乳类食物中β-酪蛋白的结构及营养功能

周鹏 张玉梅 刘彪 石羽杰 李婧 汪之顼

摘 要：综述了人类母乳（以下简称母乳）和牛乳蛋白质中乳清蛋白与酪蛋白比例、相应蛋白质种类、含量及其营养特点，并重点叙述了酪蛋白的亞型及结构，母乳中含量最多的酪蛋白组分β-酪蛋白的消化特性、营养价值和促进钙铁等矿物质吸收、免疫调节和肠道健康促进等生物学功能的最新研究进展。由于牛乳蛋白质在组分含量和比例与母乳的差异，乳基婴幼儿配方粉中蛋白质的调整，既要考虑乳清蛋白和酪蛋白的比例，还需要进一步精细调整蛋白质亚组分的含量和比例，是当前乃至今后婴幼儿配方食品配方创新和工艺技术研发的重要方向。

关键词：人乳;母乳;牛乳;酪蛋白;β-酪蛋白;婴幼儿配方食品

母乳是婴儿的最佳食品。世界卫生组织（WHO）建议，婴儿出生后的6个月内应给予完全母乳喂养。然而，并非所有婴儿均可以得到母乳喂养，一些特殊情况下需要使用婴幼儿配方食品（代乳品）代替母乳。牛乳因来源丰富、营养价值高，成为大多数婴幼儿配方食品的基本原料（基料）。牛乳与母乳（人乳）在营养成分含量和结构上存在差异，尤其蛋白质组分含量和构成存在较大差异。乳清蛋白与酪蛋白是乳类蛋白质成分的两大分类。研究显示，母乳中的乳清蛋白与酪蛋白的比例高于牛乳[1]。母乳中乳清蛋白与酪蛋白的比例随哺乳进展存在动态变化。乳清蛋白/酪蛋白比值从初乳阶段的90∶10以上，到过渡乳的80∶20左右，成熟乳中60∶40左右[2]。而商业性牛乳中乳清蛋白与酪蛋白的比值仅为20∶80。目前市售婴儿配方乳（粉）都是通过添加乳清粉，调整乳清蛋白和酪蛋白的比例达到60∶40以上，走出了模拟母乳蛋白质构成的第一步。但随着母乳蛋白质研究的不断深入，母乳蛋白质亚组分构成及其与牛乳蛋白质的差异日益受到关注，婴儿配方乳中的蛋白质构成的调整，也需要进一步精细化到蛋白质亚组分层面。

1 母乳和牛乳的蛋白质基本构成

根据加工性状特点，乳类蛋白质基本上可以分为乳清蛋白和酪蛋白两大类。大量乳成分研究资料显示，母乳的乳清蛋白中，蛋白质成分可以进一步细分为α-乳清蛋白、免疫球蛋白A （IgA）、免疫球蛋白G （IgG）、免疫球蛋白M （IgM）、血清白蛋白和乳铁蛋白等;而母乳的酪蛋白成分包括β-酪蛋白、κ-酪蛋白和αs1-酪蛋白。牛乳的乳清蛋白和酪蛋白成分，与人类母乳相比，既有相似，也有区别[3]。

由附表可见，母乳乳清蛋白中α-乳清蛋白的占比可达36%，而牛乳乳清中α-乳清蛋白占乳清蛋白质的比例只有17%;牛乳乳清中比例最高的蛋白质是β-乳球蛋白，占比约为52%，而母乳中基本不含β-乳球蛋白。酪蛋白部分，母乳中占比最高的是β-酪蛋白，约占总酪蛋白的68%，牛乳中β-酪蛋白占比远低于母乳，只有36%;牛乳中占比最高的酪蛋白成分是αs1-酪蛋白（约占40%），相对应此组分在母乳中只有12%;在牛乳中占比达10%的αs2-酪蛋白，在母乳中难觅踪迹。研究表明，乳蛋白中引起过敏的主要蛋白质是β-乳球蛋白和α-酪蛋白[4]。这两种蛋白质恰好是牛乳中含量最多的乳清蛋白和酪蛋白，而母乳中这两种致敏蛋白质含量很低甚至检测不出。

由母乳蛋白质与牛乳蛋白质在亚组分上的差异可见，乳基婴儿配方食品（婴儿配方粉）在模拟母乳蛋白质的道路上，要跨越多个研发进展：从调整乳清蛋白与酪蛋白比值达到6∶4以上，然后分不同步骤继续精细调整蛋白质亚组分比例。母乳中含量最高的蛋白质是α-乳清蛋白和β-酪蛋白，充分利用牛乳中这两种蛋白质组分，来模拟母乳蛋白质构成，是婴幼儿配方奶粉配方设计时首先需要考虑的。其中，β-酪蛋白更是近年来学术界关注的焦点内容之一。

2 酪蛋白与β-酪蛋白结构及分型

2.1 酪蛋白的亚型及结构

酪蛋白是由乳腺自身合成的含磷酸性蛋白，在乳中与钙离子等结合形成胶束结构。它是乳中的主要营养性蛋白质，也是乳中钙和磷的丰富来源。酪蛋白的氨基酸组成中脯氨酸含量相对较高，而半胱氨酸含量较低，导致其具有较弱的二级结构，通常认为单链酪蛋白分子不存在特定的构象。

在牛乳中，酪蛋白含有4个亚型，依次为αs1、β、αs2和κ。每个酪蛋白亚型又有多种基因变体[5-6]，表现出相当大的差异，这是由翻译后修饰引起的。酪蛋白的这4个亚型大部分都经过磷酸化修饰，κ-酪蛋白还有糖基化修饰。另外，αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白是钙敏蛋白，而κ-酪蛋白则不是钙敏蛋白。

牛乳的αs1-酪蛋白占总酪蛋白含量的40%，它由199个氨基酸残基构成，分子量为23kDa。αs2-酪蛋白占酪蛋白的10%，它含有207个氨基酸，分子量是24.3kDa。β-酪蛋白占酪蛋白的36%，它含有209个氨基酸残基，分子量为23.6kDa，如果再加上5个修饰的磷酸基团，则分子量增加到24kDa;β-酪蛋白是4种酪蛋白成分中疏水性最强的，其钙敏性则小于αs1-酪蛋白和αs2-酪蛋白[5-6]。κ-酪蛋白含有169个氨基酸，只含有1个磷酸基团，分子量在19k～20 kDa之间，占酪蛋白的14%[5-6]。

2.2 哺乳动物物种间乳汁中酪蛋白的差异

在常见的产乳哺乳动物中，比较乳汁中酪蛋白的亚组分构成[7]可见，母乳和马乳较接近，它们都不含有αs2-酪蛋白（附图）。从酪蛋白4个亚型组分的相对含量上看，母乳中β-酪蛋白的含量相对较高，与马乳、驼乳、羊乳相似。从β-酪蛋白的氨基酸数目和磷酸化程度来看，不同物种的β-酪蛋白存在不同程度的差异。人乳β-酪蛋白的磷酸化水平呈多分布模式，有6种磷酸化水平，并且以含2个、4个磷酸基团的形式为主，而其他物种磷酸化程度比较集中。

2.3 β-酪蛋白的基因变异体

牛乳中，β-酪蛋白有A1、A2、A3、B、C、D、E、F、G、H、I和J几种基因变体，其中A1和A2是主要的两种[5-6]。通过分析奶牛群体中β-酪蛋白变体的占比发现，A1和A2基本上都在37%～55%之间[8-9]。Massella等[8]分析了意大利北部1 226头荷斯坦奶牛和 4头瑞士黄牛所产乳汁，检测出5种β-酪蛋白变体A1、A2、B、F和I以及各变体的构成比。上海交通大学团队检测了中国某地133头荷斯坦奶牛，其中A1、A2型β-酪蛋白变体型占具优势比例，都超过40%[9]。国内外研究均显示，在大部分奶牛群体中，A2携带型奶牛大于70%。研究表明，乳液中A1和A2变体的比例还会随着季节发生改变，一般在冬季A1含量高（34%），到春夏比例会有所下降（30%）[10]。国内研究数据显示，即使是声称为A2型的产品，其中仍有接近10% 的A1型β-酪蛋白[11]。

根据体外消化实验观察，A1型、A2型β-酪蛋白消化的差异主要是A1型β-酪蛋白消化后可产生多肽片段BCM-7，而A2型β-酪蛋白產生 BCM-9。一方面，体外实验和临床实验显示，BCM-7可能与乳糖不耐受[12]、胃肠道不适[13]、1型糖尿病[14]有关。另一方面，EFSA[15]和Truswell[16]基于系统评估已有研究结果认为，A1型β酪蛋白或者BCM-7与上述健康问题没有明确的联系。总体来说，对于A2型β酪蛋白和A1型β酪蛋白之间是否存在对健康不同影响尚存争议，还缺乏充足的证据。

3 β-酪蛋白消化特性及营养功能

作为母乳酪蛋白的主要组成成分，β-酪蛋白的理化和消化性状以及营养功能，是乳基婴幼儿食品研发中重要的研究内容。

3.1 β-酪蛋白的消化特性

母乳β-酪蛋白的二级结构包含少量的β-转角和β-折叠结构，蛋白质分子内部超过50%的部分没有具体的结构，呈现无规则的卷曲状态，整体的二级结构柔软、疏松[2]。这种特点使其更容易被消化水解。加州大学的研究显示，给3名足月分娩新生儿奶瓶喂养母乳，经胃液消化的胃内容物中，来自β-酪蛋白的多肽达52%[17]。该研究结果提示，母乳多肽的主要来源是β-酪蛋白。与母乳相比，牛乳的β酪蛋白二级结构和高级结构比较一致，消化特性也接近。

采用体外消化实验比较不同蛋白质的消化过程，发现β-酪蛋白比α-乳清蛋白及β-乳球蛋白更容易被人体消化。通过仔猪体内消化模型观察，结果显示，β-酪蛋白在60min和120min后全部消化，但α-乳清蛋白及β-乳球蛋白还能检测到完整蛋白质分子[18]。

3.2 β-酪蛋白水解肽的营养功能

人乳中含有蛋白质水解酶，可水解β-酪蛋白产生肽类成分，人乳很多生理功能均与水解肽相关。

3.2.1 促进钙、铁等矿物质吸收 β-酪蛋白经消化产生的磷酸化多肽即酪蛋白磷酸肽（CPPs），在肠道中可通过磷酸丝氨酸与钙离子结合，由小肠粘膜细胞吸收后再释放进入血液，从而促进钙吸收[19]。Bouhallab等[20]研究发现，β-酪蛋白和其产生的CPPs还有助于铁吸收，β-酪蛋白磷酸肽饲料组比α-酪蛋白磷酸肽组有更高的铁吸收率。

3.2.2 免疫调节功能 母乳β-酪蛋白经胰蛋白酶水解后产生多种与免疫功能相关的产物。β-酪蛋白分解后产生具有免疫刺激作用的肽段称为免疫刺激肽。研究显示，这些免疫刺激肽具有刺激巨噬细胞吞噬，从而增强抗感染的作用。且母乳β-酪蛋白水解产生的抗菌肽具有抗致病菌和防止致病菌定植与生长的特性[21]。较早的一个研究指出，β-酪蛋白能被母乳中sIgA抗体特异性水解，推测其参与婴儿肠道免疫反应[22]。

3.2.3 参与神经调节 近期研究发现，β-酪蛋白水解产生的阿片样多肽（β-casomorphin，BCM）可能参与神经调节，改善婴儿睡眠模式[23]。

3.3 β-酪蛋白与肠道健康

新生儿是肠道炎症的易感人群，尤其是生长受限婴儿和早产儿，易发严重的肠道炎症疾病并危及性命。婴儿肠道的黏蛋白（mucin，MUC）可以起到屏障功能，黏蛋白2（MUC2）和黏蛋白4（MUC4）的肠道保护作用受到广泛关注。体外实验发现，β-酪蛋白水解后释放的肽，可以刺激MUC2和MUC4基因的表达[24-25]，有可能降低新生儿肠道炎症相关疾病的风险。

3.4 β-酪蛋白不是牛奶蛋白过敏的主要致敏原

婴幼儿食物过敏症呈持续增加的趋势，其中以牛奶蛋白过敏较为多见。研究显示，牛乳中β-酪蛋白不是最强的酪蛋白致敏原。Natale等[4]检测了过敏人群血清对于不同乳蛋白的过敏原反应，结果显示，α-酪蛋白是酪蛋白中最主要的过敏原，其次是κ-酪蛋白。Monaci等[26]在另一项研究中同样发现，α-酪蛋白最容易引发过敏的位点是其69～78位氨基酸序列和隐藏在内部的磷酸化片段。

4 总结

母乳是婴儿最理想的食品。在婴幼儿喂养中，既要预防蛋白质缺乏，也要避免蛋白质过量摄入，实现这种平衡的一个重要支点就是蛋白质的质量。母乳中的乳清蛋白与酪蛋白比值，体现了蛋白质构成的变化，也与蛋白质质量有关。母乳的初乳、过渡乳、成熟乳中乳清蛋白与酪蛋白的比例逐渐从90∶10过渡到60∶40。亚组分方面，含量最高的几种蛋白质分别为β-酪蛋白、α乳清蛋白、乳铁蛋白、免疫球蛋白和κ酪蛋白。

与母乳不同，商品牛乳中乳清蛋白与酪蛋白的比例一般约为20∶80。乳清蛋白中β-乳球蛋白最多，约占乳清蛋白质的52%;酪蛋白中αs1-酪蛋白最多（40%），β酪蛋白其次，约占36%。容易引起过敏的牛乳蛋白质主要是β-乳球蛋白和α-酪蛋白，牛乳中这两种蛋白质含量都高于母乳。牛乳中酪蛋白的亚型组分有4个，依含量从高到低依次为αs1、β、αs2和κ。β-酪蛋白进一步区分的亚型有A1和A2两种，含量基本都在37%～55%之间。

β-酪蛋白作为母乳中含量最高的蛋白质，对于指导婴幼儿配方食品的开发意义重大，是当前营养学界关注的焦点之一。β-酪蛋白有较多脯氨酸，使β-酪蛋白结构松散易消化。β-酪蛋白是母乳源的多种活性肽来源。母乳β-酪蛋白经蛋白酶水解后产生多种与免疫功能相关的产物，其中阿片样多肽可能参与神经调节，改善婴儿睡眠模式。β-酪蛋白分子上的磷酸化氨基酸残基在结构上彼此接近，可螯合钙从而使钙离子保持可溶状态，进而能促进钙吸收。

综上所述，基于母乳蛋白质组分的特异性，以及牛乳蛋白质在蛋白组分上与母乳的差异，乳基婴幼儿配方粉中蛋白质的调整，既要考虑乳清蛋白和酪蛋白的比例，还需要进一步精细调整蛋白质亚组分的含量和比例，使其各蛋白质亚组分含量、比例和结构更为接近母乳蛋白质的组成。

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Abstract：This paper systematically summarized the ratio of whey proteins to caseins in human milk and cow milk，the related protein species and their content，and nutritional characteristics. It focused on the subtype and structure of caseins，as well as the research advances of β-casein on digestive properties，nutritional value，biological function for absorption acceleration，immunoregulation，intestine development. Based on the fact that there were much differences of protein constitute and content between human milk and cow milk or other animal milk，it was more important to adjust the ratio of whey proteins and caseins，as well as to remodel the profiles of protein subfractions for research and development of milk-based infant formula.

Keywords：human milk;breast milk;cow milk;casein;β-casein;infant formula

（責任编辑 李婷婷）