基于超滤技术的酪蛋白巨肽浓缩物制备工艺优化及其成分特性研究

《Journal of Dairy Research》：Production and composition of caseinomacropeptide concentrate isolated by ultrafiltration

　　本研究针对乳清资源高值化利用需求，通过超滤(UF)和透析过滤(DF)技术从甜乳清中高效分离酪蛋白巨肽(CMP)。团队系统探究了pH值(3-9)和膜截留分子量(9/25 kDa)对膜通量、CMP回收率及纯度的影响，发现pH 9(9 kDa膜)与pH 7(25 kDa膜)可显著提升过滤效率。最终获得CMP回收率达58%(9 kDa膜)，且浓缩物中苯丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr)含量显著降低，为苯丙酮尿症(PKU)患者专用食品开发提供了关键技术支撑。

　　

在奶酪生产的庞大产业链中，每生产1公斤奶酪就会产生约9公斤的液态副产物——乳清。这种看似普通的黄色液体实则蕴含着丰富的营养宝藏，包括乳清蛋白、乳糖和矿物质。然而，由于乳清具有极高的生物需氧量(BOD)，若直接排放会造成严重环境污染，如何高效利用乳清资源一直是乳品行业面临的重大挑战。近年来，随着功能食品概念的兴起，科学家们将目光聚焦于乳清中一种特殊成分——酪蛋白巨肽(Caseinomacropeptide, CMP)，这种由κ-酪蛋白在凝乳酶作用下释放的64个氨基酸残基组成的肽段，不仅具备益生元特性，还能调节食欲、抑制细菌黏附，更因其不含苯丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr)的独特结构，成为苯丙酮尿症(PKU)患者理想的蛋白质来源。

然而，从成分复杂的乳清中高效分离高纯度CMP并非易事。传统方法如乙醇沉淀、色谱分离等存在工艺复杂、成本高昂或易导致CMP失活等问题。超滤(Ultrafiltration, UF)技术因其条件温和、易于放大生产而展现出独特优势，但膜污染导致的通量下降和分离效率低下的问题始终制约着该技术的产业化应用。为此，土耳其研究团队在《Journal of Dairy Research》上发表了创新性研究成果，系统探讨了通过超滤组合工艺从甜乳清中制备CMP浓缩物的优化策略。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先对甜乳清进行90°C/1小时热处理后调酸至pH 5.0，沉淀去除主要乳清蛋白；随后使用截留分子量(MWCO)分别为9 kDa和25 kDa的聚醚砜(PES)超滤膜，在50°C条件下进行超滤和透析过滤(Diafiltration, DF)；通过高效液相色谱(RP-HPLC)定量分析CMP、α-乳白蛋白(α-La)和β-乳球蛋白(β-Lg)，并测定唾液酸(Sialic acid)及Phe/Tyr含量评估产品纯度。

Effect of pH of feed on the flux in UF process

研究发现，预处理乳清的pH值显著影响膜通量效率。当pH从3.0升至9.0时，两种膜的通量均呈现上升趋势，其中25 kDa膜在pH 7.0时获得最高相对通量0.8，而9 kDa膜在pH 9.0时达到同等效率。这一现象与CMP的等电点(pI)特性密切相关：CMP的糖基化(gCMP)和非糖基化(aCMP)形式pI分别为4.15和3.15，在pH≥7时带负电，与同样带负电的PES膜产生静电排斥作用，有效减少膜污染。同时，CMP在酸性条件下易聚合形成最高33 kDa的聚集体，而在中性或碱性条件下保持6.8-11 kDa的单体状态，更利于基于分子大小的分离机制。

UF and DF of pre-treated whey

超滤与透析过滤的组合工艺实现了体积浓缩因子(VCF)达到4的目标。25 kDa膜因通量高(46.4 L/m²h)仅需1次DF循环，全程耗时5小时；而9 kDa膜通量较低(29.2 L/m²h)需进行4次DF循环，耗时延长至13小时。值得注意的是，25 kDa膜在DF过程中出现CMP明显流失，而9 kDa膜则表现出更稳定的保留性能。在成分变化方面，DF过程有效降低了乳糖含量（9 kDa膜从83.9%降至61.8%），但矿物质因与蛋白质相互作用反而在多次DF后出现富集现象。

Composition of CMP concentrate

最终浓缩物成分分析显示，9 kDa膜制备的CMP浓缩物纯度显著更高（CMP含量9.7% vs 5.8%），且回收率达到58%，远高于25 kDa膜的33%。两种膜制备产物的唾液酸含量均为0.85%，表明糖基化CMP保留完整。特别重要的是，两种浓缩物中Phe和Tyr含量无显著差异（分别为0.26-0.29%和0.32-0.34%），且Phe在蛋白质中的比例仅为1.4%，远低于商业蛋白粉的2.8%，完全满足PKU患者的特殊营养需求。

结论与展望

本研究成功建立了基于超滤技术的CMP高效分离工艺，明确了pH调控与膜参数协同优化的重要性。9 kDa膜在CMP回收率和产品纯度方面表现更优，而25 kDa膜则凭借更短的处理时间展现出工业化应用潜力。研究创新性地发现乳清预处理（热-酸联合处理）是保障最终产品纯度的关键环节，可有效去除α-La和β-Lg等干扰蛋白。所得CMP浓缩物不仅为PKU患者提供了安全可靠的蛋白质来源，其丰富的生物活性也为功能食品开发开辟了新途径。未来研究可进一步探索不同膜材料与操作参数的优化组合，以期在保证产品品质的同时提升工艺经济性，推动乳清高值化利用技术的产业化进程。