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张玉梅,石羽杰,张 健,刘 彪

(北京大学公共卫生学院营养与食品卫生学系,北京 100191)

 

【摘 要】母乳蛋白质分为乳清蛋白和酪蛋白两大类。α -乳清蛋白和β -酪蛋白分别是母乳乳清蛋白和酪蛋白中含量最高的蛋白质。本文将对α -乳清蛋白和β -酪蛋白对婴幼儿健康影响进行综述。

 

Abstract Whey and casein are the two fractions of proteins that contained in human breast milk. Alpha-lactalbumin and beta-casein are the most abundant protein in breast milk whey protein and casein, respectively. This article will review the effects of alpha-lactalbumin and beta-casein on infant and toddlers health.

 

    世界卫生组织(World Health Organization,WHO)推荐0~6 月龄婴儿纯母乳喂养。母乳营养全面,且随着婴儿的生长发育动态变化,可满足0~6 月龄婴儿生长发育的需要。母乳蛋白质分为乳清蛋白和酪蛋白两大类。α-乳清蛋白和β-酪蛋白分别是母乳乳清蛋白和酪蛋白中含量最高的蛋白质。本文将主要对于α-乳清蛋白和β-酪蛋白的研究尤其与婴幼儿健康相关的内容进行综述。

 

1 母乳与牛乳的蛋白质组成

 

    蛋白质是生命的物质基础,历史上第一篇母乳成分研究1851年发表,证实人类母乳与牛乳的蛋白质含量不同。母乳蛋白质分为乳清蛋白和乳酪蛋白,其中乳清蛋白含量高,二者含量的比例称为乳清蛋白/酪蛋白比值,乳清蛋白/酪蛋白比值从初乳的80:20 转变为过渡乳及成熟乳早期的60:40,完全成熟乳达50:50;而牛乳中酪蛋白含量高,乳清蛋白/酪蛋白比值为20:80。

 

    成熟母乳的α-乳清蛋白在乳清蛋白中含量最高,占乳清蛋白总量的 36%;β-酪蛋白在酪蛋白中含量最高,占到酪蛋白总量的68%。牛乳中两种蛋白分别占总乳清蛋白的17%和总酪蛋白的36%[1]与母乳不同,牛乳乳清蛋白和酪蛋白中含量最高分别是β-乳球蛋白和α-酪蛋白,占总乳清蛋白的52%和总酪蛋白的 50%,且这两种蛋白是引发牛奶蛋白过敏的主要过敏原[2]

 

    2016 年Nutrients杂志报告了中国母乳α-乳清蛋白的含量变化[3],其在 5~11d(过渡乳),12~30d 及 1~2m(成熟乳早期)含量较高,分别为3.27,3.16,2.84g/L;到4~6月降为2.28 g/L,提示婴儿出生后前6月,特别是前3月α-乳清蛋白非常关键。母乳β-酪蛋白占总酪蛋白的比例,初乳中较高,成熟乳略有下降,分别占总酪蛋白含量的67%~84%及53%~67%[4-5],即母乳β-酪蛋白对早期健康也很重要。

 

 

α-乳清蛋白、β-酪蛋白的营养作用

 

    α-乳清蛋白分子量为14100道尔顿[6],其受热易变性,将捐赠的母乳采用巴氏杀菌和超高温瞬时杀菌,与新鲜母乳(α-乳清蛋白含量4.44g/L)相比,分别降为3.7、0.95 g/L[7]。人类母乳与牛乳中的α-乳清蛋白序列同源性为74%,α-乳清蛋白中含有较多的色氨酸(5%)、赖氨酸(11%)、半胱氨酸(6%)[8]。研究者将婴儿配方粉(infant formula,IF)中的乳清蛋白更换为牛乳α-乳清蛋白,其氨基酸组成及模式与母乳近似度提高,且色氨酸、赖氨酸、半胱氨酸含量显著提高[9],研究证实,增加α-乳清蛋白的比例,降低总蛋白质含量的 IF 喂养儿的血浆必需氨基酸浓度与母乳喂养婴儿相似,随机对照临床研究证实,α-乳清蛋白强化的IF喂养的婴儿生长发育情况与母乳喂养儿相似[9]。母乳β-酪蛋白为多磷酸化蛋白质,含有多个丝氨酸及苏氨酸残基的磷酸化位点,1985年生物化学杂志报道其含有212个氨基酸残基[10];而牛乳的β-酪蛋白含有209个氨基酸残基,人乳与牛乳β-酪蛋白的氨基酸残基有47%的同源性,并形成酪蛋白胶束,促进酪蛋白释放,进而被消化酶作用,促进钙吸收。

 

α-乳清蛋白与婴儿健康

 

3.1 α-乳清蛋白的促进铁、锌吸收作用

 

    α-乳清蛋白属于钙结合蛋白,除特异性结合钙离子位点外,还有结合其他必需二价金属离子如铁、锌、锰的位点[11],从人类母乳提取的α-乳清蛋白几乎不含铁、锌、锰阳离子,仅当α-乳清蛋白经消化产生小分子多肽后,促进小肠粘膜细胞的摄取,才能结合并促进铁、锌等金属离子吸收。与摄入普通奶粉的恒河猴幼崽相比,摄入添加牛乳α-乳清蛋白奶粉的恒河猴幼崽的铁吸收增强[12]。瑞典婴儿喂养结果相似:与喂养普通IF的婴儿相比,添加牛乳α-乳清蛋白IF的婴儿体内铁元素浓度升高[13]。将铁制剂与300mg的α-清蛋白联合应用,可预防孕妇贫血[14]

 

3.2 α-乳清蛋白调节睡眠觉醒节律

 

    色氨酸是婴儿食品蛋白质的限制性必需氨基酸之一,血浆色氨酸被认为是婴儿配方食品蛋白质充足性的重要标志。α-乳清蛋白的色氨酸含量及蛋白质质量较高[8]。膳食色氨酸影响大脑中参与调节睡眠的神经递质5-羟色胺(5-HT)和褪黑素的合成。5-HT 不能穿过血脑屏障,大脑内利用色氨酸合成 5-HT,婴儿口服色氨酸增加尿中5-HT和褪黑素水平。新生儿睡眠对于大脑正常发育至关重要,血浆色氨酸浓度影响睡眠模式。色氨酸是婴儿觉醒/睡眠节律必需成分,夜晚吃色氨酸强化的IF显著改善婴儿觉醒/睡眠节律。非母乳喂养婴儿喂养补充色氨酸的IF可改善婴儿睡眠,并影响神经行为发育。母乳中色氨酸的平均浓度约为2.5%,而普通IF仅含1.0%至1.5%[15]。一般情况下,IF喂养婴儿的血浆色氨酸水平低于母乳喂养婴儿[16]

 

    目前仅有很少的与成人睡眠特征不同的婴儿睡眠研究[17]显示,色氨酸摄入可减少睡眠潜伏期(入睡所需的时间),延长快速眼动(REM)睡眠时间(浅睡眠)和慢波睡眠(深睡眠)时间,并改善睡眠效率(睡眠时间的总长度)。喂食富含α-乳清蛋白IF的婴儿的必需氨基酸血浆谱与母乳喂养婴儿相似,但尚无针对富含α-乳清蛋白的配方对婴儿睡眠模式的影响的研究。

 

3.3 强化α-乳清蛋白的婴儿配方粉改善婴儿胃肠道不适

 

    与母乳喂养儿相比,IF喂养婴儿常发生胀气、呕吐、肠绞痛等胃肠道症状,导致孩子哭闹不止。Davis 等[18]观察强化α-乳清蛋白的IF对婴儿喂养有关胃肠道症状的影响,并与母乳喂养及普通 IF 组相比较,普通 IF 组婴儿喂养有关的胃肠道症状发生率为31.3%,母乳喂养组 13.6%,强化α-乳清蛋白IF组为17.2%。Dupont 等[19]筛选出生后3w~3m 婴儿,出生后至少哭3w,每周哭3d,每天至少哭3h,分别给与普通IF及强化α-乳清蛋白及益生菌的 IF,发现喂养有关的胃肠道症状发生率普通IF组为 84.6%,而强化IF组显著降低,为15.4%。Wernimont 等[20]分别采用α-乳清蛋白IF、α-乳清蛋白及低聚果糖IF喂养婴儿,与母乳喂养婴儿比较,配方粉的两组均能改善婴儿的粪便硬度,促使肠道双歧杆菌增殖。

 

3.4 α-乳清蛋白可促进母乳喂养儿乳糖酶合成

 

    α-乳清蛋白为乳糖合成酶的组分之一[21]其需在底物存在条件下结合半乳糖基转移酶,改变其特异性,Mg2+、Zn2+等金属阳离子在乳糖合成酶作用时中起一定作用。此外,能与半乳糖基转移酶、UDP-半乳糖结合的底物也能结合α-乳清蛋白,但产物活性差,产物的生理意义尚不清楚。乳糖合成酶需 Mn2+激活,Ca2+的机制尚不清楚,但已证实 Zn2+与α-乳清蛋白结合能调节乳糖合成酶的功能,且有重要生理学意义[22]

 

3.5 α-乳清蛋白消化后产生多种活性多

 

    α-乳清蛋白为钙结合蛋白,含有α及β两个功能域,通过二级及三级结构形成立体空间结构,经口摄入后,经蛋白质消化酶部分或全部水解。

 

    α-乳清蛋白部分水解可产生由甘氨酸、亮氨酸及苯丙氨酸(甘-亮-苯丙,Gly-Leu-Phe)组成的三肽,即 GLF 肽。Pellegnini 等研究显示,[24]其能激活中性粒细胞,促进巨噬细胞的吞噬功能,命名为“免疫调节肽”,且牛乳α-乳清蛋白经消化也能产生与人乳相同的 GLF 肽;α-乳清蛋白水解还能产生其他抗菌肽,有潜在抗致病菌作用。有报道α-乳白蛋白被胃蛋白酶水解后产生的一种多肽,该种多肽体外实验可刺激双歧杆菌生长,并将其命名为益生菌样肽。Wada[25]等分别给与出生后仔鼠饲喂人乳及 IF,检测受试仔鼠的小肠上、下段内容物,人乳饲喂的仔鼠,母乳中富含的α-乳清蛋白在小肠上段消化,收集的下段消化液体外可抑制大肠杆菌、肺炎球菌、金黄色葡萄球菌及念珠菌等致病菌。

 

    消化产生的活性多肽经跨膜透过进入血液的完整肽段量很小,但生物学活性显著,如氨基酸残基同源性极高的61–68/75–800 CKSSQVPQISCDKF、61–68/75–80 CKDDQNPH ISCDKF 抑菌活性肽段分别来自人乳及牛乳的α-乳清蛋白 [23]

 

β-酪蛋白与婴幼儿健康

 

    β-酪蛋白是母乳的主要酪蛋白,消化速度较快,牛乳α-酪蛋白的体外消化速度远低于人类母乳β-酪蛋白,动物实验显示提高β-酪蛋白的总量并不影响消化速度。模拟儿童的不同pH值(pH=3 及 pH=5)消化液,显示酪蛋白与乳清蛋白消化能力差异很大:pH=3 时酪蛋白的消化比pH=5 时更少,但乳清蛋白在pH3.0时比pH5.0消化更多[26]。牛奶蛋白质体外经胃蛋白酶消化(pH值3.5,37℃),120min后β-酪蛋白消化结束,但 180 分钟时还能检测到α-酪蛋白。

 

4.1 母乳β-酪蛋白与婴幼儿发育

 

    母乳中的β-酪蛋白占全部酪蛋白的近 70%,与其他哺乳动物的乳汁酪蛋白相比,母乳总酪蛋白含量低,对纯母乳喂养婴儿队列的横断面分析中发现,酪蛋白与乳清蛋白比值高的母乳胃排空时间较短[27]。澳大利亚学者[28]通过持续12月的追踪调查及母乳蛋白质组分分析,发现母乳酪蛋白较高的计算每日摄入量(calculated dailyintakes,CDI)与婴儿较低的瘦体重及较高的脂肪量相关,且在哺乳后期作用增强。乳类的乳脂球膜蛋白促进生长发育,改善认知等作用近年来颇受重视,蛋白质组学分析人乳及各种哺乳动物乳的乳脂球膜蛋白均含有β-酪蛋白,尽管β-酪蛋白占乳脂球膜蛋白含量较低,但相比其他哺乳动物乳,人乳含量较高[29],推测其可能参与乳脂球膜蛋白的相关功能,但具体作用尚待深入研究。

 

4.2 β-酪蛋白可促进钙离子吸收

 

    β-酪蛋白分子含一个或多个磷酸化苏氨酸或丝氨酸残基,在结构上彼此接近,可螯合钙使钙离子保持可溶状态,因而促进钙吸收[30]。β-酪蛋白消化后产生磷酸化多肽,结构呈现胶束状,可与钙离子、锌离子等二价阳离子结合[31],也可促进钙、锌离子吸收。

 

    动物实验表明牛乳酪蛋白磷酸化多肽(CPPs)可以增强钙离子的吸收,CPPs 可使钙和锌离子解离[33],因而钙及锌离子的吸收和利用率提高。体外实验发现提纯的人乳来源的 CPPs 显著增加Caco-2 细胞摄取钙离子;用牛乳β-酪蛋白替代酪蛋白喂养幼鼠,钙吸收增加,且不会引起矿物质代谢紊乱[32]。但尚无基于人类婴儿的临床试验探索 CPPs 的作用。

 

4.3 牛乳酪蛋白致敏问题:β-酪蛋白不是最强的酪蛋白致敏原

 

    牛乳是主要的食物致敏原之一,总酪蛋白表现出较高的致敏性,其中αs1-,αs2-,β-和κ-酪蛋白分别占总酪蛋白的40%,10%,40%及10%,给与总酪蛋白过敏的58名儿童(平均年龄11个月)纯化的上述4种酪蛋白作为原酶免疫测定的固定抗原,检测特异性血清IgE应答,结果显示85%的患者对每种酪蛋白都呈现特异性的IgE,4种酪蛋白的致敏性排序为αs1>β>αs2≈κ,且发现对总酪蛋白过敏者的绝大多数患者对不同酪蛋白共同致敏或交叉致敏[34]。α-酪蛋白是临床上报道过敏儿童血清抗体识别的主要过敏原,临床报道关于β-酪蛋白引起过敏的数据远低于α-酪蛋白[35]

 

4.4 与β-酪蛋白有关的多种功能多肽

 

    母乳含蛋白质水解酶,进入婴儿口腔前就被部分消化,产生包括活性多肽的肽类成分,对3个足月分娩新生儿奶瓶喂养母乳,显示完整母乳中的肽 59%来自β-酪蛋白,而胃内容物(胃液消化)中的肽 52%来自β-酪蛋白[36];该研究一方面说明β-酪蛋白易消化,另一方面也说明母乳产生的很多活性肽主要来自β-酪蛋白。有人总结源自母乳、牛乳、绵羊乳的β-酪蛋白活性肽,均与母乳β-酪蛋白有一定的位置及结构同源性,具有免疫调节、阿片受体激动剂、抗菌及降血压等功能。

 

小结

 

    母乳α-乳清蛋白在乳清蛋白中含量最高,且出生后3月龄前母乳中含量较高。其富含色氨酸、赖氨酸及苯丙氨酸,含有两个结构功能域的立体空间结构的钙结合蛋白还能促进铁、锌等二价金属离子吸收;经过部分消化产生免疫调节肽(GLF肽)、益生元样肽、抗菌肽等活性肽成分,且能促进乳糖合成酶形成,在小肠上段消化,下段即可发挥抑制致病菌功能,对于早期肠道免疫及胃肠道发育非常重要,添加到婴儿配方粉中可改善喂养有关的胃肠道症状,一定程度影响睡眠-觉醒节律。

 

    成熟母乳中α-乳清蛋白与β-酪蛋白呈现一定的比例,β-酪蛋白也是母乳中含量最高的酪蛋白,其消化速度比其他酪蛋白快,可促进钙吸收及婴儿发育、致敏性远远低于αs1酪蛋白。消化产生的活性功能肽在母乳和哺乳后的新生儿胃液中检测结果证实主要来自β-酪蛋白,有免疫调节、阿片受体激动剂、抗菌及降血压等作用。总之,母乳中上述两种蛋白及其消化产生的活性功能肽的生理功能还有很多尚未证实,亟待相应研究解码其对婴儿生长发育的影响及作用机制。

 

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