生物的基因组在通常情况下只表达少部分基因，且表达程度及表达的基因类型也会因生物生存环境及内在状态的变化存在差异。基因虽然是遗传信息的源头，但功能性蛋白质才是基因功能的执行体[1]，它为认识各种生命活动提供直接的分子基础。随着分子生物学技术及计算机科学的发展，蛋白质组学应运而生，并被广泛应用于食品[2-3]、医学[4-5]和动植物生理[6-8]等各个领域的基础研究与应用研究。蛋白质是乳及乳制品的重要营养成分。较传统的研究方法而言，一方面蛋白质组学技术为深入了解乳及乳制品中蛋白质组成、数量、功能及差异变化提供了新视角，且有助于挖掘其中具有生物活性的微量成分。另一方面，利用蛋白质组学技术可深入研究乳及各类发酵乳制品中由微生物产生的酶(即蛋白质)，了解这些酶在乳及乳制品加工和存储过程中发挥的作用，从而在生产加工中对其进行调控，提高乳及乳制品的品质。本文对蛋白质组学技术进行介绍，并重点对其在乳及乳制品中的应用进行综述与展望，以期为乳品研究的方向提供参考。
1 蛋白质组学及其研究过程中的主要技术
一个细胞或生物体内的基因通常是静态不变的，而其蛋白质的表达程度、翻译后的修饰以及蛋白质的相互作用等则会随着发育时期和生存环境的不同而产生巨大差异[9]。蛋白质组学(proteomics)以一个生物体或细胞中整体蛋白质作为研究对象，对其组成成分、修饰状态、表达水平以及各蛋白质之间的作用和联系进行分析，不仅可以获得整体水平上蛋白质的组成信息，更有助于了解生命活动的调控规律[10]。
目前蛋白质组学研究过程中的主要技术包括样品制备技术、蛋白质分离技术、蛋白质鉴定技术以及生物信息学分析技术。
1.1 样品制备技术
蛋白质样品制备的好坏直接决定后续鉴定结果，针对不同研究对象，所采取的制备方法也不同。基于裂解液浸提、离心、超声、丙酮沉淀这些操作的制备方法只适用于高丰度蛋白以及简单体系中蛋白质的提取，如动植物组织中的蛋白制备[11-12]；豆酱[13]、污泥[14]、大曲[15]中微生物蛋白的制备以及乳酸菌中[16]蛋白的提取。常规的蛋白质提取方法并不能完全适用于普遍样本。研究表明,低丰度蛋白往往具有重要的生物学意义[17]，而样品制备环节存在的主要问题是一些高丰度蛋白会对低丰度蛋白的鉴定造成干扰，基于此点，目前已研制出成熟的试剂盒能够去除血清样本中的高丰度蛋白(清蛋白、白蛋白等)而留下低丰度蛋白以供后续研究[18]。但此法仅限于研究血清样本，无法广泛使用。乳及乳制品中常采用离心结合超声与沉淀等方法制备乳脂肪球膜蛋白、乳清蛋白以及酪蛋白等高丰度蛋白[19-20]，而对这个复杂体系中低丰度乳蛋白(如乳铁蛋白、免疫球蛋白、糖蛋白、激素和内源性酶)以及体系中微生物蛋白的研究则受到了分离技术的限制。JARDIN等[21]在研究干酪时，对干酪水溶性提取物使用离心、过滤、亲和层析与分子排阻色谱的手段去除乳脂、酪蛋白及乳铁蛋白，最终达到了富集其中低丰度微生物蛋白质的目的。另外有报道显示，采用免疫吸附剂去除了人和牛的初乳与常乳中部分高丰度蛋白后，利用二维凝胶电泳技术分离其中部分低丰度蛋白，结果表明人乳与牛乳中的微量蛋白受哺乳期影响不大[22]。靳登鹏等[23]比较了免疫亲和层析和ProteoMiner低丰度蛋白富集试剂盒2种方法去除母乳乳清中高丰度蛋白的效果，发现两者都能去除部分高丰度蛋白，但试剂盒的效果更好，能够增加检测到低丰度蛋白的几率。
1.2 蛋白质的分离技术
蛋白质分离技术主要包括凝胶分离技术和色谱技术两大类。凝胶分离技术包括二维凝胶电泳(two-dimensional gel-electrophoresis，2-DE)、二维荧光差异凝胶电泳(two dimension fluorescence difference gel eleltrophoresis，2D-DIGE)以及毛细管电泳(capillary electrophoresis，CE)等。由于凝胶电泳技术本身存在的弊端，其分离效果受到诸多条件限制，无法完全实现复杂样品中蛋白质的有效分离，因此现阶段多采用色谱技术进行研究。色谱技术可有效增加蛋白质鉴定的种类及数量，弥补电泳技术的部分缺陷[24-27]。液相色谱(liquid chromatography，LC)是常用的色谱技术之一，常与2-DE联合使用，具有更为自动化的实验过程。高效液相色谱(high performance liquid chromatography，HPLC)在LC基础上发展而来，因其特异性强、灵敏度高的特点，常用于相对分子质量较小的蛋白质、膜蛋白以及低丰度蛋白的分离[25]。CHEN等[28]通过LC/MS技术研究了山羊乳均质化过程中蛋白质的变化;杨梅等[29]通过HPLC系统对牛乳中不同蛋白质组成及功能进行了分析。色谱分离技术已成为乳及乳制品中标记与非标记蛋白质组学研究的主要手段。
1.3 蛋白质的鉴定技术
质谱(mass spectrum，MS)技术是目前最为常用的蛋白质鉴定技术，通过分析经特异性蛋白酶(如胰酶)水解后得到的肽段混合物，能够快速鉴定蛋白质组分，并准确测定肽和蛋白质的相对分子质量、氨基酸序列和翻译后的修饰物。因色谱与质谱的高效性与准确性，两者联用已成为蛋白质组学研究的重要手段。在蛋白质组学中，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight- mass spectrometry, MALDI-TOF-MS)和电喷雾离子化质谱(electrospray ionization-mass spectrometry, ESI-MS)是使用频率较高的质谱。其中，MALDI-TOF-MS常与2-DE技术联用。乌日娜等[16]采用这种技术探究了植物乳杆菌(L.plantarum FS5-5)在盐胁迫下的蛋白质组学变化。而ESI-MS常与HPLC技术联用。PETRELLA等[31]通过两者联用获得了有关意大利水牛干酪中蛋白质水解的信息。
以质谱技术为基础的蛋白质分析目前主要依靠非标记(label-free)技术与同位素标记相对和绝对定量(isobaric tagging for multiplexed relative and absolute protein quantitation, iTRAQ)、多肽体外标记定量(tandem mass tag，TMT)、细胞培养条件下稳定同位素标记(stable isotope labeling with amino acids in cell culture, SILAC)等体内外标记技术。Label free可分析大量蛋白质质谱数据，操作简便，多用于微生态中宏蛋白质组学研究。就标记技术而言，虽然试剂盒价格昂贵，但从早期只限于2个样本分析的同位素亲和标记，到可对4或8种样本进行分析的iTRAQ技术，以及可同时对2、6或10种蛋白样品进行标记的TMT技术，其分析过程也更加趋于简便准确。这些定量技术主要采取数据依赖采集模式(data dependent acquisition,DDA)，随着动态范围更广、准确度更高的数据非依赖采集模式(data independent acquisition,DIA)的发展与成熟，蛋白质的定量与定性将达到前所未有的深度[3,32]。
1.4 生物信息学分析技术
蛋白质组学的数据庞大、关系复杂，其鉴定与分析在很大程度上取决于生物信息学(bioinformatics)技术，需要依靠计算机网络、数据库和应用软件来进行蛋白质序列的比较分析、蛋白质结构与功能预测及蛋白质-蛋白质之间的相互作用与作用途径分析。其中包括对生物信息的收集、加工、存储、检索与分析，获得生物信息后不仅要与数据库中已有信息进行比对，还要通过数据分析对未知功能进行预测。因此，能够自动化处理大规模数据的工具与信息全面准确的数据库是蛋白质组学发展的必然要求。目前已有大量的分析搜索软件和数据库相继出现，可根据不同研究需要进行选择。常见的蛋白质定性软件有MASCOT、SEQUEST、X!Tandem等；定量软件有MaxQuant、SILVER等；综合性平台如Protein Discover。另有SIMCA可进行主成分分析，DAVID等软件进行基因本体分析，STRING与KEGG用于进行蛋白-蛋白互作分析与蛋白质代谢途径分析，PowerPoint、Venn Diagrams、Winvenn、cluster、R语言等数据处理软件可绘制文氏图或热图。数据库可分为蛋白质序列数据库，如SWISS-PROT、PIR等；蛋白质结构数据库，如PDB、SCOP、CATH等；蛋白质功能数据库，如GO、GOG、KEGG等；另外有UniProt、NCBI、EBI等综合性数据库，覆盖了蛋白质的相关数据[3,24,32]。
随着色谱、质谱与生物信息学的快速发展，蛋白质组学技术已在诸多领域发挥着重要作用,如动植物及微生物生理现象的研究，临床诊断中癌症及心脑血管等重大疾病生物标志物的筛选，食品加工与存储过程研究，乳品质量和成分检验、毒素检测等。
2 蛋白质组学技术在研究乳及乳制品中的应用
乳及乳制品占全球食品消费20%～30%[33]，动物乳对人类健康起着不可忽视的作用。近年来，随着乳品工业技术的发展，除传统牛乳外，羊乳、骆驼乳、马乳甚至猕猴乳[34]因其营养价值和特殊功效都被开发出来。利用组学技术研究不同种类、不同品质乳以及不同加工存储过程中乳蛋白质的组成、数量、表达差异以及变化规律，对把控优质乳源、提高乳品开发率与利用率以及乳品行业质量监控有着重要作用。
乳及乳制品中蛋白质组成复杂、种类丰富，近年来，乳脂肪球膜蛋白与乳清蛋白由于其特殊的生物功能而备受关注。与其他具有生物活性但受限于分离技术和仪器检测灵敏度的低丰度蛋白相比，这两类蛋白质均为高丰度蛋白质，易于分离并检测观察，因此成为研究热点。除此之外，乳制品加工中杀菌技术、存储时间对蛋白质造成的具体影响是乳品蛋白质组学研究的另一关注点。而我国的奶豆腐、乳饼、乳扇等种类繁多的特色乳制品，也有待于利用组学技术阐明其加工原理与营养价值，推进地方特色食品标准化生产，增加经济效益。
2.1 利用蛋白质组学技术研究乳脂肪球膜蛋白
乳脂肪球膜蛋白包含来自于内质网、细胞膜及细胞质中的蛋白质，尽管乳脂肪球膜蛋白只占总乳蛋白的1%～2%，但它却是其中最具多样性的蛋白质。更有研究表明乳脂肪球膜蛋白具有抗癌、防止幽门螺杆菌感染和提高自身免疫的作用[26,35]，由此成为近年来备受关注的一个乳蛋白组分。JI等[19]对牦牛乳与奶牛乳中乳脂肪球膜进行研究，鉴定了两者主要的乳脂肪球膜蛋白，发现它们的生物学功能几乎没有差异，部分乳脂肪球膜蛋白在相对丰度上有所不同。该团队[36]同样研究了水牛和奶牛乳脂肪球膜蛋白，共鉴定出424个蛋白质，其中146个蛋白质差异极显著，大部分在细胞膜上，具备催化活性和蛋白质结合功能，参与生物体的代谢过程。杨梅等[29]研究牛乳中不同的蛋白质组成，发现牛乳脂肪球膜蛋白中存在201种蛋白，乳清中存在96种蛋白，酪蛋白中存在21种蛋白，乳粒中存在43种蛋白，各组分中共有27种表达相同的蛋白。该团队另一项对人乳与牛乳中乳脂肪球膜蛋白的研究中发现两者存在较大差异[37]。在鉴定出的488种牛乳脂肪球膜蛋白质中有173种特异性蛋白；1 545种人乳脂肪球膜蛋白质中有1 230种特异性蛋白质，且有24种蛋白质参与免疫相关的通路。最终表明牛乳虽与人乳较为相似但不能完全代替人乳。LU等[38]研究山羊初乳和常乳中乳脂肪球膜的差异蛋白质，共鉴定出423种乳脂肪球膜蛋白，其中189种在初乳与常乳中丰度差异显著。初乳中急性时相蛋白的含量明显高于常乳，另外在初乳与常乳中均观察到与长期抑郁症相关的LTD蛋白质。
YANG等[39]采用iTRAQ技术研究了荷斯坦牛乳、泽西岛牛乳、牦牛乳、水牛乳、山羊乳、骆驼乳、马乳和人乳中的乳脂肪球膜蛋白的组成。共鉴定出520种蛋白质，其中仅18种蛋白质在这些哺乳动物中不存在差异。经过主成分分析和聚类分析，最后认为骆驼乳、马乳与人乳的乳脂肪球膜蛋白组成相似，更有望成为人乳替代品为婴幼儿提供营养。赵小伟等[40]在奶牛和山羊乳脂肪球膜蛋白中分别鉴定出284和334种蛋白质，且奶牛与山羊乳中蛋白质参与生物学过程的模式非常相似，而在分子功能与所涉及生物学通路上存在差异。SUN等[41]研究了关中山羊和荷斯坦奶牛成熟乳中乳脂肪球膜蛋白，分别鉴定出593和349种蛋白质，虽然两者均含有丰富的磷蛋白、膜相关蛋白和乙酰化相关蛋白，但蛋白的种类、功能和生物途径上存在差异。
以上研究多集中于不同畜种间乳脂肪球膜蛋白的差异研究，旨在对其分子结构、表达模式、生物学功能进行更为详细的表征与注释，为开发与利用奠定基础。
2.2 利用蛋白质组学技术研究乳清蛋白
乳清蛋白是除去乳中酪蛋白后的蛋白质，在牛乳蛋白质中含量高达20%。其中存在许多对机体具有调控和免疫作用的免疫球蛋白，因其具有乳化性、起泡性等功能被广泛应用于食品、医药及化妆品等行业[25,35]。MEDEIROS等[42]将山羊乳的乳清进行粗提分级后，使用蛋白质组学技术对其鉴定，验证了乳球蛋白、乳白蛋白、血清蛋白是山羊乳清粗提物中的主要蛋白质，为后续抗菌性研究提供了基础。ANAGNOSTOPOULOS等[30]选取2种希腊山羊乳与3种希腊绵羊乳进行蛋白质组学表征，发现所有品种羊乳均含有LACB、CIB1和APOA1蛋白，但表达程度不同。3种绵羊乳之间既有共同蛋白质也有特异性蛋白质，2种山羊乳之间也是如此。GO功能注释表明，希腊山羊乳乳清蛋白质在其分子功能方面与绵羊具有类似的特征，而两者参与的生物过程及细胞定位上有所不同。古丽巴哈尔·卡吾力等[43]对鲜马奶中乳清蛋白进行分析，共鉴定出283种蛋白质，GO功能注释表明这些蛋白质基本分布在细胞质、外切体水泡、细胞表面等区域，参与细胞增殖、细胞凋亡的调控等生理过程，主要分子功能为金属离子结合、ATP结合等。张新浩等[44]对不同产奶量德州驴的乳清蛋白进行了定量分析。最终在德州驴乳中鉴定出216个乳清蛋白，其中19个在高产样本中存在显著差异，并初步确定了与德州驴产奶量性状相关的蛋白质。THANISLASS等[45]对隐性乳房炎奶牛和健康奶牛的乳清蛋白进行蛋白质组学分析，发
蛋白胨-3前体、胰蛋白酶前体、补体成分-C3、免疫球蛋白重链前体、C型凝集素等在乳房炎早期差异十分显著，最终确定补体成分-C3的活化产物C3a可以作为诊断奶牛隐性乳房炎的潜在标记物。
关于乳清蛋白的研究以羊乳居多，除此之外这些研究基于乳清蛋白独特的生物学功能，比较了不同乳源下乳清蛋白的差异，并对不同健康状态与产奶量的动物乳清蛋白进行比较，旨在寻找与之相关的蛋白质，为乳房炎快检及选育优质乳源提供生物标记。
2.3 利用蛋白质组学技术研究不同加工方式下的乳及乳制品
蛋白质组学技术同样运用于乳品加工条件的探索。臧长江等[46]研究发现75 ℃/5 s热处理对生鲜牛乳中的蛋白质组分及含量无明显影响，而135 ℃/4 s和145 ℃/4 s可造成乳中蛋白质含量的降低。乳清蛋白尤其是免疫球蛋白的热稳定性相对较差，这与刘翠等[47]对山羊乳研究的结果相似。刘鸣畅等[48]研究不同热加工条件对牛乳主要蛋白质成分与含量的影响，结果表明，随着加热强度增加，蛋白质着色点变浅，鲜乳、巴氏乳蛋白点光密度值明显高于超高温瞬时灭菌乳和复原乳，对这些蛋白点进行质谱分析，鉴定出α-S1酪蛋白、α-S2酪蛋白、β-酪蛋白、β-乳球蛋白、κ-酪蛋白、乳糖脱氢酶A蛋白。另外，复原乳在不同热处理条件下，随着温度升高，蛋白着色点变浅，蛋白点出现模糊、拖带现象，部分蛋白异构体增多。FELFOUL等[49]对热处理下骆驼乳与奶牛乳进行蛋白组学分析，结果表明在80 ℃下加热60 min后，骆驼乳和牛乳酪蛋白组分保持完整，而乳清蛋白受到较大影响。骆驼乳中α-乳清蛋白和肽聚糖识别蛋白未能被检出，血清白蛋白含量则显著减少。而牛乳中未检测到α-乳清蛋白和β-乳球蛋白。CHEN等[33]通过LC/MS研究山羊乳蛋白的热依赖性变化，对高温短时、超巴氏杀菌、超高温和低温长时间加热处理的山羊乳进行蛋白质组学分析。所有样品中共鉴定出843种蛋白质，在对照组和加热组中分别定量了527、543、537、533和539种蛋白质，其中共同蛋白质438种。该团队也采用同样的技术手段研究了山羊奶在均质化过程中蛋白质的变化[28]。对照组和均质化组分别量化了310、315种蛋白质，其中16种蛋白质在两组之间有显著差异。在均质化处理组中发现与山羊乳糖酵解/糖异生代谢相关的蛋白质发生了显著变化。这些发现为热处理和均质羊乳的蛋白质特征提供了最新信息。
不同加工条件下乳蛋白质研究中以加热条件为主，采用色谱与质谱联用，旨在探究生产过程中合适的加工参数，以减少加工过程中蛋白质的损失，提高乳制品的营养价值。尽管存在畜种差异，但热加工对乳清蛋白均造成了不同程度的影响。
2.4 利用蛋白质组学技术研究发酵乳制品
干酪是牛乳经凝乳并排出部分乳清而制成的新鲜或发酵成熟的产品，富含多种营养成分，并可有效缓解乳糖不耐症。干酪作为发达国家的膳食主体，占其全部乳品消耗量的60%[50]，国外对干酪已有了较为深入的研究。JARDIN等[21]分别选取2种干酪成熟期间3个时间点的水溶性提取物中蛋白质进行研究，鉴定了多种来自牛乳与细菌的蛋白质。结果显示,2种干酪既拥有部分共同的牛乳蛋白质，也存在部分相同的细菌蛋白质。成熟期间细菌蛋白质的浓度从成熟的第7天至第69天增加2.5～20倍。PETRELLA等[31]利用蛋白质组学方法研究河水牛mozzarella干酪中蛋白质水解，对60个市面mozzarella干酪和10个标准mozzarella干酪进行分析，结果显示市面干酪中大部分酪蛋白含量偏多，表明在储存过程中纤溶酶引起了剧烈的蛋白质水解，或是由于使用劣质半成品进行干酪制作所致。PAPPA等[51]分析了由绵羊乳、山羊乳和牛乳制备的成熟120 d后的Teleme干酪水溶性提取物中的组成肽和蛋白质，结果表明,绵羊乳干酪和山羊乳干酪的水溶性提取物中蛋白浓度没有显著差异，且均高于牛乳干酪，而绵羊乳干酪水溶性提取物相比山羊乳和牛乳干酪，能提供更广谱的肽。
IZOUIERDO-GONZALEZ等[52]对山羊乳开菲尔酸乳制品3个发酵时间点的蛋白质消化与生物活性肽进行了研究，以探究发酵过程中蛋白质的消化模式，最后在对应的22个注释蛋白质下鉴定出2 328个特异性肽，并在发酵24 h时发现了肽的最高浓度，鉴定出了11个属于酪蛋白的生物活性肽。
这些研究通过比较不同类型干酪的蛋白质差异、干酪成熟期间微生物蛋白质变化以及储存过程中蛋白质的水解，借此为干酪的生产与掺假检测提供理论基础。这也为我国丰富的乳制品尤其是具有民族特色的发酵乳制品的深入研究提供了方向与思路。而随着发酵乳制品走入我国人民的日常生活，对其进行深入研究也是工业发展的必然要求。
3 展望
目前，蛋白质组学在乳及乳制品中的应用主要集中于原料乳，着重研究不同品种乳间差异蛋白质。受分离技术的限制，研究对象多为高丰度乳源蛋白，对于乳中具有特异生物活性功能的低丰度乳蛋白和对乳品质有影响的微生物蛋白研究报道较少。而随着研究深入，发酵或保藏期间乳及乳制品受微生物影响，特别是其中蛋白质的变化已逐渐成为目前研究的难点与重点。探索新的蛋白质分离技术，揭示乳体系与微生物之间关系，蛋白组学将成为有力的工具。另外，蛋白质组学与基因组学、转录组学、代谢组学的联合分析将对揭示微生物与乳环境之间的关系起到重要作用，多组学联合技术将在工业生产领域发挥其独特的优势。
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