本发明的一方面提供了制备改性的乳清蛋白浓缩物的方法，该方 法包括：
(a)提供乳清蛋白溶液，该乳清蛋白溶液具有低于5％、优选低于 3％的蛋白和基于干重的浓度低于70mmol/kg，w/w，优选低于 60mmol/kg，最优选低于50mmol/kg，w/w的混合的钙和镁，且 该溶液pH为6.0-7.5、优选pH 6.5-7.5；
(b)将所获得的溶液在高于70℃下热处理至多达60分钟以使所述 乳清蛋白变性；
(c)将所述热溶液冷却至40℃-60℃，优选为45℃至55℃；
(d)喷雾干燥以制备干燥的产品。
(a)中所定义的蛋白溶液的制备可使用含有低于1％蛋白的pH约为 4.6的原料乳清(raw whey)。通过超滤，除去乳糖和矿物质，以得到含 有低水平的游离阳离子、特别是二价离子-钙(Ca2+)和镁(Mg2+)的渗余物 流(retentate stream)。这些离子表现出在加热时促使乳清蛋白聚集并形 成凝胶(Kuhn，P.R.&Foegeding，E.A.，Mineral salt effects on whey protein gelation(矿物盐对乳清蛋白凝胶化的影响)，Journal of Agricultural and Food Chemistry，39，1013-1016，1990；Xiong，Y.L.， Influences of pH and and ionic environment on the thermal aggregation of whey proteins(pH和离子环境对乳清蛋白热聚集的影响)，Journal of Agricultural and Food Chemistry，40，380-384，1992；Havea，P.，Singh，H.， Creamer，L.K.，Heated-induced aggregation of whey proteins： comparison of cheese WPC with acid WPC and relevance of mineral comparison(乳清蛋白的热诱导聚集：乳酪WPC与酸性WPC和矿物质 组成的关联性)，50，4674-4681，2002)。由于具有低浓度的这些离子， 蛋白溶液可被加热而凝胶形成被延迟，这使产品流(product stream)被 进一步浓缩和处理。通常可通过超滤或蒸发进行所述浓缩步骤，并且 在约45-55℃下实施。优选使用KOH或NaOH完成溶液pH调节，最 优选用KOH或NaOH溶液进行调节。将pH增加至6.0-7.5，优选 6.5-7.5，优选6.5-7.3，更优选6.7-7.0、最优选6.9。在该方法的任何步 骤中，优选地使所述蛋白的pH不超过8、优选不超过7.5。较高的pH 与不利的味道效果相关。
可通过将WPC粉末复原来制备起始溶液，该WPC粉末具有上述 (a)中所定义的合适水平的混合的钙和镁。然后在进一步浓缩前，加热 该溶液以使所述乳清蛋白变性。
通常通过超滤制备含有至少10％(w/v)总固体的乳清蛋白浓缩物， 然后在加热步骤前将其稀释。对于这样的超滤，特别优选低pH，优选 pH4-6，更优选4-5，最优选pH4.6。
在可供选择的实施方案中，可使用除去钙的其它方法-例如阳离 子交换色谱法或通过加入螯合剂，例如乙二胺四醋酸(EDTA)。
稀释步骤是热处理期间使变性蛋白聚集的另一个必需条件。在低 蛋白浓度下，形成小的聚集体。在较高蛋白浓度下，所述变性蛋白在 处理期间迅速形成可能阻滞UF系统的大的聚集体或凝胶。
pH调节是进行所述乳清蛋白溶液热处理的另一个必需条件。在低 离子强度、高pH及低蛋白浓度时，乳清蛋白溶液的热处理导致低分 子量(例如二聚物或三聚物)的二硫化物连接的蛋白聚集体的形成(参见 图5)。这些聚集体具有长期稳定的倾向而不形成凝胶。
需要充足的持续时间的热处理以使大部分所述乳清蛋白变性。所 述热处理优选在至少70℃下、更优选至少80℃下进行至多达40或 60分钟。可通过多种方法进行加热，该方法包括使用板式或管状热交 换器、刮面热交换器(SSHE)，或通过直接蒸汽注入(direct steam injection) (DSI)。
所述溶液的热处理导致乳清蛋白的变性和聚集。由于蛋白浓度低， 所述热处理导致只限于形成低分子量聚集体的聚集过程。可改变乳清 蛋白溶液热处理的温度/时间组合，以获得不同程度的蛋白变性。具有 不同程度蛋白变性的WPC提供了不同的功能特性，其可用于多种食 品和工业应用。
热处理后，优选将所述热溶液冷却至45-55℃。溶液一旦被冷却， 优选通过超滤进一步除去水。所得到的渗余物优选含有至少10％总固 体，更优选含有至少15％总固体，更优选含有高于18％总固体，更优 选含有至少20％总固体，最优选含有至少22％总固体。通过标准方法 可有效地使所述浓缩溶液均匀化。可通过常规方法对乳清进行干燥， 例如喷雾干燥。
蒸发或超滤步骤进一步增加了所述产品流的总固体浓度。重要地 是总是将产品保持在约50℃。这就避免了所述产品形成凝胶。在低温 下，渗余物可迅速形成凝胶网络。在较高温度下，渗余物也可迅速形 成凝胶网络。本发明的发明人发现在中间温度下，形成乳清凝胶的凝 胶化动力学处于最小值。
干燥步骤通常在脱水步骤后进行。该步骤除去了进入的水(access water)以便使最终粉末由约3-4％的水分和≥80％的蛋白组成。
申请人目前认为(不希望被理论限制)，本发明的关键在于提供了 导致形成特定蛋白聚集体(低分子量聚集体)的加热条件，该聚集体在 形成凝胶网络前在一定时期内是稳定的。所述延迟的凝胶形成使所述 处理(蒸发和干燥)在凝胶形成前被完成。所述条件是低蛋白浓度、低 离子强度和高pH的组合。
与标准WPC相比，所述产品通常含有较高的蛋白和脂肪、较低 的矿物和乳糖。所述蛋白成分很大程度上是热变性的(参见表1，下文)。 如果需要，可通过多种方法(例如微滤法)除去脂肪。
通过改变加热温度或时间可获得不同程度的变性。
另一方面，本发明提供了如下方法，该方法包括：
(a)提供乳清蛋白浓缩物，该乳清蛋白浓缩物包含约10-30％(w/w) 总固体和基于干重的浓度低于70mmol/kg，w/w，优选低于60 mmol/kg，最优选低于50mmol/kg，w/w的混合的钙和镁，且该 乳清蛋白浓缩物的pH为6.5-7.5；
(b)使用刮面热交换器(SSHE)加热至高于70℃的温度并持续至多 达40分钟以使所述乳清蛋白变性；
(c)将所述热溶液冷却至45-55℃；
(d)喷雾干燥以制备干燥的产品。
由于SSHE允许使用具有较高蛋白浓度和粘度的蛋白流，所以本 方法可去除稀释和第二超滤步骤。
冷却后，在喷雾干燥前将冷却的蛋白溶液任选地浓缩。喷雾干燥 前，可将冷却的溶液有效地均匀化。
早期所描述的优选条件(例如pH和温度)也优选适用于本发明的 这个方面。
本发明的另一目的提供了本发明方法的产品。
本发明的产品具有广泛的实用性。这些产品可用于需要增加粘度 和增加蛋白含量的应用中。
本发明不仅包括以上所述内容，还包括由以下实施例给出的指导性 内容。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为由脱脂乳起始的本发明方法的实施例。
图3为用于制备变性WPC的可供选择的方法，其中由SSHE系统 实施加热步骤，并有效去除稀释步骤和第二次UF步骤。
图4为图3中提到的本发明可供选择方法的实例，由全脂乳起始， 乳酪制作方法提供了用于制备所述变性WPC的乳酪乳清。
图5为在80℃(I)或95℃(II)下，在pH 7.0(a)或7.5(b)下加热至 多达30min的稀释渗余物(2％蛋白)的典型的非变性 -PAGE(native-PAGE非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳)。应注意，由减少的条 带强度显示的天然蛋白(BSA、β乳球蛋白(β-Lg)、α乳清蛋白(α-la))的 损耗导致大量的标记为“X”的低分子量聚集体的形成。
图6显示了以剪切速率为函数，由WPCDA80(实施例2)制备的变 性WPC的粘度，在5℃下，将5％(a)、10％(b)以及15％(c)热变性的 WPC溶液孵育1h(●，○)、5h(，)、或24h(■，□)。剪切速率从0增 至1032s-1(●，，■)，然后从1032s-1减至0s-1，(○，，□)。
图7显示了在剪切速率为15.15s-1时测量的在5℃(●)、20℃()、 或40℃(■)下，在1至24h孵育期间10％热变性的WPC溶液(使用图 2中的方法制备)的粘度变化。
实施例
以下实施例进一步说明本发明的实践。
图1-4以示意图形式显示了本发明的方法。
实施例1证实在加热期间形成低分子量聚集体
将10％硫酸加入脱脂乳中产生酪蛋白的酸性沉淀，从中可获得含 有约1％蛋白以及pH约4.6的原料乳清。将该原料乳清超滤直至所述 固体含量为约20％的总固体。用纯净水稀释渗余物以提供含2％蛋白 的稀释渗余物。用10％KOH(w/v)调节pH至7.0或7.5。将pH调节 的稀释渗余物加热至80℃，并持续30分钟。取样并进行非变性-PAGE (Havea，P.，Singh，H.，Creamer，L.K.&Campanella，O，H.Electrophoretic characterization of the protein products formed during heat treatment of whey protein concentrate solutions(乳清蛋白浓缩物溶液热处理期间所形成的蛋 白产品的电泳表征).Journal of Dairy Research，65，79-91，1998)。这些结果 显示了(图5)伴随着标记为X的低分子量聚集体数量的增加(条带强度)， β-乳球蛋白和α-乳清蛋白的数量随加热时间而减少(由减少的条带强度 表示)。
实施例2证实本发明能够提供具有不同蛋白变性水平的WPC
按照图2所示的方法提供了含有约1％蛋白以及pH约为4.6的原 料乳清，该原料乳清是通过加入5％硫酸从脱脂乳中产生的酪蛋白的酸 性沉淀中获得。澄清后，将所述乳清超滤直至固体含量为约20％的总 固体。用水稀释渗余物以提供含2％蛋白的稀释溶液，然后用10％(w/v) KOH将pH调节至6.9。
将该稀释的乳清蛋白溶液分为两股流，然后以两种不同的操作水 平进行加热，即操作1：74℃、加热20min，或操作2：82℃、加热 21min。然后使所述热的乳清流(whey stream)冷却至50℃并超滤以提 供含有约20％总固体的第二渗余物批次(secondary retentate lots)。然后 喷雾干燥该渗余物流。分析最终粉末并与标准的未加热的商业用酸性 WPC粉末(对照)比较。使用如Havea等人所描述的非变性聚丙烯酰胺 凝胶电泳(非变性-PAGE)评估蛋白变性的水平(Havea，P.，Singh，H.， Creamer，L.K.&Campanella，O，H.Electrophoretic characterization of the protein products formed during heat treatment of whey protein concentrate solutions(乳清蛋白浓缩物溶液热处理期间所形成的蛋白产品的电泳表征). Journal of Dairy Research，65，79-91，1998)。将变性乳清蛋白溶液(由热处 理的WPC粉末制备)中蛋白条带(β-乳球蛋白、α-乳清蛋白以及BSA) 的合并强度与未加热乳清蛋白溶液(由未处理的UF渗余物制备)中相 同蛋白的合并条带强度进行比较。
表1.标准的酸性WPC与使用图1中所述方法由相同原料衍生的变性 WPC的组成比较
  组分   未变性的对   照WPC   操作1   变性WPC   WPCDA40   操作2   变性WPC   WPCDA80   热处理   不加热   74℃下加热20min   82℃下加热21min   ％蛋白变性   ＜1％   40％   81％   脂肪(％w/w)   4.57   6.01   6.11   蛋白(％w/w)   79.94   86.00   86.45
  乳糖(％w/w)   4.90   0.35   0.33   灰分(％w/w)   3.86   2.00   2.00   水分(％w/w)   4.63   3.56   3.77   矿物质   -钙(mg/kg)   2600   1683   1810   -钾(mg/kg)   12800   16730   17220   -镁(mg/kg)   161   108   110   -钠(mg/kg)   1830   341   324
对应于不同的热处理水平，变性WPC产品具有不同的蛋白变性 水平。与标准的酸性WPC相比，这些产品通常具有更高的蛋白水平 和脂肪水平、更低的乳糖水平和矿物质水平。这主要是由于在制备变 性WPC中使用了更高程度的UF处理。
实施例3证实需要将热渗余物保持在40至60℃下的重要性
从上述实施例2的操作2中获得两筒(1L)热渗余物(约20％总固 体)。一筒在20℃下贮存，而另一筒在50℃下保存。在20℃下贮 存的筒中的蛋白溶液在1h内开始形成相当浓稠的至强的凝胶。考虑 到该蛋白溶液对于进一步处理而言太过浓稠，因此将其丢弃。保存在 50℃的筒中的蛋白渗余物在大于3h时仍是溶液。在凝胶形成前，该 时间延迟允许将所述溶液在工业化生产条件下进行进一步处理。
实施例4证实加热期间低蛋白水平的重要性
通过使含有80％蛋白的商业用酸性WPC粉末复原来制备5％ WPC溶液(具有与实施例2中的2％溶液同样的相关组分)。该溶液含 有约4％蛋白(w/v)和基于干重的约70mmol/kg钙。在75℃下将其加 热20min。在50℃下通过超滤浓缩该溶液。当渗余物的总固体含量开 始增加至约7％时，泵压明显迅速地增加，使得操作人员不得不停止该 试验。UF膜显示具有明显的污垢。该结果表明对蛋白浓度为约5％蛋 白的乳清溶液进行的热处理可形成大的蛋白聚集体，该大的蛋白聚集 体在预干燥浓缩处理期间将造成污染并形成凝胶。相反，来自实施例 2被热处理的含2％蛋白的溶液在预干燥浓缩处理期间可被浓缩至 20％。
实施例5证实钙浓度的重要性
由乳酪乳清制备含有3％蛋白以及约82mmol/kg(基于干重)的钙 含量的乳清蛋白溶液。在78℃下将该溶液加热20min，然后超滤浓 缩。如同实施例4所示，由于膜污染造成了显著的压力上升，因此不 得不关闭设备。相反，来自实施例2的被热处理的含2％蛋白的溶液以 及来自实施例6的3％溶液在预干燥浓缩处理期间可被浓缩至20％， 所述溶液每kg固体均含有70mmol钙。
实施例6证实可使用可供选择的热处理方法
按照图3中所提出的以及图4中所描述的方法生产乳清蛋白粉末。 在加入的CaCl2和粗制凝乳酶的存在下，用乳酪发酵剂接种新鲜的巴 氏灭菌全脂乳，随后使其在35℃下凝固约40min。然后分离出凝乳 并使乳清澄清。为了获得含有约15％蛋白的渗余物，在超滤前使用5％ (w/v)硫酸将澄清的乳清的pH调节至4.6。然后用水稀释该溶液以获得 3％蛋白溶液，用DSI加热前(约105℃持续20min)，使用10％KOH 将pH调节至7.0。加热后，将溶液冷却至约43℃，然后超滤浓缩至 15％的蛋白浓缩物。然后喷雾干燥所述渗余物。
如下所示，将对所述产品的分析与对标准的商业用乳酪WPC的 分析进行了比较(表2)。
表2.标准的乳酪WPC与使用图3&4中的方法从相同原料中衍生的变 性WPC的组成比较
组分   标准乳酪WPC80   变性WPC80
                      WPCDC60
热处理 不加热         105℃下持续20min
％蛋白变性   ＜1％ 59％
脂肪(％w/w)  6.14  6.8
蛋白(％w/w)  82.13 83.41
乳糖(％w/w)  5.11  4.78
灰分(％w/w)  3.01  2.11
水分(％w/w)  3.78  3.67
             矿物质
-钙(mg/kg)   3960  2058
-钾(mg/kg)   7656  10720
-镁(mg/kg)   520   110
-钠(mg/kg)   2025  1477
变性乳酪WPC80(WPCDC60)具有本发明中所定义水平的钙含量， 并且该产品能在室温下形成坚固的凝胶(参见以下实施例)。
实施例7证实变性WPC粉末的冷增稠特性
由WPCDA80制备WPC溶液(5％10％以及15％，w/w，pH 6.9)， 然后在5℃下孵育1、5或24小时。在5℃下，使用PARR PHYSICA US200流变仪在cub和bob配置测量每种溶液的粘度。将剪切速率从 0增加至1032s-1(填充符号)，然后从1032s-1减少至0s-1(未填充符号)。 结果如图6中所示。在所有的剪切速率下，通过在5℃下从1小时至 5小时然后从5小时至24小时的孵育，5％和10％溶液的粘度显著增 加。结果还显示了15％WPC溶液的粘度是10％或5％WPC溶液粘度 的许多倍。由标准的酸性WPC制备的并在相同条件下贮存的15％ WPC溶液粘度与5％变性WPC溶液的粘度具有可比性。由商业用未 变性酸性WPC粉末制备的相同浓度的WPC溶液(5％、10％和15％，pH 6.9)具有相对低的粘度(0.01-0.05)，且它们彼此之间具有最小差异(结果 未显示)。
在另一个实验中，由WPCAD80制备的10％WPC溶液在5、20 或40℃下、在1-24小时孵育期间的粘度变化显示粘度随着时间而增 加并随温度的降低而增加(图7)。结果表明变性WPC可在低温下形成 高粘性溶液并可在食品工业中获得许多应用。
实施例8证实WPC粉末冷胶凝能力
在室温(～20℃)下，通过加入10、15、20或25mM CaCl2，评估 由WPCDC60(100ml，12％w/w，pH 7.0)制备的WPC溶液形成凝胶的 能力。在室温下将该溶液在烧杯中贮存过夜。在隔天上午，该溶液形 成弱至坚固的凝胶，并且显然凝胶的坚固度随着加入的CaCl2的水平 的增加而增加。
然后通过将烧杯浸入95℃温控水浴中将该凝胶加热25min。该 凝胶不但没有在加热时熔化，反而变得和“煮熟的蛋白”一样更坚固。
这些结果表明随着加入的CaCl2，WPCD60可在室温下形成凝胶。 这还显示了该凝胶具有热稳定性并且可用于食品工业的许多应用中。
本说明书和权利要求中所用术语“包含(comprising)”指“至少部 分由......组成(consisting at least in part of)”，也就是说，当解释本发明书 中包括该术语的叙述时，在每一叙述中以该术语起始的特征都必须存在， 但是也可以存在其它特征。
上述实施例是对实施本发明的示例性说明。本领域所属技术人员 应理解对本发明进行多种修饰和改变也可以实施本发明。例如可以改 变用作起始原料的材料，还可同样地改变处理时间和温度。