牛初乳中生物活性成分的研究进展

2007,Vol.28,No.09食品科学※专题论述604[20]SMITHJP,OORAIKULB,KOERSENWJ,etal.Novelapproachtooxygencontrolinmodifiedatmospherepackagingofbakeryproducts[J].FoodMicrobiol,1986(3):315-316.[21]SMITHJP,JACKSONED,OORAIKULB.Storagestudyofagas-packagedbakeryproduct[J].JFoodSci,1983,48:1370-1371.[22]KOTSIANISIS,GIANNOUV,TZIAC.ProductionandpackagingofbakeryproductsusingMAPtechnology[J].TrendsinFoodSciandTech,2002,13:319-324.于立芹，庞广昌*(天津商业大学天津市食品生物技术重点实验室，天津300134)：牛初乳中含有大量的免疫调节因子和生长因子，这些生物活性成分具有免疫调节等一系列的生物学功能。本文综述了牛初乳中主要生物活性物质-免疫球蛋白、乳铁蛋白、胰岛素样生长因子的生物学功能、免疫调节以及提取利用方面的研究现状。：牛初乳；免疫球蛋白；乳铁蛋白；胰岛素样生长因子；生物活性ReviewonDevelopmentofBioactiveComponentsinBovineColostrumsYULi-qin，PANGGuang-chang*(TianjinKeyLaboratoryofFoodBiotechnology,TianjinUniversityofCommerce,Tianjin300134,China)Abstract：Bovinecolostrumcontainslargeamountsoftheimmuneregulatoryfactorsandgrowthfactors,whichprovidedwithaseriesofbiologicalfunctions,suchasimmuneregulation.Thispaperdiscussesthestatusquoofthemainbioactivesubstancesinthebiologicalfunction,immunomodulatoryactivity,extractionandapplicationoftheimmunoglobulin,thelactoferrinandtheInsulin-likegrowthfactor.Keywords：bovinecolostrums；lactoferrin；immunoglobulin；insulin-likegrowthfactors；biologicalactivity中图分类号：TS201.4文献标识码：A文章编号：1002-6630(2007)09-0604-06收稿日期：2007-06-29*通讯作者基金项目：国家自然科学基金项目(30471225)作者简介：于立芹(1979-)，女，硕士研究生，研究方向为生物活性物质的分离纯化。牛初乳功能性研究的迅速进展使之从众多功能性食品中脱颖而出，如今牛初乳已经是一种相当有前景的提高机体免疫力的功能性食品。2000年被美国食品科技协会(IEF)列为21世纪最佳发展前景的非草药类天然健康食品，有“免疫之王”、“乳黄金”之称，现已成为新一代功能性食品资源库。1牛初乳食用史人类实际利用牛初乳的历史远远早于对它的研究探索。早在几千年前，印度制造牛初乳糖果，被民间视为灵丹妙药，倍受推崇至今。在北欧牛初乳布丁及其覆有蜂蜜的甜品已有一百年历史。在青霉素及其他抗生素出现以前，美国人也将牛初乳用作抗病食物。十八世纪末，科学家发现了初乳对新生幼仔存活和生长发育的意义，此后，牛初乳研究逐步深入。1955年牛初乳制品(免疫乳)被用于治疗疾病。20世纪70年代大量喂养实验证明牛初乳的优质抗病地位。1990年前后科学家才开始从功能性食品角度关注牛初乳开发问题，整理出大量有关研究报告，确认了它作为卓越天然抗病食物的地位，牛初乳可直接用于制造免疫及其他功能性的食品。BernardJensen博士的专著，描述了牛初乳的神奇功效，使用牛初乳有助于维持或恢复免疫系统的健康，因而备受关注。2牛初乳中生物活性成分初乳是指奶牛分娩后7d内特别是3d内所分泌的乳605※专题论述食品科学2007,Vol.28,No.09汁，新鲜初乳色泽黄而浓稠、酸度高、具有特殊的乳腥味和苦味。牛初乳除含有与常乳相同的常规成分(蛋白质、碳水化合物、矿物质、维生素等)外，更重要的是含有大量的生物活性物质，含量比常乳高10～100倍。主要包括免疫球蛋白(Ig)、乳铁蛋白(Lf)、乳过氧化物酶(Lp)、胰岛素、溶菌酶(Lz)以及表皮生长因子(EGF)、转化生长因子(TGF)、胰岛素样生长因子(IGF)、白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)、干扰素-γ(IFN-γ)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等各种细胞因子，这些细胞因子虽然在初乳中含量甚微，但却具有重要的生理功能，如抗感染、抗肿瘤、免疫调节等，特别是在对胃肠道的保护方面，显示了神奇的作用。初乳是哺乳动物提供给幼仔的最初食物，其功能性成分保障了动物幼仔的健康成长，作为人类的功能性食品，具有很高的应用价值。这些生理活性成分具有免疫调节、延缓衰老、促进生长发育、抑制肿瘤等一系列的生物功能，不仅可以制造功能食品，而且还具有开发天然活性生物药物的巨大潜力。为开发牛初乳功能性食品，采用某种特殊分离技术，从牛初乳中分离出其中的免疫球蛋白(IgG)、乳铁蛋白、胰岛素样生长因子等生物活性组分，制备成添加剂来强化食品。作为牛初乳添加剂的生产原料应取自洁净、无污染的牧场，以保证产品的质量安全。可采用特殊选育技术，挑选高免疫力、无抗生素污染的健康乳牛，促使其受孕、生产，采集其初乳汁为原料进行分离和提纯。2.1免疫球蛋白IgG免疫球蛋白是一类具有增强抗菌、免疫功能的活性蛋白质，是人类特别是婴儿健康所需的生理活性物质。根据重链稳定区氨基酸序列的不同可将免疫球蛋白分为五大类，分别为IgG、IgA、IgM、IgD和IgE。免疫球蛋白是牛初乳中最引人注目的免疫因子，牛初乳中免疫球蛋白Ig含量为50～150mg/ml，是人初乳的50倍，其中IgG是牛初乳中含量最高的Ig，在初乳中IgG含量为50～90mg/ml，约占80%～90%、是常乳中含量的100倍以上，分子量约150kD，有4个亚类。它能部分取代人类IgA(4.1～4.57mg/g)的功能。2.1.1免疫球蛋白的生物学活性免疫球蛋白具有多种生物活性功能，IgG最主要功能是通过与细菌、病毒等抗原进行特异性结合而使之丧失在机体内的繁殖能力，IgG同时能促进巨噬细胞的吞噬作用，并具有激活补体、通过特殊的杀伤细胞：NK细胞和巨噬细胞，表面携带的抗体FC受体与抗体包被的靶细胞结合，发挥抗体依赖细胞介导的细胞毒作用(antibodydependentcell-mediatedcytotoxicity，ADCC)等多种生物学活性。同时IgG也是唯一能够从母体通过胎盘转移到胎儿体内的Ig，是胎儿和新生婴儿抗感染免疫作用的主要来源。将IgG添加到婴幼儿配方奶粉、保健品食品中，对于改善婴幼儿、中老年人及免疫力低下的人群(如癌症等患者的辅助治疗)的健康有重要意义。免疫球蛋白IgG是一种糖蛋白，N端糖链的存在对IgG功能的表达起到关键作用，通过研究在去除半乳糖残基、海澡糖残基、唾液酸残基前后IgG的功能已经证明IgG的不同糖基在保护机体免受传染性疾病具有不同的功能[1-3]。近年来，对IgG的研究主要集中在N端糖链的研究上，IgG主要通过Fc段与免疫细胞上的受体结合而发挥ADCC作用，Yamaguchi[4]等通过核磁共振研究了糖基的清除对Fc段三维结构的影响，发现在连续除去半乳糖、N-乙酰氨基葡萄糖残基后Fc短的三维结构只发生很小的变化，然而在用混合唾液酸酶，6646Kβ-半乳糖苷酶，β-N-乙酰氨基己糖苷酶，内切β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶孵育Fc段除去大多数糖残基后观察到Fc段的三维结构有显著性变化，因此，不能通过简单的去糖基化改变IgGFc段的三维结构来降低IgG结合补体C1q和Fc受体的能力。Shinkawa[5]等报道，与IgG1的Fc区连接的糖链上缺乏海藻糖对增强ADCC作用起着至关重要的作用。这可能是由于IgG岩藻糖基化后降低了同FcγR的亲和力而使ADCC作用受到抑制。免疫球蛋白IgG具有双重身份，他们有时处于支持发炎的作用、有时处于抵抗发炎的作用，新研究显示IgG是通过修饰Fc段的糖基来实现其两重身份的转变。YoshikatsuKaneko[6]等发现，IgGFc段唾液酸化后获得抗炎特性，因此，IgGFc段不同程度的唾液酸化可能是IgG从恒定态时具有的先天抗炎作用到遇到抗原入侵产生获得性促炎作用转换的开关。对IgG不同糖基及其功能的研究为IgG在医药方面的应用起到重要作用。2.1.2免疫球蛋白的分离方法据蛋白质的分子大小、电荷多少、溶解度以及免疫学等特征，常用的有盐析法(如多聚磷酸钠絮凝法、硫酸铵盐析法)、有机溶剂沉淀法(如冷乙醇分离法)、有机聚合物沉淀法、变性沉淀法、离子交换层析法、凝胶过滤法、超滤法、亲和层析法等。为了获得较纯的产品经常几种方法连用。曾用于大规模生产的方法主要有：冷乙醇分离法、盐析法、利凡诺法和柱层析法等，应用较多的为硫酸铵盐法和冷乙醇分离法。因为硫酸铵在水中的溶解度很大，有利于达到高离子强度，且受温度影响小，一般不会引起蛋白质变性，所以常用来盐析免疫球蛋白。目前，国际上常用冷乙醇法有两种，一种是美国等主要使用的Cohn-Oncley法，另一种是西欧等国主要使用Kistler和Nischmann法。2007,Vol.28,No.09食品科学※专题论述606在IgG的分离过程中在工艺上要防止破坏IgG的生物活性。为此应仔细设计热处理工艺，在保证杀菌效果的前提下，尽量降低产品的受热强度。同时，对已分离的IgG可采用微胶囊技术将其包埋，可能防止酸碱变性，增加稳定性。若无微胶囊保护，需采用较高浓度蛋白质配方，最好加入变性程度低的乳清蛋白。已证实，高浓度蛋白质能够提高IgG对酸、碱和酶解的抵抗性。同时，必须针对不同人群，采用不同的开发策略，获得不同形式的牛初乳添加剂。2.2乳铁蛋白乳铁蛋白(lactoferrin，LF)1960年首先由Groves从牛乳中分离获得，因与铁结合而呈红色，故称之为“红蛋白”。在发现之初，乳铁蛋白被认为是一种与铁的转运和存储有关的蛋白质，所以又称乳转铁蛋白。乳铁蛋白(lactoferrin，LF)是一个大约由700个氨基酸构成，分子量约为80kD的单体糖蛋白。它在乳汁，尤其是初乳中的含量很高。除了乳房组织分泌以外，乳铁蛋白还广泛存在于唾液、泪液等外分泌液或血液、中性粒细胞中。乳铁蛋白在牛初乳中的含量约为115～510mg/ml，是常乳的50倍。2.2.1乳铁蛋白的生物学功能及应用乳铁蛋白除了作为氨基酸的膳食蛋白源，还具有许多独特的生物学功能，主要有：具有广谱的抗菌效果；具有结合并转运铁的能力，能增加铁的吸收及生物利用率；对人体肠道菌群有改善作用、促进肠道菌群的平衡；免疫调节作用；抗氧化作用；作为生长因子、抗炎症、抗病毒、抗癌症作用等[7]。LF固有的抗病毒活性，用作药物载体它们可以将药物直接运达靶细胞从而减少用药量，降低毒副作用。乳铁蛋白具有广泛而独特的生物学功能和理化特性，在饲料工业中应用前景十分广阔，比如LF可耐受较高温度，使之在饲料加工过程中不易变性失活；它促进铁的转运和吸收，可以治疗仔猪贫血；它具有广谱的抗菌、抗病毒作用，可用来预防和治疗仔猪腹泻；它具有调节免疫系统活性的作用，增强家畜对疾病的抵抗力；它具有抗真菌和抗脂质氧化作用，可用作防霉剂和抗氧化剂。乳铁蛋白在国外生产的婴幼儿配方奶粉中早已被应用