牛乳脂肪球粒径研究进展

2020-09-16黄啟雪邢智洋张梦璐朱河水韩立强

乳业科学与技术 2020年4期

黄啟雪，邢智洋，张梦璐，朱河水，韩立强*

（河南农业大学牧医工程学院，河南郑州 450000）

牛乳中的脂肪以小液滴形式存在，称为乳脂肪球（milk fat globule，MFG），MFG的组成结构包括一个甘油三酯（triglyceride，TG）核心，外面包裹由磷脂和蛋白质组成的膜，称为乳脂肪球膜（milk fat globule membrane，MFGM）。在各种哺乳动物乳汁中，MFG的粒径大小从200 nm到超过15 µm[1-2]，MFGM的磷脂组成与MFG的粒径密切相关[3-4]。MFGM已被证明对机体具有营养和健康意义。本文综述MFG相关研究进展，主要关注MFGM的组成成分、不同粒径MFG的功能及其调控机制。

1 MFG的合成及调控

要想了解MFG粒径，需要知道乳腺细胞合成和分泌MFG的过程。如图1所示，脂肪酸运输到乳腺上皮细胞后，首先在内质网合成TG液滴，然后释放到细胞质中，并在向质膜转运的过程中包裹磷脂和多种蛋白质后形成脂滴，在此过程中体积逐渐增大，小脂滴相互融合形成大脂滴，运输到细胞顶浆质膜，通过出胞过程分泌到乳汁中，形成MFG[5]。与机体内的肝脏和脂肪细胞相比，乳腺细胞分泌脂滴形成MFG的过程具有其特殊性。一般来说，肝细胞分泌到血浆中的脂蛋白复合体的颗粒粒径范围很窄，任何偏离正常范围的脂蛋白都预示着功能障碍，而乳腺细胞分泌的MFG粒径范围超过3 个数量级，从0.2 µm到超过15.0 µm[1-2]。人乳中MFG的平均粒径为3.5～5.0 μm，牛乳中为3.0～4.0 μm，山羊乳中为3.4 μm，绵羊乳中为5.0 μm，水牛乳中为5.0 μm，MFG的平均粒径受到动物种类、遗传倾向、季节和营养等多种因素影响[6-9]。多项研究发现，MFGM结构中的磷脂在调控MFG粒径中发挥重要作用。Logan等[10]分析不同季节的牛乳MFG粒径，发现春季、夏季和秋季的MFG平均粒径从3.0 µm到4.6 µm不等，并且较小粒径MFG中PC含量更高。Mesilati-Stahy等[3]采用重力法把MFG分成大小不同的6 种粒径，分析发现各个粒径MFG的PC、PS及磷脂酰肌醇含量均有较大差异。Couvreur等[11]研究发现，营养元素对奶牛MFG粒径会产生较大影响，高精料日粮能使MFG平均粒径从3.51 µm减小到3.30 µm，同时增加牛乳中PC含量，减少PE含量。事实上，MFG的粒径影响其自身表面积，从而决定了脂肪球膜成分的数量，MFG的分泌需要在细胞脂滴生成过程中包裹不同的磷脂分子，因此对于不同粒径MFG来说，磷脂的生物利用效率可能是影响MFG粒径的一个主要因素[12-13]。

2 MFGM组成

MFG核心主要由TG组成，外围由MFGM包裹，保护MFG核心免受脂解和氧化。牛乳MFGM的组成包括69%～73%极性脂质和22%～24%蛋白质，以及少量脂溶性维生素（图2）[14]。

2.1 MFGM中的脂质

牛乳中的极性脂质约占总脂肪含量的1%，主要由M F G M中的磷脂和鞘脂组成[15]，包括P C（19.2%～37.3%）、PE（19.8%～42.0%）、鞘磷脂（sphingomyelin，SM，18%～34%）、PI（0.6%～13.6%）和PS（1.9%～16.0%），这些磷脂组分在反刍动物乳汁中的比例大致相似[16-17]。SM一般由鞘氨醇、PE或PC基团和长链不饱和脂肪酸组成[18]。牛乳MFGM中也发现少量乳糖基和葡萄糖基神经酰胺[19]。羊乳和牛乳的磷脂组分脂肪酸组成相似，主要差别在于羊乳中饱和中短链脂肪酸含量较低，长链脂肪酸含量较高[18]。在牛乳和山羊乳中，由于MFGM中极性脂含量很高，所以与MFG的TG核心相比，MFGM的不饱和脂肪酸含量更丰富[20]。

2.2 MFGM中的蛋白质

MFGM中的蛋白质（占总蛋白质1%～4%）以连接蛋白和跨膜蛋白的形式存在于MFGM内侧和外侧[21-23]。在反刍动物乳汁中发现200多种MFGM蛋白，其中有8 种含量最丰富的蛋白质，分别为MUC1、XDH/XO、CD36、BTN、PLIN2、FABP4、MUC15和MFGE8（图2）。这些蛋白的功能与调控乳腺细胞乳脂肪合成相关。敲除XDH和BTN1A1蛋白基因会引起小鼠乳腺合成乳脂肪障碍，在乳腺细胞中超表达或沉默PLIN2蛋白基因会引起脂滴直径的变化[5,23]。MFGM中其他痕量蛋白是否有重要的乳腺生物学调控功能还有待研究。

2.3 MFGM中的脂溶性维生素

MFG中主要有4 种脂溶性维生素（VA、VD、VE和VK），以及几种类胡萝卜素，MFGM中存在极少量乳核黄素（VB2），含量约为100 μg/L[4]。MFG中的VA主要以酯化视黄醇形式存在，特别是视黄棕榈酸酯和视黄油酸酯，分别占视黄醇活性当量的41.7%和34.4%，游离视黄醇只占总视黄醇活性当量的6.1%。在VE中α-生育酚占主导地位，主要位于MFGM，被认为是具有最高生物活性的VE形式，具有抗氧化作用并参与维持膜完整性。VD家族的30 种成分中，天然牛乳中只含有胆钙化醇D3，能够结合MFGM，并且其含量与β-乳球蛋白遗传多态性具有相关性；MFG还含有少量VK1（0.6 μg/100 g）和极低含量的其他VK[24]。

3 MFG粒径对牛乳营养和乳制品加工的影响

粒径越小的MFG比表面积越大，所含的MFGM成分越多，因此不同粒径MFG的功能不同。粒径大于7 μm的牛乳MFG与小粒径MFG（3.2 μm）相比具有更高的宿主防御蛋白含量，表明通过控制MFG粒径可以增强牛乳对机体的保护功能[25]。MFGM是磷脂的丰富来源，已有不同研究证明了MFGM在动物模型、人体发育和健康中的作用。在婴儿喂养中，用MFGM的主要成分SM强化牛乳替代普通牛乳，可以改善婴儿18 月龄时的智力认知发展[26]。喂养富含MFGM配方乳粉的婴儿，6 月龄时的微生物感染率低于喂养标准配方乳粉的婴儿[27-28]。此外，在大鼠配方乳粉中添加牛乳MFGM制剂，能够促进肠上皮和微生物群的发育，并防止由革兰氏阳性细菌引起的结肠炎。

MFG粒径对于乳制品下游加工也具有重要意义。牛乳中的脂质成分决定了许多乳制品的结构特征，MFG粒径会影响乳制品的理化和感官特性，还会影响干酪成熟及乳制品保质期[29-30]。不同粒径MFG表现出不同的热力学和生理学特性[28]。给奶牛喂食鱼粉后获得粒径减小的MFG，制成黄油后具有更好的冷却性能[8]。采用小粒径MFG生产的干酪具有较高熔点和较强弹性，流动性好，色泽较淡[8,29]。在工业上为减小MFG的粒径差异通常会进行均质化，均质化结束时，新形成的脂肪小球与原来相比具有不同的物理和化学特性，均质化后仅10%的MFGM被原始MFGM材料覆盖[31-32]。

4 细胞脂滴大小的调控因素

调控MFG粒径的主要因素是乳腺上皮细胞的脂滴，使用乳腺上皮细胞原代培养或细胞系研究脂滴大小的调节机制可以阐明MFG调控的细胞机制。此外，脂滴合成的初始步骤对于许多细胞类型都通用，包括乳腺、脂肪、肌肉和肝脏。因此了解其他组织中脂滴大小调节机制的研究进展可以增加对乳腺中MFG粒径调节机制的理解。

4.1 细胞内TG水平对脂滴的影响

细胞内TG水平及其合成与水解过程中参与的酶均可影响细胞中脂滴的大小。其中TG水平与脂滴大小呈正相关，细胞内较高含量的TG可形成较大脂滴[33]。TG合成过程中所需酶的活性也可影响脂滴大小，如甘油-3-磷酸酰基转移酶的过表达最终诱导了酵母等生物中超大脂滴的形成[34]。直接为TG合成酶提供能量和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的线粒体也可以影响脂滴大小。与棕榈酸处理相比，经油酸处理的乳腺上皮细胞（mammary epithelial cells，MEC），脂滴大小发生变化时线粒体数量增加[35]。若在泌乳早期增加线粒体数量和活性[36]，可影响膜组成及膜稳定性，从而影响脂滴融合，最终影响所分泌MFG的大小。线粒体不仅参与脂滴形成还在脂滴大小调节过程中起中心作用。TG水解也可调节脂滴大小，其水解过程包括细胞质中的中性脂解和溶酶体中的酸性脂解，这些过程由不同的脂肪酶催化[37]。增加分化脂肪细胞中的环磷酸腺苷水平可诱导中性脂解并减小脂滴粒径。中性脂解是由脂滴结合蛋白CGI-58执行的，它激活脂肪甘油三酯脂肪酶（adipose triacylglyceride lipase，ATGL），而抑制ATGL可影响脂滴蛋白的合成，如G0/G1期开关蛋白和Perilipin 5[38]。脂滴膜蛋白Adipophilin缺陷小鼠未能在其乳腺中产生大的脂滴，这表明Adipophilin调节ATGL依赖的脂解，可能有助于调节MEC中脂滴的大小[36]。

4.2 膜磷脂对脂滴大小的调控

细胞内包裹脂滴膜的主要成分是磷脂，其生物利用效率可调节脂滴大小。PC合成能力的降低可能改变细胞内磷脂的组成，从而改变膜的稳定性，最终导致细胞器之间的融合，也会导致脂滴大小变化[38]。抑制PC合成基因CHO2和OPI3在酵母中的表达，降低了磷脂酰胆碱胞苷转移酶α（phosphatidylcholine cytidine transferase α，CCTα）在小鼠巨噬细胞中的表达，而敲除果蝇S2细胞中CCT1基因或线虫中SAMS1基因后，PC水平均下降，最终均导致脂滴增大[39]。

4.3 脂滴膜融合的调控

脂滴融合是导致脂滴大小改变的主要途径。用游离油酸处理MEC细胞后，与棕榈酸处理相比，脂滴参与融合的百分比增加4 倍[40]。推测脂滴融合过程包括以下几个阶段：1）分隔2 个原始脂滴的水膜被耗尽，导致其非常接近；2）在膜上打开一个孔通道，直接连接2 个脂滴的核心；3）2 个脂滴随孔隙的扩张发生完全融合，最终形成1 个更大的脂滴。其中孔通道可暂时存在，而不会导致液滴融合，孔通道是否膨胀并导致脂滴融合取决于磷脂组分的物理性质。膜的稳定性也影响脂滴融合，PE能促进内质网衍生的过渡小泡与高尔基体的融合，它是一种弯曲的锥状磷脂，具有一个小的头部基团，这种膜的不稳定性一定程度上诱导了脂滴融合。而PC是一种圆柱形磷脂，因其较稳定抑制了脂滴融合[41]。在脂质体合成体系中，PC、PE、PS三者的不同组成可影响膜的稳定性与融合性。在钙诱导的脂质体融合实验中发现，与纯PS囊泡相比，不同PC、PS组成的脂质体中PC含量越高，融合受到抑制的程度越严重，当PC、PE物质的量为35∶30时，融合和断裂之间表现为最佳平衡；PS到PE的转换通过磷脂酰丝氨酸脱羧酶在线粒体中进行，有助于调节脂滴的稳定性，在细胞环境中，线粒体亦参与其中，且在调节细胞膜的磷脂组成方面起中心作用[42]。