乳清蛋白在航天食品中的應用探究

□ 郭慧青 金 越 王婧宜 陳歷俊 北京三元食品股份有限公司技術中心

陳 斌 中國航天員科研訓練中心航天營養(yǎng)與食品工程重點實驗室

1 引言

乳清蛋白是由乳清經過特殊的濃縮、精制、提取工藝而獲得的一類蛋白質。乳清蛋白相較于其他蛋白質，不僅具有高生物價、高蛋白質功效比和高利用率，又具有乳化性、持水性、凝膠性等優(yōu)良的加工特性，隨著乳品生產工業(yè)技術的不斷進步以及對乳清蛋白成分及其功能的深入研究，乳清蛋白逐漸成為功能、營養(yǎng)保健食品以及特殊醫(yī)療用途食品等的重要原料和添加成分。

將乳清蛋白應用于航天食品中，可顯著提高航天食品的蛋白質消化吸收率、補充鈣質、防止肌肉萎縮、增強抗氧化效果以及提高機體免疫力，滿足航天食品對于營養(yǎng)和吸收特性的需求。

2 乳清蛋白的分類及其制品

乳清是牛乳中的酪蛋白經酸或凝乳酶凝固后排出的產物。根據(jù)奶酪加工工藝的不同，乳清蛋白可分為酸乳清和甜乳清；根據(jù)對溫度的耐受程度，乳清蛋白分為對熱穩(wěn)定乳清蛋白和熱不穩(wěn)定乳清蛋白[1]。

目前,乳清蛋白制品主要有乳清濃縮蛋白（WPC）、乳清分離蛋白（WPI）和水解乳清蛋白。依據(jù)蛋白質含量的不同，乳清濃縮蛋白分為WPC-34、WPC-50、WPC-75及 WPC-80。WPI是蛋白質含量大于90%的高純度乳清蛋白。水解乳清蛋白中因含有多種生物活性肽而具有諸多生理功能[2]。乳清蛋白制品主要成分見表1。

表1 乳清蛋白制品成分

表2 乳清蛋白與其他營養(yǎng)物質的營養(yǎng)價值比較表

表3 乳清蛋白的組成及生理功能

3 乳清蛋白的營養(yǎng)

3.1 乳清蛋白的組成與功能

乳清蛋白含有組成蛋白質的全部20種氨基酸以及多種具有獨特生物活性的蛋白質和多肽[3]；同時，乳清蛋白中鈉和膽固醇含量較低，而礦物質特別是鈣含量卻很高，是可獲得的營養(yǎng)最全面的天然蛋白質補充劑之一。乳清蛋白和其他營養(yǎng)物質的營養(yǎng)價值比較見表2。

除組成成分優(yōu)勢外，乳清蛋白經消化吸收后，產生的部分蛋白質片斷和肽類也具有生物活性和功能，這使得乳清蛋白的應用研究具有了更廣闊的空間，組成成分及其生理功能見表3[4]。

3.2 乳清蛋白的氨基酸組成與功能

乳清蛋白含有人體所需的8種必需氨基酸，且氨基酸組成模式與人體極為相似，更容易被消化吸收，生物利用率極高。

乳清蛋白氨基酸組成具有以下特點。①亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等支鏈氨基酸的含量豐富，它們既是合成谷氨酸鹽的前體物質之一，又能作為能源物質提供能量。②半胱氨酸、蛋氨酸等含硫氨基酸含量豐富，能很好的維持體內谷胱甘肽（GSH）的水平，發(fā)揮抗氧化作用。③是蘇氨酸的極好來源，可促進腸道粘液素的合成，對腸細胞及腸道屏障起保護作用。④含大量的賴氨酸和精氨酸，能刺激代謝激素或肌肉生長因子的分泌和釋放，促進肌肉生長和保持肌肉健康。

3.2.1 蘇氨酸與腸道健康

蘇氨酸占人體腸道粘液素氨基酸組成的30%以上，對人體腸道健康有著重要的作用[5]。超過60%的膳食蘇氨酸可被人體腸道吸收，用以合成腸道粘液素，從而保護腸道細胞、增強腸道屏障的連貫性；缺乏蘇氨酸會影響腸道粘液素的合成，降低腸道的屏障功能。

3.2.2 含硫氨基酸、支鏈氨基酸與機體的抗氧化系統(tǒng)

乳清蛋白是含硫氨基酸（半胱氨酸、蛋氨酸）的良好食物來源。首先，含硫氨基酸是GSH及?；撬岷铣傻闹匾绑w物質。GSH在機體的自由基清除和免疫應答中起關鍵作用，是機體抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分；GSH、牛磺酸作為重要的抗氧化物質，具有抑制脂質過氧化反應等抗氧化效應。其次，半胱氨酸是機體GSH的有效補充，乳清蛋白水解產物可大幅提高前列腺上皮細胞內GSH的水平[6]，并通過GSH的抗氧化和抗炎活性，避免或減少與機體氧化狀態(tài)密切相關的疾病的發(fā)生。

3.2.3 支鏈氨基酸（亮氨酸）與肌肉組織健康

乳清蛋白還是支鏈氨基酸（亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸）的良好食物來源。支鏈氨基酸是合成GSH必需的谷氨酸鹽的前體物質之一。支鏈氨基酸尤其是其中的亮氨酸約占乳清蛋白總量的26%。亮氨酸既是骨骼肌蛋白合成的重要原料物質，也是調節(jié)骨骼肌蛋白合成代謝通路的刺激物。同時，亮氨酸及其氧化代謝物還可抑制蛋白質水解酶的活性，降低肌蛋白分解速率。補充乳清蛋白，使骨骼肌減少癥發(fā)生的概率明顯降低。

4 乳清蛋白在航天食品中的應用探究

4.1 航天食品的特征

航天食品是針對航天特殊環(huán)境研發(fā)出來的一類食品。首先，應嚴格滿足安全性與食用性要求。在航天環(huán)境中，航天員與機艙中的所有物體都處于低壓及失重的狀態(tài)，可活動空間狹小，陸地上的大部分食品也失去意義。所以，航天食品應能夠通過嚴格的模擬飛行試驗，既能保證航天員食用安全，又能很好地克服振動、輻射、低氣壓等不良環(huán)境因素的影響，兼具體積小、重量輕、易攜帶及食用方法簡單的特點，能充分保障航天任務的開展；其次，航天食品應具有良好的營養(yǎng)保障。航天環(huán)境會對人的身體造成許多不可逆轉的損傷，從營養(yǎng)學的角度來講，航天食品應具有更高的營養(yǎng)價值。

4.2 航天環(huán)境對人體的影響

①骨丟失和骨質疏松。骨丟失是宇航員在太空中及返航后極易發(fā)生的癥狀之一，宇航員更早或更容易發(fā)生骨質疏松。因此，在膳食中補充足夠的優(yōu)質鈣和維生素D對于宇航員的骨骼健康尤為重要。②肌肉萎縮。航天環(huán)境會導致人體骨骼肌結構與功能發(fā)生變化，如肌肉質量降低、易疲勞和自主運動能力下降等[7]。所以及時為宇航員補充優(yōu)質蛋白對宇航員肌肉流失癥的預防和治療具有重要意義。③體重丟失。體重減輕主要是由于宇航員攝入的能量不足，同時，能量攝入不足不利于宇航員返回地面后的適應過程，甚至還會引起機體永久性損傷[8]。④航天代謝病。航天環(huán)境對機體能量、蛋白質、脂質、糖及維生素等的代謝產生影響，導致機體心血管功能失調、水和電解質平衡紊亂、紅細胞數(shù)目下降以及缺鐵性貧血等。⑤腸道菌群失調和微生態(tài)紊亂。在航天環(huán)境下，宇航員腸道菌群發(fā)生改變，自身有益菌數(shù)量下降，有害菌大幅增殖，腸胃功能隨之變化。

航天失重、高真空、溫度波動大和高能量輻射等極端惡劣環(huán)境對航天員的免疫功能及神經系統(tǒng)的調節(jié)都會有不同程度的影響，甚至造成難以恢復的永久性傷害。

4.3 航天食品的類型

依據(jù)加工貯藏方式的不同，航天食品可分為：復水食品、新鮮食品、罐藏食品、一口食食品及功能食品等[9]。

復水食品復水快、營養(yǎng)成分損失少、重量輕易保存。但復水操作復雜，食物殘留較大，復水后口感、味道欠佳；新鮮食品擁有正常的含水量，可適時提供人體所需的維生素及水分，讓航天員更好的適應航天環(huán)境生活，口感好。但新鮮食品通常重量大，不易儲藏；罐藏食品耐儲存、易攜帶，但產品粘度大，且糖、鹽含量較高；一口食食品為體積只有一口大小的方形壓塊食品，單份熱量明確，較常見的為面包、餅干等，其食用方法簡單，體積小、重量輕，節(jié)省空間，方便攜帶。但其含水量低，風味也不夠理想。功能食品是針對特殊航天環(huán)境研發(fā)而成的產品，通過加入保健功能因子，提高航天員的機體免疫力，降低并預防輻射、失重等特殊環(huán)境帶來的可預見與不可預見性的傷害與疾病。

4.4 乳清蛋白應用于航天食品的意義

饅頭是中國人最重要的傳統(tǒng)主食之一，其口感松軟，易于消化吸收，廣泛為大眾所接受。但傳統(tǒng)主食饅頭主要由小麥粉加工制作，成分比較單一，為了提高航天員對航天環(huán)境的適應性，減輕航天環(huán)境對人體的負面影響，保證航天員的營養(yǎng)健康，可在饅頭中加入一定量的乳清蛋白粉，再輔以一定比例的干酪和苦蕎粉，制成發(fā)酵風味濃郁且不宜掉渣的“一口吃”營養(yǎng)強化饅頭產品，既可以提供豐富易吸收的蛋白質、優(yōu)質鈣、適宜的鈣磷比例和維生素D，又可以通過特定的基料粉，顯著提高產品的蛋白質消化率、增強抗氧化效果以及降血糖效果，以滿足航天食品對于營養(yǎng)和吸收特性的需求。還可以通過混合發(fā)酵劑的應用、干酪抗融化特性的挖掘及饅頭抗老化性能的提高來滿足航天食品對強化主食風味、食用安全便捷等的需求，可以為航天員提供更多美味營養(yǎng)的主食產品。

4.4.1 乳清蛋白補充優(yōu)質乳鈣

每100g乳清蛋白可提供500～800 mg鈣。鈣為人體骨骼健康、神經傳導、肌肉收縮和其他生理學功能所必需。乳源鈣是目前已知的最佳生物可利用鈣，乳清蛋白中的鈣品質高、易吸收、經濟實惠，是航天食品鈣源補充劑的優(yōu)良選擇。乳清蛋白的添加可有效預防和加速恢復航天員由于失重、骨丟失導致的骨質疏松。

4.4.2 乳清蛋白促進肌肉合成

乳清分離蛋白（WPI）的蛋白質含量大于90%，蛋白質結構更完整，消化吸收快，利用率高；WPI含有高濃度的必需氨基酸（45%～55%），特別是作為肌肉蛋白合成轉錄起始通路中的關鍵調節(jié)因子的亮氨酸，其含量豐富，達14%，人體和動物試驗均證實[10]，補充WPI能夠改善機體組分，增加肌肉重量，促進肌肉合成，從而有效防止肌肉萎縮。

WPI含有約比酪蛋白和大豆蛋白等其他蛋白產品高4倍的胱氨酸，在血液中胱氨酸或半胱氨酸充足的情況下，肝臟將其分解為硫酸鹽和質子時，尿氮的生成減少，全身的氮處理機制轉向有利于維持肌肉的氨基酸池，以促進肌肉的合成[11]。

4.4.3 乳清蛋白的抗氧化作用

乳清分離蛋白富含半胱氨酸（Cys），Cys是人體常見抗氧化劑-谷胱甘肽（GSH）的前體物質和谷胱甘肽合成的限速氨基酸，乳清分離蛋白的抗氧化效果主要是通過調節(jié)細胞內半胱氨酸與谷胱甘肽之間的轉化來實現(xiàn)的，而谷胱甘肽分子的抗氧化效果又通過其巰基（-SH）來實現(xiàn)[12]。還原性硫基可與體內的自由基結合，轉化成容易代謝的酸類物質，從而加速機體內自由基的清除；還可以保護細胞內含硫基的酶的活性，防止由于硫基氧化而導致的酶變性；還原性硫基也參與體內許多重要的氧化還原反應。

4.4.4 乳清蛋白提高機體免疫力

乳清蛋白中含有多種活性物質，如乳鐵蛋白、乳過氧化物酶、免疫球蛋白等均

具有抗菌、抗病毒和免疫調節(jié)的作用；另外，有一些蛋白在經過化學修飾或酶解后，亦能發(fā)揮抗病毒的作用[13]。

乳清蛋白及其酶解產物對多種免疫細胞的功能具有調節(jié)作用。

谷氨酰胺（Gln）是淋巴細胞和巨噬細胞在免疫反應過程中的重要底物，乳清蛋白含有大量的谷氨酸等谷氨酰胺前體物質，補充乳清蛋白既可為肌肉提供能量，又可為谷氨酰胺的合成提供原料，維持谷氨酰胺水平，保護免疫細胞[14]。

乳鐵蛋白對需鐵的革蘭氏陰性、陽性細菌具有明顯的抑制作用，對骨髓細胞的生成、補體系統(tǒng)、炎癥反應、溶菌酶再生、增強免疫力和提高機體抗病能力等具有明顯的調節(jié)和刺激作用。

乳過氧化物酶與硫氰酸根（SCN-）組成的乳過氧化物酶系統(tǒng)（LPS），具有明顯的殺菌作用，可顯著提高機體的免疫力[15]。

5 展望

乳清蛋白（WP）是從牛奶中提取的可溶性蛋白成分的復合物，它不僅氨基酸組成與人體所需相似，消化吸收率高，還含有大量的生物活性物質。乳清蛋白具有改善機體組分，促進肌肉快速恢復，增強機體免疫，降低并預防輻射和失重等給宇航員帶來的可預見及不可預見性的傷害與疾病，提升宇航員健康的作用，是航天食品可選用的最為有效的營養(yǎng)補劑之一。尤其是優(yōu)質蛋白質濃度≥90%的乳清分離蛋白（WPI），在運動營養(yǎng)、保健食品和特殊醫(yī)學用途食品中也深受歡迎，已成為普遍性營養(yǎng)保健配料。同時，乳清蛋白擁有成膠性、熱穩(wěn)定性，溶解性、持水性-吸水性、粘合性、彈性、攪打起泡性和乳化穩(wěn)定性等多種優(yōu)良的加工性能，這些特性是乳清蛋白在諸多食品中添加的依據(jù)和條件。將乳清蛋白粉與其他營養(yǎng)物質結合，做成主食饅頭，不僅有利于航天員的營養(yǎng)健康，也是乳清蛋白應用的一個重要方向。