牛初乳营养成分与其免疫球蛋白活性保持技术研究进展

杨红,刘爱国*,刘立增,强锋,杨毅

1(天津市食品与生物技术重点实验室,天津商业大学 生物技术与食品科学学院,天津,300134) 2(天津明哲天翊科技有限公司,天津,300131) 3(彼特锐斯(天津)商贸有限公司,天津,300300)

牛初乳指的是健康奶牛分娩3 d内从乳腺分泌的第一批乳汁,其含有大量的优质蛋白质、矿物质、维生素、生物活性成分以及20多种病原体特异性抗体[1],被认为是最佳的天然食品补充剂,外国学者称其为“液态黄金”。牛初乳体积、外观和成分与常乳均有显著差异[2-3]。牛初乳营养丰富,呈乳黄色,酸度较高,黏度较大,具有特殊的苦味和腥味,口感较差,加热易变性凝固,不能直接食用[4]；牛初乳中的蛋白质、脂肪、灰分和部分矿物元素含量均显著高于常乳,但乳糖含量低于常乳[5],因此,牛初乳适合大多数乳糖不耐受的人群食用。

牛初乳在食品工业中倍受重视,一方面是由于牛初乳富含功能活性物质,能够增强人体免疫力和促进组织生长,在预防人类感染和保健方面具有良好的应用前景[6]；另一方面由于牛初乳可以作为膳食补充剂添加到食品中,进而开发出新型功能性产品,如添加牛初乳的冰淇淋[7]、牛初乳发酵酸奶[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,但其活性易受热、酸和碱等不良环境因素的影响而降低,在实际食品生产加工过程中活性损失较大,其营养价值没有充分展现[10]。免疫球蛋白活性作为牛初乳制品功能性质的表征之一,决定了牛初乳制品的价值,因此,研究其活性保持技术对牛初乳功能性产品的开发具有重大意义。国内外关于牛初乳中免疫球蛋白活性保持技术方法的报道很多[11-12],如食品添加剂法和微胶囊法,部分技术尚存在一些不足。本文将从牛初乳的营养成分、牛初乳中免疫球蛋白主要活性保持技术及未来研究前景进行综述,旨在为牛初乳在食品加工领域的进一步应用提供参考。

1 牛初乳的营养成分

牛初乳具有促进胃肠道的生长和成熟,促进骨髓干细胞的分化,增肌减脂[13],预防上呼吸道感染[14]和儿童腹泻[15],改善小肠屏障完整性,抑制组织损伤时的肠道炎症[1,16]和修复受损组织的作用[17],人们可以通过食用牛初乳作为膳食补充剂来获得保健作用。因此,牛初乳可作为一种具有发展潜力的功能性食品。人们在食用牛初乳后,小肠无需吸收抗体,从而达到了被动免疫的保护效果,牛初乳也能清除肠道中的病原菌,进而预防某些疾病[18]。牛初乳作为膳食补充剂,既能保持正常的肠道微生物群落的完整性,也不会导致抗药性出现,这一优势有利于缓解目前抗生素产生的抗药性危机[19]。牛初乳的组成十分复杂,主要包括免疫因子和生长因子两大类功能活性成分,分别对机体免疫和生长起到调节作用。

1.1 免疫因子

牛初乳中的免疫因子主要包括免疫球蛋白、乳铁蛋白、溶菌酶、脯氨酸多肽和细胞活素等,最新研究表明：牛初乳中含有大量具有免疫功能的外泌体[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,具有增强健康和患病人群免疫功能的作用[21],从牛初乳中提取免疫球蛋白用作膳食添加剂是国内外的研究热点。免疫球蛋白(结构如图1所示)是由4个多肽亚单位组成的“Y”形球蛋白,可以分为免疫球蛋白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大类。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,主要分为2个亚类：IgG1和IgG2,IgG1是初乳中最丰富的Ig同种型,约占免疫球蛋白总含量的80%。新鲜牛初乳中IgG的质量浓度为30～87 mg/mL[5],约是常乳的50倍,但随乳分泌时间的延长,牛初乳中的各种成分逐渐和常乳接近。张和平等[23]发现牛初乳中的IgG的含量随着乳分泌时间的延长而降低,第一次挤的初乳中IgG的质量浓度约为67.23 mg/mL,1 d后降到5.0 mg/mL,5 d后下降到常乳水平。

CL-轻链恒定区；VL-轻链可变区；VH-重链可变区； CH1-重链恒定区1；CH2-重链恒定区2；CH3-重链恒定区3 Fab片段-抗原结合片段；Fc片段-可结晶片段(启动免疫 反应的效应子,无抗原结合能力)图1 免疫球蛋白基本结构示意图Fig.1 Basic structure of immunoglobulin

乳铁蛋白是一种具有抗菌、抗病毒和生长调节作用的糖蛋白,含量是常乳的50～100倍,其抗菌特性对革兰氏阳性菌(G+)、革兰氏阴性菌(G-)、病毒(非荚膜和荚膜)、几种寄生虫和真菌均有效[24]。乳过氧化物酶是一种抑制细菌代谢的抗菌酶,具有抗病毒活性。牛初乳中还包含多种免疫调节和炎性细胞因子,如白介素、肿瘤坏死因子-α、干扰素-γ和有助于控制感染和炎症的物质[25],是各种免疫因子的聚集地,被尊称为“免疫之王”,但研究表明,在健康奶牛分泌的牛乳中,免疫因子的浓度差异很大,从189头健康奶牛分泌的牛乳样本中,乳铁蛋白浓度的差异超过20倍[19]。

牛初乳中的免疫因子能够有效抵抗病毒、真菌、细菌及其他过敏原,杀死具有神经毒性的大肠杆菌,在抑制多种病原微生物生长的同时,对肠道内非病原性微生物的生长和繁殖影响甚微[26],牛初乳中的各种免疫因子协同作用,使牛初乳具备很好的保健功能。

1.2 生长因子

牛初乳中的生长因子包括神经营养生长因子(neurotrophic growth factor,NGF)、转化生长因子(transforming growth factor,EGF)、表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)、胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor,IGF)和成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)等[27]。IGF是牛初乳中含量最多的因子,主要分为IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ两种,质量浓度约是200 μg/L,约为常乳的100倍[28]。奶牛产犊后1 h,初乳中的所有已知生长因子的含量是最高的,随着产犊时间的增加而下降[13]。表1为牛初乳中主要生长因子的保健作用。

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

大量研究发现,牛初乳中的生长因子具有促进机体正常生长,促进机体脂肪的分解代谢,平衡血糖,促进受伤组织愈合以及调节大脑中的5-羟色胺和多巴胺等功能[30]。

2 免疫球蛋白的活性保持技术

IgG在加工或在肠道中消化时的稳定性是评估牛初乳价值的一个重要因素[31],但是IgG易受热、酸和碱等不良环境因素影响而变性,进而导致其活性降低。IgG的稳定性由链内和链间二硫键和三维折叠结构域等分子结构特性决定[32],热处理可以直接改变IgG构象的完整性,使二硫键断裂产生游离巯基,巯基与另一个IgG反应生成凝集体,致使其活性下降,其中抗原结合片段比其他区域更热敏感。牛初乳在加工过程中,要经过如巴氏杀菌和喷雾干燥等热处理工艺,IgG活性损失极为严重,因此,提高IgG的稳定性进而有效发挥其生理活性是目前亟待解决的问题。目前国内外保持牛初乳中IgG活性主要有2种方法：一是加入食品添加剂作为保护剂；二是将牛初乳IgG制备成微胶囊。

2.1 食品添加剂法

牛初乳加工过程中往往需要添加食品添加剂,如增稠剂、防腐剂和甜味剂等,以满足不同人群的需要,因此,可采用添加食品添加剂的方法维持牛初乳中IgG的活性。

CHEN等[32]表明,添加20%甘油、0.20%谷氨酸和20%麦芽糖等热保护剂有助于保持模拟系统中的IgG活性,仅添加5%的甘油就能将残留的IgG从4.1%提高到38.8%,但目前反应机理尚不明确,可能是由糖和多元醇增强IgG分子中疏水相互作用导致的,也可能是与糖溶液中蛋白质分子优先溶剂化的作用有关[33]。糖和多元醇能提高分离的IgG的热稳定性,但在实际食品生产中,高浓度的添加剂对于保持牛初乳产品的黏度和风味,可能是一个挑战。CHAO等[34]向IgG稀溶液中添加蔗糖、乳糖、葡萄糖、半乳糖和麦芽糖等物质用作热保护剂,结果表明5%的果糖或麦芽糖,具有极佳的保护效果,能将残留的IgG含量提高到31%,过量添加(>30%)会导致残留IgG含量下降。雷昌贵等[35]研究选取酸味剂、甜味剂和增稠剂等对IgG稳定性的影响。结果表明,IgG的变性率随乳酸、柠檬酸和磷酸二氢钠浓度的增大而增大；山梨酸钾对IgG的稳定性影响甚微；磷酸氢二钠、乳酸钙、甜味剂(蔗糖和葡萄糖)和增稠剂(羧甲基纤维素钠和黄原胶)对IgG有一定的保护作用。ELENA等[36]采用植物乳杆菌LUHS135和副干酪乳杆菌LUHS244发酵牛初乳、超声波处理和脱水3种方法对牛初乳中IgG、IgA和IgM含量的影响进行研究,结果表明,将LUHS135和LUHS244菌株与牛初乳结合具有安全性和功能性,是牛初乳作为食品、饮料成分的一种有前途的技术,但是IgA对发酵非常敏感,需要进一步的研究来增加IgA在牛初乳中的稳定性。徐思思[12]首次采用中药多糖结合甘氨酸与乳酸钙制成复合保护剂,复合保护剂配方为：茯苓多糖56.43%、甘氨酸41.55%、乳酸钙0.20%,IgG保留率为62.14%。

牛初乳中添加如糖醇、糖和氨基酸等保护剂能够有效保持IgG的活性,但其热保护机制尚不明确,研究表明,糖或糖醇对蛋白质的保护作用不仅与羟基的数量有关,还与其分子结构有关[37]。保护剂添加量不宜过多,过量会对产品风味和质地产生不良的影响。此外,IgG热保护剂种类单一且缺乏功能性,未来应选取一些具有功能活性的物质对IgG活性的保护作用进行研究,以开发出新型牛初乳功能性产品,增加牛初乳的综合利用价值。

2.2 微胶囊法

微胶囊技术是一种将微小颗粒或液滴涂层包埋在微小的半透性或密闭性胶囊中的过程[38],以获得具有保护特性的小胶囊。大多数微胶囊的直径范围是几微米到几毫米,囊材可以是单层、双层甚至是多层的。微胶囊技术能保护热敏性蛋白免于胃肠道系统的酸性环境和加热等工艺条件的影响,显著提高IgG的稳定性,同时可以控制囊芯的释放。国内外报道牛初乳IgG微胶囊化的方法很多,主要包括乳化缩聚法、喷雾干燥法、复凝聚法、流化床空气悬浮法和液中干燥法等。微胶囊立体结构如图2所示,微胶囊化基本步骤如图3所示。

图2 微胶囊立体结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the three-dimensional structure of the microcapsule

图3 微胶囊化的基本步骤Fig.3 The basic steps of microencapsulation

研究表明,乳化缩聚法是将IgG微胶囊化的一种理想方法。郑海英等[39]以乳化缩聚法制备微胶囊,最佳包埋率为75.9%,在70 ℃,15 min条件下进行热处理,变性率仅为19.4%,IgG微胶囊化后可显著提高其热稳定性。将微胶囊化的IgG添加到酸奶中,在刚制备好的酸奶中IgG保留率为89.4%,存放24 h后降低为80.7%,这表明此技术能够增强IgG的抗热、抗酸能力。

喷雾干燥法制备微胶囊工艺简单、成本较低,适用于对温度敏感的活性物质,但喷雾干燥用于微胶囊化较为复杂,有许多因素需要优化[40]。进风温度、出风温度过高或过低均可影响包埋率。金锋[41]以微孔淀粉和麦芽糊精作为囊材,免疫球蛋白作为囊芯,采用喷雾干燥法制备可溶性免疫球蛋白微胶囊,结果表明,进风温度为140 ℃时,出风温度为80 ℃时,成品的包埋率最佳,为71.69%。郑海英等[39]以复凝聚法对牛初乳IgG微胶囊制备进行研究,但成品包埋率仅为8.9%,这可能是因为:IgG反相溶解在胶液里,在固化过程中因甲醛而变性失活:真空干燥过程中水分的溢出导致油膜破坏,进而降低包埋率。

囊材和囊芯比、搅拌速度、表面活性剂用量和反应温度都会影响微胶囊的包埋率,吴锦霞等[42]采用液中干燥法探究以上4个因素对牛初乳IgG微胶囊化的影响,研究结果表明,囊材和囊芯比25∶1,搅拌速度250～300 r/min,表面活性剂用量8 mL,反应温度30 ℃是最佳反应条件,制备出的微胶囊粒径大小基本均匀,IgG的载药量约为60%。液中干燥法并不是十分理想的IgG微胶囊化的方法,且该法所使用的有机溶剂会造成囊芯活性损失。赵圣名[43]采用流化床空气悬浮法研究了牛初乳和双歧杆菌复合微丸的制作工艺,最终产品的包埋率为86.32%,IgG的检测值为47.26 mg/mL。杨柳等[44]利用流化床空气悬浮法研究了IgG微胶囊化,最终制得的产品粒径大小均匀,完整且致密,包埋率为85%。王璐怡等[45]采用乳化-喷雾法进行IgG微胶囊的制备,以麦芽糊精和阿拉伯胶作为囊材,包埋率高达81.24%,且微胶囊结构十分致密。AUDREY等[46]采用喷雾干燥法,以聚乳酸-乙醇酸制备成IgG微粒,包埋率高达85%。在微胶囊或微粒制备过程期间和释放后,保证IgG的稳定性和生物活性是极为重要的,ERDEMLI等[47]利用聚乙烯醇、葡萄糖、淀粉等赋形剂对聚己内酯微球包封IgG的稳定性及对微球特性的影响进行探究,结果表明,聚乙烯醇和葡萄糖可以有效维持蛋白质的稳定性。

将牛初乳IgG制备为微胶囊,能够显著提高牛初乳IgG在加工过程中的稳定性与其到达肠道后的生理活性,最大化发挥牛初乳的营养价值。但是牛初乳IgG微胶囊技术尚存在以下一些不足：喷雾干燥法制备微胶囊时选用的壁材易溶于水,达不到缓释的目的；流化床空气悬浮法技术需要将牛初乳IgG冻干为粉末,在牛初乳产品生产中有一定局限性；乳化缩聚法不适用于牛初乳产品的工业化生产；复凝聚法制备的IgG微胶囊包埋率较低；除喷雾干燥法和流化床空气悬浮法外,其他常用微胶囊法不适用于牛初乳产品的工业化生产。今后还需进一步研究出应用范围更广的IgG活性保持技术,为牛初乳功能性产品的开发提供广阔的思路和理论支持。此外,以蛋白质作为囊材制备微胶囊时,聚合层之间离子相互作用可使蛋白质凝聚体力学性能相对较差,可以通过采用谷氨酰胺转氨酶或赋形剂等对蛋白质的结构稳定性进行修饰强化,并改善其控释性能[48]。国内外学者开发出许多可以用于活性蛋白包埋的方法,如超声雾化-低温萃取成囊法、酵母微胶囊法、电喷雾干燥法和纳米粒子包埋技术等[49-50],在今后的牛初乳IgG的活性保持技术研究中有望应用这些新型技术。

3 总结与展望

牛初乳营养价值丰富,在发挥自身生物活性功能作用的同时,不会对人体产生不良影响,与许多健康益处相关联,因此,牛初乳作为一种功能性成分很受欢迎,既可以以液体形式食用,也可以将IgG分离纯化并分馏成固体浓缩物食用。IgG在牛初乳保健功能上发挥着极为重要的作用,但牛初乳在加工过程中,其营养成分和功能活性成分往往会被破坏,制得的产品免疫活性低。牛初乳任何潜在应用的先决条件均是在加工过程中尽量保持免疫活性物质不受破坏,目前国内外学者主要倾向于用食品添加剂法和微胶囊技术去维持IgG的活性。我国牛初乳资源丰富,相信随着科学技术的进步,牛初乳研究的深入和国内市场的规范化,牛初乳在功能性食品生产中将会有巨大的应用潜力。

(1)目前国内外学者对牛初乳IgG活性的影响因素有较多研究,但对其活性保持的机理及其结构变化的研究报道鲜少,未来应尝试从分子角度阐述IgG结构与活性之间的关系；

(2)糖和糖醇类物质在食品中过量添加会对食品风味产生不良影响,未来应进一步研究不同种类的具有功能活性物质或天然物质作为保护剂对IgG活性的影响；

(3)需要进一步拓展活性蛋白领域的微胶囊技术的理论研究和实际应用,如采用纳米粒子包埋等新技术或采用具备优良性能的新囊材对其微胶囊化进行研究,以保证在微胶囊形成期间和释放后保持蛋白质的稳定性；

(4)国内外学者应利用现代生物技术不断开发出新型的牛初乳功能性产品,并将加工过程对IgG活性的影响降至最低,这对于牛初乳IgG的综合利用具有重要意义。