低礦化牛乳酪蛋白膠束與嬰幼兒蛋白質(zhì)胃腸消化的關(guān)系

張捷，崔夢君，孫菁笛，周鵬

（1.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），濟南 250300）

0 引 言

確保新生兒獲得最佳營養(yǎng)，對于兒童時期的生長發(fā)育以及整個生命周期的健康促進和疾病預(yù)防都至關(guān)重要[1]，因此世界衛(wèi)生組織建議嬰兒進行純母乳喂養(yǎng)至少滿6 個月[2]。然而，調(diào)查顯示，全球范圍內(nèi)每年僅有44%的新生兒在出生后的前6 個月進行純母乳喂養(yǎng)[3]，大部分嬰幼兒依靠不完全母乳喂養(yǎng)和人工喂養(yǎng)，而配方奶粉是這部分嬰兒主要的母乳替代品[4-5]。母乳中營養(yǎng)成分的含量與組成一直是嬰幼兒配方奶粉設(shè)計的黃金標準[6]，目前通過改變嬰配粉中營養(yǎng)成分的濃度、化學(xué)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)來源以及優(yōu)化嬰配粉生產(chǎn)工藝等手段盡可能達到優(yōu)化嬰配粉性能的目的，使其在支持嬰兒生長和發(fā)育方面與母乳相接近[7]。蛋白質(zhì)作為母乳中最重要的營養(yǎng)物質(zhì)之一，它是嬰兒生長發(fā)育必要的物質(zhì)基礎(chǔ)[8]。然而，用于生產(chǎn)嬰配粉的動物乳與母乳蛋白質(zhì)含量和組成的不同，導(dǎo)致了其在嬰兒體內(nèi)的消化模式存在差異。研究表明，配方乳喂養(yǎng)的嬰兒由于其胃腸道發(fā)育不成熟，較少的消化液分泌以及較低的酶活性和胃腸動力更容易出現(xiàn)蛋白質(zhì)消化不良問題[9]。所以，蛋白質(zhì)在嬰兒體內(nèi)的消化程度是決定嬰兒配方乳粉質(zhì)量的重要指標[10]。目前牛乳是嬰兒配方乳粉生產(chǎn)的主要原料[11-12]，而牛乳酪蛋白約占其蛋白質(zhì)總量的80%[13]。因此，研究牛乳酪蛋白的消化吸收對于嬰幼兒蛋白質(zhì)攝入、生長發(fā)育及各項生理功能至關(guān)重要。

在牛乳中，酪蛋白主要以膠束形式存在，膠束磷酸鈣位于其內(nèi)部，并與可溶相中的游離鈣、磷酸鹽等處于動態(tài)平衡狀態(tài)[14-15]。與乳清蛋白相比，牛乳酪蛋白消化通常被認為是蛋白質(zhì)消化的限速步驟，因為其在胃液酸性環(huán)境和胃蛋白酶的作用下容易形成致密絮凝，使胃排空延長，容易導(dǎo)致嬰幼兒消化不良，從而引發(fā)腸胃不適[16]。研究表明，酪蛋白膠束在胃腸道的消化特性受多種因素影響，其中酪蛋白膠束礦化水平及其胃腸消化特性的關(guān)系研究是近幾年的熱點話題。因此，本文就牛乳酪蛋白礦化水平與嬰幼兒蛋白質(zhì)胃腸消化的關(guān)系進行總結(jié)，旨在為低礦化牛乳酪蛋白應(yīng)用于嬰幼兒配方奶粉幫助改善嬰幼兒胃腸消化提供更多營養(yǎng)學(xué)理論支持。

1 蛋白質(zhì)在嬰兒胃腸道的消化特性

生命早期蛋白質(zhì)攝入對于維持嬰兒健康生長至關(guān)重要[17]。嬰兒蛋白質(zhì)消化出現(xiàn)問題會給嬰兒造成短期和長期的不良后果，如疼痛、腹瀉、吸收不良和便秘等[18]。嬰配粉在不能母乳喂養(yǎng)的情況下為人類嬰兒提供高質(zhì)量的營養(yǎng)。然而，研究表明，母乳喂養(yǎng)和嬰配粉喂養(yǎng)的嬰兒有不同的生長模式。與母乳喂養(yǎng)相比，配方粉喂養(yǎng)的嬰兒體重增長更快，這可能與嬰兒對兩者中營養(yǎng)物質(zhì)的消化和生物利用度存在差異有關(guān)[19]。傳統(tǒng)的嬰配粉以牛乳蛋白（乳清蛋白與酪蛋白比例約為20∶80）為基礎(chǔ)，通過添加乳清蛋白來調(diào)整酪蛋白和乳清蛋白的比例使其與母乳蛋白組成（乳清蛋白與酪蛋白比例約為60∶40）相接近[20]。

在牛乳中，蛋白質(zhì)以酪蛋白為主，約占乳蛋白總量的80%[21]。牛乳酪蛋白主要由αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白4 種類型組成[22]，比例分別為4∶1∶3.5∶1.5，主要以酪蛋白膠束形式存在[23]。牛乳酪蛋白膠束是由高度磷酸化的酪蛋白（αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白）通過疏水作用力結(jié)合，又通過與磷酸鈣的交聯(lián)作用聚集形成的復(fù)雜納米顆粒[24-26]。κ-酪蛋白位于膠束的表面可以通過空間位阻和靜電斥力維持酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[27]。相比于乳清蛋白，牛乳酪蛋白常常會在胃中形成凝塊，導(dǎo)致酪蛋白膠束在胃中的停留時間更長、水解程度更低。因此酪蛋白常被歸類為消化緩慢的蛋白質(zhì)[28-29]。對于牛乳等液體食品，在新生兒口腔中停留的時間很短，所以一般考慮胃腸的消化[30]。牛乳酪蛋白在嬰兒胃中的消化主要包括2個階段。首先是胃蛋白酶優(yōu)先作用于酪蛋白膠束表面的κ-酪蛋白，使其失去穩(wěn)定酪蛋白膠束的能力[31-32]。當κ-酪蛋白大部分被水解（60%～90%）時，不穩(wěn)定的酪蛋白膠束開始自發(fā)聚集，形成凝乳或凝固物，導(dǎo)致胃排空時間延長，延遲酪蛋白及其衍生多肽向小腸的輸送[33]。

研究表明，蛋白質(zhì)在嬰兒胃腸道內(nèi)的消化特性受蛋白質(zhì)含量與組成，特別是酪蛋白組成的影響[34]。NAKAI 等[35]通過37 ℃體外酸沉淀研究了人乳和牛乳的凝固特性，結(jié)果表明人乳形成的凝結(jié)物比牛乳要細而疏松，這可能與人乳酪蛋白膠束粒徑較小和高比例β-酪蛋白提高蛋白酶水解效率有關(guān)。ZOU 等[36]通過比較牛乳、駝乳、人乳在嬰兒模型中的消化性發(fā)現(xiàn)，與牛乳相比，駝乳因高β/αs-酪蛋白比率在嬰兒模型的消化中水解度更高，消化性更好。此外，牛乳酪蛋白的特定遺傳變異及其翻譯后修飾與牛乳酶凝特性有關(guān)[37-38]。牛乳酪蛋白的基因多態(tài)性主要是由氨基酸的缺失或置換以及糖基化、磷酸化位點的差異引起的[39]。為了揭示與牛乳凝固特性相關(guān)的蛋白質(zhì)遺傳變異模式，JENSEN 等[40]對丹麥荷斯坦牛和娟姍牛酪蛋白的遺傳變異分布進行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，B 型β-酪蛋白和κ-酪蛋白凝乳效果較好，有利于奶酪制作，而A2 型β-酪蛋白、A 型和E 型κ-酪蛋白凝乳效果較差。此外，牛乳酪蛋白磷酸化和糖基化水平與凝乳特性也存在一定聯(lián)系。凝乳效果較差的丹麥荷斯坦牛乳酪蛋白中αS1-酪蛋白磷酸化以及κ-酪蛋白糖基化水平較低。除了蛋白質(zhì)自身含量與組成，牛乳中礦物質(zhì)鈣與酪蛋白的相互作用也會影響蛋白質(zhì)在嬰兒胃腸道內(nèi)的消化特性。

2 牛乳酪蛋白礦化水平及常用的脫鈣技術(shù)

牛乳中主要的鹽離子有鈣、鉀、鈉、鎂、氯、磷等[41]。其中鉀離子、鈉離子、氯離子主要分布在可溶相中，而鈣離子、鎂離子和磷酸根離子則分布在可溶相和膠體相，并處于動態(tài)平衡狀態(tài)。牛乳中，膠束磷酸鈣可以作為膠體磷酸鈣的組成部分，也可以共價結(jié)合到酪蛋白上作為磷酸基。鈣敏感酪蛋白（αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白和β-酪蛋白）的一部分磷酸基通過與鈣離子相互作用形成膠束磷酸鈣位于膠束酪蛋白的內(nèi)部[42]，稱為酪蛋白礦化。研究表明，不同來源的牛乳酪蛋白礦化程度在55%～90%之間不等[43]，且不同物種間酪蛋白礦化水平也有所不同，取決于每個物種的特定需求[44]。例如，每10 g 牛乳酪蛋白大約含有8.4 mmol 膠束鈣，而每10 g 人乳酪蛋白大約含有3.2 mmol 膠束鈣[45-46]。牛乳蛋白質(zhì)的消化特性主要是受酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)的影響，而脫除酪蛋白膠束中的膠體磷酸鈣，就有可能實現(xiàn)對牛乳蛋白質(zhì)消化特性的調(diào)控。目前，乳制品加工業(yè)中常用的促使膠體磷酸鈣解離的方法有離子交換脫鈣法、螯合脫鈣法和酸化脫鈣法[23]。

2.1 離子交換脫鈣法

乳制品加工中常用的陽離子交換樹脂有強酸型和弱酸型陽離子交換樹脂2 種，分別以磺酸基和羧基作為功能基團，吸附結(jié)合可溶相中的游離鈣離子，同時鈉離子、鉀離子或氫離子等作為平衡離子與游離鈣離子發(fā)生等電荷當量的交換，從而導(dǎo)致被交換體系中鈣離子含量的降低、以及平衡離子含量的增加[23]。有研究采用磺酸基強酸鈉型陽離子交換樹脂直接處理脫脂乳的膜過濾截留液可以得到脫鈣率為18%、40%、70%、90%的牛乳膠束態(tài)酪蛋白[47]。同樣類型的陽離子交換樹脂通過調(diào)節(jié)樹脂加入量可得到脫鈣率為0～37%的濃縮牛乳蛋白[23]。然而，離子交換脫鈣技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需要長時間的酸堿和水洗處理以保證離子交換樹脂的活化與再生。

2.2 螯合脫鈣法

乳制品加工業(yè)中常用的螯合劑有乙二胺四乙酸（EDTA）、檸檬酸鹽、多聚磷酸鹽、草酸鹽等[23]。鈣螯合鹽通過從水相中螯合鈣來降低游離鈣離子的濃度，進而促使膠體磷酸鈣解離到水相中，減少酪蛋白礦化水平，增加酪蛋白膠束水化程度[48]。有研究在脫脂乳中添加檸檬酸鈉可制得脫鈣率為0～40%的濃縮牛乳蛋白[23]。研究表明，濃縮乳蛋白溶液的乳化穩(wěn)定性與其0～40%范圍內(nèi)鈣離子的脫除呈正相關(guān)，尤其是脫鈣率40%的濃縮乳蛋白溶液可獲得較好的乳化穩(wěn)定性[49]。螯合脫鈣法中酪蛋白膠束的脫鈣程度取決于螯合劑的添加量。當體系中的鈣被較高程度螯合（＞40%）時，β-酪蛋白和κ-酪蛋白優(yōu)先于αS-酪蛋白發(fā)生解離，使得酪蛋白膠束尺寸略微減小。當大劑量加入鈣螯合鹽時，酪蛋白膠束的形態(tài)和穩(wěn)定性會發(fā)生更大的變化。然而，這種方法的缺點是，螯合劑的殘留會對產(chǎn)品造成污染。

2.3 酸化脫鈣法

乳制品加工業(yè)中常用的酸化劑有葡糖酸內(nèi)酯、鹽酸、乳酸、二氧化碳等[23]。酸化時，當pH 值從6.7 降低到5.8，牛乳酪蛋白膠束中的礦質(zhì)元素緩慢解離，膠束表面的κ-酪蛋白上所帶負電荷含量逐漸變少，酪蛋白膠束之間的斥力隨之減少。此時酪蛋白的溶解性逐漸降低；當pH 降低到5.0 時，膠束磷酸鈣全部解離釋放，膠束水合增加[50]。有研究采用酸化和透析方法可獲得脫鈣率13%～63%的牛乳酪蛋白膠束[51]。劉大松等[23]通過葡糖酸內(nèi)酯和鹽酸調(diào)節(jié)pH 范圍可以增加游離鈣的相對含量，其在pH 5.4～5.8 之間增幅最大。然而，酸化脫鈣法中酸的加入不僅能限制酪蛋白膠束的脫鈣程度，而且酸化預(yù)處理會造成蛋白沉淀，降低膜過濾的效率[52]。

3 低礦化牛乳酪蛋白對蛋白質(zhì)功能特性的影響

3.1 低礦化牛乳酪蛋白對蛋白質(zhì)溶解性的影響

酪蛋白溶解性與其膠束磷酸鈣含量有關(guān)，而鈣離子的脫除能促進酪蛋白的溶解[51]。劉大松等[53]利用不同脫鈣方式對濃縮牛乳蛋白進行脫鈣處理，并對其溶解性和貯藏穩(wěn)定性進行了探究。首先通過離子交換制備了脫鈣率為0、11%、19%、27%和37%的濃縮牛乳蛋白，并在35 ℃加速貯藏4 個月后發(fā)現(xiàn)，脫鈣濃縮牛乳蛋白的初始溶解度都在95%以上，但在貯藏過程中，脫鈣率11%的濃縮牛乳蛋白溶解度隨貯藏時間增加而顯著降低，而脫鈣率19%、27%以及37% 的濃縮牛乳蛋白溶解度在貯藏期內(nèi)幾乎不變。另外，劉大松等[54]通過高酸化和非酸化兩階段脫鈣方法制備了脫鈣率0～72% 的濃縮牛乳蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，脫鈣率0～7%的濃縮牛乳蛋白可溶性總酪蛋白（非膠束酪蛋白）的含量保持在15%～17%左右。當濃縮牛乳蛋白脫鈣率從13%增加28%時，可溶性總酪蛋白的含量保持在23%～37%，且此脫鈣范圍的濃縮牛乳蛋白溶解度隨貯藏天數(shù)的增加下降速度越來越慢。當濃縮牛乳蛋白脫鈣率達到72%時，可溶性總酪蛋白的含量保持在95%，且72%脫鈣濃縮牛乳蛋白在整個貯藏期間（60 d）幾乎完全溶解。

3.2 低礦化牛乳酪蛋白對蛋白質(zhì)凝膠特性的影響

鈣的脫除對蛋白凝膠形成具有抑制作用。由于酪蛋白多以膠束形式存在，且水化程度很高，其粒徑的變化，也就是膠束的松散程度會影響酪蛋白的凝膠化。研究表明，不同程度的脫鈣會使牛乳酪蛋白膠束結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的解離，κ-酪蛋白水解會使酪蛋白膠束所帶負電荷減少，從而導(dǎo)致膠束聚集，相應(yīng)地會對其凝膠性質(zhì)產(chǎn)生影響。徐雨婷等[52]通過在不同脫鈣率的濃縮牛乳蛋白溶液中加入葡糖酸內(nèi)酯模擬酸奶發(fā)酵，之后利用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡對其凝膠微觀結(jié)構(gòu)進行觀察發(fā)現(xiàn)，與未脫鈣濃縮牛乳蛋白致密均一的凝膠結(jié)構(gòu)相比，11.1%脫鈣濃縮牛乳蛋白形成的凝膠結(jié)構(gòu)疏松且粗糙，而脫鈣率在18.6%～37.1%之間的濃縮牛乳蛋白，其形成的凝膠孔隙大小及數(shù)量與脫鈣量呈正相關(guān)，不利于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。

3.3 低礦化牛乳酪蛋白對蛋白質(zhì)體外胃腸消化的影響

研究表明，低礦化牛乳酪蛋白是提高嬰幼兒蛋白質(zhì)胃腸消化的有效途徑。牛乳酪蛋白膠束首先在嬰兒胃酸環(huán)境下發(fā)生κ-酪蛋白毛發(fā)層的坍塌以及膠束鈣的解離，隨后胃蛋白酶導(dǎo)致κ-酪蛋白毛發(fā)層的水解暴露了膠束內(nèi)的鈣敏感酪蛋白，導(dǎo)致其通過鈣橋聚集形成大而致密的胃凝物。然而，隨著牛乳酪蛋白膠束脫鈣程度的增加，其膠束結(jié)構(gòu)逐漸解離，在胃酸環(huán)境下膠束鈣的增溶減少，從而降低了鈣敏感酪蛋白通過鈣橋發(fā)生聚集的可能，從而形成更小、更松散的凝乳。HUPPERTZ 等[51]發(fā)現(xiàn)脫鈣率13%～63%的牛乳酪蛋白膠束在體外模擬嬰兒胃消化過程中沒有形成可見的簇狀結(jié)構(gòu)。與未脫鈣牛乳酪蛋白相比，脫鈣牛乳酪蛋白降解速度更快。王科瑜等[47]比較了脫鈣率為18%、40%、70%、90%的牛乳酪蛋白在體外模擬嬰兒胃腸消化模型中的降解情況。在體外模擬嬰兒胃消化結(jié)束時，0 和18%脫鈣牛乳酪蛋白的完整酪蛋白百分比保持在56%～63%之間，而40%～90%脫鈣牛乳酪蛋白的完整酪蛋白百分比僅保持在24%～29%左右，且游離氨基的數(shù)量隨脫鈣水平的增加而增加，表明蛋白質(zhì)水解與酪蛋白脫鈣量呈正相關(guān)。在胃消化后，將脫鈣率為0、18%、40%和69%的酪蛋白膠束食糜分別用于隨后體外模擬嬰兒腸道消化發(fā)現(xiàn)，在腸消化的最初30 min，脫鈣牛乳酪蛋白的游離氨基數(shù)量大于未脫鈣牛乳酪蛋白，說明不同脫鈣水平的牛乳酪蛋白在腸道胰蛋白酶作用下發(fā)生快速水解[55]。WANG 等[56]充分探究了脫脂乳粉、濃縮牛乳蛋白粉和脫鈣濃縮牛乳蛋白粉等不同乳成分在體外動態(tài)消化模型中的凝固和消化行為。研究表明，脫脂乳粉和濃縮牛乳蛋白粉在消化10 min 后形成黏稠且結(jié)構(gòu)致密的球形凝乳，且220 min 后仍沒有分解完全。而脫鈣濃縮牛乳蛋白粉因在消化220 min后形成結(jié)構(gòu)松散且破碎的凝乳結(jié)構(gòu)。此外，SDSPAGE 檢測發(fā)現(xiàn)，脫脂乳粉和濃縮牛乳蛋白粉的水解速率低于脫鈣濃縮牛乳蛋白粉。

通過以上研究，可以推斷出牛乳酪蛋白礦化水平是表征酪蛋白胃腸消化難易程度的重要指標。牛乳酪蛋白在胃內(nèi)酸性環(huán)境和胃蛋白酶作用下形成乳凝塊導(dǎo)致其消化過程較慢，而低礦化牛乳酪蛋白減少了解離后鈣敏感酪蛋白通過鈣橋發(fā)生聚集的可能，從而形成更小、更松散的凝乳，易被分解和消化。因此，低礦化牛乳酪蛋白有利于改善嬰幼兒蛋白質(zhì)胃腸消化問題，提高嬰幼兒胃腸舒適度。

4 結(jié) 語

蛋白質(zhì)是生命早期必需的宏量營養(yǎng)素，因此其消化吸收水平對于嬰幼兒的生長發(fā)育極為重要。對于部分母乳或人工喂養(yǎng)的嬰幼兒來說，牛乳基配方奶粉是主要的營養(yǎng)來源之一。與母乳相比，牛乳中的酪蛋白含量占比較高，相對而言不易消化。通過對牛乳酪蛋白含量及組成加以調(diào)整和改進，旨在配置成適合嬰幼兒消化吸收的牛乳基嬰配粉。研究發(fā)現(xiàn)，牛乳酪蛋白礦化水平能夠影響嬰幼兒胃腸道對蛋白質(zhì)的消化吸收。牛乳酪蛋白礦化水平較低，其在胃內(nèi)形成較小且松軟的凝乳顆粒，更容易被胃蛋白酶分解消化。為了使配方奶粉達到與人乳相似的酪蛋白凝乳性，推薦嬰幼兒配方奶粉選用低礦化牛乳酪蛋白奶源以改善嬰幼兒胃腸道消化問題。需更多臨床研究進一步驗證低礦化牛乳酪蛋白在改善嬰幼兒胃腸消化、提高嬰幼兒胃腸道舒適性等方面的作用。