乳蛋白中乳清蛋白與酪蛋白組成、特性及應用的研究進展

劉永峰,張 薇,劉婷婷,楊雨菁,婁 嵐,申 倩

(陜西師范大學食品工程與營養科學學院,陜西西安 710119)

乳清蛋白是利用現代工藝技術從牛乳中提取出來的一類蛋白質,在營養學中被譽為“蛋白之王”,具有易消化、高生物利用率等優點,是公認的優質蛋白補充劑[1-2]。酪蛋白是乳中最主要的蛋白質,占乳中蛋白約70%,具有熱穩定性等特點,在醫藥、食品等行業中有廣泛應用[3]。近年來,隨著人們健康理念的提升以及對于乳中營養的研究逐漸深入,乳清蛋白及酪蛋白應用越來越多,產品被更多人所熟知,其綜合價值在多領域得以體現[4]。本文詳細闡述了牛羊乳中乳清蛋白和酪蛋白的組成與特性、國內外乳清蛋白與酪蛋白的研究及發展前景,綜合敘述了其產品開發和綜合利用,以期為乳中蛋白的營養價值綜合利用提供依據,為相關食品加工提供參考。

1 乳清蛋白、酪蛋白的組成分析

1.1 乳清蛋白的組成

乳清蛋白是母乳、牛乳、羊乳、駱駝乳、馬乳等乳中蛋白的組成成分[5],是乳制品在適宜的等電點和溫度下,經過酸化沉淀后分離出來的物質[6]。馬乳的乳清蛋白在總蛋白中的占比最接近于母乳,約為60%,銷量最廣的牛乳中乳清蛋白約占其總蛋白的20%[7]。乳清蛋白主要生物活性成分包括β-乳球蛋白(β-LG)、α-乳白蛋白(α-LA)、免疫球蛋白、乳鐵蛋白、乳過氧化物酶等[8]。β-LG通過刺激脂蛋白脂肪酶從而減少脂肪在腸道的消化和吸收,α-LA可促進人體對鈣、鋅的吸收,免疫球蛋白具有抗氧化、提高免疫力的作用[9]。

1.2 酪蛋白的組成

酪蛋白是乳中一大類蛋白質的總稱,是乳中主要的蛋白組成成分。酪蛋白約占牛乳中總蛋白的80%[10]。羊乳中也含有大量的酪蛋白,其占總蛋白的比例略高于牛乳[5]。酪蛋白主要由αs1-酪蛋白、αs2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白四種單體組成,質量比大約為4∶1∶4∶1,且蛋白結構穩定性較好[11-12]。αs-酪蛋白約占到酪蛋白總量的40%[13],能夠為動物體的生長發育提供活性肽、必需氨基酸等營養物質,也可以調節乳腺上皮細胞等多種細胞的生理狀態及功能[14]。β-酪蛋白可與磷酸鈣形成穩定的微膠粒,從而提高牛乳中的鈣、磷含量[15]。κ-酪蛋白適于制備代謝障礙患者的專用食品和可食性薄膜[16]。

2 乳清蛋白、酪蛋白的功能與應用

2.1 乳清蛋白的功能與應用

乳清蛋白是目前所發現的優質動物性蛋白之一,富含人體所必需的八種必需氨基酸,且比例分配極好。乳清蛋白可以從乳中進行少量提取,因其易被人體消化且營養價值較高而受到市場歡迎。

乳清蛋白具有抗癌作用,它能通過耗竭谷胱甘肽(GSH)而使腫瘤細胞對化療更敏感[17];Castro等[18]通過研究不同濃度乳清蛋白分離物對黑色素瘤細胞增殖的抑制作用,得出其在低濃度時細胞凋亡率極高,誘導細胞程序性死亡的可能性很大。乳清蛋白具有抗氧化及抗艾滋病病毒(HIV)感染作用,乳清蛋白中的α-LA能螯合重金屬鐵,進而降低機體的氧化應激反應[19];Micke等[20]在臨床試驗中,用乳清蛋白對HIV感染者治療一段時間,發現患者體內GSH含量明顯升高,并可在一段時間內維持較高水平;Olivos等[21]研究發現乳清蛋白濃縮物改善了由西格列汀產生的糖尿病患者血糖的控制水平;Jakubowicz等[22]研究表明在健康人群和Ⅱ型糖尿病患者中,乳清蛋白可通過其在胃腸消化過程中產生的生物活性肽和氨基酸來誘導產生促使胰島素分泌,進而發揮降血糖的作用;Frid等[23]研究表明在Ⅱ型糖尿病患者的飲食中添加乳清蛋白可促進胰島素釋放進而降低其午餐后的血糖水平。乳清蛋白能抑制病菌的生長和調節機體免疫功能,它可通過增加組織中GSH水平來增強免疫應答[22];乳清蛋白及其活性多肽能夠增強免疫細胞功能、加速抗體生成、增強巨噬細胞的吞噬能力以及刺激機體淋巴細胞的增殖,從而抑制腫瘤的生長[24]。

乳清蛋白的抗癌作用、免疫調節、提高記憶力等作用被應用于醫學保健等領域。張順錫[25]對老年急性腦出血患者采用乳清蛋白治療,提高了患者的日常生活能力和疾病治愈率;張宇等[26]水解乳清蛋白制備出活性肽產品,可降低人體的膽固醇含量;童星[27]應用乳清蛋白預防肥胖時,發現乳清蛋白對人體胰島素水平和炎癥狀態均產生了有益影響;乳清蛋白提高記憶力的作用也被應用于乳制品和保健品生產中[28-30]。乳清蛋白的攪打起泡性、乳化性、微膠束化、持水性、涂層性、成膠性等功能也被應用于食品工業等領域[31-33],尤其是針對食品的褐變與保鮮等,乳清蛋白被應用于制備可食用性表面膜,保持食品特有品質、口感和香氣等[34-35];田豐偉等[36]采用乳清蛋白涂膜與酶法改性乳清蛋白涂膜用于核桃仁貯藏,發現兩種涂膜均可降低核桃仁的脂肪氧化。

2.2 酪蛋白的功能與應用

酪蛋白中含有很多人體生長所必需的氨基酸,具有很高的營養價值,進入腸、胃等消化道后,也可被生物體內的蛋白酶水解,釋放出多種具有特殊生理功能的生物活性肽,能夠對個體的消化系統、免疫系統起到調節作用。酪蛋白溶于水時具有一定的粘性,可維持食物中的水分不易被揮發;酪蛋白有利于提高食品的穩定性,可更好地維持冰激凌的穩定性起到保濕和改善粘度的作用,還可以提高飲料的穩定性;酪蛋白分子的親水端和疏水端,具有優良的乳化性和發泡性[37]。酪蛋白及其酶解產物還對高濃度葡萄糖誘導的HepG2細胞胰島素抵抗具有改善特性[38],對肝細胞HHL-5沒有明顯毒性而有促進其增殖的特性[39],以及酪蛋白水解物可明顯提高乙醇損傷肝細胞HHL-5存活率的特性[40]。酪蛋白通過酶解將產生酪蛋白磷酸肽(CPP)和酪蛋白抗菌肽(ABP)兩種生物活性肽,從而發揮CPP的營養調節作用[41-42]和ABP的廣譜抗菌作用[43-44]。

酪蛋白和乳清蛋白的應用具有一致性,也在生物、醫學和食品工業等領域進行了應用。酪蛋白在糖尿病患者的預防和治療方面的應用比較多;酪蛋白在食品工業中,可用作食品的營養補充劑,制作酪蛋白冰激淋等產品,還可與谷物及谷物制品結合開發出高蛋白營養食品;酪蛋白被胰蛋白酶和木瓜蛋白酶酶解,可制成酪蛋白活性肽飲品,產品質量好,口感佳[45];酪蛋白水解制備的抗菌肽穩定好、能抑制多種細菌,對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、志賀氏菌、李斯特菌、阪崎桿菌等致病菌均有一定抑制作用,對禽流感病毒和牛皰疹病毒也有一定的抑制作用[46]。

3 乳清蛋白和酪蛋白產品開發及綜合利用

3.1 乳清蛋白產品開發及綜合利用

3.1.1 以乳清蛋白為基料的嬰幼兒食品 乳清蛋白粉、乳鐵乳清蛋白粉、乳清復合粉等產品常出現在嬰幼兒產品店中,乳清蛋白的含量高達35%以上,如IBC艾貝斯乳鐵蛋白粉(45 g)主要成分就是濃縮的乳清蛋白粉35%。銷量較好的米粉,在添加了紅棗、山藥等成分外,為了增強營養,還加入了10%左右乳清蛋白粉[47]。多數乳清蛋白米粉富含乳清蛋白及多種益智因子,口感細膩、營養豐富、易沖調、易消化,為高品質嬰幼兒營養食品,這些產品可按嬰兒月齡劃分不同乳清蛋白的添加劑量來作為嬰兒輔食[48]。

3.1.2 以乳清蛋白為輔料的多元化產品 邊燕飛等[49]按照比例混合一定量的乳清蛋白于干酪當中,再經過加工工藝處理,所制作而成的再制干酪,口味得到了改善,營養價值增加,產品硬度、咀嚼性、膠著性、融化性等特性也得到改善。郭慧青等[33]將乳清蛋白應用于航天食品的開發當中,將其與主食饅頭結合,提高產品的風味,蛋白質消化率、增強抗氧化效果以及降血糖效果滿足航天食品對于營養快捷的需求。

3.1.3 乳清蛋白納米乳液產品 Lee等[50]使用乳清蛋白作為乳化劑,采用乙酸乙酯與食用油作為油相,通過高壓均質技術制備得到了納米乳液,并采用減壓蒸發的方式除去乙酸乙酯,得到了在高離子強度和高溫下均能保持穩定的乳清蛋白納米乳液,為乳清蛋白納米乳液在食品行業的利用奠定了基礎。Shukat等[51]使用乳清蛋白作為乳化劑制備得到了納米乳液,利用該體系運載維生素E。Mao等[52]采用乳清蛋白作為乳化劑制備得到了β-胡蘿卜素納米乳液,穩定性顯著高于以吐溫20和月桂酸甘油酯作為乳化劑制備得到的納米乳液。He等[53]也以乳清蛋白作為乳化劑制備得到了納米乳液,在運載藥物方面有較高的穩定性和運載釋放效率。

3.1.4 乳清蛋白飲料產品 益生菌發酵的乳清蛋白飲料在當前食品行業消費現狀良好[54],王琪[55]結合現代發酵和乳制品加工技術,開發出了酸馬奶乳清飲料,提高了其營養性以及適口性,也符合當前蛋白飲料消費趨勢。乳清蛋白在食品工業中被分為乳清濃縮蛋白和乳清分離蛋白,乳清濃酸蛋白有更高的營養價值和質構特性[56-57],羅永康等[58]將乳清濃縮蛋白應用于酸奶制作,明顯改善酸奶品質,提高酸奶保水性。

3.2 酪蛋白產品開發及綜合利用

3.2.1 酪蛋白的營養多元化開發 酪蛋白的主要產品是奶酪,但是奶酪的膻味讓很多人難以接受,人們更愿意選擇遮掩了膻味的奶酪產品。吳姝宓[59]以乳酪為原料,在其中加入雞蛋、小麥粉等成分,經配料、加熱攪拌、成型、烘烤、冷卻、包裝等工藝制成的乳酪酥餅,質地均勻,香味濃郁,口感酥脆且貯藏期長。此法制成的營養強化新鮮食品不僅增加了產品的營養,還改善了產品的口味,滿足了不同消費者的需求,增強了消費者的購買欲望,增加了酪蛋白的需求量。蒙古族傳統乳制品、奶豆腐、楚拉等都是以酪蛋白為主要原料制作而成[60]。

3.2.2 以酪蛋白酸鈉為基料的谷物制品 酪蛋白酸鈉與酪蛋白一樣具有很高的蛋白含量,與酪蛋白不同點在于酪蛋白酸鈉具有水溶性,因此用途更為廣泛。在谷物食品中酪蛋白酸鈉作為營養強化劑,制作成高蛋白的谷物產品,供給老人、嬰兒、糖尿病患者等特殊群體食用。在面包、餅干等谷物食品中,酪蛋白酸鈉的添加量為0.2%～0.5%[61]。

4 結語與展望

動物乳汁中含有豐富的乳清蛋白和酪蛋白,具有極高的營養價值和廣闊的應用前景。乳清蛋白與酪蛋白均可被添加至人們日常消費的食品中,也可用于醫療保健品中,綜合比較,乳清蛋白產品較酪蛋白產品更趨于多元化且更受到人們的喜愛。

目前,蛋白產品競爭日益激烈,在科學技術不斷發展的今天,如何打造更多適應市場的酪蛋白產品以及擴大多元化的乳清蛋白產品市場,是當前應該攻克的難題和關鍵。因此,保持乳清蛋白和酪蛋白已有的生物醫藥、食品工業等應用領域基礎上,繼續擴大應用范圍、拓展開發新型醫藥產品與新型食品、重視其多肽產品開發、強化奶酪產品多元化與提升我國奶酪產品消費意識,以及繼續深入開展其促進人類健康的機理、機制研究,均是未來研究和產業發展的方向。