α-乳白蛋白的功能特性及其在嬰兒配方乳粉中的應用

陳文亮，蘇米亞，賈宏信，齊曉彥

（光明乳業股份有限公司，乳業生物技術國家重點實驗室，上海 200436）

α-乳白蛋白是乳清蛋白中的一種，主要存在于哺乳動物的乳汁中，在牛乳中占總蛋白質的2%～3%，在母乳中占總蛋白質的20%～25%[1]，是母乳中一種非常重要的營養物質，對嬰兒的生長發育極為重要。母乳是嬰兒天然的理想食品，0～6 個月嬰兒應采用純母乳喂養。在母乳不足或無母乳時可食用嬰兒配方乳粉，以滿足嬰兒生長發育所需的能量和營養需求。不當的喂養方式將會導致嬰兒營養不良和發育障礙，合理的膳食能夠預防營養不良和早期發育遲滯[2]。近年來的許多研究發現，α-乳白蛋白具有極高的營養價值和多種多樣的生物學功能。將α-乳白蛋白有效、合理地應用于嬰兒配方乳粉中，可以模擬母乳的蛋白質組成，更好地滿足嬰兒對蛋白質的需求。本文論述了α-乳白蛋白的結構特點、α-乳白蛋白的各種功能特性及其在嬰幼兒配方乳粉中的應用，為嬰兒配方乳粉研究提供參考。

1 α-乳白蛋白的結構

1.1 α-乳白蛋白的氨基酸組成

α-乳白蛋白是一種結構緊密的鈣結合球蛋白，分子質量約為14 200 Da，等電點在4.0～5.0之間[3]。大多數哺乳動物乳中的α-乳白蛋白都是由123 個氨基酸殘基和4 個二硫鍵組成的單鏈氨基酸，其中包括人、牛、豬、羊等，只有少數例外，例如，兔α-乳白蛋白只有122 個氨基酸殘基，小鼠α-乳白蛋白有144 個氨基酸殘基。

表 1 牛乳與母乳α-乳白蛋白的氨基酸組成Table 1 Amino acid composition of α-LA in in cow’s milk and breast milk

α-乳白蛋白富含人體必需氨基酸[4]。由表1可知，牛乳與母乳α-乳白蛋白的氨基酸組成中，苯丙氨酸、蘇氨酸、賴氨酸、精氨酸、半胱氨酸、脯氨酸、甘氨酸及酪氨酸8 種氨基酸的含量相同，而異亮氨酸、蛋氨酸、纈氨酸及丙氨酸4 種氨基酸的含量差異較大。

不同哺乳動物α-乳白蛋白的氨基酸序列差異隨物種親緣性降低而增加，例如，牛乳α-乳白蛋白與羊乳α-乳白蛋白有94%一致性，牛乳α-乳白蛋白與母乳α-乳白蛋白的氨基酸序列有76%一致性（相同序列），還有6%的序列是相似的。因此，牛乳α-乳白蛋白與母乳α-乳白蛋白的組成非常接近。牛乳與母乳α-乳白蛋白的氨基酸序列對比如圖1所示。

Acharya[6]、Qasba[7]等研究發現，對α-乳白蛋白基因序列進行比較，顯示出其與溶菌酶具有高度相似性，特別是與Ca2＋結合后的C-溶菌酶。因此，α-乳白蛋白很有可能是由C-溶菌酶發生基因突變而進化形成的。溶菌酶是抗菌酶，能夠使細胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，導致細胞壁破裂而使細菌溶解，但α-乳白蛋白的溶菌酶活性卻很低，僅為雞卵清溶菌酶活性的10-6[8]。因此，溶菌酶與α-乳白蛋白功能性的高度差異與二者的氨基酸序列高度相似性形成明顯反差。

1.2 α-乳白蛋白的立體結構

蛋白質的生物活性不僅與其分子組成有關，還與其分子結構和分子內遷移率有關。蛋白質的三維立體結構可以提供準確的立體化學信息，并闡述其功能及機理。蛋白質能夠通過與底物、配體結合，或者與其他蛋白質相互作用改變其結構。蛋白質結構本身也不是一成不變的，呈現出較大的結構流動性，并已在α-乳白蛋白的X射線結構中得到驗證[9]。

α-乳白蛋白的三維結構也與溶菌酶很相似[8]。天然狀態的α-乳白蛋白結構主要依靠4 個二硫鍵和1 個Ca2＋來維持，其整個三維結構可以分為2 個結構域：其中一個結構域富含α-螺旋，是不連續的，由N端和C端的部分氨基酸片段構成，2 個二硫鍵將其連接在一起；另一個結構域中β-折疊含量較高，含有2 個β-折疊、1 個短的α-螺旋、1 個Ca2＋結合位點以及一些連續的環形區域，該結構域有2 個連續的二硫鍵。Kraulis[10]研究發現，母乳α-乳白蛋白分子含有5 個螺旋區域，分別是氨基酸殘基4～16、22～33、76～80、85～98和100～104。N端附近的螺旋在氨基酸殘基12處彎曲，并使氨基酸殘基12～16處的螺旋扭曲變形。氨基酸殘基1～3和36～38分別形成短的β-折疊結構。3 個β股（β-strand）殘基區域（40～43、47～51和54～58）形成片狀結構。母乳α-乳白蛋白分子存在3 種類型的轉向結構：Ⅰ型為氨基酸殘基51～54、66～69和71～74；Ⅱ型為氨基酸殘基15～18和17～20；Ⅲ型為氨基酸殘基18～21、34～37和105～108。Ca2＋被束縛在環形區域內，這個環形區域連接著2 個氨基酸殘基螺旋（76～80和85～98）（圖2）。

母乳中α-乳白蛋白的低溫形態是一種含2 個H2O的結晶結構[11]。Lys79和Asp84上的2 個肽氧原子、Asp82、Asp87和Asp88上的3 個羧基氧原子和2 個水分子與Ca2＋結合，形成五角雙錐結構（圖3），2 個肽基氧原子位于雙錐結構的頂端。Ca2＋與α-乳白蛋白的高親和力結合有利于蛋白質天然結構的穩定，并且這種結合是蛋白質從還原變性狀態有效地生成具有正確二硫鍵的天然蛋白質所必需的。

2 α-乳白蛋白的功能特性

2.1 營養作用

α-乳白蛋白富含人體必需的各種氨基酸，尤其是色氨酸、賴氨酸和半胱氨酸的相對含量較高。色氨酸是普通乳粉的限制性氨基酸，參與調節蛋白質的合成，有促進骨髓T淋巴細胞前體分化為成熟T淋巴細胞的作用，因此色氨酸缺乏會導致體液免疫功能降低。同時色氨酸也是合成神經介質5-羥色胺的前體物質，它能代謝成為褪黑激素。5-羥色胺和褪黑激素能引起許多神經性效應，有調節食欲和情緒的作用。5-羥色胺還有中和腎上腺素及去甲腎上腺素的作用，有促進睡眠、抗抑郁、鎮痛、抗高血壓等功能，均與其中樞安定效應有關。當色氨酸代謝失調時，可引起神經系統的功能障礙[12]。Markus等[13]研究發現，嬰兒的睡眠潛伏期也與色氨酸有關，增加色氨酸的攝入后，嬰兒的安靜睡眠期和睡眠潛伏期的時間都得到明顯改善。

賴氨酸是谷類食物的限制性氨基酸，不能在人體內合成，需從食物中補充。賴氨酸不僅參與機體蛋白質的合成，而且還是肉堿合成的前體物質，參與脂肪在體內的β-氧化過程。賴氨酸攝入不足時，會使體內蛋白質合成不足、甘油三酯在內臟器官沉積過多，從而導致生長發育遲緩、免疫力下降、脂肪肝等健康問題[14]。半胱氨酸是谷胱甘肽的組成成分，而谷胱甘肽則是新生兒機體抗氧化系統的重要部分，具有抗炎癥作用。新生嬰兒不能合成足夠量的半胱氨酸，雖然可以從蛋氨酸中產生半胱氨酸，但同時會產生對中樞神經有害的胱氨酸。半胱氨酸還是合成?；撬岬那绑w物質，在嬰幼兒神經系統的生長發育過程中起重要作用。當嬰兒能夠獲得充足的α-乳白蛋白時，就可以保證足夠的半胱氨酸攝入，同時蛋氨酸的水平又能保持最低[15]。

2.2 調節乳糖合成及乳汁分泌

α-乳白蛋白是一種調節乳糖合成的蛋白質，存在于幾乎所有哺乳動物的乳汁中[7]。在泌乳過程中，乳糖的合成涉及乳糖合成酶系的活性。β-1,4-半乳糖基轉移酶雖然能單獨催化乳糖合成，但是效力極差，這是由于其結合葡萄糖的能力很弱。α-乳白蛋白可以增加β-1,4-半乳糖基轉移酶結合葡萄糖的特異性及親和力，α-乳白蛋白與β-1,4-半乳糖基轉移酶結合后形成酶復合體，α-乳白蛋白形成酶復合體的調節亞基異質二聚體，而β-1,4-半乳糖基轉移酶則形成催化組分。在乳腺細胞內，酶復合體使乳糖合成酶將半乳糖從尿嘧啶核苷二磷酸-半乳糖轉移到葡萄糖，從而產生乳糖。同時，母體血液循環中的體液在乳糖形成后的滲透壓作用下得以進入乳腺，從而形成乳汁中的含水組分。乳糖合成過程完成之后，α-乳白蛋白將從酶復合體中游離出來，進入乳汁，成為乳汁中的一種生物活性蛋白成分。

2.3 金屬離子結合作用

α-乳白蛋白是唯一能與Ca2＋結合的乳清蛋白成分，是一種鈣載體，但母乳中只有非常少量的Ca2＋是與α-乳白蛋白結合的，α-乳白蛋白可能通過產生多肽促進二價陽離子的吸收[16]。與Ca2＋結合對α-乳白蛋白的穩定性和結構具有非常大的影響，能夠改變α-乳白蛋白的構象、抗體結合能力以及消化特性等[17]，結合了Ca2＋的α-乳白蛋白熱變性溫度升高?？梢酝ㄟ^螯合劑長時間處理或低pH值條件等方法除去Ca2＋，但會破壞α-乳白蛋白的結構并導致其穩定性大幅降低。在低pH值條件下，H＋可以和Ca2＋競爭，與羧基氧結合，Ca2＋被除去后，α-乳白蛋白的結構處于典型的熔球狀態，這種熔球構象是介于天然構象與無規則卷曲之間的一種致密的三級結構。因此，α-乳白蛋白是研究蛋白質折疊問題的良好素材[6]。

α-乳白蛋白能與Zn2＋結合。Permyakov等[18]以嬰幼猴為研究對象，發現α-乳白蛋白能改善鋅元素的吸收，α-乳白蛋白的結構中存在幾個Zn2＋結合位點[19]。α-乳白蛋白結構中的Ca2＋結合位點被Zn2＋結合后會使α-乳白蛋白結構的穩定性降低。α-乳白蛋白充足時，血液中鋅元素的水平與放射性同位素的吸收水平均有所增加。由于鋅元素能增強體液及細胞的免疫功能以及吞噬細胞的吞噬能力，當鋅元素缺乏時，會使免疫功能受損，易患各種感染性疾病，如腹瀉、呼吸道感染、哮喘等[20]。因此，α-乳白蛋白也與鋅元素相關的免疫調節功能有關。

除了能與Ca2＋和Zn2＋結合外，α-乳白蛋白還可以結合一些其他的金屬陽離子，例如Mg2＋、Mn2＋、Cu2＋、Hg2＋、Pb2＋、Na＋及K＋等[21-23]，其中Mn2＋與α-乳白蛋白的結合在調控乳糖合成的過程中起到重要作用。上述金屬離子與α-乳白蛋白的結合能力不如Ca2＋，它們的結合位點雖然與Ca2＋結合位點不一致，但也與Ca2＋存在一定的競爭關系。大多數金屬離子與α-乳白蛋白結合后，其穩定性提高。但是結合了Ca2＋的α-乳白蛋白如果再與Zn2＋結合，則會導致蛋白質的積聚及對蛋白水解酶敏感性的增加，使其穩定性降低，而在高濃度Zn2＋條件下，結合了Ca2＋的α-乳白蛋白在室溫時就會發生變性[24]。α-乳白蛋白與金屬離子結合后，與膜、蛋白質、多肽以及低分子質量底物和產物的相互作用會產生一些新的功能特性，并且受到金屬離子結合的調控[19]。

2.4 抗菌、抗腫瘤及益生元作用

多項研究表明，α-乳白蛋白在一些特定條件下具有殺菌、抗菌以及調節腸道菌群的益生元作用等活性。Cawthern等[25]的研究證明，天然狀態的α-乳白蛋白在C18：1脂肪酸存在的條件下具有殺菌活性。Pelligrini等[26]研究發現，α-乳白蛋白在經過胰蛋白酶和糜蛋白酶水解后，產生3 種具有殺菌特性的多肽片段，并且它們屬于廣譜殺菌劑，對絕大多數革蘭氏陽性菌起作用。Hakansson等[27]研究發現，α-乳白蛋白的一種異構體對肺炎鏈球菌具有殺菌作用。這些研究表明，α-乳白蛋白具有一定的抗菌作用。

Swenson等[28]研究發現，α-乳白蛋白的一些折疊異構體不僅具有殺菌活性，而且還有誘導腫瘤細胞凋亡的作用。α-乳白蛋白在參與誘導細胞凋亡的過程中，會形成一種由α-乳白蛋白和油酸組成的復合體結構HAMLET（humanα-lactalbumin made lethal to tumor cells）[29]。HAMLET對正常的健康細胞沒有殺傷作用，但可以通過類似凋亡的機制殺死腫瘤細胞。HAMLET與腫瘤細胞表面結合后陷入細胞質中，并穿過細胞質到達細胞核，引起染色體斷裂及DNA片段化，并最終導致腫瘤細胞死亡[30]。在這個過程中，油酸參與其中并起到重要作用。目前，α-乳白蛋白在抗癌方面的研究已經成為關注焦點。

Brück等[31]以6 周的健康足月嬰兒為對象，研究添加α-乳白蛋白的配方乳粉、標準配方乳粉及母乳對腸道菌群的影響差異。結果表明，富含α-乳白蛋白的嬰兒配方乳粉與母乳喂養類似，均對嬰兒的腸道雙歧桿菌具有增殖作用，因此α-乳白蛋白發揮了類似雙歧桿菌益生元的作用。

3 α-乳白蛋白在嬰兒配方乳粉中的應用

母乳是嬰兒配方乳粉進行配方設計時的唯一標準，這是醫學界和營養界的廣泛共識，不同國家的嬰兒配方乳粉會按照當地母乳的營養結構為基礎進行研發。蛋白質的母乳化是嬰兒配方乳粉模擬母乳研究的重要組成部分。α-乳白蛋白作為母乳蛋白質中的重要組分，在嬰兒配方乳粉的蛋白質母乳化方面發揮著重要作用。提高嬰兒配方乳粉中的α-乳白蛋白比例可以使其蛋白質組成及氨基酸比例均接近母乳水平。

多項研究表明，富含α-乳白蛋白的嬰兒配方乳粉提高了蛋白質的利用率，減少了嬰兒胃腸道不適的發生率，可以有效降低嬰兒的腎臟負擔。Jean-Christophe等[32]進行高α-乳白蛋白、低總蛋白含量的嬰兒配方乳粉（α-乳白蛋白含量3.0 g/L、總蛋白含量14.0 g/L）喂養實驗，結果表明，喂養6 個月時，高α-乳白蛋白、低總蛋白含量配方乳粉實驗組與對照組（α-乳白蛋白含量0.0 g/L、總蛋白含量15.0 g/L）喂養嬰兒的體格發育指標無差異，且與對照組相比，實驗組喂養嬰兒出現哭泣、煩躁的情況較少，安靜時間更長。Davis等[33]進行了類似的喂養實驗，對照組喂養標準配方乳粉（α-乳白蛋白含量1.3 g/L、總蛋白含量15.0 g/L），在初始階段至實驗結束時的整個階段里，對照組喂養嬰兒的胃腸道不適發生率均較高，而與對照組喂養相比，實驗組配方乳粉（α-乳白蛋白含量2.2 g/L、總蛋白含量14.0 g/L）喂養嬰兒的胃腸道不適發生率較低，且更接近母乳喂養組。Trabulsi等[34]也進行了一項高α-乳白蛋白、低總蛋白含量的嬰兒配方乳粉臨床喂養實驗，結果表明，接受高α-乳白蛋白、低總蛋白含量配方乳粉喂養后，嬰兒的血清色氨酸水平不低于母乳喂養嬰兒。Lien等[35]進行了一項以134 名初生、人工喂養嬰兒為實驗對象的隨機對照臨床研究，結果表明，高α-乳白蛋白、低總蛋白含量的嬰兒配方乳粉（α-乳白蛋白含量2.2 g/L、總蛋白含量14.0 g/L）喂養嬰兒的血尿素氮和血肌酐指標均低于標準配方（α-乳白蛋白含量0.0 g/L、總蛋白含量15.0 g/L）組喂養嬰兒。血尿素氮和血肌酐指標反映了腎臟的負擔大小。嬰兒的腎臟器官發育還不成熟，蛋白質分解代謝能力還較低，因此超量的蛋白質會增加嬰兒的腎臟負擔。

上述研究結果說明，通過提高α-乳白蛋白的含量可以將傳統嬰兒配方乳粉中的總蛋白含量降低，改善嬰兒配方乳粉的胃腸道耐受性，能更好地滿足嬰兒對蛋白質的需求，喂養效果更接近母乳喂養。這為嬰兒配方乳粉的蛋白質母乳化研究提供了方向。國家法規的修訂也反映了降低嬰兒配方乳粉中的蛋白質含量這一變化，在GB 10765—2010《食品安全國家標準 嬰兒配方食品》[36]中，蛋白質指標范圍為0.45～0.70 g/100 kJ，而在最新發布的《食品安全國家標準 嬰兒配方食品（征求意見稿）》中，擬將蛋白質指標范圍降低。

目前，嬰兒配方乳粉中α-乳白蛋白的母乳化僅將牛乳α-乳白蛋白強化至母乳水平，其結構及功能與母乳α-乳白蛋白還存在差異。同時，α-乳白蛋白在一定的熱處理條件下會發生不同程度的熱聚合，影響其生物活性[37]。因此。α-乳白蛋白的母乳化還需進一步深入研究。值得注意的是，α-乳白蛋白不能作為嬰兒配方乳粉唯一的蛋白質來源，α-乳白蛋白中也有部分氨基酸（如精氨酸）含量較低，在對蛋白質組分進行配方設計時應注意各氨基酸的合理平衡。因此，α-乳白蛋白的母乳化只是嬰兒配方乳粉蛋白質母乳化的一個方面，除此之外，還應該同時進行其他蛋白質組分的母乳化。隨著人們對母乳中各種蛋白質組分的進一步認識以及乳品加工技術的發展，未來嬰兒配方乳粉的蛋白質組成也將更接近母乳，更能夠滿足嬰兒生長發育的需要。