH值有關(guān)。在分離乳清過(guò)程中,乳球蛋白與酪蛋白之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)生酪蛋白聚沉物[18],影響酪蛋白殘余量。楊勇等[19]研究表明,采用pH值為4.6緩沖液預(yù)先脫脂牛奶,沉淀酪蛋白的量約為0.611mg/mL。本試驗(yàn)中“等電點(diǎn)法”沉淀脫脂羊奶中酪蛋白含量約為0.675mg/mL,“等電點(diǎn)+離心法”沉淀脫脂羊奶中酪蛋白濃度為0.473mg/mL,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),在分離乳清蛋白過(guò)程中,離心法比等電點(diǎn)法的酪蛋白殘余量多。
本試驗(yàn)中等電點(diǎn)法、離心法、“離心法+等電點(diǎn)法”、“等電點(diǎn)法+離心法”的αs1-酪蛋白去除率分別為16.90%、16.90%、14.90%、8.40%,αs1-酪蛋白的去除效果不顯著,不能達(dá)到理想羊奶脫敏效果。αs1-酪蛋白殘留量高的原因是,山羊乳中αs1-酪蛋白、κ-酪蛋白、β-乳球蛋白等的相對(duì)分子質(zhì)量都在20 000左右,為獲得更多乳清蛋白是很難有效去除αs1-酪蛋白的;同時(shí),κ-酪蛋白的等電點(diǎn)為5.3~5.8,β-酪蛋白的等電點(diǎn)為4.83~5.07[20],故本試驗(yàn)采用pH值為4.6的等電點(diǎn)沉淀法去除乳清中酪蛋白也不能達(dá)到理想效果,因此αs1-酪蛋白殘留量比較高。對(duì)此還需進(jìn)一步探索,尋找出更好的解決辦法。
在多種羊奶乳清分離方法中,“離心法+等電點(diǎn)法”去除乳清中大量酪蛋白的同時(shí),乳清蛋白得率高,明顯保留了α-乳清蛋白和β-乳球蛋白,并且αs1-酪蛋白去除率相對(duì)高,是一種有效分離羊奶乳清蛋白的科學(xué)方法。