低矿化牛乳酪蛋白胶束与婴幼儿蛋白质胃肠消化的关系

张捷，崔梦君，孙菁笛，周鹏

（1.江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏 无锡 214122；2.齐鲁工业大学（山东省科学院），济南 250300）

0 引 言

确保新生儿获得最佳营养，对于儿童时期的生长发育以及整个生命周期的健康促进和疾病预防都至关重要[1]，因此世界卫生组织建议婴儿进行纯母乳喂养至少满6 个月[2]。然而，调查显示，全球范围内每年仅有44%的新生儿在出生后的前6 个月进行纯母乳喂养[3]，大部分婴幼儿依靠不完全母乳喂养和人工喂养，而配方奶粉是这部分婴儿主要的母乳替代品[4-5]。母乳中营养成分的含量与组成一直是婴幼儿配方奶粉设计的黄金标准[6]，目前通过改变婴配粉中营养成分的浓度、化学结构和营养来源以及优化婴配粉生产工艺等手段尽可能达到优化婴配粉性能的目的，使其在支持婴儿生长和发育方面与母乳相接近[7]。蛋白质作为母乳中最重要的营养物质之一，它是婴儿生长发育必要的物质基础[8]。然而，用于生产婴配粉的动物乳与母乳蛋白质含量和组成的不同，导致了其在婴儿体内的消化模式存在差异。研究表明，配方乳喂养的婴儿由于其胃肠道发育不成熟，较少的消化液分泌以及较低的酶活性和胃肠动力更容易出现蛋白质消化不良问题[9]。所以，蛋白质在婴儿体内的消化程度是决定婴儿配方乳粉质量的重要指标[10]。目前牛乳是婴儿配方乳粉生产的主要原料[11-12]，而牛乳酪蛋白约占其蛋白质总量的80%[13]。因此，研究牛乳酪蛋白的消化吸收对于婴幼儿蛋白质摄入、生长发育及各项生理功能至关重要。

在牛乳中，酪蛋白主要以胶束形式存在，胶束磷酸钙位于其内部，并与可溶相中的游离钙、磷酸盐等处于动态平衡状态[14-15]。与乳清蛋白相比，牛乳酪蛋白消化通常被认为是蛋白质消化的限速步骤，因为其在胃液酸性环境和胃蛋白酶的作用下容易形成致密絮凝，使胃排空延长，容易导致婴幼儿消化不良，从而引发肠胃不适[16]。研究表明，酪蛋白胶束在胃肠道的消化特性受多种因素影响，其中酪蛋白胶束矿化水平及其胃肠消化特性的关系研究是近几年的热点话题。因此，本文就牛乳酪蛋白矿化水平与婴幼儿蛋白质胃肠消化的关系进行总结，旨在为低矿化牛乳酪蛋白应用于婴幼儿配方奶粉帮助改善婴幼儿胃肠消化提供更多营养学理论支持。

1 蛋白质在婴儿胃肠道的消化特性

生命早期蛋白质摄入对于维持婴儿健康生长至关重要[17]。婴儿蛋白质消化出现问题会给婴儿造成短期和长期的不良后果，如疼痛、腹泻、吸收不良和便秘等[18]。婴配粉在不能母乳喂养的情况下为人类婴儿提供高质量的营养。然而，研究表明，母乳喂养和婴配粉喂养的婴儿有不同的生长模式。与母乳喂养相比，配方粉喂养的婴儿体重增长更快，这可能与婴儿对两者中营养物质的消化和生物利用度存在差异有关[19]。传统的婴配粉以牛乳蛋白（乳清蛋白与酪蛋白比例约为20∶80）为基础，通过添加乳清蛋白来调整酪蛋白和乳清蛋白的比例使其与母乳蛋白组成（乳清蛋白与酪蛋白比例约为60∶40）相接近[20]。

在牛乳中，蛋白质以酪蛋白为主，约占乳蛋白总量的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 种类型组成[22]，比例分别为4∶1∶3.5∶1.5，主要以酪蛋白胶束形式存在[23]。牛乳酪蛋白胶束是由高度磷酸化的酪蛋白（αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白）通过疏水作用力结合，又通过与磷酸钙的交联作用聚集形成的复杂纳米颗粒[24-26]。κ-酪蛋白位于胶束的表面可以通过空间位阻和静电斥力维持酪蛋白胶束结构的稳定[27]。相比于乳清蛋白，牛乳酪蛋白常常会在胃中形成凝块，导致酪蛋白胶束在胃中的停留时间更长、水解程度更低。因此酪蛋白常被归类为消化缓慢的蛋白质[28-29]。对于牛乳等液体食品，在新生儿口腔中停留的时间很短，所以一般考虑胃肠的消化[30]。牛乳酪蛋白在婴儿胃中的消化主要包括2个阶段。首先是胃蛋白酶优先作用于酪蛋白胶束表面的κ-酪蛋白，使其失去稳定酪蛋白胶束的能力[31-32]。当κ-酪蛋白大部分被水解（60%～90%）时，不稳定的酪蛋白胶束开始自发聚集，形成凝乳或凝固物，导致胃排空时间延长，延迟酪蛋白及其衍生多肽向小肠的输送[33]。

研究表明，蛋白质在婴儿胃肠道内的消化特性受蛋白质含量与组成，特别是酪蛋白组成的影响[34]。NAKAI 等[35]通过37 ℃体外酸沉淀研究了人乳和牛乳的凝固特性，结果表明人乳形成的凝结物比牛乳要细而疏松，这可能与人乳酪蛋白胶束粒径较小和高比例β-酪蛋白提高蛋白酶水解效率有关。ZOU 等[36]通过比较牛乳、驼乳、人乳在婴儿模型中的消化性发现，与牛乳相比，驼乳因高β/αs-酪蛋白比率在婴儿模型的消化中水解度更高，消化性更好。此外，牛乳酪蛋白的特定遗传变异及其翻译后修饰与牛乳酶凝特性有关[37-38]。牛乳酪蛋白的基因多态性主要是由氨基酸的缺失或置换以及糖基化、磷酸化位点的差异引起的[39]。为了揭示与牛乳凝固特性相关的蛋白质遗传变异模式，JENSEN 等[40]对丹麦荷斯坦牛和娟姗牛酪蛋白的遗传变异分布进行了比较。结果发现，B 型β-酪蛋白和κ-酪蛋白凝乳效果较好，有利于奶酪制作，而A2 型β-酪蛋白、A 型和E 型κ-酪蛋白凝乳效果较差。此外，牛乳酪蛋白磷酸化和糖基化水平与凝乳特性也存在一定联系。凝乳效果较差的丹麦荷斯坦牛乳酪蛋白中αS1-酪蛋白磷酸化以及κ-酪蛋白糖基化水平较低。除了蛋白质自身含量与组成，牛乳中矿物质钙与酪蛋白的相互作用也会影响蛋白质在婴儿胃肠道内的消化特性。

2 牛乳酪蛋白矿化水平及常用的脱钙技术

牛乳中主要的盐离子有钙、钾、钠、镁、氯、磷等[41]。其中钾离子、钠离子、氯离子主要分布在可溶相中，而钙离子、镁离子和磷酸根离子则分布在可溶相和胶体相，并处于动态平衡状态。牛乳中，胶束磷酸钙可以作为胶体磷酸钙的组成部分，也可以共价结合到酪蛋白上作为磷酸基。钙敏感酪蛋白（αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白和β-酪蛋白）的一部分磷酸基通过与钙离子相互作用形成胶束磷酸钙位于胶束酪蛋白的内部[42]，称为酪蛋白矿化。研究表明，不同来源的牛乳酪蛋白矿化程度在55%～90%之间不等[43]，且不同物种间酪蛋白矿化水平也有所不同，取决于每个物种的特定需求[44]。例如，每10 g 牛乳酪蛋白大约含有8.4 mmol 胶束钙，而每10 g 人乳酪蛋白大约含有3.2 mmol 胶束钙[45-46]。牛乳蛋白质的消化特性主要是受酪蛋白胶束结构的影响，而脱除酪蛋白胶束中的胶体磷酸钙，就有可能实现对牛乳蛋白质消化特性的调控。目前，乳制品加工业中常用的促使胶体磷酸钙解离的方法有离子交换脱钙法、螯合脱钙法和酸化脱钙法[23]。

2.1 离子交换脱钙法

乳制品加工中常用的阳离子交换树脂有强酸型和弱酸型阳离子交换树脂2 种，分别以磺酸基和羧基作为功能基团，吸附结合可溶相中的游离钙离子，同时钠离子、钾离子或氢离子等作为平衡离子与游离钙离子发生等电荷当量的交换，从而导致被交换体系中钙离子含量的降低、以及平衡离子含量的增加[23]。有研究采用磺酸基强酸钠型阳离子交换树脂直接处理脱脂乳的膜过滤截留液可以得到脱钙率为18%、40%、70%、90%的牛乳胶束态酪蛋白[47]。同样类型的阳离子交换树脂通过调节树脂加入量可得到脱钙率为0～37%的浓缩牛乳蛋白[23]。然而，离子交换脱钙技术的产业化应用需要长时间的酸碱和水洗处理以保证离子交换树脂的活化与再生。

2.2 螯合脱钙法

乳制品加工业中常用的螯合剂有乙二胺四乙酸（EDTA）、柠檬酸盐、多聚磷酸盐、草酸盐等[23]。钙螯合盐通过从水相中螯合钙来降低游离钙离子的浓度，进而促使胶体磷酸钙解离到水相中，减少酪蛋白矿化水平，增加酪蛋白胶束水化程度[48]。有研究在脱脂乳中添加柠檬酸钠可制得脱钙率为0～40%的浓缩牛乳蛋白[23]。研究表明，浓缩乳蛋白溶液的乳化稳定性与其0～40%范围内钙离子的脱除呈正相关，尤其是脱钙率40%的浓缩乳蛋白溶液可获得较好的乳化稳定性[49]。螯合脱钙法中酪蛋白胶束的脱钙程度取决于螯合剂的添加量。当体系中的钙被较高程度螯合（＞40%）时，β-酪蛋白和κ-酪蛋白优先于αS-酪蛋白发生解离，使得酪蛋白胶束尺寸略微减小。当大剂量加入钙螯合盐时，酪蛋白胶束的形态和稳定性会发生更大的变化。然而，这种方法的缺点是，螯合剂的残留会对产品造成污染。

2.3 酸化脱钙法

乳制品加工业中常用的酸化剂有葡糖酸内酯、盐酸、乳酸、二氧化碳等[23]。酸化时，当pH 值从6.7 降低到5.8，牛乳酪蛋白胶束中的矿质元素缓慢解离，胶束表面的κ-酪蛋白上所带负电荷含量逐渐变少，酪蛋白胶束之间的斥力随之减少。此时酪蛋白的溶解性逐渐降低；当pH 降低到5.0 时，胶束磷酸钙全部解离释放，胶束水合增加[50]。有研究采用酸化和透析方法可获得脱钙率13%～63%的牛乳酪蛋白胶束[51]。刘大松等[23]通过葡糖酸内酯和盐酸调节pH 范围可以增加游离钙的相对含量，其在pH 5.4～5.8 之间增幅最大。然而，酸化脱钙法中酸的加入不仅能限制酪蛋白胶束的脱钙程度，而且酸化预处理会造成蛋白沉淀，降低膜过滤的效率[52]。

3 低矿化牛乳酪蛋白对蛋白质功能特性的影响

3.1 低矿化牛乳酪蛋白对蛋白质溶解性的影响

酪蛋白溶解性与其胶束磷酸钙含量有关，而钙离子的脱除能促进酪蛋白的溶解[51]。刘大松等[53]利用不同脱钙方式对浓缩牛乳蛋白进行脱钙处理，并对其溶解性和贮藏稳定性进行了探究。首先通过离子交换制备了脱钙率为0、11%、19%、27%和37%的浓缩牛乳蛋白，并在35 ℃加速贮藏4 个月后发现，脱钙浓缩牛乳蛋白的初始溶解度都在95%以上，但在贮藏过程中，脱钙率11%的浓缩牛乳蛋白溶解度随贮藏时间增加而显著降低，而脱钙率19%、27%以及37% 的浓缩牛乳蛋白溶解度在贮藏期内几乎不变。另外，刘大松等[54]通过高酸化和非酸化两阶段脱钙方法制备了脱钙率0～72% 的浓缩牛乳蛋白。研究发现，脱钙率0～7%的浓缩牛乳蛋白可溶性总酪蛋白（非胶束酪蛋白）的含量保持在15%～17%左右。当浓缩牛乳蛋白脱钙率从13%增加28%时，可溶性总酪蛋白的含量保持在23%～37%，且此脱钙范围的浓缩牛乳蛋白溶解度随贮藏天数的增加下降速度越来越慢。当浓缩牛乳蛋白脱钙率达到72%时，可溶性总酪蛋白的含量保持在95%，且72%脱钙浓缩牛乳蛋白在整个贮藏期间（60 d）几乎完全溶解。

3.2 低矿化牛乳酪蛋白对蛋白质凝胶特性的影响

钙的脱除对蛋白凝胶形成具有抑制作用。由于酪蛋白多以胶束形式存在，且水化程度很高，其粒径的变化，也就是胶束的松散程度会影响酪蛋白的凝胶化。研究表明，不同程度的脱钙会使牛乳酪蛋白胶束结构发生不同程度的解离，κ-酪蛋白水解会使酪蛋白胶束所带负电荷减少，从而导致胶束聚集，相应地会对其凝胶性质产生影响。徐雨婷等[52]通过在不同脱钙率的浓缩牛乳蛋白溶液中加入葡糖酸内酯模拟酸奶发酵，之后利用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对其凝胶微观结构进行观察发现，与未脱钙浓缩牛乳蛋白致密均一的凝胶结构相比，11.1%脱钙浓缩牛乳蛋白形成的凝胶结构疏松且粗糙，而脱钙率在18.6%～37.1%之间的浓缩牛乳蛋白，其形成的凝胶孔隙大小及数量与脱钙量呈正相关，不利于凝胶网络结构的形成。

3.3 低矿化牛乳酪蛋白对蛋白质体外胃肠消化的影响

研究表明，低矿化牛乳酪蛋白是提高婴幼儿蛋白质胃肠消化的有效途径。牛乳酪蛋白胶束首先在婴儿胃酸环境下发生κ-酪蛋白毛发层的坍塌以及胶束钙的解离，随后胃蛋白酶导致κ-酪蛋白毛发层的水解暴露了胶束内的钙敏感酪蛋白，导致其通过钙桥聚集形成大而致密的胃凝物。然而，随着牛乳酪蛋白胶束脱钙程度的增加，其胶束结构逐渐解离，在胃酸环境下胶束钙的增溶减少，从而降低了钙敏感酪蛋白通过钙桥发生聚集的可能，从而形成更小、更松散的凝乳。HUPPERTZ 等[51]发现脱钙率13%～63%的牛乳酪蛋白胶束在体外模拟婴儿胃消化过程中没有形成可见的簇状结构。与未脱钙牛乳酪蛋白相比，脱钙牛乳酪蛋白降解速度更快。王科瑜等[47]比较了脱钙率为18%、40%、70%、90%的牛乳酪蛋白在体外模拟婴儿胃肠消化模型中的降解情况。在体外模拟婴儿胃消化结束时，0 和18%脱钙牛乳酪蛋白的完整酪蛋白百分比保持在56%～63%之间，而40%～90%脱钙牛乳酪蛋白的完整酪蛋白百分比仅保持在24%～29%左右，且游离氨基的数量随脱钙水平的增加而增加，表明蛋白质水解与酪蛋白脱钙量呈正相关。在胃消化后，将脱钙率为0、18%、40%和69%的酪蛋白胶束食糜分别用于随后体外模拟婴儿肠道消化发现，在肠消化的最初30 min，脱钙牛乳酪蛋白的游离氨基数量大于未脱钙牛乳酪蛋白，说明不同脱钙水平的牛乳酪蛋白在肠道胰蛋白酶作用下发生快速水解[55]。WANG 等[56]充分探究了脱脂乳粉、浓缩牛乳蛋白粉和脱钙浓缩牛乳蛋白粉等不同乳成分在体外动态消化模型中的凝固和消化行为。研究表明，脱脂乳粉和浓缩牛乳蛋白粉在消化10 min 后形成黏稠且结构致密的球形凝乳，且220 min 后仍没有分解完全。而脱钙浓缩牛乳蛋白粉因在消化220 min后形成结构松散且破碎的凝乳结构。此外，SDSPAGE 检测发现，脱脂乳粉和浓缩牛乳蛋白粉的水解速率低于脱钙浓缩牛乳蛋白粉。

通过以上研究，可以推断出牛乳酪蛋白矿化水平是表征酪蛋白胃肠消化难易程度的重要指标。牛乳酪蛋白在胃内酸性环境和胃蛋白酶作用下形成乳凝块导致其消化过程较慢，而低矿化牛乳酪蛋白减少了解离后钙敏感酪蛋白通过钙桥发生聚集的可能，从而形成更小、更松散的凝乳，易被分解和消化。因此，低矿化牛乳酪蛋白有利于改善婴幼儿蛋白质胃肠消化问题，提高婴幼儿胃肠舒适度。

4 结 语

蛋白质是生命早期必需的宏量营养素，因此其消化吸收水平对于婴幼儿的生长发育极为重要。对于部分母乳或人工喂养的婴幼儿来说，牛乳基配方奶粉是主要的营养来源之一。与母乳相比，牛乳中的酪蛋白含量占比较高，相对而言不易消化。通过对牛乳酪蛋白含量及组成加以调整和改进，旨在配置成适合婴幼儿消化吸收的牛乳基婴配粉。研究发现，牛乳酪蛋白矿化水平能够影响婴幼儿胃肠道对蛋白质的消化吸收。牛乳酪蛋白矿化水平较低，其在胃内形成较小且松软的凝乳颗粒，更容易被胃蛋白酶分解消化。为了使配方奶粉达到与人乳相似的酪蛋白凝乳性，推荐婴幼儿配方奶粉选用低矿化牛乳酪蛋白奶源以改善婴幼儿胃肠道消化问题。需更多临床研究进一步验证低矿化牛乳酪蛋白在改善婴幼儿胃肠消化、提高婴幼儿胃肠道舒适性等方面的作用。