王 蓓，唐艷斌，張 炎，王世杰，羅江釗，孟繁宇，任發(fā)政，丁鋼強*

（1 北京工商大學食品與健康學院 北京1000482 中國疾病預防控制中心營養(yǎng)與健康所 北京100050 3 甘肅農業(yè)大學食品科學與工程學院 蘭州7300704 河北科技大學食品與生物學院 石家莊050018 5 中國食品科學技術學會 北京1000486 中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院 北京100083）

牛乳被認為是自然界最完整的食物[1]，不僅是哺乳動物的營養(yǎng)來源，也是人類重要的營養(yǎng)來源[2]，它營養(yǎng)均衡、易于吸收，富含多種功能蛋白及小分子活性物質，如α-乳白蛋白、免疫球蛋白、乳鐵蛋白、低聚糖、共軛亞油酸等。尤其是后疫情時代的到來，牛乳的營養(yǎng)功能受到社會各界的廣泛認可，其中乳蛋白在乳的健康功能中發(fā)揮著重要的作用。2020年，國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布《新型冠狀病毒感染的肺炎防治營養(yǎng)膳食指導》，倡導人們食用各類乳及乳制品，通過攝入牛乳補充優(yōu)質蛋白質。牛乳蛋白質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、乳鐵蛋白、骨橋蛋白、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。有研究發(fā)現(xiàn)，乳清蛋白具有調節(jié)免疫、抑菌、調控乳糖吸收等豐富的生理功能，因此乳清蛋白被稱為乳中的活性蛋白，這類活性蛋白對人體的新陳代謝、營養(yǎng)健康具有重要作用，也成為近年來科技界與產業(yè)界關注的熱點。本文綜述國內外牛乳乳清中活性蛋白的功能研究進展，探討熱加工處理對乳清蛋白的活性影響，旨在為我國牛乳乳清蛋白的功能活性基礎研究以及乳功能基料的產業(yè)化提出新思路，為乳品行業(yè)技術創(chuàng)新指明方向。

1 α-乳白蛋白

α-乳白蛋白（也稱α-乳清蛋白）由乳腺上皮細胞粗面內質網合成，是牛乳乳清含量第二多的蛋白質，約占總乳清蛋白的20%，在牛初乳中質量濃度約為3.0 g/L，在常乳中的質量濃度約為1.2 g/L[3]。α-乳白蛋白由123 個氨基酸殘基組成，分子質量約為14.2 ku，等電點為4.2～4.5[4]。天然的α-乳白蛋白的結構由兩個部分組成：1 個大的α-螺旋結構域和1 個小的β-折疊結構域，它們通過鈣結合環(huán)連接[5-6]。其三級結構與溶菌酶相似。自然狀態(tài)下，牛乳α-乳白蛋白是一種與鈣結合緊密的單體球蛋白，每分子蛋白結合1 個Ca2+[7]。α-乳白蛋白調節(jié)乳糖的合成，通過促進葡萄糖與β-1，4-半乳糖基轉移酶的結合，催化泌乳期間半乳糖向葡萄糖的轉移，從而產生乳糖[8]。

α-乳白蛋白具有很高的營養(yǎng)價值，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，它也是豐富的支鏈氨基酸來源，包含10.4%的亮氨酸，6.4%的異亮氨酸和4.2%的纈氨酸，其氨基酸組成被認為是生物體最佳的組成[1，9]。牛乳中的α-乳白蛋白及其水解產物與母乳中α-乳白蛋白的氨基酸序列高度同源（74%），可用作嬰兒配方食品的補充品[1]，提高配方食品中蛋白質組成及氨基酸水平，使其更大程度地接近母乳水平。研究表明，富含α-乳白蛋白的嬰兒配方粉可以提高嬰兒蛋白質的利用率，降低腎臟負擔[9]。另外，睡眠障礙者晚上攝入α-乳白蛋白可顯著縮短入睡時間，提高次日大腦的持續(xù)注意力，瞌睡次數(shù)顯著減少，睡眠障礙患者的睡眠得以改善[10-11]。以壓力脆弱人群為對象的人體臨床研究顯示，富含α-乳白蛋白的飲食能夠有效緩解研究對象的壓力，并能顯著減少該人群的抑郁情緒[9]。此外，α-乳白蛋白是許多生物活性肽的良好來源，如血管緊張素轉換酶-I 抑制劑、阿片類物質和抗菌肽等[1]。天然狀態(tài)的α-乳白蛋白在C18：1脂肪酸存在的條件下具有殺菌活性，乳白蛋白的異構體對肺炎鏈球菌具有殺滅效果。另外，α-乳白蛋白還具有防止胃黏膜損傷，調節(jié)腸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豐富的一種蛋白質，由乳腺上皮細胞合成，約占牛乳總蛋白含量的10%，占乳清蛋白總量的50%。在牛初乳中質量濃度約為8.0 g/L，常乳中約為3.3 g/L[3]。β-乳球蛋白由162 個氨基酸組成，分子質量為18.3 ku，等電點pH 5.1～5.2[15]。β-乳球蛋白的一級結構中含有5 個半胱氨酸殘基，其中4 個半胱氨酸殘基組成2 個二硫鍵，其二級結構由9 條β 鏈（分別命名為鏈A-I）和1 個α 螺旋組成。9 條β 折疊鏈中的8 個（鏈A-H）經折疊后一端閉合，構成以β-桶為主的三級結構，該結構也被稱為“花萼結構（Calyx）”。在β-桶結構的另一端，由兩條鏈段（鏈E、F）形成一個結構可變的環(huán)狀結構，其可以根據(jù)蛋白質所處pH 值的不同而改變花萼結構的閉合程度，從而決定β-桶中是否暴露可結合配體。而第9條鏈段（鏈I）中含有形成二聚體界面的重要部分，并在二聚體相互作用中起關鍵作用[14]。在鮮牛乳中，β-乳球蛋白是由天然的單體和二聚體形式共存，蛋白質濃度不同，單體和二聚體的比例也會變化[16]。

β-乳球蛋白屬于一種脂質轉運蛋白，具有多個結合位點，包括β-乳球蛋白分子內部的疏水內腔和表面的疏水裂縫，因此對脂溶性維生素、脂肪酸及多酚類生物活性物質都具有極高的親和性，能夠防止這些生物活性物質的氧化降解，提高其在機體內的轉運效率，并促進這些物質的吸收[16-18]。β-乳球蛋白可溶性強，具有很強的凝膠和乳化功能，能與維生素A 等脂溶性維生素和脂肪酸結合，可作為輔助性配料用于乳制品或其它食品中，改善產品的風味、質構，促進營養(yǎng)物質的吸收[19]。β-乳球蛋白是氨基酸的重要來源，同時也是一些生物活性肽，如β-乳球蛋白源血管緊張素轉換酶（ACE）抑制肽、降血壓肽、抗菌肽的重要來源[12，20]。此外，有研究表明，β-乳球蛋白可能在新生兒的免疫調節(jié)和被動免疫中發(fā)揮作用[1，21]。這尚需深入的研究來確證。

3 乳鐵蛋白

乳鐵蛋白是由乳腺上皮細胞表達和分泌的一種非血紅素鐵結合糖蛋白，與血清轉鐵蛋白、卵轉鐵蛋白、黑素鐵蛋白一起屬于轉鐵蛋白家族，存在于牛初乳、常乳、其它體液和嗜中性白細胞中[3]。牛初乳中乳鐵蛋白的平均質量濃度約為1.5 g/L（范圍0.2～5 g/L），常乳中平均質量濃度僅0.1 g/L（范圍0.07～1.2 g/L）[1]。乳鐵蛋白是由單一多肽鏈（約700 個氨基酸殘基）組成的一種糖蛋白，分子質量為80 ku[22-23]。牛乳鐵蛋白與人乳鐵蛋白在結構上有些相似，其氨基酸組成約70%相似。在結構上乳鐵蛋白由一條多肽鏈折疊成2 個對稱葉（N 葉和C 葉），其呈球狀并具有類似折疊，每個葉能與Fe3+離子結合，結合量為1.4 mg 鐵/g 蛋白質[24-27]。

乳鐵蛋白是一種重要的宿主防御分子，具有多種生理功能[28]。因乳鐵蛋白的自身結構，其能夠參與鐵代謝[29]。它表現(xiàn)在具有很強的鐵親和能力，能夠高效螯合鐵離子，穩(wěn)定還原態(tài)鐵離子并對其進行運輸，這對哺乳動物從腸道中吸收鐵離子至關重要[5，30]。另外，乳鐵蛋白通過螯合殘存在體內過量的鐵而減少鐵沉積，從而有效減弱鐵對細胞的毒副作用，在防治神經退行性疾病上具有重要作用[1，13]。乳鐵蛋白作為一種廣譜抑菌劑，具有廣譜的抗菌活性。大量臨床人群干預數(shù)據(jù)證明，乳鐵蛋白的攝入有助于降低嬰幼兒、兒童的腹瀉發(fā)病率[31]。Ochoa 等[32]在秘魯開展了12～18月齡健康嬰幼兒的雙盲試驗，評估乳鐵蛋白對嬰幼兒腹瀉的影響，結果顯示，與安慰劑組相比，試驗組的腹瀉發(fā)病率、腹瀉時間均顯著降低。此外，Chen 等[33]在中國開展的隨機試驗，發(fā)現(xiàn)4～6月齡嬰兒強化乳鐵蛋白的配方奶組，在嘔吐、惡心、疝氣以及腹瀉相關疾病發(fā)生率方面顯著低于對照組。然而，攝入乳鐵蛋白對早期早產兒（胎齡小于32 周）的意義或許不大。近年，于英國進行的大型臨床試驗表明：管飼攝入乳鐵蛋白（150～300 mg/kg/d）并不能降低早期早產兒遲發(fā)性感染的風險，也不能降低相關發(fā)病率和死亡率[34]。另一加拿大的臨床試驗也發(fā)現(xiàn)：出生體重極低的嬰兒攝入添加乳鐵蛋白（200 mg/kg/d）的母乳或配方奶粉不能降低嬰兒發(fā)病率和死亡率[35]。近年來，有研究表明，乳鐵蛋白對腸道健康具有調節(jié)作用，能夠調節(jié)腸道菌群，通過抑制有害菌的生長，促進有益菌（如嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌）的生長，從而通過調節(jié)腸道菌群的平衡來維護腸道健康[29-30，36]。國內楊雪珍等[37]研究表明，同等劑量水平的人乳鐵蛋白和牛乳鐵蛋白均能顯著增加小鼠腸道的雙歧桿菌和乳桿菌含量，促進腸道健康。

另外，動物和細胞試驗表明，乳鐵蛋白還能通過破壞腫瘤細胞膜，引起細胞凋亡，阻斷細胞周期，促進細胞免疫反應等發(fā)揮抗腫瘤作用[16，38]。研究者主要通過動物和細胞試驗，比較不同濃度的乳鐵蛋白對腫瘤細胞增殖、遷移的影響，發(fā)現(xiàn)乳鐵蛋白可能通過調節(jié)各種激酶的磷酸化和激活相關的信號傳導通路而抑制抗腫瘤[39-40]。還有研究表明，乳鐵蛋白可促進脂肪細胞的增殖分化，影響脂質代謝[41]。另外，Guo 等[42]發(fā)現(xiàn)乳鐵蛋白通過促進成骨細胞的分化，顯著緩解絕經后大鼠的骨質疏松，促進正常小鼠的骨密度。乳鐵蛋白參與鐵代謝、抗腫瘤、抗炎及調節(jié)脂肪細胞生理功能的研究主要集中在細胞和動物領域，而在人體臨床方面的研究較少或缺乏。

4 免疫球蛋白

免疫球蛋白來源于血液和局部漿細胞，是牛乳中最重要的免疫成分。免疫球蛋白在牛初乳中占總蛋白質的70%～80%，而在常乳中占總蛋白質的1%～2%[2，43]。初乳和常乳中這種含量差異可能與母體為新生的哺乳動物提供抗體，維持其體液免疫應答的能力有關[44-46]。牛乳中的免疫球蛋白主要為IgG、IgA 和IgM。其中IgG 的含量最高，占初乳中總免疫球蛋白的80%以上，是母體向幼崽傳遞特異性免疫力的主要載體[47-49]。IgG、IgA、IgM 的分子質量分別為150，160，900 ku，它們的基本結構相似，都由4 條多肽鏈組成對稱性結構，包括2條相同的重鏈和2 條相同的輕鏈，以二硫鍵連接形成Y 型分子結構[50]。IgM 在牛乳中的含量較少，IgM 與IgG 比較而言，能夠更有效活化補體，調節(jié)病原微生物和中和毒素[51]。牛乳中IgA 的含量與人乳中的含量相比卻很少，IgA 對防止體表或黏膜表面的微生物感染具有重要意義。

免疫球蛋白是一類天然的具有抗體性質的球蛋白，是一種重要的免疫因子，能抵抗入侵的細菌、病毒等致病菌，并刺激特殊的反應以幫助機體抵抗疾病[52-54]。臨床研究表明，牛初乳中的免疫球蛋白能夠提高嬰幼兒的呼吸道感染治愈率，從而避免其肺炎的患病率[26]。同時，對因輪狀病毒引起的兒童腹瀉，澳大利亞的臨床研究表明，定期強化少量高濃度抗體乳清，能夠保護兒童不受輪狀病毒的感染[55]。在成年人體內，牛乳免疫球蛋白的主要作用在于識別和抵抗入侵的細菌和病毒等病原體，在增強機體的免疫能力、預防殺死腫瘤細胞等方面發(fā)揮重要的作用[25，56-57]。He 等[58]選擇18 名健康志愿者通過臨床上口服牛初乳的試驗發(fā)現(xiàn)，雖然干預組與對照組在IgG、IgA 和IgM 的血液濃度上未出現(xiàn)顯著差異，但是食用牛初乳的試驗組的人體腸道IgA 有明顯增加的趨勢，由此可以推測牛初乳中的免疫球蛋白對增強人體特異性免疫有促進作用。美國馬里蘭大學醫(yī)學院Carol 研究者通過雙盲試驗證實：從牛乳中提取的免疫球蛋白可用于健康人群志賀菌病的預防工作[15，59]；Filler 等[60]通過臨床人群干預試驗發(fā)現(xiàn)，使用含有特異性牛乳抗體的漱口水可顯著降低人體口腔中細菌的數(shù)量，從而清潔口腔，減少患口腔疾病的風險。有研究表明，人類母乳中IgG 可與抗原結合形成復合物，從而阻止過敏性疾病，如哮喘的發(fā)生；而牛乳中IgG 是否能起到相同的作用還有待論證[61]。

5 熱加工工藝對牛乳乳清蛋白活性的影響

隨著牛乳中活性蛋白與人體健康研究的不斷深入，乳品加工技術的不斷革新，目前，以最大限度保留乳源活性成分的乳品開發(fā)成為全球乳業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，這也為行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提出了新的要求。

由于牛乳營養(yǎng)豐富，是微生物生長繁殖的良好介質，容易受到微生物的污染，不經加工處理的牛乳貯藏非常困難，因此對牛乳進行熱加工處理成為保存牛乳的必要手段。熱加工處理能夠有效殺死微生物和酶的活性，同時也會使乳中的活性蛋白發(fā)生部分變性，導致牛乳活性蛋白的某類特定的活性功能損失。目前常用的液態(tài)奶熱加工方法主要有巴氏殺菌工藝（Pasteurization）和超高溫瞬時滅菌工藝（Ultra-High Temperature，UHT），以及近年來興起的蒸汽浸入式瞬時殺菌工藝（Infusion Technology，INF）。巴氏殺菌是采用72～80℃，15 s 的溫度-時間組合（或其它等效溫度-時間組合）工藝，在有效殺滅病原性微生物的同時，產生最低程度的化學、物理以及感官變化的加工方法。其較好地保留了牛乳中的活性蛋白，然而，不能殺滅乳中的耐熱菌和芽孢，需在2～6 ℃存放，保存時間較短。超高溫瞬時滅菌是采用130 ℃以上3～10 s 的工藝，將乳中引起牛乳變質的微生物全部殺滅，并同時將引起牛乳變化的酶類滅活的工藝。超高溫瞬時滅菌的產品可常溫保存較長時間，延長了產品貨架期，然而，該技術不能很好地保留牛乳中的活性蛋白。蒸汽浸入式瞬時殺菌技術采用熱處理157 ℃，0.09 s 的溫度-時間組合工藝，在較好地保留牛乳中活性蛋白含量的同時，延長了牛乳的貨架期，具有重要的應用價值[62]。

有研究表明，不同的活性蛋白對熱處理的敏感性存在一定差異，牛乳活性蛋白中，免疫球蛋白熱敏性較高，且其結合抗體的位點較其它部分熱敏性高[5，7]。牛乳中蛋白質變性的程度和速度也受牛乳中其它成分的影響，例如κ-酪蛋白含量高會令β-乳球蛋白熱穩(wěn)性降低；反之，乳糖和棕櫚酸的存在則有助于β-乳球蛋白增強熱穩(wěn)性[8]。此外，在乳粉加工中，若β-乳球蛋白存在，則α-乳白蛋白易變性；若乳鐵蛋白存在，則β-乳球蛋白易變性[10]。72 ℃，15 s 巴氏殺菌時，乳鐵蛋白的抗菌活性基本不受影響，而135 ℃，4 s 殺菌處理則會大大降低乳鐵蛋白的抑菌活性[63]。乳鐵蛋白的失活速率與鐵飽和度有關，鐵飽和度高的乳鐵蛋白熱穩(wěn)性強[1]。熱處理時溫度越高，鐵的流失程度越高。乳鐵蛋白在高溫處理時失活更快[2，4]。有研究表明乳鐵蛋白和其它乳清蛋白，尤其是與β-乳球蛋白形成聚合物的能力也受到鐵飽和度影響，鐵飽和度低的乳鐵蛋白在熱處理過程中會形成大塊沉淀物，不利于其正常吸收[6]。值得注意的是，乳鐵蛋白的熱穩(wěn)性的差異也與牛奶來源有關，主要因為與不同奶源的乳鐵蛋白鐵飽和度不同[2]。α-乳白蛋白的熱力學轉變溫度為66 ℃，其變性溫度為96 ℃；β-乳球蛋白的變性溫度75 ℃；而在熱處理30 min的條件下，免疫球蛋白的變性溫度為70 ℃[64]。研究表明，基于溶解度損失率測定乳清蛋白熱穩(wěn)定性，其熱穩(wěn)定性從高到低為α-乳白蛋白＞β-乳球蛋白＞血清白蛋白＞免疫球蛋白。

2018年，《國務院辦公廳關于推進奶業(yè)振興保障乳品質量安全的意見》[65]提出：要支持企業(yè)開展產品創(chuàng)新研發(fā)，優(yōu)化加工工藝，完善質量安全管理體系，增強運營管理能力，降低生產成本，提升產品質量和效益[66]。近年來，在國家相關政策及科技創(chuàng)新的共同驅動下，我國乳品行業(yè)以研發(fā)保留更多活性蛋白的乳品為重要抓手，積極推進優(yōu)質奶源、最佳殺菌工藝和冷鏈物流等全產業(yè)鏈質量管理水平的升級。一系列較好保留活性蛋白的創(chuàng)新產品不斷出現(xiàn)，不僅滿足了消費者多樣化的健康需求，也提升了乳制品行業(yè)的整體競爭力。

6 結語

綜上所述，牛乳乳清蛋白中富含功能活性蛋白，對人體健康發(fā)揮了重要作用，然而，目前我國相關基礎研究及產業(yè)化應用與發(fā)達國家相比仍有差距[67]。科技與產業(yè)界需進一步明確活性蛋白的健康功能，通過分子生物學與多組學等技術闡明牛乳中活性蛋白的分子營養(yǎng)機制，建立乳與乳制品作為精準營養(yǎng)功能承載體的方法與工程技術體系。

志謝

感謝農業(yè)農村部食物與營養(yǎng)發(fā)展研究所王加啟研究員，南開大學王碩教授，北京大學張玉梅教授，上海理工大學艾連中教授在文章撰寫過程中給予的指導和幫助。