牛乳β-酪蛋白多态性及其对人体健康影响的研究进展

梁 杰，耿晓晖,*，刘延平，殷臣胤

（1.北京向中生物技术有限公司，北京 100084；2.陕西省延安市安塞区高桥畜牧兽医站，陕西 延安 717401）

牛乳除了富含人体日常所需的营养物质外，还含有众多生物活性成分，如乳铁蛋白、生长因子等。市场上的牛乳产品主要来自荷斯坦牛，荷斯坦牛因其外观上的特点，亦被称为黑白花牛。荷斯坦牛牛乳主要由水、脂肪、蛋白质、乳糖及无机盐等成分组成，其中水的比例最高，约占87%，脂肪3.5%～4.2%、乳糖4.6%～4.8%、蛋白质2.8%～3.4%、无机盐0.7%左右。其中最受关注的营养指标是蛋白质，牛乳蛋白质由酪蛋白和乳清蛋白两大部分组成。酪蛋白约占总蛋白质含量的80%，其为白色、无味的两性分子，即含有亲水层和疏水层，可在牛乳纤维蛋白酶的作用下分解成γ1-、γ2-和γ3-酪蛋白。牛乳中的酪蛋白含有几乎全部的必需氨基酸，并且含有大量的脯氨酸，在促进新生儿的骨骼发育、矿物质元素吸收等方面具有重要的营养价值。酪蛋白由于其空间结构和氨基酸的差异而存在多种变体，主要包括4 种：αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白[1-2]。

1β-酪蛋白概述

牛乳中β-酪蛋白的含量仅次于αS1-酪蛋白，具有较强的疏水性，可与磷酸钙形成稳定的微胶粒，从而提高牛乳中的钙磷含量。牛乳β-酪蛋白由209 个氨基酸组成，其信号肽由15 个氨基酸组成，因此其前体蛋白有224 个氨基酸。控制β-酪蛋白产生的基因是CSN2基因，位于6号染色体，长8 693 bp，有9 个外显子和8 个内含子，该基因是酪蛋白基因家族的一员，其与水牛、山羊、家猪、小鼠、人等其他哺乳动物的基因序列有着较高的一致性，但在氨基酸组成上存在差异。此外，国外还有过CSN2基因与生产性状存在一定关联性的相关报道：Visker等[3]研究发现，荷斯坦牛的CSN2基因与控制产生α-酪蛋白、κ-酪蛋白等的基因多态性共同影响牛乳产量和牛乳成分；Olenski等[4]通过线性混合模型分析CSN2基因的A1、A2变型及一个新的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）与生产性状育种值之间的关系时，发现A2等位基因对应较高的牛乳产量和牛乳蛋白产量育种值，新发现的SNP的C碱基对应较高的乳脂产量育种值；Gustavsson等[5]研究瑞士红牛、丹麦荷斯坦牛等酪蛋白基因变异对牛乳的影响时发现，高频率的αS1-β-κ-酪蛋白复合基因型（BB/A1A2/AB）以及降低BB/A2A2/AA基因型的频率，可能对牛乳的生产性能（如奶酪加工等）产生正面影响。

2β-酪蛋白的基因分型

牛乳β-酪蛋白有众多变型体，目前共发现13 种分型，包括A1、A2、A3、A4、B、C、D、E、F、G、H1、H2及I型（表1）[6]。需要注意的是，A4型只在韩国本土发现，对其存在还有待进一步确认。在这些变型体中，最常见的是A1型和A2型，它们是一对共显性的等位基因，其次为B型，其他类型均较少见。不同变型体多由氨基酸的替换造成，在研究各种分型时，一般以A2型作为基本型，比较其他类型与A2型的差异。A1型β-酪蛋白是A2型β-酪蛋白氨基酸链上67位发生Pro→His替换，A3型是106位发生His→Gln替换，B型是67位上发生Pro→His替换、122位Ser→Arg，C型是在35、37、67位上分别发生SerP→Ser、Glu→Lys、Pro→His，D型是18位上SerP→Lys，E型是36位上Glu→Lys，F型是在67和152位上分别发生Pro→His和Pro→Leu，G型是在67和137或138位上分别发生Pro→His和Pro→Leu，H1型是在25和88位上分别发生Arg→Cys和Leu→Ile，H2型是72位上发生Gln→Glu、93位上发生Met→Leu、114位与169位间的Gln替换为Glu，I型是93位上发生Met→Leu。

表1 β-酪蛋白各分型的氨基酸序列变化[6] Table 1 Positions and amino acid sequence differences in genetic variants of β-CN[6]

2.1 β-酪蛋白的分型方法

目前，针对β-酪蛋白分型的检测主要有2 种方式，一种是直接检测牛乳中β-酪蛋白的种类，另一种是检测牛乳来源牛的基因型。直接检测β-酪蛋白种类的常见方法有液相色谱法[7]和等电聚焦电泳法[8]。液相色谱法是根据蛋白质、脂类间具有不同的吸附性、分配系数及亲和力等特点，对不同蛋白质进行分离然后测定。等电聚焦电泳法是根据不同种类蛋白质具有不同的等电点，其在电泳中会聚集到相应的不同位置，从而进行分离和鉴定。但直接检测β-酪蛋白这一方法在检测某些基因型时存在较难分离的情况，因此直接验证奶牛的基因型在实际中应用更加广泛，而且对生产者而言更加方便。从DNA水平区分基因型的方法有酶切法、测序法、探针法及质谱法等[9-11]。基因检测较蛋白检测具有可大批量操作、成本较低等优点，能够帮助生产者更便捷地对牛群进行筛分。此外，商业公牛所提供的遗传信息已包含β-酪蛋白的分型，如果产奶牛父母双方的系谱清晰，根据遗传定律可对其基因型进行推测。

2.2 β-酪蛋白等位基因的基因频率

β-酪蛋白各个分型相应的基因频率因奶牛品种、地区的不同存在显著差异，但A1型和A2型始终占据绝对优势，其他分型占比较小。例如，在墨西哥，娟珊牛牛乳β-酪蛋白的A2型基因占主导地位，其基因频率高达0.71，A1型β-酪蛋白的基因频率只有0.19、A3型为0.05、B型为0.04、C型为0.01[12]。在德国进行的一项研究中发现，娟珊牛A1型β-酪蛋白的基因频率为0.09，A2型为0.72，B型为0.19，瑞士褐牛A1型、A2型、B型β-酪蛋白的基因频率分别为0.11、0.71和0.17，西门塔尔牛A1型和A2型β-酪蛋白的基因频率分别为0.34和0.57，荷斯坦牛A1型、A2型、B型β-酪蛋白的基因频率分别为0.47、0.50和0.03[13]。巴西的瑞士褐牛、瘤牛中A2型β-酪蛋白的基因频率分别为0.96和0.93[14]，而荷斯坦牛的A1型、A2型β-酪蛋白基因频率均为0.50[15]；在波兰，荷斯坦牛乳中A1型β-酪蛋白的基因频率为0.35，A2型为0.65[16]。而在荷兰的一项研究中，荷斯坦牛乳中A1型、A2型β-酪蛋白的基因频率分别为0.29和0.69，B型和A3型仅为0.02和0.001，相较于1989年的牛群，A2型β-酪蛋白的基因频率有所增高[17]。

3β-酪蛋白分型与人体健康

牛乳β-酪蛋白有众多分型，但与人类健康相关的研究主要针对A1型和A2型，其他分型罕有报道，这与A1、A2型在数量上占据绝对优势有关。由于组氨酸替代了原本的脯氨酸（表1），使得A1型β-酪蛋白在人体内消化时会产生一种具有生物活性的小肽，即β-酪啡肽-7（β-casomorphin-7，BCM7）[8,18]。虽然Cieslinska[19]、Ul Haq[20]等的研究表明，A2型β-酪蛋白也会产生BCM7，但其浓度远远低于A1型β-酪蛋白产生的BCM7[21]。而动物实验也证明，由A1型β-酪蛋白产生的BCM7具有生理效应，虽然其生理作用还未完全明确，但仍然被许多研究者认为其与一些疾病的发生有关联，因此认为牛乳中A2型β-酪蛋白相较于A1型β-酪蛋白更加安全和健康。

3.1 β-酪蛋白与1型糖尿病

1型糖尿病是常见的儿童慢性疾病之一，该病是由自体免疫系统对产生胰岛素的胰腺胰岛β细胞造成破坏引起的，医学上普遍认为环境因素是主要诱因。鉴于牛乳在儿童中较高的食用比例，有研究将焦点放在牛乳与1型糖尿病的相关性上，研究人员试图通过分析多个国家1型糖尿病的发病情况和牛乳的消费情况，来确定牛乳能否诱发1型糖尿病，在这些研究中，既有肯定的结果[22-24]，但也存在与之相反的结论[25-26]。在认为牛乳可以引发1型糖尿病的研究中，有部分研究人员认为，A1型β-酪蛋白可能是引发1型糖尿病的关键因素，他们发现A1型β-酪蛋白的消耗量与1型糖尿病的发病情况具有相关性，并且这种相关性强于1型糖尿病的发病情况与牛乳消费的相关性[22,27-28]。Elliott等[29]在相关的动物实验中发现，饲喂添加A1型β-酪蛋白饲料的小鼠，其1型糖尿病发病率要高于饲喂添加A2型β-酪蛋白饲料的小鼠，但目前，在临床上还没有相关研究表明A1、A2型β-酪蛋白对1型糖尿病存在影响。Elliott等[30]的另一项研究认为，BCM7是A1型β-酪蛋白引发1型糖尿病的元凶，但还未见有关BCM7在人体内作用的相关报道，暂无法证明其与1型糖尿病存在直接的相关性。Vaarala[31]、Bosi[32]等的研究认为，A1型β-酪蛋白可能与肠道菌群异常、肠道通透性异常和肠道免疫系统异常有关，从而诱发1型糖尿病，这一说法同样有待进一步验证。

3.2 牛乳不耐受

有部分人长期受到牛乳不耐受的困扰，这些人饮用牛乳后会出现腹部不适的症状，只能远离牛乳产品。大部分研究者认为，这种情况是由于身体中缺乏乳糖酶，导致自身乳糖代谢障碍，使得人体对牛乳有不良反应，但事实上缺乏乳糖酶引发的牛乳不耐受并不是唯一的情况，有些人并不存在乳糖吸收不良的情况，但仍然对牛乳不耐受[33]，这种情况可能是牛乳蛋白过敏引起的。而牛乳蛋白中占比最高的酪蛋白又是牛乳中的主要过敏原，因此一些针对牛乳不耐受进行研究的研究人员将目光聚集到酪蛋白，Pal[34]、Rangel[15]、Sun Jianqin[35]等的多项研究发现，在A1、A2型β-酪蛋白的对比实验中，A2型β-酪蛋白未引起相关的牛乳不耐受，因此认为，A1型β-酪蛋白和BCM7是引起牛乳蛋白过敏的重要因素。Barnett等[36]在大鼠实验中证明A1型β-酪蛋白会延缓肠道运动，从而影响大鼠的肠胃功能。在Ul Haq[20]、Crowley[37]等的动物实验中发现，A1型β-酪蛋白和BCM7会导致炎症标志物的增加，可能会促发炎症，作为对比的A2型β-酪蛋白则没有产生相同的反应。此外，Zoghbi等[38]的研究表明，BCM7还会参与肠道内黏液的产生，产生的黏液过多时可能会破坏胃肠功能。这些研究虽然可以作为A1型β-酪蛋白和BCM7引发牛乳不耐受的佐证，但目前还未找到A1型β-酪蛋白和BCM7影响肠胃的机理，还缺乏更强有力、更直接的证据来证实A1型β-酪蛋白与牛乳不耐受的关系。

3.3 β-酪蛋白与谷胱甘肽

谷胱甘肽（glutathione，GSH）是人体内一种重要的抗氧化剂，对于调节人体内的氧化还原状态、保持机体免疫功能正常、广谱解毒、抗氧化和一些疾病的预防具有重要作用。Yao[39]、Gawryluk[40]等认为，GSH在体内的水平与神经发育、某些神经性疾病和心理障碍有关。Trivedi等[41]开展的一项体外实验研究发现，源于牛乳的BCM7可以影响GSH的浓度，并影响神经干细胞的分化和生长。Deth等[42]的一项临床实验也表明，A1型β-酪蛋白产生的BCM7可以影响人体内GSH的浓度，仅含有A2型β-酪蛋白而不含有A1型β-酪蛋白的牛乳可能促进人体内GSH的产生，说明BCM7可能是GSH的潜在调节剂，而饮用含有A1型β-酪蛋白的牛乳后，体内GSH的浓度虽然也有增加，但与饮用只含有A2型β-酪蛋白的牛乳相比，后者的增幅更大，A1型β-酪蛋白的存在可能减少了GSH的产生。

4 结 语

β-酪蛋白作为牛乳中的重要组成部分，其含有人体所必需的8 种氨基酸，有着较高的营养价值，而其显著的多态性对于牛乳的成分、品质及生产性能等具有重要影响，因而对其的研究具有重要的现实意义。近些年，国内外针对β-酪蛋白的研究逐渐增多，目前对于β-酪蛋白与人类健康的相关研究主要集中在A1和A2 2 种类型的β-酪蛋白上。虽然学者们就A1、A2型β-酪蛋白对人类健康的作用还存在争议，但A2型β-酪蛋白作为一种更接近人乳中β-酪蛋白的存在，在现今崇尚原始与自然的风尚中，A2牛乳仍是一种不错的选择。而对于牛乳不耐受的患者和对摄入A1型β-酪蛋白心存顾虑的消费者来说，饮用A2牛乳也是一个有益的尝试。

虽然现阶段的研究还不充分，仍然存在诸多问题，但随着研究的逐步深入，对于β-酪蛋白会有更加全面的认识，为整个乳品业发展提供更多的理论依据。