酪蛋白 酪蛋白
酪蛋白(英文名:Caseins)是一類富含磷和鈣的蛋白質(zhì),哺乳動物奶中最主要的蛋白質(zhì),約占牛奶蛋白質(zhì)的80%,宏觀上是以膠束的形式存在。在常溫常壓下為白色固體或淡黃色粉末,無任何異味,溶于水后形成膠束。酪蛋白主要是由結(jié)構(gòu)性質(zhì)上相似的四種酪蛋白蛋白質(zhì)組成,分別為 ,溶于水后以膠束形式存在。酪蛋白中含有人體必須的8種氨基酸,是一種全價蛋白質(zhì),具有高營養(yǎng)價值。酪蛋白是從牛乳中通過酸法、酶法、酸熱結(jié)合法等方法制備,通過沉淀分離、沉析分離等方法可以進一步分離酪蛋白中的四種蛋白質(zhì)。酪蛋白因其高營養(yǎng)價值和獨特的理化性質(zhì)在食品工業(yè),生物醫(yī)藥工業(yè),制革工業(yè)等均有廣泛的應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)與組成 酪蛋白主要包括一類含磷且結(jié)構(gòu)近似的蛋白質(zhì)構(gòu)成,包括 溶于水形成酪蛋白膠束,這四種組分的一級結(jié)構(gòu)都得到了確認。
酪蛋白組成成分及相對性質(zhì)
α_s1-酪蛋白 于1974年完成一級結(jié)構(gòu)的測試,由199個氨基酸組成,是酪蛋白的主要組成,約50%。 上具有8個磷酸根離子,而這8個磷酸根離子分布的區(qū)域也是該蛋白的親水區(qū)。除此之外,還含有3個很強的 疏水區(qū) 。
α_s2-酪蛋白 由207個氨基酸組成, 電荷量 也是四種蛋白質(zhì)組分中最高的,也是磷酸化程度最高的。 具有2兩個高度磷酸化的區(qū)域,相對的,疏水區(qū)域只有2個,因此是最親水的酪蛋白。
β-酪蛋白 含有209個氨基酸,其含量僅次于 。 含有5個磷酸根離子,是四種酪蛋白中最疏水的。 的形態(tài)受溫度影響較大,在低溫下以單分子存在,在室溫下以膠束存在。
κ-酪蛋白 由169個氨基酸組成,結(jié)構(gòu)上與其他酪蛋白相差較大。 可以穩(wěn)定其他三種酪蛋白, 也可以和其他酪蛋白形成復(fù)合物。
酪蛋白膠束結(jié)構(gòu) 酪蛋白分子上存在親水基、疏水基、電離化基團等,因而大多是以膠束形式存在,膠束是以蛋白質(zhì)為主體,還包含部分小分子物質(zhì)如 磷酸鈣 等,共同構(gòu)成了酪蛋白膠粒。
“套核”模型 1965年首次提出的一種酪蛋白模型。在這個模型的假設(shè)下,膠核是 和 組合而成, 組成外表面的套。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型 內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型認為 是一段一段相連聚合而成, 則結(jié)合在 聚合物上,而 則定向于膠體界面。聚合物和聚合物之間通過小分子物質(zhì)磷酸鈣相互連接。
亞單元模型 亞單元模型認為,酪蛋白膠體是由不同組成的亞單元構(gòu)成,亞單元包含 , 和 。各個亞單元表面的疏水區(qū)相互結(jié)合,親水區(qū)暴露。 但是,磷酸鈣等小分子物質(zhì)對膠體的形成具有重要的影響。因此,亞單元模型經(jīng)過幾次修正,認為各個亞單元之間通過磷酸鈣相連,并且 通過與周圍溶劑作用穩(wěn)定酪蛋白的空間結(jié)構(gòu)。 經(jīng)修正后的亞單元模型
經(jīng)修正后的亞單元模型
理化性質(zhì) 酪蛋白為白色固體或淡黃色粉末,無異味。酪蛋白是一類具有相似結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì),主要包括 等,分子量分別為23600,25150,24000,19000。酪蛋白的平均等電點是4.7。
溶解性 酪蛋白在3.5~4.5的pH時,溶解性很差,pH在5.5以上時,酪蛋白可以溶解90%。
乳化性能 酪蛋白膠束主要是由四種蛋白質(zhì)構(gòu)成,每個蛋白質(zhì)都具有不同的親水性和疏水性的氨基酸片段組成且集中 分布在肽鏈上,因此具有獨特的親水、親油特性,是良好的表面活性劑因此可以作為啤酒和蘋果汁的乳化試劑。
熱穩(wěn)定性 大多數(shù)蛋白質(zhì)受熱會破壞蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)而變性,而酪蛋白加熱到130攝氏度以上才會破壞,因此酪蛋白能夠在120度下高溫滅菌而不破壞其功能。
生理功能 幼小哺乳動物主要依靠乳汁維持生存,乳汁中最主要的成分是酪蛋白,酪蛋白能為機體提供豐富的氨基酸,同時酪蛋白經(jīng)過單一蛋白酶或復(fù)合蛋白酶的水解后,得到天然生物活性的肽片段。生物活性肽,是具有一定生理功能的多肽化合物。
這些生物活性肽包括免疫活性肽、抗血栓活性肽、礦質(zhì)元素結(jié)合肽、酪蛋白糖巨肽等,對人類有豐富的營養(yǎng)價值。免疫活性肽具有多方面的生理功能,它不僅能在免疫調(diào)節(jié)中增強機體的免疫力,還能刺激淋巴細胞和巨噬細胞,提高機體對外界病原物質(zhì)的抵抗能力??寡ɑ钚噪哪芤种艫DP激活的血小板聚合作用,同時還能抑制人血纖維蛋白原與血小板的結(jié)合。礦質(zhì)元素結(jié)合肽在體內(nèi)能與多種礦質(zhì)元素結(jié)合,可以充當(dāng)很多礦質(zhì)元素的載體,促進小腸對礦質(zhì)元素的吸收。酪蛋白糖巨肽可調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng),對傷寒沙門氏菌脂多糖引起的老鼠脾細胞增殖有抑制作用,對激素免疫系統(tǒng)有向上調(diào)節(jié)的作用。除此之外還能夠抑制胃液分泌,促進 雙歧桿菌 生長,抑制流感病毒紅細胞凝集素。
制備方法 工業(yè)上從牛奶中分離酪蛋白組分的分離方法較多主要有主要包括沉淀分離、層析分離、膜分離以及酶法分離等。主要制備過程如下圖所示。將牛奶和緩沖液預(yù)加熱,之后不斷進行攪拌均勻,將懸浮液冷至室溫,離心。棄上清,得酪蛋白粗制品。之后用蒸餾水洗沉淀多次,再次離心,棄上清同時過濾。用 乙醇 - 乙醚 混合液洗沉淀,最后用無水乙醚洗沉淀,干燥后得到酪蛋白。
沉淀分離 沉淀分離法是最常用的分離方法,這種方法依據(jù)酪蛋白在不同溶液的理化性質(zhì),如溶解度、溫度、離子強度等實現(xiàn)分離。這種技術(shù)可以更好地理解酪蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。經(jīng)過發(fā)展,沉淀分離酪蛋白的方法已經(jīng)有使用 尿素 溶液、氯化鈣溶液、尿素-硫酸溶液、乙醇- 硫酸銨 溶液等溶液。 根據(jù)酪蛋白在各濃度的尿素溶液中表現(xiàn)出的顯著溶解度差異,實現(xiàn)了不同組分的酪蛋白不完全分離。
但是僅僅通過這個方法實現(xiàn)的分離效果較差,根據(jù)酪蛋白的四種組分不同的疏水性可以通過改變溫度影響其溶解度進而實現(xiàn)分離效果。而在低溫下,部分酪蛋白在等電點也能溶解,因此可以通過多次酸沉酪蛋白,再加熱到30攝氏度,最終分離出酪蛋白組分。
同時不同的酪蛋白含有的磷酸基團不同,因而對 鈣離子 的敏感程度不同,也可以先在尿素中沉淀后,加入適量的鈣離子,對酪蛋白進行進一步的沉淀分離。 。 以酸沉酪蛋白為原料,利用其能夠溶于含 TCA 的尿素溶液的特性,能夠?qū)⑺c其他的酪蛋白成分分離出來。通過結(jié)合多種沉淀技術(shù),研究者 們已經(jīng)成功地分離和純化了數(shù)種酪蛋白組分。 另外也可以結(jié)合等電點沉淀與尿素沉淀分離出酪蛋白。對尿素沉淀方法進行了改進,從而獲得了更純凈的$$β$$-酪蛋白。在低溫條件下通過調(diào)節(jié)pH值和離子濃度,成功地制備出了富含 的溶液。 是一種獨特的酪蛋白組分,它含有糖基成分,并且在含有TCA的尿素溶液中表現(xiàn)出良好的溶解性。 同時也有一種新的 沉淀分離酪蛋白的方法,是根據(jù)酪蛋白在不同pH值、離子強度和溫度條件下的溶解度來進行分級。這項技術(shù)已經(jīng)被用于50%乙醇溶液中,并且已經(jīng)被證明是有效的。
層析分離 層析分離法不同于沉淀分離法,該方法利用各組分的理化性質(zhì)的差異,其分離原理是利用不同組分在流動相中的溶解度不同,因此受到的力不同,速度也就不同從而實現(xiàn)分離,根據(jù)所用的方法可以分為離子交換層析法、疏水層析法、 吸附層析法 、凝膠過濾法、共價層析法、親和層析法等等。這些技術(shù)可以確定是否分離。
離子交換層析 離子交換層析主要分為 陽離子交換層析 和陰離子交換層析是兩種常用的分析方法,在此,陰離子交換層析在實際應(yīng)用中更為普遍。陰離子交換層析法可以使用DEAE-纖維素和 咪唑 - 鹽酸 緩沖溶液,該方法結(jié)合尿素了和 巰基乙醇 ,可以有效地分離了不同的酪蛋白組分。也可以在該方法上改進,使用兩種中性緩沖溶液,這兩種緩沖液分別含有尿素與巰基乙醇。在提高分離的性能上也可以添加氯化鈉進行梯度洗脫,添加了氯化鈉可以明顯提高流速性能。 由于酪蛋白具有酸性等電點,因此在使用陽離子交換層析時,需要添加高濃度的尿素來提高洗脫時的背景壓力。然而,這種方法并不常見??梢允褂每焖俚鞍踪|(zhì)液相層析技術(shù),成功分離和半制備了酪蛋白組分。
疏水層析 疏水層析的原理類似于反相層析,其通過測量物質(zhì)在鹽-水體系中的疏水性差異,進而實現(xiàn)分離。
可以利用苯基鍵合疏水色譜柱,可以實現(xiàn)對牛奶中的蛋白質(zhì)進行分離。將該樣品在 硫氰酸胍 溶液中處理,并在短時間內(nèi)從高鹽濃度緩沖液線性降低到低鹽緩沖液狀態(tài)。通過這種方法,能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同的蛋白的分離。
吸附層析 羥基磷灰石 吸附層析是一種廣泛應(yīng)用于分離領(lǐng)域的技術(shù),它能夠有效地提取物質(zhì)中的有機物質(zhì)。羥基磷灰石表面的鈣離子能夠與蛋白質(zhì)中的負電荷結(jié)合,而磷酸基團則能夠與正電荷結(jié)合,這兩種結(jié)合方式都可以在化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮作用。顯然,這種分離方式取決于蛋白質(zhì)的電荷狀態(tài)。使用了羥基磷灰石作為洗脫劑,并通過pH=6的尿素溶液進行處理。 的磷酸基團含量較少,因此它與羥基磷灰石的結(jié)合能力較弱,容易被洗脫。相反, 和 會被保留在柱中,并且可以通過使用 磷酸緩沖液 梯度洗脫來分離它們。
凝膠過濾層析 凝膠過濾層析通過測量樣品中各組分分子量的差異,從而實現(xiàn)分離。在未添加還原劑的情況下,使用以 鍵相連形成的聚合體,能夠分離出與其他酪蛋白組分分子量不同的物質(zhì)。此聚合體具有相對較大的分子量,因此能夠在 外水體積 中被洗脫并分離。通過這種方法,能夠地分離出了各酪蛋白組分。在對此方法進行改進后,使用了磷酸鹽作為洗脫緩沖液,對酪蛋白進行凝膠柱層析。這樣不僅能夠避免 SDS 洗脫后除去它的困難,還可以提高洗脫流速。
共價層析 通過在層析介質(zhì)中形成共價鍵,共價層析技術(shù)可以有效地將物質(zhì)分離。其中的一種共價層析方法是利用 硫醇 -Sepharose4Β進行共價層析。硫醇-Sephrose4Β中含有2-嘧啶二硫基團,它能夠與 半胱氨酸 結(jié)合,并將其吸附到柱子上。相反, 不含半胱氨酸,因此會被洗脫掉。通過使用這種方法,可以有效地分離山羊酪蛋白中的半胱氨酸殘留物,并解決其他類似問題
親和層析 親和層析利用生物大分子與某些物質(zhì)之間的特殊結(jié)合,以此來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。例如, 是一種獨特的酪蛋白組分,它含有糖基成分。通過親和層析技術(shù)對馬酪蛋白進行了研究后發(fā)現(xiàn),該技術(shù)利用了糖基與含 麥胚凝集素 的層析介質(zhì)發(fā)生的特異性結(jié)合,將馬酪蛋白牢牢吸附在柱上。在此之后,通過使用 N-乙酰氨基葡萄糖 的緩沖液,可以將 洗脫出來,如此便實現(xiàn)了與其他酪蛋白成分的分離。
酶法分離 酪蛋白膠束穩(wěn)定的關(guān)鍵因素是 的穩(wěn)定作用,它能夠有效防止酪蛋白膠束的凝聚。因此,通過使用酶可以特異性水解 ,從而使其失去保護作用,使得各蛋白能夠被分離。
膜分離 未受熱時以單體形式存在,但隨著溫度的升高它會逐漸變成聚合物。這種聚合物與原膠束的直徑存在明顯差異,因此可以利用這種直徑差異來使用膜分離技術(shù)進行分離。膜技術(shù)主要方法包括超濾、微濾和親和膜過濾。
其它分離方法 如 濁點萃取法 是一種新興的液-液萃取技術(shù),它能夠有效地提取物質(zhì)中的懸浮物,同時不會對環(huán)境造成污染。這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,并取得了良好的效果
應(yīng)用領(lǐng)域
食品工業(yè) 酪蛋白是牛乳中含量最高的蛋白質(zhì),是高營養(yǎng)的全價蛋白質(zhì),它不僅能夠提供營養(yǎng)物質(zhì)而且還可以促進鈣磷的吸收。酪蛋白可以增加肉制品的風(fēng)味,保證營養(yǎng)的同時調(diào)節(jié)口味,是良好的添加物。在烘焙食品中也可以加入酪蛋白及酪蛋白產(chǎn)品增加營養(yǎng)。牛奶中含有一種蛋白叫酪蛋白。當(dāng)牛奶中的酪蛋白與醋混合在一起時,就會凝結(jié)。在牛奶中形成的塊狀物就是凝乳,即為奶酪。
生物醫(yī)藥工業(yè) 酪蛋白及其加工產(chǎn)品不僅具有豐富的營養(yǎng)成分,還是生物活性肽的重要來源。生物活性肽是一類具有獨特藥理和生理作用的化合物,它們能夠在許多不同的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。它通常存在于蛋白質(zhì)的長鏈分子中,但是當(dāng)它被適當(dāng)?shù)牡鞍酌杆夂?,它的活性會迅速釋放。酪蛋白是研究最多的活性肽來源之一,其他來源的活性肽也?a class="dict" href="/azsoft/x2761371.html">到了 廣泛關(guān)注。通過使用不同類型的蛋白酶,可以從酪蛋白中提取出大量的生物活性肽。從酪蛋白中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種具備各種重要生理功能的活性肽。這些活性肽及其生理功能的發(fā)現(xiàn)為研發(fā)功能性食品和新藥提供了新資源。
制革工業(yè) 在制革中,酪蛋白也是應(yīng)用最廣泛的成膜劑之一,其長期以來,在制革工業(yè)中,特別是在皮革涂飾方面,都占有極其重要的地位。在 全粒面革 與 苯胺革 的熨平涂飾和打光涂飾中它都發(fā)揮著尤其重要的作用。酪蛋白成膜劑粘著力很強,與革面所形成的涂層具有牢固透亮、粒紋清晰、真皮感強、耐高溫的優(yōu)點,并且可以保持天然皮革的透水性與透氣性。但其缺點在于涂層容易發(fā)硬、較易泛黃、不耐濕擦、延展性較差、有時易產(chǎn)生裂漿等。除此之外,因為酪蛋白光亮劑以水為介質(zhì),在使用上安全方便,所以在高檔皮革的制造中有難以撼動的地位。
造紙和木材加工領(lǐng)域 酪蛋白膠同時還是一種新型的環(huán)保高分子粘合劑,它沒有濃烈的氣味和毒性、有強黏結(jié)力、能快速固化、初粘性很高等特點。目前酪蛋白粘合劑主要有三類:無 石灰 酪蛋白膠、酪蛋白共混膠、耐水酪蛋白-石灰膠。對于第一種基本用于鋁箔紙的層壓、標(biāo)簽糊與其他紙類和非紙材的粘接。而后兩類則主要應(yīng)用于木材加工行業(yè)。而且在受力較大的木制結(jié)構(gòu)中,酪蛋白膠更是大受使用。
建筑領(lǐng)域 在 乳膠漆 、床上用品、 自流平水泥 的制作中,酪蛋白是不可或缺的材料。用堿中和酪蛋白之后,能得到酪蛋白金屬鹽,它有非常多的優(yōu)點,應(yīng)用范圍十分廣泛。它們是水溶性酪蛋白涂料的主要化學(xué)成分,具備生物降解塑料的優(yōu)質(zhì)環(huán)保性能。從某種角度來說,對于追求天然產(chǎn)品和可生物降解特性的商家和消費者來說,酪蛋白產(chǎn)品是一種很好的品質(zhì)選擇 。此外,酪蛋白還可用來充當(dāng)自流平水泥作床層。裝修過程中,酪蛋白可以獲得水平的金屬表面。同時有多種酪蛋白所需的材料,其還具備優(yōu)良的自愈物理性能,在所需材料上鉆孔后,因為酪蛋白的作用,孔以最快的速度閉合,并逐漸形成光滑平整的金屬表面。幾十年來,這種獨特的品質(zhì)和性能使酪蛋白成為建筑領(lǐng)域各方面性價比最高的產(chǎn)品。
紡織領(lǐng)域 再生蛋白纖維Chinon是目前世界上唯一工業(yè)化開發(fā)的酪蛋白植物纖維。這是繼第二代化纖之后的新型高效第四代植物纖維。它的強度高于棉、絲,現(xiàn)在已經(jīng)接近 滌綸纖維 ,特別是吸水后,仍保持很高的強度,濕強度甚至比天然纖維高很多,并且在防霉、防蛀質(zhì)量和性能方面也優(yōu)于滌綸纖維。此外,它還具備很強的天然植物殺菌抑菌功能。
其它方面 凝乳酶干酪素與甲醛溶液聚合得到一種暗紅色或淡黃色,幾乎透明到不透明的高分子化合物,這就是酪蛋白塑料。其外型酷似象牙,使其常被用作高檔建筑裝飾材料。此外,用酪蛋白做拉鏈頭在中國古代也有悠久的歷史。以光滑性、亮麗、手感飽滿而著稱。酪蛋白塑料還能夠用來代替牛角等天然植物所需的材料,常用于制作刀鞘、手縫線、市政 自來水筆 、金屬針扣等生活用品。
安全事宜
過敏反應(yīng) 酪蛋白作為全價蛋白質(zhì),但同時酪蛋白也是牛奶主要的過敏原,可能會對一部分的人造成過敏反應(yīng),對兒童的健康影響較大。牛奶引起的過敏有四種類型,分別為Ⅰ型超敏反應(yīng)、Ⅱ型過敏反應(yīng)、Ⅲ型過敏反應(yīng)、Ⅳ型過敏反應(yīng)。可以通過加熱處理降低蛋白質(zhì)的致敏性、通過水解破壞蛋白質(zhì)的三維 結(jié)構(gòu)降低致敏性、也可以通過發(fā)酵等方式降低致敏性同時引入 益生菌 。