牛初乳營(yíng)養(yǎng)成分與其免疫球蛋白活性保持技術(shù)研究進(jìn)展

楊紅,劉愛(ài)國(guó)*,劉立增,強(qiáng)鋒,楊毅

1(天津市食品與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津商業(yè)大學(xué) 生物技術(shù)與食品科學(xué)學(xué)院,天津,300134) 2(天津明哲天翊科技有限公司,天津,300131) 3(彼特銳斯(天津)商貿(mào)有限公司,天津,300300)

牛初乳指的是健康奶牛分娩3 d內(nèi)從乳腺分泌的第一批乳汁,其含有大量的優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、維生素、生物活性成分以及20多種病原體特異性抗體[1],被認(rèn)為是最佳的天然食品補(bǔ)充劑,外國(guó)學(xué)者稱(chēng)其為“液態(tài)黃金”。牛初乳體積、外觀(guān)和成分與常乳均有顯著差異[2-3]。牛初乳營(yíng)養(yǎng)豐富,呈乳黃色,酸度較高,黏度較大,具有特殊的苦味和腥味,口感較差,加熱易變性凝固,不能直接食用[4]；牛初乳中的蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和部分礦物元素含量均顯著高于常乳,但乳糖含量低于常乳[5],因此,牛初乳適合大多數(shù)乳糖不耐受的人群食用。

牛初乳在食品工業(yè)中倍受重視,一方面是由于牛初乳富含功能活性物質(zhì),能夠增強(qiáng)人體免疫力和促進(jìn)組織生長(zhǎng),在預(yù)防人類(lèi)感染和保健方面具有良好的應(yīng)用前景[6]；另一方面由于牛初乳可以作為膳食補(bǔ)充劑添加到食品中,進(jìn)而開(kāi)發(fā)出新型功能性產(chǎn)品,如添加牛初乳的冰淇淋[7]、牛初乳發(fā)酵酸奶[8]和牛初乳布丁[9]等。

免疫球蛋白是牛初乳中最重要的免疫因子,但其活性易受熱、酸和堿等不良環(huán)境因素的影響而降低,在實(shí)際食品生產(chǎn)加工過(guò)程中活性損失較大,其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值沒(méi)有充分展現(xiàn)[10]。免疫球蛋白活性作為牛初乳制品功能性質(zhì)的表征之一,決定了牛初乳制品的價(jià)值,因此,研究其活性保持技術(shù)對(duì)牛初乳功能性產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有重大意義。國(guó)內(nèi)外關(guān)于牛初乳中免疫球蛋白活性保持技術(shù)方法的報(bào)道很多[11-12],如食品添加劑法和微膠囊法,部分技術(shù)尚存在一些不足。本文將從牛初乳的營(yíng)養(yǎng)成分、牛初乳中免疫球蛋白主要活性保持技術(shù)及未來(lái)研究前景進(jìn)行綜述,旨在為牛初乳在食品加工領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 牛初乳的營(yíng)養(yǎng)成分

牛初乳具有促進(jìn)胃腸道的生長(zhǎng)和成熟,促進(jìn)骨髓干細(xì)胞的分化,增肌減脂[13],預(yù)防上呼吸道感染[14]和兒童腹瀉[15],改善小腸屏障完整性,抑制組織損傷時(shí)的腸道炎癥[1,16]和修復(fù)受損組織的作用[17],人們可以通過(guò)食用牛初乳作為膳食補(bǔ)充劑來(lái)獲得保健作用。因此,牛初乳可作為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ墓δ苄允称?。人們?cè)谑秤门３跞楹?小腸無(wú)需吸收抗體,從而達(dá)到了被動(dòng)免疫的保護(hù)效果,牛初乳也能清除腸道中的病原菌,進(jìn)而預(yù)防某些疾病[18]。牛初乳作為膳食補(bǔ)充劑,既能保持正常的腸道微生物群落的完整性,也不會(huì)導(dǎo)致抗藥性出現(xiàn),這一優(yōu)勢(shì)有利于緩解目前抗生素產(chǎn)生的抗藥性危機(jī)[19]。牛初乳的組成十分復(fù)雜,主要包括免疫因子和生長(zhǎng)因子兩大類(lèi)功能活性成分,分別對(duì)機(jī)體免疫和生長(zhǎng)起到調(diào)節(jié)作用。

1.1 免疫因子

牛初乳中的免疫因子主要包括免疫球蛋白、乳鐵蛋白、溶菌酶、脯氨酸多肽和細(xì)胞活素等,最新研究表明：牛初乳中含有大量具有免疫功能的外泌體[20],是新型的具有前景的免疫因子。免疫球蛋白是牛初乳中最主要的免疫因子,具有增強(qiáng)健康和患病人群免疫功能的作用[21],從牛初乳中提取免疫球蛋白用作膳食添加劑是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。免疫球蛋白(結(jié)構(gòu)如圖1所示)是由4個(gè)多肽亞單位組成的“Y”形球蛋白,可以分為免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)、免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA)、免疫球蛋白D(immunoglobulin D,IgD)、免疫球蛋白E(immunoglobulin E,IgE)和免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)5大類(lèi)。牛初乳中存在的免疫球蛋白只有IgG、IgA和IgM[22],其中最主要的是IgG,主要分為2個(gè)亞類(lèi)：IgG1和IgG2,IgG1是初乳中最豐富的Ig同種型,約占免疫球蛋白總含量的80%。新鮮牛初乳中IgG的質(zhì)量濃度為30～87 mg/mL[5],約是常乳的50倍,但隨乳分泌時(shí)間的延長(zhǎng),牛初乳中的各種成分逐漸和常乳接近。張和平等[23]發(fā)現(xiàn)牛初乳中的IgG的含量隨著乳分泌時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,第一次擠的初乳中IgG的質(zhì)量濃度約為67.23 mg/mL,1 d后降到5.0 mg/mL,5 d后下降到常乳水平。

CL-輕鏈恒定區(qū)；VL-輕鏈可變區(qū)；VH-重鏈可變區(qū)； CH1-重鏈恒定區(qū)1；CH2-重鏈恒定區(qū)2；CH3-重鏈恒定區(qū)3 Fab片段-抗原結(jié)合片段；Fc片段-可結(jié)晶片段(啟動(dòng)免疫 反應(yīng)的效應(yīng)子,無(wú)抗原結(jié)合能力)圖1 免疫球蛋白基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Basic structure of immunoglobulin

乳鐵蛋白是一種具有抗菌、抗病毒和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)作用的糖蛋白,含量是常乳的50～100倍,其抗菌特性對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)、革蘭氏陰性菌(G-)、病毒(非莢膜和莢膜)、幾種寄生蟲(chóng)和真菌均有效[24]。乳過(guò)氧化物酶是一種抑制細(xì)菌代謝的抗菌酶,具有抗病毒活性。牛初乳中還包含多種免疫調(diào)節(jié)和炎性細(xì)胞因子,如白介素、腫瘤壞死因子-α、干擾素-γ和有助于控制感染和炎癥的物質(zhì)[25],是各種免疫因子的聚集地,被尊稱(chēng)為“免疫之王”,但研究表明,在健康奶牛分泌的牛乳中,免疫因子的濃度差異很大,從189頭健康奶牛分泌的牛乳樣本中,乳鐵蛋白濃度的差異超過(guò)20倍[19]。

牛初乳中的免疫因子能夠有效抵抗病毒、真菌、細(xì)菌及其他過(guò)敏原,殺死具有神經(jīng)毒性的大腸桿菌,在抑制多種病原微生物生長(zhǎng)的同時(shí),對(duì)腸道內(nèi)非病原性微生物的生長(zhǎng)和繁殖影響甚微[26],牛初乳中的各種免疫因子協(xié)同作用,使牛初乳具備很好的保健功能。

1.2 生長(zhǎng)因子

牛初乳中的生長(zhǎng)因子包括神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)因子(neurotrophic growth factor,NGF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor,EGF)、表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor,EGF)、胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor,IGF)和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor,FGF)等[27]。IGF是牛初乳中含量最多的因子,主要分為IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ兩種,質(zhì)量濃度約是200 μg/L,約為常乳的100倍[28]。奶牛產(chǎn)犢后1 h,初乳中的所有已知生長(zhǎng)因子的含量是最高的,隨著產(chǎn)犢時(shí)間的增加而下降[13]。表1為牛初乳中主要生長(zhǎng)因子的保健作用。

表1 牛初乳中生長(zhǎng)因子的保健作用[13,29]Table 1 Health effects of growth factors in bovine colostrum[13,29]

大量研究發(fā)現(xiàn),牛初乳中的生長(zhǎng)因子具有促進(jìn)機(jī)體正常生長(zhǎng),促進(jìn)機(jī)體脂肪的分解代謝,平衡血糖,促進(jìn)受傷組織愈合以及調(diào)節(jié)大腦中的5-羥色胺和多巴胺等功能[30]。

2 免疫球蛋白的活性保持技術(shù)

IgG在加工或在腸道中消化時(shí)的穩(wěn)定性是評(píng)估牛初乳價(jià)值的一個(gè)重要因素[31],但是IgG易受熱、酸和堿等不良環(huán)境因素影響而變性,進(jìn)而導(dǎo)致其活性降低。IgG的穩(wěn)定性由鏈內(nèi)和鏈間二硫鍵和三維折疊結(jié)構(gòu)域等分子結(jié)構(gòu)特性決定[32],熱處理可以直接改變IgG構(gòu)象的完整性,使二硫鍵斷裂產(chǎn)生游離巰基,巰基與另一個(gè)IgG反應(yīng)生成凝集體,致使其活性下降,其中抗原結(jié)合片段比其他區(qū)域更熱敏感。牛初乳在加工過(guò)程中,要經(jīng)過(guò)如巴氏殺菌和噴霧干燥等熱處理工藝,IgG活性損失極為嚴(yán)重,因此,提高IgG的穩(wěn)定性進(jìn)而有效發(fā)揮其生理活性是目前亟待解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外保持牛初乳中IgG活性主要有2種方法：一是加入食品添加劑作為保護(hù)劑；二是將牛初乳IgG制備成微膠囊。

2.1 食品添加劑法

牛初乳加工過(guò)程中往往需要添加食品添加劑,如增稠劑、防腐劑和甜味劑等,以滿(mǎn)足不同人群的需要,因此,可采用添加食品添加劑的方法維持牛初乳中IgG的活性。

CHEN等[32]表明,添加20%甘油、0.20%谷氨酸和20%麥芽糖等熱保護(hù)劑有助于保持模擬系統(tǒng)中的IgG活性,僅添加5%的甘油就能將殘留的IgG從4.1%提高到38.8%,但目前反應(yīng)機(jī)理尚不明確,可能是由糖和多元醇增強(qiáng)IgG分子中疏水相互作用導(dǎo)致的,也可能是與糖溶液中蛋白質(zhì)分子優(yōu)先溶劑化的作用有關(guān)[33]。糖和多元醇能提高分離的IgG的熱穩(wěn)定性,但在實(shí)際食品生產(chǎn)中,高濃度的添加劑對(duì)于保持牛初乳產(chǎn)品的黏度和風(fēng)味,可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。CHAO等[34]向IgG稀溶液中添加蔗糖、乳糖、葡萄糖、半乳糖和麥芽糖等物質(zhì)用作熱保護(hù)劑,結(jié)果表明5%的果糖或麥芽糖,具有極佳的保護(hù)效果,能將殘留的IgG含量提高到31%,過(guò)量添加(>30%)會(huì)導(dǎo)致殘留IgG含量下降。雷昌貴等[35]研究選取酸味劑、甜味劑和增稠劑等對(duì)IgG穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,IgG的變性率隨乳酸、檸檬酸和磷酸二氫鈉濃度的增大而增大；山梨酸鉀對(duì)IgG的穩(wěn)定性影響甚微；磷酸氫二鈉、乳酸鈣、甜味劑(蔗糖和葡萄糖)和增稠劑(羧甲基纖維素鈉和黃原膠)對(duì)IgG有一定的保護(hù)作用。ELENA等[36]采用植物乳桿菌LUHS135和副干酪乳桿菌LUHS244發(fā)酵牛初乳、超聲波處理和脫水3種方法對(duì)牛初乳中IgG、IgA和IgM含量的影響進(jìn)行研究,結(jié)果表明,將LUHS135和LUHS244菌株與牛初乳結(jié)合具有安全性和功能性,是牛初乳作為食品、飲料成分的一種有前途的技術(shù),但是IgA對(duì)發(fā)酵非常敏感,需要進(jìn)一步的研究來(lái)增加IgA在牛初乳中的穩(wěn)定性。徐思思[12]首次采用中藥多糖結(jié)合甘氨酸與乳酸鈣制成復(fù)合保護(hù)劑,復(fù)合保護(hù)劑配方為：茯苓多糖56.43%、甘氨酸41.55%、乳酸鈣0.20%,IgG保留率為62.14%。

牛初乳中添加如糖醇、糖和氨基酸等保護(hù)劑能夠有效保持IgG的活性,但其熱保護(hù)機(jī)制尚不明確,研究表明,糖或糖醇對(duì)蛋白質(zhì)的保護(hù)作用不僅與羥基的數(shù)量有關(guān),還與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)[37]。保護(hù)劑添加量不宜過(guò)多,過(guò)量會(huì)對(duì)產(chǎn)品風(fēng)味和質(zhì)地產(chǎn)生不良的影響。此外,IgG熱保護(hù)劑種類(lèi)單一且缺乏功能性,未來(lái)應(yīng)選取一些具有功能活性的物質(zhì)對(duì)IgG活性的保護(hù)作用進(jìn)行研究,以開(kāi)發(fā)出新型牛初乳功能性產(chǎn)品,增加牛初乳的綜合利用價(jià)值。

2.2 微膠囊法

微膠囊技術(shù)是一種將微小顆?；蛞旱瓮繉影裨谖⑿〉陌胪感曰蛎荛]性膠囊中的過(guò)程[38],以獲得具有保護(hù)特性的小膠囊。大多數(shù)微膠囊的直徑范圍是幾微米到幾毫米,囊材可以是單層、雙層甚至是多層的。微膠囊技術(shù)能保護(hù)熱敏性蛋白免于胃腸道系統(tǒng)的酸性環(huán)境和加熱等工藝條件的影響,顯著提高IgG的穩(wěn)定性,同時(shí)可以控制囊芯的釋放。國(guó)內(nèi)外報(bào)道牛初乳IgG微膠囊化的方法很多,主要包括乳化縮聚法、噴霧干燥法、復(fù)凝聚法、流化床空氣懸浮法和液中干燥法等。微膠囊立體結(jié)構(gòu)如圖2所示,微膠囊化基本步驟如圖3所示。

圖2 微膠囊立體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the three-dimensional structure of the microcapsule

圖3 微膠囊化的基本步驟Fig.3 The basic steps of microencapsulation

研究表明,乳化縮聚法是將IgG微膠囊化的一種理想方法。鄭海英等[39]以乳化縮聚法制備微膠囊,最佳包埋率為75.9%,在70 ℃,15 min條件下進(jìn)行熱處理,變性率僅為19.4%,IgG微膠囊化后可顯著提高其熱穩(wěn)定性。將微膠囊化的IgG添加到酸奶中,在剛制備好的酸奶中IgG保留率為89.4%,存放24 h后降低為80.7%,這表明此技術(shù)能夠增強(qiáng)IgG的抗熱、抗酸能力。

噴霧干燥法制備微膠囊工藝簡(jiǎn)單、成本較低,適用于對(duì)溫度敏感的活性物質(zhì),但噴霧干燥用于微膠囊化較為復(fù)雜,有許多因素需要優(yōu)化[40]。進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度過(guò)高或過(guò)低均可影響包埋率。金鋒[41]以微孔淀粉和麥芽糊精作為囊材,免疫球蛋白作為囊芯,采用噴霧干燥法制備可溶性免疫球蛋白微膠囊,結(jié)果表明,進(jìn)風(fēng)溫度為140 ℃時(shí),出風(fēng)溫度為80 ℃時(shí),成品的包埋率最佳,為71.69%。鄭海英等[39]以復(fù)凝聚法對(duì)牛初乳IgG微膠囊制備進(jìn)行研究,但成品包埋率僅為8.9%,這可能是因?yàn)?IgG反相溶解在膠液里,在固化過(guò)程中因甲醛而變性失活:真空干燥過(guò)程中水分的溢出導(dǎo)致油膜破壞,進(jìn)而降低包埋率。

囊材和囊芯比、攪拌速度、表面活性劑用量和反應(yīng)溫度都會(huì)影響微膠囊的包埋率,吳錦霞等[42]采用液中干燥法探究以上4個(gè)因素對(duì)牛初乳IgG微膠囊化的影響,研究結(jié)果表明,囊材和囊芯比25∶1,攪拌速度250～300 r/min,表面活性劑用量8 mL,反應(yīng)溫度30 ℃是最佳反應(yīng)條件,制備出的微膠囊粒徑大小基本均勻,IgG的載藥量約為60%。液中干燥法并不是十分理想的IgG微膠囊化的方法,且該法所使用的有機(jī)溶劑會(huì)造成囊芯活性損失。趙圣名[43]采用流化床空氣懸浮法研究了牛初乳和雙歧桿菌復(fù)合微丸的制作工藝,最終產(chǎn)品的包埋率為86.32%,IgG的檢測(cè)值為47.26 mg/mL。楊柳等[44]利用流化床空氣懸浮法研究了IgG微膠囊化,最終制得的產(chǎn)品粒徑大小均勻,完整且致密,包埋率為85%。王璐怡等[45]采用乳化-噴霧法進(jìn)行IgG微膠囊的制備,以麥芽糊精和阿拉伯膠作為囊材,包埋率高達(dá)81.24%,且微膠囊結(jié)構(gòu)十分致密。AUDREY等[46]采用噴霧干燥法,以聚乳酸-乙醇酸制備成IgG微粒,包埋率高達(dá)85%。在微膠囊或微粒制備過(guò)程期間和釋放后,保證IgG的穩(wěn)定性和生物活性是極為重要的,ERDEMLI等[47]利用聚乙烯醇、葡萄糖、淀粉等賦形劑對(duì)聚己內(nèi)酯微球包封IgG的穩(wěn)定性及對(duì)微球特性的影響進(jìn)行探究,結(jié)果表明,聚乙烯醇和葡萄糖可以有效維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。

將牛初乳IgG制備為微膠囊,能夠顯著提高牛初乳IgG在加工過(guò)程中的穩(wěn)定性與其到達(dá)腸道后的生理活性,最大化發(fā)揮牛初乳的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。但是牛初乳IgG微膠囊技術(shù)尚存在以下一些不足：噴霧干燥法制備微膠囊時(shí)選用的壁材易溶于水,達(dá)不到緩釋的目的；流化床空氣懸浮法技術(shù)需要將牛初乳IgG凍干為粉末,在牛初乳產(chǎn)品生產(chǎn)中有一定局限性；乳化縮聚法不適用于牛初乳產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)；復(fù)凝聚法制備的IgG微膠囊包埋率較低；除噴霧干燥法和流化床空氣懸浮法外,其他常用微膠囊法不適用于牛初乳產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。今后還需進(jìn)一步研究出應(yīng)用范圍更廣的IgG活性保持技術(shù),為牛初乳功能性產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供廣闊的思路和理論支持。此外,以蛋白質(zhì)作為囊材制備微膠囊時(shí),聚合層之間離子相互作用可使蛋白質(zhì)凝聚體力學(xué)性能相對(duì)較差,可以通過(guò)采用谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶或賦形劑等對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行修飾強(qiáng)化,并改善其控釋性能[48]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)出許多可以用于活性蛋白包埋的方法,如超聲霧化-低溫萃取成囊法、酵母微膠囊法、電噴霧干燥法和納米粒子包埋技術(shù)等[49-50],在今后的牛初乳IgG的活性保持技術(shù)研究中有望應(yīng)用這些新型技術(shù)。

3 總結(jié)與展望

牛初乳營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富,在發(fā)揮自身生物活性功能作用的同時(shí),不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響,與許多健康益處相關(guān)聯(lián),因此,牛初乳作為一種功能性成分很受歡迎,既可以以液體形式食用,也可以將IgG分離純化并分餾成固體濃縮物食用。IgG在牛初乳保健功能上發(fā)揮著極為重要的作用,但牛初乳在加工過(guò)程中,其營(yíng)養(yǎng)成分和功能活性成分往往會(huì)被破壞,制得的產(chǎn)品免疫活性低。牛初乳任何潛在應(yīng)用的先決條件均是在加工過(guò)程中盡量保持免疫活性物質(zhì)不受破壞,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要傾向于用食品添加劑法和微膠囊技術(shù)去維持IgG的活性。我國(guó)牛初乳資源豐富,相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,牛初乳研究的深入和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的規(guī)范化,牛初乳在功能性食品生產(chǎn)中將會(huì)有巨大的應(yīng)用潛力。

(1)目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)牛初乳IgG活性的影響因素有較多研究,但對(duì)其活性保持的機(jī)理及其結(jié)構(gòu)變化的研究報(bào)道鮮少,未來(lái)應(yīng)嘗試從分子角度闡述IgG結(jié)構(gòu)與活性之間的關(guān)系；

(2)糖和糖醇類(lèi)物質(zhì)在食品中過(guò)量添加會(huì)對(duì)食品風(fēng)味產(chǎn)生不良影響,未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究不同種類(lèi)的具有功能活性物質(zhì)或天然物質(zhì)作為保護(hù)劑對(duì)IgG活性的影響；

(3)需要進(jìn)一步拓展活性蛋白領(lǐng)域的微膠囊技術(shù)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用,如采用納米粒子包埋等新技術(shù)或采用具備優(yōu)良性能的新囊材對(duì)其微膠囊化進(jìn)行研究,以保證在微膠囊形成期間和釋放后保持蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性；

(4)國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)利用現(xiàn)代生物技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)出新型的牛初乳功能性產(chǎn)品,并將加工過(guò)程對(duì)IgG活性的影響降至最低,這對(duì)于牛初乳IgG的綜合利用具有重要意義。