MFGM磷脂对乳品品质的影响

仝令君 潘明慧 艾娜丝 孙宝国

（北京工商大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心 北京市食品添加剂工程技术研究中心 北京市食品风味化学重点实验室 北京 100048）

牛乳，作为一种高营养食品，适合于各种年龄段的人群，而且因其含有大量人类生命活动所需的营养素，被人们称之为“白色血液”[1]。有关牛乳成分和结构的组成及生物学功能尚不完全清楚，尤其是牛乳脂质复杂的组成成分以及它们特殊的结构组织需进一步分析。

牛乳脂肪是以脂肪球的形式存在的，乳脂肪球是乳腺上皮细胞分泌的天然胶体[2]，由甘油三酯及包裹在外面的3层膜结构（Mill Fat Global Membrane，MFGM）组成。MFGM是由多种生物活性分子组成的，如：极性脂、蛋白质、糖蛋白、胆固醇、酶及其它微量组分，其中磷脂与蛋白质占MFGM干重的90%以上[2-4]。目前，国内外许多研究集中于MFGM的组成及功能特性，而对于牛乳在加工过程中其磷脂的破坏、损失程度以及MFGM中磷脂域的变化鲜有报道。大量文献报道，MFGM具有的乳化能力在一定程度上取决于MFGM双分子层上的表面活性物质-蛋白质及磷脂[5-7]。牛乳在加工后，MFGM磷脂的变化对牛乳的乳化性、稳定性等理化性质产生一定的影响，进而可能改变牛乳品质。本文主要对MFGM磷脂在牛乳加工过程中发生的变化及磷脂域的动力学研究进行综述，为牛乳加工工艺的优化提供科学参考。

1 MFGM中脂质的组成及结构

牛乳脂肪球较简单的乳滴更为复杂，主要是因为脂肪球被生物膜（MFGM；厚度：10～15nm）所包裹，而MFGM的结构和组成取决于牛乳分泌机制。MFGM主要由极性脂质组成，如甘油磷脂和鞘脂类、胆固醇、蛋白质、糖蛋白和酶[8-9]。Keenan等[10]研究指出MFGM上脂质的主要组成成分，如表1所示：MFGM上的极性脂质主要被分为5类：磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC；19.2%～37.3%）、磷 脂 酰 乙 醇 胺（phosphatidylethanolamine，PE；19.8%～42%）、 鞘磷脂（sphingomyelin，SM；18%～34.1%）、磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol，PI；0.6%～13.6%）和磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS；1.9%～16%），其中PC和SM主要位于细胞膜外层，PE、PI和PS均集中在磷脂双分子层内部[11-16]。Fong等[8]还在牛乳MFGM上发现了少量乳糖基-脑苷脂和葡糖基-脑苷脂。此外，牛乳甘油磷脂中富 含 低 熔 点 不 饱和脂 肪 酸（C18：1，C18：2，C18：3），在MFGM的流动性中起重要作用；以鞘氨醇碱为主要特征的鞘磷脂（主要为SM），富含高熔点的长链饱和脂肪酸（C16：0，C22：0，C23：0，C24：0）[8，12]，这些组成可能是牛乳风味组成的重要前体物质。

表1 牛乳脂肪球膜上脂质构成组分及百分含量[10]Table 1 Contents and percentage of lipids in milk fat globule membrane[10]

MFGM作为三层膜结构组织是被广泛接受的，内层膜源于内质网，外层磷脂双分子层来自乳腺上皮细胞顶端质膜[17]。由于MFGM磷脂双分子层来源于分泌细胞的顶端质膜，因此双分子层的流动镶嵌模型被广泛认可。如图1所示，此模型表明：磷脂双分子层作为MFGM的骨架，以流动相的形式存在，外周膜蛋白质不均匀的镶嵌或松散附着于双分子层上，跨膜蛋白质贯穿整个磷脂双分子层[18-19]。MFGM双分子层的流动性特征间接引起牛乳中MFGM组分及结构受许多因素影响，如牛乳加工（主要是均质、热处理），环境因素，动物饮食及自身因素等[13]。

图1 Singer和Nicolson（1972）提出的磷脂双分子层的流动镶嵌模型Fig.1 Schematic of the fluid mosaic membrane according to Singer and Nicolson（1972）

2 磷脂变化对乳制品品质的影响

近年来，牛乳乳化性及稳定性备受关注[20-21]，而MFGM在牛乳乳化特性方面扮演着至关重要的角色[22]。磷脂是膜的整体部分，既具有亲油性，又具有亲水性，因此有助于脂肪球膜的乳化作用[23]。Shimizu等[24]证实了磷脂、糖脂和蛋白质成分共同影响MFGM乳化作用，并利用木瓜蛋白酶去除糖蛋白或通过磷脂酶C破坏磷脂结构，从而使奶油乳液稳定性显著降低。Thomé和Eriksson等[25]研究表明，当添加MFGM膜材料时，巴氏消毒和无菌奶油的搅拌能力得到提高，当磷脂与蛋白质复合时，磷脂对乳液的稳定性优于乳化剂和乳液稳定剂。因此，磷脂的破坏可能导致MFGM的损坏，从而导致乳制品品质降低。例如：奶油中脂肪球聚集形成漂浮在热茶或咖啡表面上的可见斑点是由磷脂酶C降解MFGM磷脂引起的[26]。磷脂酶作用可以增加膜的渗透性，而不会引起脂肪球的聚集，这就使脂肪酶和其它酶降解甘油三酯，增加了乳制品酸败以及其它异味的产生。MFGM磷脂也在牛乳氧化以及氧化所引起的风味缺陷中起着重要的作用；MFGM中的磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺含有40%～60%的多不饱和脂肪酸，其中约三分之一易于氧化[27]。因此，分离得到的乳脂肪球膜在储存期间发生氧化不足为奇[28]。O'Mahony和Shipe[29]通过磷脂酶C对乳脂蛋白作用从而抑制氧化味道的产生，证实磷脂在氧化中存在的意义，并将此抑制作用归因于磷脂水解得到的甘油二酯迁移至脂肪球的疏水核心中，从而抑制甘油二酯的氧化。

磷脂的变化是多样性的。乳腺分泌过程以及后续的加工处理都会对MFGM的结构和组成造成一定的影响，如：搅拌、温度、牛乳中细菌数量、乳腺炎、哺乳期及季节等；这些乳腺分泌过程和后续加工处理可能会影响MFGM组分缺失、MFGM对乳清组分的吸附能力以及MFGM中各组分的物理化学反应等，从而可能影响乳品的乳化特性[30]。Bhojoo等[31]指出：在低温条件下（<7℃），脂肪球具有较高比例的固体脂质，从而大大提高了脂肪球的抗剪切力，在一定程度上提高了牛乳的稳定性。Evers等[30]也发现温度除影响脂质的液固比，也可能影响MFGM组分（主要是磷脂）的结晶作用。Corredig和Dalgleish等[6]研究表明，从原料乳或原料稀奶油中提取的MFGM可稳定大豆水包油乳化剂，主要是由于MFGM覆盖在水包油乳化剂的表面，不可被表面活性剂取代，从而在水包油乳化剂的表面界面处可能存在MFGM之间的强相互作用，且MFGM的磷脂成分可能参与降低界面张力。原料乳MFGM大豆水包油乳化剂的乳化性能优于成品酪乳MFGM大豆水包油乳化剂[5]，这可能是由于在生产酪乳过程中热处理或搅拌工艺促使MFGM蛋白与β-乳球蛋白相结合所导致的。此外，Patton等[32]指出：离心新鲜牛乳制备的脱脂乳中磷脂成分较老化的UHT乳制备脱脂乳中的磷脂组成少，可能是由于UHT乳稳定性更好，间接表明磷脂成分的变化可能会影响牛乳的稳定性。综上所述，乳品加工过程中，加工工艺的变化或多或少会引起MFGM磷脂的变化，而磷脂在乳品品质方面也起着不可或缺的作用，截至目前，对乳品的乳化活性起重要作用的是MFGM的磷脂还是蛋白质，或者两者皆起作用仍尚未清楚；且MFGM磷脂及蛋白质的变化如何影响乳品品质也未研究透彻，这为后续研究提供新的视角。

3 乳品加工工艺对MFGM磷脂的影响

3.1 不同加工乳制品中磷脂组分的差异

原料乳中约60%磷脂位于MFGM中，但在制备脱脂乳时，离心分离会导致MFGM表面磷脂的损失，从而影响脱脂乳的品质[33-34]，且本实验室前期研究发现，脱脂鲜乳的感官喜好性显著（P＜0.05）低于全脂鲜乳，这也可能与离心制备脱脂乳时MFGM表面的磷脂损失有关[35]。此外，其它文献也报道了牛乳加工处理会改变MFGM的结构与组成，具体研究结果如表2所示[36]。

表2 原料乳，生奶油，商业乳和脱脂乳粉的磷脂（占磷脂总质量的百分比）组成[36]Table 2 Phospholipid composition（weight%of total phospholipids）of raw milk，raw cream，commercial milk and buttermilk powder[36]

3.2 乳制品加工时MFGM磷脂域动态变化

3.2.1 磷脂域及其组成 磷脂域即由胆固醇、饱和磷脂和不饱和磷脂组成的二元体系，也称液态流动相。Veatch和Keller[37]通过对此二元体系的研究来确定MFGM上磷脂域的相图，如图2所示，此相图显示了两个不同流动相共存的区域，相位的共存取决于特定压力、脂质浓度及温度等条件。目前，人们普遍认为共存相中的某些区域中分子是有序排列的，称之为液态有序相（Liquid ordered phase，Lo）；其它区域中磷脂分子的排列是无规则的，称之为液态无序相（Liquid disordered phase，Ld或 Lα）。Lopez等[2]指出，MFGM 的 Lo相富含高相变温度的极性脂（主要是SM，其含量占MFGM极性脂的25%，此外也含有饱和的磷脂及胆固醇）。而Ld相主要由不饱和的甘油磷脂组成（PC、PE、PI和PS）[38-39]。当两相共存时，它们被分成两个不同的区域，两相中的有序度主要取决于磷脂中脂肪酸的取向。

图2 含有磷脂和胆固醇二元基质的双层膜相图[37]Fig.2 Phase diagrams for bilayer membranes containing binary mixtures of phospholipids and cholesterol[37]

3.2.2 磷脂域微观结构的研究技术 迄今为止，许多研究采用不同的显微镜技术来分析MFGM的结构，例如：电子显微镜学和免疫显微技术[40]、生物化学技术[41]、冷冻蚀刻电镜技术[42]以及冷冻复型-免疫化学染色技术[43]。但由于这些技术在分析观察MFGM微观结构试验中，耗时太长，可能会改变MFGM的结构或者观察期间引入了其它杂质而对试验结果造成一定的影响[43]。最近，许多研究者使用激光共聚焦（confocal laser scanning microscopy，CLSM）并结合荧光染料标记磷脂相的技术来阐明脂质筏（磷脂域）的存在，观察MFGM上富含胆固醇及磷脂的区域。此外，CLSM技术可通过对巨型单层囊泡的表面进行成像来分析脂质双分子层系统中磷脂的横向结构[44-46]，且此技术中使用的低浓度外源荧光探针和染料已被证明不会引起MFGM天然生物结构的显著改变[47]。Evers[48]通过采用CLSM作为非侵入式技术结合亲脂性探针和凝集素研究牛乳及母乳的MFGM结构。

通常而言，针对MFGM结构研究所采用的荧光探针包括 Rh-DOPE、WGA-488、Nile Red和Fast Green FCF等。其中，Rh-DOPE是极性磷脂探针，它可以进入MFGM双分子层而不对磷脂双分子层产生较大干扰，且具有较好的耐光性，在采用CLSM对MFGM磷脂进行荧光标记观察结构时更易捕捉到图像[36]。由于Lo相富含的脂肪酸链中C=C邻位交叉更为完整，使有序相变得更加紧凑[49]，因此Rh-DOPE可以顺利地进入Ld相使其产生红色荧光，而不能进入磷脂排列整齐的Lo相，而使 Lo相区域发暗，如图3a所示[50]，Lopez等[51]也证实了这一观点，并提出磷脂域的图解模型，如图3b所示。

图3 室温（19℃±1℃）下脂肪球膜上极性脂分布图像[50]（a）和MFGM上磷脂域的图解模型[51]（b）Fig.3 Microscopy images captured at room temperature（19℃±1℃）showing the distribution of polar lipids within milk fat globule membrane[50]（a）and graphic model of phospholipids domains on MFGM[51]（b）

3.2.3 磷脂域动态变化在乳品工业中，控温技术在保障牛乳质量以及改变乳制品的功能特性方面发挥着重要的作用[52-53]。目前，Lopez 等[50，54]对不同温度及时间条件下MFGM磷脂域的动力学进行了分析，如图4所示，Lopez指出极性脂质在MFGM的外层中分离成可共存的且具有不同物理性质的两个或多个流动相（例如凝胶，Lo和Ld相）；温度及温度变化速率影响磷脂域的数量、大小和形状，快速冷却有利于成核机制，缓慢冷却有利于结晶域的生长。Et-Thakafy等[54]也指出牛奶的快速冷却可以加速脂肪球的成核速率，且在同一温度下随着放置时间的增加将诱导MFGM中磷脂的重组，从而导致磷脂域成圆形；当温度从4℃升到60℃的过程中，MFGM上磷脂域发生相变，即由液态有序相转变成液态无序相，使得MFGM磷脂间分子结合较为松散。这些由温度和时间动力学引起的磷脂域形态和物理性质的变化可能会影响乳脂肪球（如黄油生产）的功能特性及其营养功能，从而对乳制品品质产生一定的影响。

图4 不同温度及时间处理后MFGM上磷脂域的变化[54]Fig.4 Changes of phospholipids on MFGM after different temperature and time[54]

4 结语及展望

乳脂肪球膜是具有特定组成、结构和界面特性的独特胶体组合物，且含有大量具有特异性的生物活性成分，例如：脂肪酸、MFGM蛋白和MFGM极性脂质中大量的SM。至今，已经有大量文献报道有关MFGM的相关信息，其中大部分都是关于乳脂肪球膜蛋白的研究，而对于MFGM磷脂及磷脂域动力学的研究相对较少。磷脂是膜的整体部分，磷脂的变化更易引起MFGM结构及组分的改变，进而影响乳品品质。乳品加工方式复杂多样，包括搅拌、浓缩、加热和喷雾干燥，所有的加工工艺都可能导致MFGM磷脂含量及相的改变，引起磷脂变化的多样性。

目前，对于乳品加工过程中引起的脂质结构、组分及含量的变化对乳制品品质的影响机制可能需从以下几方面做进一步的研究，牛乳中乳脂肪球的大小与分布如何发挥其在乳品品质中的作用；MFGM中富含鞘磷脂的Lo相作为移动平台是否具有改变乳相界面张力的功能；富含鞘磷脂且排列规则的Lo相与富含不饱和磷脂、呈无序排列的Ld相在理化特性上是否相同；MFGM中横向磷脂以及它的异质性在乳品加工中会有怎样的变化以及此种变化是否会影响乳制品的稳定性、流变性和乳化性等理化性质。