牛初乳营养组成和功能特性研究进展 韩立华，朱师晨，Mike WEISER，毛学英,*（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，教育部-北京市共建功能乳品重点实验室，北京 100083；2.美国APS生物集团，美国 亚利桑那 菲尼克斯 85034）健康奶牛分娩后3 d内所分泌的乳汁称为牛初乳，3 d后所产乳汁称为成熟乳，初乳与成熟乳的组成成分和含量均存在较大差异，初乳色泽微黄、质地浓稠，乳味浓重并具有特殊的苦味和腥味牛初乳富含免疫球蛋白（immunoglobulins，Igs）、乳铁蛋白、溶菌酶、乳过氧化物酶、低聚糖、抗菌肽和生长因子等多种活性成分[1]，对犊牛的营养代谢、胃肠道生长发育、内分泌功能等均具有重要作用人类食用牛初乳已有上千年历史，古印度人就将牛初乳制成糖果食用[2]；在几百年前，北欧斯卡纳地区利用牛初乳制成初乳布丁或甜品，并一直延续至今；在抗生素出现以前，美国人将牛初乳作为抗病食物使用[3]越来越多的动物和临床试验证明，牛初乳具有增强免疫力、缓解胃肠道不适、抑菌以及修复黏膜等多种生物学活性[4]然而，牛初乳富含的Igs、乳铁蛋白等活性组分热稳定性相对较差，易受杀菌、干燥等生产加工的影响而发生热变性，导致牛初乳功能活性和品质下降[5]。
因此，在加工过程中保持牛初乳活性成分的天然结构和功能至关重要本文重点对牛初乳的营养成分、功能特性和加工稳定性等进行综述，旨在为牛初乳的开发及产业应用提供科学依据1 牛初乳的独特营养特性牛初乳的营养素种类和含量与成熟乳相比存在较大差异，其酪蛋白、乳清蛋白（Igs、乳铁蛋白等）、脂肪、维生素、矿物质、生长因子等含量较高，特别是IgG和乳铁蛋白含量远远高于成熟乳，分别约为成熟乳的75～280 倍和2～250 倍[6]，而乳糖含量相对较低（表1）除乳糖外，牛初乳中的其他营养素均在产犊后前3 d逐渐下降，特别是乳清蛋白含量下降最快，产犊3 d后的乳中乳清蛋白含量接近成熟乳[1]（图1）；此外，如图2所示，牛初乳中Igs、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）和胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor，IGF1）等活性成分的含量也在产犊后3 d内逐渐下降[6-7]牛初乳中大多数维生素含量通常高于成熟乳，尤其是VB2、VB12、VE和VD；牛初乳的必需矿物质如钙、磷、镁、锌含量也高于成熟乳此外，牛初乳的其他活性成分如乳脂肪球膜也随着泌乳期的延长而发生改变。
这些营养素组成和含量的不同使牛初乳较成熟乳具有更多的生物学功能图1 乳成分含量随产犊后时间的变化[8]Fig.1 Changes in the composition of bovine milk after parturition[8]图2 乳中Igs和生长因子含量随产犊后时间的变化[7]Fig.2 Changes in Igs and growth factor constituents of bovine milk with time after parturition[7]表1 牛初乳营养组成及其与成熟乳对比[6]Table 1 Comparison of various nutrients in colostrum and mature milk[6]1.1 牛初乳富含Igs、乳铁蛋白等活性蛋白质牛初乳的蛋白质含量显著高于成熟乳，初乳和成熟乳的蛋白质量分数分别约为15%和3%在蛋白质组成方面，成熟乳的酪蛋白和乳清蛋白分别占总蛋白的80%和20%，而牛初乳的乳清蛋白占比相对较高，酪蛋白和乳清蛋白的比例为40∶60，此比例与人乳更相近[9]，较高的乳清蛋白含量和比例赋予初乳更高的蛋白质消化利用率。
乳清蛋白含有多种功能性蛋白质，是婴幼儿配方乳粉和功能食品的重要原料牛乳中Igs主要包括IgG、IgM、IgA和IgD，成熟乳的Igs质量浓度为0.4～0.9 mg/mL，而初乳中Igs质量浓度则高达42～90 mg/mL其中，IgG1占初乳Igs的75%以上，其次是IgM、IgA和IgG2[1]牛初乳中高含量的Igs能够阻止病原体与宿主细胞的结合、激活免疫T细胞和B细胞以及诱导IgA的产生，不仅能够为机体提供被动免疫，还能调节适应性和先天免疫系统[10]此外，牛初乳Igs的免疫调节功能不局限于犊牛，对人类等其他哺乳动物的病原体同样具有清除作用[10]乳铁蛋白是一种铁结合糖蛋白，具有抗氧化、抗肿瘤、抑菌、提高免疫力以及调节肠道健康和骨骼健康等多种生物活性[11]，这些活性多与乳铁蛋白的N-糖链有关牛初乳的乳铁蛋白质量浓度约为1.5～5.0 mg/mL，其在成熟乳中含量显著下降，约为0.02～0.35 mg/mL[12]；不同泌乳期牛乳中乳铁蛋白的N-糖组学研究结果表明，随着泌乳期延长，乳铁蛋白总N-糖链的种类和含量显著下降，唾液酸化N-糖链α-2,3-和α-2,6-连接异构体的种类也逐渐减少，关于乳铁蛋白糖基化差异所造成的生物学功能差异仍需进一步探究[13]。
骨桥蛋白（osteopontin，OPN）是一种高度磷酸化的酸性糖蛋白，含有RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）和CD44结合位点，具有调节机体免疫、促进神经发育以及改善肠道健康等多种功能人乳中OPN含量较高，与人乳相比，牛成熟乳和婴幼儿配方乳粉中的OPN含量较低，分别约为19 mg/L和9 mg/L[14]在婴幼儿配方乳粉中添加牛乳源OPN可以一定程度缩小其与母乳之间的差距牛初乳中OPN含量更为丰富，约为200 mg/L，而在产后5 d，OPN含量则不足其初始浓度的10%[15]，说明牛初乳是牛乳源OPN的优质来源综上所述，牛初乳乳清蛋白中含有更为丰富的活性蛋白，使其具有更多的生物学功能，是一种优质的功能性乳基料除蛋白组成外，牛初乳和成熟乳的氨基酸组成也存在较大差异牛初乳中含有更高含量的丝氨酸和精氨酸[16]丝氨酸在多种生理进程中均发挥重要作用，如参与核苷酸、蛋白质、神经递质合成以及促进肌肉发育等，并且是细胞膜的重要组成成分[17]；精氨酸则以蛋白质精氨酸甲基化的形式参与蛋白质-RNA、蛋白质-DNA和蛋白质-蛋白质之间的相互作用以及维持蛋白质稳定等[18]富含丝氨酸和精氨酸的蛋白质之间有很强的相互作用，并且参与蛋白激酶的磷酸化和前信使RNA的可变剪接等生理进程[19]。
此外，牛初乳中组氨酸和牛磺酸的含量显著高于成熟乳[14]，组氨酸和牛磺酸不仅参与知觉和信号传输，并且能够促进婴幼儿神经系统发育，因此牛初乳中高含量的组氨酸和牛磺酸可以为婴幼儿的大脑和认知功能发育提供一定的营养支持[20-21]苏氨酸能够促进T淋巴细胞增殖，增强婴幼儿的免疫功能，促进婴幼儿生长牛初乳中苏氨酸含量约为成熟乳的6.9 倍，因此牛初乳中高含量的苏氨酸是其具有良好免疫调节功能的原因之一[16]1.2 牛初乳富含不饱和脂肪酸乳脂肪为新生儿提供约50%的能量和必需脂肪酸，在新生儿的生长发育和代谢过程中发挥重要功能[22]乳脂肪含有400多种脂肪酸，是组成最复杂的天然脂质牛乳中的脂肪酸主要来源于膳食摄入、瘤胃的生物氢化以及乳腺的脂质合成作用，并且随着泌乳期的延长而发生变化牛初乳的脂肪质量分数为5%～7%，显著高于成熟乳此外，不同泌乳期牛乳脂肪的脂肪酸组成存在很大差异牛初乳饱和脂肪酸含量约占总脂肪酸65%～75%，单不饱和脂肪酸约占24%～28%，多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFAs）约占4%～5%[23-24]PUFAs对婴幼儿生长、器官形成和神经发育等均具有重要作用。
牛初乳的亚油酸、二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）、二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）、二十二碳五烯酸、花生四烯酸（arachidonic acid，ARA）以及PUFAs总量均显著高于成熟乳[25-26]DHA、EPA和ARA对于新生儿的大脑发育至关重要，其中DHA是大脑的重要成分之一，约占大脑脂质的60%，是神经元生长必不可少的营养物质[27]，在妊娠期、哺乳期以及婴幼儿时期补充DHA、EPA和ARA能够促进新生儿神经发育、提高认知功能[28-30]n-3 PUFAs可通过调节肠道菌群，增加丙酸盐等短链脂肪酸的产生，增强肠道屏障功能，缓解肠道功能紊乱[31-32]此外，DHA和EPA还能够调节T淋巴细胞功能，促进自然杀伤细胞的生成，调节机体免疫反应[33]因此，牛初乳特殊的脂肪酸组成赋予其维持肠道稳态、促进神经发育、增强免疫等多种生物学功能利用脂质组学技术分析牛初乳和成熟乳的脂质组成，发现两种不同泌乳期的牛乳存在63 种差异脂质，其中牛初乳中有5 种甘油磷脂酰乙醇胺、1 种磷脂酰甘油和15 种甘油三酯的含量显著高于成熟乳；而成熟乳中有1 种双磷脂酰甘油、9 种甘油二酯、2 种甘油磷脂酰胆碱、9 种双己糖神经酰胺、3 种己糖神经酰胺、3 种甘油磷脂酸、12 种磷脂酰乙醇胺和3 种甘油三酯的含量高于牛初乳，这些差异脂质主要与甘油磷脂、鞘脂类和甘油酯类代谢途径有关[34]，而由这些差异脂质所引起的生物学功能差异尚待进一步探究。
1.3 牛初乳是类母乳低聚糖的天然来源母乳低聚糖是天然存在于母乳且含量仅次于乳糖和脂肪的第三大营养素，因具有多种重要的生理功能而受到广泛关注鉴于母乳低聚糖规模化生产限制和法规要求，目前主要将低聚半乳糖和低聚果糖等母乳低聚糖替代品应用于婴幼儿配方食品生产但低聚半乳糖和低聚果糖等母乳低聚糖替代品结构简单，不含有母乳低聚糖特有的岩藻糖和唾液酸结构[35]近年来，牛乳低聚糖因与母乳低聚糖具有相似的结构和功能而引起重视牛乳低聚糖一般由3～15 个单糖通过糖苷键共价连接形成，且70%以上的牛乳低聚糖含有一个或多个酸性唾液酸残基，其中唾液酸乳糖（sialyllactose，SL）和唾液酸乳糖胺（sialyllactosamine，SLN）含量最为丰富[36]牛乳低聚糖可以阻止病原菌对肠上皮细胞的黏附[37]，并为有益菌的生长提供碳源，促进肠道发育、维持肠道健康[38]牛初乳的低聚糖质量浓度约为1 g/L，随着泌乳期的延长而逐渐下降[39]；3’-SL、6’-SL、6’-SLN和二唾液酸乳糖（disialyllactose，DSL）是牛初乳中主要的低聚糖，3’-SL占低聚糖总量的70%[40]牛初乳中3’-SL、6’-SL、6’-SLN和DSL的水平在牛分娩后最高，分别可达681、243、239、201 mg/mL，并在产后48 h迅速下降[41-42]。
因此，牛初乳是牛乳低聚糖的优质来源，开发牛初乳低聚糖模拟母乳低聚糖并应用于配方食品和功能食品，既能够满足对食品营养的需求，还能提高牛乳附加值1.4 牛初乳乳脂肪球膜与成熟乳之间的差异乳脂肪球膜（milk fat globule membrane，MFGM）是包裹在乳脂肪液滴表面，由磷脂和特异性膜蛋白等组成的复杂3 层膜，具有促进神经发育、提高认知能力、增强免疫力、维持肠道健康以及改善糖脂代谢等多种生物学功能[43-44]人乳MFGM和牛乳MFGM具有高度的结构和功能同源性，从牛乳中分离的MFGM已被添加到婴幼儿配方乳粉中，以更好地满足婴幼儿生长发育的健康需求[45]牛乳MFGM的含量和组成受泌乳期、饲料和乳牛健康状况等多种因素影响利用蛋白组学技术比较不同泌乳期牛乳MFGM蛋白种类和功能的差异，发现初乳MFGM的差异蛋白主要涉及半乳糖代谢和脂质形成等通路，而成熟乳MFGM差异蛋白则主要与脂质代谢和过氧化物酶体增殖物激活受体信号通路有关[46]；牛初乳和成熟乳MFGM的N-糖蛋白比较分析结果表明，牛初乳MFGM的免疫相关N-糖蛋白与成熟乳存在显著差异[47]，这与牛初乳较强的免疫调节功能有关。