第三节 蛋白质

一、氨基酸、多肽与蛋白质

蛋白质是人体的三大宏量营养素之一，在维持正常生命活动中起着重要作用。氨基酸是多肽和蛋白质的基本组成单位。氨基酸以肽键的方式连接构成多肽，一条多肽链包含几个、几百个甚至上千个氨基酸，一条或几条多肽链经过折叠而形成的具有一定立体结构的复杂的大分子物质，就是蛋白质。氨基酸残基靠—CO—NH—键连接，形成含多达几百个氨基酸残基的多肽链。—CO—NH—键具有部分双键性质，因此，蛋白质的结构复杂，不同蛋白质功能各异。

不同蛋白质的生物功能和特性除了取决于肽链的组成和结构，还与蛋白质的空间结构相关。蛋白质的空间结构分为四级，见表2-8。

根据蛋白质中必需氨基酸的组成和含量，蛋白质可分为以下几类，见表2-9。

组成人体的20种氨基酸，均属于L-α-氨基酸。根据解离后化学性质，可分为3大类，见表2-10；从营养学角度，则分为两大分类，见表2-11。

了解蛋白质营养学分类及人体必需氨基酸的种类，有助于我们研发产品组方过程中，重视蛋白质的选择，促进生长、维持健康的完全蛋白质作为优质蛋白在组方中要占到一定比重，尤其对于生长发育期的儿童。如果因为其他功能原因选择了不完全蛋白质，需要考虑添加其所缺乏的限制氨基酸进行互补。掌握常用氨基酸的化学性质，为了保持含氨基酸配方液态产品或固体配方粉冲调后色泽稳定，在工艺上需要注意原料配伍，防治发生美拉德反应，出现外观上巨大变化。

二、蛋白质的消化、吸收及代谢

（一）蛋白质的消化吸收

人体口腔中没有水解蛋白质的酶类，食物蛋白质的消化从胃开始，主要在小肠进行。传统营养学观点，认为蛋白质在消化道一系列酶作用下，被依次分解为多肽、寡肽，最终降解为氨基酸被人体吸收利用，见图2-1。食物蛋白质消化后可消除其抗原性，避免过敏反应，是人体氨基酸的主要来源。

（二）短肽和氨基酸的吸收

传统的观点认为，分子越小越容易被吸收，所以氨基酸比肽更容易吸收。但研究发现，肽具有很强的活性，一些小分子质量的肽要远比同浓度下的某些游离氨基酸更容易吸收，而且可以不经消化而被肠黏膜直接吸收，吸收率约提高2～2.5倍。关于肽在小肠内的吸收机制，目前已经鉴定的主要有3种，包括PepT1载体调节吸收转运（PepT1-mediated transport）、细 胞 旁 路 转 运（Paracellular transport）和 转 胞 吞 作 用（Transcytosis），见图2-2。

（1）PepT1载体调节吸收转运 在小肠内二肽、三肽以及一些肽类药物都是通过PepT1载体调节进行主动吸收的。PepT1载体需要氢离子协同转运，对底物具有一定的选择性。这种方式能够识别并转运超过8000种不同的小肽。

（2）细胞旁路转运 细胞旁路转运是通过小肠上皮细胞间的紧密连接进行物质吸收转运的过程，不需要消耗能量，其底物通常为水溶性小肽。所以肽分子大小是影响其通过细胞旁路进行吸收最主要的因素。

（3）转胞吞作用 在小肠内，大部分的大分子蛋白质及一些片段则需要通过转胞吞作用进行吸收。

细胞旁路转运受许多因素的影响，包括肽本身的结构和性质。转胞吞作用主要包括3个步骤：细胞膜表面的内吞作用、细胞内运输以及胞外分泌。通过转胞吞作用进行吸收时，首先需要被吸收物质与细胞膜表面相互作用，因此，吸收底物的结构性质对转胞吞作用有重要的影响。

随着研究的深入，肽的营养价值逐渐被很多实验证实，同时肽在吸收利用上的优势也逐渐被人们认可。

（三）蛋白质的代谢

传统营养理论认为，食物中的蛋白质经消化吸收的氨基酸与机体内组织的蛋白质降解产生的氨基酸混在一起，分布于机体各组织器官，共同参与代谢，构成了人体内的氨基酸池。氨基酸池一般以游离氨基酸总量来计算，而代谢库中的游离氨基酸也是各种组织细胞氨基酸的唯一来源。

在人体内，氨基酸的主要功能是合成各种蛋白质和肽，也可以转变为其他含氮物质。氨基酸的共同代谢途径就是脱氨基作用以及由此产生的α-酮酸的代谢。但由于不同氨基酸具有不同的结构特点，也各有其不同的代谢方式。

血液循环中的肽类主要来自食物蛋白的消化吸收、体内蛋白质的分解、机体自身合成（脑咖肽、激素等）和外源性静脉注射等。研究证实，这些小肽能够被多种组织直接有效利用。生物活性肽在体内的含量非常之少，但具有重要作用，主要生理功能有类吗啡样活性、激素和调节激素的作用。外源性活性肽可用于改善营养素吸收和矿物质运输、促进生长、调节免疫力等。

到目前为止，有关肽和氨基酸在组织中代谢利用的生理机制以及控制其代谢的有关因素尚未能完全清楚，相关理论有待进一步发展。

三、特殊医学用途配方食品中的蛋白质种类与来源

（一）常用蛋白质

1.乳蛋白

乳蛋白是乳中最重要营养成分，含量约为3.0%～3.7%，主要有酪蛋白和乳清蛋白，在人体内的消化吸收率达97%～98%。牛乳中的蛋白质主要由酪蛋白（CAS）和乳清蛋白（WP）两大部分组成，在20℃，pH 4.6条件下，牛乳中沉淀下来的蛋白质就是酪蛋白，约占80%；剩余的溶解于乳清的蛋白质均称为乳清蛋白，约占20%。

（1）酪蛋白的组成、来源及其功能特性 牛乳中酪蛋白是几种蛋白质的复合体，见表2-12。

酪蛋白的主要生产工艺流程如图2-3所示。

乳中酪蛋白大部分以胶体球形颗粒形式存在，平均粒径约为100nm，粒径分布为30～300nm，此外约有10%～20%的酪蛋白以溶解或非胶粒形式存在于乳中。酪蛋白胶粒是由αs-CN、β-CN和κ-CN构成，其中αs-CN和β-CN可通过定量结合形成热稳定性强、大小一致的胶粒内核，而κ-CN排列在内核的表面形成“壳保护颗粒”，倘若没有κ-CN，其他酪蛋白和钙离子的复合物便会形成沉淀。

酪蛋白胶体中含有钙和磷酸盐，同时酪蛋白中含有人体必需的8种氨基酸，是一种完全蛋白质，因此，对于人体来说酪蛋白既是必需氨基酸的来源，也是钙和磷的重要来源。目前，酪蛋白在食品工业中已经有广泛应用。

（2）乳清蛋白的组成、来源及其功能特性 乳清经超滤后再经喷雾干燥得到的粉末产品即为乳清蛋白粉。乳清蛋白中含有α-乳白蛋白、β-乳球蛋白、牛血清白蛋白（BSA）、免疫球蛋白（Ig）和脂肪球膜蛋白等蛋白种类，以上五类蛋白占总蛋白的比例分别为3.7%，9.8%，0.9%，2.1%，1.2%。

乳清蛋白是一种优质蛋白，其赖氨酸、色氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸含量均高于酪蛋白。此外，乳清蛋白在胃酸作用下形成较小的乳凝块，溶解度高，因此在胃中排空速度较快，这种特性大大提高了乳清蛋白在肠道的吸收速率。因此乳清蛋白的利用率和生物价均高于酪蛋白。

在功能性食品中，常用的乳清蛋白种类一般为三种，即浓缩乳清蛋白（WPC）、分离乳清蛋白（WPI）和水解乳清蛋白（WPH）。乳清经过处理之后，首先得到的是WPC，其蛋白质含量一般在35%～85%。WPC进一步分离纯化得到的是WPI，蛋白质含量一般在85%～90%。WPC或者WPI进一步水解、纯化得到的就是WPH，其蛋白质含量一般在95%以上。具体的生产工艺流程如图2-4所示。

乳清蛋白的蛋白质含量范围在34%～92%，常用其蛋白含量占总固形物的百分比大小来区分等级。不同蛋白含量的浓缩乳清蛋白的典型成分见表2-13。

研究发现，乳清蛋白除作为优质的蛋白质来源外，它含有的多种活性成分对机体的糖代谢、脂质代谢、非特异性防御屏障等方面都有积极作用。另外，乳清蛋白中含有丰富亮氨酸有利于增加肌肉组织，减少脂肪合成。研究表明，乳清蛋白中的乳铁蛋白、α-乳清蛋白、免疫球蛋白还具有抗菌、抗病毒、免疫调节等多种生物学活性功效。

2.大豆分离蛋白

大豆分离蛋白（SPI）是以生产大豆油脂产生的副产品——低变性脱脂大豆粕为原料，应用现代食品工程技术分离得到的。大豆分离蛋白属于完全蛋白质，是植物蛋白中的优质蛋白之一。同时，它还是优良的食品加工助剂，具有溶解性、分散性、凝胶性、持水性、持油性、乳化性、起泡性、成膜性等食品加工特性。大豆分离蛋白作为食品加工助剂细分为80多种类型，广泛应用在肉制品、乳制品、饮品、糖果、方便食品、冷冻食品等多种食品中，符合多样的市场需求。

大豆分离蛋白的蛋白质含量一般在90%以上。国内外企业生产大豆分离蛋白普遍采用碱溶酸沉法，也有部分企业使用超滤膜法和离子交换法。碱溶酸沉提取大豆分离蛋白工艺的主要步骤包括粉碎、碱液浸提、酸沉、中和、杀菌和喷雾干燥。实际生产中，这些步骤根据设备的不同可以实现自动化或半自动化流水作业。各个步骤在生产时都有明确的参数和操作要求。生产工艺流程如图2-5所示。

（二）常用水解蛋白

蛋白质在酸性、碱性、酶等条件下会发生水解，由于水解程度和断键位置不同，生成不同分子质量的肽及氨基酸，这个过程称为蛋白质的水解，其生成的产物称为肽或者称为水解蛋白。水解蛋白一般为不同分子质量肽链（和氨基酸）的混合物，通过控制工艺可以将大部分的分子控制在某一个特定的分子质量范围。蛋白质在水解过程中，肽键被裂解的程度或百分比称为蛋白质的水解度。如常见的水解乳清蛋白的水解度一般在5～30。

1.水解乳清蛋白

水解乳清蛋白（WPH）是乳清蛋白经水解的产物，目前国内外生产水解乳清蛋白最普遍的是酶解法。酶解法制备水解乳清蛋白成本相对较低，而且安全性高，生产条件温和易控制，适合大规模批量生产，通过条件控制可定位生产出不同水解度的蛋白产品。

同其他蛋白质一样，乳清蛋白主要在肠道进行消化和吸收。水解乳清蛋白中的蛋白质主要以短肽形式存在，在肠道中经过初步酶解后，具有肽类的快速吸收的特性，更适合于胃肠道功能降低，需快速提供能量和蛋白质的病人。

2.水解胶原蛋白

胶原蛋白不含有色氨酸、半胱氨酸和酪氨酸，而甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸的含量较为丰富，属于不完全蛋白质，不可作为特殊医学用途配方食品中主要来源。胶原蛋白是机体结缔组织中重要的结构蛋白质，广泛分布于人体各组织器官（表2-14），起着支撑器官、保护机体的作用。

工业化制备的胶原蛋白通常是通过水解工艺生产而成的，原料通常来自于鱼皮、猪皮、牛皮、牛骨、鸡胸软骨等，因此水解胶原蛋白就是一种改性的天然产品，不但去除了原料中不好的腥味，而且增加了其溶解性、流动性等应用方面的特性。

胶原蛋白具有多种生理功能，能增加皮肤组织的持水能力，增强和维持肌肤的弹性和韧性，延缓肌肤的衰老，还可以促进伤口愈合，维持关节健康等。常作为功能性蛋白加入特医食品中。

（三）常用氨基酸

1.支链氨基酸（BCAA）

支链氨基酸包括亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸三种，BCAA是人体中唯一无需经过肝脏代谢的氨基酸，其主要代谢场所是骨骼肌，约占骨骼肌蛋白质的必需氨基酸的三分之一，为外周组织供能。支链氨基酸的作用主要体现在如下两个方面。

（1）在手术、创伤、感染治疗中的作用 手术、创伤、感染，甚至饥饿情况下，支链氨基酸通过骨骼肌氧化给肌肉葡萄糖-丙氨酸循环和肌肉谷氨酰胺的合成提供能量和氮源。近年研究发现，支链氨基酸具有调节器的功能。在骨骼肌中，亮氨酸通过抑制蛋白质降解和促进蛋白质合成而起到蛋白质周转率的调节器作用。进一步研究发现，亮氨酸在其中起着主要作用，其可使骨骼肌蛋白质合成率提高50%，同时分解率降低25%。亮氨酸抑制蛋白质分解的主要机制是其代谢产物α-酮戊己酸促进胰岛素分泌，同时抑制胰高血糖素分泌，从而抑制糖异生作用，减缓了肌肉蛋白分解。一般认为，创伤后支链氨基酸水平降低，并与创伤死亡率密切相关，故应选择富含支链氨基酸的配方。同时，因为亮氨酸对蛋白质合成的促进作用，亮氨酸常用于增肌的运动食品和减缓肌肉衰减的老年食品中。

（2）在肝性脑病的治疗中的作用 正常人血中支链氨基酸与芳香族氨基酸（苯丙氨酸和酪氨酸）的比值为3.0～3.5。严重肝脏疾病晚期的病人，肝脏功能严重受损，胰岛素和胰高血糖素的降解率降低，因而它们在血中浓度均有升高。同时因为胰高血糖素升高的更为明显，导致胰岛素/胰高血糖素比值下降，从而出现体内分解代谢大于合成代谢。在这种情况下，大量芳香族氨基酸从肌肉和肝脏的蛋白质中分解出来。此时又由于受损伤的肝脏将芳香族氨基酸转化为糖（糖异生作用）的能力降低，于是血液中芳香族氨基酸的比例升高，严重时可使支链氨基酸与芳香族氨基酸比例下降到1.0～1.2。

支链氨基酸与芳香族氨基酸都属于中性氨基酸，由相同载体转运通过血脑屏障，故存在拮抗作用。因芳香族氨基酸比例高而竞先进入脑内，然后在芳香族氨基酸脱羧酶的作用下，生成羟苯乙醇胺和苯乙醇胺，其化学结构与神经递质去甲肾上腺素和多巴胺相似，但传递信息的生理功效却远弱于去甲肾上腺素，所以这两种物质又称为假性神经递质。虽然如此，这两种物质的产生还是会造成网状结构上行激活系统功能失常，从而出现至大脑皮质的兴奋冲动受阻，以至于大脑功能发生抑制，出现意识障碍甚至昏迷（即肝昏迷）。所以临床上常用支链氨基酸的注射液治疗肝昏迷。

2.精氨酸

精氨酸为条件必需氨基酸，通过参与蛋白质、肌酐及多胺的合成，在维持正氮平衡、循环调节、机体激素分泌、免疫调控、肠黏膜屏障维护及肿瘤代谢方面发挥着重要作用。另外，精氨酸是婴儿的必需氨基酸，长期缺乏精氨酸必然影响其生长发育。

精氨酸在体内有两个直接代谢途径，如图2-6所示。

我国1999年批准精氨酸作为药品使用，特别是在手术、创伤、烧伤等病人中取得了较好的疗效。多中心临床研究显示，一定剂量的精氨酸可显著降低住院患者的感染率和病死率，同时可缩短住院时间。一般说来，对于中等程度的创伤、手术或烧伤病人可以使用精氨酸，但对于严重感染、脓毒血症等病人则不建议使用。另外，研究发现，精氨酸的功能作用与剂量相关，而且在机体炎性反应和免疫功能的调节上具有双向作用。较低剂量的精氨酸可以降低血小板黏附、改善组织供血、促进蛋白质合成及创面修复、抑制炎性反应。高剂量的精氨酸在刺激机体免疫细胞活动的同时，也会诱导产生大量炎性介质和自由基，从而放大炎性反应，并加重组织损伤。另外也有Meta分析认为，精氨酸强化的营养治疗可以部分改善患者的病情，但是有增加死亡率的风险。

我国GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》规定，L-精氨酸为允许使用的食品用香精，按生产需要适量使用。

3.谷氨酰胺

谷氨酸为非必需氨基酸，血浆中含量最高的氨基酸，可占到血浆中自由氨基酸的20%。其可由谷氨酸和铵离子通过谷氨酰胺合成酶的酰胺化作用形成，同时也可由葡萄糖代谢产生的α-酮戊二酸通过转氨化作用和酰胺化作用而产生。谷氨酰胺主要存储于骨骼肌，同时也存在于肺部和脑部。而肠道和肝脏，尤其是小肠是谷氨酰胺的主要消耗器官，肾脏主要利用谷氨酰胺来维持酸碱平衡。

谷氨酰胺的主要生理功能主要有如下几方面：①增加机体蛋白质的合成；②防止或减少肌肉组织分解；③是小肠细胞的首要供能物质，是结肠细胞的第二供能物质，可协助水、钠在小肠的运转；④促进胰腺细胞的生长；⑤维持和促进谷胱甘肽的活性功能；⑥是免疫细胞增殖的必需成分；⑦具有抗忧郁的作用；⑧促进伤口愈合。

4.牛磺酸

牛磺酸是一种人体必需的含硫非蛋白氨基酸，是半胱氨酸经脱羧基并将硫氧化为磺酸根而衍生的一种β-氨基酸，化学名为2-氨基乙磺酸。牛磺酸在体内可由甲硫氨酸、胱氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸经半胱亚磺酸脱酸酶生成亚牛磺酸，再经氧化生成牛磺酸；维生素B₆与半胱亚磺酸脱酸酶活性密切相关，新生儿体内半胱亚磺酸脱酸酶的活性低于成年人。

牛磺酸主要以游离氨基酸的形式存在，约占人体游离氨基酸总量的50%，广泛分布于人体的各组织器官中，其中以神经、肌肉和腺体中含量最高。

大量研究表明，牛磺酸具有多种生理和生物学功效。包括结合胆汁酸、抗氧化作用、促进脑细胞发育、提高神经传导和视觉功能、调节细胞内钙的稳态、增强免疫力等作用。牛磺酸还可改善再灌注心脏的低功能状态，减少心律失常的发生，增强细胞膜的稳定性。

牛磺酸缺乏对机体的视觉、中枢神经系统和心血管系统均会产生不利影响，表现在幼儿生长发育迟缓；光感受器退化，使光传导功能受到抑制，导致视觉障碍；影响神经细胞的正常生长发育；牛磺酸缺乏性心力衰竭等。

我国居民膳食指南尚无成人推荐用量及可耐受最高摄入量标准。研究发现，不挑食人群从饮食中摄入的牛磺酸在9～400mg/d。世界各国人均年消费牛磺酸的量：日本60g，美国50g，英国34g，德国32g，我国不足0.2g。

我国于1993年批准牛磺酸为食品添加剂婴幼儿食品强化剂。GB 14880—2012《食品安全国家标准 食品营养强化剂使用标准》规定，允许在乳制品及豆粉制品和饮料等食品中使用。GB 29922—2013《食品安全国家标准 特殊医学用途配方食品通则》规定，允许牛磺酸作为可选择性成分在特殊医学用途全营养配方食品中使用。牛磺酸可作为营养强化剂用于多种食品（调制乳粉、豆粉、豆浆粉、豆浆、含乳饮料、特殊用途饮料、风味饮料、固体饮料类、果冻），也可作为选择性成分在特殊医学用途全营养配方食品中使用。

（四）常用蛋白质氨基酸评分

常用蛋白质氨基酸评分如表2-15所示。

四、蛋白质的临床应用

蛋白质在医用食品中的主要临床应用情况如表2-16及表2-17所示。