牛乳中乳清蛋白质的功能活性研究进展

王 蓓，唐艳斌，张 炎，王世杰，罗江钊，孟繁宇，任发政，丁钢强*

（1 北京工商大学食品与健康学院 北京1000482 中国疾病预防控制中心营养与健康所 北京100050 3 甘肃农业大学食品科学与工程学院 兰州7300704 河北科技大学食品与生物学院 石家庄050018 5 中国食品科学技术学会 北京1000486 中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京100083）

牛乳被认为是自然界最完整的食物[1]，不仅是哺乳动物的营养来源，也是人类重要的营养来源[2]，它营养均衡、易于吸收，富含多种功能蛋白及小分子活性物质，如α-乳白蛋白、免疫球蛋白、乳铁蛋白、低聚糖、共轭亚油酸等。尤其是后疫情时代的到来，牛乳的营养功能受到社会各界的广泛认可，其中乳蛋白在乳的健康功能中发挥着重要的作用。2020年，国家卫生健康委员会发布《新型冠状病毒感染的肺炎防治营养膳食指导》，倡导人们食用各类乳及乳制品，通过摄入牛乳补充优质蛋白质。牛乳蛋白质包括乳清蛋白和酪蛋白，其中乳清蛋白包括α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、乳铁蛋白、骨桥蛋白、免疫球蛋白等，酪蛋白主要包括β-酪蛋白、κ-酪蛋白、αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白。有研究发现，乳清蛋白具有调节免疫、抑菌、调控乳糖吸收等丰富的生理功能，因此乳清蛋白被称为乳中的活性蛋白，这类活性蛋白对人体的新陈代谢、营养健康具有重要作用，也成为近年来科技界与产业界关注的热点。本文综述国内外牛乳乳清中活性蛋白的功能研究进展，探讨热加工处理对乳清蛋白的活性影响，旨在为我国牛乳乳清蛋白的功能活性基础研究以及乳功能基料的产业化提出新思路，为乳品行业技术创新指明方向。

1 α-乳白蛋白

α-乳白蛋白（也称α-乳清蛋白）由乳腺上皮细胞粗面内质网合成，是牛乳乳清含量第二多的蛋白质，约占总乳清蛋白的20%，在牛初乳中质量浓度约为3.0 g/L，在常乳中的质量浓度约为1.2 g/L[3]。α-乳白蛋白由123 个氨基酸残基组成，分子质量约为14.2 ku，等电点为4.2～4.5[4]。天然的α-乳白蛋白的结构由两个部分组成：1 个大的α-螺旋结构域和1 个小的β-折叠结构域，它们通过钙结合环连接[5-6]。其三级结构与溶菌酶相似。自然状态下，牛乳α-乳白蛋白是一种与钙结合紧密的单体球蛋白，每分子蛋白结合1 个Ca2+[7]。α-乳白蛋白调节乳糖的合成，通过促进葡萄糖与β-1，4-半乳糖基转移酶的结合，催化泌乳期间半乳糖向葡萄糖的转移，从而产生乳糖[8]。

α-乳白蛋白具有很高的营养价值，它富含必需氨基酸——色氨酸（5.3%）、半胱氨酸（5.8%）、蛋氨酸（0.9%）等含硫氨基酸，它也是丰富的支链氨基酸来源，包含10.4%的亮氨酸，6.4%的异亮氨酸和4.2%的缬氨酸，其氨基酸组成被认为是生物体最佳的组成[1，9]。牛乳中的α-乳白蛋白及其水解产物与母乳中α-乳白蛋白的氨基酸序列高度同源（74%），可用作婴儿配方食品的补充品[1]，提高配方食品中蛋白质组成及氨基酸水平，使其更大程度地接近母乳水平。研究表明，富含α-乳白蛋白的婴儿配方粉可以提高婴儿蛋白质的利用率，降低肾脏负担[9]。另外，睡眠障碍者晚上摄入α-乳白蛋白可显著缩短入睡时间，提高次日大脑的持续注意力，瞌睡次数显著减少，睡眠障碍患者的睡眠得以改善[10-11]。以压力脆弱人群为对象的人体临床研究显示，富含α-乳白蛋白的饮食能够有效缓解研究对象的压力，并能显著减少该人群的抑郁情绪[9]。此外，α-乳白蛋白是许多生物活性肽的良好来源，如血管紧张素转换酶-I 抑制剂、阿片类物质和抗菌肽等[1]。天然状态的α-乳白蛋白在C18：1脂肪酸存在的条件下具有杀菌活性，乳白蛋白的异构体对肺炎链球菌具有杀灭效果。另外，α-乳白蛋白还具有防止胃黏膜损伤，调节肠道菌群和抗癌等作用[12-14]。

2 β-乳球蛋白

β-乳球蛋白是乳清蛋白中含量最丰富的一种蛋白质，由乳腺上皮细胞合成，约占牛乳总蛋白含量的10%，占乳清蛋白总量的50%。在牛初乳中质量浓度约为8.0 g/L，常乳中约为3.3 g/L[3]。β-乳球蛋白由162 个氨基酸组成，分子质量为18.3 ku，等电点pH 5.1～5.2[15]。β-乳球蛋白的一级结构中含有5 个半胱氨酸残基，其中4 个半胱氨酸残基组成2 个二硫键，其二级结构由9 条β 链（分别命名为链A-I）和1 个α 螺旋组成。9 条β 折叠链中的8 个（链A-H）经折叠后一端闭合，构成以β-桶为主的三级结构，该结构也被称为“花萼结构（Calyx）”。在β-桶结构的另一端，由两条链段（链E、F）形成一个结构可变的环状结构，其可以根据蛋白质所处pH 值的不同而改变花萼结构的闭合程度，从而决定β-桶中是否暴露可结合配体。而第9条链段（链I）中含有形成二聚体界面的重要部分，并在二聚体相互作用中起关键作用[14]。在鲜牛乳中，β-乳球蛋白是由天然的单体和二聚体形式共存，蛋白质浓度不同，单体和二聚体的比例也会变化[16]。

β-乳球蛋白属于一种脂质转运蛋白，具有多个结合位点，包括β-乳球蛋白分子内部的疏水内腔和表面的疏水裂缝，因此对脂溶性维生素、脂肪酸及多酚类生物活性物质都具有极高的亲和性，能够防止这些生物活性物质的氧化降解，提高其在机体内的转运效率，并促进这些物质的吸收[16-18]。β-乳球蛋白可溶性强，具有很强的凝胶和乳化功能，能与维生素A 等脂溶性维生素和脂肪酸结合，可作为辅助性配料用于乳制品或其它食品中，改善产品的风味、质构，促进营养物质的吸收[19]。β-乳球蛋白是氨基酸的重要来源，同时也是一些生物活性肽，如β-乳球蛋白源血管紧张素转换酶（ACE）抑制肽、降血压肽、抗菌肽的重要来源[12，20]。此外，有研究表明，β-乳球蛋白可能在新生儿的免疫调节和被动免疫中发挥作用[1，21]。这尚需深入的研究来确证。

3 乳铁蛋白

乳铁蛋白是由乳腺上皮细胞表达和分泌的一种非血红素铁结合糖蛋白，与血清转铁蛋白、卵转铁蛋白、黑素铁蛋白一起属于转铁蛋白家族，存在于牛初乳、常乳、其它体液和嗜中性白细胞中[3]。牛初乳中乳铁蛋白的平均质量浓度约为1.5 g/L（范围0.2～5 g/L），常乳中平均质量浓度仅0.1 g/L（范围0.07～1.2 g/L）[1]。乳铁蛋白是由单一多肽链（约700 个氨基酸残基）组成的一种糖蛋白，分子质量为80 ku[22-23]。牛乳铁蛋白与人乳铁蛋白在结构上有些相似，其氨基酸组成约70%相似。在结构上乳铁蛋白由一条多肽链折叠成2 个对称叶（N 叶和C 叶），其呈球状并具有类似折叠，每个叶能与Fe3+离子结合，结合量为1.4 mg 铁/g 蛋白质[24-27]。

乳铁蛋白是一种重要的宿主防御分子，具有多种生理功能[28]。因乳铁蛋白的自身结构，其能够参与铁代谢[29]。它表现在具有很强的铁亲和能力，能够高效螯合铁离子，稳定还原态铁离子并对其进行运输，这对哺乳动物从肠道中吸收铁离子至关重要[5，30]。另外，乳铁蛋白通过螯合残存在体内过量的铁而减少铁沉积，从而有效减弱铁对细胞的毒副作用，在防治神经退行性疾病上具有重要作用[1，13]。乳铁蛋白作为一种广谱抑菌剂，具有广谱的抗菌活性。大量临床人群干预数据证明，乳铁蛋白的摄入有助于降低婴幼儿、儿童的腹泻发病率[31]。Ochoa 等[32]在秘鲁开展了12～18月龄健康婴幼儿的双盲试验，评估乳铁蛋白对婴幼儿腹泻的影响，结果显示，与安慰剂组相比，试验组的腹泻发病率、腹泻时间均显著降低。此外，Chen 等[33]在中国开展的随机试验，发现4～6月龄婴儿强化乳铁蛋白的配方奶组，在呕吐、恶心、疝气以及腹泻相关疾病发生率方面显著低于对照组。然而，摄入乳铁蛋白对早期早产儿（胎龄小于32 周）的意义或许不大。近年，于英国进行的大型临床试验表明：管饲摄入乳铁蛋白（150～300 mg/kg/d）并不能降低早期早产儿迟发性感染的风险，也不能降低相关发病率和死亡率[34]。另一加拿大的临床试验也发现：出生体重极低的婴儿摄入添加乳铁蛋白（200 mg/kg/d）的母乳或配方奶粉不能降低婴儿发病率和死亡率[35]。近年来，有研究表明，乳铁蛋白对肠道健康具有调节作用，能够调节肠道菌群，通过抑制有害菌的生长，促进有益菌（如嗜酸乳杆菌和双歧杆菌）的生长，从而通过调节肠道菌群的平衡来维护肠道健康[29-30，36]。国内杨雪珍等[37]研究表明，同等剂量水平的人乳铁蛋白和牛乳铁蛋白均能显著增加小鼠肠道的双歧杆菌和乳杆菌含量，促进肠道健康。

另外，动物和细胞试验表明，乳铁蛋白还能通过破坏肿瘤细胞膜，引起细胞凋亡，阻断细胞周期，促进细胞免疫反应等发挥抗肿瘤作用[16，38]。研究者主要通过动物和细胞试验，比较不同浓度的乳铁蛋白对肿瘤细胞增殖、迁移的影响，发现乳铁蛋白可能通过调节各种激酶的磷酸化和激活相关的信号传导通路而抑制抗肿瘤[39-40]。还有研究表明，乳铁蛋白可促进脂肪细胞的增殖分化，影响脂质代谢[41]。另外，Guo 等[42]发现乳铁蛋白通过促进成骨细胞的分化，显著缓解绝经后大鼠的骨质疏松，促进正常小鼠的骨密度。乳铁蛋白参与铁代谢、抗肿瘤、抗炎及调节脂肪细胞生理功能的研究主要集中在细胞和动物领域，而在人体临床方面的研究较少或缺乏。

4 免疫球蛋白

免疫球蛋白来源于血液和局部浆细胞，是牛乳中最重要的免疫成分。免疫球蛋白在牛初乳中占总蛋白质的70%～80%，而在常乳中占总蛋白质的1%～2%[2，43]。初乳和常乳中这种含量差异可能与母体为新生的哺乳动物提供抗体，维持其体液免疫应答的能力有关[44-46]。牛乳中的免疫球蛋白主要为IgG、IgA 和IgM。其中IgG 的含量最高，占初乳中总免疫球蛋白的80%以上，是母体向幼崽传递特异性免疫力的主要载体[47-49]。IgG、IgA、IgM 的分子质量分别为150，160，900 ku，它们的基本结构相似，都由4 条多肽链组成对称性结构，包括2条相同的重链和2 条相同的轻链，以二硫键连接形成Y 型分子结构[50]。IgM 在牛乳中的含量较少，IgM 与IgG 比较而言，能够更有效活化补体，调节病原微生物和中和毒素[51]。牛乳中IgA 的含量与人乳中的含量相比却很少，IgA 对防止体表或黏膜表面的微生物感染具有重要意义。

免疫球蛋白是一类天然的具有抗体性质的球蛋白，是一种重要的免疫因子，能抵抗入侵的细菌、病毒等致病菌，并刺激特殊的反应以帮助机体抵抗疾病[52-54]。临床研究表明，牛初乳中的免疫球蛋白能够提高婴幼儿的呼吸道感染治愈率，从而避免其肺炎的患病率[26]。同时，对因轮状病毒引起的儿童腹泻，澳大利亚的临床研究表明，定期强化少量高浓度抗体乳清，能够保护儿童不受轮状病毒的感染[55]。在成年人体内，牛乳免疫球蛋白的主要作用在于识别和抵抗入侵的细菌和病毒等病原体，在增强机体的免疫能力、预防杀死肿瘤细胞等方面发挥重要的作用[25，56-57]。He 等[58]选择18 名健康志愿者通过临床上口服牛初乳的试验发现，虽然干预组与对照组在IgG、IgA 和IgM 的血液浓度上未出现显著差异，但是食用牛初乳的试验组的人体肠道IgA 有明显增加的趋势，由此可以推测牛初乳中的免疫球蛋白对增强人体特异性免疫有促进作用。美国马里兰大学医学院Carol 研究者通过双盲试验证实：从牛乳中提取的免疫球蛋白可用于健康人群志贺菌病的预防工作[15，59]；Filler 等[60]通过临床人群干预试验发现，使用含有特异性牛乳抗体的漱口水可显著降低人体口腔中细菌的数量，从而清洁口腔，减少患口腔疾病的风险。有研究表明，人类母乳中IgG 可与抗原结合形成复合物，从而阻止过敏性疾病，如哮喘的发生；而牛乳中IgG 是否能起到相同的作用还有待论证[61]。

5 热加工工艺对牛乳乳清蛋白活性的影响

随着牛乳中活性蛋白与人体健康研究的不断深入，乳品加工技术的不断革新，目前，以最大限度保留乳源活性成分的乳品开发成为全球乳业发展的重要趋势之一，这也为行业创新发展提出了新的要求。

由于牛乳营养丰富，是微生物生长繁殖的良好介质，容易受到微生物的污染，不经加工处理的牛乳贮藏非常困难，因此对牛乳进行热加工处理成为保存牛乳的必要手段。热加工处理能够有效杀死微生物和酶的活性，同时也会使乳中的活性蛋白发生部分变性，导致牛乳活性蛋白的某类特定的活性功能损失。目前常用的液态奶热加工方法主要有巴氏杀菌工艺（Pasteurization）和超高温瞬时灭菌工艺（Ultra-High Temperature，UHT），以及近年来兴起的蒸汽浸入式瞬时杀菌工艺（Infusion Technology，INF）。巴氏杀菌是采用72～80℃，15 s 的温度-时间组合（或其它等效温度-时间组合）工艺，在有效杀灭病原性微生物的同时，产生最低程度的化学、物理以及感官变化的加工方法。其较好地保留了牛乳中的活性蛋白，然而，不能杀灭乳中的耐热菌和芽孢，需在2～6 ℃存放，保存时间较短。超高温瞬时灭菌是采用130 ℃以上3～10 s 的工艺，将乳中引起牛乳变质的微生物全部杀灭，并同时将引起牛乳变化的酶类灭活的工艺。超高温瞬时灭菌的产品可常温保存较长时间，延长了产品货架期，然而，该技术不能很好地保留牛乳中的活性蛋白。蒸汽浸入式瞬时杀菌技术采用热处理157 ℃，0.09 s 的温度-时间组合工艺，在较好地保留牛乳中活性蛋白含量的同时，延长了牛乳的货架期，具有重要的应用价值[62]。

有研究表明，不同的活性蛋白对热处理的敏感性存在一定差异，牛乳活性蛋白中，免疫球蛋白热敏性较高，且其结合抗体的位点较其它部分热敏性高[5，7]。牛乳中蛋白质变性的程度和速度也受牛乳中其它成分的影响，例如κ-酪蛋白含量高会令β-乳球蛋白热稳性降低；反之，乳糖和棕榈酸的存在则有助于β-乳球蛋白增强热稳性[8]。此外，在乳粉加工中，若β-乳球蛋白存在，则α-乳白蛋白易变性；若乳铁蛋白存在，则β-乳球蛋白易变性[10]。72 ℃，15 s 巴氏杀菌时，乳铁蛋白的抗菌活性基本不受影响，而135 ℃，4 s 杀菌处理则会大大降低乳铁蛋白的抑菌活性[63]。乳铁蛋白的失活速率与铁饱和度有关，铁饱和度高的乳铁蛋白热稳性强[1]。热处理时温度越高，铁的流失程度越高。乳铁蛋白在高温处理时失活更快[2，4]。有研究表明乳铁蛋白和其它乳清蛋白，尤其是与β-乳球蛋白形成聚合物的能力也受到铁饱和度影响，铁饱和度低的乳铁蛋白在热处理过程中会形成大块沉淀物，不利于其正常吸收[6]。值得注意的是，乳铁蛋白的热稳性的差异也与牛奶来源有关，主要因为与不同奶源的乳铁蛋白铁饱和度不同[2]。α-乳白蛋白的热力学转变温度为66 ℃，其变性温度为96 ℃；β-乳球蛋白的变性温度75 ℃；而在热处理30 min的条件下，免疫球蛋白的变性温度为70 ℃[64]。研究表明，基于溶解度损失率测定乳清蛋白热稳定性，其热稳定性从高到低为α-乳白蛋白＞β-乳球蛋白＞血清白蛋白＞免疫球蛋白。

2018年，《国务院办公厅关于推进奶业振兴保障乳品质量安全的意见》[65]提出：要支持企业开展产品创新研发，优化加工工艺，完善质量安全管理体系，增强运营管理能力，降低生产成本，提升产品质量和效益[66]。近年来，在国家相关政策及科技创新的共同驱动下，我国乳品行业以研发保留更多活性蛋白的乳品为重要抓手，积极推进优质奶源、最佳杀菌工艺和冷链物流等全产业链质量管理水平的升级。一系列较好保留活性蛋白的创新产品不断出现，不仅满足了消费者多样化的健康需求，也提升了乳制品行业的整体竞争力。

6 结语

综上所述，牛乳乳清蛋白中富含功能活性蛋白，对人体健康发挥了重要作用，然而，目前我国相关基础研究及产业化应用与发达国家相比仍有差距[67]。科技与产业界需进一步明确活性蛋白的健康功能，通过分子生物学与多组学等技术阐明牛乳中活性蛋白的分子营养机制，建立乳与乳制品作为精准营养功能承载体的方法与工程技术体系。

志谢

感谢农业农村部食物与营养发展研究所王加启研究员，南开大学王硕教授，北京大学张玉梅教授，上海理工大学艾连中教授在文章撰写过程中给予的指导和帮助。