乳類食物中β-酪蛋白的結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)功能

周鵬 張玉梅 劉彪 石羽杰 李婧 汪之頊

摘 要：綜述了人類母乳（以下簡稱母乳）和牛乳蛋白質(zhì)中乳清蛋白與酪蛋白比例、相應(yīng)蛋白質(zhì)種類、含量及其營養(yǎng)特點(diǎn)，并重點(diǎn)敘述了酪蛋白的亞型及結(jié)構(gòu)，母乳中含量最多的酪蛋白組分β-酪蛋白的消化特性、營養(yǎng)價(jià)值和促進(jìn)鈣鐵等礦物質(zhì)吸收、免疫調(diào)節(jié)和腸道健康促進(jìn)等生物學(xué)功能的最新研究進(jìn)展。由于牛乳蛋白質(zhì)在組分含量和比例與母乳的差異，乳基嬰幼兒配方粉中蛋白質(zhì)的調(diào)整，既要考慮乳清蛋白和酪蛋白的比例，還需要進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整蛋白質(zhì)亞組分的含量和比例，是當(dāng)前乃至今后嬰幼兒配方食品配方創(chuàng)新和工藝技術(shù)研發(fā)的重要方向。

關(guān)鍵詞：人乳;母乳;牛乳;酪蛋白;β-酪蛋白;嬰幼兒配方食品

母乳是嬰兒的最佳食品。世界衛(wèi)生組織（WHO）建議，嬰兒出生后的6個(gè)月內(nèi)應(yīng)給予完全母乳喂養(yǎng)。然而，并非所有嬰兒均可以得到母乳喂養(yǎng)，一些特殊情況下需要使用嬰幼兒配方食品（代乳品）代替母乳。牛乳因來源豐富、營養(yǎng)價(jià)值高，成為大多數(shù)嬰幼兒配方食品的基本原料（基料）。牛乳與母乳（人乳）在營養(yǎng)成分含量和結(jié)構(gòu)上存在差異，尤其蛋白質(zhì)組分含量和構(gòu)成存在較大差異。乳清蛋白與酪蛋白是乳類蛋白質(zhì)成分的兩大分類。研究顯示，母乳中的乳清蛋白與酪蛋白的比例高于牛乳[1]。母乳中乳清蛋白與酪蛋白的比例隨哺乳進(jìn)展存在動(dòng)態(tài)變化。乳清蛋白/酪蛋白比值從初乳階段的90∶10以上，到過渡乳的80∶20左右，成熟乳中60∶40左右[2]。而商業(yè)性牛乳中乳清蛋白與酪蛋白的比值僅為20∶80。目前市售嬰兒配方乳（粉）都是通過添加乳清粉，調(diào)整乳清蛋白和酪蛋白的比例達(dá)到60∶40以上，走出了模擬母乳蛋白質(zhì)構(gòu)成的第一步。但隨著母乳蛋白質(zhì)研究的不斷深入，母乳蛋白質(zhì)亞組分構(gòu)成及其與牛乳蛋白質(zhì)的差異日益受到關(guān)注，嬰兒配方乳中的蛋白質(zhì)構(gòu)成的調(diào)整，也需要進(jìn)一步精細(xì)化到蛋白質(zhì)亞組分層面。

1 母乳和牛乳的蛋白質(zhì)基本構(gòu)成

根據(jù)加工性狀特點(diǎn)，乳類蛋白質(zhì)基本上可以分為乳清蛋白和酪蛋白兩大類。大量乳成分研究資料顯示，母乳的乳清蛋白中，蛋白質(zhì)成分可以進(jìn)一步細(xì)分為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）、血清白蛋白和乳鐵蛋白等;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，與人類母乳相比，既有相似，也有區(qū)別[3]。

由附表可見，母乳乳清蛋白中α-乳清蛋白的占比可達(dá)36%，而牛乳乳清中α-乳清蛋白占乳清蛋白質(zhì)的比例只有17%;牛乳乳清中比例最高的蛋白質(zhì)是β-乳球蛋白，占比約為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，約占總酪蛋白的68%，牛乳中β-酪蛋白占比遠(yuǎn)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（約占40%），相對應(yīng)此組分在母乳中只有12%;在牛乳中占比達(dá)10%的αs2-酪蛋白，在母乳中難覓蹤跡。研究表明，乳蛋白中引起過敏的主要蛋白質(zhì)是β-乳球蛋白和α-酪蛋白[4]。這兩種蛋白質(zhì)恰好是牛乳中含量最多的乳清蛋白和酪蛋白，而母乳中這兩種致敏蛋白質(zhì)含量很低甚至檢測不出。

由母乳蛋白質(zhì)與牛乳蛋白質(zhì)在亞組分上的差異可見，乳基嬰兒配方食品（嬰兒配方粉）在模擬母乳蛋白質(zhì)的道路上，要跨越多個(gè)研發(fā)進(jìn)展：從調(diào)整乳清蛋白與酪蛋白比值達(dá)到6∶4以上，然后分不同步驟繼續(xù)精細(xì)調(diào)整蛋白質(zhì)亞組分比例。母乳中含量最高的蛋白質(zhì)是α-乳清蛋白和β-酪蛋白，充分利用牛乳中這兩種蛋白質(zhì)組分，來模擬母乳蛋白質(zhì)構(gòu)成，是嬰幼兒配方奶粉配方設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮的。其中，β-酪蛋白更是近年來學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)內(nèi)容之一。

2 酪蛋白與β-酪蛋白結(jié)構(gòu)及分型

2.1 酪蛋白的亞型及結(jié)構(gòu)

酪蛋白是由乳腺自身合成的含磷酸性蛋白，在乳中與鈣離子等結(jié)合形成膠束結(jié)構(gòu)。它是乳中的主要營養(yǎng)性蛋白質(zhì)，也是乳中鈣和磷的豐富來源。酪蛋白的氨基酸組成中脯氨酸含量相對較高，而半胱氨酸含量較低，導(dǎo)致其具有較弱的二級結(jié)構(gòu)，通常認(rèn)為單鏈酪蛋白分子不存在特定的構(gòu)象。

在牛乳中，酪蛋白含有4個(gè)亞型，依次為αs1、β、αs2和κ。每個(gè)酪蛋白亞型又有多種基因變體[5-6]，表現(xiàn)出相當(dāng)大的差異，這是由翻譯后修飾引起的。酪蛋白的這4個(gè)亞型大部分都經(jīng)過磷酸化修飾，κ-酪蛋白還有糖基化修飾。另外，αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白是鈣敏蛋白，而κ-酪蛋白則不是鈣敏蛋白。

牛乳的αs1-酪蛋白占總酪蛋白含量的40%，它由199個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，分子量為23kDa。αs2-酪蛋白占酪蛋白的10%，它含有207個(gè)氨基酸，分子量是24.3kDa。β-酪蛋白占酪蛋白的36%，它含有209個(gè)氨基酸殘基，分子量為23.6kDa，如果再加上5個(gè)修飾的磷酸基團(tuán)，則分子量增加到24kDa;β-酪蛋白是4種酪蛋白成分中疏水性最強(qiáng)的，其鈣敏性則小于αs1-酪蛋白和αs2-酪蛋白[5-6]。κ-酪蛋白含有169個(gè)氨基酸，只含有1個(gè)磷酸基團(tuán)，分子量在19k～20 kDa之間，占酪蛋白的14%[5-6]。

2.2 哺乳動(dòng)物物種間乳汁中酪蛋白的差異

在常見的產(chǎn)乳哺乳動(dòng)物中，比較乳汁中酪蛋白的亞組分構(gòu)成[7]可見，母乳和馬乳較接近，它們都不含有αs2-酪蛋白（附圖）。從酪蛋白4個(gè)亞型組分的相對含量上看，母乳中β-酪蛋白的含量相對較高，與馬乳、駝乳、羊乳相似。從β-酪蛋白的氨基酸數(shù)目和磷酸化程度來看，不同物種的β-酪蛋白存在不同程度的差異。人乳β-酪蛋白的磷酸化水平呈多分布模式，有6種磷酸化水平，并且以含2個(gè)、4個(gè)磷酸基團(tuán)的形式為主，而其他物種磷酸化程度比較集中。

2.3 β-酪蛋白的基因變異體

牛乳中，β-酪蛋白有A1、A2、A3、B、C、D、E、F、G、H、I和J幾種基因變體，其中A1和A2是主要的兩種[5-6]。通過分析奶牛群體中β-酪蛋白變體的占比發(fā)現(xiàn)，A1和A2基本上都在37%～55%之間[8-9]。Massella等[8]分析了意大利北部1 226頭荷斯坦奶牛和 4頭瑞士黃牛所產(chǎn)乳汁，檢測出5種β-酪蛋白變體A1、A2、B、F和I以及各變體的構(gòu)成比。上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)檢測了中國某地133頭荷斯坦奶牛，其中A1、A2型β-酪蛋白變體型占具優(yōu)勢比例，都超過40%[9]。國內(nèi)外研究均顯示，在大部分奶牛群體中，A2攜帶型奶牛大于70%。研究表明，乳液中A1和A2變體的比例還會(huì)隨著季節(jié)發(fā)生改變，一般在冬季A1含量高（34%），到春夏比例會(huì)有所下降（30%）[10]。國內(nèi)研究數(shù)據(jù)顯示，即使是聲稱為A2型的產(chǎn)品，其中仍有接近10% 的A1型β-酪蛋白[11]。

根據(jù)體外消化實(shí)驗(yàn)觀察，A1型、A2型β-酪蛋白消化的差異主要是A1型β-酪蛋白消化后可產(chǎn)生多肽片段BCM-7，而A2型β-酪蛋白產(chǎn)生 BCM-9。一方面，體外實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)顯示，BCM-7可能與乳糖不耐受[12]、胃腸道不適[13]、1型糖尿病[14]有關(guān)。另一方面，EFSA[15]和Truswell[16]基于系統(tǒng)評估已有研究結(jié)果認(rèn)為，A1型β酪蛋白或者BCM-7與上述健康問題沒有明確的聯(lián)系?？傮w來說，對于A2型β酪蛋白和A1型β酪蛋白之間是否存在對健康不同影響尚存爭議，還缺乏充足的證據(jù)。

3 β-酪蛋白消化特性及營養(yǎng)功能

作為母乳酪蛋白的主要組成成分，β-酪蛋白的理化和消化性狀以及營養(yǎng)功能，是乳基嬰幼兒食品研發(fā)中重要的研究內(nèi)容。

3.1 β-酪蛋白的消化特性

母乳β-酪蛋白的二級結(jié)構(gòu)包含少量的β-轉(zhuǎn)角和β-折疊結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)分子內(nèi)部超過50%的部分沒有具體的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)無規(guī)則的卷曲狀態(tài)，整體的二級結(jié)構(gòu)柔軟、疏松[2]。這種特點(diǎn)使其更容易被消化水解。加州大學(xué)的研究顯示，給3名足月分娩新生兒奶瓶喂養(yǎng)母乳，經(jīng)胃液消化的胃內(nèi)容物中，來自β-酪蛋白的多肽達(dá)52%[17]。該研究結(jié)果提示，母乳多肽的主要來源是β-酪蛋白。與母乳相比，牛乳的β酪蛋白二級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)比較一致，消化特性也接近。

采用體外消化實(shí)驗(yàn)比較不同蛋白質(zhì)的消化過程，發(fā)現(xiàn)β-酪蛋白比α-乳清蛋白及β-乳球蛋白更容易被人體消化。通過仔豬體內(nèi)消化模型觀察，結(jié)果顯示，β-酪蛋白在60min和120min后全部消化，但α-乳清蛋白及β-乳球蛋白還能檢測到完整蛋白質(zhì)分子[18]。

3.2 β-酪蛋白水解肽的營養(yǎng)功能

人乳中含有蛋白質(zhì)水解酶，可水解β-酪蛋白產(chǎn)生肽類成分，人乳很多生理功能均與水解肽相關(guān)。

3.2.1 促進(jìn)鈣、鐵等礦物質(zhì)吸收 β-酪蛋白經(jīng)消化產(chǎn)生的磷酸化多肽即酪蛋白磷酸肽（CPPs），在腸道中可通過磷酸絲氨酸與鈣離子結(jié)合，由小腸粘膜細(xì)胞吸收后再釋放進(jìn)入血液，從而促進(jìn)鈣吸收[19]。Bouhallab等[20]研究發(fā)現(xiàn)，β-酪蛋白和其產(chǎn)生的CPPs還有助于鐵吸收，β-酪蛋白磷酸肽飼料組比α-酪蛋白磷酸肽組有更高的鐵吸收率。

3.2.2 免疫調(diào)節(jié)功能 母乳β-酪蛋白經(jīng)胰蛋白酶水解后產(chǎn)生多種與免疫功能相關(guān)的產(chǎn)物。β-酪蛋白分解后產(chǎn)生具有免疫刺激作用的肽段稱為免疫刺激肽。研究顯示，這些免疫刺激肽具有刺激巨噬細(xì)胞吞噬，從而增強(qiáng)抗感染的作用。且母乳β-酪蛋白水解產(chǎn)生的抗菌肽具有抗致病菌和防止致病菌定植與生長的特性[21]。較早的一個(gè)研究指出，β-酪蛋白能被母乳中sIgA抗體特異性水解，推測其參與嬰兒腸道免疫反應(yīng)[22]。

3.2.3 參與神經(jīng)調(diào)節(jié) 近期研究發(fā)現(xiàn)，β-酪蛋白水解產(chǎn)生的阿片樣多肽（β-casomorphin，BCM）可能參與神經(jīng)調(diào)節(jié)，改善嬰兒睡眠模式[23]。

3.3 β-酪蛋白與腸道健康

新生兒是腸道炎癥的易感人群，尤其是生長受限嬰兒和早產(chǎn)兒，易發(fā)嚴(yán)重的腸道炎癥疾病并危及性命。嬰兒腸道的黏蛋白（mucin，MUC）可以起到屏障功能，黏蛋白2（MUC2）和黏蛋白4（MUC4）的腸道保護(hù)作用受到廣泛關(guān)注。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，β-酪蛋白水解后釋放的肽，可以刺激MUC2和MUC4基因的表達(dá)[24-25]，有可能降低新生兒腸道炎癥相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 β-酪蛋白不是牛奶蛋白過敏的主要致敏原

嬰幼兒食物過敏癥呈持續(xù)增加的趨勢，其中以牛奶蛋白過敏較為多見。研究顯示，牛乳中β-酪蛋白不是最強(qiáng)的酪蛋白致敏原。Natale等[4]檢測了過敏人群血清對于不同乳蛋白的過敏原反應(yīng)，結(jié)果顯示，α-酪蛋白是酪蛋白中最主要的過敏原，其次是κ-酪蛋白。Monaci等[26]在另一項(xiàng)研究中同樣發(fā)現(xiàn)，α-酪蛋白最容易引發(fā)過敏的位點(diǎn)是其69～78位氨基酸序列和隱藏在內(nèi)部的磷酸化片段。

4 總結(jié)

母乳是嬰兒最理想的食品。在嬰幼兒喂養(yǎng)中，既要預(yù)防蛋白質(zhì)缺乏，也要避免蛋白質(zhì)過量攝入，實(shí)現(xiàn)這種平衡的一個(gè)重要支點(diǎn)就是蛋白質(zhì)的質(zhì)量。母乳中的乳清蛋白與酪蛋白比值，體現(xiàn)了蛋白質(zhì)構(gòu)成的變化，也與蛋白質(zhì)質(zhì)量有關(guān)。母乳的初乳、過渡乳、成熟乳中乳清蛋白與酪蛋白的比例逐漸從90∶10過渡到60∶40。亞組分方面，含量最高的幾種蛋白質(zhì)分別為β-酪蛋白、α乳清蛋白、乳鐵蛋白、免疫球蛋白和κ酪蛋白。

與母乳不同，商品牛乳中乳清蛋白與酪蛋白的比例一般約為20∶80。乳清蛋白中β-乳球蛋白最多，約占乳清蛋白質(zhì)的52%;酪蛋白中αs1-酪蛋白最多（40%），β酪蛋白其次，約占36%。容易引起過敏的牛乳蛋白質(zhì)主要是β-乳球蛋白和α-酪蛋白，牛乳中這兩種蛋白質(zhì)含量都高于母乳。牛乳中酪蛋白的亞型組分有4個(gè)，依含量從高到低依次為αs1、β、αs2和κ。β-酪蛋白進(jìn)一步區(qū)分的亞型有A1和A2兩種，含量基本都在37%～55%之間。

β-酪蛋白作為母乳中含量最高的蛋白質(zhì)，對于指導(dǎo)嬰幼兒配方食品的開發(fā)意義重大，是當(dāng)前營養(yǎng)學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。β-酪蛋白有較多脯氨酸，使β-酪蛋白結(jié)構(gòu)松散易消化。β-酪蛋白是母乳源的多種活性肽來源。母乳β-酪蛋白經(jīng)蛋白酶水解后產(chǎn)生多種與免疫功能相關(guān)的產(chǎn)物，其中阿片樣多肽可能參與神經(jīng)調(diào)節(jié)，改善嬰兒睡眠模式。β-酪蛋白分子上的磷酸化氨基酸殘基在結(jié)構(gòu)上彼此接近，可螯合鈣從而使鈣離子保持可溶狀態(tài)，進(jìn)而能促進(jìn)鈣吸收。

綜上所述，基于母乳蛋白質(zhì)組分的特異性，以及牛乳蛋白質(zhì)在蛋白組分上與母乳的差異，乳基嬰幼兒配方粉中蛋白質(zhì)的調(diào)整，既要考慮乳清蛋白和酪蛋白的比例，還需要進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整蛋白質(zhì)亞組分的含量和比例，使其各蛋白質(zhì)亞組分含量、比例和結(jié)構(gòu)更為接近母乳蛋白質(zhì)的組成。

參考文獻(xiàn)

[1]Plimmer RH，Lowndes J.Analysis of proteins：the content in amino-acids of the caseinogen and lactalbumin of womans milk[J].Biochem J，1937，31（10）：1751-1757.

[2]Lnnerdal B.Nutritional and physiologic significance of human milk proteins[J].Am J Clin Nutr，2003，77（6）：1537S-1543S.

[3]Layman DK，Lnnerdal B，F(xiàn)ernstrom JD.Applications for α-lactalbumin in human nutrition[J].Nutr Rev，2018，76（6）：444-460.

[4]Natale M，Bisson C，Monti G，et al.Cows milk allergens identification by two-dimensional immunoblotting and mass spectrometry[J].Mol Nutr Food Res，2004，48（5）：363-369.

[5]McSweeney PLH，F(xiàn)ox PF.Chemistry of the Casein.In Advanced Dairy Chemistry，New York：Springer Science Business Media，2013.

[6]Fuquay JW，F(xiàn)ox PF，McSweeney PLH.Encyclopedia of dairy sciences[M].Cambridge：Academic Press，2011.

[7]Perinelli DR，Bonacucina G，Cespi M，et al.A comparison among β-caseins purified from milk of different species：Self-assembling behaviour and immunogenicity potential[J].Colloids Surf B Biointerfaces，2019（173）：210-216.

[8]Massella E，Piva S，Giacometti F，et al.Evaluation of bovine beta casein polymorphism in two dairy farms located in northern Italy[J].Ital J Food Saf，2017，6（3）：6904.

[9]Dai R，F(xiàn)ang Y，Zhao W，et al.Identification of alleles and genotypes of beta-casein with DNA sequencing analysis in Chinese Holstein cow[J].J Dairy Res，2016，83（3）：312-316.

[10]Givens I，Aikman P，Gibson T，et al.Proportions of A1，A2，B and C β-casein protein variants in retail milk in the UK[J].Food Chem，2013（139）：549-552.

[11]常碩.牛奶中A1和A2β-酪蛋白的檢測與分析[J].中國奶牛，2018（3）：48-50.

[12]Pal S，Woodford K，Kukuljan S，et al.Milk intolerance，beta-casein and lactose[J].Nutrients，2015，7（9）：7285-7297.

[13]Sun J，Xu L，Xia，et al.Effects of milk containing only A2 beta casein versus milk containing both A1 and A2 beta casein proteins on gastrointestinal physiology，symptoms of discomfort，and cognitive behavior of people with self-reported intolerance to traditional cows milk[J].Nutr J，2016（15）：35.

[14]Bell SJ，Grochoski GT，Clarke AJ.Health implications of milk containing beta-casein with the A2 genetic variant[J].Crit Rev Food Sci Nutr，2006，46（1）：93-100.

[15]EFSA.Review of the potential health impact of β-casomorphins and related peptides[J].EFSA Scientific Report，2009（231）：1-107.

[16]Truswell AS.The A2 milk case：a critical review[J].Eur J Clin Nutr，2005，59（5）：623-631.

[17]Dallas DC，Guerrero A，Khaldi N，et al.A peptidomic analysis of human milk digestion in the infant stomach reveals protein-specific degradation patterns[J].J Nutr，2014，144（6）：815-820.

[18]Rafiee Tari N，Arranz E，Corredig M.Effect of protein composition of a model dairy matrix containing various levels of beta-casein on the structure and anti-inflammatory activity of in vitro digestates[J].Food Funct，2019，10（4）：1870-1879.

[19]劉微，王振元，張婉舒，等.人乳β-酪蛋白單體二級結(jié)構(gòu)及膠束微觀結(jié)構(gòu)的研究[J].中國乳品工業(yè)，2014（42）：4-7.

[20]Kibangou IB，Bouhallab S，Henry G，et al.Milk proteins and iron absorption：contrasting effects of different caseinophosphopeptides[J].Pediatr Res，2005，58（4）：731-734.

[21]蔭士安，主編.人乳成分-存在形式、含量、功能、檢測方法[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：60-61.

[22]Fu Y，Ji C，Chen X，et al.Investigation into the antimicrobial action and mechanism of a novel endogenous peptide β-casein 197 from human milk[J].AMB Express，2017，7（1）：119.

[23]Wada Y，Lnnerdal B.Bioactive peptides derived from human milk proteins-mechanisms of action[J].J Nutr Biochem， 2014，25（5）：503-514.

[24]Chatterton DE，Nguyen DN，Bering SB，et al.Anti-inflammatory mechanisms of bioactive milk proteins in the intestine of newborns[J].Int J Biochem Cell Biol，2013，45（8）：1730-1747.

[25]Pascale Plaisancié.β-Casein（94-123）-derived peptides differently modulate production of mucins in intestinal goblet cells[J].J Dairy Res，2015，82（1）：36-46.

[26]Monaci L，Tregoat V，Hengel AJ，et al.Milk allergens，their characteristics and their detection in food：A review[J].Eur Food Res Technol， 2006，223（2）：149-179.

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(zé)任編輯 李婷婷）