牛乳生物活性成分及其研究進展

文/王 慧 方洛云 熊本海 蔣林樹＊

（1 北京農學院動物科學技術學院，奶牛營養學北京市重點實驗室；2 中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所）

近年來，隨著科學技術的發展和生活水平的提高，以生物活性物質為天然原料的功能性食品的開發受到人們日益廣泛的關注。生物活性物質是指天然存在于食物或在食品后期加工過程中形成和添加的、能夠引起人類生理和生化功能改變的一類化合物，是功能食品生理活性的關鍵體現[1]。牛乳及牛初乳被認為是天然生物活性成分最重要的來源，這些生物活性成分或以天然形式（如免疫球蛋白、乳鐵蛋白、生長因子和激素等）存在于牛乳中；或以生物活性肽的形式存在于牛乳中。以生物活性肽形式存在的生物活性物質的功能往往是被加密的，需要通過蛋白質的水解作用才能釋放其生物活性[2]。在過去的20年里，隨著研究的不斷深入和分離技術的發展，天然存在于牛乳及牛初乳中的生物活性物質及其衍生物質已經得到了廣泛的商業化應用。牛乳生物活性物質所帶來的促健康效應也為人類的健康生活開啟了一扇新的大門。

1 牛乳中主要活性蛋白質及其衍生物

1.1 牛乳酪蛋白及其酪蛋白源生物活性肽

牛乳是一種富含蛋白質的食物，主要由酪蛋白和乳清蛋白組成。正常牛乳中蛋白質含量大約為3.5%。酪蛋白是牛乳的主要組成部分，約占牛乳蛋白質的80%左右。酪蛋白除了為機體提供生長所必需的氨基酸之外，也是多種生物活性肽的主要來源。酪蛋白本身是一種由αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白、無機鹽和檸檬酸組成的大型、堅硬、致密、極困難消化分解的凝乳[3]。牛乳中酪蛋白的生理功能主要是通過酪蛋白水解后形成的多種生物活性肽來體現的。酪蛋白中的多種生物活性肽最初是以非活性狀態隱藏在酪蛋白中，只有當酪蛋白被適當的水解酶水解后，活性肽才能被釋放出來發揮其各種生理功能。

1.1.1 阿片肽

根據生理功能，酪蛋白源的阿片肽可以分為兩種，一種是可以產生興奮反應的來自α-酪蛋白的外啡肽[4]和來自β-酪蛋白的β-酪啡肽[5]，另一種是可以產生拮抗作用的由κ-酪蛋白水解而成的酪新素[6]。阿片肽不僅可以有效地緩解鎮痛、焦慮及興奮等癥狀，同時在治療胃痛方面也發揮了關鍵性的作用。

1.1.2 降血壓肽

血管緊張素轉換酶（Angiotensin Converting Enzyme，ACE）是一種與血壓調節有關的強效血管收縮劑，通過血管平滑肌的收縮來控制動脈血壓。ACE一方面降低血管舒緩激肽（血管擴張肽）和腦啡肽的濃度，另一方面將血管緊張素I轉化為強效血管收縮劑——血管緊張素II，從而引起血壓的升高。血管緊張素轉換酶抑制肽則可以有效地阻斷血管緊張素I轉化為血管緊張素II，從而起到降低血壓效果[7]。從胰蛋白酶和胃蛋白酶對αS1-酪蛋白、β-酪蛋白、κ-酪蛋白的水解產物中已分離出大量的ACE抑制劑，這些酪蛋白衍生肽被稱為酪激肽。利用微生物水解蛋白質釋放的多種生物活性肽也被證明具有抗血壓作用。瑞士乳桿菌釋放的ACE抑制三肽Val-Pro-Pro和Ile-Pro-Pro的降血壓能力在大鼠及人類研究中均已得到了證實[8]。

1.1.3 免疫調節肽

免疫調節肽不僅可以刺激淋巴細胞的增殖，提高機體對外界環境的免疫調節能力，同時也表現出一定的抗菌活性。牛乳β-酪蛋白的f63-68、f191-193和f193-209，αS1-酪蛋白的f1-23、f194-199已被證明可增強用于體外試驗的人類和小鼠巨噬細胞的吞噬活性，并在體內表現出抗肺炎克雷伯菌的免疫刺激活性[9]。分離自κ-酪蛋白的一些小肽物質可以增加人體外周血淋巴細胞的增殖活性[10]。αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白的酪蛋白磷酸肽均可以表現出免疫調節活性。李巒峰等[11]用胰蛋白酶水解酪蛋白得到的κ-酪蛋白片段（f11-63）可以抑制多種菌的生長，尤其對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有很好的抑菌效果。翟青新[12]以牛胰蛋白酶對酪蛋白進行水解獲得的活性成分對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、鏈球菌、枯草芽孢桿菌等多種菌都有很好的抑制作用。

1.1.4 抗血栓肽

酪蛋白血小板因子是由κ-酪蛋白水解獲得的一種小肽，它能夠抑制二磷酸腺苷（Adenosine Diphosphate，ADP）激活的血小板聚合作用，同時還能抑制人血纖維蛋白原γ鏈與血小板表面特異位點的結合，故表現出抗血栓形成的生理功能[13]。

1.1.5 金屬結合肽

一些酪蛋白衍生肽具有金屬離子結合能力，可作為體外生物載體加以利用。酪蛋白磷酸肽（Casein Phosphopeptides，CPP）是目前研究最多的礦物質元素結合肽[14]。αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白消化水解產物中都有CPP存在。CPP帶有一個富含磷酸絲氨酸的區域，因此容易與鈣離子或其它金屬離子形成化合物。酪蛋白磷酸肽的金屬結合能力使得它在預防骨質疏松、貧血和齲齒方面起到了積極的推動作用。不同結構的CPP對金屬離子的結合能力差異很大，這種差異可能與離磷酸結合位點較遠的氨基酸殘基的極性有關。而且，CPP上高濃度的負電荷氨基酸有助于其抵抗進一步的蛋白質水解。另外，也有報道指出，一些CPP也具有增強動物免疫力，誘導腫瘤細胞凋亡的功效[15]。

1.1.6 酪蛋白糖肽

酪蛋白糖肽是凝乳酶水解κ-酪蛋白的苯丙氨酸和蛋氨酸之間的連鍵釋放出的一種C-末端包含64個氨基酸的多肽。該多肽的分子量約為8 kDa，具有親水性，包含一個由半乳糖、N-乙酰氨基半乳糖和N-神經酰胺組成的碳水化合物片段。經分離純化獲得的酪蛋白糖肽表現出多種生理功能活性。酪蛋白糖巨肽能夠作為毒素中和劑，抑制霍亂等毒素與受體的結合；抑制流感病毒紅細胞凝集素的作用，保護細胞免受感染；能夠作為受體與細菌和病毒結合，從而抑制細菌和病毒的繁殖；參與免疫系統的調節作用等[16]。

1.2 牛乳乳清蛋白及其衍生活性肽

1.2.1 免疫球蛋白

免疫球蛋白是一類具有抗體活性的球狀蛋白質，具有抗菌性和防御性，是牛乳中最重要的生物活性物質之一。免疫球蛋白是由兩條相同的輕鏈和兩條相同的重鏈通過二硫鍵連接形成的結構呈Y型的四肽鏈分子，其分子質量大約為150～170 kDa。牛乳中的免疫球蛋白主要是IgG、IgM和IgA，其中IgG是整個哺乳期乳中主要的免疫球蛋白。在初乳中免疫球蛋白的含量高達10%，占蛋白質總量的70%～80%；分娩后免疫球蛋白的濃度迅速減少，成熟牛乳的免疫球蛋白含量僅為有0.6～1.0 g/L，占蛋白質總量的1%～2%。免疫球蛋白具有降低血漿膽固醇進而降低血壓的功效。高膽固醇血癥患者每日攝入90 g的免疫牛乳，可調節血壓。有研究結果表明，口服富含免疫球蛋白的食物，可以抵抗致病菌和產毒素微生物對人體的入侵，起到免疫保護作用[17]。另外，牛乳IgG的一個重要功能是抑制致腸病的微生物對腸上皮細胞的黏附作用。

1.2.2 β-乳球蛋白及其衍生肽

β-乳球蛋白是牛乳中的主要乳清蛋白，約占乳清蛋白的50%，是由162 個氨基酸殘基、2 個二硫基團（S-S）和1 個硫氫基團（-SH）組成的一種分子量約18.3 kDa的小的球狀蛋白。β-乳球蛋白在牛常乳中的濃度為3.3 g/L，在牛初乳中的濃度可以達到8 g/L。β-乳球蛋白與葉酸結合，可以有效地增強其穩定性；與脂溶性維生素和脂肪酸等結合，可以改善產品的風味、促進營養物質的吸收；β-乳球蛋白也可以延緩某些脂肪酸和維生素的氧化降解，起到保護作用[2]。

β-乳球蛋白也是生物活性肽的一個極好來源，這些肽具有廣泛的生物學活性，如類阿片活性、抗菌活性、抗癌活性、抗氧化活性、降血壓活性、免疫調節、降膽固醇及其它代謝功能[2]。盡管β-乳球蛋白衍生肽具有很多潛在生物學功能，但是其生理功效還需要通過體內研究來加以佐證。

1.2.3 α-乳白蛋白及其衍生肽

α-乳白蛋白是乳清蛋白中第二豐富的組分，占牛乳清蛋白的20%。α-乳白蛋白在牛常乳中的濃度約為1.2 g/L，在牛初乳中的濃度約為3.0 g/L。α-乳白蛋白在乳腺中合成，在乳糖的生物合成上作為輔酶參與作用。α-乳白蛋白控制著乳腺中乳糖的含量，是泌乳階段的一個重要調節因子。與β-乳球蛋白相似，α-乳白蛋白衍生的生物活性肽同樣對ACE有較強的抑制活性，也具有抗癌、抗菌和抗病毒、免疫調節和益生元等多種生物功能[2]。另外，α-乳白蛋白也是必需氨基酸色氨酸和半胱氨酸的良好供體[2]。以壓力脆弱人群為對象的人類臨床研究顯示，富含α-乳白蛋白的飲食能夠有效地緩解研究對象的壓力和減少抑郁情緒。此外，有研究結果表明α-乳白蛋白可以為胃黏膜損傷提供保護作用，典型的抗胃潰瘍藥就是以此原理發揮保護作用的。

1.2.4 乳鐵蛋白及其衍生肽

乳鐵蛋白屬于轉鐵蛋白家族，是一種鐵結合性糖蛋白，由Sorensen（1939）在牛乳中一個未知的“紅色組分”中首次發現。牛乳的乳鐵蛋白是一條由689 個氨基酸組成的單鏈多肽。牛初乳中的乳鐵蛋白含量可高達1.5 mg/mL，而牛常乳中的乳鐵蛋白含量僅有0.1 mg/mL。乳鐵蛋白多肽是經胃蛋白酶從乳鐵蛋白上水解的一段25 個氨基酸小肽。與乳鐵蛋白相比，乳鐵蛋白肽具有更強的抗菌活性。

牛乳的乳鐵蛋白被認為是一種重要的宿主抵御分子，并且具有多種活性，如抗菌、抗炎癥、抗氧化、抗癌和免疫調節作用。乳鐵蛋白和乳鐵蛋白肽均對多種細菌具有抗菌活性。對乳鐵蛋白及乳鐵蛋白肽抗菌活性機制的研究主要可以歸為以下3 種：（1）從培養基中結合鐵從而抑制細菌的生長；（2）乳鐵蛋白直接結合到生物膜上，尤其是結合到革蘭氏陰性細菌的脂多糖上，造成外膜的致命性結構損傷以及抑制病毒的復制；（3）阻止微生物附著在上皮細胞或腸上皮細胞上[18]。有報道指出，乳鐵蛋白的殺菌活性可以通過溶菌酶或抗體作用得以加強。在對乳鐵蛋白及其衍生肽的體外抗菌活性研究中發現，乳鐵蛋白及其衍生肽可以抵抗多種病原微生物，包括致病性大腸桿菌、沙門菌、金黃色葡萄球菌、變性鏈球菌、乙型肝炎病毒等。在過去十幾年中，乳鐵蛋白的抗腫瘤活性如鐵螯合-相關抗氧化特性、免疫調節和抗炎癥等功能都已被廣泛深入的研究過。乳鐵蛋白的抗腫瘤機制也相繼被揭示，在體外研究中，乳鐵蛋白已被證明可以通過刺激淋巴細胞的增殖，活化巨噬細胞、單核細胞、自然殺傷細胞和中性粒細胞，誘導細胞因子NO的產生和刺激腸外周抗體的免疫應答來調節細胞免疫和體液免疫系統[19]。

1.2.5 乳過氧化物酶

乳過氧化物酶是天然存在于牛乳中且含量豐富（30 mg/L）的一種糖蛋白。牛乳過氧化物酶是由612個氨基酸殘基、含鐵血紅素和碳水化合物組成的多肽鏈，其中鐵含量大約為0.068%～0.070%，碳水化合物含量大約為9.9%～10.2%。乳過氧化物酶可以通過色譜技術從乳清中大量獲得。它對酸性pH值和蛋白酶具有較好的抵抗性。在整個泌乳期間，乳過氧化物酶活性維持在一個較高水平。

乳過氧化物酶是哺乳動物體內一種有效的殺菌劑，乳過氧化物酶的抗菌活性是通過乳過氧化物酶系統（Lactoperoxidase System，LPS）來實現的。乳過氧化物酶系統的殺菌能力取決于在過氧化氫（H2O2）存在下，硫氰酸鹽被氧化產物OSCN-或HOSCN的含量。這2 種產物能氧化革蘭氏陰性菌原生質膜上的游離-SH，破壞細菌細胞膜結構，導致鉀離子、氨基酸及多肽擴散到細胞外，從而使得葡萄糖的攝取和其它物質的代謝受到抑制。由于革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌有更為堅硬的細胞壁，乳過氧化物酶系統對革蘭氏陽性菌的作用表現為抑菌性。乳過氧化物酶系統的活性需要硫氰酸鹽及H2O2來進行激活，牛乳中的硫氰酸鹽及H2O2的濃度就顯得極為重要了。激活后乳過氧化物酶的有效性在世界范圍的許多研究中已被證實。自1991年以來，乳過氧化物酶系統在特定條件下保存原料乳的功能已經被認可。乳過氧化物酶系統在牙科保健品和動物飼料中也得以應用。幽門螺桿菌引起的胃炎在體外也可以通過乳過氧化物酶系統得以治愈。

2 生物活性脂類

牛乳脂肪中含有大量的生物活性物質—脂肪酸類。除了被人們熟知的反式脂肪酸外，共軛亞油酸的生理功效同樣引起了人們的重視。共軛亞油酸是一類含有共軛雙鍵的十八碳二烯酸（亞油酸）異構體混合物。共軛亞油酸可以由亞油酸和亞麻酸在牛胃內通過異構化和生物脫氫反應形成，也可以由泌乳奶牛乳腺的11-十八碳烯酸經Δ9-脫氫酶的脫氫作用形成。牛乳是共軛亞油酸最富足的天然資源。反式脂肪酸和飽和脂肪酸（12∶0-16∶0）在抗動脈粥樣硬化和抗冠心病疾病方面的功效已經被人們公認。在過去20 年中，大量的動物模型試驗結果表明，共軛亞油酸在抗動脈粥樣硬化、抗癌、抗糖尿病、抗肥胖及增強動物的免疫系統方面同樣起到了積極作用[21]。然而，這些功效在人體試驗中的結果卻一直飽受爭議。對于共軛亞油酸在人體中的有益功效還有待進一步的探索與研究。

乳脂肪的另一個生物活性脂類是位于乳脂肪球膜上的極性脂類。牛乳中的極性脂類可以作為第二信使，參與跨膜信號轉導與調控，以及細胞的生長、增殖分化與凋亡。極性脂類在神經元信號傳導上的功效與老年疾病、凝血、免疫及炎癥反應有關。極性脂類中的神經鞘磷脂可以對癌癥和腸道疾病產生影響。神經鞘磷脂通過產生神經酰胺和神經鞘氨醇而促使結腸癌細胞發生生長停滯、分化及細胞凋亡，甚至誘導惡性腫瘤轉變為良性。此外，神經鞘磷脂還參與減少腸壁對膽固醇的吸收。膳食中的神經鞘脂類能夠降低血清膽固醇，并保護肝臟免受脂肪、膽固醇誘變作用。另有研究表明，神經鞘脂類能夠通過爭奪或充當細胞結合位點，抵抗細菌、病毒感染，進而達到殺菌作用[21]。

3 生長因子

牛乳中含有大量的生長因子，包括表皮生長因子（Epidermal Growth Factor，EGF），β細胞素（Betacellulin，BTC），成纖維細胞生長因子（Fibroblast Growth Factor，FGF）-1和FGF-2，轉化生長因子（Transforming Growth Factor，TGF）-β1和TGF-β2，類胰島素生長因子（Insulin-like Growth Factors IGF）-I和IGF-II，血小板衍生生長因子（Platelet Derived Growth Factor，PDGF）。產犢后的第一個小時，初乳中所有已知生長因子的含量是最高的，此后會大幅度下降。牛乳中最豐富的生長因子是EGF（2～155 ng/mL）、IGF-I（2～101 ng/mL）、IGFII（2～107 ng/mL）和TGF-β2（13～71 ng/mL），其它已知生長因子的濃度均低于4 ng/mL。生長因子多為多肽類物質，分子量在6～30 kDa之間，氨基酸殘基變化范圍為小約53（EFG）到大約425（TGF-β2）。牛乳中的生長因子可以承受加熱殺菌的溫度，甚至對超高溫也有較好的耐受力。

有研究表明，EGF和BTC可以刺激表皮細胞、上皮細胞以及胚胎干細胞的增殖，此外，還可以抑制胃酸分泌以及促進傷口愈合和骨吸收。TGF-β家族在胚胎發育過程、組織修復、骨與軟骨的形成、免疫系統的調控中起著重要作用。TGF-β家族的2 種形式對結締組織細胞增殖有刺激性，對淋巴細胞和上皮細胞增殖有抑制性。IGF的2 種形式不僅可以刺激多種類型細胞的增殖，還可以對一些代謝過程，如葡萄糖攝取和糖原合成，起到一定的調節作用[22]。

4 其它生物活性物質

除了上述主要活性成分外，牛乳中還包含其它一些生物活性成分，包括激素、細胞因子、核苷酸和特異性蛋白等，這些生物活性成分在牛乳中的濃度雖然比較低，卻也有著非常重要的生理活性。

4.1 類固醇或肽來源的激素

在牛乳中發現的這類物質主要包括：性別激素（雌激素、孕激素和雄激素），腎上腺素（糖皮質激素），垂體（催乳素和生長激素），下丘腦激素（促性腺激素釋放激素、促黃體生成激素釋放激素、促甲狀腺激素釋放激素）和生長抑制素。激素在牛初乳中的濃度僅為納克（ng）或皮克（pg）級，此后更是急劇下降。催乳素在牛初乳中的變化范圍為500～800 ng/mL，在常乳中的濃度僅為初乳中的1/100。激素一般被認為在乳腺的特異性調節及新生兒的生長方面有重要作用，包括使其消化道及免疫系統得以生長及成熟。牛初乳中的激素也可以短暫地調節某些內分泌活動，直至新生兒的內分泌系統成熟。另有研究結果顯示，口服富含褪黑素的牛乳可以有效改善睡眠質量和晝夜活動。

4.2 核苷酸、核苷和堿基

核苷酸、核苷和堿基屬于乳中非蛋白氮成分，在腦功能發展的過程中可作為多效營養成分。由于核苷酸在嬰幼兒營養上的重要作用，一些嬰幼兒配方奶粉中已經添加了特定的核苷酸鹽[2，3]；同時，有研究表明核苷酸在小腸腫瘤的控制上可作為重要的外源性藥物使用。

4.3 細胞因子

牛初乳中含有較高濃度的細胞因子，如白介素-1、白介素-6、腫瘤壞死因子-α、干擾素和白介素-1受體拮抗劑等，但它們在常乳中的濃度明顯降低。

4.4 富脯氨酸多肽

富脯氨酸多肽（Proline-Rich Polypeptides，PRP）是近來在牛初乳中發現的一種多肽活性成分，它是一種分子質量約為14 kDa的富含脯氨酸的多肽化合物。PRP含有大量的脯氨酸和疏水性氨基酸，可以調節人體的免疫反應，增強皮膚脈管的滲透性，是一種免疫活性物質。近來有研究表明，PRP有益于輕度或中度阿爾茨海默癥的預防與治療[24]。

4.5 溶菌酶

溶菌酶（Lysozyme）又被稱為胞壁質酶，屬于水解酶的一種。溶菌酶不僅具有殺菌作用，還具有增強免疫力、減緩炎癥、促進組織修復等多種功能。溶菌酶在細菌性疾病的防治過程中取得了較好的預防和治療效果。與抗生素相比，溶菌酶具有療效快、無毒副作用、不產生耐藥性等優勢，成為研發抗生素替代制劑的熱點。牛乳溶菌酶是由154 個氨基酸殘基組成的多肽鏈。牛初乳和常乳中的溶菌酶濃度分別為0.14～0.70 mg/L和0.07～0.60 mg/L。牛乳溶菌酶作為C型溶菌酶的一種，在治療奶牛子宮內膜炎、乳房炎等細菌性疾病中具有顯著的效果[24]。

5 結論

牛乳中天然存在的多種生物活性成分或隱藏在乳蛋白質中的各種生物活性肽賦予了牛乳保健功能的特性,是人類天然的保健食品。牛乳中的各種活性成分為不同類型功能性食品的開發提供了極好的天然原料來源。隨著純化手段的不斷升級，牛乳中大多數活性物質或活性肽已經可以通過規?；夹g分離獲得。利用這些成分可以針對性地為嬰兒、老年人和免疫系統受損人群開發功能性食品，提高免疫性能，預防與飲食有關的慢性疾病。但由于某些活性成分在牛乳中的存在量極微，或某些活性成分在分離過程中的不穩定性造成的功能受損等現象，如何提高現有活性成分的濃度以降低利用成本，針對活性成分的穩定性制定相應的分離技術及開發新的功能性乳源活性物質將成為今后的一個研究方向。C