牛乳生物活性成分及其研究进展

文/王 慧 方洛云 熊本海 蒋林树＊

（1 北京农学院动物科学技术学院，奶牛营养学北京市重点实验室；2 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所）

近年来，随着科学技术的发展和生活水平的提高，以生物活性物质为天然原料的功能性食品的开发受到人们日益广泛的关注。生物活性物质是指天然存在于食物或在食品后期加工过程中形成和添加的、能够引起人类生理和生化功能改变的一类化合物，是功能食品生理活性的关键体现[1]。牛乳及牛初乳被认为是天然生物活性成分最重要的来源，这些生物活性成分或以天然形式（如免疫球蛋白、乳铁蛋白、生长因子和激素等）存在于牛乳中；或以生物活性肽的形式存在于牛乳中。以生物活性肽形式存在的生物活性物质的功能往往是被加密的，需要通过蛋白质的水解作用才能释放其生物活性[2]。在过去的20年里，随着研究的不断深入和分离技术的发展，天然存在于牛乳及牛初乳中的生物活性物质及其衍生物质已经得到了广泛的商业化应用。牛乳生物活性物质所带来的促健康效应也为人类的健康生活开启了一扇新的大门。

1 牛乳中主要活性蛋白质及其衍生物

1.1 牛乳酪蛋白及其酪蛋白源生物活性肽

牛乳是一种富含蛋白质的食物，主要由酪蛋白和乳清蛋白组成。正常牛乳中蛋白质含量大约为3.5%。酪蛋白是牛乳的主要组成部分，约占牛乳蛋白质的80%左右。酪蛋白除了为机体提供生长所必需的氨基酸之外，也是多种生物活性肽的主要来源。酪蛋白本身是一种由αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白、无机盐和柠檬酸组成的大型、坚硬、致密、极困难消化分解的凝乳[3]。牛乳中酪蛋白的生理功能主要是通过酪蛋白水解后形成的多种生物活性肽来体现的。酪蛋白中的多种生物活性肽最初是以非活性状态隐藏在酪蛋白中，只有当酪蛋白被适当的水解酶水解后，活性肽才能被释放出来发挥其各种生理功能。

1.1.1 阿片肽

根据生理功能，酪蛋白源的阿片肽可以分为两种，一种是可以产生兴奋反应的来自α-酪蛋白的外啡肽[4]和来自β-酪蛋白的β-酪啡肽[5]，另一种是可以产生拮抗作用的由κ-酪蛋白水解而成的酪新素[6]。阿片肽不仅可以有效地缓解镇痛、焦虑及兴奋等症状，同时在治疗胃痛方面也发挥了关键性的作用。

1.1.2 降血压肽

血管紧张素转换酶（Angiotensin Converting Enzyme，ACE）是一种与血压调节有关的强效血管收缩剂，通过血管平滑肌的收缩来控制动脉血压。ACE一方面降低血管舒缓激肽（血管扩张肽）和脑啡肽的浓度，另一方面将血管紧张素I转化为强效血管收缩剂——血管紧张素II，从而引起血压的升高。血管紧张素转换酶抑制肽则可以有效地阻断血管紧张素I转化为血管紧张素II，从而起到降低血压效果[7]。从胰蛋白酶和胃蛋白酶对αS1-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白的水解产物中已分离出大量的ACE抑制剂，这些酪蛋白衍生肽被称为酪激肽。利用微生物水解蛋白质释放的多种生物活性肽也被证明具有抗血压作用。瑞士乳杆菌释放的ACE抑制三肽Val-Pro-Pro和Ile-Pro-Pro的降血压能力在大鼠及人类研究中均已得到了证实[8]。

1.1.3 免疫调节肽

免疫调节肽不仅可以刺激淋巴细胞的增殖，提高机体对外界环境的免疫调节能力，同时也表现出一定的抗菌活性。牛乳β-酪蛋白的f63-68、f191-193和f193-209，αS1-酪蛋白的f1-23、f194-199已被证明可增强用于体外试验的人类和小鼠巨噬细胞的吞噬活性，并在体内表现出抗肺炎克雷伯菌的免疫刺激活性[9]。分离自κ-酪蛋白的一些小肽物质可以增加人体外周血淋巴细胞的增殖活性[10]。αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白的酪蛋白磷酸肽均可以表现出免疫调节活性。李峦峰等[11]用胰蛋白酶水解酪蛋白得到的κ-酪蛋白片段（f11-63）可以抑制多种菌的生长，尤其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有很好的抑菌效果。翟青新[12]以牛胰蛋白酶对酪蛋白进行水解获得的活性成分对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、链球菌、枯草芽孢杆菌等多种菌都有很好的抑制作用。

1.1.4 抗血栓肽

酪蛋白血小板因子是由κ-酪蛋白水解获得的一种小肽，它能够抑制二磷酸腺苷（Adenosine Diphosphate，ADP）激活的血小板聚合作用，同时还能抑制人血纤维蛋白原γ链与血小板表面特异位点的结合，故表现出抗血栓形成的生理功能[13]。

1.1.5 金属结合肽

一些酪蛋白衍生肽具有金属离子结合能力，可作为体外生物载体加以利用。酪蛋白磷酸肽（Casein Phosphopeptides，CPP）是目前研究最多的矿物质元素结合肽[14]。αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白消化水解产物中都有CPP存在。CPP带有一个富含磷酸丝氨酸的区域，因此容易与钙离子或其它金属离子形成化合物。酪蛋白磷酸肽的金属结合能力使得它在预防骨质疏松、贫血和龋齿方面起到了积极的推动作用。不同结构的CPP对金属离子的结合能力差异很大，这种差异可能与离磷酸结合位点较远的氨基酸残基的极性有关。而且，CPP上高浓度的负电荷氨基酸有助于其抵抗进一步的蛋白质水解。另外，也有报道指出，一些CPP也具有增强动物免疫力，诱导肿瘤细胞凋亡的功效[15]。

1.1.6 酪蛋白糖肽

酪蛋白糖肽是凝乳酶水解κ-酪蛋白的苯丙氨酸和蛋氨酸之间的连键释放出的一种C-末端包含64个氨基酸的多肽。该多肽的分子量约为8 kDa，具有亲水性，包含一个由半乳糖、N-乙酰氨基半乳糖和N-神经酰胺组成的碳水化合物片段。经分离纯化获得的酪蛋白糖肽表现出多种生理功能活性。酪蛋白糖巨肽能够作为毒素中和剂，抑制霍乱等毒素与受体的结合；抑制流感病毒红细胞凝集素的作用，保护细胞免受感染；能够作为受体与细菌和病毒结合，从而抑制细菌和病毒的繁殖；参与免疫系统的调节作用等[16]。

1.2 牛乳乳清蛋白及其衍生活性肽

1.2.1 免疫球蛋白

免疫球蛋白是一类具有抗体活性的球状蛋白质，具有抗菌性和防御性，是牛乳中最重要的生物活性物质之一。免疫球蛋白是由两条相同的轻链和两条相同的重链通过二硫键连接形成的结构呈Y型的四肽链分子，其分子质量大约为150～170 kDa。牛乳中的免疫球蛋白主要是IgG、IgM和IgA，其中IgG是整个哺乳期乳中主要的免疫球蛋白。在初乳中免疫球蛋白的含量高达10%，占蛋白质总量的70%～80%；分娩后免疫球蛋白的浓度迅速减少，成熟牛乳的免疫球蛋白含量仅为有0.6～1.0 g/L，占蛋白质总量的1%～2%。免疫球蛋白具有降低血浆胆固醇进而降低血压的功效。高胆固醇血症患者每日摄入90 g的免疫牛乳，可调节血压。有研究结果表明，口服富含免疫球蛋白的食物，可以抵抗致病菌和产毒素微生物对人体的入侵，起到免疫保护作用[17]。另外，牛乳IgG的一个重要功能是抑制致肠病的微生物对肠上皮细胞的黏附作用。

1.2.2 β-乳球蛋白及其衍生肽

β-乳球蛋白是牛乳中的主要乳清蛋白，约占乳清蛋白的50%，是由162 个氨基酸残基、2 个二硫基团（S-S）和1 个硫氢基团（-SH）组成的一种分子量约18.3 kDa的小的球状蛋白。β-乳球蛋白在牛常乳中的浓度为3.3 g/L，在牛初乳中的浓度可以达到8 g/L。β-乳球蛋白与叶酸结合，可以有效地增强其稳定性；与脂溶性维生素和脂肪酸等结合，可以改善产品的风味、促进营养物质的吸收；β-乳球蛋白也可以延缓某些脂肪酸和维生素的氧化降解，起到保护作用[2]。

β-乳球蛋白也是生物活性肽的一个极好来源，这些肽具有广泛的生物学活性，如类阿片活性、抗菌活性、抗癌活性、抗氧化活性、降血压活性、免疫调节、降胆固醇及其它代谢功能[2]。尽管β-乳球蛋白衍生肽具有很多潜在生物学功能，但是其生理功效还需要通过体内研究来加以佐证。

1.2.3 α-乳白蛋白及其衍生肽

α-乳白蛋白是乳清蛋白中第二丰富的组分，占牛乳清蛋白的20%。α-乳白蛋白在牛常乳中的浓度约为1.2 g/L，在牛初乳中的浓度约为3.0 g/L。α-乳白蛋白在乳腺中合成，在乳糖的生物合成上作为辅酶参与作用。α-乳白蛋白控制着乳腺中乳糖的含量，是泌乳阶段的一个重要调节因子。与β-乳球蛋白相似，α-乳白蛋白衍生的生物活性肽同样对ACE有较强的抑制活性，也具有抗癌、抗菌和抗病毒、免疫调节和益生元等多种生物功能[2]。另外，α-乳白蛋白也是必需氨基酸色氨酸和半胱氨酸的良好供体[2]。以压力脆弱人群为对象的人类临床研究显示，富含α-乳白蛋白的饮食能够有效地缓解研究对象的压力和减少抑郁情绪。此外，有研究结果表明α-乳白蛋白可以为胃黏膜损伤提供保护作用，典型的抗胃溃疡药就是以此原理发挥保护作用的。

1.2.4 乳铁蛋白及其衍生肽

乳铁蛋白属于转铁蛋白家族，是一种铁结合性糖蛋白，由Sorensen（1939）在牛乳中一个未知的“红色组分”中首次发现。牛乳的乳铁蛋白是一条由689 个氨基酸组成的单链多肽。牛初乳中的乳铁蛋白含量可高达1.5 mg/mL，而牛常乳中的乳铁蛋白含量仅有0.1 mg/mL。乳铁蛋白多肽是经胃蛋白酶从乳铁蛋白上水解的一段25 个氨基酸小肽。与乳铁蛋白相比，乳铁蛋白肽具有更强的抗菌活性。

牛乳的乳铁蛋白被认为是一种重要的宿主抵御分子，并且具有多种活性，如抗菌、抗炎症、抗氧化、抗癌和免疫调节作用。乳铁蛋白和乳铁蛋白肽均对多种细菌具有抗菌活性。对乳铁蛋白及乳铁蛋白肽抗菌活性机制的研究主要可以归为以下3 种：（1）从培养基中结合铁从而抑制细菌的生长；（2）乳铁蛋白直接结合到生物膜上，尤其是结合到革兰氏阴性细菌的脂多糖上，造成外膜的致命性结构损伤以及抑制病毒的复制；（3）阻止微生物附着在上皮细胞或肠上皮细胞上[18]。有报道指出，乳铁蛋白的杀菌活性可以通过溶菌酶或抗体作用得以加强。在对乳铁蛋白及其衍生肽的体外抗菌活性研究中发现，乳铁蛋白及其衍生肽可以抵抗多种病原微生物，包括致病性大肠杆菌、沙门菌、金黄色葡萄球菌、变性链球菌、乙型肝炎病毒等。在过去十几年中，乳铁蛋白的抗肿瘤活性如铁螯合-相关抗氧化特性、免疫调节和抗炎症等功能都已被广泛深入的研究过。乳铁蛋白的抗肿瘤机制也相继被揭示，在体外研究中，乳铁蛋白已被证明可以通过刺激淋巴细胞的增殖，活化巨噬细胞、单核细胞、自然杀伤细胞和中性粒细胞，诱导细胞因子NO的产生和刺激肠外周抗体的免疫应答来调节细胞免疫和体液免疫系统[19]。

1.2.5 乳过氧化物酶

乳过氧化物酶是天然存在于牛乳中且含量丰富（30 mg/L）的一种糖蛋白。牛乳过氧化物酶是由612个氨基酸残基、含铁血红素和碳水化合物组成的多肽链，其中铁含量大约为0.068%～0.070%，碳水化合物含量大约为9.9%～10.2%。乳过氧化物酶可以通过色谱技术从乳清中大量获得。它对酸性pH值和蛋白酶具有较好的抵抗性。在整个泌乳期间，乳过氧化物酶活性维持在一个较高水平。

乳过氧化物酶是哺乳动物体内一种有效的杀菌剂，乳过氧化物酶的抗菌活性是通过乳过氧化物酶系统（Lactoperoxidase System，LPS）来实现的。乳过氧化物酶系统的杀菌能力取决于在过氧化氢（H2O2）存在下，硫氰酸盐被氧化产物OSCN-或HOSCN的含量。这2 种产物能氧化革兰氏阴性菌原生质膜上的游离-SH，破坏细菌细胞膜结构，导致钾离子、氨基酸及多肽扩散到细胞外，从而使得葡萄糖的摄取和其它物质的代谢受到抑制。由于革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌有更为坚硬的细胞壁，乳过氧化物酶系统对革兰氏阳性菌的作用表现为抑菌性。乳过氧化物酶系统的活性需要硫氰酸盐及H2O2来进行激活，牛乳中的硫氰酸盐及H2O2的浓度就显得极为重要了。激活后乳过氧化物酶的有效性在世界范围的许多研究中已被证实。自1991年以来，乳过氧化物酶系统在特定条件下保存原料乳的功能已经被认可。乳过氧化物酶系统在牙科保健品和动物饲料中也得以应用。幽门螺杆菌引起的胃炎在体外也可以通过乳过氧化物酶系统得以治愈。

2 生物活性脂类

牛乳脂肪中含有大量的生物活性物质—脂肪酸类。除了被人们熟知的反式脂肪酸外，共轭亚油酸的生理功效同样引起了人们的重视。共轭亚油酸是一类含有共轭双键的十八碳二烯酸（亚油酸）异构体混合物。共轭亚油酸可以由亚油酸和亚麻酸在牛胃内通过异构化和生物脱氢反应形成，也可以由泌乳奶牛乳腺的11-十八碳烯酸经Δ9-脱氢酶的脱氢作用形成。牛乳是共轭亚油酸最富足的天然资源。反式脂肪酸和饱和脂肪酸（12∶0-16∶0）在抗动脉粥样硬化和抗冠心病疾病方面的功效已经被人们公认。在过去20 年中，大量的动物模型试验结果表明，共轭亚油酸在抗动脉粥样硬化、抗癌、抗糖尿病、抗肥胖及增强动物的免疫系统方面同样起到了积极作用[21]。然而，这些功效在人体试验中的结果却一直饱受争议。对于共轭亚油酸在人体中的有益功效还有待进一步的探索与研究。

乳脂肪的另一个生物活性脂类是位于乳脂肪球膜上的极性脂类。牛乳中的极性脂类可以作为第二信使，参与跨膜信号转导与调控，以及细胞的生长、增殖分化与凋亡。极性脂类在神经元信号传导上的功效与老年疾病、凝血、免疫及炎症反应有关。极性脂类中的神经鞘磷脂可以对癌症和肠道疾病产生影响。神经鞘磷脂通过产生神经酰胺和神经鞘氨醇而促使结肠癌细胞发生生长停滞、分化及细胞凋亡，甚至诱导恶性肿瘤转变为良性。此外，神经鞘磷脂还参与减少肠壁对胆固醇的吸收。膳食中的神经鞘脂类能够降低血清胆固醇，并保护肝脏免受脂肪、胆固醇诱变作用。另有研究表明，神经鞘脂类能够通过争夺或充当细胞结合位点，抵抗细菌、病毒感染，进而达到杀菌作用[21]。

3 生长因子

牛乳中含有大量的生长因子，包括表皮生长因子（Epidermal Growth Factor，EGF），β细胞素（Betacellulin，BTC），成纤维细胞生长因子（Fibroblast Growth Factor，FGF）-1和FGF-2，转化生长因子（Transforming Growth Factor，TGF）-β1和TGF-β2，类胰岛素生长因子（Insulin-like Growth Factors IGF）-I和IGF-II，血小板衍生生长因子（Platelet Derived Growth Factor，PDGF）。产犊后的第一个小时，初乳中所有已知生长因子的含量是最高的，此后会大幅度下降。牛乳中最丰富的生长因子是EGF（2～155 ng/mL）、IGF-I（2～101 ng/mL）、IGFII（2～107 ng/mL）和TGF-β2（13～71 ng/mL），其它已知生长因子的浓度均低于4 ng/mL。生长因子多为多肽类物质，分子量在6～30 kDa之间，氨基酸残基变化范围为小约53（EFG）到大约425（TGF-β2）。牛乳中的生长因子可以承受加热杀菌的温度，甚至对超高温也有较好的耐受力。

有研究表明，EGF和BTC可以刺激表皮细胞、上皮细胞以及胚胎干细胞的增殖，此外，还可以抑制胃酸分泌以及促进伤口愈合和骨吸收。TGF-β家族在胚胎发育过程、组织修复、骨与软骨的形成、免疫系统的调控中起着重要作用。TGF-β家族的2 种形式对结缔组织细胞增殖有刺激性，对淋巴细胞和上皮细胞增殖有抑制性。IGF的2 种形式不仅可以刺激多种类型细胞的增殖，还可以对一些代谢过程，如葡萄糖摄取和糖原合成，起到一定的调节作用[22]。

4 其它生物活性物质

除了上述主要活性成分外，牛乳中还包含其它一些生物活性成分，包括激素、细胞因子、核苷酸和特异性蛋白等，这些生物活性成分在牛乳中的浓度虽然比较低，却也有着非常重要的生理活性。

4.1 类固醇或肽来源的激素

在牛乳中发现的这类物质主要包括：性别激素（雌激素、孕激素和雄激素），肾上腺素（糖皮质激素），垂体（催乳素和生长激素），下丘脑激素（促性腺激素释放激素、促黄体生成激素释放激素、促甲状腺激素释放激素）和生长抑制素。激素在牛初乳中的浓度仅为纳克（ng）或皮克（pg）级，此后更是急剧下降。催乳素在牛初乳中的变化范围为500～800 ng/mL，在常乳中的浓度仅为初乳中的1/100。激素一般被认为在乳腺的特异性调节及新生儿的生长方面有重要作用，包括使其消化道及免疫系统得以生长及成熟。牛初乳中的激素也可以短暂地调节某些内分泌活动，直至新生儿的内分泌系统成熟。另有研究结果显示，口服富含褪黑素的牛乳可以有效改善睡眠质量和昼夜活动。

4.2 核苷酸、核苷和碱基

核苷酸、核苷和碱基属于乳中非蛋白氮成分，在脑功能发展的过程中可作为多效营养成分。由于核苷酸在婴幼儿营养上的重要作用，一些婴幼儿配方奶粉中已经添加了特定的核苷酸盐[2，3]；同时，有研究表明核苷酸在小肠肿瘤的控制上可作为重要的外源性药物使用。

4.3 细胞因子

牛初乳中含有较高浓度的细胞因子，如白介素-1、白介素-6、肿瘤坏死因子-α、干扰素和白介素-1受体拮抗剂等，但它们在常乳中的浓度明显降低。

4.4 富脯氨酸多肽

富脯氨酸多肽（Proline-Rich Polypeptides，PRP）是近来在牛初乳中发现的一种多肽活性成分，它是一种分子质量约为14 kDa的富含脯氨酸的多肽化合物。PRP含有大量的脯氨酸和疏水性氨基酸，可以调节人体的免疫反应，增强皮肤脉管的渗透性，是一种免疫活性物质。近来有研究表明，PRP有益于轻度或中度阿尔茨海默症的预防与治疗[24]。

4.5 溶菌酶

溶菌酶（Lysozyme）又被称为胞壁质酶，属于水解酶的一种。溶菌酶不仅具有杀菌作用，还具有增强免疫力、减缓炎症、促进组织修复等多种功能。溶菌酶在细菌性疾病的防治过程中取得了较好的预防和治疗效果。与抗生素相比，溶菌酶具有疗效快、无毒副作用、不产生耐药性等优势，成为研发抗生素替代制剂的热点。牛乳溶菌酶是由154 个氨基酸残基组成的多肽链。牛初乳和常乳中的溶菌酶浓度分别为0.14～0.70 mg/L和0.07～0.60 mg/L。牛乳溶菌酶作为C型溶菌酶的一种，在治疗奶牛子宫内膜炎、乳房炎等细菌性疾病中具有显著的效果[24]。

5 结论

牛乳中天然存在的多种生物活性成分或隐藏在乳蛋白质中的各种生物活性肽赋予了牛乳保健功能的特性,是人类天然的保健食品。牛乳中的各种活性成分为不同类型功能性食品的开发提供了极好的天然原料来源。随着纯化手段的不断升级，牛乳中大多数活性物质或活性肽已经可以通过规模化技术分离获得。利用这些成分可以针对性地为婴儿、老年人和免疫系统受损人群开发功能性食品，提高免疫性能，预防与饮食有关的慢性疾病。但由于某些活性成分在牛乳中的存在量极微，或某些活性成分在分离过程中的不稳定性造成的功能受损等现象，如何提高现有活性成分的浓度以降低利用成本，针对活性成分的稳定性制定相应的分离技术及开发新的功能性乳源活性物质将成为今后的一个研究方向。C