钙与乳蛋白的相互作用机制及对其功能特性的影响研究进展

　　
乳中蛋白质主要由酪蛋白和乳清蛋白组成，其中酪蛋白是由磷酸盐基团和丝氨酸酯化得到的结合蛋白，约占乳中蛋白质80%，乳清蛋白是球状蛋白，约占乳蛋白的20%。钙是人体的重要组成成分，参与人体重要的生理活性过程，能够有效维持体内酸碱平衡，具有控制新陈代谢、激素分泌等多种生理活性。乳制品是人类膳食摄取钙的最佳途径，能为人体提供合理的钙磷比。研究钙与乳蛋白的相互作用以及对乳蛋白的功能性调控具有重要意义。

　　齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院的李向莹、赵烜和王存芳*等人对钙与各种乳蛋白之间的相互作用机制以及对其功能特性的影响了进行综述，对系统理解钙与乳蛋白的结合具有重要意义，为钙类功能性乳品的深入研究以及工业化生产提供理论依据。

　　1、乳中钙的组成

　　钙在乳中主要以胶束钙和可溶性钙两种形式存在，这两种形式的钙在胶束相和乳清相中形成动态平衡。在胶束相中，钙主要是作为无定形胶体磷酸钙（CCP）存在于酪蛋白胶束中或作为与磷酸丝氨酸残基结合的钙离子的形式存在。而乳清相中的可溶性钙则以柠檬酸钙、磷酸盐或游离钙离子的形式存在。

　　2、钙与酪蛋白的相互作用机制

　　酪蛋白主要由αs-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白构成，其自身的交联和聚合的产生均与钙离子有关。酪蛋白单体组分含有多个磷酸丝氨酸残基的磷酸基团，可与钙离子有效结合，降低静电稳定机制作用，从而导致酪蛋白酸盐亚胶束的缔合，对稳定酪蛋白胶束的结构具有重要作用。由于酪蛋白单体中磷酸盐含量不同，其对钙离子的敏感性从高到低依次为αs-酪蛋白、β-酪蛋白和κ-酪蛋白。此外，在钙离子存在的情况下形成的酪蛋白络合物与单个酪蛋白聚合体相比，酪蛋白络合物较聚合体对钙具有更强的亲和性。

　　2.1 钙与αs-酪蛋白和β-酪蛋白的相互作用

　　αs-酪蛋白可分为αs1-酪蛋白和αs2-酪蛋白。αs1-酪蛋白与钙结合的机制如图1A所示，αs1-酪蛋白含有3 个疏水性区域，两个亲水性区域将其进行区分，其中45～89序列的亲水性区域含有磷酸酯基团的结合位点，经酶解后可与钙离子结合。与含有的磷酸根离子相似，在中性pH值下，每摩尔磷酸酯基团可结合8 mol Ca2+。Ca2+与αs1-酪蛋白发生吸附作用，随着钙离子浓度提高，αs1-酪蛋白表面电荷减少，Zeta电位下降，导致CCP盐含量增加，胶体发生凝集作用，稳定性降低。而通过添加柠檬酸盐或磷酸盐可减少乳中的钙离子含量，CCP减少，乳稳定性增加。

　　如图1B所示，与αs1-酪蛋白相比，αs2-酪蛋白含有2 个半胱氨酸残基，形成二硫桥，在丝氨酸上可结合10 个磷酸根离子，对Ca2+较为敏感。另外，其含有2 个磷酸化丝氨酸残基簇（SerP-SerP-SerP-Glu-Glu），使其结合Ca2+的能力增强。αs2-酪蛋白含有2 个疏水性区域和2 个亲水性区域，含有磷酸酯基团的结合位点大致位于8～12、56～63、129～133序列中，在中性pH值条件下，每摩尔αs2-酪蛋白可与10 mol Ca2+进行结合。

　　如图1C所示，β-酪蛋白含有一个疏水性的C端区域和高电荷的N端区域，是疏水性最强的蛋白质，在丝氨酸残基上可结合5 个磷酸根离子。β-酪蛋白在亲水性区域（残基1～44）含有磷酸酯基团结合位点，主要位于14～21序列中，在中性条件下，每摩尔磷酸酯基团可结合5 mol Ca2+。相对于αs1-酪蛋白和αs2-酪蛋白，β-酪蛋白对Ca2+的敏感性较低。

　　总之，钙与酪蛋白相互作用机制在于αs-酪蛋白的磷酸基团以及β-酪蛋白N端的羧基，两者均具有SerP-SerP-SerPX-SerP序列，共同构成酪蛋白的中心位置，对钙离子较敏感，易于与大量钙离子结合，从而产生酪蛋白沉淀。

　　2.2 钙与κ-酪蛋白的相互作用

　　与其他酪蛋白不同，κ-酪蛋白没有磷酸丝氨酸簇和苏氨酸糖苷化残基，只含有1 个磷酸丝氨酸残基，不能强烈地与钙离子结合，对钙离子诱导沉淀不敏感。κ-酪蛋白这种特殊的化学结构，使其具有较强的亲水能力，在Ca2+存在时，它可以抑制对钙离子敏感的αs-酪蛋白和β-酪蛋白发生沉淀，具有稳定酪蛋白胶束空间结构的作用。同时，钙离子也可通过屏蔽带负电荷的基团来减少胶束电荷，防止κ-酪蛋白在特定pH值下的解离。当κ-酪蛋白中Phe105-Met106肽键被酶分解为副-κ-酪蛋白和酪蛋白糖巨肽时，前者随酪蛋白胶束一同沉淀，后者由于高负电荷和强极性存在于溶液中，稳定作用丧失（图2）。

　　3、钙与乳清蛋白的相互作用机制

　　乳清蛋白主要由α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、血清白蛋白、乳铁蛋白、免疫球蛋白等微量小分子蛋白构成。在乳清相中，可溶性钙质量占牛乳中总钙的31%，主要位于α-乳白蛋白中。与含有较多钙离子结合位点的αs-酪蛋白和β-酪蛋白不同，α-乳白蛋白含有1个钙活性中心，可以和钙离子结合。

　　3.1 钙与κ-酪蛋白的相互作用

　　α-乳白蛋白是金属结合蛋白，与钙的相互作用机制在于其含有α-螺旋和β-片状2 个固有结构域。该结构域由半胱氨酸残基Cys73和Cys91之间的二硫桥连接，形成Ca2+结合环。蛋白分子中的天冬氨酸残基Asp82、Asp87、Asp88的羧基氧配体和Asp84、Lys79的羰基氧化物以及1 个或2 个水分子均可与1 分子的Ca2+强烈结合，形成五角双锥结构（图3）。Ca2+与α-乳白蛋白结合影响其三级结构以及分子稳定性。在pH值低于3.5时，α-乳白蛋白发生构象的酸转变。另外，Ca2+与α-乳白蛋白结合在抵抗热变性方面具有稳定性。

　　3.2 钙对β-乳球蛋白和κ-酪蛋白相互作用的影响

　　乳清蛋白与酪蛋白胶束在经过高温处理时，两者通过巯基-二硫键反应发生相互作用，而钙离子的存在促进了β-乳球蛋白的热变性以及其与κ-酪蛋白间的相互作用，使得胶束表面κ-酪蛋白C-末端的“毛发”部分变得僵直，从而降低胶束的静电排斥作用和位阻作用，在酪蛋白分子间形成钙桥，导致乳蛋白产生絮凝。Ca2+对于较低浓度的β-乳球蛋白和酪蛋白胶束的热诱导结合具有促进作用。另外，在乳清相中添加钙离子可明显减少酪蛋白胶束中κ-酪蛋白的解离。由此表明，增加乳清中钙离子含量可促进热处理后酪蛋白胶束-乳清蛋白聚集体的生成，而降低乳清蛋白聚集体在乳清相中的比例。

　　4、钙对乳蛋白功能特性的影响

　　4.1 钙对乳蛋白热稳定性的影响

　　钙离子在乳热处理时对酪蛋白胶束完整性具有重要作用。85 ℃及以上温度进行热处理时，对钙离子敏感的αs-酪蛋白暴露，与游离的钙离子结合，从而减少表面电荷量，产生活性位点，胶束平衡发生破坏，酪蛋白发生凝聚，产生沉淀。当乳清蛋白溶液在65 ℃以上进行高温处理时，蛋白构象展开，活性氨基酸暴露，疏水作用增强。钙离子的存在不仅提高了α-乳白蛋白和β-乳球蛋白的热变性敏感度，还促进了乳清蛋白与钙离子结合形成钙-蛋白复合物，分子间的静电斥力减小，溶液产生絮凝，乳热稳定性降低。

　　另外，螯合剂与钙离子结合对乳蛋白的热稳定性也会产生重要影响。当添加螯合剂时，乳中钙盐的含量和形式发生重要变化，可溶性钙浓度显著上升，而胶体钙浓度显著下降。

　　4.2 钙对乳蛋白热稳定性的影响

　　钙离子与蛋白质结合，对蛋白质在油-水界面的吸附行为以及乳浊液的稳定性具有重要影响。浓缩乳蛋白（MPC）溶液的乳化活性与其脱钙程度呈正相关，其乳化稳定性在脱钙率为20%～40%时逐步增强，特别是脱钙率40%的MPC溶液可获得较好的乳化活性和乳化稳定性。乳化前后添加钙离子均会导致乳浊液的稳定性降低。

　　4.3 钙对乳蛋白热稳定性的影响

　　αs1酪蛋白、αs2-酪蛋白和β-酪蛋白的溶解性与钙离子浓度有关，而κ-酪蛋白的溶解性不受钙离子浓度变化的影响。钙离子浓度能够明显影响乳蛋白的溶解性。在钙离子浓度为1～3 mmol/L时，钙离子与磷酸丝氨酸基团和羧基化基团结合，大部分结合酪蛋白仍保持溶解，浊度稍微增加；在钙离子浓度达到3～5 mmol/L时，钙离子继续与羧基化基团结合，减少静电排斥，酪蛋白溶解性呈现急剧下降，溶液浊度迅速增加最终形成沉淀。

　　4.4 钙对乳蛋白热稳定性的影响

　　乳蛋白的起泡特性不仅与其在空气-水界面的表面张力有关，其亦与钙离子浓度相关。在乳清蛋白溶液中，Ca2+浓度为0.02～0.40 mol/L时，蛋白质分子发生交联，形成黏弹性较好的膜，蛋白溶液的起泡性得到显著改善。乳中钙离子的脱除对浓缩乳蛋白的起泡性具有促进作用。

　　4.5 钙对乳蛋白热稳定性的影响

　　研究表明，牛奶的凝胶化可能由多种因素共同引起，比如CCP含量的增加；通过钙离子聚集牛奶中加热的乳清蛋白；钙离子诱导乳的pH值降低等。因此，钙与乳蛋白的凝胶特性具有明显相关性。钙的脱除对乳凝胶形成具有抑制作用。当用氯化钙来回补脱钙MPC系统时，发现可溶性钙的回补可促进蛋白间的交联，使其形成凝胶结构。11.1%～18.6%脱钙MPC溶液进行钙的回补后，可基本恢复未脱钙时的凝胶结构，37.1%脱钙MPC溶液进行钙的回补后，则无法恢复原状（图8B1～B4、V～VIII）。

　　结 语

　　随着对钙与乳蛋白相互作用的深入研究，针对其功能特性应用于乳品生产中，具有巨大的潜在市场。乳中钙离子含量的高低是获得不同需求乳制品的关键。目前，虽有许多研究报道了钙与乳蛋白的相互作用及其功能特性，但是研究内容较片面。不同乳源所含蛋白质组成不同，其与钙离子的作用机理也不尽相同，由此所产生的功能性质有待进一步的研究。继续开展不同乳源中钙与蛋白质相互作用的研究，根据其不同的功能特性将其应用于功能性乳制品的生产中具有重要实际意义，可为实际生产提供理论支持。

　　本文《钙与乳蛋白的相互作用机制及对其功能特性的影响研究进展》来自于《食品科学》2019年40卷19期340-345页，作者：李向莹，赵烜，秦于思，陈笛，王存芳。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20180927-288。

　　修改/编辑：袁月；责任编辑：张睿梅

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