乳蛋白中乳清蛋白与酪蛋白组成、特性及应用的研究进展

刘永峰,张 薇,刘婷婷,杨雨菁,娄 岚,申 倩

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院,陕西西安 710119)

乳清蛋白是利用现代工艺技术从牛乳中提取出来的一类蛋白质,在营养学中被誉为“蛋白之王”,具有易消化、高生物利用率等优点,是公认的优质蛋白补充剂[1-2]。酪蛋白是乳中最主要的蛋白质,占乳中蛋白约70%,具有热稳定性等特点,在医药、食品等行业中有广泛应用[3]。近年来,随着人们健康理念的提升以及对于乳中营养的研究逐渐深入,乳清蛋白及酪蛋白应用越来越多,产品被更多人所熟知,其综合价值在多领域得以体现[4]。本文详细阐述了牛羊乳中乳清蛋白和酪蛋白的组成与特性、国内外乳清蛋白与酪蛋白的研究及发展前景,综合叙述了其产品开发和综合利用,以期为乳中蛋白的营养价值综合利用提供依据,为相关食品加工提供参考。

1 乳清蛋白、酪蛋白的组成分析

1.1 乳清蛋白的组成

乳清蛋白是母乳、牛乳、羊乳、骆驼乳、马乳等乳中蛋白的组成成分[5],是乳制品在适宜的等电点和温度下,经过酸化沉淀后分离出来的物质[6]。马乳的乳清蛋白在总蛋白中的占比最接近于母乳,约为60%,销量最广的牛乳中乳清蛋白约占其总蛋白的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、乳铁蛋白、乳过氧化物酶等[8]。β-LG通过刺激脂蛋白脂肪酶从而减少脂肪在肠道的消化和吸收,α-LA可促进人体对钙、锌的吸收,免疫球蛋白具有抗氧化、提高免疫力的作用[9]。

1.2 酪蛋白的组成

酪蛋白是乳中一大类蛋白质的总称,是乳中主要的蛋白组成成分。酪蛋白约占牛乳中总蛋白的80%[10]。羊乳中也含有大量的酪蛋白,其占总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-酪蛋白四种单体组成,质量比大约为4∶1∶4∶1,且蛋白结构稳定性较好[11-12]。αs-酪蛋白约占到酪蛋白总量的40%[13],能够为动物体的生长发育提供活性肽、必需氨基酸等营养物质,也可以调节乳腺上皮细胞等多种细胞的生理状态及功能[14]。β-酪蛋白可与磷酸钙形成稳定的微胶粒,从而提高牛乳中的钙、磷含量[15]。κ-酪蛋白适于制备代谢障碍患者的专用食品和可食性薄膜[16]。

2 乳清蛋白、酪蛋白的功能与应用

2.1 乳清蛋白的功能与应用

乳清蛋白是目前所发现的优质动物性蛋白之一,富含人体所必需的八种必需氨基酸,且比例分配极好。乳清蛋白可以从乳中进行少量提取,因其易被人体消化且营养价值较高而受到市场欢迎。

乳清蛋白具有抗癌作用,它能通过耗竭谷胱甘肽(GSH)而使肿瘤细胞对化疗更敏感[17];Castro等[18]通过研究不同浓度乳清蛋白分离物对黑色素瘤细胞增殖的抑制作用,得出其在低浓度时细胞凋亡率极高,诱导细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能螯合重金属铁,进而降低机体的氧化应激反应[19];Micke等[20]在临床试验中,用乳清蛋白对HIV感染者治疗一段时间,发现患者体内GSH含量明显升高,并可在一段时间内维持较高水平;Olivos等[21]研究发现乳清蛋白浓缩物改善了由西格列汀产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,乳清蛋白可通过其在胃肠消化过程中产生的生物活性肽和氨基酸来诱导产生促使胰岛素分泌,进而发挥降血糖的作用;Frid等[23]研究表明在Ⅱ型糖尿病患者的饮食中添加乳清蛋白可促进胰岛素释放进而降低其午餐后的血糖水平。乳清蛋白能抑制病菌的生长和调节机体免疫功能,它可通过增加组织中GSH水平来增强免疫应答[22];乳清蛋白及其活性多肽能够增强免疫细胞功能、加速抗体生成、增强巨噬细胞的吞噬能力以及刺激机体淋巴细胞的增殖,从而抑制肿瘤的生长[24]。

乳清蛋白的抗癌作用、免疫调节、提高记忆力等作用被应用于医学保健等领域。张顺锡[25]对老年急性脑出血患者采用乳清蛋白治疗,提高了患者的日常生活能力和疾病治愈率;张宇等[26]水解乳清蛋白制备出活性肽产品,可降低人体的胆固醇含量;童星[27]应用乳清蛋白预防肥胖时,发现乳清蛋白对人体胰岛素水平和炎症状态均产生了有益影响;乳清蛋白提高记忆力的作用也被应用于乳制品和保健品生产中[28-30]。乳清蛋白的搅打起泡性、乳化性、微胶束化、持水性、涂层性、成胶性等功能也被应用于食品工业等领域[31-33],尤其是针对食品的褐变与保鲜等,乳清蛋白被应用于制备可食用性表面膜,保持食品特有品质、口感和香气等[34-35];田丰伟等[36]采用乳清蛋白涂膜与酶法改性乳清蛋白涂膜用于核桃仁贮藏,发现两种涂膜均可降低核桃仁的脂肪氧化。

2.2 酪蛋白的功能与应用

酪蛋白中含有很多人体生长所必需的氨基酸,具有很高的营养价值,进入肠、胃等消化道后,也可被生物体内的蛋白酶水解,释放出多种具有特殊生理功能的生物活性肽,能够对个体的消化系统、免疫系统起到调节作用。酪蛋白溶于水时具有一定的粘性,可维持食物中的水分不易被挥发;酪蛋白有利于提高食品的稳定性,可更好地维持冰激凌的稳定性起到保湿和改善粘度的作用,还可以提高饮料的稳定性;酪蛋白分子的亲水端和疏水端,具有优良的乳化性和发泡性[37]。酪蛋白及其酶解产物还对高浓度葡萄糖诱导的HepG2细胞胰岛素抵抗具有改善特性[38],对肝细胞HHL-5没有明显毒性而有促进其增殖的特性[39],以及酪蛋白水解物可明显提高乙醇损伤肝细胞HHL-5存活率的特性[40]。酪蛋白通过酶解将产生酪蛋白磷酸肽(CPP)和酪蛋白抗菌肽(ABP)两种生物活性肽,从而发挥CPP的营养调节作用[41-42]和ABP的广谱抗菌作用[43-44]。

酪蛋白和乳清蛋白的应用具有一致性,也在生物、医学和食品工业等领域进行了应用。酪蛋白在糖尿病患者的预防和治疗方面的应用比较多;酪蛋白在食品工业中,可用作食品的营养补充剂,制作酪蛋白冰激淋等产品,还可与谷物及谷物制品结合开发出高蛋白营养食品;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饮品,产品质量好,口感佳[45];酪蛋白水解制备的抗菌肽稳定好、能抑制多种细菌,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、志贺氏菌、李斯特菌、阪崎杆菌等致病菌均有一定抑制作用,对禽流感病毒和牛疱疹病毒也有一定的抑制作用[46]。

3 乳清蛋白和酪蛋白产品开发及综合利用

3.1 乳清蛋白产品开发及综合利用

3.1.1 以乳清蛋白为基料的婴幼儿食品 乳清蛋白粉、乳铁乳清蛋白粉、乳清复合粉等产品常出现在婴幼儿产品店中,乳清蛋白的含量高达35%以上,如IBC艾贝斯乳铁蛋白粉(45 g)主要成分就是浓缩的乳清蛋白粉35%。销量较好的米粉,在添加了红枣、山药等成分外,为了增强营养,还加入了10%左右乳清蛋白粉[47]。多数乳清蛋白米粉富含乳清蛋白及多种益智因子,口感细腻、营养丰富、易冲调、易消化,为高品质婴幼儿营养食品,这些产品可按婴儿月龄划分不同乳清蛋白的添加剂量来作为婴儿辅食[48]。

3.1.2 以乳清蛋白为辅料的多元化产品 边燕飞等[49]按照比例混合一定量的乳清蛋白于干酪当中,再经过加工工艺处理,所制作而成的再制干酪,口味得到了改善,营养价值增加,产品硬度、咀嚼性、胶着性、融化性等特性也得到改善。郭慧青等[33]将乳清蛋白应用于航天食品的开发当中,将其与主食馒头结合,提高产品的风味,蛋白质消化率、增强抗氧化效果以及降血糖效果满足航天食品对于营养快捷的需求。

3.1.3 乳清蛋白纳米乳液产品 Lee等[50]使用乳清蛋白作为乳化剂,采用乙酸乙酯与食用油作为油相,通过高压均质技术制备得到了纳米乳液,并采用减压蒸发的方式除去乙酸乙酯,得到了在高离子强度和高温下均能保持稳定的乳清蛋白纳米乳液,为乳清蛋白纳米乳液在食品行业的利用奠定了基础。Shukat等[51]使用乳清蛋白作为乳化剂制备得到了纳米乳液,利用该体系运载维生素E。Mao等[52]采用乳清蛋白作为乳化剂制备得到了β-胡萝卜素纳米乳液,稳定性显著高于以吐温20和月桂酸甘油酯作为乳化剂制备得到的纳米乳液。He等[53]也以乳清蛋白作为乳化剂制备得到了纳米乳液,在运载药物方面有较高的稳定性和运载释放效率。

3.1.4 乳清蛋白饮料产品 益生菌发酵的乳清蛋白饮料在当前食品行业消费现状良好[54],王琪[55]结合现代发酵和乳制品加工技术,开发出了酸马奶乳清饮料,提高了其营养性以及适口性,也符合当前蛋白饮料消费趋势。乳清蛋白在食品工业中被分为乳清浓缩蛋白和乳清分离蛋白,乳清浓酸蛋白有更高的营养价值和质构特性[56-57],罗永康等[58]将乳清浓缩蛋白应用于酸奶制作,明显改善酸奶品质,提高酸奶保水性。

3.2 酪蛋白产品开发及综合利用

3.2.1 酪蛋白的营养多元化开发 酪蛋白的主要产品是奶酪,但是奶酪的膻味让很多人难以接受,人们更愿意选择遮掩了膻味的奶酪产品。吴姝宓[59]以乳酪为原料,在其中加入鸡蛋、小麦粉等成分,经配料、加热搅拌、成型、烘烤、冷却、包装等工艺制成的乳酪酥饼,质地均匀,香味浓郁,口感酥脆且贮藏期长。此法制成的营养强化新鲜食品不仅增加了产品的营养,还改善了产品的口味,满足了不同消费者的需求,增强了消费者的购买欲望,增加了酪蛋白的需求量。蒙古族传统乳制品、奶豆腐、楚拉等都是以酪蛋白为主要原料制作而成[60]。

3.2.2 以酪蛋白酸钠为基料的谷物制品 酪蛋白酸钠与酪蛋白一样具有很高的蛋白含量,与酪蛋白不同点在于酪蛋白酸钠具有水溶性,因此用途更为广泛。在谷物食品中酪蛋白酸钠作为营养强化剂,制作成高蛋白的谷物产品,供给老人、婴儿、糖尿病患者等特殊群体食用。在面包、饼干等谷物食品中,酪蛋白酸钠的添加量为0.2%～0.5%[61]。

4 结语与展望

动物乳汁中含有丰富的乳清蛋白和酪蛋白,具有极高的营养价值和广阔的应用前景。乳清蛋白与酪蛋白均可被添加至人们日常消费的食品中,也可用于医疗保健品中,综合比较,乳清蛋白产品较酪蛋白产品更趋于多元化且更受到人们的喜爱。

目前,蛋白产品竞争日益激烈,在科学技术不断发展的今天,如何打造更多适应市场的酪蛋白产品以及扩大多元化的乳清蛋白产品市场,是当前应该攻克的难题和关键。因此,保持乳清蛋白和酪蛋白已有的生物医药、食品工业等应用领域基础上,继续扩大应用范围、拓展开发新型医药产品与新型食品、重视其多肽产品开发、强化奶酪产品多元化与提升我国奶酪产品消费意识,以及继续深入开展其促进人类健康的机理、机制研究,均是未来研究和产业发展的方向。