牦牛(Bos grunniens)是世界最著名的牛种之一,我国作为牦牛的主产国,现有牦牛约1 330万头,占世界牦牛总量的90%以上,主要分布在以青藏高原为中心的青海、西藏、四川、甘肃、新疆和云南等省、自治区的高山地带[1]。根据《中国家畜家禽品种志》,目前我国有12个官方认可的家养牦牛品种,包括四川的九龙牦牛、麦瓦牦牛，甘肃的天祝白牦牛、甘南牦牛，西藏的八里牦牛、嘉里(高山)牦牛、四步牦牛，青海的环湖牦牛、高原牦牛、长毛额牦牛、新疆的霸州牦牛以及云南的中甸牦牛[2]。
牦牛是当地牧民最主要的经济来源和生活支柱,与当地的文化、宗教、社会生活紧密相连。相对于其他牦牛产品,牦牛乳是最具经济价值的,可占当地牧民总收入的60%。但由于技术和设备的限制,牧民们只能对牦牛乳进行初步的加工利用,例如制作成酸乳、酥油、曲拉、奶茶等传统牦牛乳制品,产品质量参差不齐,资源浪费严重。目前,牦牛乳约占我国牛乳消费量的15%,与普通牛乳、羊乳等相比,其深加工程度不高、商品化率低,消费者认知度弱,对牦牛乳研究和利用尚不够深入,还需进一步加大开发力度。本文介绍了牦牛乳独特的营养价值,以干酪素、发酵乳制品、生物活性肽和婴幼儿配方奶粉等具有代表性牦牛乳制品为例,分析了其市场前景及产品开发中亟需解决的问题,旨在为从事牦牛乳营养成分基础研究的科研人员和牦牛乳制品开发人员提供参考。
1 牦牛乳的营养价值
牦牛生活在污染较少的高原地带,野生或半野生的生存方式使得牦牛乳具有纯净、天然、无污染的生态品质。与其他牛种一样,牦牛也是季节性繁殖生产,牦牛的产奶期在每年6～9月,每头泌乳量在150～500 kg,乳中各成分的含量随牧草和气候发生动态变化,同时也受牦牛的品种、年龄、胎次、身体状况以及饲养面积、挤奶时间、挤奶方法等因素的影响[3]。但与普通的荷斯坦牛乳相比,牦牛乳具有高蛋白质、高乳脂率和高矿物质含量的特点,营养物质丰富且易被人体消化吸收[4]。牦牛乳与荷斯坦牛乳、羊乳和母乳主要营养成分的差异见表1。
表1 不同乳源乳成分比较
Table 1 Comparation of composition in different milk
项目牦牛乳荷斯坦牛乳羊乳母乳总干物质/%17.0～18.01211.112.4蛋白质/%4.6～5.83.41.51.3脂肪/%5.3～8.83.43.53.4碳水化合物/%3.0～5.54.85.47.4钙/(mg·100g-1)198～2271148230磷/(mg·100g-1)154～1701039813钙∶磷1.5～1.11.10.832.3
注：母乳和羊乳的数据来自《中国食物营养成分表》标准版第6版
牦牛乳为当地牧民和乳品加工企业提供了丰富的优质乳蛋白质资源。牦牛乳中含有17%～18% 乳干物质,其中蛋白质含量在4.6%～5.8%。LI等[5]发现了牦牛乳蛋白在加热温度140 ℃,pH 6.8左右时热稳定性达到最大值,当pH<6.4以及 pH>7.0时,热稳定性最低；当远离变性温度140 ℃ 时,牦牛乳酪蛋白具有良好的功能特性。因此牦牛乳蛋白具有较宽pH范围的热稳定性,这利于牦牛乳后续热处理、杀菌等加工工艺的进行。牦牛乳酪蛋白约占总蛋白质的76%,是普通牛乳的1.5倍,母乳的11倍左右；其中β-酪蛋白(β-casein,β-CN)在总酪蛋白中的占比最大,在45%左右[6-7]。牛乳中的β-CN主要分为A1型和A2 型,相应的,将含有A1和A2 型 β-CN 的乳分别称为A1型乳和A2型乳。研究表明,人体消化A1型 β-CN后可生成β-酪啡肽-7(β-casomorphin-7,β-BCM-7),而A2 型β-CN则不会产生,β-BCM-7可能干扰人体正常代谢,增加婴儿患I型糖尿病的风险,还可能影响免疫系统和心血管系统发育,引起消化和呼吸功能性障碍[8-9]。罗卉卉等[10]对麦洼牦牛和九龙牦牛基因型进行分析,发现A2 等位基因占明显优势,达90%以上,所以牦牛乳是A2 型β-CN高占比的A2型奶源。目前,人类无区别饲养的条件下使得全球奶牛普遍携带A1突变基因,导致全球的奶源大部分为A1型,因此A2型奶源显得更为珍稀。此外,牦牛乳蛋白质中含有人体必需氨基酸含量比普通牛乳高约45%,其中婴幼儿生长发育所必需的组氨酸含量也高于普通牛乳[6]；牦牛乳中骨桥蛋白含量丰富,它可以参与组织修复和自身代谢,对婴儿早期的免疫及大脑发育十分重要。母乳中的骨桥蛋白含量远高于牛乳及以牛乳为基质的普通配方奶粉。因此人工喂养儿可能需要额外的骨桥蛋白补充,而牦牛乳蛋白可作为骨桥蛋白生产的新资源[11]。
脂肪是牦牛在低温环境下生存的关键能量助推器。牦牛乳的脂肪含量在5.3%～8.8%,几乎是普通牛乳的2倍；胆固醇和鞘磷脂含量也均高于普通牛乳[12-13]。牦牛乳脂肪中脂肪酸种类丰富,其中支链脂肪酸(branched chain fatty acid,BCFA)含量占总脂肪酸的3%～6%。BCFA可以降低新生大鼠模型中的坏死性小肠结肠炎的发生率,对T细胞非霍奇金淋巴瘤细胞株具有抗肿瘤作用并且可调节胚胎后发育,因此提高居民膳食中BCFA的摄入量具有重要意义,据调查,牦牛乳消费者的BCFA摄入量在世界范围内都处于较高水平[14]。牦牛乳还含有共轭亚油酸、二十碳五烯酸、二十二碳五烯酸和二十二碳六烯酸等功能性脂肪酸,可提高神经系统活性、防治心脑血管疾病和癌症等,同时牦牛乳还具有抗炎症、抗氧化、抗缺氧及抗疲劳等特殊的生理功能[15-16]。牦牛乳脂肪球的平均大小明显大于牛乳(牦牛乳4.39 μm,普通牛乳3.87 μm),较大的脂肪球和比表面积使其含有丰富的乳脂肪球膜。据报道牦牛乳的脂肪球膜蛋白具有明显的降血脂作用,而普通牛乳的脂肪球膜蛋白可促进葡萄糖的摄取[17]。牦牛乳脂肪球膜蛋白为糖尿病、心脑血管疾病患者的膳食干预或治疗提供了新的思路。
乳矿物质在免疫保护、体液调节和维持渗透压、体液酸碱平衡以及膳食补充等方面具有重要作用。与普通牛乳相比,牦牛乳铁、钙和磷含量较高[18-20]。高原地区蔬菜、水果等物资匮乏,当地农牧民长期通过食用牦牛乳及其制品获取矿物质、维生素、必需氨基酸和多不饱和脂肪酸等营养物质,以适应高原地区恶劣的生活环境并提高自身身体素质[21-22]。
牦牛乳及其制品因其特殊的营养价值而受到越来越多的消费者欢迎,但对新鲜的牦牛乳进行收集并及时加工利用还存在一定的困难。由于青藏高原地形复杂,传统的挤奶机械在高原上无法灵活使用；牦牛又采用自由放养的方式,散布在高原的大片地区,缺乏运输和储存设施,因此牧民普遍采用人工挤奶方式,劳动强度较高,乳品质无法保证。ZHANG等[23]设计了一种由机架、叶轮、旋片式真空泵、缓冲罐和接收器组成的可移动式牦牛乳挤奶机,质量小,操作灵活,不影响草原环境,适用于在地势险峻复杂的高原地区代替人工挤奶,提高工作效率,降低劳动强度,保证挤奶过程的卫生。张岩等[3]以牧区专业合作社为单位,牧民为生产管理主体,引入先进的小型乳制品自动化生产线,建立适用于青藏高原小型牦牛乳制品加工生产模式。但适用于牦牛乳上游产业链的生产加工方式还需进一步创新优化。
2 牦牛乳的开发利用
目前,除牧民自加工外,牦牛乳的开发利用主要集中在干酪素和发酵牦牛乳制品的生产、生物活性肽的制备以及牦牛乳粉特别是婴幼儿配方奶粉等高附加值产品的研发等方面。
2.1 干酪素
干酪素的主要成分为酪蛋白,可作为食品添加剂、品质改良剂、增色剂等应用于食品、造纸、皮革、乳胶、轻纺、医药、机械制造及化妆品等行业[24]。干酪素行业直接带动了甘肃、青海、四川、西藏、云南等省区的牦牛产业的发展。
目前,国外生产干酪素以鲜乳为原料,生产过程自动化程度高,生产出的干酪素产品色泽和质量较好。而我国生产干酪素的原料以曲拉为主。曲拉是牧民们生产酥油后的副产品,即脱脂后的牦牛乳经自然发酵风干得到的粗奶酪(酪蛋白约占总干物质的80%)；将其放在pH 8～10的水中熔融,用盐酸酸化后经沉淀、过滤、干燥即可得到干酪素产品[25]。由于藏区牧民居住分散、缺少相应的脱脂设备和脱膻技术、制作工艺参数不统一、环境卫生条件不合格等因素,导致曲拉的制作周期较长,区域性差异大且品质较差[26],加之下游的生产企业规模小、加工工艺比较粗糙、设备的利用率低、缺乏pH值等因素对牦牛乳酪蛋白影响的相关理论知识储备,造成曲拉盐酸干酪素产品出现色泽发黄、无光泽、酸败味、Cl-含量高等问题,使其在使用、价格、对外出口等方面受到很大限制[27-28]。陈梦音等[29]应用主成分分析和聚类分析建立曲拉品质综合评价体系,筛选出外观和色泽是评价曲拉品质的主要指标。甘伯中等[30]针对用曲拉原料生产的干酪素颜色发黄、无光泽等问题,采用离心过滤、亚硫酸盐和抗氧化剂处理,使产品的色泽有一定的改善。纪银莉等[31]以曲拉为原料,微小毛霉凝乳酶为凝乳剂,利用响应面法优化曲拉凝乳酶干酪素凝乳工艺为：凝乳pH值6.2、凝乳酶添加量0.05 g/kg、CaCl2添加量25 g/L、凝乳温度42 ℃,此条件下曲拉凝乳酶干酪素的理论出品率为75.23%。YANG等[32]研究了牦牛乳酪蛋白胶束在pH 4.6～8.2的解离行为,结果表明,牦牛乳酪蛋白胶束在pH 5.4时开始聚集,此时镁、钾、铁、锌、铜和锰的含量达到最低值;当pH<5.0时,形成了酪蛋白胶束的网状结构,粒径和可溶性矿物含量显著增加。由于胶体磷酸钙参与影响酪蛋白胶束的构象和稳定性,可根据钙和磷在乳清和胶束相之间的分布情况估计酪蛋白胶束在整个酸化过程中的变化趋势。改进曲拉的加工技术、优化干酪素的生产工艺、阐明酪蛋白溶解过程及其聚集状态等研究将为干酪素品质的提升奠定良好的理论基础,使其满足生产需要及市场需求。
实验室的基础研究为牦牛乳曲拉干酪素工业化生产提供了数据及参考资料,但为了进一步提高曲拉干酪素的品质,为牧民和企业创造更大的经济效益,可尝试从以下方面入手：(1)通过建立藏区服务示范基地,为牧民提供技术和设备的支持,培养藏区专业技术人才,简化优质牦牛曲拉的生产技术,对牧民进行标准作业程序的培训,提升牧民对牦牛曲拉等乳制品的加工水平；(2)研发并鼓励牧民购置适合藏区使用的简易曲拉规范化生产设备,改善牧民的生产环境；(3)建立以质论价体系和品质综合评价体系,对曲拉进行等级划分,以价格促质量；(4)推进产学研深度融合,加快实验室成果向实际生产的转化,攻克企业面临的牦牛乳领域的核心和关键技术难题。
2.2 发酵乳制品
酸奶、奶酪等发酵乳制品因其丰富的营养价值和独特的风味而受到全世界消费者的欢迎。传统的自然发酵乳制品如酸牦牛乳、开菲尔、马奶酒等是经野生发酵培养物在自然条件下发酵得到的,而商业化的发酵乳制品是由传统的自然发酵乳制品发展而
自然发酵的牦牛乳中含有的乳酸菌、酵母菌等组成的微生物体系比商业生产的发酵乳制品更为复杂,为优良发酵剂、益生菌、抗菌化合物和生物催化剂的开发提供了丰富的资源。自然发酵牦牛乳制品中含有的维生素、特异性蛋白质、生物活性肽、低聚糖和有机酸等生物活性物质以及微生物群代谢产生氨基酸、生物活性肽和酶等代谢产物使其在功能性食品领域也具有巨大的开发潜力。张栋等[34]从甘肃甘南牧区的自然发酵乳制品中分离得到一株高黏度的嗜热链球菌,通过自身高黏度的特性减少酸奶中稳定剂和增稠剂的添加和使用。QIAN等[35]从牦牛酸乳中分离鉴定出植物乳杆菌YS2(LP-YS2)比保加利亚乳杆菌更抗酸、抗胆盐,疏水性高,具有良好的食品生物医药开发价值。传统的自然发酵牦牛乳中乳酸菌胞外多糖含量高,具有良好的凝乳作用和益生特性[36]。有关自然发酵乳制品微生物群对人类健康的功能益处的研究也正在迅速扩大,利用发酵乳中固有微生物有望改善肠道菌群的平衡和多样性,积极促进人类健康[37]。因此,有关自然发酵牦牛乳菌种资源的挖掘、功能性评价及开发利用对商业化发酵乳制品、益生菌功能性食品等的发展和创新具有重要的指导意义。
发酵牦牛乳制品的效益不仅体现在功能价值上,还体现在营养和经济价值方面。以新鲜牦牛乳为原料生产传统的自然发酵牦牛乳为例,它的总固形物含量、蛋白质、脂肪、乳酸、矿物质(如钙、磷和镁)以及维生素B、维生素 C的含量均高于普通牛奶发酵而成的酸奶[38]。现如今随着消费者对于“+营养”和“-负担”健康乳品的追求,利用牦牛乳独特的营养价值和我国牦牛乳资源的优势,研发生产商业化高附加值的发酵牦牛乳制品可有效促进牦牛乳制品的渗透扩张、产品创新和消费升级,助力牦牛乳产业成为拉动我国乳制品市场增长的重要驱动力。
2.3 生物活性肽
生物活性肽是一类分子质量<6 000 Da,对生物机体的生命活动有益或具有多种生物学功能的肽类化合物。乳蛋白作为开发生物活性肽的优质来源,是研究最早、最广泛的蛋白质之一。磷酸肽是在乳酪蛋白水解液中发现的第一类生物活性肽,生物活性肽领域的快速发展也始于从乳酪蛋白消化液中鉴定和分离的类阿片肽[39]。随着乳源生物活性肽的研究不断深入,有关生物活性肽的研究已从阐明其形成、结构和功能拓展到开发其在功能性食品中的潜在用途及生物利用率评价等方面。例如已经证明酪蛋白磷酸肽对H2O2诱导的氧化应激具有细胞保护作用,其可以作为金属离子螯合剂,通过与铁等促氧化金属离子结合而抑制脂质氧化[40-41]。因此,酪蛋白磷酸肽已做为天然抗氧化剂用于水包油型乳状液中,以减少油脂的氧化酸败[42]。
从不同哺乳动物的乳蛋白中提取的生物活性肽的功能变化取决于这些蛋白质之间的同源程度[43]。从这个角度出发,牦牛乳蛋白可作生物活性肽开发的新资源,为开发具有特定营养保健功能的新型食品提供来源。目前,已从牦牛乳蛋白中分离并鉴定了具有矿物结合、血管紧张素转换酶(angiotensin-I-converting enzyme,ACE)抑制、免疫调节、抗癌、抗菌和抗血栓活性的多肽。JIANG等[44]利用中性蛋白酶水解曲拉得到了较高活性的ACE抑制水解物,其半抑制率IC50 为0.38 mg/mL,它们的氨基酸序列与已知生物活性的牛乳酪蛋白肽相吻合。宋雪梅等[45]研究发现,牦牛乳硬质干酪经体外消化前后,ACE抑制活性无显著性差异,有18种ACE 抑制肽共享了已知ACE抑制肽 C-末端的三肽氨基酸结构。MAO等[46]通过自由基的清除率以及脂多糖刺激的小鼠腹腔巨噬细胞的细胞活力、NO生成和促炎细胞因子分泌等指标,测定牦牛乳酪蛋白水解物的抗自由基和抗炎活性。结果表明,与未水解牦牛乳酪蛋白相比,用碱性蛋白酶水解7 h的水解物对DPPH、超氧化物和过氧化氢自由基的清除率最高,对NO的产生、促炎性细胞因子、白细胞介素-6(IL-θ)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等分泌具有显著下调作用。在模拟肠道消化条件下,WANG等[47]发现牦牛酪蛋白水解物可结合锌、铁离子形成可溶性、可透析的复合物,这说明制备的牦牛酪蛋白水解液中含有矿物结合肽。牦牛乳酪蛋白水解液中二价离子的主要结合位点由羧酸和酰胺基组成,但还需要进一步的研究来鉴定其中的肽类化合物[48]。随着仪器分析技术的发展和完善,可将脂质组学、蛋白质组学、代谢组学及多组学联合技术运用于牦牛乳生物活性肽的分离鉴定,明确牦牛乳中的生物活性化合物的营养功能及其对健康的潜在作用机制,深度开发生产牦牛乳系列功能性高端产品,为我国功能性食品的开发提供新原料。
2.4 婴幼儿配方奶粉
目前,市场上有很多以牛奶、羊奶等反刍动物的奶源为基础生产的婴幼儿配方奶粉。牦牛作为世界上仅存的源种动物之一,其奶源属于A2型β-CN高占比的A2型奶,营养结构自然,易于人体的吸收,可作为一种安全可靠的婴幼儿配方奶粉基础材料。DUARTE-V
ZQUEZ等[8]用娟珊牛A2型乳研发了一种婴儿配方奶粉并模拟胃肠消化,结果表明,A2 型奶粉产生BCM-7的量显著低于 A1 型乳和普通的婴儿配方奶粉。同时A2型乳还可改善消化功能,致敏性低[49]。LUO等[50]对比了奶牛、牦牛乳脂肪球在体外模拟的婴儿胃肠道消化情况,牦牛乳脂肪球具有高脂消化率,释放的不饱和脂肪酸比奶牛乳脂肪多,消化过程中释放的脂解产物对新生儿的营养代谢有积极影响。蛋白质中还富含母乳中才有的一些天然免疫因子和生物活性成分,包括共轭亚油酸、乳过氧化氢酶、溶菌酶、免疫球蛋白、乳铁蛋白、转铁蛋白、乳白蛋白、转化生长因子-β2和胰岛素生长因子等,可为新生幼儿提供被动免疫,保护机体免受一些病原微生物的感染[6]。另外,在牦牛乳脂肪球膜中还发现糖基化依赖性细胞粘附分子1、CD59分子和乳凝集素的丰度明显高于普通牛乳(4.6～10.1倍),这些蛋白质具有良好的抗菌和免疫功能[51]。牦牛乳的生物活性成分上为牦牛乳基婴幼儿配方奶粉的开发提供了天然优势。
人和反刍动物乳汁中蛋白质组分的较大差异是造成婴幼儿发生过敏、不消化等现象的主要原因。牛乳中的β-乳球蛋白属于强过敏原——脂质运载蛋白家族,而母乳中几乎不含β-乳球蛋白,所以母乳不具有致敏性,牦牛乳因含较低的β-乳球蛋白(约为普通牛乳的20%),所以具有低致敏性[52]；另外,牦牛乳含有较高的β-酪蛋白(45%左右)、α-酪蛋白(约 40%)和较低的 κ-酪蛋白(约 14%)[6],总酪蛋白、乳清蛋白与总蛋白的比值均大于牛乳。牦牛乳蛋白质的组成更贴近母乳,有利于婴幼儿消化吸收,可简化婴幼儿配方奶粉的生产加工过程,使敏感的营养成分最大限度保留。
通过比较母乳与牦牛乳的营养成分的差异,可为牦牛乳源婴幼儿配方奶粉的研发提供数据支持,或从牦牛乳中发现可添加到婴幼儿配方奶粉中的生物活性成分。但在婴幼儿配方奶粉的实际研发生产中,仅仅改变各营养成分比例远远不能准确模拟母乳,牦牛乳母乳化还需参照牛乳、羊乳等成熟婴幼儿配方奶粉的研发过程进行精准研究。
3 结论与讨论
近十年来,我国的乳制品消费量实现了跨越式增长。随着我国社会老龄化程度不断加深、销售渠道多元化进展以及后疫情时代消费者摄入乳制品意识的增加、对肠道免疫关注的提高,乳制品行业将在大健康时代迎来新的经济增长点。
牦牛乳作为一种原生态、无污染的优质特色乳资源,市场开发潜力巨大。我国具备全面开发牦牛乳制品的先天资源优势和基础条件。经过多年的发展,已建成国家级牦牛乳系列产品技术研发中心和牦牛乳产业园,各地方的牦牛乳品企业也初具规模,研发生产了干酪素、生物活性肽、牦牛乳酸奶、牦牛乳配方奶粉、蛋白粉、蛋白糖等牦牛乳制品,但产品的质量差异较大,消费者认知度不高。根据食品安全标准与监测评估司最新发布的《食品安全国家标准 乳粉(征求意见稿)》,牦牛乳粉的技术要求已被纳入国家标准,由此可见我国将对牦牛乳及其制品的生产和产品质量作进一步规范。
我国牦牛乳产业的发展应抓紧大健康时代带来的机遇,推进先进乳企的经验模式,努力将技术、生产、市场三个环节紧密结合。积极打造高度自动化、智能化的工厂以提升牦牛乳制品安全保障体系；开发高附加值的牦牛乳制品、运用新零售模式以提高产品的竞争力及在消费者中的认知度；用好产业扶贫政策,促进牦牛乳一二三产业的融合发展,同时依靠产业脱贫有效地增加藏区农牧民的收入。总之,拉动牦牛乳产业再上新台阶将成为我们面临的机遇与挑战。
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