β-乳球蛋白的聚合及特性研究進展

謝秀玲，李 欣，陳紅兵

（1.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2.南昌大學中德聯合研究院，江西 南昌 330047；3.南昌 大學食品學院，江西 南昌 330047）

β-乳球蛋白的聚合及特性研究進展

謝秀玲1，2，3，李 欣1，3，陳紅兵1，2，*

（1.南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047；2.南昌大學中德聯合研究院，江西 南昌 330047；3.南昌 大學食品學院，江西 南昌 330047）

自然狀態下，牛乳β-乳球蛋白聚合體的出現是蛋白聚合行為的結果，值得高度關注。β-乳球蛋白聚合受內部和外部雙重因素的制約，二硫鍵是聚合的內部因素，而外部因素主要包括溫度、pH值、離子強度、蛋白濃度等。隨著β-乳球蛋白結構的改變，相應的特性也隨之變化。其中，理化特性的變化包括熱穩定性、濁度、流變特性、聚合體的形態及顆粒大小等，生物特性的變化主要涉及消化特性和免疫特性。本文對牛乳β-乳球蛋白聚合行為研究的綜述將有助于β-乳球蛋白聚合體的開發利用。

β-乳球蛋白；蛋白聚合；聚合體

β-乳球蛋白是反芻動物乳清中最主要的蛋白質，約占乳清蛋白總量的50 %。β-乳球蛋白分子質量約為18.3 kD，等電點是5.3，由162 個氨基酸組成。其中有4 個半胱氨酸形成 2 個二硫鍵，分別是66～160 位、106～119 位，前者位于蛋白分子表面；后者包埋于分子內部；而121 位游離的半胱氨酸則是埋藏在分子內部[1]。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。研究 發現，當蛋白質濃度高于50 mmol/L，β-乳球蛋白是以天然的二聚 體形式存在[2]。

一般 情況下，β-乳球蛋白有A、B、C、D、E、H、I、J、W 9 種亞型，最主要的是亞型A（MW18.363 kD，pI 5.26）和B（MW18.276 kD，pI 5.34）[3]。A和B兩種亞型僅在64 位（纈氨酸ValA-丙氨酸AlaB）和118 位（天冬氨酸AspA-甘氨酸GlyB）上有差異[4]。其中B亞型疏水性較低，游離半胱氨酸殘基的穩定性較低，易發生不可逆變性，這主要是由于B亞型上64 位丙氨酸的替換導致其性質的變化[5]。另外，不同地區不同品種的奶牛乳中β-乳球蛋白亞型種類也有所不同。

1 1 β-乳球蛋白聚合體研究進展

1.1 β-乳球蛋白聚合的機制

目前β-乳球蛋白聚合方式可以分為兩種：1）共價鍵聚合，即分子間主要以二硫鍵形式結合；2）非共價鍵聚合，即通過氫鍵、靜電作用力、范德華力聚合在一起[6]。其中前者是β-乳球蛋白聚合的主要方式。天然狀態下，包埋在分子內部的121 位半胱氨酸殘基性質穩定，分子間不會形成二硫鍵。但是當β-乳球蛋白變性，內部結構改變，自由巰基暴露在蛋白質表面發生氧化[7]，就有利于分子間二硫鍵的形成或分子內二硫鍵的交換，形成二聚體、三聚體等低聚體或高聚物。而后者通常伴隨前者同時發生，或當巰基活性較低時，β-乳球蛋白則以靜電斥力等非共價鍵形成聚合物[6]。

1.2 β-乳球蛋白聚合的影響因素

目前，誘導β-乳球蛋白聚合的因素分為內部因素和外部因素。內部因素主要是β-乳球蛋白中游離的半胱氨酸、疏水性氨基酸和帶電荷的氨基酸等。外部因素主要有溫度、pH值、離子強度、蛋白質濃度等。在β-乳球蛋白內部結構的基礎上，外部因素誘導蛋白質變性，肽鏈伸展，發生去折疊，使原來包裹在分子內部的自由巰基、二硫鍵以及疏水性功能基團等暴露，導致相鄰的分子通過二硫鍵、氫鍵、疏水作用、范德華力以及靜電斥力等使β-乳球蛋白聚集。

1.2.1 溫度對β-乳球蛋白聚合的影響

在中性pH值條件下，溫度是影響β-乳球蛋白聚合的一個主要因素。根據目前研究進展，溫度誘導β-乳球蛋白聚合的模式是：室溫條件下，溶液狀態的β-乳球蛋白是以天然單體和二聚體存在[8]；溫度升高至4 0～55 ℃，β-乳球蛋白三級結構發生細 微的變化，形成“R-態”，有微弱的聚合趨勢[9]；當溫度達到60～70 ℃時，β-乳球蛋白結構 發生可逆的展開，三級結構的非共價鍵發生變化，蛋白經過Tanford過渡，變成“熔融態”，此時，β-乳球蛋白可通過暴露的自由巰基發生分子間聚合[10]；80～90 ℃時，“熔融態”的形成停止；當溫度超過130～140 ℃，β-乳球蛋白發生不可逆的變性，二級結構改變，此時β-乳球蛋白極易發生聚合[11]。

A y m a r d等[12]研究表明，當溫度逐漸升高（5～76 ℃）時，β-乳球蛋白天然的單體和二聚體之間的平衡改變，β-乳球蛋白分子間聚合速率逐漸增大。Iametti等[13]也得出相似的結果，當溫度在70～80 ℃時，疏水性基團和自由巰基暴露，β-乳球蛋白單體與非天然二聚體的轉化極其活躍；當溫度繼續升高至95 ℃時，其聚合速率呈指數增加，最終達到穩定狀態，而且此時天然蛋白單體基本消失。Creamer等[14]研究發現當溫度在85 ℃時，天然β-乳球蛋白二聚體的二硫鍵斷裂，解離成兩種非天然的單體，導致121位半胱氨酸和119位半胱氨酸分別暴露在兩個單體的表面。隨著研究的深入，Etri等[15]證明，暴露121位半胱氨酸的單體易通過分子間二硫鍵再形成新的聚合物。而且也發現通過對β-乳球蛋白熱處理后，一些氨基酸殘基活性增強，疏水性區域暴露，聚合物通過共價鍵和非共價鍵同時形成。另外，Stanciuc等[16]也得出β-乳球蛋白經熱處理后，熒光強度增強，推測可能是包埋在內部的19、61位色氨酸暴露導致。

實際上，根據目前對溫度誘導β-乳球蛋白聚合的研究，其影響機理主要符合上述聚合模式。隨著溫度的改變，β-乳球蛋白內部結構變化，從而使特定氨基酸暴露或隱藏，最終誘導蛋白發生聚合。因此，作為β-乳球蛋白聚合的影響因素之一，溫度的誘導機理的探明為β-乳球蛋白聚合體的開發提供科學的理論依據。

1.2.2 pH值對β-乳球蛋白聚合的影響

pH值對β-乳球蛋白聚合的影響很早就有報道，在不同的pH值的條件下，β-乳球蛋白聚合體的種類不同，包括二聚體、三聚體等低聚體和高聚物[17]。如Sawyer等[18]得出，當pH值為2.0、3.0時，β-乳球蛋白主要以單體形式存在。Fennema等[19]也發現當pH值低于3.5時，二聚體解離成單體；pH值在3.5～5.2之間，二聚體四聚化形成八聚體；而pH值在5.2～7.5之間時，以天然的單體和二聚體共同存在，且pH值的變化對其聚合影響不明顯；而pH值高于7.5時，二聚體又解離形成構象變化的膨脹單體。當然，也有一些不同報道， 如Mehalebi等[20]指出當pH值在5.8～9.0時，主要存在非天然的單體和低聚體，且當β-乳球蛋白的質量濃度在1～10 g/L 時，pH值的變化對聚合物的存在狀態影響不明顯。此外，Yan等[21]對β-乳球蛋白的聚合機理進一步研究發現，在等電點pI 5.3附近，β-乳球蛋白聚合有兩個階段：第一階段是先形成小的低聚體即核心，第二階段是核心開始慢慢延伸擴大形成高聚物。

目前pH值對β-乳球蛋白聚合的影響機理尚不完全清晰，沒有詳實的理論與實驗支持，仍值得深入探索。

1.2.3 鹽離子濃度對β-乳球蛋白聚合的影響

鹽離子濃度對β-乳球蛋白聚合的影響主要是通過改變溶液中蛋白質的電荷分布，使β-乳球蛋白以非共價鍵的方式形成，而且形成的聚合物多以低聚體為主。如，Aymard等[12]研究鹽離子濃度對β-乳球蛋白的聚合的影響時發現，隨著鹽離子濃度的增加，β-乳球蛋白中單體和二聚體平衡被破壞，二聚體含量逐漸增加。他推測由于鹽離子的加入，使蛋白分子所帶的電荷重新分布。同時，Muhammad等[22]研究得出，NaCl可以催化變性的β-乳球蛋白單體進行非共價鍵聚合，他指出可能由于高濃度的鹽離子修飾蛋白的精細結構，改變蛋白表面特性，從而促進蛋白的聚合。另外，O’Kennedy等[23]在研究金屬離子對β-乳球蛋白的影響時也發現，NaCl能催化Ca2+誘導β-乳球蛋白的聚合。

由于在β-乳球蛋白的提取、加工及應用領域中，蛋白緩沖體系大多離不開鹽離子的參與，故解析鹽離子對其聚合過程把握非常關鍵。很遺憾，鹽離子對β-乳球蛋白影響過程還未十分明了，相關研究較少。因此，仍需加大對此因素的深入探究。

1.2.4 金屬離子對β-乳球蛋白聚合的影響

表1 牛乳中主要礦物質元素含量[24]Table 1 Concentrations of mineral elements in milk[[2244]]

新鮮牛乳中，礦物質含量極其豐富（表1）。金屬離子對牛乳中β-乳球蛋白聚合的影響越來越多，尤其是對于Ca2＋的研究最多。如，Phan-Xuan等[25]提出，Ca2＋誘導β-乳球蛋白聚合有3 種機理：1）二價陽離子與鄰近的帶負電的基團或羧基結合形成“蛋白-Ca-蛋白”聚合體[26]；2）金屬離子的加入，降低蛋白分子間的靜電斥力，促進其聚合；3）金屬離子誘導蛋白分子結構的改變，分子間的疏水相互作用隨之 改變，誘導分子間聚合[27]。而Roefs等[28]研究則表明，Ca2＋主要是中和蛋白的負電荷，減少蛋白分子間的靜電相互作用，多余的Ca2＋卻會對蛋白的聚合有抑制作用。此外，Mudgal等[29]發現，Ca2＋在pH 3.5時，能促進β-乳球蛋白的聚合，而且形成聚合體的分子質量大多在106D以上。對于其他金屬離子對β-乳球蛋白聚合的影響也有報道。如Giovanna等[30]探討了Cu2＋和Zn2＋對β-乳球蛋白A亞型聚合的影響，該研究結果表明：中性條件下，Zn2＋能在較低的溫度、較短時間形成較 大聚合體；而Cu2＋則需要較長的時間，且通過強的氫鍵形成網狀結構。隨著Stirpe等[31]和Navarra等[32]的深入研究，發現Zn2＋是通過改變β-乳球蛋白內部結構，導致聚合；而Cu2＋則是降低了蛋白的熱穩定性，更易發生變性形成聚合物。

迄今為止，金屬離子對牛乳中β-乳球蛋白聚合的影響主要集中于二價金屬離子，而對牛乳中其他的金屬離子的研究相對較少，這是一個值得高度關注的問題。

1.2.5 蛋白質濃度對β-乳球蛋白聚合的影響

蛋白質濃度對β-乳球蛋白的影響主要呈現聚合和凝膠兩種現象。據報道，β-乳球蛋白聚合的第一步必須滿足溶液中約有100 個單體[33]。而β-乳球蛋白形成凝膠的臨界質量分數是6.9%，即超過了此臨界值，聚合體含量明顯降低，開始形成凝膠狀態[34]。Christel[35]和Dominique[36]等研究發現β-乳球蛋白的濃度越低聚合速率越慢，但是β-乳球蛋白的濃度高于蛋白的膠化臨界值時，整個溶液開始迅速地膠化。Mehalebi等[20]則在2008年報道當濃度小于蛋白膠化臨界值時，隨著β-乳球蛋白濃度增加，形成聚合體的分子質量增大，直到95%的β-乳球蛋白單體形成聚合體，才達到穩定狀態。Mudgal等[37]也指出隨著β-乳球蛋白濃度增加，分子質量小于105D的聚合體含量逐漸減少，而分子質量大于106D的聚合體含量逐漸增加。當蛋白質量分數達到8%，超過臨界值時，聚合體含量降低，開始出現凝膠。由此可知，準確把 握蛋白聚合的臨界值是研究蛋白質濃度對β-乳球蛋白聚合影響的關鍵。

1.2.6 其他物質對β-乳球蛋白聚合的影響

根據目前對β-乳球蛋白聚合的研究，其影響因素除以上敘述外，還有一些伴隨物的影響。如Isabelle等[38]研究發現β-乳球蛋白在pH 7.0，0.1 mol/L NaCl條件下，加入κ-卡拉膠可以加速低聚體聚合為大顆粒高聚物。Philippe等[39]也指出，κ-卡拉膠會影響β-乳球蛋白的聚合；當κ-卡拉膠質量濃度為1 g/L時，能有效地加速蛋白聚合，并且聚合體較穩定；而高濃度的κ-卡拉膠的會導致聚合體從溶液中析出。另外，Wijayanti等[40]研究得出二氫硫辛酸能影響β-乳球蛋白聚合的方式，導致非共價鍵聚合比共價鍵聚合的產物多，作者推測由于二氫硫辛酸抑制單體的巰基活性，阻礙二硫鍵的形成。近幾年，蛋白肽段對β-乳球蛋白聚合的研究也逐漸增多。如Kosters等[41]研究發現，谷氨酸特定酶的水解產物與β-乳球蛋白的結合，導致其熱變性溫度降低，而對其二級結構無影響。之后，Kosters等[42]又對β-乳球蛋白自身酶解后的肽段進行研究，發現含有游離巰基的肽段更易與β-乳球蛋白結合形成聚合物。很明顯，這些伴隨物屬于食品添加劑、輔酶類以及有特定功能的蛋白肽段等，其常用在具有功能特性的產品的開發中。因此，研究伴隨物對β-乳球蛋白聚合 的影響，有利于未來β-乳球蛋白聚合物的開發利用。

2 2 β-乳球蛋白聚合體的特性

隨著β-乳球蛋白聚合機理的深入研究，目前對聚合體的特性變化的研究也取得一些進展，如各種理化性質、生物特性等。眾所周知，性質決定用途，β-乳球蛋白作為牛乳中重要的蛋白之一，研究其聚合物的性質變化無疑有助于β-乳球蛋白的開發與利用。

2.1 理化特性

目前對β-乳球蛋白聚合體理化特性的研究主要包括熱穩定性、濁度、流變特性等。如Sardar等[43]研究聚合體的穩定性時發現，低聚體不能穩定存在，易形成高聚物，但是在檸檬酸鹽納米金粒子的存在下，β-乳球蛋白單體和二聚體可以穩定存在，但高聚物的形成受到抑制。Mehalebi等[20]發現聚合物的濁度隨著溫度（30～80 ℃）的升高先升高后下降，推測原因是大顆粒的聚合物初形成時，濁度升高，當聚合物沉淀后，濁度也開始降低。此外，對β-乳球蛋白形成高聚物的流變特性也有報道。如Bolisetty等[44]得出，鹽離子對β-乳球蛋白的相轉變有很明顯的影響，即增加鹽離子的濃度，會加 速β-乳球蛋白高聚物晶體轉化為膠體。另外，Santipanichwong等[45]在研究β-乳球蛋白的聚合時發現，果膠還可以增強聚合體的耐鹽特性。

此外，對有關β-乳球蛋白聚合物的形態及顆粒直徑的研究也有不少報道。如β-乳球蛋白形成的聚合物的形態有兩種，一種是緊密的球狀結構，另一種是線性結構。前者是通過疏水相互作用形成，且有很好的持水能力，而后者則通過二硫鍵形成，聚合物顆粒直徑則比較小[46-48]。另外，Croguennec等[49]研究發現在pH 6.7時，β-乳球蛋白只形成直徑小的聚合體；而pH 4.0時，則形成粒徑大于5 μm的聚合物。

很明顯，β-乳球蛋白由于受到不同因素的影響，其形成的聚合物的理化特性也明顯不同。同時，所形成的聚合物的各種理化特性的變化極其復雜。因此，這對聚合物的利用將是一個難題，必須要針對性地采取相應的方法和手段，以此來避免在工業生產上出現不利的特性變化。

2.2 生物特性

對β-乳球蛋白生物學特性的研究主要有β-乳球蛋白聚合體的消化特性和免疫特性。如Peram等[50]研究了熱誘導β-乳球蛋白聚合物消化的情況，結果發現對β-乳球蛋白90 ℃加熱5 min后得到的產物經人工胃液消化120 min后，部分聚合體不被消化；而經過90 ℃加熱120 min后，形成的聚合物則幾乎完全被人工胃液消化。他們推測高聚物易被消化，而形成高聚物的中間產物則具有較強的耐消化特性。另外，由于β-乳球蛋白是牛乳中主要的過敏原之一，故對β-乳球蛋白聚合體的免疫特性也有很多報道。如Hattori等[51]就發現β-乳球蛋白與殼聚糖偶聯后，β-乳球蛋白聚合被抑制，且抗原性降低，推測其過敏原表位因偶聯后被修飾。Kleber等[52]研究得到β-乳球蛋白經熱處理后，發生變性聚集的同時，其表位被掩蓋，導致β-乳球蛋白的致敏性降低。Downs等[53]也發現熱加工的β-乳球蛋白聚合物的抗原特性偏低，分析是聚合導致β-乳球蛋白的抗原表位隱藏。實際上，過敏原的表位是致敏性的物質基礎。無論何種加工處理，只要是改變了過敏原的結構，都會影響其致敏性。由此可見，欲通過 β-乳球蛋白聚合改變致敏性，其研究靶標一定是其致敏性表位。

3 結 語

近年來，蛋白質聚合現象的研究越來越受到關注。β-乳球蛋白作為一個常用的模式蛋白，同時作為牛乳中一個重要的蛋白成分，它的聚合行為引起了廣泛關注。盡管對牛乳β-乳球蛋白的聚合行為已經開展了一些卓有成效的研究，但對各種誘導聚合的機制仍然缺乏統一的認識。另外，食物蛋白質具有非常重要的加工性能和營養功能，已有的研究已表明蛋白的聚合影響到它的結構，并影響其功能。但有關牛乳β-乳球蛋白聚合后結構變化的研究還不系統，也不全面，相關的結構與功能關系研究比較欠缺。顯而易見，繼續開展牛乳β-乳球蛋白的聚合行為的基礎研究并探索其結構與功能的關系，具有重要的學術價值。

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Aggregation Characteristics of β-Lactoglubulin: a Review

XIE Xiuling1，2，3， LI Xin1，3， CHEN Hongbing1，2，*
(1. State Key Laboratory of Food Science and Technology， Nanchang University， Nanchang 330047， China; 2. Sino-German Joint Research Institute， Nanchang University， Nanchang 330047， China; 3. School of Food Science and Technology， Nanchang University， Nanchang 330047， China)

Beta-lactoglobulin is one of the important proteins in cow milk. More and more researchers focused on its aggregation in recent years. The factors affecting aggregation of β-lactoglobulin include internal and external factors. The disulfide bonds are the internal factor s. However， there are many external factors， s uch as temperature， pH， ion strength， and protein concentration. The physicochemical and biological properties of β-lactoglobulin could be changed by ch anging its conformation. The thermal st ability， turbidity， rheological properties， polymer morphology and particle size， digestion and immune prope rties are summarized in this paper. Meanwhile， we review recent studies on the aggregation of β-lactoglobulin. Hopefully this r eview will provide meaningful information for the development and utilization of β-lactoglobulin polymers.

β-lactoglobulin; protein aggregation; polymer

TS201.1

A

1002-6630（2015）09-0230-05

10.7506/spkx1002-6630-201509043

2014-07-28

國家自然科學基金地區科學基金項目（ 31260204）；國家自然科學基金青年科學基金項目（31301522）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2013AA102205）；江西省自然科學基金項目（2012BAB204002）

謝秀玲（1988—），女，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：xiexiuling0824@126.com

*通信作者：陳紅兵（1967—），男，教授，博士，研究方向為食品營養與安全。E-mail：chbgjy@hotmail.com