牛乳β-酪蛋白多態性及其對人體健康影響的研究進展

梁 杰，耿曉暉,*，劉延平，殷臣胤

（1.北京向中生物技術有限公司，北京 100084；2.陜西省延安市安塞區高橋畜牧獸醫站，陜西 延安 717401）

牛乳除了富含人體日常所需的營養物質外，還含有眾多生物活性成分，如乳鐵蛋白、生長因子等。市場上的牛乳產品主要來自荷斯坦牛，荷斯坦牛因其外觀上的特點，亦被稱為黑白花牛。荷斯坦牛牛乳主要由水、脂肪、蛋白質、乳糖及無機鹽等成分組成，其中水的比例最高，約占87%，脂肪3.5%～4.2%、乳糖4.6%～4.8%、蛋白質2.8%～3.4%、無機鹽0.7%左右。其中最受關注的營養指標是蛋白質，牛乳蛋白質由酪蛋白和乳清蛋白兩大部分組成。酪蛋白約占總蛋白質含量的80%，其為白色、無味的兩性分子，即含有親水層和疏水層，可在牛乳纖維蛋白酶的作用下分解成γ1-、γ2-和γ3-酪蛋白。牛乳中的酪蛋白含有幾乎全部的必需氨基酸，并且含有大量的脯氨酸，在促進新生兒的骨骼發育、礦物質元素吸收等方面具有重要的營養價值。酪蛋白由于其空間結構和氨基酸的差異而存在多種變體，主要包括4 種：αS1-酪蛋白、αS2-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白[1-2]。

1β-酪蛋白概述

牛乳中β-酪蛋白的含量僅次于αS1-酪蛋白，具有較強的疏水性，可與磷酸鈣形成穩定的微膠粒，從而提高牛乳中的鈣磷含量。牛乳β-酪蛋白由209 個氨基酸組成，其信號肽由15 個氨基酸組成，因此其前體蛋白有224 個氨基酸?？刂痞?酪蛋白產生的基因是CSN2基因，位于6號染色體，長8 693 bp，有9 個外顯子和8 個內含子，該基因是酪蛋白基因家族的一員，其與水牛、山羊、家豬、小鼠、人等其他哺乳動物的基因序列有著較高的一致性，但在氨基酸組成上存在差異。此外，國外還有過CSN2基因與生產性狀存在一定關聯性的相關報道：Visker等[3]研究發現，荷斯坦牛的CSN2基因與控制產生α-酪蛋白、κ-酪蛋白等的基因多態性共同影響牛乳產量和牛乳成分；Olenski等[4]通過線性混合模型分析CSN2基因的A1、A2變型及一個新的單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）與生產性狀育種值之間的關系時，發現A2等位基因對應較高的牛乳產量和牛乳蛋白產量育種值，新發現的SNP的C堿基對應較高的乳脂產量育種值；Gustavsson等[5]研究瑞士紅牛、丹麥荷斯坦牛等酪蛋白基因變異對牛乳的影響時發現，高頻率的αS1-β-κ-酪蛋白復合基因型（BB/A1A2/AB）以及降低BB/A2A2/AA基因型的頻率，可能對牛乳的生產性能（如奶酪加工等）產生正面影響。

2β-酪蛋白的基因分型

牛乳β-酪蛋白有眾多變型體，目前共發現13 種分型，包括A1、A2、A3、A4、B、C、D、E、F、G、H1、H2及I型（表1）[6]。需要注意的是，A4型只在韓國本土發現，對其存在還有待進一步確認。在這些變型體中，最常見的是A1型和A2型，它們是一對共顯性的等位基因，其次為B型，其他類型均較少見。不同變型體多由氨基酸的替換造成，在研究各種分型時，一般以A2型作為基本型，比較其他類型與A2型的差異。A1型β-酪蛋白是A2型β-酪蛋白氨基酸鏈上67位發生Pro→His替換，A3型是106位發生His→Gln替換，B型是67位上發生Pro→His替換、122位Ser→Arg，C型是在35、37、67位上分別發生SerP→Ser、Glu→Lys、Pro→His，D型是18位上SerP→Lys，E型是36位上Glu→Lys，F型是在67和152位上分別發生Pro→His和Pro→Leu，G型是在67和137或138位上分別發生Pro→His和Pro→Leu，H1型是在25和88位上分別發生Arg→Cys和Leu→Ile，H2型是72位上發生Gln→Glu、93位上發生Met→Leu、114位與169位間的Gln替換為Glu，I型是93位上發生Met→Leu。

表1 β-酪蛋白各分型的氨基酸序列變化[6] Table 1 Positions and amino acid sequence differences in genetic variants of β-CN[6]

2.1 β-酪蛋白的分型方法

目前，針對β-酪蛋白分型的檢測主要有2 種方式，一種是直接檢測牛乳中β-酪蛋白的種類，另一種是檢測牛乳來源牛的基因型。直接檢測β-酪蛋白種類的常見方法有液相色譜法[7]和等電聚焦電泳法[8]。液相色譜法是根據蛋白質、脂類間具有不同的吸附性、分配系數及親和力等特點，對不同蛋白質進行分離然后測定。等電聚焦電泳法是根據不同種類蛋白質具有不同的等電點，其在電泳中會聚集到相應的不同位置，從而進行分離和鑒定。但直接檢測β-酪蛋白這一方法在檢測某些基因型時存在較難分離的情況，因此直接驗證奶牛的基因型在實際中應用更加廣泛，而且對生產者而言更加方便。從DNA水平區分基因型的方法有酶切法、測序法、探針法及質譜法等[9-11]?；驒z測較蛋白檢測具有可大批量操作、成本較低等優點，能夠幫助生產者更便捷地對牛群進行篩分。此外，商業公牛所提供的遺傳信息已包含β-酪蛋白的分型，如果產奶牛父母雙方的系譜清晰，根據遺傳定律可對其基因型進行推測。

2.2 β-酪蛋白等位基因的基因頻率

β-酪蛋白各個分型相應的基因頻率因奶牛品種、地區的不同存在顯著差異，但A1型和A2型始終占據絕對優勢，其他分型占比較小。例如，在墨西哥，娟珊牛牛乳β-酪蛋白的A2型基因占主導地位，其基因頻率高達0.71，A1型β-酪蛋白的基因頻率只有0.19、A3型為0.05、B型為0.04、C型為0.01[12]。在德國進行的一項研究中發現，娟珊牛A1型β-酪蛋白的基因頻率為0.09，A2型為0.72，B型為0.19，瑞士褐牛A1型、A2型、B型β-酪蛋白的基因頻率分別為0.11、0.71和0.17，西門塔爾牛A1型和A2型β-酪蛋白的基因頻率分別為0.34和0.57，荷斯坦牛A1型、A2型、B型β-酪蛋白的基因頻率分別為0.47、0.50和0.03[13]。巴西的瑞士褐牛、瘤牛中A2型β-酪蛋白的基因頻率分別為0.96和0.93[14]，而荷斯坦牛的A1型、A2型β-酪蛋白基因頻率均為0.50[15]；在波蘭，荷斯坦牛乳中A1型β-酪蛋白的基因頻率為0.35，A2型為0.65[16]。而在荷蘭的一項研究中，荷斯坦牛乳中A1型、A2型β-酪蛋白的基因頻率分別為0.29和0.69，B型和A3型僅為0.02和0.001，相較于1989年的牛群，A2型β-酪蛋白的基因頻率有所增高[17]。

3β-酪蛋白分型與人體健康

牛乳β-酪蛋白有眾多分型，但與人類健康相關的研究主要針對A1型和A2型，其他分型罕有報道，這與A1、A2型在數量上占據絕對優勢有關。由于組氨酸替代了原本的脯氨酸（表1），使得A1型β-酪蛋白在人體內消化時會產生一種具有生物活性的小肽，即β-酪啡肽-7（β-casomorphin-7，BCM7）[8,18]。雖然Cieslinska[19]、Ul Haq[20]等的研究表明，A2型β-酪蛋白也會產生BCM7，但其濃度遠遠低于A1型β-酪蛋白產生的BCM7[21]。而動物實驗也證明，由A1型β-酪蛋白產生的BCM7具有生理效應，雖然其生理作用還未完全明確，但仍然被許多研究者認為其與一些疾病的發生有關聯，因此認為牛乳中A2型β-酪蛋白相較于A1型β-酪蛋白更加安全和健康。

3.1 β-酪蛋白與1型糖尿病

1型糖尿病是常見的兒童慢性疾病之一，該病是由自體免疫系統對產生胰島素的胰腺胰島β細胞造成破壞引起的，醫學上普遍認為環境因素是主要誘因。鑒于牛乳在兒童中較高的食用比例，有研究將焦點放在牛乳與1型糖尿病的相關性上，研究人員試圖通過分析多個國家1型糖尿病的發病情況和牛乳的消費情況，來確定牛乳能否誘發1型糖尿病，在這些研究中，既有肯定的結果[22-24]，但也存在與之相反的結論[25-26]。在認為牛乳可以引發1型糖尿病的研究中，有部分研究人員認為，A1型β-酪蛋白可能是引發1型糖尿病的關鍵因素，他們發現A1型β-酪蛋白的消耗量與1型糖尿病的發病情況具有相關性，并且這種相關性強于1型糖尿病的發病情況與牛乳消費的相關性[22,27-28]。Elliott等[29]在相關的動物實驗中發現，飼喂添加A1型β-酪蛋白飼料的小鼠，其1型糖尿病發病率要高于飼喂添加A2型β-酪蛋白飼料的小鼠，但目前，在臨床上還沒有相關研究表明A1、A2型β-酪蛋白對1型糖尿病存在影響。Elliott等[30]的另一項研究認為，BCM7是A1型β-酪蛋白引發1型糖尿病的元兇，但還未見有關BCM7在人體內作用的相關報道，暫無法證明其與1型糖尿病存在直接的相關性。Vaarala[31]、Bosi[32]等的研究認為，A1型β-酪蛋白可能與腸道菌群異常、腸道通透性異常和腸道免疫系統異常有關，從而誘發1型糖尿病，這一說法同樣有待進一步驗證。

3.2 牛乳不耐受

有部分人長期受到牛乳不耐受的困擾，這些人飲用牛乳后會出現腹部不適的癥狀，只能遠離牛乳產品。大部分研究者認為，這種情況是由于身體中缺乏乳糖酶，導致自身乳糖代謝障礙，使得人體對牛乳有不良反應，但事實上缺乏乳糖酶引發的牛乳不耐受并不是唯一的情況，有些人并不存在乳糖吸收不良的情況，但仍然對牛乳不耐受[33]，這種情況可能是牛乳蛋白過敏引起的。而牛乳蛋白中占比最高的酪蛋白又是牛乳中的主要過敏原，因此一些針對牛乳不耐受進行研究的研究人員將目光聚集到酪蛋白，Pal[34]、Rangel[15]、Sun Jianqin[35]等的多項研究發現，在A1、A2型β-酪蛋白的對比實驗中，A2型β-酪蛋白未引起相關的牛乳不耐受，因此認為，A1型β-酪蛋白和BCM7是引起牛乳蛋白過敏的重要因素。Barnett等[36]在大鼠實驗中證明A1型β-酪蛋白會延緩腸道運動，從而影響大鼠的腸胃功能。在Ul Haq[20]、Crowley[37]等的動物實驗中發現，A1型β-酪蛋白和BCM7會導致炎癥標志物的增加，可能會促發炎癥，作為對比的A2型β-酪蛋白則沒有產生相同的反應。此外，Zoghbi等[38]的研究表明，BCM7還會參與腸道內黏液的產生，產生的黏液過多時可能會破壞胃腸功能。這些研究雖然可以作為A1型β-酪蛋白和BCM7引發牛乳不耐受的佐證，但目前還未找到A1型β-酪蛋白和BCM7影響腸胃的機理，還缺乏更強有力、更直接的證據來證實A1型β-酪蛋白與牛乳不耐受的關系。

3.3 β-酪蛋白與谷胱甘肽

谷胱甘肽（glutathione，GSH）是人體內一種重要的抗氧化劑，對于調節人體內的氧化還原狀態、保持機體免疫功能正常、廣譜解毒、抗氧化和一些疾病的預防具有重要作用。Yao[39]、Gawryluk[40]等認為，GSH在體內的水平與神經發育、某些神經性疾病和心理障礙有關。Trivedi等[41]開展的一項體外實驗研究發現，源于牛乳的BCM7可以影響GSH的濃度，并影響神經干細胞的分化和生長。Deth等[42]的一項臨床實驗也表明，A1型β-酪蛋白產生的BCM7可以影響人體內GSH的濃度，僅含有A2型β-酪蛋白而不含有A1型β-酪蛋白的牛乳可能促進人體內GSH的產生，說明BCM7可能是GSH的潛在調節劑，而飲用含有A1型β-酪蛋白的牛乳后，體內GSH的濃度雖然也有增加，但與飲用只含有A2型β-酪蛋白的牛乳相比，后者的增幅更大，A1型β-酪蛋白的存在可能減少了GSH的產生。

4 結 語

β-酪蛋白作為牛乳中的重要組成部分，其含有人體所必需的8 種氨基酸，有著較高的營養價值，而其顯著的多態性對于牛乳的成分、品質及生產性能等具有重要影響，因而對其的研究具有重要的現實意義。近些年，國內外針對β-酪蛋白的研究逐漸增多，目前對于β-酪蛋白與人類健康的相關研究主要集中在A1和A2 2 種類型的β-酪蛋白上。雖然學者們就A1、A2型β-酪蛋白對人類健康的作用還存在爭議，但A2型β-酪蛋白作為一種更接近人乳中β-酪蛋白的存在，在現今崇尚原始與自然的風尚中，A2牛乳仍是一種不錯的選擇。而對于牛乳不耐受的患者和對攝入A1型β-酪蛋白心存顧慮的消費者來說，飲用A2牛乳也是一個有益的嘗試。

雖然現階段的研究還不充分，仍然存在諸多問題，但隨著研究的逐步深入，對于β-酪蛋白會有更加全面的認識，為整個乳品業發展提供更多的理論依據。