楊紅,劉愛國*,劉立增,強鋒,楊毅

1(天津市食品與生物技術重點實驗室,天津商業(yè)大學 生物技術與食品科學學院,天津,300134) 2(天津明哲天翊科技有限公司,天津,300131) 3(彼特銳斯(天津)商貿有限公司,天津,300300)

牛初乳指的是健康奶牛分娩3 d內從乳腺分泌的第一批乳汁,其含有大量的優(yōu)質蛋白質、礦物質、維生素、生物活性成分以及20多種病原體特異性抗體[1],被認為是最佳的天然食品補充劑,外國學者稱其為“液態(tài)黃金”。牛初乳體積、外觀和成分與常乳均有顯著差異[2-3]。牛初乳營養(yǎng)豐富,呈乳黃色,酸度較高,黏度較大,具有特殊的苦味和腥味,口感較差,加熱易變性凝固,不能直接食用[4]；牛初乳中的蛋白質、脂肪、灰分和部分礦物元素含量均顯著高于常乳,但乳糖含量低于常乳[5],因此,牛初乳適合大多數(shù)乳糖不耐受的人群食用。

牛初乳在食品工業(yè)中倍受重視,一方面是由于牛初乳富含功能活性物質,能夠增強人體免疫力和促進組織生長,在預防人類感染和保健方面具有良好的應用前景[6]；另一方面由于牛初乳可以作為膳食補充劑添加到食品中,進而開發(fā)出新型功能性產品,如添加牛初乳的冰淇淋[7]、牛初乳發(fā)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,但其活性易受熱、酸和堿等不良環(huán)境因素的影響而降低,在實際食品生產加工過程中活性損失較大,其營養(yǎng)價值沒有充分展現(xiàn)[10]。免疫球蛋白活性作為牛初乳制品功能性質的表征之一,決定了牛初乳制品的價值,因此,研究其活性保持技術對牛初乳功能性產品的開發(fā)具有重大意義。國內外關于牛初乳中免疫球蛋白活性保持技術方法的報道很多[11-12],如食品添加劑法和微膠囊法,部分技術尚存在一些不足。本文將從牛初乳的營養(yǎng)成分、牛初乳中免疫球蛋白主要活性保持技術及未來研究前景進行綜述,旨在為牛初乳在食品加工領域的進一步應用提供參考。

1 牛初乳的營養(yǎng)成分

牛初乳具有促進胃腸道的生長和成熟,促進骨髓干細胞的分化,增肌減脂[13],預防上呼吸道感染[14]和兒童腹瀉[15],改善小腸屏障完整性,抑制組織損傷時的腸道炎癥[1,16]和修復受損組織的作用[17],人們可以通過食用牛初乳作為膳食補充劑來獲得保健作用。因此,牛初乳可作為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ墓δ苄允称?。人們在食用牛初乳?小腸無需吸收抗體,從而達到了被動免疫的保護效果,牛初乳也能清除腸道中的病原菌,進而預防某些疾病[18]。牛初乳作為膳食補充劑,既能保持正常的腸道微生物群落的完整性,也不會導致抗藥性出現(xiàn),這一優(yōu)勢有利于緩解目前抗生素產生的抗藥性危機[19]。牛初乳的組成十分復雜,主要包括免疫因子和生長因子兩大類功能活性成分,分別對機體免疫和生長起到調節(jié)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、乳鐵蛋白、溶菌酶、脯氨酸多肽和細胞活素等,最新研究表明：牛初乳中含有大量具有免疫功能的外泌體[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,具有增強健康和患病人群免疫功能的作用[21],從牛初乳中提取免疫球蛋白用作膳食添加劑是國內外的研究熱點。免疫球蛋白(結構如圖1所示)是由4個多肽亞單位組成的“Y”形球蛋白,可以分為免疫球蛋白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大類。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,主要分為2個亞類：IgG1和IgG2,IgG1是初乳中最豐富的Ig同種型,約占免疫球蛋白總含量的80%。新鮮牛初乳中IgG的質量濃度為30～87 mg/mL[5],約是常乳的50倍,但隨乳分泌時間的延長,牛初乳中的各種成分逐漸和常乳接近。張和平等[23]發(fā)現(xiàn)牛初乳中的IgG的含量隨著乳分泌時間的延長而降低,第一次擠的初乳中IgG的質量濃度約為67.23 mg/mL,1 d后降到5.0 mg/mL,5 d后下降到常乳水平。

CL-輕鏈恒定區(qū)；VL-輕鏈可變區(qū)；VH-重鏈可變區(qū)； CH1-重鏈恒定區(qū)1；CH2-重鏈恒定區(qū)2；CH3-重鏈恒定區(qū)3 Fab片段-抗原結合片段；Fc片段-可結晶片段(啟動免疫 反應的效應子,無抗原結合能力)圖1 免疫球蛋白基本結構示意圖Fig.1 Basic structure of immunoglobulin

乳鐵蛋白是一種具有抗菌、抗病毒和生長調節(jié)作用的糖蛋白,含量是常乳的50～100倍,其抗菌特性對革蘭氏陽性菌(G+)、革蘭氏陰性菌(G-)、病毒(非莢膜和莢膜)、幾種寄生蟲和真菌均有效[24]。乳過氧化物酶是一種抑制細菌代謝的抗菌酶,具有抗病毒活性。牛初乳中還包含多種免疫調節(jié)和炎性細胞因子,如白介素、腫瘤壞死因子-α、干擾素-γ和有助于控制感染和炎癥的物質[25],是各種免疫因子的聚集地,被尊稱為“免疫之王”,但研究表明,在健康奶牛分泌的牛乳中,免疫因子的濃度差異很大,從189頭健康奶牛分泌的牛乳樣本中,乳鐵蛋白濃度的差異超過20倍[19]。

牛初乳中的免疫因子能夠有效抵抗病毒、真菌、細菌及其他過敏原,殺死具有神經毒性的大腸桿菌,在抑制多種病原微生物生長的同時,對腸道內非病原性微生物的生長和繁殖影響甚微[26],牛初乳中的各種免疫因子協(xié)同作用,使牛初乳具備很好的保健功能。

1.2 生長因子

牛初乳中的生長因子包括神經營養(yǎng)生長因子(neurotrophic growth factor,NGF)、轉化生長因子(transforming growth factor,EGF)、表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor,IGF)和成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)等[27]。IGF是牛初乳中含量最多的因子,主要分為IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ兩種,質量濃度約是200 μg/L,約為常乳的100倍[28]。奶牛產犢后1 h,初乳中的所有已知生長因子的含量是最高的,隨著產犢時間的增加而下降[13]。表1為牛初乳中主要生長因子的保健作用。

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

大量研究發(fā)現(xiàn),牛初乳中的生長因子具有促進機體正常生長,促進機體脂肪的分解代謝,平衡血糖,促進受傷組織愈合以及調節(jié)大腦中的5-羥色胺和多巴胺等功能[30]。

2 免疫球蛋白的活性保持技術

IgG在加工或在腸道中消化時的穩(wěn)定性是評估牛初乳價值的一個重要因素[31],但是IgG易受熱、酸和堿等不良環(huán)境因素影響而變性,進而導致其活性降低。IgG的穩(wěn)定性由鏈內和鏈間二硫鍵和三維折疊結構域等分子結構特性決定[32],熱處理可以直接改變IgG構象的完整性,使二硫鍵斷裂產生游離巰基,巰基與另一個IgG反應生成凝集體,致使其活性下降,其中抗原結合片段比其他區(qū)域更熱敏感。牛初乳在加工過程中,要經過如巴氏殺菌和噴霧干燥等熱處理工藝,IgG活性損失極為嚴重,因此,提高IgG的穩(wěn)定性進而有效發(fā)揮其生理活性是目前亟待解決的問題。目前國內外保持牛初乳中IgG活性主要有2種方法：一是加入食品添加劑作為保護劑；二是將牛初乳IgG制備成微膠囊。

2.1 食品添加劑法

牛初乳加工過程中往往需要添加食品添加劑,如增稠劑、防腐劑和甜味劑等,以滿足不同人群的需要,因此,可采用添加食品添加劑的方法維持牛初乳中IgG的活性。

CHEN等[32]表明,添加20%甘油、0.20%谷氨酸和20%麥芽糖等熱保護劑有助于保持模擬系統(tǒng)中的IgG活性,僅添加5%的甘油就能將殘留的IgG從4.1%提高到38.8%,但目前反應機理尚不明確,可能是由糖和多元醇增強IgG分子中疏水相互作用導致的,也可能是與糖溶液中蛋白質分子優(yōu)先溶劑化的作用有關[33]。糖和多元醇能提高分離的IgG的熱穩(wěn)定性,但在實際食品生產中,高濃度的添加劑對于保持牛初乳產品的黏度和風味,可能是一個挑戰(zhàn)。CHAO等[34]向IgG稀溶液中添加蔗糖、乳糖、葡萄糖、半乳糖和麥芽糖等物質用作熱保護劑,結果表明5%的果糖或麥芽糖,具有極佳的保護效果,能將殘留的IgG含量提高到31%,過量添加(>30%)會導致殘留IgG含量下降。雷昌貴等[35]研究選取酸味劑、甜味劑和增稠劑等對IgG穩(wěn)定性的影響。結果表明,IgG的變性率隨乳酸、檸檬酸和磷酸二氫鈉濃度的增大而增大；山梨酸鉀對IgG的穩(wěn)定性影響甚微；磷酸氫二鈉、乳酸鈣、甜味劑(蔗糖和葡萄糖)和增稠劑(羧甲基纖維素鈉和黃原膠)對IgG有一定的保護作用。ELENA等[36]采用植物乳桿菌LUHS135和副干酪乳桿菌LUHS244發(fā)酵牛初乳、超聲波處理和脫水3種方法對牛初乳中IgG、IgA和IgM含量的影響進行研究,結果表明,將LUHS135和LUHS244菌株與牛初乳結合具有安全性和功能性,是牛初乳作為食品、飲料成分的一種有前途的技術,但是IgA對發(fā)酵非常敏感,需要進一步的研究來增加IgA在牛初乳中的穩(wěn)定性。徐思思[12]首次采用中藥多糖結合甘氨酸與乳酸鈣制成復合保護劑,復合保護劑配方為：茯苓多糖56.43%、甘氨酸41.55%、乳酸鈣0.20%,IgG保留率為62.14%。

牛初乳中添加如糖醇、糖和氨基酸等保護劑能夠有效保持IgG的活性,但其熱保護機制尚不明確,研究表明,糖或糖醇對蛋白質的保護作用不僅與羥基的數(shù)量有關,還與其分子結構有關[37]。保護劑添加量不宜過多,過量會對產品風味和質地產生不良的影響。此外,IgG熱保護劑種類單一且缺乏功能性,未來應選取一些具有功能活性的物質對IgG活性的保護作用進行研究,以開發(fā)出新型牛初乳功能性產品,增加牛初乳的綜合利用價值。

2.2 微膠囊法

微膠囊技術是一種將微小顆?；蛞旱瓮繉影裨谖⑿〉陌胪感曰蛎荛]性膠囊中的過程[38],以獲得具有保護特性的小膠囊。大多數(shù)微膠囊的直徑范圍是幾微米到幾毫米,囊材可以是單層、雙層甚至是多層的。微膠囊技術能保護熱敏性蛋白免于胃腸道系統(tǒng)的酸性環(huán)境和加熱等工藝條件的影響,顯著提高IgG的穩(wěn)定性,同時可以控制囊芯的釋放。國內外報道牛初乳IgG微膠囊化的方法很多,主要包括乳化縮聚法、噴霧干燥法、復凝聚法、流化床空氣懸浮法和液中干燥法等。微膠囊立體結構如圖2所示,微膠囊化基本步驟如圖3所示。

圖2 微膠囊立體結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the three-dimensional structure of the microcapsule

圖3 微膠囊化的基本步驟Fig.3 The basic steps of microencapsulation

研究表明,乳化縮聚法是將IgG微膠囊化的一種理想方法。鄭海英等[39]以乳化縮聚法制備微膠囊,最佳包埋率為75.9%,在70 ℃,15 min條件下進行熱處理,變性率僅為19.4%,IgG微膠囊化后可顯著提高其熱穩(wěn)定性。將微膠囊化的IgG添加到酸奶中,在剛制備好的酸奶中IgG保留率為89.4%,存放24 h后降低為80.7%,這表明此技術能夠增強IgG的抗熱、抗酸能力。

噴霧干燥法制備微膠囊工藝簡單、成本較低,適用于對溫度敏感的活性物質,但噴霧干燥用于微膠囊化較為復雜,有許多因素需要優(yōu)化[40]。進風溫度、出風溫度過高或過低均可影響包埋率。金鋒[41]以微孔淀粉和麥芽糊精作為囊材,免疫球蛋白作為囊芯,采用噴霧干燥法制備可溶性免疫球蛋白微膠囊,結果表明,進風溫度為140 ℃時,出風溫度為80 ℃時,成品的包埋率最佳,為71.69%。鄭海英等[39]以復凝聚法對牛初乳IgG微膠囊制備進行研究,但成品包埋率僅為8.9%,這可能是因為:IgG反相溶解在膠液里,在固化過程中因甲醛而變性失活:真空干燥過程中水分的溢出導致油膜破壞,進而降低包埋率。

囊材和囊芯比、攪拌速度、表面活性劑用量和反應溫度都會影響微膠囊的包埋率,吳錦霞等[42]采用液中干燥法探究以上4個因素對牛初乳IgG微膠囊化的影響,研究結果表明,囊材和囊芯比25∶1,攪拌速度250～300 r/min,表面活性劑用量8 mL,反應溫度30 ℃是最佳反應條件,制備出的微膠囊粒徑大小基本均勻,IgG的載藥量約為60%。液中干燥法并不是十分理想的IgG微膠囊化的方法,且該法所使用的有機溶劑會造成囊芯活性損失。趙圣名[43]采用流化床空氣懸浮法研究了牛初乳和雙歧桿菌復合微丸的制作工藝,最終產品的包埋率為86.32%,IgG的檢測值為47.26 mg/mL。楊柳等[44]利用流化床空氣懸浮法研究了IgG微膠囊化,最終制得的產品粒徑大小均勻,完整且致密,包埋率為85%。王璐怡等[45]采用乳化-噴霧法進行IgG微膠囊的制備,以麥芽糊精和阿拉伯膠作為囊材,包埋率高達81.24%,且微膠囊結構十分致密。AUDREY等[46]采用噴霧干燥法,以聚乳酸-乙醇酸制備成IgG微粒,包埋率高達85%。在微膠囊或微粒制備過程期間和釋放后,保證IgG的穩(wěn)定性和生物活性是極為重要的,ERDEMLI等[47]利用聚乙烯醇、葡萄糖、淀粉等賦形劑對聚己內酯微球包封IgG的穩(wěn)定性及對微球特性的影響進行探究,結果表明,聚乙烯醇和葡萄糖可以有效維持蛋白質的穩(wěn)定性。

將牛初乳IgG制備為微膠囊,能夠顯著提高牛初乳IgG在加工過程中的穩(wěn)定性與其到達腸道后的生理活性,最大化發(fā)揮牛初乳的營養(yǎng)價值。但是牛初乳IgG微膠囊技術尚存在以下一些不足：噴霧干燥法制備微膠囊時選用的壁材易溶于水,達不到緩釋的目的；流化床空氣懸浮法技術需要將牛初乳IgG凍干為粉末,在牛初乳產品生產中有一定局限性；乳化縮聚法不適用于牛初乳產品的工業(yè)化生產；復凝聚法制備的IgG微膠囊包埋率較低；除噴霧干燥法和流化床空氣懸浮法外,其他常用微膠囊法不適用于牛初乳產品的工業(yè)化生產。今后還需進一步研究出應用范圍更廣的IgG活性保持技術,為牛初乳功能性產品的開發(fā)提供廣闊的思路和理論支持。此外,以蛋白質作為囊材制備微膠囊時,聚合層之間離子相互作用可使蛋白質凝聚體力學性能相對較差,可以通過采用谷氨酰胺轉氨酶或賦形劑等對蛋白質的結構穩(wěn)定性進行修飾強化,并改善其控釋性能[48]。國內外學者開發(fā)出許多可以用于活性蛋白包埋的方法,如超聲霧化-低溫萃取成囊法、酵母微膠囊法、電噴霧干燥法和納米粒子包埋技術等[49-50],在今后的牛初乳IgG的活性保持技術研究中有望應用這些新型技術。

3 總結與展望

牛初乳營養(yǎng)價值豐富,在發(fā)揮自身生物活性功能作用的同時,不會對人體產生不良影響,與許多健康益處相關聯(lián),因此,牛初乳作為一種功能性成分很受歡迎,既可以以液體形式食用,也可以將IgG分離純化并分餾成固體濃縮物食用。IgG在牛初乳保健功能上發(fā)揮著極為重要的作用,但牛初乳在加工過程中,其營養(yǎng)成分和功能活性成分往往會被破壞,制得的產品免疫活性低。牛初乳任何潛在應用的先決條件均是在加工過程中盡量保持免疫活性物質不受破壞,目前國內外學者主要傾向于用食品添加劑法和微膠囊技術去維持IgG的活性。我國牛初乳資源豐富,相信隨著科學技術的進步,牛初乳研究的深入和國內市場的規(guī)范化,牛初乳在功能性食品生產中將會有巨大的應用潛力。

(1)目前國內外學者對牛初乳IgG活性的影響因素有較多研究,但對其活性保持的機理及其結構變化的研究報道鮮少,未來應嘗試從分子角度闡述IgG結構與活性之間的關系；

(2)糖和糖醇類物質在食品中過量添加會對食品風味產生不良影響,未來應進一步研究不同種類的具有功能活性物質或天然物質作為保護劑對IgG活性的影響；

(3)需要進一步拓展活性蛋白領域的微膠囊技術的理論研究和實際應用,如采用納米粒子包埋等新技術或采用具備優(yōu)良性能的新囊材對其微膠囊化進行研究,以保證在微膠囊形成期間和釋放后保持蛋白質的穩(wěn)定性；

(4)國內外學者應利用現(xiàn)代生物技術不斷開發(fā)出新型的牛初乳功能性產品,并將加工過程對IgG活性的影響降至最低,這對于牛初乳IgG的綜合利用具有重要意義。