牦牛乳酪蛋白胶束结构形成机理研究

Yak milk is the specific resources and an important economic materials in Qinghai-Tibet Plateau. However, due to the lack of systematic and in-depth study, yak milk are in low output state and yak milk products are scarce which hinder the economic growth of Qinghai-Tibet Plateau. Casein micelles are at the core of dairy industry which structure affects the properties of milk and casein products. Up to now, little research was carried out to investigate the formation mechanism of casein micelles on a molecular level. In this study, proteomics advanced technology will be used to investigate the formation mecheanism of yak casein micellar microstructure. The content of casein monomer and minerals in yak casein micelles was studied by high performance liquid chromatography and ion chromatography. The animo sequence and spatial structures of four main monomer caseins in micelles will be determined by time of flight mass spectrometry, fourier transform infrared spectroscopy and circular dichroism. The internal structure and the size, distrubution of calcium phosphate in casein micelles will be studied by small angle X-ray scattering and small angle neutron scattering. The interaction between casein monomers will be analyzed using surface plasmon resonance and atomic force microscopy technology. The formation mechanism of the casein micellar microstructure will be clarified on the base of casein micellar structure models and the microstructure control parameters of casein micellar will be achieved. The results would guide the modification of the microstructure of casein micelles. It would also contribute to the development of casein products with higher quality, and promoting Tibetan economy and income of Tibetan herders.

牦牛乳是青藏高原特有资源，是藏区重要经济支柱，由于牦牛乳基础研究缺乏，严重制约了牦牛乳产品开发与藏区经济发展。酪蛋白胶束结构决定乳制品品质和功能，但目前缺乏胶束结构形成机理研究。本课题利用分子生物学和蛋白组学技术手段，探讨牦牛乳酪蛋白胶束结构形成的分子机理。首先采用高效液相色谱、离子色谱等技术研究酪蛋白胶束化学组成，明确胶束内部主要酪蛋白单体和矿物质含量；采用飞行时间质谱、红外光谱、圆二色光谱等技术确定4种主要酪蛋白单体氨基酸组成、序列及空间构象；采用小角X射线和中子射线散射技术获得胶束内部空腔尺寸、磷酸钙粒径及其分布信息，探明胶束内部结构；采用表面等离子体共振、原子力显微技术，从分子水平分析酪蛋白单体间相互作用关系，明确作用机制；利用胶束结构模型理论，阐明牦牛乳酪蛋白胶束结构形成机理，提出特征结构形成控制参数，调控酪蛋白胶束微观结构，开发功能酪蛋白产品，带动藏区经济发展，促进牧民增收。

牦牛乳是青藏高原特色乳资源，具有极高的营养价值。因研究起步较晚，严重制约了牦牛乳的资源化开发和利用。项目系统研究了牦牛乳酪蛋白单体(CN)结构和单体间相互作用，探讨了酪蛋白胶束结构形成机理。结果表明，牦牛乳酪蛋白单体结构与荷斯坦牛乳酪蛋白单体存在差异。牦牛乳αs1-CN、β-CN磷酸化位点数分别为9和1，与荷斯坦牛乳αs1-CN、β-CN单体一致；牦牛乳κ-CN磷酸化位点数为2，荷斯坦牛乳κ-CN磷酸化位点数为3。酪蛋白单体均以β-折叠结构含量最高，α-螺旋结构含量最低（牦牛乳β-CN除外）。两种乳源αs1-CN的荧光谱图相似，最大发射波长均为344nm；两种乳源的β-CN荧光光谱较为接近，最大发射波长为338nm。牦牛乳酪蛋白单体的焓变低于相应的荷斯坦牛乳酪蛋白单体；牦牛乳酪蛋白单体变性温度高于相应的荷斯坦牛乳酪蛋白单体。αs1-CN和β-CN以不同比例混合后产生相互作用，结构改变，ABTS自由基清除活力也随之改变。牦牛乳酪蛋白胶束由αs1-CN、αs2-CN、β-CN、κ-CN4种单体构成，单体间由磷酸钙形成的钙桥、次级键作用而相互聚集；κ-CN含有糖基，位于胶束表面，阻止了胶束增长，赋予胶束较好的亲水性。牦牛乳酪蛋白胶束粒径约150nm，随着pH由6.8升高至8.2时保持粒径基本不变，但游离酪蛋白单体含量迅速增加。pH升高时胶束发生了解离，疏水性增强，剩余胶束表面单体失去外层保护后结构伸展，采用动态光散射测定的胶束粒径变化不大。胶束内部αs1-CN、αs2-CN、β-CN 3种单体的分布具有随机性。伴随着胶束的解离，磷酸钙也逐步解离。牦牛乳中钙和磷的解离程度线性相关，其比例为1.87，与荷斯坦牛乳酪蛋白胶束一致，说明牦牛乳酪蛋白胶束结构与荷斯坦牛乳酪蛋白胶束结构相似。研究结论可用于调控牦牛乳酪蛋白胶束结构，指导牦牛乳制品产业化开发；也可为其他乳资源研究及产品开发提供参考依据。