四种主要牛乳酪蛋白组分与食品相关的功能特性：综述

《Current Research in Food Science》：Food-Relevant Functional Properties of the Four Major Bovine Casein Fractions: A Review

　　

本文批判性评价了与食品体系相关的主要牛乳酪蛋白组分（α_s1-、α_s2-、β-和κ-酪蛋白）的功能特性，重点关注其理化特征。本文还考察了这些组分间的基因变异和翻译后修饰（PTMs），这些因素直接影响其特性和功能。单个酪蛋白组分的凝胶化主要受其等电点（pI）和蛋白质-蛋白质相互作用的影响。β-酪蛋白具有两亲性和柔性结构，使其在起泡和乳化能力方面具有多功能性。相比之下，α_s1-酪蛋白具有强钙结合特性，而κ-酪蛋白在界面空间稳定中发挥重要作用，特别是通过其糖基化C端（酪蛋白巨肽，CMP）区域维持胶束稳定性。分离纯酪蛋白组分的技术挑战可能导致显著的知识空白，因为使用纯化组分进行的系统性研究较为稀缺；β-酪蛋白的研究比其他酪蛋白组分更为广泛。因此，关于α_s1-、α_s2-和κ-酪蛋白功能的全面结论仍然有限。此外，尽管有证据表明基因变体影响功能特性，但关于分离酪蛋白组分的研究并未一致报告基因变体信息。精密发酵和先进分馏技术等新兴技术有望实现酪蛋白基配料更有针对性的功能应用。因此，系统表征酪蛋白基因变体对于优化其在定制乳制品配方中的应用至关重要。需要在真实食品基质（如乳制品体系）中开展进一步研究，以准确评估和优化单个酪蛋白组分的工艺功能特性。

**研究背景与问题**

牛乳是重要的食品和配料，富含蛋白质、脂肪、乳糖和矿物质。乳蛋白对牛乳起泡、乳化和凝胶化等功能特性至关重要。酪蛋白和乳清蛋白是乳中两大蛋白质组分，比例约为80：20。酪蛋白由四种主要组分构成：α_s1-、α_s2-、β-和κ-酪蛋白，占比分别约为40%、10%、35%和15%，天然状态下以胶体磷酸钙（CCP）和富含κ-酪蛋白的表面层稳定的胶束形式存在。尽管数十年来对酪蛋白胶束的结构与功能进行了大量研究，但关于单个酪蛋白组分功能特性的了解却出奇地有限。随着乳品工业中标准化的重要性日益增加——以确保一致的组成、优化加工效率并最大化产量——这种详细表征的缺乏变得更加显著。此外，酪蛋白组分相对比例的变化也会影响乳制品的功能特性，基因多态性是酪蛋白功能变异性的另一个重要来源。然而，尽管酪蛋白组成和基因变异的重要性已被证实，其对分离酪蛋白组分工艺功能特性的影响仍相对缺乏研究。获取足够纯度和回收率的单个酪蛋白组分所面临的挑战可能是导致其功能表征有限的原因之一。与此同时，食品生物技术的最新进展，特别是精密发酵，使得酪蛋白组分的单独生产日益可行。因此，整合关于其功能特性的现有知识日益重要。本文批判性地审视了关于单个酪蛋白组分理化及食品相关功能特性的现有文献。

**关键技术方法**

本文为综述性研究，系统梳理和批判性评价了关于牛乳酪蛋白四种主要组分（α_s1-、α_s2-、β-和κ-酪蛋白）理化特性及食品相关功能特性的现有文献。研究聚焦于分离的单个酪蛋白组分，全乳、天然酪蛋白胶束、胶束酪蛋白制品、酪蛋白酸盐或未分馏酪蛋白混合物的研究不在讨论范围内。营养、消化和生理特性亦不在讨论范围内。在无法获得四种纯化组分直接比较数据时，偶尔使用其他蛋白质的研究作为功能背景比较。

**研究结果**

**遗传多态性、大小和电荷**：牛乳酪蛋白至少有39种基因变体，分布在不同的酪蛋白组分中：α_s1-酪蛋白8种、α_s2-酪蛋白4种、β-酪蛋白15种、κ-酪蛋白12种。常见变体分别为α_s1-（B变体）、α_s2-（A变体）、β-（A2变体）和κ-酪蛋白（B变体）。所有四种酪蛋白组分在不同基因变体中的分子量约为19.0至25.2 kDa。基因变体源于编码单个酪蛋白的DNA序列差异，导致氨基酸序列的不同。除基因变异外，酪蛋白在PTMs方面也存在差异，特别是磷酸化和糖基化。在主要牛乳酪蛋白组分中，糖基化发生在κ-酪蛋白中。磷酸化主要发生在丝氨酸残基上，带负电荷的磷酸基团有助于酪蛋白的电荷及其结合钙的能力。

**一级、二级和高级结构**：四种主要牛乳酪蛋白组分在其常见基因变体（B、A、A2和B）中因氨基酸组成和结构特征而有所区别。α_s1-酪蛋白由199个氨基酸组成，其中17个为脯氨酸（8.5%），在41至80位之间有一个磷酸丝氨酸簇。α_s2-酪蛋白由207个氨基酸组成，含10个脯氨酸（4.8%），具有碱性C端区域。β-酪蛋白（A2）含209个氨基酸，是脯氨酸含量最高的（约16.7%），具有高度两亲性和疏水性C端区域。κ-酪蛋白（B）含169个氨基酸，包括两个半胱氨酸（Cys11和Cys88），能够形成二硫键。基于一级序列，β-和α_s1-酪蛋白组分被认为是内在无序蛋白（IDPs），其特征是 vysoky 脯氨酸含量破坏了有序二级基序结构，且缺乏半胱氨酸残基。虽然κ-酪蛋白和α_s2-酪蛋白含有半胱氨酸残基，但由于其整体无序结构和缺乏稳定的三级构象，也被归类为IDPs。Grewal等（2021）是唯一在相同实验条件下使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱比较所有四种高纯度（>95%）牛乳酪蛋白组分二级结构的研究。四种组分在25 °C、含100 mM KCl的25 mM PIPES缓冲溶液中表现出不同比例的有序二级结构元件。α_s1-和α_s2-酪蛋白含有最高比例的β-折叠结构，而β-酪蛋白显示最低的β-折叠含量和最高比例的无规卷曲结构，这与其更大的构象柔性一致。添加Ca²⁺或Mg²⁺改变了所有酪蛋白组分的二级结构，通常促进β-折叠形成同时减少3₁₀-螺旋。总体而言，虽然所有四种酪蛋白组分都是内在无序的，但它们在二级结构谱和对环境条件（如pH、温度和离子组成）的响应方面存在差异。

**Zeta电位**：Zeta电位反映蛋白质的表面电荷，提供影响溶液中胶体行为的静电相互作用信息。Rodzik等（2020）测量了主要酪蛋白组分（α_s1-、β-和κ-酪蛋白）在pH 2-11范围内的Zeta电位。α_s1-酪蛋白的pI约为4.80 ± 0.72，β-酪蛋白的pI为4.55 ± 2.15。β-酪蛋白的Zeta电位随时间的变化小于α_s1-酪蛋白。Lajnaf等（2021）报道了纯化牛β-酪蛋白在20 mM Tris-HCl缓冲液中随pH增加Zeta电位越来越负。Chezan等（2026）进一步表明缓冲液组成和磷酸化程度影响蛋白质电荷。总体而言，单个酪蛋白组分的Zeta电位强烈依赖于pH和溶液组成，而蛋白质特征（包括磷酸化状态）的差异可能进一步影响测量的Zeta电位。等效条件下各组分间的直接比较仍然稀缺，分离α_s2-酪蛋白的数据尤为缺乏。

**聚集行为和胶束形成**：临界胶束浓度（CMC）是两亲性分子开始自缔合形成胶束或其他超分子聚集体的浓度。Kessler等（2013）表明α_s-酪蛋白的CMC受离子环境强烈影响。β-酪蛋白在足够低的浓度下以单体形式存在，但高于其条件依赖性CMC时发生自缔合。β-酪蛋白的CMC不是固定的，而是随温度、pH、离子强度和共溶质的存在等环境因素显著变化。Moitzi等（2008）证明在pH高于5.3时，温度是影响β-酪蛋白聚集的主导因素。β-酪蛋白的基因变体也影响其自缔合，A1变体在所研究的条件下比A2变体表现出更大的自缔合倾向。κ-酪蛋白根据条件和所用技术形成不同大小的聚集体。纯化κ-酪蛋白的一个有趣特征是能够在近中性pH和约37 °C下形成纤维状聚集体。总体而言，虽然几种单个酪蛋白组分在受控实验室条件下可以形成纤维结构，但这些结构与食品功能相关性的证据仍然有限。

**钙结合**：酪蛋白结合钙的能力对其生物学作用和食品功能至关重要。钙结合主要通过翻译后磷酸化引入的带负电荷磷酸丝氨酸残基发生。Parker和Dalgleish（1981）报道β-酪蛋白的钙结合低于α_s1-酪蛋白，这与β-酪蛋白中磷酸丝氨酸残基数量较少有关。α_s-酪蛋白的钙敏感性也存在差异。Aoki等（1985）报道约94%的α_s2-酪蛋白在2 mM CaCl₂中沉淀，而α_s1-酪蛋白在相同条件下几乎不沉淀。总体而言，酪蛋白组分通常根据其钙敏感性进行分类，其中α_s1-、α_s2-和β-酪蛋白对钙敏感，而κ-酪蛋白对钙不敏感。然而，钙不敏感并不意味着不结合钙。磷酸化对钙依赖性行为的影响在Chezan等（2026）的研究中再次被观察到，磷酸化β-酪蛋白在 elevated 钙浓度下表现出比非磷酸化重组β-酪蛋白更低的溶解度和更大的聚集。

**溶解度**：单个酪蛋白组分的溶解度是蛋白质-溶剂和蛋白质-蛋白质相互作用复杂交织的结果，受内在分子特征和环境条件（如pH、温度、离子强度和矿物质组成）的影响。基于序列的计算预测非磷酸化α_s1-、α_s2-、β-和κ-酪蛋白的pI分别为4.91、8.34、5.13和5.93。对于相应的磷酸化参考变体，预测的pI值分别降至4.42、4.95、4.65和5.60。β-酪蛋白对温度最为敏感，在较低温度下（尤其是5 °C至15 °C之间）在pH 3.9-5.2范围内显示更高的溶解度。α_s1-酪蛋白对温度最不敏感。

**凝胶化能力**：关于单个酪蛋白组分凝胶化的研究很少，β-酪蛋白是研究最深入的。2% β-酪蛋白溶液用0.25% GDL酸化形成弱酸诱导凝胶（G′ ≈ 1 Pa），而部分去磷酸化β-酪蛋白未观察到凝胶化。然而，Chezan等（2026）证明β-酪蛋白（即精密发酵来源、天然牛源磷酸化和去磷酸化）均可形成酸诱导凝胶。在 neutral 至碱性条件和高浓度下，β-酪蛋白和α_s-酪蛋白均未形成凝胶。虽然未发现关于完整κ-酪蛋白凝胶化的研究，但有两项研究专门考察了其衍生肽CMP的凝胶化行为。CMP可在室温下进行pH依赖性自组装，在pH低于4.5时，浓度低至3%（w/w）即可形成不透明弹性凝胶。总体而言，关于单个酪蛋白组分凝胶化行为的详细研究很少，现有证据主要集中在β-酪蛋白。

**乳化能力**：蛋白质的乳化特性是指其迁移至油水界面、降低界面张力并形成稳定层的能力。β-酪蛋白降低表面张力的速度快于所有其他组分。α_s1-和β-酪蛋白由于其有限的二级结构和两亲性而具有显著的乳化特性。直接比较时，在低蛋白质脂肪比（1：20）和pH 5.5-7范围内，β-酪蛋白在低至中等离子强度（0.01-0.2 M）和接近其pI时表现出较强的抗絮凝能力，表明其稳定机制主要是空间位阻而非静电作用。相比之下，α_s1-酪蛋白稳定的乳液在离子强度高于0.1 M和pH降至5.5以下时开始絮凝。在pH 7.0时，β-酪蛋白显示出最高的表面活性，最有效地降低油水界面张力（19 mN/m），其次是κ-酪蛋白（22 mN/m）和α_s-酪蛋白（27 mN/m）。总体而言，β-酪蛋白在酪蛋白组分中表现出特别高的界面活性，而α_s1-酪蛋白也具乳化性但在低pH和高离子强度下更敏感。

**起泡特性**：起泡性是指蛋白质通过吸附在气-水界面促进泡沫形成的能力。De Groot等（2024）使用振荡气泡张力测定法在含Ca²⁺的模拟乳超滤液中评估了所有四种主要酪蛋白组分的界面特性。β-酪蛋白形成最刚性的界面网络，其次是α_s2-和α_s1-酪蛋白。κ-酪蛋白则产生最弱的网络。在乳样混合物中，β-和κ-酪蛋白主导界面响应，Ca²⁺的存在对于形成刚性网络至关重要。β-和α_s1-酪蛋白在单独研究时表现出相似的吸附行为，但在1：1混合物中，β-酪蛋白在界面上占主导地位，随时间置换α_s1-酪蛋白。总体而言，β-酪蛋白在泡沫形成方面通常表现良好，但与疏水蛋白HFBII、皂树皂苷和BLG相比，其抗歧化稳定性较差。

**酪蛋白组分的降解**：酪蛋白高度易降解，导致形成较小的肽和游离氨基酸。该过程可自然发生或被酶催化。生牛乳中大多数天然存在的肽来自酪蛋白水解。在鉴定出的248种肽中，几乎所有都来源于酪蛋白组分，其中α_s1-酪蛋白是主要来源，其次是β-和α_s2-酪蛋白。有限水解可以增强乳化和调节起泡。酪蛋白水解也显示出感官后果，蛋白水解是成熟奶酪（如卡门贝尔奶酪）感官特征的主要贡献者。苦味尤其与疏水性肽相关，其中许多来源于β-酪蛋白。单个酪蛋白组分的靶向使用因其独特的降解模式和生成具有特定特性肽的能力而具有作为功能性食品配料的潜力。

**讨论与结论**

本文综述的大多数文献研究的是牛源酪蛋白组分，只有少数研究考察了重组酪蛋白。在单个组分中，β-酪蛋白研究最为广泛，其特征是 pronounced 温度依赖性自缔合、高界面活性和形成弱酸诱导凝胶的能力。α_s1-酪蛋白也显示出 self-association、钙敏感性和界面活性，尽管与β-酪蛋白相比，对其食品相关功能特性的研究较少。α_s2-酪蛋白最独特的特性是其特别高的钙敏感性，而关于其分离状态下行为的证据仍然稀缺。κ-酪蛋白的不同之处在于其钙不敏感性和其聚集和自组装行为，后者可受二硫键和糖基化影响。当前挑战包括：各酪蛋白组分和功能特性的知识水平参差不齐，使得组分间的直接比较困难；基因变体在研究中未一致报告；纯度、PTMs和实验条件的差异进一步使建立结构-功能关系复杂化。酪蛋白分馏和精密发酵的发展为未来研究提供了两个互补方向。对于乳源组分，一致表征纯度、基因变体和PTM状态将允许更可靠地比较其功能特性。对于重组酪蛋白，未来研究可采用更功能特异性的方法，系统研究确定特定功能性所需的分子特征。